李紅杰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 職業(yè)技術學院，內(nèi)蒙古 包頭 014109)

據(jù)統(tǒng)計，全世界約有8億hm2的土地遭受鹽害威脅，約占世界陸地面積的6%，而我國鹽漬土面積約有0.2億hm2，約占可耕作面積的20%，同時，由于肥料濫用及不合理灌溉等原因，土壤鹽漬化面積仍在持續(xù)增長[1-2]。土壤鹽漬化對植物生長發(fā)育及作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有嚴重影響，是阻礙農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[3]。因此，如何提高植物耐鹽性，促進鹽堿地有效利用已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需解決的關鍵問題之一。

芹菜(Apiumgraveolens)屬傘形花科芹屬草本植物，具有抗逆性強、適應性廣及生長速度快等優(yōu)點，已在我國廣泛種植[4]。大量研究表明，植物生長調(diào)節(jié)劑及礦質(zhì)元素在提高植物抗逆性方面具有較大的應用潛力[5-7]。褪黑素(Melatonin，MT)又稱N-乙酰-5-甲氧基色胺，是一種在生物體內(nèi)廣泛存在的生長調(diào)節(jié)物質(zhì)。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)褪黑素雖然在植物體內(nèi)含量較低，但是其在緩解干旱[8]、低溫[9]、鹽[10]及重金屬脅迫[11]對植物造成的危害方面效果顯著，其作用機制主要包括2個方面：一方面，褪黑素作為一種抗氧化劑，可直接中和OH·、H2O2等活性氧自由基[12]；另一方面，褪黑素作為一種信號分子，不僅可以誘導抗氧化酶[如超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)及谷胱甘肽還原酶(GR)等]活性和抗氧化物質(zhì)[抗壞血酸(AsA)及還原型谷胱甘肽(GSH)等]含量提高，而且可以誘導抗性基因的表達，如植物WRKY家族(WRKY)、堿性螺旋環(huán)螺旋(bHLH)及轉(zhuǎn)錄因子(TFs)等，從而提高植物抗逆性[8-12]。硅(Si)是植物生長發(fā)育的必需元素之一，在土壤常以不溶性硅酸鹽形式存在，可被植物吸收利用的Si含量往往較低[13]。適量的Si可促進植物生長發(fā)育，提高植物對干旱[14]、鹽[15]及重金屬[16]脅迫的抵御能力。目前，雖然利用單一外源物質(zhì)(如褪黑素、油菜素內(nèi)酯、Si、Ca等)來提高植物耐鹽性方面的研究較多，但是尚未見關于褪黑素與Si協(xié)同作用對鹽脅迫下作物鹽害緩解效應方面的報道。鑒于此，以芹菜為試驗材料，研究褪黑素和Si配施對鹽脅迫下芹菜幼苗生長、光合作用、抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響，以期探索一條利用外源物質(zhì)緩解作物鹽害脅迫的新途徑，為提高植物耐鹽性和鹽堿地利用效率提供一定的參考和科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試芹菜品種為西芹皇后，購自內(nèi)蒙古蒙龍種業(yè)科技有限公司；試驗用NaCl、褪黑素和SiO2均為分析純，購自上海生工生物工程有限公司。采用穴盤育苗方式進行育苗，于三葉一心期移栽至花盆進行鹽脅迫試驗，花盆規(guī)格為15 cm×20 cm，栽培土壤為草炭土，每盆裝1.5 kg基質(zhì)，栽植1株幼苗。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 2018年2月20日在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術學院日光溫室開始育苗。3月10日移栽至花盆進行恢復，3月16日從恢復苗中選取大小、長勢一致的幼苗進行鹽脅迫質(zhì)量分數(shù)篩選試驗，試驗共設置6個處理，即分別將栽培基質(zhì)NaCl質(zhì)量分數(shù)設置為0(CK)、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5 g/kg，每個處理20株，重復3次，隨機區(qū)組排列。鹽脅迫15 d后，測定各處理生長指標，選取最佳鹽脅迫質(zhì)量分數(shù)用于后續(xù)試驗。2018年3月10日，在日光溫室進行第2次育苗，4月5日從恢復苗中選取大小、長勢一致的幼苗進行鹽脅迫試驗，NaCl質(zhì)量分數(shù)為預試驗中篩選的最佳質(zhì)量分數(shù)，試驗共設置5個處理，即CK(0 g/kg NaCl)、SS(7.5 g/kg NaCl)、SS+MT(7.5 g/kg NaCl+80 μmol/L MT)、SS+Si(7.5 g/kg NaCl+5 mmol/L Si4+)、SS+MT+Si(7.5 g/kg NaCl+50 μmol/L MT+3 mmol/L Si4+)，每個處理30株，重復3次，共450株，隨機區(qū)組排列。鹽脅迫前2 d傍晚，分別向芹菜幼苗葉片噴施相應濃度的褪黑素、Si4+及二者復配溶液，噴施量以水珠懸掛不滴為標準，CK噴施等量清水。于鹽脅迫處理15 d后，進行生長指標及光合指標測定，并取樣保存于-80 ℃用于測定生理生化指標。

