馮棣 高倩 崔凱 亓娜 朱崴 唐景春 華澤田*

（1天津天隆科技股份有限公司，天津 300457；2南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；3濰坊科技學(xué)院，山東 壽光 262700；#共同第一作者：fengdi2008sunny@163.com，gao21318@163.com；*通訊作者：15904054936@139.com）

小站稻是津沽名特產(chǎn)品，名揚海內(nèi)外。天津市廣泛分布著濱海鹽堿地，雖然大部分鹽堿地經(jīng)過改良和連年種植土壤鹽度已經(jīng)大幅降低，但水稻鹽害現(xiàn)象依然存在。以往研究表明，水稻在鹽堿脅迫環(huán)境下會產(chǎn)生抗逆機制，但當(dāng)鹽堿脅迫超過植株所能調(diào)節(jié)的范圍時，會抑制水稻種子的萌發(fā)進程以及水稻的芽長、根長和根數(shù)[1-2]；抑制葉片的伸長、新生葉的形成以及引起葉片卷縮和枯萎，葉尖變黃[3]；還會抑制分蘗數(shù)，推遲分蘗進程，減少總穎花數(shù)，減輕千粒重，增加水稻籽粒的堊白粒率，最終導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量和外觀品質(zhì)下降，同時還會降低稻米膠稠度；嚴(yán)重的直接致死[4-5]。在水稻生長過程中，一旦發(fā)生鹽害，那么很難采取及時有效的措施加以改善。為了緩解作物所受到的鹽害，探索外源物種類及應(yīng)用效果的研究成為一種潛在的解決途徑和研究熱點。高倩等[6]總結(jié)發(fā)現(xiàn)，目前已有50種外源物被報道在緩解作物鹽害方面可以發(fā)揮作用。γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）屬于非蛋白質(zhì)氨基酸，與植物體內(nèi)碳素和氮素兩大代謝途徑緊密聯(lián)系[7]，可以通過調(diào)節(jié)離子平衡、誘導(dǎo)合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、誘導(dǎo)抗氧化酶活性、改善光化學(xué)系統(tǒng)、誘導(dǎo)基因表達及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)共5條途徑提高植物耐鹽性[6]。王春燕等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在80和150 mmol/L NaCl脅迫下，添加5 mmol/L GABA水培可以促進黃瓜幼苗根系對K+、Ca2+和Mg2+的吸收，抑制對Cl-、Fe2+、Fe3+和Na+的吸收，從而提高黃瓜苗耐鹽性。王馨等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在不高于300 mmol/L NaCl脅迫下，葉面噴施5或10 mmol/L的GABA可以有效提高西伯利亞白刺葉片中Mg2+-ATPase活性、葉綠素含量（Chl）以及凈光合速率（Pn）。羅黃穎等[10]發(fā)現(xiàn)，在150 mmol/L NaCl脅迫下，添加5 mmol/L GABA水培明顯提高了番茄葉片生長速率、抗氧化酶活性、葉綠素含量和光合速率，減少了活性氧和膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的積累，從而改善了番茄幼苗耐鹽性。趙九洲等[11]研究發(fā)現(xiàn)，GABA噴施濃度在25～50 mmol/L時，對鹽堿脅迫下甜瓜幼苗生長有一定緩解作用，但75 mmol/L時緩解作用極小。趙宏偉等[12]在土壤NaCl含量約為0.15%的條件下在水稻分蘗期和孕穗期連續(xù)2 d向葉面噴施4 mmol/L GABA，發(fā)現(xiàn)葉片中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）等酶活性升高，MDA含量降低，水稻產(chǎn)量顯著增加，且分蘗期噴施對產(chǎn)量的提升效果優(yōu)于孕穗期。綜上可見，外源GABA的有效性與使用方式、濃度、植物種類、發(fā)育階段、脅迫強度和時間有關(guān)。

