徐雪雯 王興鵬,3 王洪博 李國(guó)輝 唐茂淞 曹振璽

（1 塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，843300，新疆阿拉爾；2 塔里木大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，843300，新疆阿拉爾；3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北綠洲節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，832000，新疆石河子）

新疆獨(dú)特的氣候環(huán)境有利于棉花生長(zhǎng)和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，是我國(guó)重要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地[1]。據(jù)2021年數(shù)據(jù)顯示，新疆棉花皮棉總產(chǎn)量512.9 萬t，占全國(guó)總量的89.5%，占全球總量的20%以上[2]。然而，新疆棉花種植常受鹽堿脅迫，尤其是鹽漬化程度較嚴(yán)重的南疆地區(qū)。研究[3]表明，南疆地區(qū)遭受鹽漬害的耕地面積占總耕地面積的49.6%。南疆鹽堿地多為復(fù)合型鹽堿地，鹽化與堿化作用往往相伴發(fā)生，不合理灌溉和過度施用化肥等原因使耕地次生鹽堿化嚴(yán)重[4]，嚴(yán)重阻礙南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。鹽堿化會(huì)嚴(yán)重抑制棉花種子萌發(fā)，降低棉花出苗率[5]，抑制棉花生長(zhǎng)發(fā)育[6]。因此，如何緩解鹽漬化對(duì)棉花生長(zhǎng)的影響已成為棉花可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵問題。

研究表明，施用外源植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑可以調(diào)節(jié)鹽脅迫下植物生長(zhǎng)發(fā)育[7]，提高植物抗逆性[8]。水楊酸（salicylic acid，SA）是一種天然有效的信號(hào)分子，可以通過促進(jìn)植物葉綠素含量累積[9]和降低植株蒸騰速率[10]來提高抗氧化酶活性[11]、增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量[12]等生理活動(dòng)，從而提高植物的耐鹽性。施加外源SA 能夠提高植株超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶活性，降低丙二醛（MDA）含量，增加生物累積量，并提升耐鹽性[13-14]。還可促進(jìn)小麥幼苗[15]生長(zhǎng)和增強(qiáng)根系活力，促進(jìn)脯氨酸（Pro）積累[16]。同時(shí)促進(jìn)鹽脅迫下顛茄生長(zhǎng)發(fā)育，增加可溶性糖（SS）含量[17]。

棉花具有較高的耐鹽性，但在棉種萌發(fā)和苗期的抗逆性相對(duì)較弱，較高的土壤鹽分會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響。為此，本試驗(yàn)以中棉619（新疆地區(qū)無膜直播的特早熟棉花新品種）為研究對(duì)象，開展苗期化控試驗(yàn)，分析施加SA 對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗根系生長(zhǎng)和生理特性的影響，闡明施加SA 緩解鹽脅迫抑制棉花幼苗生長(zhǎng)的機(jī)理，得出不同濃度鹽脅迫條件下宜于棉花生長(zhǎng)的SA 濃度，在鹽脅迫條件下為棉花苗期生長(zhǎng)提供外源植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑施用策略。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022 年4-5 月在塔里木大學(xué)人工氣候室中進(jìn)行，氣候室溫度設(shè)置為25℃，濕度40%，光照/黑暗時(shí)長(zhǎng)14h/10h。設(shè)置2 個(gè)NaCl 濃度水平[18]：3 和6g/L，4 個(gè)SA 水平：0.00、0.01、0.05和0.10mmol/L，基于前人研究[19-22]基礎(chǔ)的同時(shí)在試驗(yàn)正式開始前進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，最終確定SA 濃度水平，組合共8 個(gè)處理，分別為3g/L NaCl+0.01mmol/L SA（T1S1）、3g/L NaCl+0.05mmol/L SA（T1S2）、3g/L NaCl+0.10mmol/L SA（T1S3）、3g/L NaCl+0.00mmol/L SA（T1S0）、6g/L NaCl+0.01mmol/L SA（T2S1）、6g/L NaCl+0.05mmol/L SA（T2S2）、6g/L NaCl+0.10mmol/L SA（T2S3）、6g/L NaCl+0.00mmol/L SA（T2S0），并設(shè)置無外源SA 無鹽分為對(duì)照（CK），每個(gè)處理重復(fù)3 次。

以中棉619（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所提供）為供試品種，試驗(yàn)精選飽滿一致的棉花種子進(jìn)行消毒處理，置于萌發(fā)袋（CYG-98LB，長(zhǎng)30cm，寬25cm；由PhytoTC 生產(chǎn)廠家提供）紙芯凹槽里，每袋放置8 粒種子，萌發(fā)袋垂直放置，如圖1 所示，培養(yǎng)期為12d。量取50mL 預(yù)先配制的NaCl 和SA溶液加至對(duì)應(yīng)處理。在氣候室連續(xù)培養(yǎng)5d 后，量取30mL 配制營(yíng)養(yǎng)液（由北京采菊東籬水培園藝中心生產(chǎn)）加入所有處理[21]，此后不再施加鹽溶液、外源劑和營(yíng)養(yǎng)液。

