3種鹽脅迫對玉米幼苗生長及葉片抗氧化酶和離子累積的影響

Shabeer Ahmed，沈彥合，馬文豪,董江波,屈芯宇,曹 穎,胡尚連，羅學剛

(1.西南科技大學植物細胞工程實驗室，四川 綿陽 621010; 2.西南科技大學環境與資源學院，四川 綿陽 621010)

植物在生長發育過程中極易受到各種環境因素的脅迫。其中，在非生物脅迫中土地鹽漬化會導致主要農作物減產50%～70%[1]。玉米(ZeamaysL.)作為重要的禾谷類作物種植廣泛程度僅次于水稻和小麥，因此充分了解玉米這一C4植物[2]的耐鹽性對農業生產具有重要意義。

全球氣候的變化以及劣質水源的灌溉使土地鹽漬化逐年加重[3]，對農業生產活動帶來了巨大的挑戰。鹽堿地中富含大量的NaCl，因此目前與鹽脅迫相關的研究都集中在NaCl脅迫方面[4-5]。而火山土壤、海水灌溉的土壤還富含硫酸鹽，工業生產硫化氣體的排放也會導致土壤中硫酸鹽含量的增加[6-8]。氮肥的過量施用[9]以及含氮工業廢水的排放[10]則可能會導致土壤發生硝酸鹽含量超標，引發次生鹽漬化。目前關于玉米耐鹽性的生理生化特性[11]及分子機理[12]均有大量研究。胡燕梅等[13]研究表明，不同品種玉米在相同濃度鹽脅迫條件下具有不同的萌發及幼苗生長特性。目前對玉米耐鹽性的研究多采用NaCl溶液進行模擬[14]。鹽脅迫的作用機理主要通過滲透脅迫(進而導致氧化脅迫)和離子毒害等方面來體現[15]。而面臨越來越復雜以及多樣化的土壤鹽漬化情況，玉米的耐性也會不同。因此研究不同類型鹽脅迫對玉米生長影響和生理響應變化具有非常重要的科研與實踐意義。本研究選取2個玉米品種金玉819和金單999，探討3種鹽脅迫(NaCl、Na2SO4和NaNO3)對玉米生長、抗氧化酶活性及Na+、K+、Ca2+等離子積累的影響，為深入研究玉米的耐鹽機理和不同土壤鹽漬化條件下的玉米栽培[16]提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

選取雜交玉米品種金玉819和金單999為供試材料。將飽滿一致的玉米種子清水浸泡12 h后，轉移至由50% Hoagland營養液浸濕的濾紙上，置于光照培養箱內(12 h光照/12 h黑暗交替，25℃)進行萌發。7 d后選取長勢一致的幼苗移至內裝石英砂、下部有孔的塑料盆中(39 cm×30 cm×13 cm)，每盆栽植16株幼苗，采用50% Hoagland營養液置于恒溫光照培養室(25℃，14 h光照/10 h黑暗交替，相對濕度60%～70%)內進行適應培養。待幼苗長到3葉1心期時，對幼苗進行脅迫處理，以純50% Hoagland營養液作為對照(CK)。試驗共7個處理，每個處理3盆以上，每2 d更換一次營養液，以保持營養充足以及鹽濃度相對穩定。處理10 d以后，測量植株的鮮重并取樣。

1.2 試驗方法

將植株從營養液中取出后，拭干表面水分，用‰天平分別測定地上部和地下部的鮮重。用于測定酶活性的葉片取樣后經液氮冷卻，置于-80℃冰箱保存備用。

酶活性測定：采用氮藍四唑(NBT)法[17]測定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈創木酚比色法測定過氧化物酶(POD)活性[17];過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測定[17];抗壞血酸過氧化物酶(APX)測定參照Mishra[18]等的方法;Ca2+測定采用純水浸提-原子吸收光譜法;K+、Na+測定采用純水浸提-火焰光度計法。

1.3 數據分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 21進行數據統計和方差分析，使用Duncan’s檢驗法進行多重比較，使用Oringin 8.5進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同鹽脅迫對玉米幼苗生長和根冠比的影響

經過3種不同鈉鹽(NaCl、Na2SO4、NaNO3)處理后，金玉819的地上部和地下部鮮重與對照相比均顯著下降(P<0.05)，其中地上部鮮重下降超過28.6%，各處理間鮮重差異不明顯(圖1A)；而金單999表現出一定的耐鹽性，鮮重下降幅度較小，地上部鮮重下降超過18%，只有75 mmol·L-1的Na2SO4處理使地上部鮮重降低了37.69%，達到差異顯著水平(P<0.05)，其余處理較對照相比均無明顯差異(圖1B)。NaCl、Na2SO4和NaNO3脅迫下，玉米幼苗的根冠比均顯著高于對照，脅迫處理下金玉819除100 mmol·L-1NaCl處理組外，玉米幼苗的根冠比均顯著高于對照；金丹999對照組根冠比最低，其中100 mmol·L-1NaCl、150 mmol·L-1NaNO3根冠比顯著高于對照。表明玉米幼苗地上部生長對鹽脅迫更敏感(圖1C,圖1D)。

注：圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters in theFigure indicate significant difference (P<0.05). The same below.圖1 不同鹽脅迫對玉米幼苗生物量的影響Fig.1 Effect of different salt stress on biomass of maize seedlings

