范惠玲,刘 秦,白生文,罗 天,朱雪峰,缪纯庆
(1.河西学院 农业与生物技术学院,甘肃 张掖 734000;2.张掖市农业科学研究院,甘肃 张掖 734000)
盐碱是限制作物生长和生殖的逆境因素之一,盐碱胁迫下植物因遭受干旱、离子毒害、矿质元素缺乏等出现不同程度的盐害症状,如叶片黄化早衰[1]、植株生长速度减缓[2]、籽粒或果实的品质下降[3],产量大幅度降低[4],更甚者出现整株死亡现象,对农业生产造成极大危害。中国盐碱地总面积约0.99亿hm2,约占中国国土面积的33%,西北内陆地区是中国盐碱地主要分布地区之一[5],筛选、培育耐盐作物对改良、利用盐碱地具有经济和生态的双重效益。
芸芥(ErucasativaMill.)属十字花科芝麻菜属,是一种油、饲、药多用途作物,具有抗旱、抗病虫害、耐瘠薄和不易落粒等优点,在甘肃省中部干旱地区的陇西、渭源和陇东黄土高原的环县、华池、镇原等地,以及岷县、卓尼等降雨稀少、土壤贫瘠乏力且盐渍度较高地区有较大的种植面积。开展芸芥种质资源的耐盐性鉴定和耐盐种质的筛选,对芸芥及其近缘植物油菜品种改良、促进盐碱地芸芥栽培均具有重要的现实意义。近年来,围绕麦类作物[6]、豆类作物[7]、油料作物[8]、牧草类[9]、玉米[10]、黍稷[11]、高粱[12]等作物耐盐性的鉴定和耐盐品种的筛选等方面已开展了很多研究。Hilda等[13]报道指出,在盐渍土中芸芥是一种耐性作物。但是,目前针对芸芥不同品种对盐胁迫的形态-生理响应及耐盐性鉴定等方面的研究进展缓慢,对不同芸芥资源耐盐性的差别缺乏定量的综合评价。作物的耐盐性属于数量性状,不同作物(或植物)在盐胁迫下,其形态特征、生理生化或分子机制发生一定程度的变化,但不同植物种间和不同品种间,甚至同种不同种质材料间其耐盐性都存在明显的差异[9]。因此,从现有的种质中筛选出耐盐性强的种质材料是植物抗逆杂交育种及基因工程育种的主要手段之一。
在长期的栽培过程中,芸芥不仅积累了较多的优良抗逆基因资源[14],而且芸芥不同品种或种间具有较高的遗传多样性[15]。本研究以26份芸芥种质为材料,设置NaCl盐分梯度的盆栽试验,测定各种芸芥种质资源苗期的生理和形态生长指标,利用模糊数学隶属函数法和相关分析法对盐胁迫下芸芥苗期的形态及生理指标进行耐盐性综合评价,比较不同芸芥种质的耐盐性差异,探讨各指标与耐盐性之间的关系,以期为挖掘优良耐盐芸芥资源提供技术支持。
选用26份芸芥(ErucasativaMill.),均来自河西学院农业与生物技术学院农学教研室。材料名称和来源见表1,其中10份为当地材料,16份为育成种质资源材料。
为摸清芸芥芽期对不同NaCl溶液胁迫的耐受性差异,以26份芸芥为材料,参照王治江等[4]和刘自刚等[8]的方法并略加修改。取直径为9 cm的培养皿,洗净后于80℃烘箱内烘12 h,待其恢复室温后底部铺放两层灭菌滤纸备用。从充分混合的净种子中,随机取籽粒饱满、大小均一的种子,用75%酒精表面消毒,蒸馏水冲洗3~4次,晾干后置于铺双层滤纸的培养皿中,每皿50粒种子,均匀排列。分别配置0(CK)、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0% 共 6个浓度梯度的NaCl处理液,向培养皿中加入相应处理液8 mL至滤纸水分饱和,每处理设3个重复,称重并记录各培养皿和种子的总重量后,置于人工气候箱中发芽,昼/夜温度为25℃/20℃,时间为14 h/10 h,光照强度为108 μmol·m-2·s-1,湿度75%。试验过程中每天采用称重补水法按时补充水分,以保持培养皿内盐浓度不变,并统计发芽种子数(发芽标准以胚根突破种皮达到种子长为发芽)。3 d统计发芽势,7 d统计发芽率,并取10株测定胚根长、胚芽长、胚根鲜重、胚芽鲜重。
表1供试材料名称及来源
Table1Thenameandoriginofmaterialsstudied