圖1 棉花幼苗生長(zhǎng)裝置Fig.1 Cotton seedling growth device

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 棉花根系形態(tài)指標(biāo) 試驗(yàn)開始后第12 天取樣，每個(gè)重復(fù)取3 株棉花幼苗進(jìn)行根系掃描，使用根系掃描儀（Epson Perfection V800 Photo，精工愛普生株式會(huì)社）獲取棉花根系形態(tài)圖片，利用LA-S系列植物圖像分析軟件（杭州萬深檢測(cè)科技有限公司研制）分析根系形態(tài)指標(biāo)。

1.2.2 棉花主根長(zhǎng)度 從第3 天開始，每天用直尺（精度為1mm）測(cè)定棉花主根長(zhǎng)度，連續(xù)測(cè)至第12 天。

1.2.3 干物質(zhì)量 第12 天從萌發(fā)袋中取出棉花幼苗，用剪刀分成地上部和地下部，烘箱105℃殺青30min，再80℃烘干至恒重，用根系掃描后根系樣本測(cè)定地下部干重。

1.2.4 根冠比 根冠比=地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量。

1.2.5 根系生理指標(biāo) 培養(yǎng)至第12 天，利用南京建成生物工程研究所的SOD 試劑盒（WST-1 法）測(cè)定棉花根系SOD 活性，采用POD 試劑盒（分光光度比色法）測(cè)定POD 活性，采用CAT 試劑盒（鉬酸銨法）測(cè)定CAT 活性，采用MDA 試劑盒（硫代巴比妥酸反應(yīng)比色法）測(cè)定MDA 含量，采用Pro試劑盒（酸性茚三酮顯色法）測(cè)定Pro 含量，采用SS 試劑盒（蒽酮硫酸比色法）測(cè)定SS 含量。測(cè)定生理指標(biāo)SOD、POD、CAT、MDA、Pro 和SS 共需要0.5g 樣品。每個(gè)重復(fù)有5 株棉花植株，3 個(gè)重復(fù)共有15 株棉花幼苗用于生理指標(biāo)測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2021 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DPS v7.05 進(jìn)行雙因素方差分析，SPSS 22 進(jìn)行主成分分析，應(yīng)用Origin 2022 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下SA 對(duì)棉花幼苗根系指標(biāo)、生物積累量及根冠比的影響

鹽脅迫下SA 對(duì)棉花幼苗根系指標(biāo)、生物累積量及根冠比的影響如表1 所示。鹽效應(yīng)、SA 效應(yīng)對(duì)棉花幼苗根系指標(biāo)、生物量及根冠比效果極顯著（P＜0.01），二者的互作效應(yīng)除對(duì)棉花幼苗根系總長(zhǎng)度效果不顯著外（P＞0.05），對(duì)其余指標(biāo)均顯著。棉花幼苗根系總長(zhǎng)度、表面積、體積、地下部、地上部干重及根冠比隨鹽濃度上升顯著降低，其中T1S0較CK 分別顯著降低30.6%、43.3%、57.0%、43.6%、20.4%和29.1%，T2S0較CK 分別顯著降低58.5%、62.0%、66.5%、57.7%、26.7%和42.3%。低鹽脅迫下則隨SA 濃度增大呈先增加后減小趨勢(shì)，T1S2較T1S0處理棉花幼苗根系指標(biāo)、生物累積量及根冠比分別顯著增加39.0%、66.0%、118.6%、74.6%、25.4%和39.4%；高鹽條件下棉花幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)變化規(guī)律與低鹽相同，T2S2處理較T2S0分別增加58.7%、47.3%、49.3%、60.6%、11.1%和44.5%。

表1 鹽脅迫下SA 對(duì)棉花幼苗根系指標(biāo)、生物累積量及根冠比的影響Table 1 Effects of SA on root index,bioaccumulation and root-shoot ratio of cotton seedlings under salt stress

2.2 鹽脅迫下SA 對(duì)棉花幼苗主根長(zhǎng)的影響

鹽脅迫下SA 對(duì)棉花幼苗主根長(zhǎng)的影響如圖2所示，鹽脅迫下棉花幼苗主根長(zhǎng)均低于CK，施加不同濃度SA 后，棉花幼苗主根長(zhǎng)隨外源SA 濃度增大呈先上升后降低趨勢(shì)。T1S1、T1S2和T1S3處理第12 天棉花主根長(zhǎng)均高于T1S0；T2S2處理主根長(zhǎng)較T2S0處理增長(zhǎng)19%，而T2S1和T2S3棉花主根長(zhǎng)均低于T2S0，較T2S0分別減少0.7%和13.0%。

