水稻萌發和幼苗生長對外源物質調節的響應

王敬東，惠 建，白海波，馬斯霜，李樹華

（寧夏農業生物技術重點實驗室，銀川 750002）

0 引言

土壤鹽漬化是世界上最嚴重的生態環境問題之一，是制約農業生產發展的一個主要環境因素，而造成三大糧食作物之一的水稻減產的主要環境因子正是稻田鹽漬化。20世紀70年代開始，水稻耐鹽性研究就受到廣泛重視[1-4]。

水稻種子萌發期易受到鹽堿的危害，導致發芽勢降低、發芽不齊，甚至死亡[5]。同時，幼苗期的鹽害影響著田間基本苗和光合群體的建立。因此，應重視水稻發芽期和幼苗期鹽害的改善。

植物受到鹽脅迫時，酶的活動被抑制，引起生長素、細胞分裂素等促進生長的激素合成減緩或終止，而促進脫落酸、乙烯等的合成積累增加，加速植物衰老[6]。植物生長調節劑IAA（吲哚乙酸）主要功能是促進植物的生長及器官、組織分化。用IAA處理，可以抵消Na2SO4抑制小麥根系生長的作用[7]，還能降低玉米根系對Na+的吸收能力[7]。萌發的初期使用適當濃度的IAA可以明顯改善鹽脅環境下玉米種子萌發率并能對幼苗及成苗的生長具有良好的促進作用[8]。同樣，外源IAA對小麥種子鹽脅迫條件下胚根、胚芽長度等均具有明顯緩解作用[9-10]。

植物正常生理代謝的必需元素Ca2+，不僅調節植物體內的許多生理生化過程，還對植物的生長具有重要作用。在鹽脅迫下，鹽分抑制了植物體對Ca2+的吸收，而外源鈣對植物細胞膜的結構與功能有重要的調節作用，從而提高植物的耐鹽性[11]。許多植物在加入Ca2+后一定程度上均表現出鹽脅迫減輕[12-15]。多年來，有關Ca2+對鹽脅迫下植物生理特性影響的研究在中藥材、蔬菜、農作物等方面都有報道[16-21]。

在前人研究的基礎上，本試驗以水稻鹽敏和耐鹽品種為材料，探索水稻萌發期苗鮮重種子簡易活力指數、胚根及幼苗株高等形態指標對外源NaCl、IAA、CaCl2的響應效應。本試驗簡單、快捷、不受時間限制?？蔀槔猛庠次镔|作為化控措施以緩解水稻鹽害及物質平衡效應的研究提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗材料由本實驗室提供，均為寧夏近年大面積種植的品種?！畬幘?3號’和‘D15號’為鹽敏材料‘寧粳56號’和‘富源4號’為耐鹽材料。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料處理 選取飽滿無病蟲的種子，自來水沖洗3遍去除種子表面灰塵，75%酒精浸泡3 min后蒸餾水清洗3遍去除種子上殘留的酒精，最后，用30%的NaClO溶液浸泡30 min后，用蒸餾水清洗5遍去掉種子上殘留的NaClO溶液。將無菌種子擺放在Ф90 cm培養皿中的濾紙上，分別在培養皿中加入不同處理的溶液10 mL，加蓋置于25人工氣候箱中暗培養，發芽后27光照培養14 h/d。

1.2.2 試驗設計 蒸餾水浸種為對照組CK：dH2O，NaCl、CaCl2、IAA不同配比溶液浸種為試驗組。NT：NaCl 0.1 mol/L，NCT：NaCl+CaCl21 g/L，NT1：NaCl+IAA50 mg/L，NT2：NaCl+IAA100 mg/L，NCT1：NaCl+CaCl2+IAA 50 mg/L，NCT2：NaCl+CaCl2+IAA 100 mg/L；每個處理設3個重復，1個培養皿1重復，每個培養皿50粒種子。試驗期間，每2天換一次培養液。

Spark作為整個系統最上層部分,同時也是最重要的部分,主要包括了對數據預處理、特征轉換與特征提取、行為分類模型訓練和最終的結果預測。其中數據預處理會通過相似度判別過濾失真數據,接著根據行為表示的定義方法對關節點數據進行特征轉換與特征提取并寫入到RDD中。在以上基礎上,利用行為分類器對數據進行訓練。當需要對未知行為進行預測時,從HDFS中提取已有持久化的分類器模型完成行為數據的最終分類并將結果持久化到HDFS中。

