混合盐碱胁迫对藜麦苗期植株及根系生长特征的影响

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　　摘要：通过研究藜麦苗期植株及根系对混合盐碱胁迫的响应，探讨藜麦对混合盐碱胁迫的适应特点，以期为在盐碱地种植藜麦提供理论根据。以采自山西静乐县的藜麦为试验材料，用沙培的方式进行培育，将2种中性盐NaCl和Na2SO4及2种碱性盐NaHCO3和Na2CO3按照1 ∶4 ∶4 ∶1的比例混合，浓度梯度设定为0 （CK）、100、150、200、250、300 mmol/L共6个混合盐碱处理。结果表明，随着混合盐碱浓度的增大，茎、叶及总生物量呈现下降的趋势，而根生物量则表现为先增后降;由根、茎和叶生物量分配可以看出，随着浓度的增大，叶生物量比率呈现先降后增的趋势，而根生物量比率则是先增后降，茎生物量比率变化不明显;混合盐碱胁迫抑制了藜麦株高的生长，当浓度达到200 mmol/L 时与对照相比显著降低;根冠比与对照相比均有不同程度的增加，并且100、150 mmol/L时增加显著;藜麦的地上部和根部的盐敏感指数和耐性指数随混合盐碱浓度的增加而明显下降;根表面积、根体积、根长和根尖数都呈现下降的趋势，而根直径变化不明显;根系活力随着盐碱浓度的增加而增加，并且当浓度达到250 mmol/L时，与对照相比达到显著水平。
　　关键词：藜麦;混合盐碱;生物量根冠力;根系生长;根形态特征;盐敏感每日数;耐盐指数;根系活力
　　中图分类号： S519文献标志码： A
　　文章编号：1002-1302（2020）04-0089-06
　　收稿日期：2018-05-19
　　基金项目：山东省农业科学院农业科技创新工程（编号：CXGC2016B10）。
　　作者简介：修 妤（1981—），女，山东济南人，硕士，助理研究员，从事植物分子与植物耐盐碱研究。E-mail：weilan1981067@163.com。
　　通信作者：王向誉，硕士，副研究员，从事海水耐盐植物研究。E-mail：15853588318@163.com。
　　盐碱胁迫是当前影响农业生产和土地生产力最主要的胁迫因子之一，全球25%的土地受盐渍化影响[1-4]。由于人为不合理灌溉、过度使用化肥、砍伐森林、破坏植被以及温室效应导致的气候变暖等因素，盐碱地面积每年以1.0×106～1.5×106 hm2 的速度在增加，严重威胁了生态环境并影响了我国农业的可持续发展[5-6]。我国东北、西北地区盐碱地多为复合型盐碱地，成分为碱性盐（NaHCO3、Na2CO3），兼有中性盐（NaCl、Na2SO4），盐化与碱化作用往往相伴发生[7]，对植物造成盐胁迫与碱胁迫危害，碱性盐往往具有高pH值，所以对植物的危害更大。近年来，对盐、碱胁迫的研究越来越多，往往都集中于单纯的盐胁迫或是碱胁迫，或是两者比较，而对混合盐碱胁迫的研究很少。
　　藜麦原产于玻利维亚、智利和秘鲁一带的安第斯山脉，喜热带、亚热带干湿气候，生长气温为2～35 ℃，生长适温14～18 ℃，是苋科藜亚科藜属1年生自花授粉植物。在营养生长阶段可耐轻度霜冻（-1～0 ℃），在种子结实之后可耐-6 ℃低温;为短日照植物，性喜强光;喜高海拔地区，最适栽植于3 000～4 000 m高的山地或高原上;为耐盐碱植物，适宜在pH值为4.5～9.5且排水良好的沙质壤土或壤质沙土上生长。藜麦籽粒中含有丰富的蛋白质、类胡萝卜素和维生素C，其蛋白质中氨基酸组成均衡，赖氨酸（5.1%～6.4%）和蛋氨酸（0.4%～1.0%）含量较高[8];藜麦籽实的灰分含量（3.4%）高于水稻（0.5%）、小麦（1.8%）及其他传统禾谷类作物，而且籽实中富含大量矿质营养，如Ca、Fe、Zn、Cu和Mn，其中Ca（874 mg/kg）和Fe（81 mg/kg）含量明显高于大多数常见谷物[9]，因而藜麦被国际营养学家称为“营养黄金”“超级谷物”“未来食品”。