在生產(chǎn)上，水稻一般采取插秧的方法種植，水稻種子萌發(fā)階段通過設(shè)施育苗可以得到很好的環(huán)境調(diào)控，但在秧苗3葉1心期插到大田之后才真正開始面對各種逆境的脅迫。因此，開展外源物（如GABA）改善秧苗耐鹽性的研究具有重要的實用價值，然而這方面的研究鮮見報道。鑒于此，本文以天津主栽粳稻品種天隆優(yōu)619為研究對象，待秧苗培育到3葉1心時，開展外源噴施GABA對水稻地上部和根系生長，以及對抗氧化酶活性影響的研究，以期為改進鹽堿地水稻生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2021年7—9月在國家粳稻工程技術(shù)研究中心開展，供試材料為粳稻品種天隆優(yōu)619，由天津天隆科技股份有限公司提供。GABA由山東盛源生物科技有限公司提供。育苗基質(zhì)由草炭土、珍珠巖和蛭石按比例摻拌而成（金盛，山東壽光），養(yǎng)分量：有機質(zhì)35.3%，水解氮2 531 mg/kg，有效磷338.9 mg/kg，速效鉀2 334 mg/kg。水稻營養(yǎng)液配方參考張瑞坤等[13]研究配置。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 育苗

選取粒大飽滿、大小一致的水稻種子，用95%酒精消毒，蒸餾水沖洗干凈后浸種36 h（種子未露白），浸種結(jié)束后點播。借鑒蔬菜育苗方式，采用營養(yǎng)土穴盤（72穴）育苗，以保證每個植株根系獨立。育苗在室外進行，培育過程中及時補水，不施肥。

1.2.2 水培試驗

待秧苗培育至3葉1心無分蘗時開始室內(nèi)水培試驗。于水培杯（高10 cm、直徑8 cm）中進行，選用5個NaCl溶液濃度處理，分別為0、25、50、75、100 mmol/L。GABA試驗組的噴施濃度依據(jù)沙漢景等[14]研究結(jié)果選定為4 mmol/L，每天噴施1次外源物質(zhì)，葉片正反面均噴至完全濕潤，不噴GABA對照組噴施水以保持變量均衡。使用S1～S5代表葉面噴水5個處理，GS1～GS5代表葉面噴施GABA 5個處理。試驗共10個處理，每個處理4次重復(fù)，每次重復(fù)6株秧苗。以水稻營養(yǎng)液為基礎(chǔ)溶液，水培液用基礎(chǔ)溶液配制不同濃度NaCl溶液，平均2 d更換或添加水培液1次。室內(nèi)補光燈為全光譜每天固定開啟14 h。試驗于水培后8 d結(jié)束。

1.3 取樣與測定方法

1.3.1 幼苗形態(tài)指標(biāo)

開始水培前及水培后第8天使用直尺調(diào)查所有水稻苗株高。水培后第8天調(diào)查所有水稻苗黃葉發(fā)生情況，統(tǒng)計死葉率；并在每個處理選取長勢一致的5株秧苗使用直尺測定展開葉的長和寬，并使用鄧啟云和吳愈山[15]提出的公式計算葉面積，如式（1）和式（2）；再選取長勢一致的6株秧苗（含用于測量葉面積的5株），平分為3組，獲取根系（葉片用于測定抗氧化酶活性），使用精度為0.001 g的電子天平稱取鮮質(zhì)量，之后用烘箱在75℃下烘干至恒質(zhì)量，稱取干物質(zhì)量，由干質(zhì)量與鮮質(zhì)量之比獲得干鮮比；從其余植株獲取鮮活根系，并采用試劑盒（蘇州科銘生物科技有限公司）測定根系活力。