1.2.3 測定標準 調查的形態指標：發芽率、根數、根長和幼苗株高。以水稻種子的芽長等于種子長度的一半、根長等于種子長度為發芽標準[22]。末次計數天數14天，計算發芽率。每個處理隨機選取10株幼苗，測量根長（最長根）、根數和幼苗株高。第20天取成活植株稱鮮重。簡易活力指數(SVI)、根數、根長、株高的計算分別見公式(1)、(2)、(3)、(4)。

其中G為發芽率，S為平均鮮重。

1.2.4 數據處理 本試驗所有數據均采用SPSS 21.0進行統計分析，統計值用平均數±標準差(MEAN±SD)來描述，單因素ANOVA分析，一般線性模型(LSD)單變量分析組內及組間的差異性，顯著水平0.05。采用Microsoft Excel 2016處理數據，制圖，誤差線選正負誤差值。

2 結果分析

2.1 外源物質對簡易活力指數的影響

由表1可看出，在0.1 mol/L NaCl脅迫下，2種類型水稻簡易活力指數均顯著下降，鹽敏材料‘寧粳43號’和‘D15號’極顯著低于對照76.5%和39.1%。耐鹽材料‘寧粳56號’和‘富源4號’顯著低于對照34.4%和21.9%。該結果與鹽脅迫下鹽敏感小麥種子的發芽率和活力指數下降的幅度大于耐鹽小麥[23]一致。

鹽脅迫下，外源IAA和CaCl2處理能不同程度提高簡易活力指數。1 g的CaCl2處理極顯著提高4份材料簡易活力指數且均略高于對照的簡易活力指數，分別為9.6%、9.5%、12.1%和24.8%；100 mg/L IAA(NT2)也具有緩解鹽害作用，使鹽敏材料‘寧粳43號’和‘D15號’簡易活力指數高于對照2.6%和13.3%。而耐鹽材料‘寧粳56號’和‘富源4號’卻低于對照18.2%，0.5%。50 mg/L IAA(NT1)緩解鹽害最小，4份材料種子簡易活力指數均低于對照。這表明在鹽脅迫下單一CaCl2或IAA處理雖能消弱鹽害，但提高幅度偏低。

相比而言，外源CaCl2+IAA復配處理更能大幅度抵消鹽害，極顯著提高鹽脅迫時的簡易活力指數。抵消鹽害的作用CaCl2+100 mg/L IAA復配(NCT2)處理好于CaCl2+50mg/L IAA復配(NCT1)處理。這在鹽敏材料中表現尤為突出，如鹽敏材料‘寧粳43號’和‘D15號’NCT2處理中簡易活力指數極顯著高于對照77.0%，94.6%。NCT1處理中簡易活力指數極顯著高于對照52.6%，79.5%；耐鹽材料‘寧粳56號’和‘富源4號’NCT2處理中簡易活力指數高于對照22.7%和38.6%。NCT1處理中簡易活力指數高于對照6.9%和36.3%。

2.2 外源物質對胚根數的影響

由圖1可知，在0.1 mol/L NaCl脅迫下，胚根數受鹽害影響較小，主要表現為下降幅度不大。4份材料的胚根數均極顯著低于對照20.0%～40.9%。鹽敏材料和耐鹽材料下降幅度差異不顯著。

圖1 3種外源物質對水稻胚根數的影響

外源IAA和CaCl2處理能緩解鹽脅迫對胚根數的抑制作用。特別是CaCl2(NCT)處理能極顯著降低胚根數的鹽害。耐鹽材料‘富源4號’胚根數顯著高于對照18.7%，‘寧粳56號’的胚根數與對照相等。但對鹽敏材料‘寧粳43號’和‘D15號’胚根數的鹽害雖有緩解作用，但均低于對照13.6%和11.5%；兩種濃度IAA對胚根數鹽害的調節作用差異不顯著，100 mg/L IAA(NT2)調節效果略好于50 mg/L(NT1)的調節效果。主要表現為鹽敏材料，如‘寧粳43號’和‘D15號’NT2處理胚根數顯著甚至極顯著低于對照13.6%，27.1%，NT1處理2份材料胚根數均極顯著低于對照25.0%，29.2%?！辉?號’NT2處理胚根數高于對照2.5%，NT1處理胚根數與對照相當。只有‘寧粳56號’NT1處理的調節效果好于NT2處理，均低于對照7.3%和15.9%。

