李 嬌，卜 寧，辛世剛，羅 爽，李雪梅

（1.沈陽師范大學(xué) 化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，沈陽 110034；2.沈陽師范大學(xué) 實驗教學(xué)中心，沈陽 110034）

0 引 言

土壤的鹽化和堿化嚴(yán)重影響全球93 200萬公頃土地，使亞洲約10 000萬公頃土地生產(chǎn)力降低［1］。預(yù)計到2050年，將有超過50%的耕地會變得鹽堿化［2］。水稻屬于不耐鹽的甜土植物［3］，受鹽堿危害的稻田，地表水土的pH值在8.0以上，個別灌溉井水的pH值在9.0左右。水稻種子萌發(fā)后對鹽堿極為敏感，芽尖枯黃，遲遲不能冒青，直到死亡。幼苗期自葉尖端逐漸向基部，由下部葉片向新葉逐漸枯黃，根系發(fā)育不良，根尖變黑褐色，秧苗全株枯焦死亡［4］。與此同時，鹽堿脅迫也會改變植物一系列的生理生化過程，如干擾植物組織及細(xì)胞的離子平衡、降低葉綠素含量等［5－6］，同時也使植物體內(nèi)活性氧積累，引發(fā)膜脂過氧化，導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷［8］；植物會增加游離脯氨酸、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，以降低細(xì)胞的滲透勢，提高保水能力［9］。因此，水稻在發(fā)芽期和幼苗期的耐鹽堿性是鹽堿稻區(qū)水稻早期生長階段不可忽視的抗逆性狀，應(yīng)引起足夠的重視［10］。本文以水稻為實驗材料，用Na2CO3模擬鹽堿脅迫，探討鹽堿脅迫對水稻幼苗光合熒光及抗氧化能力的影響，揭示水稻對鹽堿環(huán)境的適應(yīng)機理，以期對鹽堿地區(qū)水稻的耐鹽堿性遺傳改良提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

供試水稻（Oryza sativa L）品種為遼星一號，由沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻研究所提供。

選取籽粒飽滿整齊的水稻種子，于28℃恒溫浸種24h后，于30℃催芽24h。取發(fā)芽的水稻種子，整齊擺放在含紗網(wǎng)的塑料燒杯上，燒杯內(nèi)裝滿Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行水培。于人工氣候箱（晝夜溫度28℃／26℃；光照16h；80%相對濕度；光強3 000lux）中培養(yǎng)6d，生長過程中每天定時定量補充營養(yǎng)液。6d后換用分別含0、5、10、15和20mM Na2CO3的Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理，各重復(fù)處理3次。脅迫處理6d后開始測定各項生理指標(biāo)。

1.2 測定指標(biāo)

葉綠素含量采用乙醇丙酮法測定［11］；利用Li－6400便攜式光合儀測定光合參數(shù)；利用連續(xù)激發(fā)式熒光儀（Pocket PEA，Hansatech，英國）測定熒光參數(shù)；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用NBT光化還原法測定［11］；過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定［11］；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度計法測定［12］；電導(dǎo)率采用DDS－11A型電導(dǎo)率儀測定［11］；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸顯色法測定［11］；根系總吸收面積和活躍吸收面積采用甲烯藍(lán)吸附法測定［11］；游離脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定［11］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

統(tǒng)計分析采用方差分析（one－way ANOVA），數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤（mean±SE）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 Na2CO3脅迫對水稻葉綠素含量、凈光合速率及水分利用效率的影響

隨著Na2CO3脅迫濃度的增加，水稻幼苗葉片葉綠素含量逐漸降低，20mM與0～10mM Na2CO3脅迫間表現(xiàn)為顯著差異（圖1）。15mM Na2CO3脅迫已經(jīng)顯著降低葉片凈光合速率（Pn），水分利用效率（凈光合速率與蒸騰速率的比值）隨脅迫濃度增加略有提高，但未達(dá)顯著水平，當(dāng)Na2CO3濃度增加到20mM時WUE已顯著下降（圖1）。王波等［13］研究表明，在重度鹽堿脅迫下燕麥的 WUE呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，與本研究結(jié)果基本一致。

