王光濤，馮素偉，丁位華，金立橋，文昭普，茹振鋼

(1.河南科技學(xué)院 小麥研究中心，河南新鄉(xiāng) 453003；2.現(xiàn)代生物育種河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南新鄉(xiāng) 453003)

前人研究發(fā)現(xiàn)，紫穗槐[11]、水稻[12]、大豆[13]和小麥[14]在不同的脅迫處理下抗氧化酶活性及根系細胞結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不同的反應(yīng)，但這些研究大多單一地集中在干旱脅迫、堿脅迫、鋁脅迫及鹽脅迫上。然而，關(guān)于不同pH 條件下的小麥抗氧化酶活性及根系微觀結(jié)構(gòu)的研究報道較少。為此，通過水培法模擬不同根際酸堿環(huán)境，研究不同pH 對小麥幼苗期生物量、根冠比、根系抗氧化酶活性、丙二醛(MDA)含量和根系解剖結(jié)構(gòu)的影響，探討小麥適應(yīng)不同根際pH 的根系調(diào)控機制，以期為篩選耐酸堿品種，提升小麥產(chǎn)量提供理論 依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

本試驗選用黃淮麥區(qū)大面積栽培的兩個半冬性小麥品種‘矮抗58’(AK58)和‘百農(nóng)4199’(BN4199)，均由河南科技學(xué)院小麥中心提供。

小麥種子經(jīng)φ=1% H2O2表面消毒24 h，再用蒸餾水沖洗干凈。將預(yù)先浸種的種子放入培養(yǎng)皿中。發(fā)芽3 d后，將大小均勻的小麥幼苗移栽到Hoagland營養(yǎng)液中進行水培，培養(yǎng)3 d后，營養(yǎng)液設(shè)置3個pH 水平：pH 4.0(酸脅迫)、pH 6.5(正常環(huán)境)和pH 9.0(堿脅迫)，溶液pH 分別用1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)。植物培養(yǎng)在光周期14 h(光照度20 000 lx)、晝夜溫度22 ℃/19 ℃、相對濕度64%的光照培養(yǎng)箱內(nèi)進行。每天隨機移動培養(yǎng)箱以減少位置影響，定時更換營養(yǎng)液并調(diào)節(jié)至對應(yīng)pH ，培養(yǎng)16 d。幼苗數(shù)量保證每個指標(biāo)測10～15株，完全隨機設(shè)計。取樣小麥植株為三葉期幼苗。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 干物質(zhì)測定 蒸餾水沖洗根部，吸水紙吸干表面水分。將地上部和根部分開，105 ℃殺青30 min，于70 ℃烘至恒量，稱干質(zhì)量。

1.2.2 根系抗氧化酶及MDA含量測定 參照郝再彬等[15]的方法測定抗氧化酶活性及丙二醛含量。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)法，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚顯色法，過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外分光光度法，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法。

1.2.3 根系解剖結(jié)構(gòu) 參照李和平[16]的方法制作石蠟切片觀察小麥幼苗根系的解剖結(jié)構(gòu)。先用去離子水沖洗幼苗根部，然后切取根尖0～1 cm，迅速固定于FAA(90 mL 50%醇+5 mL甲醛+ 5 mL冰乙酸)固定液中，抽氣，24 h后梯度酒精脫水，制作石蠟切片，對根尖材料縱切，蘇木精染色，OlympusCX41鏡檢照相。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和作圖，用SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同pH對植株生物量積累的影響

如圖1所示，不同pH 條件下兩個品種間根系干質(zhì)量差異顯著，而地上部干質(zhì)量差異不顯著。兩個品種地上部及根系生物量積累均表現(xiàn)為pH 6.5>pH 9.0>pH 4.0，說明酸堿脅迫會抑制生物量的積累，酸脅迫對植物的傷害大于堿脅迫。BN4199在不同pH 條件下根系干質(zhì)量顯著高于AK58，地上部干質(zhì)量高于AK58但差異不顯著。兩個品種根冠比均表現(xiàn)為pH 4.0