2.3 外源物質對胚根長的影響

在0.1 mol/L NaCl脅迫下，胚根長受鹽害影響不大，只是品種間有差異。由圖2可看出，‘寧粳43號’和‘富源4號’胚根長極顯著低于對照55.9%，22.8%，‘D15號’胚根長僅低于對照14.6%，而‘寧粳56號’的胚根長卻高于對照0.4%。

圖2 3種外源物質對水稻胚根長的影響

外源IAA不能顯著恢復鹽脅迫下胚根生長，尤其鹽敏材料胚根長的鹽害并不因IAA處理而有所改善，如‘寧粳43號’經IAA處理其胚根長與脅迫時相當，無差異性。對于‘D15號’IAA 50mg/L處理其胚根長高于脅迫值13.5%。IAA 100mg/L處理其胚根長反而低于脅迫值13.6%。相對而言，外源IAA對胚根長的鹽害改善程度耐鹽材料好于鹽敏材料，經IAA 50mg/L處理2份耐鹽材料胚根長高出鹽脅迫值7.7%，13.6%。但IAA 100mg/L處理2份耐鹽材料胚根長反而低于鹽脅迫值13.0%，8.7%。

外源CaCl2處理，能極顯著緩解鹽害對鹽敏材料胚根生長的抑制作用。鹽敏材料的胚根長分別高于對照7.1%，49.0%。也能極顯著緩解1份耐鹽材料胚根鹽害，其胚根長極顯著高于脅迫值29.3%，但低于對照0.2%；因0.1mol/L NaCl對耐鹽晚熟材料‘寧粳56號’影響不大，脅迫值與對照值相當，所以外源CaCl2處理，其胚根長高于脅迫值11.5%，高于對照值11.9%，兩個數值也相當。同理，IAA處理和CaCl2+IAA復配處理也對改善‘寧粳56號’胚根長鹽害影響不大。但CaCl2+IAA復配處理能極顯著改善其他3份材料的胚根長的鹽害，不過改善鹽敏材料胚根長鹽害效果沒有CaCl2處理改善的效果好。

2.4 外源物質對幼苗株高的影響

鹽處理俄羅斯水稻苗高均有不同程度的降低，但不同品種間存在很明顯的差異[24]。本試驗0.1mol/L NaCl脅迫抑制水稻幼苗生長。如圖3，鹽脅迫下4份材料的株高均極顯著低于對照23.9%～36.2%，但品種間降幅差異不顯著。這可能與地區間品種差異有關。

圖3 3種外源物質對水稻幼苗株高的影響

外源IAA，CaCl2及CaCl2+IAA復配都能極顯著緩解鹽脅迫對幼苗生長的抑制。三者相比較IAA對幼苗鹽害的緩解作用最小，2個處理濃度的調節效果因品種不同而有差異，但均低于對照，分別在2.8%～11.6%，9.2%～10.2%區間；外源CaCl2處理緩解幼苗鹽害的效果強于IAA處理，鹽敏材料表現尤為突出，均極顯著高于對照，分別為20.9%和14.7%。外源CaCl2緩解幼苗鹽害的效果耐鹽材料比鹽敏材料弱，且均低于對照，分別為4.0%和3.5%；CaCl2與兩個不同濃度IAA復配處理緩解鹽害效果相近，且因品種不同而有所差異。即CaCl2+IAA處理緩解幼苗鹽害的效果鹽敏材料強于耐鹽材料，如NCT1處理鹽敏材料苗高分別高于對照11.4%和20.3%。NCT2處理苗高分別高于對照12.7%和19.3%。而耐鹽材料‘寧粳56號’NCT1處理和NCT2處理緩解鹽害的效果相近，分別高于對照10.8%，9.9%。另1份耐鹽材料‘富源4號’卻低于對照1.2%，1.5%。

