王永娟 ，周 妍，金勇男，金曉飛 ，石連旋 *

(1.東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，長春 130024；2.吉林省臨江市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，吉林 臨江 134600；3.吉林省農(nóng)作物新品種引育中心，長春 130062)

土壤鹽堿化是限制植物生長的主要環(huán)境因素之一，它不僅可以限制植物的生長，甚至?xí)斐芍仓晁劳?，以及農(nóng)作物減產(chǎn)[1]。鹽堿環(huán)境主要通過降低種子周圍的水勢而引起種子的滲透吸水困難，從而抑制了種子的萌發(fā)，而且高pH脅迫以及鈉離子積累產(chǎn)生的毒害作用可以使水解酶的活性降低、破壞細(xì)胞質(zhì)膜的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及影響細(xì)胞的完整鈣信號系統(tǒng)的發(fā)生和傳遞等，進(jìn)而對植物體造成更大的傷害[2-3]。Ca2+不僅僅是一種大量營養(yǎng)元素，更是一種信號物質(zhì)，對植物的新陳代謝和生長發(fā)育進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)可作為一種信使物質(zhì)參與到植物對鹽脅迫的感受、適應(yīng)和抵抗中去[4-5]。外源施加鈣離子可以提高硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶和異檸檬酸脫氫酶的活性，增加小麥幼苗中的氮素積累，從而明顯緩解低鹽條件下對小麥幼苗的生長抑制[6]。更多的研究證明鈣離子處理可以改善植物在逆境脅迫條件下的生長狀況，從而提高植物的抗逆性[7]。

本文選取大豆和玉米為試驗(yàn)材料，測定了不同類型鹽脅迫及外源施加鈣離子條件下種子萌發(fā)率、根長、芽長、生物量、可溶性糖含量、α-淀粉酶活性、蛋白酶活性等參數(shù)。試圖從有機(jī)物質(zhì)分解過程探討不同類型鹽的脅迫作用機(jī)制，進(jìn)一步分析解釋外源施加鈣離子緩解作用機(jī)理。旨在為大豆和玉米品種的選育、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐及鹽堿地的改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究選用的試驗(yàn)材料分別為：大豆品種吉農(nóng)24和玉米品種大龍160。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料培養(yǎng)與處理

分別挑選籽粒飽滿的玉米、大豆種子20粒，置于放有雙層濾紙的培養(yǎng)盒中，每個(gè)培養(yǎng)盒中分別注入相應(yīng)濃度的處理溶液。試驗(yàn)分別設(shè)定了鈉離子濃度為 0、60、120 mmol/L 3個(gè)濃度梯度，每個(gè)脅迫濃度下再設(shè)置外源施加鈣離子試驗(yàn)組和單純脅迫組。處理液分別是以NaCl、Na2SO4的摩爾濃度比為1:1配制中性鹽脅迫液，以Na2CO3、NaHCO3的摩爾濃度比為1:1配制堿性鹽脅迫液，以2 mmol/L的Ca(NO3)2作為鈣離子緩解液。將處理的試驗(yàn)材料置于培養(yǎng)箱內(nèi)20℃進(jìn)行培養(yǎng)。每一處理6個(gè)培養(yǎng)盒，其中3盒用于酶活性測定，3盒用于生長及發(fā)芽率測定。每天更換新鮮濾紙和處理溶液，并記錄發(fā)芽數(shù)。

1.2.2 參數(shù)測定

試驗(yàn)材料培養(yǎng)3 d后，采用3，5-二硝基水楊酸法測定a-淀粉酶活性[8]；采用BAPNA(N-苯甲酰-DL-精氨酸對硝基苯酰胺鹽酸鹽)法測定蛋白酶活性[9]。在材料培養(yǎng)的第7 d測量其試驗(yàn)材料根長、芽長、下胚軸長、鮮重及干重等參數(shù)，樣品烘干后采用蒽酮試劑法測定可溶性糖的含量[10]。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析，采用單向方差分析法(ANOVA)進(jìn)行多重比較(P≤0.05)。圖表繪制采用Sigma Plot 10.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果分析

2.1 大豆和玉米種子萌發(fā)特性及生物量的變化

2.1.1 萌發(fā)率的變化

不同類型鹽脅迫下，大豆和玉米種子的萌發(fā)率及萌發(fā)時(shí)間受到顯著影響，尤其是堿性鹽脅迫下抑制效果更加顯著。大豆種子萌發(fā)率在不同濃度堿性鹽脅迫下分別比中性鹽減少了31.04%和24.14%；玉米種子萌發(fā)率在不同濃度堿性鹽脅迫下分別比中性鹽減少了6.78%和5.46%。不同類型鹽脅迫處理對大豆和玉米種子萌發(fā)率影響差異顯著，在中性鹽和堿性鹽脅迫下大豆種子的萌發(fā)率明顯低于玉米種子。高濃度中性鹽和堿性鹽脅迫下施加鈣離子，大豆種子的萌發(fā)率分別提高了20%和 6.06%(圖 1，A、B)，玉米種子的萌發(fā)率分別提高了 1.81%和 1.92%(圖 1，C、D)。