1.2.2 測定項目及方法 芹菜幼苗株高、莖粗分別用直尺和游標卡尺測定；葉面積和干質(zhì)量分別采用葉面積儀和烘干法測定；凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)采用Li-6400便攜式光合作用儀測定，光強為900 μmol/(m2·s)，流速為500 mL/s；參照吳雪霞等[17]的方法測定芹菜幼苗葉片丙二醛(MDA)含量、SOD、POD及CAT活性；H2O2含量及APX活性參照郭欣欣等[18]的方法測定；可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別采用蒽酮比色法、考馬斯亮藍G-250法和磺基水楊酸提取法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)整理和作圖采用Excel 2010軟件進行，顯著性差異分析采用SPSS 22.0數(shù)據(jù)分析軟件進行。

2 結果與分析

2.1 芹菜鹽脅迫質(zhì)量分數(shù)的篩選

由表1可知，NaCl脅迫會顯著抑制芹菜幼苗的生長，且抑制程度隨著NaCl質(zhì)量分數(shù)的升高而逐漸加劇。NaCl質(zhì)量分數(shù)為7.5 g/kg時，芹菜幼苗的株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別較CK降低21.67%、29.94%、37.18%和20.35%，4個生長指標均與CK、2.5 g/kg和5.0 g/kg NaCl處理差異顯著(P<0.05)。NaCl質(zhì)量分數(shù)為10.0、12.5 g/kg時，芹菜幼苗生長受抑制程度進一步加劇，株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量較7.5 g/kg NaCl處理有所降低，但是差異不顯著(P>0.05)。因此，7.5 g/kg NaCl是本試驗的最佳鹽脅迫質(zhì)量分數(shù)，可以應用于后續(xù)研究。

表1 不同質(zhì)量分數(shù)鹽對芹菜幼苗生長的影響Tab.1 Effects of different concentrations of salt on growth of celery seedlings

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

Note:Different letters in the same column indicate significant difference among treatments at 0.05 level,the same below.

2.2 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗生長的影響

由表2可知，鹽脅迫條件下，外源褪黑素、Si單施及二者配施均可促進芹菜幼苗的生長。與SS處理相比，外源褪黑素處理(SS+MT)的芹菜幼苗株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別顯著增加10.61%、11.57%、27.01%和7.72%(P<0.05)；外源Si處理(SS+Si)的芹菜幼苗株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量則分別增加7.77%、8.01%、21.84%和4.96%；褪黑素和Si配施處理(SS+MT+Si)效果更加明顯，芹菜幼苗株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量則分別顯著增加22.24%、24.33%、46.74%和14.89%，均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)，且株高、莖粗及干質(zhì)量3個指標的增加幅度高于SS+MT和SS+Si處理之和。說明，外源褪黑素和Si配施可顯著緩解鹽脅迫對芹菜幼苗生長的抑制程度，且二者具有一定的協(xié)同增效作用。

表2 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗生長的影響Tab.2 Effects of exogenous melatonin and silicon on growth of celery seedlings under salt stress

2.3 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗光合作用的影響

如圖1所示，鹽脅迫會顯著抑制芹菜幼苗的光合作用指標。與CK相比，SS處理下芹菜幼苗葉片的Pn、Gs、Ci和Tr分別顯著降低42.65%、52.29%、22.66%和39.53%(P<0.05)。外源褪黑素、Si單施及二者配施均可提升鹽脅迫下芹菜幼苗葉片的光合作用，其中以二者配施增加幅度最大。與SS處理相比，SS+MT+Si處理下芹菜幼苗葉片的Pn、Gs及Tr分別增加59.30%、82.40%和54.11%，Ci降低37.67%，且均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)。說明鹽脅迫會顯著抑制芹菜幼苗葉片的光合作用，外源褪黑素、Si單施及二者配施均可起到顯著的緩解作用，且外源褪黑素和Si具有一定的協(xié)同增效作用，以二者配施緩解效果最佳。