圖1 Na2CO3脅迫對水稻葉片葉綠素（ChIa＋b）含量、凈光合速率（Pn）及水分利用效率（WUE）的影響

2.2 Na2CO3脅迫對水稻葉片熒光參數(shù)的影響

PSII最大光化學(xué)效率（Fv／Fm）在非環(huán)境脅迫條件下極少變化，不受物種和生長條件的影響，正常生長條件下該參數(shù)為0.8或略高；Fv／Fo表示PSⅡ的潛在活性，正常情況下該參數(shù)為4或略高［14］。當(dāng)水稻幼苗受到5mM Na2CO3脅迫時，F(xiàn)v／Fo低于4，而Fv／Fm低于0.8，說明此時葉片光合反應(yīng)中心的活性有所下降，脅迫濃度增加到10mM時，上述兩個參數(shù)與對照相比呈顯著降低，并隨脅迫濃度增加而下降（圖2）。

圖2 Na2CO3 脅迫對水稻葉片熒光參數(shù)（Fv／Fo、Fv／Fm）的影響

2.3 Na2CO3脅迫對水稻葉片抗氧化酶活性的影響

隨著Na2CO3脅迫濃度的增加，水稻葉片SOD、POD和CAT活性呈先增加后降低的變化趨勢（圖3）。在低濃度Na2CO3脅迫下，SOD和POD活性顯著升高，但隨著脅迫增加，二者活性逐漸下降。在5mM Na2CO3脅迫下POD活性無顯著變化，但濃度增加到10mM時POD活性呈現(xiàn)迅速下降趨勢。有研究表明抗氧化酶活性的提高是一種急性解毒措施，是使細(xì)胞免受毒害的調(diào)節(jié)反應(yīng)，但其調(diào)節(jié)能力是臨時的、有限的，當(dāng)細(xì)胞長時間受到脅迫，細(xì)胞內(nèi)的活性物質(zhì)包括酶類也會受到損傷而使活性下降［15］。符秀梅等［16］也曾報道過SOD和POD活性在一定范圍內(nèi)與鹽脅迫強度呈正相關(guān)，在高鹽脅迫下，SOD和POD活性明顯下降的情況。

圖3 Na2CO3脅迫對水稻葉片抗氧化酶活性的影響

2.4 Na2CO3脅迫對水稻葉片電導(dǎo)率、丙二醛及脯氨酸含量的影響

植物在逆境條件下會產(chǎn)生許多自由基，過多的自由基會引發(fā)膜脂的過氧化作用，其產(chǎn)物MDA會嚴(yán)重?fù)p傷細(xì)胞膜系統(tǒng)。因此，MDA含量反映出膜脂過氧化的程度。與此同時，細(xì)胞膜的通透性增強，一些滲透物質(zhì)流出，導(dǎo)致電導(dǎo)率增加。在Na2CO3脅迫下，水稻葉片MDA含量和電導(dǎo)率的變化趨勢基本一致，即隨著Na2CO3濃度的增加而增加，顯著高于對照組（圖4）。這說明Na2CO3脅迫導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷，且隨著脅迫增加，損傷程度不斷加劇。

在Na2CO3脅迫下植物因大量失水會受到滲透脅迫，植物體內(nèi)最有效的一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸含量會積累以調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢。低濃度Na2CO3脅迫對脯氨酸含量影響不明顯，在15和20mM Na2CO3脅迫下，脯氨酸含量增加顯著（圖4），說明在高濃度Na2CO3脅迫下，植物體內(nèi)積累的脯氨酸含量更多，受到的傷害更嚴(yán)重。張永鋒等［17］報道隨著鹽堿脅迫濃度的增大，苜蓿葉片中脯氨酸含量逐漸升高，與本研究結(jié)果基本一致。