2.2 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片中抗氧化相關酶活性的影響

如圖2所示，在不同鹽脅迫下2個玉米品種的SOD酶活性均有不同程度的上升。100 mmol·L-1Na+(NaCl-100、Na2SO4-50、NaNO3-100)濃度下，金玉819葉片中SOD酶活是對照的2.1～2.6倍，表明鹽脅迫誘導了細胞內活性氧積累，從而促進了SOD活性增加；而在150 mmol·L-1Na+(NaCl-150、Na2SO4-75、NaNO3-150)條件下，金玉819的SOD酶活性較100 mmol·L-1Na+處理有所下降。 100 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl和NaNO3處理下，金單999的SOD酶活性較高，為對照的2.3～2.4倍； Na2SO4處理下，隨著鹽濃度的提高SOD酶活性雖然呈增加趨勢，但顯著低于NaCl和NaNO3處理(圖2B)，表明同濃度下，Na2SO4脅迫對金單999葉片SOD活性的影響小于NaCl和NaNO3脅迫。

圖2 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片SOD活性的影響Fig.2 Effect of different salt stress on SOD activities of leaves of maize seedlings

如圖3所示，3種不同鹽脅迫下金玉819的POD酶活性較對照均有顯著上升，其中75 mmol·L-1Na2SO4處理下POD酶活性上升幅度最大，達到對照的4.5倍；金單999對照植株的POD酶活性較高，達到55.4 U·g-1，因而不同鹽處理后的POD酶活性較對照上升幅度較小，但是其POD酶活性的絕對值仍然維持在較高的水平(圖3B)。

圖3 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片POD活性的影響Fig.3 Effect of different salt stress on POD activities of leaves of maize seedlings

如圖4所示，金玉819和金單999在3種鹽脅迫后APX酶活性也均出現不同程度的上升，金玉819上升幅度大于金單999。

圖4 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片APX活性的影響Fig.4 Effect of different salt stress on APX activities of leaves of maize seedlings

金玉819和金單999在3種鹽脅迫后CAT酶活性較對照均出現不同程度的上升(圖5)。其中NaNO3處理CAT酶活上升幅度大于Na2SO4，NaCl處理上升幅度最小。

圖5 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片CAT活性的影響Fig.5 Effect of different salt stress on CAT activities of leaves of maize seedlings

2.3 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片K+、Na+、Ca2+含量的影響

如圖6所示，在100 mmol·L-1和150 mmol·L-1Na+脅迫處理后，金玉819和金單999葉片中的Na+含量均顯著升高，可達到對照的4.5～6.3倍。相同Na+濃度處理下， NaCl 處理葉片Na+積累量最高，而Na2SO4脅迫的2種玉米幼苗葉片Na+含量明顯小于NaCl和NaNO3處理。

鹽脅迫抑制玉米對K+和Ca2+等礦質元素的吸收和轉運，阻礙其正常生長和發育。與對照相比，2個玉米品種在Na+含量上升的同時K+和Ca2+含量顯著下降。與NaCl、Na2SO4處理相比，NaNO3處理植株葉片中K+和Ca2+含量下降最明顯。150 mmol·L-1NaNO3處理下金玉819和金單999葉片K+含量僅為對照的38%和42%，葉片Ca+含量僅為對照的31%和35%(圖6)。

圖6 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片K+、Na+和Ca2+含量的影響Fig.6 Effect of different salt stress on contents of K+, Na+ and Ca2+ of leaves of maize seedlings

2.4 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片K+ /Na+ 和Ca2+ /Na+的影響

如圖7所示，在不同鹽脅迫下2個基因型玉米葉片的K+/Na+顯著降低。其中NaCl和NaNO3處理K+/Na+比對照降低90%～93%，而Na2SO4處理K+/Na+下降幅度略小，比對照降低78%～82%。與K+/Na+類似，鹽脅迫下2個基因型玉米葉片的Ca2+/Na+也顯著降低，金玉819 和金單999葉片的Ca2+/Na+比對照分別降低了85%～90%和92%～94%。

圖7 不同鹽脅迫對玉米幼苗葉片Ca2+ /Na+和K+ /Na+比率的影響Fig.7 Effect of different salt stress on ratios of Ca2+/Na+ and K+/Na+ of leaves of maize seedlings

3 討 論

鹽脅迫可以導致水分虧缺，從而影響植物的代謝過程，而生長抑制是植物對鹽脅迫最直觀的生理現象[16]。NaCl、Na2SO4、NaNO3脅迫下，金單999地上部和地下部鮮重較對照下降不顯著，表明其具有一定的耐鹽性。在3種鹽脅迫下各品種玉米幼苗的根冠比均顯著高于對照，表明玉米幼苗地上部生長對鹽脅迫更敏感。

研究表明，鹽離子在植物細胞內的大量積累會引起離子毒害和離子不平衡[19]。高濃度的Na+可置換細胞質膜和內膜系統的Ca2+，使得膜系統的完整性被破壞，細胞物質交換平衡遭到破壞[19]。Na+對于細胞K+的吸收也呈明顯的競爭性抑制[24]， 從而影響細胞Na+、K+離子通道的正常運行，引發植物體的代謝紊亂。本研究發現，3種不同的鈉鹽均會導致玉米幼苗葉片Na+濃度上升，但是相同Na+濃度下，Na2SO4脅迫的玉米幼苗葉片Na+濃度明顯小于NaCl和NaNO3脅迫，這可能與離子的選擇性吸收有關。鹽脅迫下，2個基因型玉米的Na+含量顯著上升，高濃度的Na+嚴重阻礙玉米幼苗對K+和Ca2+的吸收和運輸，葉片K+和Ca2+含量顯著下降。與NaCl和Na2SO4處理相比，同等Na+濃度下NaNO3處理植株葉片中K+和Ca2+含量下降最明顯，表明氮肥的過度施用引起的次生鹽害是玉米生產中值得重視的問題。但就2個品種來看，相同脅迫下金單999的K+/Na+和Ca2+/Na+比例下降幅度均小于金玉819，表明金單999具有更強的鹽抗性。