熊 韜，胡國智，吳海波，馮炯鑫

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜瓜研究中心，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】近年來耕地土壤鹽堿化問題伴隨氣候環(huán)境變化，不合理的生產(chǎn)耕作方式等現(xiàn)象不斷加重，全球近20%農(nóng)業(yè)用地受到不同程度的影響[1]。中國鹽土分布于東北、華北、西北內(nèi)陸地區(qū)以及長江以北沿海地區(qū)[2]，并且每年鹽堿化和次生鹽漬化的面積都在進一步擴大，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)均產(chǎn)生不利影響。研究鹽堿脅迫下植物的生理變化規(guī)律，篩選培育耐鹽型作物，對合理利用鹽堿土資源，改善生態(tài)環(huán)境有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】哈密瓜又稱為厚皮甜瓜，是葫蘆科植物甜瓜屬的一個轉(zhuǎn)變，作為一種重要的園藝栽培作物，在世界范圍內(nèi)都有廣泛種植。有關(guān)研究表明，甜瓜對低濃度的鹽脅迫具有一定的耐受性，在所有的葫蘆科作物中耐鹽能力僅次于南瓜[3]，并且不同甜瓜品種對鹽脅迫的反應(yīng)均存在一定的差異性[4]。陳映彤等[5]研究了4種鹽堿水平對甜瓜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過一定濃度的鹽堿處理，甜瓜果實中可溶性物質(zhì)和VC含量有所提高，增加了糖類物質(zhì)的比例，從而使甜瓜的風(fēng)味得到了改善。夏世龍等[6]研究認為，低鹽堿濃度處理促進了地上部和根系干物質(zhì)積累，而高濃度處理對甜瓜幼苗地上部和根系干鮮重的增長產(chǎn)生了抑制，這與吳旭紅[7]和張永平[8]的研究報道一致。【本研究切入點】甜瓜在耐鹽性方面的研究已經(jīng)比較深入，但有關(guān)鹽堿脅迫對苗期甜瓜離子吸收與分配影響的研究鮮見報道。研究鹽堿脅迫對甜瓜幼苗離子吸收和分配的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究以對鹽分耐受性不同的2個甜瓜品種為材料，根據(jù)研究得出植物幼苗期對鹽分較為敏感這一結(jié)果[9-11]。通過對甜瓜幼苗采取鹽堿脅迫處理，研究分析在不同脅迫水平下甜瓜對Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cu2+、Zn2+吸收的差異以及這些離子在不同器官中分配規(guī)律的差異，分析其與耐鹽堿性的關(guān)系，為甜瓜耐鹽品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為耐鹽品種風(fēng)味5號和鹽敏感品種西州密17號，其中風(fēng)味5號由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心提供，西州密17號由新疆葡萄瓜果開發(fā)研究中心提供。兩者都屬于中熟品種。

1.2 方 法

試驗于2017年7月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈密瓜研究中心位于吐魯番市亞爾鎮(zhèn)鐵日克其村的試驗基地進行。先將經(jīng)過精選的顆粒飽滿的甜瓜種子進行溫湯浸種和催芽處理，播種于裝有混合基質(zhì)(蛭石∶珍珠巖=1∶1)的40穴塑料育苗盤中，用Hogland營養(yǎng)液進行澆灌，當(dāng)幼苗長至三片真葉時進行脅迫處理。

參照徐志然等[12]的方法，將四種鹽(NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3)按照物質(zhì)的量比(9∶1∶1∶9)進行混合，配制成2種脅迫濃度(50和100 mmol/L)的鹽堿溶液，母液均為Hogland營養(yǎng)液。

為防止藥品相互反應(yīng)產(chǎn)生沉淀，配置營養(yǎng)液時先將CaCO3單獨進行溶解，再將剩余組分一起溶解。四種鹽分分別溶解后與Hogland營養(yǎng)液進行混合即為鹽堿脅迫處理液。以不加四種鹽分的Hogland營養(yǎng)液為對照，為了避免產(chǎn)生鹽激效應(yīng)，將鹽溶液分4次加入，每隔2 d添加1次，直至達到最高處理濃度。每個脅迫處理3次重復(fù)。在脅迫第10 d進行取樣，每個處理隨機取樣20株。