不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.4 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗MDA和H2O2含量的影響

如圖2所示，鹽脅迫會顯著增加芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量。與CK相比，SS處理下芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量分別顯著增加110.19%和63.01%(P<0.05)。外源褪黑素、Si單施及二者配施均可降低鹽脅迫下芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量。與SS處理相比，SS+MT處理下芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量分別顯著降低22.13%和14.46%(P<0.05)；SS+Si處理下葉片的MDA和H2O2含量分別顯著降低15.25%和8.98%(P<0.05)；褪黑素和Si配施處理(SS+MT+Si)效果更加明顯，芹菜幼苗葉片的MDA和H2O2含量分別降低42.94%和29.93%，且均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)。說明鹽脅迫會顯著增加芹菜幼苗葉片的H2O2含量，導致發(fā)生膜脂過氧化。外源褪黑素、Si及二者配施均可顯著降低H2O2含量，緩解膜脂過氧化程度，且二者配施具有一定的協(xié)同增效作用，效果最佳。

圖2 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗MDA和H2O2含量的影響Fig.2 Effects of exogenous melatonin and silicon on MDA and H2O2 contents of celery seedlings under salt stress

2.5 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗抗氧化酶活性的影響

如圖3所示，鹽脅迫會顯著增加芹菜幼苗的抗氧化酶活性。SS處理條件下，芹菜幼苗葉片SOD、POD、CAT及APX活性分別較CK顯著增加16.27%、17.36%、31.88%和20.70%(P<0.05)。外源褪黑素、Si單施及二者配施均可進一步增加鹽脅迫下芹菜幼苗葉片的抗氧化酶活性，其中以二者配施增加幅度最大。與SS處理相比，SS+MT+Si處理下芹菜幼苗葉片的SOD、POD、CAT及APX活性分別增加33.18%、40.35%、30.95%和66.43%，且均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)。說明鹽脅迫會顯著增加芹菜幼苗葉片的抗氧化酶活性，外源褪黑素、Si單施及二者配施均可起到進一步增加抗氧化酶活性的作用，從而及時清除活性氧，降低膜脂過氧化程度，以二者配施效果最佳。

圖3 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effects of exogenous melatonin and silicon on antioxidant enzyme activity of celery seedlings under salt stress

2.6 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由表3可知，鹽脅迫會顯著增加芹菜幼苗葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。SS處理下，芹菜幼苗葉片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別較CK顯著增加23.35%、30.89%和51.64%(P<0.05)；外源褪黑素、Si單施及二者配施均可進一步增加鹽脅迫下芹菜幼苗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。與SS相比，SS+MT處理的芹菜幼苗葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別顯著增加24.51%、24.39%和20.10%(P<0.05)；SS+Si處理的芹菜幼苗葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別顯著增加19.43%、17.17%和12.75%(P<0.05)；SS+MT+Si處理效果最佳，葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別增加48.64%、58.94%和44.09%，且均與SS、SS+MT及SS+Si處理差異顯著(P<0.05)。說明鹽脅迫條件下，同時噴施外源褪黑素和Si可顯著增加芹菜幼苗葉片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量，從而起到調(diào)節(jié)細胞內(nèi)水分平衡和保護細胞膜結構的作用。

表3 外源褪黑素和Si對鹽脅迫下芹菜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Tab.3 Effects of exogenous melatonin and silicon on osmoregulatory substances content of celery seedlings under salt stress

