嚴(yán)加坤，嚴(yán) 榮，汪亞妮

（榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 榆林 719000）

【研究意義】植物生長(zhǎng)過(guò)程當(dāng)中或多或少都要受到來(lái)自環(huán)境脅迫的影響，例如干旱、熱、冷及鹽等［1-2］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球超過(guò)7% 的可利用的土地受到鹽堿的影響而不能作為正常的耕地使用［3-4］。土壤高含鹽量嚴(yán)重影響著植物的生長(zhǎng)。因此，研究提高作物抗鹽能力的方法具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在鹽脅迫下，植物根系首先感受到高鹽帶來(lái)的滲透脅迫，此時(shí)植物通過(guò)生理調(diào)節(jié)例如降低蒸騰作用以減少水分散失，從而維持一定的水分狀態(tài)；在此過(guò)程中，植物根系的吸水作用、莖稈的輸水作用起到重要作用［4-6］。一般情況下，植物根系吸水主要通過(guò)共質(zhì)體途徑、質(zhì)外體途徑及跨膜運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)的，而一旦植物受到滲透脅迫將會(huì)降低質(zhì)外體運(yùn)輸；因此，鹽脅迫下，水分的跨膜運(yùn)輸對(duì)于植株整株的水分平衡起到重要作用［7］，而這種擴(kuò)膜運(yùn)輸有很大程度上受到水通道蛋白活性劑數(shù)量的影響［8］。報(bào)道顯示，鹽脅迫下，外源施加硅處理能有效的降低植物根系過(guò)氧化氫積累從而接觸對(duì)水通道蛋白功能活性的抑制進(jìn)而提高高粱根系的吸水能力［4］，說(shuō)明通過(guò)調(diào)控水通道活性來(lái)改善根系吸水狀況從而提高植物對(duì)鹽脅迫的抗性具有可行性。茉莉酸是一種被廣泛作為應(yīng)對(duì)生物脅迫的調(diào)節(jié)劑是使用的植物激素，并且科研工作者圍繞植物生物脅迫做了大量工作［9-10］。最近研究發(fā)現(xiàn)，外源施用茉莉酸能有效地提高植物的非生物脅迫抗性［11-13］，說(shuō)明茉莉酸在植物應(yīng)答非生物脅迫方面具有重要作用。鹽脅迫下，外源施用茉莉酸類似物茉莉酸甲酯能夠通過(guò)提高過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶及抗壞血酸過(guò)氧化物酶活性來(lái)減少丙二醛和過(guò)氧化氫的積累從而降低氧化損傷近而緩解鹽脅迫給小麥幼苗帶來(lái)的生長(zhǎng)抑制［14］。此外，茉莉酸增加鹽脅迫下植物抗氧化系統(tǒng)活性也被廣泛報(bào)道［11-12，15］；外源茉莉酸提高菜豆（Phaseolus vulgaris）、擬南芥（Arabidopsis thaliana）及番茄（Solanumlycopersicum）的根系吸水能力也見諸報(bào)道［16］。【本研究切入點(diǎn)】短期鹽脅迫下，水通道蛋白調(diào)控的根系吸水能力的增強(qiáng)被認(rèn)為是植物應(yīng)答鹽脅迫的重要手段［4，17］。那么短期鹽脅迫下，水通道蛋白否參與里茉莉酸介導(dǎo)的植物鹽抗性的提升？【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以廣適玉米品種鄭單958為材料，試圖通過(guò)外源施加茉莉酸甲酯探索水通道蛋白在玉米適應(yīng)鹽脅迫初期的作用，以期理清水通道蛋白在玉米抗鹽脅迫初期的作用，為后期鹽堿地玉米種質(zhì)資源創(chuàng)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及苗期管理