用水將植株樣表面的殘渣等雜質(zhì)沖洗干凈，再用純水反復(fù)沖洗2次，表面殘余水分用吸水紙吸除。將根、莖、葉進行分離，分別置于105℃烘箱中殺青15 min，然后放置在80℃條件下烘干至恒重。干樣經(jīng)過粉碎后混勻，過40目篩，以萬分之一天平稱取適量樣品(0.1～0.2 g)放于高壓消解罐中，加入硝酸(優(yōu)級純)5 mL和雙氧水3 mL(優(yōu)級純)進行預(yù)消解12 h，將消解罐內(nèi)外罐密閉擰緊置于烘箱中消解12 h，然后放冷打開消解罐以超純水定容至50 mL，過0.45 um膜后以ICP-AES法(電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法)測定各元素含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS(Version 22.0)進行數(shù)據(jù)方差分析(One-way ANOVA)并檢驗處理間差異顯著性(P=0.05)。用Excel 2007作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對Na+、K+離子在甜瓜根莖葉中吸收及分配的影響

研究表明，風(fēng)味5號和西州密17號中Na+含量均隨脅迫濃度的增加呈上升趨勢，同時，K+含量表現(xiàn)出逐漸遞減，鹽堿脅迫下各濃度處理莖、葉中的Na+和K+含量均高于根中的含量，并且風(fēng)味5號吸收的Na+總量低于西州密17號，而K+吸收總量高于西州密17號。在50 mmol/L濃度下，風(fēng)味5號的莖、葉中Na+含量高于西州密17號。當(dāng)脅迫濃度為100 mmol/L時，風(fēng)味5號莖、葉中Na+含量增幅小于西州密17號，且Na+分配比例分別為38.65%和30.21%，西州密17號分別為34.31%和35.29%。風(fēng)味5號在高濃度鹽堿脅迫下通過將莖中Na+進行區(qū)域化分配，減少向葉片中輸送Na+，達到減輕或降低高濃度鹽堿脅迫產(chǎn)生傷害的目的。

在50 mmol/L濃度下2個甜瓜品種根、莖、葉中K+分配比例表現(xiàn)為：葉>莖>根。風(fēng)味5號莖中K+含量在脅迫濃度達到100 mmol/L出現(xiàn)顯著下降，但根部和葉片中K+含量較穩(wěn)定，風(fēng)味5號具有一定維持能力；西州密17號莖中K+含量緩慢下降，但葉片中K+含量表現(xiàn)出明顯的下降趨勢；風(fēng)味5號在莖、葉片中K+分配比例分別為21.35%和54.36%，西州密17號分別為27.55%和39.98%。鹽堿脅迫對植株各器官K+的吸收產(chǎn)生了明顯的抑制作用，但風(fēng)味5號葉片吸收K+所受到的抑制作用小于根和莖，西州密17號在高濃度鹽堿脅迫水平下把吸收的K+主要儲存在莖部，而風(fēng)味5號通過將K+轉(zhuǎn)運至葉片，保證其光合作用順利進行，維持植株正常生長。圖1

圖1 鹽堿脅迫下甜瓜根、 莖、 葉中Na+、K+含量變化
Fig.1 Effects of saline-alkali stress on the contents of Na+and K+in root, stem and leaf of melon

2.2 鹽堿脅迫下Ca2+、Mg2+離子在甜瓜根莖葉中吸收及分配變化

研究表明，風(fēng)味5號和西州密17號根中Ca2+含量均隨著脅迫濃度的提升在逐漸增加，但莖、葉中Ca2+含量均呈現(xiàn)下降趨勢。西州密17號根、莖、葉的Ca2+含量在各濃度間均差異顯著。鹽堿脅迫下，風(fēng)味5號各器官吸收Ca2+的總量高于西州密17號達25.81%；在100 mmol/L風(fēng)味5號濃度下，風(fēng)味5號莖、葉中Ca2+分配比例分別為8.70%和41.56%，西州密17號分別為8.55%和17.28%。

鹽堿脅迫下風(fēng)味5號和西州密17號Mg2+含量的變化趨勢與Ca2+的變化趨勢類似，并且兩個品種根部和葉部的Mg2+總量均高于莖部，風(fēng)味5號莖部Mg2+含量較為穩(wěn)定，無顯著差異。當(dāng)脅迫濃度為100 mmol/L風(fēng)味5號時，風(fēng)味5號莖、葉中Mg2+分配比例分別為16.31%和35.75%，西州密17號分別為11.78%和22.73%。由于鹽堿脅迫增加了Na+的含量，使根系對Ca2+和Mg2+的吸收及轉(zhuǎn)運受到不利影響，進一步降低了植物體內(nèi)Ca2+和Mg2+的含量，導(dǎo)致植株體內(nèi)原有離子平衡遭到破壞，風(fēng)味5號通過自身調(diào)控，向葉片中轉(zhuǎn)運Ca2+、Mg2+的能力要強于西州密17號。圖2