式中，S為總?cè)~面積；L為葉長；D為葉寬；K為水稻葉面積換算系數(shù)；x=L/D。

1.3.2 幼苗葉片抗氧化酶活性

取所有處理剩余植株的生長點下第3片展開的真葉剪碎混勻用于測定抗氧化酶活性。其中，SOD和POD酶活性采用試劑盒（蘇州科銘生物科技有限公司）測定，APX使用抗壞血酸法[16]測定，每個處理3次重復(fù)，各指標(biāo)計算方法如式（3）至式（6）。

式中，A1為對照管吸光值；A2為測定管吸光值；W為樣本質(zhì)量，g；B為抑制百分率，%。

式中，ΔA470為1 min內(nèi)470 nm處吸光值的變化；W為樣本質(zhì)量，g。

式中，△A290為1 min內(nèi)290 nm處吸光值的變化；VT為提取液總體積，mL；Vs為酶液的體積；t為反應(yīng)時間，s；W為葉片的鮮質(zhì)量，g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2019軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，用SPSS 17.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行差異顯著性分析和多因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 GABA對鹽脅迫下水稻苗生長的影響

試驗8 d后不同處理水稻秧苗的生長狀態(tài)如圖1所示。由圖1可以看出，S4、S5、GS4和GS5處理秧苗生長狀態(tài)明顯差于S1、S2、S3、GS1、GS2和GS3處理，水稻葉片干尖現(xiàn)象更為嚴(yán)重；同時可以看出，噴施GABA處理較噴水處理存在改善效果。由圖2可以看出，隨著鹽分脅迫程度的增加，水稻的株高增量、葉面積呈下降趨勢，尤以株高增量在處理間差異最為明顯；死葉率呈上升趨勢，所有處理與相應(yīng)0 mmol/L NaCl溶液水培處理相比均顯著（P＜0.05）增加；株高因受到初始值的影響較大，在處理間未表現(xiàn)出一致性差異。在相同鹽分脅迫下，與不噴施GABA對照相比，噴施GABA后在0、25、50、75、100 mmol/L NaCl溶液水培處理下，株高增量分別增加-12.9%、1.7%、2.3%、32.4%和18.8%，葉面積分別增加-6.2%、4.9%、4.3%、9.1%和18.1%，死葉率分別降低63.6%、23.3%、4.8%、1.6%和5.1%?？梢?，噴施GABA可以緩解水稻受鹽脅迫的不良影響，改善秧苗地上部生長狀況，其作用效果與鹽分脅迫強度和表征指標(biāo)等有關(guān)。

圖2 不同處理水稻幼苗生長情況調(diào)查

2.2 GABA對鹽脅迫下水稻苗根系的影響

由表1可以看出，隨著鹽分脅迫程度的增加，水稻根系干鮮比均呈上升趨勢，根系活力呈先升后降趨勢，根鮮質(zhì)量和根干質(zhì)量處理間存在小幅波動，但整體呈降低趨勢。在相同鹽分脅迫下，與不噴施GABA對照相比，噴施GABA后在0、25、50、75、100 mmol/L NaCl溶液水培處理下，根鮮質(zhì)量分別減少18.1%、0.2%、12.5%、14.2%和11.7%，根干質(zhì)量分別減少24.5%、9.3%、22.0%、19.6%和11.1%，根系活力分別增加76.1%、64.8%、48.6%、94.4%和1.2%?？梢?，噴施GABA降低了水稻根系干、鮮質(zhì)量，提高了根系活力。

表1 不同處理水稻根系生長情況調(diào)查

2.3 GABA對鹽脅迫下水稻苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖3可以看出，隨著鹽分脅迫程度的增加，水稻葉片的POD和SOD酶活性均呈上升趨勢（圖3a、圖3b），APX酶活性呈先升后降趨勢（圖3c）。在相同鹽分脅迫下，與不噴施GABA處理相比，噴施GABA除0 mmol/L NaCl溶液水培處理SOD酶活性降低外，其余處理的3種酶活性均增加；在0、25、50、75 mmol/L NaCl溶液水培處理下，葉片POD酶活性分別增加25.0%、20.8%、5.0%和7.1%，SOD酶活性分別增加-6.5%、17.3%、15.8%和9.8%，APX酶活性分別增加4.6%、7.2%、54.8%和64.4%?？梢姡邴}分脅迫下噴施GABA增加了水稻葉片的抗氧化酶活性。