3 討論

3.1 鹽脅迫對各形態指標的影響

鹽漬環境的脅迫對植物的生長、發育、繁殖等生理生態特征有著重要的影響[25]，植物會出現光合速率下降、生長發育受到抑制等現象，嚴重時可造成植物體死亡[26]。100 mmol/L NaCl處理條件下，小麥幼苗生長受到明顯抑制，整株的鮮重和干重均顯著下降[27]。發芽率、根長等也顯著下降[13]。

本試驗中，0.1 mol/L NaCl脅迫，水稻胚根數和幼苗受鹽害影響最大，4份材料胚根數和幼苗株高下降值均極顯著低于對照。其次對種子簡易活力指數影響較大，主要表現在鹽敏材料簡易活力指數下降值極顯著低于對照，而耐鹽材料下降值與對照無顯著差異，因此，鹽脅迫下耐鹽材料種子的萌發優于鹽敏感材料[13,23]。相比而言，胚根長受鹽脅迫的影響最小，1份鹽敏材料和1份耐鹽材料胚根長下降值極顯著低于對照，分別為55.9%和22.8%這與劉麗云等[13]的結論一致。1份耐鹽材料（‘寧粳56號’）的胚根長比對照高0.4%，此結果與NaCl浸種處理能提高雜交水稻種子的抗鹽萌發及幼苗的生長能力[28-29]，從而增強雜交稻幼苗生長的抗逆性[30]的結論相似。在鹽脅迫下，本試驗中兩份耐鹽材料表現截然不同，可能與基因型及鹽濃度有關，有待進一步研究。

3.2 各形態指標在鹽脅迫下對外源IAA的響應效應

在鹽分脅迫下施加外源激素可提高植物抗鹽性，從而抵消鹽分脅迫，促進植物生長[31]。當水稻遭受到一定濃度的鹽脅迫而影響到其生長時，可通過施加一定濃度的IAA以解除鹽脅迫的不利影響，而降低或抵消鹽的脅迫效應。

本試驗研究了水稻種子萌發期簡易活力指數、胚根、幼苗株高對0.1 mol/L NaCl脅迫下的外源IAA和CaCl2響應特征。試驗的4個形態指標中，外源IAA處理緩解幼苗鹽害作用最大，4份材料的幼苗株高均極顯著高于鹽脅迫時的株高且趨于對照值。正如IAA處理可促進鹽脅迫下大豆幼苗株高增加[32]，增強幼苗對鹽漬環境的抵抗能力[33]一樣。其次，IAA處理對胚根數和簡易活力指數鹽害具有一定緩解作用，雖然，3份材料顯著甚至極顯著高于鹽脅迫值但仍顯著低于對照。IAA處理對胚根長鹽害緩解作用很小，50 mg/L IAA處理只能使胚根長高于脅迫值4.0%～13.6%。該結果與1 mg/L的IAA使鹽處理條件下玉米的胚根長度明顯增加[34]的結果相似。在本研究中100 mg/L IAA能不同程度恢復鹽脅迫下胚根數和幼苗生長及簡易活力指數，而3份材料胚根長卻低于脅迫值8.7%～13.6%。但100 mg/L IAA是解除番茄幼苗在150 mg/L氯化鈉脅迫下的最佳濃度[35]。因此，水稻種子萌發期在鹽脅環境下，不同形態指標使用適當濃度的IAA才可以明顯改善其相關生長特征，該結果已經在小麥研究中得到了證實[9-10]。

3.3 各形態指標在鹽脅迫下對外源CaCl2的響應效應

外源CaCl2處理種子能提高胚乳中α-淀粉酶活性和游離氨基酸含量，從而緩解鹽抑制種子萌發的效應[13]。還能使細胞產生大量的脯氨酸，緩和了鹽脅迫對水稻幼苗根系的毒害，提高根系活力，從而提高水稻幼苗的抗鹽能力[12]。還可提高鹽脅迫下棉花種子的發芽率，增加幼苗株高和干物質量等[21]。

本研究也發現，外源CaCl2處理能極顯著緩解鹽脅迫對水稻胚根的傷害，從而提高了幼苗株高及簡易活力指數。尤其簡易活力指數上升值均超過對照值。并且鈣離子對鹽脅迫的緩解作用與基因相關。如鹽敏材料幼苗株高超過對照14%以上，而耐鹽材料卻低于對照4%以下；鹽敏材料的根長均超過對照，最高達49%。耐鹽材料中1份根長僅高于對照11.9%，另1份根長反而低于對照0.2%。以上結果表明CaCl2處理緩解鹽害的作用鹽敏材料強于耐鹽材料。該結果與CaCl2處理能促進小麥根生長，對鹽敏感品種的緩解作用顯著好于耐鹽品種[13]一致。