圖2 鹽堿脅迫下甜瓜根、莖、葉中Ca2+、Mg2+含量變化
Fig.2 Effects of saline-alkali stress on the absorption and distribution of Ca2+and Mg2+ions in melon rhizome and leaves

2.3 鹽堿脅迫對Fe2+、Cu2+、Zn2+離子在甜瓜根莖葉中吸收及分配的影響

Fe2+、Cu2+、Zn2+三種離子在2個品種的含量在不同脅迫濃度處理間、不同器官中均存在差異。Fe2+、Cu2+、Zn2+在各處理根中的含量均大于莖、葉中的含量。鹽堿脅迫下，風(fēng)味5號吸收的Fe2+、Cu2+總量均低于西州密17號，但吸收的Zn2+總量高于西州密17號；鹽堿脅迫使風(fēng)味5號葉片及西州密17號根中Fe2+含量均顯著高于對照處理，但降低了風(fēng)味5號的根及西州密17號葉片中Fe2+的含量。在100 mmol/L風(fēng)味5號濃度處理下，F(xiàn)e2+在風(fēng)味5號根、莖、葉中的分配比例分別為57.11%、11%和31.89%，西州密17號分別為76.68%、13.81%和 9.52%。受鹽堿脅迫的影響，2個品種各器官中Cu2+含量均出現(xiàn)下降。在50 mmol/L風(fēng)味5號濃度時，西州密17號莖中Cu2+水平高于風(fēng)味5號，但葉中Cu2+量低于風(fēng)味5號；當(dāng)脅迫濃度為100 mmol/L風(fēng)味5號時，風(fēng)味5號在根、莖、葉中Cu2+分配比例分別為44.21%、27.42%和28.37%，西州密17號分別為38.41%、38.10%和23.49%。

當(dāng)脅迫濃度為100 mmol/L風(fēng)味5號時，Zn2+在風(fēng)味5號葉片及西州密17號根中含量升高，其余各處理的離子含量均表現(xiàn)為下降。此時Zn2+在風(fēng)味5號根、莖、葉中的分配比例分別為36.77%、33.54%%和29.68%，在西州密17號中的比例分別為41.75%、27.48%和30.77%。在鹽堿脅迫下，風(fēng)味5號在不同器官中調(diào)節(jié)運輸Fe2+、Cu2+、Zn2+能力較強，更有利于礦質(zhì)離子的調(diào)控分配，保持自身體內(nèi)離子平衡。表1

表1 鹽堿脅迫下甜瓜根、 莖、 葉中Fe2+、Cu2+、Zn2含量變化
Table 1 Effects of saline-alkali stress on Fe2+, Cu2+and Zn2+contents in roots, stems and leaves of melon

礦質(zhì)離子Mineralion脅迫濃度Saltlevel(mmol/L)根Root莖Stem葉Leaf風(fēng)味5號Fengwei5西州密17號Xizhoumi17風(fēng)味5號Fengwei5西州密17號Xizhoumi17風(fēng)味5號Fengwei5西州密17號Xizhoumi17Fe2+0279.95a206.94b46.03b69.95b95.24c80.74a50270.78b323.76a33.12c168.22a140.28b67.33b100282.52a338.55a54.44a60.96c157.77a42.02cCu2+036.79a26.39b13.79a27.66a18.43a41.27a5029.47b30.29a13.16b17.15c19.01a27.45b10021.04c21.85c13.05b21.67b13.50b13.36cZn2+056.14a28.59a22.09a28.14a28.91b23.73b5026.93b20.68b22.18a17.15b32.94a37.44a10024.59b25.34a22.43a16.68b19.85c18.68c