联合国粮农组织认为藜麦是唯一一种可满足人体基本营养需求的单体植物，并正式推荐藜麦为最适宜人类的全营养食品[10]，所以藜麦有望成为适应盐碱环境、符合绿色健康饮食的优良之选，其推广种植具有非常重要的意义。藜麦引种已遍布全球，成为食品领域的研究热点，我国的藜麦种植最早可追溯到1990 年，首先是在西藏地区进行试种的，目前在山西、甘肃和吉林等地广泛种植成功[11]。目前针对于藜麦的研究较少，并且关于混合盐碱对其植株生长的影响还没有相关的报道，本试验通过研究混合盐碱对藜麦植株及根系生长的影响，探讨藜麦对混合盐碱胁迫的适应特点，以期为在盐碱地种植藜麦提供理论依据。
　　1材料与方法
　　1.1 试验材料
　　藜麦种子采自山西省静乐县，用1%次氯酸钠消毒10 min，并用去离子水洗净后播种，试验于2018年3月在山东省农业科学院蠶业研究所塑料大棚内进行。
　　1.2 试验方法
　　1.2.1 混合盐碱条件的模拟
　　将2种中性盐NaCl和Na2SO4及2种碱性盐NaHCO3和Na2CO3，按照1 ∶4 ∶4 ∶1 的比例混合，浓度梯度设定为0（CK）、100、150、200、250、300 mmol/L 共6个混合盐碱处理。
　　1.2.2 沙培试验
　　随机挑选经过表面消毒的饱满藜麦种子4粒，播种于直径7.5 cm、高8 cm、容积400 mL、装有300 g 河沙的营养钵中，置于盛有完全Hoagland营养液的水培盒中[12]，使营养液完全浸没河沙。营养液每5 d换1次，每天以补水方式进行浇灌。真叶期后培养4周，挑选长势相对均匀的盆栽进行混合盐碱胁迫处理，每个水培盒浇1500 mL，每5 d浇灌1次，一共处理3次。
　　1.2.3 苗木生长和根系形态学参数测定
　　试验期间对藜麦植株生长情况进行观察记录，混合盐碱胁迫处理15 d后，将营养钵中的河沙与植株全部倒出，轻轻取出藜麦幼苗，再用自来水漂洗冲去根上的河沙，并清洗地上部，再用蒸馏水洗净，吸干水分，将地上部和根部分离，称得鲜质量，用于计算根冠比;用直尺测量植株的株高;用根系扫描仪（Epson V850）对根系进行图像扫描，采用WinRHIZO Pro 2017根系分析系统软件分析根长、根表面积、根体积、根平均直径和根尖数;然后将根、茎和叶分开，于烘箱80 ℃下烘至恒质量，称根、茎和叶的干质量，用于测定藜麦生物量。 　　1.2.4 根系活力测定
　　采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定根系活力，先作标准曲线，称取鲜样品0.5 g，放入25 mL的小烧杯中（空白试验先加硫酸再加根样品，其他操作相同），加入0.4%TTC溶液和磷酸缓冲液的等量混合液10 mL，把根充分浸没在溶液中，37 ℃下暗处保温2 h，此后加入1 mol/L硫酸2 mL（除对照外），以停止反应。把根取出，用吸水纸把材料表面的水吸干，转移到原来的小烧杯中，先加6 mL的95%乙醇，浸提15～20 min或者封口后放置过夜，直至红色物质完全提出。提取液转入到10 mL的离心管中，用乙醇反复洗涤2～3次，皆转入离心管中，最后加95%乙醇定容至10 mL，在 4 000 r/min转速下离心10 min，冷却，用分光光度计在485 nm下比色，以空白作参比读出吸光度，查标准曲线，求出四氮唑还原量[13-14]。
　　1.2.5 盐敏感指数（SSI）和盐耐受指数（STI）的计算
　　采用Molhtar等关于盐敏感指数和耐受指数的计算公式[15-16]：SSI=[（DWNaCl-DWcontrol）/DWcontrol]×100，STI=（DWNaCl/DWcontrol）×100。式中：DWNaCl表示盐处理下植株干质量;DWcontrol表示对照植株干质量。
　　1.3 数据分析
　　试验数据采用SPSS 21.0软件进行方差分析，并用LSD多重比较法对不同处理的差异进行比较，用Excel软件进行作图。