圖3 不同處理水稻葉片抗氧化酶活性調(diào)查

2.4 影響水稻秧苗生長的因素效應(yīng)分析

由表2可以看出，是否噴施GABA對株高、株高增量和葉面積的影響不顯著，對死葉率、根鮮質(zhì)量/干質(zhì)量和根系活力的影響達到顯著水平（P＜0.05）；鹽分脅迫對除根鮮干質(zhì)量以外所有生長指標(biāo)的影響均達到顯著水平（P＜0.05）；二因素交互作用僅對根系活力產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05）。分析結(jié)果表明，鹽分脅迫對水稻苗生長指標(biāo)的影響作用最大，其次為是否噴GABA，再者是兩因素互作?？梢姡瑖娛〨ABA可以影響水稻苗生長，且不同生長指標(biāo)的響應(yīng)程度存在差異，其中對根系的影響達到顯著水平。

表2 水稻幼苗生長指標(biāo)的單因變量二因素方差分析P值

3 討論

3.1 鹽分脅迫對水稻苗生長的抑制作用

本文模擬水稻插秧后即遭受鹽分脅迫。與以往研究結(jié)果一致，隨著鹽分脅迫程度的增加，水稻株高增量、葉面積、根干/鮮質(zhì)量呈下降趨勢，這是因為鹽脅迫抑制了水稻光合作用[13]，進而減少同化物的積累；水稻死葉率呈上升趨勢，這是因為Na+和Cl-的過量累積會灼傷葉片，導(dǎo)致葉片黃化[17]；根系干鮮比呈上升趨勢，這是因為鹽分脅迫程度越高植株吸水越困難，植株體內(nèi)自由水含量減少，表現(xiàn)為干鮮比上升。

與以往報道鹽分脅迫會降低水稻苗根系活力的結(jié)果不同，本試驗中根系活力呈先升后降趨勢，這可能是因為徐晨等[18]的研究是在80 mmol/L NaCl溶液脅迫下開展的，而本文設(shè)置的鹽分梯度更多，較低鹽分脅迫未對根系活力產(chǎn)生抑制作用。此外，水稻在遭受鹽分脅迫時會通過提高抗氧化酶活性來進行自我調(diào)整與適應(yīng)，且抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）隨著鹽濃度增加先增后降[19]。在本試驗中，隨著鹽分脅迫程度的增加，水稻葉片POD和SOD酶活性呈上升趨勢，APX酶活性呈先升后降趨勢，與前人研究結(jié)果一致。通過分析影響水稻苗生長的因素效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鹽分脅迫程度對水稻苗生長指標(biāo)的影響作用最大，其次為是否噴施GABA，然后是兩者互作。