2.4 鹽堿脅迫對甜瓜各器官中K+/Na+ 、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+的影響

研究表明，風(fēng)味5號和西州密17號根、莖、葉中K+/Na+、Ca2+/Na+和 Mg2+/Na+比均隨著脅迫濃度的增加呈逐漸降低的趨勢，并且明顯低于對照處理。不同濃度處理之間差異達顯著水平，鹽堿脅迫干擾破壞了甜瓜各器官的離子平衡。在50 mmol/L風(fēng)味5號濃度水平下，風(fēng)味5號根、葉中K+/Na+均高于西州密17號，但莖中K+/Na+為西州密17號的84.62%；其根、莖、葉中Ca2+/Na+比均高于西州密17號，但根、莖中Mg2+/Na+為西州密17號的93.33%、60%。當(dāng)鹽濃度為100 mmol/L風(fēng)味5號時，風(fēng)味5號莖、葉中Ca2+/Na+、 Mg2+/Na+均高于西州密17號，但根中Ca2+/Na+、 Mg2+/Na+為西州密17號的86.36%、70%。風(fēng)味5號根、葉中K+/Na+均高于西州密17號，而莖中K+/Na+為西州密17號的87.5%。表2

表2 鹽堿脅迫下甜瓜根、莖、葉中K+/Na+、Ca2+/Na+和 Mg2+/Na+比變化
Table 2 Effects of saline-alkali stress on K+/Na+、Ca2+/Na+and Mg2+/Na+ratio in root, stem and leaf of melon

指標Index處理濃度Treatcontent(mmol/L風(fēng)味5號)根Root莖Stem葉Leaf風(fēng)味5號Fengwei5西州密17號Xizhoumi17風(fēng)味5號Fengwei5西州密17號Xizhoumi17風(fēng)味5號Fengwei5西州密17號Xizhoumi17K+/Na+01.420.960.540.571.310.83500.410.330.220.260.460.321000.180.150.140.160.390.19Ca2+/Na+01.190.780.470.411.160.71500.770.590.130.110.490.211000.380.440.060.050.330.09Mg2+/Na+00.390.220.120.120.280.25500.140.150.030.050.110.081000.070.100.030.020.060.03

3 討 論

植物對外界環(huán)境的變化非常敏感，特別是受到鹽脅迫時會出現(xiàn)明顯的反應(yīng)，這種反應(yīng)在不同的植物種類之間以及同一植物不同器官之間都存在很大差異。由于鹽堿土壤中高濃度的鹽分會導(dǎo)致植物被迫吸收積累大量的Na+，而Na+的升高會抑制根系對K+、Ca2+、Mg2+等離子的吸收或轉(zhuǎn)運[13]，使植物體內(nèi)原有的離子平衡遭到破壞，這是鹽脅迫導(dǎo)致植物中造成Ca2+、Mg2+等離子含量降低的主要原因[14]。夏陽等[15]通過研究得出離子只有處于相對平衡狀態(tài)下,才能在植物體內(nèi)發(fā)揮正常的生理作用的結(jié)論。

K+是高等植物體內(nèi)含量最多的陽離子，主要參與調(diào)控離子平衡、滲透調(diào)節(jié)、細胞膨壓、光合作用等生理過程[16]。由于Na+和K+具有相似的水合能和離子半徑，兩者容易產(chǎn)生明顯的拮抗效應(yīng)[17]，會降低鹽脅迫下植物吸收K+的能力。因此，限制Na+進入，選擇性吸收K+，保持高K+低Na+的狀態(tài)是一般作物耐鹽的標志[18]。

鈣既是植物生長所必需的重要的大量元素，也是細胞結(jié)構(gòu)的重要組成物質(zhì)，主要參與植物生理代謝和調(diào)控機體發(fā)育[19]。車永梅等[20]研究認為，適量的鈣離子可以降低質(zhì)膜透性，阻止胞內(nèi)鉀離子的外滲和鈉離子的進入，有利于提高植物的耐鹽能力。鎂作為植物體內(nèi)一種重要的大量元素，是形成葉綠素分子結(jié)構(gòu)的重要組成，除了能調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉，也是激活光合和呼吸作用中的部分酶類的催化劑[21]。試驗中風(fēng)味5號對Ca2+選擇吸收能力和向葉片中轉(zhuǎn)運Ca2+、Mg2+能力均強于西州密17號，說明在鹽堿脅迫下風(fēng)味5號通過提高Ca2+選擇吸收以及對Ca2+、Mg2+分配能力，降低葉片細胞膜透性，維持葉片中離子平衡，從而保證植株可以進行正常光合作用。