　　2 结果与分析
　　2.1 混合盐碱胁迫对藜麦生物量的影响
　　由表1可见，随着混合盐碱浓度的增加，藜麦总生物量、茎生物量和叶生物量呈现逐渐下降的趋势，根生物量则是先增加后降低。混合盐碱胁迫对于叶生物量和总生物量影响不是很明显，各浓度与对照相比差异不显著;茎生物量在浓度达到100 mmol/L 时显著降低，是对照的79.28%;根生物量在浓度为100、150、200 mmol/L时与对照相比增加64%、144%、24%，可见在浓度为150 mmol/L 时增加的幅度最大，当浓度高于200 mmol/L 时呈现下降的趋势，由此推断，在浓度较低时，藜麦植株增加了生物量在根系的分配，当浓度达到较高值时，藜麦根系耐受不了高混合盐碱的胁迫，根系生物量开始下降。
　　图1显示，不同混合盐碱胁迫下，叶生物量比率呈现先降后增的趋势，而根生物量比率则是先增后降，茎生物量比率变化不明显。根生物量比率最小，变化范围为7.96%～23.34%;茎居中，为22.72%～35.77%;叶生物量比率最大，变化范围为44.96%～66.91%。说明在混合盐碱胁迫下，根、茎和叶生物量分配是不一样的，浓度较低时会增加生物量在根上的分配;而超过一定浓度后，则会增加在叶上的分配。说明在浓度较低时会增加根对水分和营养的获取，浓度较高时会通过增强叶片的呼吸和光合等作用来应对盐碱的不利影响。
　　由图2可以看出，混合盐碱胁迫显著抑制了藜麦株高的生长，随着浓度的增加，株高呈现逐渐下降的趋势。当浓度达到200 mmol/L时，与对照相比达到显著水平，是对照的78%;浓度达到300 mmol/L时，是对照的64%。说明盐碱胁迫显著抑制了植株的生长，并且浓度越大，这种抑制作用越强。
　　2.2 混合盐碱胁迫对藜麦根冠比的影响
　　根冠比是地下部分与地上部分鲜质量或干质量的比值，该值反映了植物在逆境状态下的生物量分配策略[17]。从图3可以看出，根冠比呈现先增后降的趋势，与根生物量的变化趋势一致，当浓度达到100、150 mmol/L时，与对照相比显著增加，分别是对照的2.77、2.64倍;浓度等于或高于200 mmol/L时，与对照相比差异不显著，但是仍高于对照。在混合盐碱胁迫下，根的生物量先增后降，地上部生物量逐渐降低，而根的下降趋势较地上部明显，说明根冠比的增加是由地上部的减少引起的。
　　2.3 藜麦不同部位对混合盐碱胁迫的敏感性和耐受性
　　植物不同器官的盐敏感指数可以反映盐分对植物不同部位生长的影响程度，某一部位敏感指数越小，该部位对盐分胁迫越敏感。由图4可以看出藜麦不同部位对混合盐碱胁迫的敏感性趋势，在100～300 mmol/L范圍内，根的敏感性低于地上部。随着混合盐碱浓度的增加，地上部和根的盐敏感指数和盐耐受指数逐渐降低，而且根下降的幅度要大于地上部。在200～300 mmol/L范围内，根下降的幅度很大;在浓度100～150 mmol/L范围内，地上部下降幅度较大;而在浓度较高时，地上部下降幅度与根相比要小很多，说明在高浓度下，根敏感性下降得要比地上部快，混合盐碱胁迫对根的影响要强于地上部。
　　2.4 混合盐碱胁迫对藜麦根系形态特征的影响
　　植物根系是植物最先感受到土壤逆境胁迫的部位，通过不同生理或形态变化来响应逆境胁迫信号，如改变根系形态和分布[18-19]。根系形态变化主要包括根系变细、变长，侧根与根毛数量增加，根生长量与根冠比增加，簇生根的产生等[20-22]。从图5可以看出，随着盐碱浓度的增加，不同混合盐碱处理下根表面积、根长、根体积、根尖数和根平均直径均呈现下降的趋势。其中，根表面积、根长在浓度小于300 mmol/L时，各浓度梯度之间差异不显著;当浓度达到300 mmol/L时，与对照相比差异显著。当浓度达到150 mmol/L时，根体积和根尖数与对照相比差异显著。可见，根表面积和根长对于盐碱浓度的变化的敏感性较根体积和根尖数低，盐碱浓度≤150 mol/L 处理的根平均直径与对照差异显著，浓度大于150 mol/L 之后与对照差异不显著。