编号 No.材料名称 Name来源 Origin编号 No.材料名称 Name来源 Origin106芸87-82 06 yun 87-82育成材料 Breeding material14临洮芸芥 Lintao yunjie当地材料 Local material2张芸216-1 Zhangyun 216-1育成材料 Breeding material1513芸芥68-3 13 yunjie 68-3育成材料 Breeding material3渭源芸芥 Weiyuan yunjie当地材料 Local material16民乐芸芥 Minle yunjie育成材料 Breeding material4静宁芸芥 Jingning yunjie当地材料 Local material1713芸芥76-4 13 yunjie 76-4育成材料 Breeding material513芸芥75-3 13 yunjie 75-3育成材料 Breeding material18庆阳芸芥 Qingyang yunjie当地材料 Local material6天水芸芥 Tianshui yunjie当地材料 Local material19卓妮芸芥 Zhuoni yunjie当地材料 Local material712芸芥83-1 12 yunjie 83-1育成材料 Breeding material20陇西芸芥 Longxi yunjie当地材料 Local material8岷县芸芥 Minxian yunjie当地材料 Local material2113芸芥29-5 13 yunjie 29-5育成材料 Breeding material9会宁芸芥 Huining yunjie当地材料 Local material2213芸芥79-2 13 yunjie 79-2育成材料 Breeding material1006芸 86-y 06 yun 86-y育成材料 Breeding material2313芸芥8-13 13 yunjie 8-13育成材料 Breeding material1113芸芥12-6 13 yunjie 12-6育成材料 Breeding material2408张芸77-2 08 zhangyun 77-2育成材料 Breeding material12永登芸芥 Yongdeng yunjie当地材料 Local material2508张芸6-3 08 zhangyun 6-3育成材料 Breeding material1304靖芸100-2 04 Jingyun 100-2育成材料 Breeding material2608武芸3-1 08 wuyun 3-1育成材料 Breeding material
发芽势=(3 d内发芽种子数/总种子数)×100%;
发芽率=(7 d内发芽种子数/总种子数)×100%;
发芽指数=∑(Gt/Dt)(Gt为第t天的发芽种子数,Dt为发芽天数)。
胚芽、胚根长度和鲜重的测定:发芽试验结束后每个处理分别取10株长势基本一致且子叶完全展开的胚苗,用蒸馏水洗净,滤纸吸干水分,用分析天平称其鲜重。同时,每培养皿随机取10株胚苗测其芽长、根长。
苗期盐胁迫设置0.6%和0.8% NaCl的50% Hoagland营养液处理溶液,参照闫旭东[16]的方法并略加修改。培养盒口径13 cm、高11 cm,同时选择粒径为1 mm的蛭石作为培养基质。培养盒洗净晾干,将150 g灭菌的蛭石装入培养盒中,压实压平备用。在盛有蛭石的培养盒中,沿盒壁注入150 mL盐处理液,对照注入150 mL营养液,将10粒经过表面消毒灭菌的芸芥种子均匀摆放在培养盒中,上覆0.5 cm厚蛭石,压实压平。每处理重复3次(盒)。在温室大棚中培养。每隔48 h加150 mL营养液。定期观察出苗及生长情况,于培养第10 d,调查出苗数,计算正常种苗率;培养第15 d,从基质中小心完整地取出10株幼苗,用清水将根部基质洗去,吸水纸轻轻拭干幼苗表面水分。用游标卡尺测量苗高(从分根点到幼苗最高点的距离)和根长(从分根点到最长根部的距离),并分别称量地上鲜重(简称苗鲜重)和地下鲜重(简称根鲜重)。