圖2 不同鹽濃度下施加SA 對(duì)棉花幼苗主根長(zhǎng)的影響Fig.2 Effects of SA on primary root length of cotton seedlings under different salt concentrations

2.3 鹽脅迫下SA 對(duì)棉花幼苗根系抗氧化酶活性、MDA 含量及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由圖3 可知，低鹽脅迫（T1S0）對(duì)棉花幼苗根系POD、CAT、SOD 活性及MDA、Pro 和SS 含量影響顯著，與CK 相比分別顯著上升9.7%、19.4%、23.6%、35.3%、16.3%和20.5%。與T1S0相比，T1S2處理后棉花幼苗根系生理參數(shù)抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量分別顯著提高20.5%、26.1%、16.4%、30.2%和35.4%；MDA 含量顯著降低20.9%。與CK 相比，T2S0處理對(duì)棉花幼苗根系抗氧化酶活性、MDA 含量及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量影響顯著；與T2S0對(duì)比，T2S2處理下POD、CAT、SOD 活性及Pro、SS 含量分別提高23.1%、12.1%、18.2%、9.7%和10.8%；在T2S1處理下棉花幼苗MDA 含量最低。

圖3 鹽脅迫下SA 處理下棉花幼苗根系抗氧化酶活性、MDA 含量及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Fig.3 Antioxidant enzyme activities,MDA content and osmoregulatory substance content of cotton seedling roots under SA treatment under salt stress

2.4 主成分分析

將8 個(gè)處理13 個(gè)指標(biāo)的平均值進(jìn)行主成分分析，得到載荷矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率（表2）。由表2 可知，SA 對(duì)鹽脅迫下棉花幼苗生理生長(zhǎng)調(diào)控作用主要是主成分1（PC1為根系形態(tài)因子）和主成分2（PC2為酶活性因子根系因子），8 個(gè)處理前2 個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為54.68%和35.42%，累積貢獻(xiàn)率90.10%，說明PC1和PC2代表原來13 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)90.10%的變化，選取前2 個(gè)主成分作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)從而減少單項(xiàng)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。在新確定的綜合指標(biāo)中，根系因子主成分中地下部干物質(zhì)、根表面積和根體積的特征值最大，均為0.98；抗氧化酶因子成分中CAT 的特征值最大，為0.98。表明地下部干物質(zhì)、根表面積、根體積和CAT 指標(biāo)的貢獻(xiàn)率最大，影響程度較高，可作為SA 對(duì)鹽脅迫下棉花生長(zhǎng)生理調(diào)控作用的主要研究指標(biāo)。

表2 主成分特征值、貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率Table 2 Principal component eigenvalues,contribution rates and cumulative contribution rates

2.5 基于主成分分析的綜合評(píng)價(jià)

以主成分對(duì)應(yīng)的特征值為權(quán)重與13 個(gè)不同指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)線性加權(quán)得到主成分表達(dá)式為Yi，與主成分貢獻(xiàn)率線性求和從而得到主成分的綜合得分模型Y[23]，主成分得分系數(shù)情況如表3 所示。將不同處理進(jìn)行主成分綜合評(píng)價(jià)，得到主成分分析綜合得分情況（表4），得出T1S2處理綜合得分最高，為2.32，其次為T2S2處理，為1.71，說明在不同鹽脅迫下SA 的最佳施用濃度為0.05mmol/L。

表4 主成分分析綜合得分Table 4 Composite score of principal component analysis

式中，Yi表示第i個(gè)主成分表達(dá)式；Eij表示第i個(gè)主成分第j個(gè)主成分得分系數(shù)；Xj表示第j個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。

式中，Y表示綜合評(píng)價(jià)值；Wi表示第i個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率。

3 討論

鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致棉花幼苗根系生長(zhǎng)受到抑制，導(dǎo)致生物累積量減少[24]。本試驗(yàn)表明，鹽濃度升高導(dǎo)致棉花幼苗主根長(zhǎng)、根總長(zhǎng)度、表面積和體積顯著降低，棉花幼苗地上部和地下部干重均顯著下降，這是由于鹽脅迫下作物根系對(duì)水的吸收利用受到阻滯后，改變了植物新陳代謝，造成棉花幼苗生理性缺水，從而阻礙植物生長(zhǎng)發(fā)育[25]。在本試驗(yàn)中，外源SA 處理后，棉花幼苗根系參數(shù)隨SA 濃度增加呈先增加后減小的趨勢(shì)，一定程度上促進(jìn)了棉花幼苗根系生長(zhǎng)，增加了棉花幼苗的生物累積量，減弱鹽脅迫不利影響，提升棉花幼苗耐鹽性。但本試驗(yàn)高鹽脅迫下，高濃度SA 抑制了棉花幼苗根系表面積和體積的增加，較T2S0均有不同程度下降，這可能是由于高濃度SA 加劇了高鹽脅迫對(duì)棉花幼苗的不利影響。