Fe2+、Cu2+、Zn2+是植物生長發(fā)育過程中不可或缺的微量元素[22]。由于這些元素在土壤中移動性差，當(dāng)土壤中鹽堿度較高會影響它們的溶解度，使植物根周圍形成離子耗盡區(qū)從而影響植物正常生理代謝[23]。馬翠蘭等[24]認為鹽脅迫主要影響柚和橘幼苗根對Zn2+的吸收并限制Fe2+向葉部運輸；朱慧森等[25]研究發(fā)現(xiàn)，披堿草地上部的Fe2+、Zn2+含量隨鹽堿脅迫濃度的增強表現(xiàn)為顯著下降趨勢。安樹青等[26]通過試驗得出，隨鹽脅迫強度的增加，小麥體內(nèi)Fe2+、Mn2+、Cu2+、Zn2+離子的吸收量動態(tài)趨勢表現(xiàn)為：降低→升高→降低，但這些微量元素下降或升高的臨界鹽濃度存在差異，這可能是由于鹽脅迫限制小麥對微量元素吸收以及阻礙其在不同器官中的分配，使作物體內(nèi)各離子含量與種類無法達到相對平衡的狀態(tài)。試驗中西州密17號根中Fe2+、Zn2+向地上部的轉(zhuǎn)運分配受到高濃度鹽堿脅迫抑制的影響，使地上部2種離子含量維持一個較低水平，并且由于西州密17號在莖中截留了較多的Cu2+，導(dǎo)致風(fēng)味5號葉中Cu2+高于其葉中含量；而風(fēng)味5號均表現(xiàn)出向地上部運輸Fe2+、Zn2+以及向葉片中分配Cu2+能力，鹽堿脅迫下風(fēng)味5號通過提高吸收及分配微量元素的能力來維持細胞內(nèi)各離子平衡，使植株保持較好的營養(yǎng)狀況。

K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+//Na+比作為衡量植物抗逆性的一個重要指標[27]，通常用來作為顯示Na+對其它營養(yǎng)元素吸收的影響程度，比值越低表明Na+對K+、Ca2+、Mg2+吸收的抑制作用越強，導(dǎo)致礦質(zhì)營養(yǎng)元素的代謝失衡越嚴重[28-29]。試驗結(jié)果顯示，風(fēng)味5號和西州密17號葉中K+/Na+比相對較高，而莖的K+/Na+比則相對較低，這表明風(fēng)味5號通過平衡離子分配，優(yōu)先保證光合器官和幼嫩組織維持較高的K+/Na+比，這樣可以保證氣孔的正常功能和光合作用等代謝活動能正常進行[30]，降低鹽害產(chǎn)生的影響。有研究認為鹽脅迫下，耐鹽品種吸收的Ca2+、Mg2+量高于鹽敏感品種[31]。試驗中，風(fēng)味5號對Ca2+選擇吸收能力好于西州密17號，尤其向葉片中分配Ca2+的能力明顯強于西州密17號，從而保證鹽堿脅迫下較西州密17號在葉片中保持較高Ca2+/Na+和Mg2+/Na+。在鹽堿脅迫促使風(fēng)味5號通過提高Ca2+選擇吸收及Ca2+、Mg2+分配能力降低葉片細胞膜透性，保持葉片中離子平衡和光合作用的正常進行。

4 結(jié) 論

4.1 隨著鹽分脅迫濃度增加，兩個品種中Na+含量均呈上升趨勢，K+含量表現(xiàn)出遞減，風(fēng)味5號各器官吸收Ca2+的總量高于西州密17號達25.81%，并且2種脅迫濃度下葉部Mg2+含量均高于西州密17號。風(fēng)味5號通過在莖中區(qū)域化Na+，向葉片分配K+保證其光合作用順利進行，維持植株正常生長。

4.2 風(fēng)味5號吸收的Fe2+、Cu2+總量均低于西州密17號，但吸收的Zn2+總量高于西州密17號。在鹽堿脅迫下，風(fēng)味5號在不同器官中調(diào)節(jié)運輸Fe2+、Cu2+、Zn2+能力較強，更有利于礦質(zhì)離子的調(diào)控分配，保持自身體內(nèi)離子平衡。

4.3 風(fēng)味5號和西州密17號根、莖、葉中K+/Na+、Ca2+/Na+和 Mg2+/Na+比均隨脅迫濃度增加呈逐漸降低的趨勢，并且顯著低于對照。不同濃度處理之間差異達顯著水平，鹽堿脅迫干擾破壞了離子平衡。但風(fēng)味5號表現(xiàn)出較強的重建離子平衡的能力來維持自身正常的生長，風(fēng)味5號耐鹽能力強于西州密17號。