試驗(yàn)于2018年6—9月在陜西省榆林市榆林學(xué)院陜西省陜北礦區(qū)生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室氣候室進(jìn)行。供試材料為鄭單958，種子經(jīng)1%次氯酸鈉溶液消毒15 min，用蒸餾水清洗5次，置于30℃培養(yǎng)箱中催芽3 d。將大小一致的幼苗轉(zhuǎn)移至1/4 Hoaglands營(yíng)養(yǎng)液中，水培營(yíng)養(yǎng)液通過(guò)加氧機(jī)24 h通氣供氧。設(shè)置光照/黑暗為14 h/10 h，溫度為25℃，濕度為55%，光照強(qiáng)度為30 000 lx。待玉米第三片葉片完全展開，50%外源施加1 μmol/L茉莉酸甲酯處理3 d，之后給與100 mmol/L氯化鈉處理，另外50%繼續(xù)Hoaglands營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)。試驗(yàn)設(shè)Hoaglands營(yíng)養(yǎng)液（CK）、Hoaglands營(yíng)養(yǎng)液+茉莉酸甲酯（CK+MeJA）、氯化鈉脅迫（S）和鹽+茉莉酸甲酯（S+MeJA）4個(gè)處理。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

鹽脅迫5 d后測(cè)定玉米生物量積累［17］。玉米采樣后按照地上部分和地下根系部分進(jìn)行分樣，裝入信封經(jīng)105℃高溫殺青30 min后60℃烘干至恒重，采用分析天平稱重。試驗(yàn)設(shè)置15個(gè)重復(fù)。鹽脅迫2 h 后測(cè)定葉片光合參數(shù)、相對(duì)含水量［18］、葉片水勢(shì)［19］、根系水力學(xué)導(dǎo)度［19-20］。為驗(yàn)證水通道蛋白作用，進(jìn)行氯化汞抑制試驗(yàn)［21］。

葉片光合參數(shù)選用Li-6400測(cè)定。經(jīng)過(guò)2 h脅迫，選用完全展開的第三片葉片測(cè)定凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率。光合參數(shù)設(shè)置為：光量子500 μmol/m2s，流速為500 μmol/s，待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄。

相對(duì)含水量：經(jīng)過(guò)鹽處理2 h后，取完全展開的第三片葉片，然后迅速用天平稱其鮮重（FW）。稱量完畢后，將葉片浸泡在蒸餾水中 6 h，然后將其取出并用吸水紙將表面擦干，測(cè)定其總重（TW）。然后將葉片置于 60℃烘箱中烘干并稱取其干重（DW）。計(jì)算葉片相對(duì)含水量。

葉片水勢(shì)采用3005型壓力室進(jìn)行測(cè)定（Soil Moisture Equipment Crop., Santa Barbara,USA），測(cè)定方法按照儀器說(shuō)明進(jìn)行。

根系水力學(xué)導(dǎo)度：經(jīng)過(guò)鹽處理2 h后，將玉米幼苗從根基部剪斷，留中胚軸4 cm。然后將整株根系用硅膠塞密封后慢慢的對(duì)鋼瓶加壓，每次增加壓力 0.1 MPa，直至壓力增至 0.5 MPa 為止。每個(gè)壓力梯度下等達(dá)到出流穩(wěn)態(tài)后（大約1 min）用1.5 mL聚乙烯離心管放入脫脂棉吸取汁液，吸水時(shí)間統(tǒng)一為 60 s，然后在萬(wàn)分之一天平上準(zhǔn)確迅速稱量所吸水的重量。完成上述操作后，將根從壓力室中取出，應(yīng)用數(shù)字化掃描儀將根系圖像存入計(jì)算機(jī)，然后采用CI-400型根系圖像分析系統(tǒng)（Image Analysis Software, CID, Inc.Vancouver,WA）求出根系表面積。每個(gè)壓力下根系吸水能力用單位時(shí)間內(nèi)單位根表面積流入水量表示，可根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中，Lp為根系水流導(dǎo)度（m/s·MPa），V為t（s）時(shí)間內(nèi)通過(guò)測(cè)試根的水流總體積（m3），S為測(cè)試根段的表面積（m2），P為達(dá)到出流穩(wěn)態(tài)時(shí)的平衡壓（即外界所加壓力，MPa）。最后用所加壓力過(guò)程中單位面積下水流通量與壓力差關(guān)系曲線的斜率表示。