圖4 Na2CO3脅迫對水稻葉片電導(dǎo)率、丙二醛及脯氨酸含量的影響

2.5 Na2CO3脅迫對水稻根系吸收面積的影響

根系總吸收面積能反映根系吸收水分和養(yǎng)分的能力，根系活躍吸收面積則能在一定程度上反映根系活力的情況［18］。隨著Na2CO3脅迫濃度的增加而呈降低的變化趨勢（圖5），在5和10mM Na2CO3脅迫下，水稻幼苗根系總吸收面積和根系活躍吸收面積與對照相比無不顯著，在15和20mM Na2CO3脅迫下，二者迅速降低，與對照相比差異顯著。

圖5 Na2CO3脅迫對水稻根系吸收面積的影響

3 討 論

Yang等［19］研究發(fā)現(xiàn)隨著鹽堿脅迫增強，光合色素含量以及光合參數(shù)急劇下降。本研究也得出相似的結(jié)果，即光合色素含量、Pn以及WUE隨脅迫濃度增大逐漸降低。土壤鹽分過多使RuBP羧化酶活性降低，葉綠體趨于分解，光合色素生物合成受阻，氣孔關(guān)閉，使光合速率下降［20］。王波等［13］研究表明，在重度鹽堿脅迫下燕麥的WUE增加，是由于燕麥吸水困難，不得不關(guān)閉氣孔，降低蒸騰，以維持自身生存對水分的需要，從而使WUE升高。但重度脅迫會顯著降低光合，從而使WUE降低。當(dāng)植物受到環(huán)境脅迫后，F(xiàn)v／Fm和Fv／Fo會發(fā)生明顯變化，是反映脅迫程度的良好指標(biāo)和探針。Na2CO3脅迫降低Fv／Fm和Fv／Fo，表明脅迫抑制了PSII的活性。Fv／Fm的降低可能是由于PSII供體失活導(dǎo)致的［21］。

植物受到脅迫時活性氧（Reactive oxygen species，ROS）濃度會增加，抗氧化酶類（主要包括SOD、POD和CAT）活性會增加以清除植物體內(nèi)過多的ROS，緩解傷害，維持植物正常的生長發(fā)育［22］。但是，當(dāng)環(huán)境脅迫達(dá)到一定程度時，抗氧化酶類來不及清除過多的ROS，過剩的ROS會對抗氧化酶系統(tǒng)造成損傷，導(dǎo)致抗氧化酶活性降低［23］。本研究發(fā)現(xiàn)在Na2CO3脅迫下，SOD、POD和CAT活性均隨著Na2CO3濃度的增加而呈先增加后降低的趨勢，說明低濃度的Na2CO3會誘導(dǎo)植物體內(nèi)抗氧化酶的活性，而高濃度則會抑制抗氧化酶的活性。

過多的ROS還會引發(fā)膜脂過氧化作用，同時導(dǎo)致膜透性增大，電導(dǎo)率增加。本研究表明在低濃度Na2CO3脅迫下植物葉片的電導(dǎo)率及丙二醛含量變化不顯著，而高濃度Na2CO3脅迫導(dǎo)致二者顯著增加，說明高濃度的Na2CO3脅迫對植物葉片的傷害增大。該實驗結(jié)果與張娜等［24］報道的在環(huán)境脅迫下植物葉片的相對電導(dǎo)率及丙二醛含量均隨著脅迫程度的加劇而增加相一致。脯氨酸在脅迫下會大量積累，降低細(xì)胞滲透勢，緩解水分流失對植物造成的傷害。韓玉靜等［25］研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫下羊草幼苗通過積累大量的脯氨酸降低羊草體內(nèi)的水勢傷害，提高羊草的吸水能力，提高植株抗鹽堿能力。本研究中高濃度的Na2CO3使水稻葉片內(nèi)脯氨酸含量迅速積累，調(diào)節(jié)植物的滲透勢，維持植物體的水分平衡。

根系吸收面積大，活力強，有利于根系吸收水分及營養(yǎng)物質(zhì)，為植物地上部分的生長提供必需的養(yǎng)料，促進(jìn)植物地上部分的生長。本研究表明高濃度Na2CO3脅迫減少了根系的吸收面積，這說明水稻幼苗通過降低根系總吸收面積來減少對Na2CO3的吸收。總之，高濃度的Na2CO3對水稻的生長有顯著的抑制作用，而低濃度的影響不明顯。

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