3.2 噴施GABA在提高水稻耐鹽性中起到的作用

3.2.1 噴施GABA對鹽脅迫下水稻秧苗抗氧化酶活性的影響

鹽脅迫下水稻內(nèi)部細(xì)胞的離子平衡會遭到破壞，細(xì)胞膜遭受滲透脅迫，活性氧（ROS）累積過量，作物體內(nèi)氧化還原平衡被打破，噴施GABA有利于幫助作物維持體內(nèi)氧化還原平衡及細(xì)胞膜的完整性。因此也可以說抗氧化酶活性含量可以表征植物的耐鹽能力，且該能力的強弱受鹽分脅迫程度等因素的影響并呈單峰變化，即特定鹽分脅迫下抗氧化酶活性有且只有一個最優(yōu)值域，在此最優(yōu)值域內(nèi)作物的耐鹽能力最佳。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，水稻發(fā)生鹽害時，通過噴施外源物來緩解鹽害具有較強的可操作性。通過水稻苗生長的多因素效應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，噴施GABA影響水稻苗的生長且不同生長指標(biāo)的響應(yīng)程度存在差異。本試驗結(jié)果表明，在相同鹽分脅迫下，與不噴施GABA對照相比，噴施GABA后3個鹽分脅迫（25、50、75 mmol/L NaCl）處理的水稻抗氧化酶（POD、SOD和APX）活性呈不同程度增加的趨勢，而且增加量均在作物生長接受范圍內(nèi)并有促進作物正常生長的作用，這與前人關(guān)于玉米[20]、小麥[21]、水稻[12]、番茄[10]等作物的研究結(jié)果一致。

3.2.2 噴施GABA對鹽脅迫下水稻秧苗地上部分及地下部分的影響

在相同鹽分脅迫下，與不噴施GABA對照相比，噴施GABA后4個鹽分脅迫（25、50、75、100 mmol/L Na－Cl）處理的株高增量、葉面積不同程度增加，死葉率降低，根鮮干質(zhì)量減少，根系活力增加。說明在鹽分脅迫下噴施GABA促進水稻苗地上部生長的同時提升根系活力。以往關(guān)于外源GABA改善植物地上部生長的報道較多[8-10,22]，然而關(guān)于減少根系質(zhì)量的報道鮮見。王春燕等[8]取4葉1心黃瓜苗在80和150 mmo/L NaCl脅迫處理6 d后，發(fā)現(xiàn)添加GABA可顯著提高根系鮮干質(zhì)量。KAUR和ZHAWAR[22]采用培養(yǎng)皿育苗，第5天開始，在100 mmol/L鹽堿脅迫72 h后，添加1.5 mmol/L GABA處理的水稻幼苗地上部和根系干質(zhì)量均有所增加。出現(xiàn)與以往研究不同的結(jié)果可能是因為：1）作為水田作物，水稻的耐淹水能力強，當(dāng)外源GABA起到緩解鹽分脅迫的作用后，不需要再分配更多的同化物用于生長根系以吸收水分、養(yǎng)分和加強呼吸；2）與本研究的秧苗生長階段不同，KAUR和ZHAWAR研究的是芽苗階段，該階段胚根、胚軸迅速伸長，芽苗生長所需營養(yǎng)物質(zhì)主要由種子提供，不涉及同化物的分配問題，外源GABA作為一種氨基酸態(tài)氮肥，促進了芽苗地上部和根的生長；3）由于本試驗采用的水稻營養(yǎng)液微量元素與大量元素并存，根據(jù)張宿[23]的報道可以推測，本試驗中根系質(zhì)量的減少是由于水培液中NO3->40 mmol/L，這時GABA會抑制水稻苗根系伸長。

3.2.3 噴施GABA對鹽脅迫下水稻秧苗內(nèi)同化物的影響

減少同化物向根系的分配也是本次試驗的發(fā)現(xiàn)之一。有研究表明，水稻劍葉維管束特征、穗頸和莖葉非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（non-structural carbohydrates，NSC）的轉(zhuǎn)運受氮含量影響，而外源物質(zhì)GABA有調(diào)控作物體內(nèi)碳氮流走向的作用，即GABA可以增強葉部氮同化能力[24]。因此，同化物向根系分配減少的原因可能是噴施GABA促使了莖葉同化物的轉(zhuǎn)運。

4 結(jié)論

外源物質(zhì)GABA通過對水稻秧苗的生長調(diào)控，提高了鹽分脅迫下秧苗的抗氧化酶活性和根系活力，維持逆境中秧苗光合作用正常進行的同時促進了同化物優(yōu)先向地上部分配轉(zhuǎn)運，進而提高作物水稻的耐鹽能力，為鹽分脅迫下水稻的穩(wěn)產(chǎn)提供條件。