氯化汞試驗(yàn)：采用稱重法測(cè)定整株蒸騰速率。將玉米幼苗在50 μmol/L HgCl2中處理5 min，用蒸餾水清洗，迅速測(cè)定蒸騰速率。

試驗(yàn)結(jié)果選用最小顯著性分析（LSD）用SPSS19.0 處理，采用Sigmaplot12.5 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源茉莉酸甲酯對(duì)鹽脅迫下玉米生物量累積的影響

處理5 d后，鹽脅迫顯著降低了玉米生物量積累（表1）；而茉莉酸甲酯處理有效緩解了鹽脅迫所造成的玉米生長(zhǎng)抑制，外源施加茉莉酸甲酯分別提高鹽脅迫下根系生物量41.32%，地上部生物量40.69%。結(jié)果再次驗(yàn)證了外源施用茉莉酸能有效緩解鹽脅迫對(duì)植物造成的生長(zhǎng)抑制。

表1 外源茉莉酸對(duì)鹽脅迫下玉米生物量積累的影響Table 1 Effect of exogenous JA on the biomass accumulation of maize under salt stress

2.2 外源茉莉酸甲酯對(duì)鹽脅迫下玉米葉片生理參數(shù)的影響

表2 外源茉莉酸對(duì)鹽脅迫下玉米凈光合速率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率的影響Table 2 Effect of exogenous JA on the net photosynthetic rate, stomatal conductance and transpiration rate of maize under salt stress

正常水分條件下，茉莉酸甲酯處理并沒有顯著影響玉米葉片凈光合速率（表2），而鹽脅迫條件下，與脅迫處理相比茉莉酸甲酯處理顯著提高了玉米葉片凈光合速率。說(shuō)明茉莉酸處理有助于鹽脅迫下植物維持相對(duì)較高的凈光合速率（提高47.48%）。與光合結(jié)果類似，鹽脅迫下茉莉酸甲酯處理顯著提高了玉米葉片的氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率。通過(guò)對(duì)葉片相對(duì)含水量的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，茉莉酸處理在提高玉米葉片蒸騰速率的同時(shí)并沒有降低玉米葉片相對(duì)含水量，與其結(jié)果類似，茉莉酸處理顯著提高了鹽脅迫下玉米葉片相對(duì)含水量（表3）。葉水勢(shì)結(jié)果與葉片相對(duì)含水量結(jié)果類似，說(shuō)明鹽脅迫下茉莉酸減輕玉米生長(zhǎng)的抑制可能與良好的葉片水分狀態(tài)有關(guān)，而高的蒸騰和葉片相對(duì)含水量可能與根系吸水能力的提升有關(guān)。

表3 外源茉莉酸對(duì)鹽脅迫下玉米葉片相對(duì)含水量和葉水勢(shì)的影響Table 3 Effect of exogenous JA on the leaf relative water content and water potential of maize under salt stress

2.3 外源茉莉酸甲酯對(duì)鹽脅迫下玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度的影響

為理清根系吸水在維持葉片高含水量中的作用，本試驗(yàn)測(cè)定了玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度。結(jié)果（圖1）顯示，正常條件下，茉莉酸甲酯并沒有對(duì)玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度產(chǎn)生顯著影響；而在脅迫條件下，茉莉酸甲酯處理顯著提高了玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度，提高41.60%。為驗(yàn)證水通道蛋白在這一過(guò)程中的作用，進(jìn)行了氯化汞試驗(yàn)。結(jié)果（圖2）顯示，相同處理?xiàng)l件下（鹽脅迫），氯化汞處理時(shí)其葉片蒸騰速率并沒有顯著差異，說(shuō)明茉莉酸處理帶來(lái)的高的玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度的確與水通道蛋白活性有關(guān)。

圖1 外源茉莉酸對(duì)鹽脅迫下玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度的影響Fig. 1 Effect of exogenous JA on the root hydraulic conductivity（Lp） of maize under salt stress

圖2 氯化汞及茉莉酸對(duì)鹽脅迫下玉米蒸騰速率的影響Fig. 2 Effect of mercuric chlorid and JA on the transpiration rate of maize under salt stress