圖1 不同類型鹽脅迫下大豆(A、B)和玉米(C、D)種子萌發(fā)率的變化

2.1.2 根長、芽長的變化

不同類型鹽脅迫對玉米和大豆根和芽的生長均有抑制作用，并且濃度越高，脅迫作用越大。玉米根長在高濃度中性鹽與堿性鹽脅迫下比對照分別降低了81.27%和76.36%，芽長降低了63.95%和63.19%；大豆下胚軸長在高濃度中性鹽與堿性鹽脅迫下分別比對照降低了46.24%和85.66%(圖2)。外源施加鈣離子，大豆下胚軸長度在高濃度中性鹽和堿性鹽脅迫下分別提高了12.78%和59.13%(圖 2，A、B)；玉米根長分別提高了 10.41%、5.28%，芽長提高了 62.72%、62.37%。(圖 2，C、D)。

圖2 不同類型鹽脅迫下大豆(A、B)和玉米(C、D)種子根長和芽長的變化

2.1.3 生物量的變化

圖3 不同類型鹽脅迫下大豆(A、B)和玉米(C、D)種子萌發(fā)鮮重的變化

不同類型鹽脅迫下，種子萌發(fā)鮮重隨著鹽脅迫濃度的增大而減少。大豆種子萌發(fā)過程中下胚軸鮮重受到抑制，尤其在堿性鹽脅迫下影響顯著，不同濃度堿性鹽脅迫分別使下胚軸鮮重減少了42.92%和85.79%。玉米根和芽鮮重在高濃度中性鹽脅迫下分別降低78.87%和70.70%；在高濃度堿性鹽脅迫下降低了42.60%和63.93%(圖3)。外加鈣離子，高濃度中性鹽和堿性鹽脅迫下，大豆下胚軸鮮重分別提高了 16.62%和 36.68%(圖 3，A、B)；玉米根鮮重分別提高了14.33%和15.21%(圖3，C、D)。

不同類型鹽脅迫下，脅迫濃度越高，根和芽的干重越低。大豆在不同濃度堿性鹽脅迫下，下胚軸干重分別比對照減少了46.52%和91.41%。玉米根和芽干重在高濃度中性鹽下分別降低了87.12%，61.48%；在高濃度堿性鹽脅迫下降低了51.96%，56.99%。外源施加鈣離子，大豆下胚軸干重在高濃度中性鹽和堿性鹽脅迫下分別增加了10.21%和 71.52%(圖 4，A、B)；玉米根和芽干重在高濃度的堿性鹽脅迫下分別增加了41.18%和15.16%(圖 4，C、D)。

圖4 不同類型鹽脅迫下大豆(A、B)和玉米(C、D)種子萌發(fā)干重的變化

2.1.4 相對含水量的變化

不同類型鹽脅迫下大豆種子下胚軸和子葉含水量均呈現(xiàn)降低趨勢，但差異不顯著。外源施加鈣離子下高于同濃度鹽脅迫試驗(yàn)組，高濃度中性鹽脅迫下，下胚軸增加了0.55%；高濃度堿性鹽脅迫下，子葉增加了1.39%，下胚軸增加了0.51%。玉米胚乳和芽的含水量隨不同鹽脅迫濃度的增加均呈現(xiàn)減少的趨勢，而根的含水量卻隨著鹽脅迫濃度的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢。外源施加鈣離子，高濃度中性鹽脅迫下，玉米種子胚乳、芽和根的含水量均顯示升高的趨勢，分別提高了0.22%、0.41%和1.16%；低濃度堿性鹽脅迫下，玉米種子胚乳、芽和根的含水量分別提高了0.88%、0.21%和1.44%。

2.2 α-淀粉酶、蛋白酶活性的變化

大豆子葉和玉米胚乳中的α-淀粉酶和蛋白酶活性測定結(jié)果顯示，中性鹽脅迫下大豆子葉中，α-淀粉酶和蛋白酶活性均隨脅迫強(qiáng)度的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢，不同濃度下α-淀粉酶活力分別比對照降低了4.92%和13.18%，蛋白酶活力降低了18.20%和26.04%。外源施加鈣離子，大豆子葉α-淀粉酶和蛋白酶活力呈現(xiàn)顯著增加趨勢，尤其在高濃度鹽脅迫時(shí)，酶活性增強(qiáng)顯著，低濃度鹽脅迫增加鈣離子時(shí)α-淀粉酶活力增加了5.07%；高濃度鹽脅迫增加鈣離子時(shí)α-淀粉酶活力增加了21.52%，蛋白酶活力增加了29.00%。高濃度中性鹽脅迫下外源施加鈣離子，玉米胚乳的α-淀粉酶活力增加了26.28%(表1)。