當(dāng)植物受到外界環(huán)境脅迫時(shí)，抗氧化保護(hù)酶活性及滲透物質(zhì)等生理代謝指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，常被用于評(píng)價(jià)作物的抗逆性[26]。本試驗(yàn)表明，Pro 和SS積累量隨鹽濃度升高而增加，這是由于Pro 和SS積累可以調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透電位以及與滲透保護(hù)作用相關(guān)的鹽效應(yīng)[27]，從而降低植株細(xì)胞滲透壓以吸收外界水分維持細(xì)胞膨壓，維持植株正常生長(zhǎng)發(fā)育，緩解鹽脅迫對(duì)植株造成的傷害，是植物自我保護(hù)和適應(yīng)逆境的表現(xiàn)。逆境下植株體內(nèi)溶解蛋白減少，促進(jìn)合成SS 酶基因表達(dá)量增強(qiáng)[28]，Pro 和SS 含量升高也被認(rèn)為是減少鹽度有害影響指標(biāo)[29-30]，這已在逆境下葡萄[31]、煙草[32]及小麥幼苗[15]等植物中得到證實(shí)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，外源SA 處理可以促進(jìn)棉花幼苗根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)累積量增加，說明施加SA 可以緩解鹽脅迫帶來的細(xì)胞膨壓失衡。

為應(yīng)對(duì)鹽脅迫，植物會(huì)通過增加體內(nèi)與抗逆相關(guān)的酶（SOD、POD、CAT）活性來減少植物體內(nèi)水分和養(yǎng)分的流失及生物量的減少[33]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，棉花幼苗根系SOD、POD 和CAT 活性隨鹽分增大呈增加趨勢(shì)，這是由于鹽脅迫會(huì)觸發(fā)植株產(chǎn)生更多的H2O2并加快脂質(zhì)過氧化[34]，從而促使SOD 等抗氧化酶活性提高，以緩解鹽脅迫對(duì)作物[35]造成的損傷，這與稷子[36]幼苗中抗氧化酶活性較對(duì)照顯著提升結(jié)果一致。隨SA 濃度增大，棉苗根系抗氧化酶活性呈先增后減趨勢(shì)，中濃度SA 顯著提升了棉花幼苗抗氧化酶活性，降低鹽脅迫對(duì)細(xì)胞造成傷害，緩解了鹽脅迫對(duì)棉花幼苗的不利作用，也是棉花幼苗對(duì)鹽脅迫耐受性增加的原因。這與硝普鈉（SNP）[34]、褪黑素[24]、硫化氫（H2S）[37]等外源處理可以提高鹽脅迫下棉花植株SOD、POD、CAT 等抗氧化酶活性的結(jié)果一致。MDA 是氧化應(yīng)激的另一個(gè)主要指標(biāo)，MDA 含量越多說明植株受損傷程度越高[38]。本試驗(yàn)表明，隨鹽分濃度增加，棉花植株MDA 含量逐漸增加，這與石婧等[39]在不同鹽濃度下誘導(dǎo)棉花幼苗氧化應(yīng)激造成的結(jié)果一致。施加SA 后，棉花植株MDA 含量均有不同程度降低，說明SA 能通過降低MDA 含量以此消減鹽脅迫對(duì)棉花幼苗根系生長(zhǎng)的不利影響。

主成分分析可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)降維，通過主成分分析在減少了變量個(gè)數(shù)的同時(shí)體現(xiàn)變量間的內(nèi)在聯(lián)系[40]。本研究對(duì)中棉619 的13 項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，前2 個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為90.10%，其中主成分1 解釋了54.68%的變化，主成分2 解釋了35.42%的變化。通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，地下部干物質(zhì)、根表面積、根體積和CAT 對(duì)SA 緩解鹽脅迫響應(yīng)度較高，可作為棉花耐鹽性篩選指標(biāo)。因此，基于主成分分析的綜合評(píng)價(jià)篩選出外源SA 最佳施用為0.05mmol/L。

4 結(jié)論

鹽脅迫濃度上升會(huì)降低棉花幼苗根系生長(zhǎng)參數(shù)；施加SA 可促進(jìn)植株P(guān)ro 和SS 含量增加，提高POD、SOD 和CAT 等抗氧化酶活性，降低MDA含量，從而調(diào)節(jié)棉花植株滲透壓，緩解氧化損傷，促進(jìn)棉花幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，增強(qiáng)棉花幼苗對(duì)鹽脅迫的耐受性。通過綜合評(píng)價(jià)得出不同鹽脅迫下，SA 最佳施用濃度為0.05mmol/L。