3 討論

土壤鹽堿化嚴(yán)重限制的植物的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而導(dǎo)致糧食減產(chǎn)［22-23］；然而研究顯示內(nèi)陸地區(qū)正常的地下水灌溉農(nóng)田正在加速土地鹽堿化［24］。因此，植物抗鹽堿研究迫在眉睫。本研究結(jié)果表明，外源施用茉莉酸甲酯能有效緩解鹽脅迫造成的生長(zhǎng)抑制，這與前人研究結(jié)果一致［25-27］。

3.1 茉莉酸緩解玉米鹽脅迫

環(huán)境脅迫（鹽、干旱及氧化脅迫等）嚴(yán)重抑制植物的葉片氣體交換從而抑制植物的凈光合速率。本試驗(yàn)中外源施加茉莉酸甲酯顯著提高了鹽脅迫下玉米的凈光合速率，相似的研究在硅提高高粱［21］、茉莉酸提高番茄［11］的抗鹽研究中也有發(fā)現(xiàn)，這也再次證明茉莉酸能有效的提高玉米的抗鹽性。而經(jīng)過(guò)5 d脅迫處理的生物量積累數(shù)據(jù)也再次證明這一點(diǎn)。

3.2 茉莉酸改善鹽脅迫下玉米的水分運(yùn)輸能力

環(huán)境因素脅迫嚴(yán)重抑制植物根系水分吸收［17，19，29］，而植物整株水分平衡對(duì)植物維持正常的生命活動(dòng)具有重要意義［5，28］。本試驗(yàn)中外源施用茉莉酸甲酯能夠有效的提高玉米葉片相對(duì)含水量及葉水勢(shì)，說(shuō)明茉莉酸能有效的緩解鹽脅迫初期給植物帶來(lái)的葉片水分匱缺。通常鹽脅迫對(duì)植物的負(fù)面效應(yīng)分為兩階段：首先，脅迫初期高的鹽濃度產(chǎn)生滲透脅迫，促使植物根系吸水能力下降從而降低植物葉片含水量進(jìn)而影響植物光合等生理過(guò)程；接下來(lái)過(guò)多的攝取陽(yáng)離子，從而產(chǎn)生鈉毒害。植物在經(jīng)歷鹽脅迫初期主要以滲透脅迫為主，因此茉莉酸提高玉米葉片的相對(duì)含水量及葉水勢(shì)對(duì)于植物應(yīng)對(duì)短期的鹽脅迫具有重要作用。

環(huán)境脅迫下，由于蒸騰拉力的下降，根系水分的跨膜運(yùn)輸對(duì)于植物根系吸水起到重要作用［8］。而水通道蛋白是水分跨膜運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?，在滲透脅迫下對(duì)于植物水分吸收及運(yùn)輸起到至關(guān)重要的作用［7］。我們發(fā)現(xiàn)鹽脅迫顯著降低了植物的根系水力學(xué)導(dǎo)度，這種降低主要是由蒸騰拉力的下降導(dǎo)致的。而外源施用茉莉酸能夠緩解鹽脅迫帶來(lái)的玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度的降低，在這種緩解作用又與水通道蛋白活性緊密相關(guān)（氯化汞抑制實(shí)驗(yàn)結(jié)果），說(shuō)明水通道蛋白參與了外源茉莉酸介導(dǎo)的玉米根系吸水能力的提升。

4 結(jié)論

綜上所述，我們認(rèn)為同硅提高高粱抗鹽能力機(jī)制類似，鹽脅迫下茉莉酸能夠通過(guò)調(diào)控玉米根系水通道蛋白活性來(lái)提高玉米根系水力學(xué)導(dǎo)度從而提高玉米根系吸水能力進(jìn)而維持茉莉酸處理下玉米高的葉面蒸騰速率及高的葉片相對(duì)含水量。而這種良好的整株水分平衡狀態(tài)又有利于葉片高的凈光合速率的維持從而導(dǎo)致茉莉酸處理下高的玉米生物量積累。