3 結論與討論

鹽脅迫是一種較為常見的非生物脅迫，不僅會對植物的生理生化功能產(chǎn)生影響，還會對植物生長發(fā)育產(chǎn)生抑制，嚴重時甚至導致死亡[19]。大量研究表明，噴施外源物質(zhì)可明顯緩解鹽脅迫對植物的危害，促進植物生長[2,6-7,10]。本研究結果表明，鹽脅迫會顯著抑制芹菜幼苗生長，而噴施外源褪黑素或Si均可顯著緩解鹽脅迫對芹菜幼苗生長的抑制作用，且二者配施具有一定的協(xié)同增效作用，株高、莖粗、葉面積及干質(zhì)量分別較鹽脅迫處理增加22.24%、24.33%、46.74%和14.89%。本研究結果與高青海等[3]、劉月等[7]及林麗果等[15]的結果一致，其原因可能是施用外源褪黑素、Si增加了鹽脅迫下植物葉片的光合效率。二者配施具有一定的協(xié)同增效作用，其原因可能是外源褪黑素、Si在緩解鹽脅迫對植物危害方面的機制不同。

光合作用是植物一項重要的生理功能，是植物進行生長發(fā)育的基礎，鹽脅迫對植物光合作用具有顯著的抑制作用[15]。本研究結果表明，鹽脅迫會顯著抑制芹菜幼苗葉片的光合作用，Pn、Gs和Tr均顯著降低；鹽脅迫條件下，噴施外源褪黑素或Si均可顯著增加芹菜幼苗葉片的Pn、Gs和Tr，光合作用得到顯著提升，尤其是二者配施效果更佳，Pn、Gs和Tr分別較鹽脅迫處理增加59.30%、82.40%和54.11%，Ci降低37.67%。本研究結果與李菁等[6]、吳雪霞等[9]、林麗果等[15]及高璽等[20]結果較為一致，其原因可能是：一方面，外源褪黑素、Si可能提高了鹽脅迫下光合酶活性，促進CO2轉(zhuǎn)化；另一方面，外源褪黑素、Si可以對光合機構起到一定的保護作用，緩解了鹽脅迫對光合機構的損傷，從而提高了光合效率。

鹽脅迫條件下，植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧自由基，從而導致細胞膜膜脂過氧化，其中，MDA含量是衡量膜脂過氧化程度的重要指標[8]。為了適應干旱環(huán)境，植物常通過提高自身的保護酶(POD、SOD、CAT、APX)活性來清除體內(nèi)過量的活性氧，從而減輕活性氧對自身的傷害，維持代謝平衡[8-9]。本研究結果表明，鹽脅迫會導致芹菜幼苗發(fā)生膜脂過氧化，葉片H2O2和MDA含量顯著增加；同時，為了清除過量活性氧，幼苗葉片POD、SOD、CAT及APX活性均顯著增加。噴施外源褪黑素、Si均可進一步增加芹菜幼苗葉片的POD、SOD、CAT及APX活性，降低H2O2和MDA含量，其中，二者配施效果更佳，SS+MT+Si處理下芹菜幼苗葉片的SOD、POD、CAT和APX活性分別增加33.18%、40.35%、30.95%和66.43%，MDA和H2O2含量分別降低42.94%和29.93%。本研究結果與葉君等[8]、吳雪霞等[9]及康建軍等[14]的結果較為一致，其原因可能是外源褪黑素和Si可以提高植物葉片中抗氧化酶合成基因的表達量，提高抗氧化酶活性，增強H2O2清除能力，降低膜脂過氧化程度。

滲透調(diào)節(jié)也是植物提高耐鹽性的重要機制之一，通過增加體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來提高細胞滲透勢，維持水分平衡，提高耐鹽性[3]。本研究結果表明，鹽脅迫會導致芹菜幼苗葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量顯著增加；而噴施外源褪黑素、Si均可進一步增加芹菜幼苗葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，其中，二者配施效果更佳，SS+MT+Si處理下芹菜幼苗葉片的可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量分別增加48.64%、58.94%和44.09%。本研究結果與高青海等[3]、李天哲等[16]的結果一致。說明滲透調(diào)節(jié)是外源褪黑素、Si提高植物耐鹽性的重要機制之一。

綜上所述，外源褪黑素、Si可顯著增加鹽脅迫下芹菜幼苗的抗氧化酶活性，增強活性氧自由基清除能力，降低膜脂過氧化，緩解了鹽脅迫對芹菜幼苗的生長抑制及光合系統(tǒng)的氧化損傷，促進其生長發(fā)育；此外，還可以增加芹菜幼苗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，維持水分平衡，顯著提升耐鹽性，其中，二者復配施用具有一定的協(xié)同增效作用，效果更佳。本結果可以為提高植物耐鹽性和鹽堿地利用效率提供一定的參考和科學依據(jù)。