2.2 不同pH對小麥幼苗根系抗氧化酶活性的影響

由圖2所示，不同根際pH 對小麥根系抗氧化酶活性有顯著影響。不同根際pH 下2個品種的根系SOD、POD和CAT活性表現(xiàn)為pH 4.0

2.3 不同pH對小麥幼苗根系MDA含量的影響

如圖3所示，不同pH 條件下，根系MDA含量有較大的差異，2個品種均表現(xiàn)為pH 6.5

2.4 不同pH對小麥幼苗根系解剖結(jié)構(gòu)的影響

如圖4所示，2個品種的根系解剖結(jié)構(gòu)在不同pH 條件下有顯著變化。pH 6.5條件下2個品種根系結(jié)構(gòu)無明顯差異，根系細胞排列整齊、緊密，表皮細胞完好。pH 9.0條件下，2個品種根系結(jié)構(gòu)較對照受損較小，根系細胞排列較為整齊，細胞形態(tài)規(guī)則，表皮及根冠區(qū)細胞較為完整。pH 4.0條件下較對照根系受損較大，表皮細胞破損，細胞排列疏松紊亂、細胞形態(tài)不規(guī)則，根冠區(qū)細胞受損嚴(yán)重。2個品種在pH 9.0條件下細胞形態(tài)及排列、表皮和根冠區(qū)細胞好于pH 4.0條件，說明酸性條件對根系結(jié)構(gòu)的損害程度大于堿性條件?！瓸N4199’根系結(jié)構(gòu)在pH4.0條件和pH9.0條件下根系細胞的排列及形狀、根冠區(qū)細胞的完整性好于‘AK58’。

2.5 地上部和根系各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

如表1所示，地上部和根系干物質(zhì)積累量與SOD、POD、CAT活性呈顯著正相關(guān)，與根系MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明保持較高的根系抗氧化酶活性對保護根系膜結(jié)構(gòu)和植物生物量的積累有著重要的作用。

表1 不同測定指標(biāo)的相關(guān)性Table 1 Relevance of different parameters

3 討 論

根際pH 的變化會改變土壤中的養(yǎng)分有效性，還可以影響微生物的活性以及礦物養(yǎng)分的吸收[17]，從而影響植物的生長發(fā)育。徐呈祥[18]研究認(rèn)為生物量的積累準(zhǔn)確地反映植物對脅迫的響應(yīng)。本試驗發(fā)現(xiàn)，酸堿脅迫下不利于小麥植株干物質(zhì)積累，說明酸堿脅迫抑制養(yǎng)分的吸收，使生物量積累降低，而堿脅迫較酸脅迫有更強的營養(yǎng)吸收能力。根冠比體現(xiàn)同化物在地上和地下器官之間的分配，根系結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化的響應(yīng)表現(xiàn)很大的可塑性，并且對作物在脅迫條件下的發(fā)育至關(guān)重要[19]。本試驗表明堿脅迫下植株干物質(zhì)積累及根冠比大于酸脅迫，李菊艷等[20]研究認(rèn)為提高根冠比可以增強耐鹽性，可見酸堿條件下根冠比的提高有利于提高抗逆能力及干物質(zhì)積累。

當(dāng)ROS不完全還原時會氧化生物分子，導(dǎo)致細胞氧化破壞，積累許多有害的過氧化產(chǎn)物，如MDA等[21]。植物體內(nèi)的某些酶和抗氧化劑可以降低和抑制活性氧對植物細胞的傷害[22-23]。本試驗發(fā)現(xiàn)，酸堿脅迫抑制小麥根系抗氧化酶活性，提高根系膜脂過氧化程度，說明酸堿脅迫抑制根系的生理活動。根系解剖結(jié)構(gòu)是根系發(fā)育水平的體現(xiàn)，與根系生理密切相關(guān)，對逆境供水和保證植物活力具有重要作用[24]。Choudury等[25]研究認(rèn)為在各種脅迫下過量的ROS積累是細胞損傷的主要原因。本試驗發(fā)現(xiàn)堿性條件下生物量積累、根冠比、抗氧化酶活性均高于酸性條件，而酸性條件對根系結(jié)構(gòu)的損害程度大于堿性條件。說明酸堿脅迫下保持較高的抗氧化酶活性有利于根系生長，提高根冠比可以適應(yīng)不良的根際酸堿環(huán)境。相關(guān)分析表明保持較高的根系抗氧化酶活性對保護根系膜結(jié)構(gòu)和植株生物量的積累有重要作用。酸堿脅迫下‘BN4199’地上部和根系生物量積累、根系抗氧化酶活性高于‘AK58’，根系結(jié)構(gòu)好于‘AK58’，而根系MDA含量小于‘AK58’，說明抗酸堿脅迫強的品種，膜脂過氧化程度較低，根系結(jié)構(gòu)受損較小。Terletskaya等[26]研究認(rèn)為耐性較強的小麥品種的根冠比隨脅迫而增加，而敏感品種的根冠比則下降?！瓸N4199’在酸堿條件下根冠比顯著高于‘AK58’，說明‘BN4199’具有較強的耐酸堿能力，根冠比可作為小麥苗期篩選耐酸、堿品種的參考指標(biāo)。

4 結(jié) 論

綜上表明，不同小麥品種耐酸堿能力存在較大差異，酸脅迫對小麥生長的抑制程度大于堿脅迫。酸堿條件下，保持較高的抗氧化酶活性有利于穩(wěn)定根系生長，以適應(yīng)不良根際環(huán)境。與‘AK58’相比，‘BN4199’具有較強的耐酸堿能力。