2.3 可溶性糖含量的變化

不同類型鹽脅迫下大豆下胚軸和玉米根、芽中的可溶性糖含量均呈現(xiàn)下降的趨勢，高濃度中性鹽脅迫下，可溶性糖分別降低了84.97%、71、72%和0.86%，高濃度堿性鹽脅迫下，可溶性糖分別降低了83.24%、67.07%和40.29%；而堿性鹽脅迫下大豆子葉和玉米胚乳中可溶性糖含量呈現(xiàn)升高的趨勢，高濃度堿性鹽脅迫下分別升高了38.38%和6.42%(表2)。外源添加鈣離子，高濃度的中性鹽和堿性鹽脅迫下，大豆子葉中可溶性糖分別增加了60.2%和34.7%，玉米根中可溶性糖分別增加了9.4%和8.1%(表2)。

表1 不同類型鹽脅迫下大豆、玉米a-淀粉酶及蛋白酶活力變化

表2 不同類型鹽脅迫下大豆、玉米可溶性糖含量的變化

3 討論

大豆和玉米種子的萌發(fā)及生長參數(shù)，隨鹽堿脅迫液濃度的增加而降低。種子貯藏器官中α-淀粉酶和蛋白酶的活性以及大豆下胚軸、玉米芽和根中的可溶性糖含量也隨著鹽堿脅迫濃度的增大而減少。顯示出，鹽脅迫下植物種子萌發(fā)與種子中糖類的代謝過程有著密切的關(guān)系。不同類型鹽脅迫對大豆和玉米的萌發(fā)及生長影響不同。堿性鹽對種子萌發(fā)的抑制作用更加明顯，而且堿性鹽和中性鹽在對種子萌發(fā)過程中的可溶性糖分布部位的影響也不同，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，中性鹽對植株內(nèi)可溶性糖含量的影響只限于其總量，在胚乳、子葉和新生長器官中呈現(xiàn)一致的降低趨勢。顯示出可溶性糖從貯藏器官到新生長器官的運(yùn)輸沒有受到顯著的影響。而堿性鹽不僅降低了植物中可溶性糖的總量，而且在新器官中的含量降低趨勢顯著高于貯藏器官。

鈣離子作為植物必須礦質(zhì)元素，具有維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，調(diào)控物質(zhì)運(yùn)輸，調(diào)控酶活性的作用。同時(shí)作為信號轉(zhuǎn)導(dǎo)物質(zhì)，在植物細(xì)胞內(nèi)信號傳遞過程中具有重要作用[11-12]。本研究進(jìn)一步證實(shí)，施加鈣離子的試驗(yàn)組與單純的鹽離子脅迫組相比，種子萌發(fā)率升高、根長和芽長增加、種子各部位的鮮重和干重以及含水量均有升高、a-淀粉酶、蛋白酶活性亦有所增強(qiáng)、可溶性糖含量也較高。α-淀粉酶活性的改變，可能與α-淀粉酶是含Ca2+的金屬蛋白，脅迫條件下會造成植物體內(nèi)的Ca2+不足，使α-淀粉酶活性降低有關(guān)[13]。而蛋白酶活性增加機(jī)理還有待于進(jìn)一步研究。α-淀粉酶、蛋白酶活性的增加有利于種子萌發(fā)過程中糖類和氮的代謝，進(jìn)而改善營養(yǎng)狀況。因此，外源施加鈣離子可以有效緩解鹽堿脅迫對種子萌發(fā)造成的傷害。

外源施加鈣離子對不同類型鹽脅迫的緩解效果不同。鈣離子對堿性鹽脅迫下的大豆和玉米種子萌發(fā)特性及生長狀況的緩解效果比對中性鹽脅迫下的緩解效果更加顯著，這可能是外源Ca2+可以中和堿性鹽脅迫液中的堿含量,使pH下降,所以外源施加鈣離子緩解堿性鹽脅迫的作用明顯于緩解中性鹽脅迫的作用。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也顯示，外源施加鈣離子對大豆萌發(fā)及生長的緩解效果顯著優(yōu)于玉米，這可能與大豆是鹽敏感性植物，在遭遇鹽脅迫時(shí)，萌發(fā)及生長受到的抑制更加顯著，因此其緩解作用也敏感有關(guān)。本試驗(yàn)研究證實(shí)鈣離子能有效緩解鹽脅迫對植物的傷害，提高種子萌發(fā)率及促進(jìn)幼苗生長，因此合理施用鈣肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐及鹽堿土壤改良中具有重要的意義。

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