　　2.5 混合盐碱胁迫对根系活力的影响 　　根系活力泛指根系的吸收能力、合成能力、氧化能力和还原能力等，是较客观地反映根系生命活动的生理指标[23]。从图6可以看出，随着处理盐碱浓度的增加，根系活力呈现增长的趋势。在浓度为100～200 mmol/L时，根系活力与对照相比，差异不显著，分别比对照增加3.45%、5.87%和11.54%;当浓度达到250 mmol/L及以上时，根系活力与对照相比差异显著，浓度达到250、300 mmol/L的处理与对照相比分别增加57.92%和64.13%。
　　干旱胁迫、盐胁迫及盐碱胁迫均能引起根系活力的增加[23]，因此在干旱、盐碱胁迫下，根系活力增加、呼吸速率加快，可以认为是植物对逆境的适应过程中发生的反应，而且这种适应性的变化需要消耗大量的营养物质。盐生植物根系活力增加具有2个方面的意义：一是盐生植物耐盐性响应其中之一的积极表现;二是以降低生长为代价，增加抵抗盐胁迫的能力。
　　3 结论与讨论
　　盐胁迫下，植物的生理和形态都会发生很大的变化，浓度越高，变化越强烈。随着混合盐碱浓度的增加，藜麦总生物量、茎生物量和叶生物量均呈现逐渐下降的趋势，而根生物量则随着浓度增加先增加后降低。可见当浓度较低时，植株会增加生物量在根系上的分配，来应对不利环境对它的损害。
　　在混合盐碱胁迫下，根、茎和叶生物量分配是不一样的，根对盐碱的敏感性远大于茎和叶，在较高浓度下，根生物量比率下降较明显;而在盐碱胁迫下，植株为了对抗不利影响，逐渐增加生物量在叶上的分配，也是植物应对逆境的一个自我保护机制的体现。有研究证明，不同植物应对逆境，生物量分配模式是不一样的，有的植物如芦荟会通过减少生物量在根中的分配来降低盐分的吸收[24]，有的植物如芙蓉葵会通过增加生物量在根中的分配来增加根对水分和营养的获取，达到减少盐分对根伤害的目的[25]。藜麦在叶上的生物量分配，随着盐碱浓度的升高逐渐增加，生物量在根上的分配反而逐渐降低，这说明植物在高浓度时会通过增强叶片的功能比如呼吸作用、光合作用、养分转化作用等来抵抗盐分的损害。
　　株高随着浓度的增加呈现逐渐下降的趋势，而且浓度越高，这种下降趋势越明显，说明盐碱胁迫显著抑制了植物的生长。根冠比呈现先增后降的趋势，说明根冠比的增加是由地上部的减少引起的。
　　通过藜麦不同部位对混合盐碱的敏感性和耐受性得知，隨着混合盐碱浓度的增加，地上部和根的盐敏感指数和盐耐受指数逐渐降低，且根下降的幅度要大于地上部。在高浓度下，根敏感性下降得要比地上部快，盐碱胁迫对根的影响要强于地上部。
　　有研究表明，根系在逆境下能通过改变根系的形态分布来适应不利环境的影响。大多数研究表明，在盐胁迫下，根长、根表面积、根体积、根尖数和根的平均直径都会受到盐分的抑制呈下降的趋势[26]，本研究也得出相同的结论，随着盐碱浓度的增加，根表面积、根长、根体积、根尖数均呈现下降的趋势。其中，根表面积、根长在浓度小于300 mmol/L 时，各浓度梯度之间差异不显著;当浓度达到300 mmol/L时，与对照相比差异显著。当浓度达到150 mmol/L时，根体积和根尖数与对照相比差异显著。盐碱浓度≤150 mol/L处理的根平均直径与对照差异显著，浓度大于150 mol/L 之后与对照差异不显著。
　　根系活力能反映根系生命活动，干旱胁迫、盐胁迫及盐碱胁迫均能引起根系活力的增强，随着处理盐碱浓度的增加，根系活力呈现增强的趋势。当浓度达到250 mmol/L及以上时，根系活力与对照相比差异显著，浓度达到250、300 mmol/L时与对照相比分别增加57.92%和64.13%。
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