3.4 各形態指標在鹽脅迫下對外源IAA+CaCl2的響應效應

植物受到鹽脅迫時，鹽抑制了酶的活動，減緩生長素、細胞分裂素等促進生長的激素合成，而促進脫落酸、乙烯等的合成。它們的積累會加速植物衰老。外源鈣處理能夠減弱或改善鹽脅迫次生傷害，提高植物的耐鹽性。若用可溶性鈣和IAA混合浸種，則能夠互補兩者對代謝和生長調控不足。

本研究采用IAA+CaCl2的復配處理，簡易活力指數的響應程度最高，且鹽敏材料極顯著高于耐鹽材料。100 mg/L IAA+CaCl2復配效果最好，超過對照值最高達到94.6%；其次，幼苗株高均極顯著高于鹽脅迫時的株高，且有3份材料的株高超過對照，1份材料接近對照。株高對CaCl2分別與2個濃度IAA復配的響應程度接近；IAA+CaCl2的復配處理能極顯著提高鹽脅迫時的胚根數，且胚根數對50 mg/L IAA+CaCl2的復配響應效應最好；雖然，50 mg/L IAA+CaCl2的復配處理也能極顯著提高鹽脅迫時的胚根長，但鹽敏材料胚根長對CaCl2處理的響應效應最佳。

4 結論

不同基因型及形態指標對鹽脅迫時的外源IAA和CaCl25種處理響應效應不同。4份不同基因型材料的簡易活力指數對鹽脅迫時的外源IAA和CaCl25種處理的的響應趨勢基本一致，即NCT2＞NCT1＞NCT＞NT2＞NT1；3份不同基因型材料的胚根數對鹽脅迫時的外源IAA和CaCl25種處理的響應趨勢基本一致，即NCT1＞NCT2＞NCT＞NT2＞NT1；幼苗株高對IAA+CaCl2的響應效應較好，且兩個濃度IAA和CaCl2復配處理無差異性；胚根長對鹽脅迫時的外源IAA和CaCl2五種處理的響應效應表現為鹽敏材料和耐鹽材料的不同。鹽敏材料對CaCl2處理響應效應最好，耐鹽材料對CaCl2+50 mg/L IAA復配處理響應效應最好。獲得這個結果的原因可能是由于鹽敏材料和耐鹽材料對鹽害的抵御能力不同，其對外源物質的響應程度產生差異所致，所以，外源物質調節鹽敏材料和耐鹽材料的鹽害時需要的濃度不同。以上結果適用于0.1 mol/L NaCl脅迫下，外源物質對水稻萌發期的3項形態指標的調控。另外，發芽皿試驗雖然操作簡單，但要精細否則容易污染，所以，進一步的試驗采用盆栽法（鹽堿土），獲取的數據更接近田間試驗。

近年來外源物質對植物響應鹽脅迫調控方面的研究已取得重要進展，關于外源物質與耐鹽性的研究大多停留在單一物質的生理效應上，不同外源物質復配的效應鮮有報道。本試驗中，CaCl2+IAA復配處理對水稻響應鹽脅迫的調控力強于單一外源物質處理，如IAA只能使鹽敏材料簡易活力指數高于對照2.6%和13.3%。CaCl2能使4份試材的簡易活力指數高于對照9.6%～24.8%，鹽敏材料的胚根長和株高均高于對照7.1%～49.0%和14.7%～20.9%。但經CaCl2+IAA復配處理，簡易活力指數超過對照值最高達到94.6%。耐鹽材料和鹽敏材料胚根數均高于對照2.1%～21.2%。株高高于對照9.9%～20.3%。3項指標對外源CaCl2處理的響應程度高于IAA處理，但響應值并未都能高于對照，而CaCl2+IAA的復配處理卻能使各項指標均不同程度高于對照，更有效的抵消鹽害對水稻生長的抑制作用。在植物耐鹽性反應中，往往不是一種物質，而是多種物質以一種相當復雜的方式協調起作用。今后，應加強多種物質的交互作用，即物質平衡效應的研究。