参照刘敏轩等[11]的方法,采用模糊数学隶属函数法进行参试芸芥耐盐性评价。利用公式X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)来计算各测定指标的抗盐性隶属函数值,其中X为某一抗盐性指标的测定值,Xmax为该指标的最大值,Xmin为最小值。先求出各指标在不同盐浓度下的隶属值,再把每一指标在不同盐浓度下的隶属值累加求平均值,最后再将各个抗盐指标的隶属值累加求总平均值,通过比较26份芸芥材料抗盐隶属值总平均值大小,初步确定其耐盐性强弱。
通过比较隶属总平均值大小,筛选耐盐性排在前、中、后的6份材料,按照1.3中所述的方法对其进行盐胁迫培养。培养第28 d,从基质中取出幼苗,洗净根部基质,自然晾干,观察各不同材料的生长形态和盐害状况,确认6份芸芥资源的耐盐性。
按1.3中所述的苗期胁迫生长试验条件处理,盐胁迫浓度分别为0.6%和0.8%。在盐胁迫处理28 d后剪取同一部位叶片,参照高俊凤[17]的方法测定可溶性糖、脯氨酸含量和细胞膜相对透性。
采用Microsoft Office Excel 2003软件整理试验数据,采用DPS 7.05统计软件进行方差显著性分析与LSD (P<0.01)多重比较。
从表2中可以看出,随着盐浓度的增加,发芽势、发芽率、发芽指数、胚根长与胚芽长均呈下降趋势;在0.2%和0.4%低浓度盐溶液胁迫下,发芽率分别为97.33%和82.00%,发芽指数分别为99.05和73.31,胚根长分别为为2.72 cm和1.48 cm,胚芽长分别为2.20 cm和1.32 cm。当盐溶液浓度为0.6%时,发芽率和发芽指数分别为51.33%和42.41,胚根长和胚芽长分别为1.01 cm和0.96 cm,当胁迫浓度升至0.8%~1.0%时,仅有2%~8%种子能够萌发,发芽指数为1.09~6.37,因种子幼根或幼芽残缺、畸形甚至腐烂,属于不正常发芽,无法测量胚根和胚芽长度。这些结果表明≥0.6%的盐胁迫对芸芥种子的萌发、胚根长和胚芽长产生明显的抑制作用。从表1还发现,发芽势与发芽率一直保持相等,表明0.2%~1.0%不同浓度盐胁迫仅仅对供试芸芥种子发芽产生抑制作用,并没有影响种子的发芽速度或发芽整齐度。
对不同浓度盐胁迫下芸芥发芽势、发芽率、发芽指数、胚根长和胚芽长进行方差分析,结果显示在同一处理浓度下,发芽指数、胚根长和胚芽长与对照间的差异均达显著水平(P<0.05);除0.2%之外,在其它浓度处理下,发芽势和发芽率与对照间的差异达极显著水平(P<0.01)。在本试验所选择的胁迫梯度下,0.6%盐胁迫所造成的芸苔萌发抑制率接近50%,0.8%盐胁迫基本造成了生长的停滞,因此认为这两个浓度为本试验条件下盐胁迫抑制生长的阈值,后续试验选择这两个浓度进行。
2.2.1 0.6%和0.8%NaCl胁迫下芸芥正常种苗率、苗高和根长的变化 盐胁迫下正常种苗率是反映种质耐盐性最直观的指标,从表3中可以看出,盐胁迫对参试材料正常种苗率的影响达显著水平(P<0.05),随着盐胁迫浓度的增加,正常种苗率变小。 在0.6% NaCl胁迫下,正常种苗率平均值为57.62%,26份参试材料中,正常种苗率≥90%的材料有4份,70%≤正常种苗率<90%的材料有2份, 50%≤正常种苗率<70%的材料有9份, 30%≤正常种苗率<50%的材料有9份。当盐胁迫浓度为0.8%时,正常种苗率的平均值为34.45%,仅有7份材料的正常种苗率≥50%。
随着盐胁迫浓度的增加,参试材料的苗高呈现下降趋势。在0.6%NaCl胁迫下,所有材料的平均苗高为0.99 cm,其中有16份材料的苗高≥1 cm, 0.8 cm≤苗高<1 cm的材料有4份。当NaCl浓度为0.8%时,所有参试材料的平均苗高为0.77 cm,其中有4份材料的苗高≥1 cm,0.8 cm ≤苗高<1 cm的材料有10份。
由表3可知,盐胁迫对参试材料根长的影响达显著水平(P<0.05),0.6%NaCl溶液胁迫下,所有材料根长的均值为0.69 cm, 7份芸芥的根长介于0.80~2.34 cm之间;在0.8%NaCl溶液胁迫下,有6份材料的根长大于用0.6%NaCl溶液胁迫下的测定值,但26份试材根长的平均值为0.44 cm,明显低于用0.6%NaCl溶液胁迫下的均值(0.69 cm),3份材料根长介于0.88~1.06 cm之间,7份材料根长介于0.00~0.20 cm之间。
2.2.2 不同浓度NaCl胁迫下芸芥苗鲜重和根鲜重的变化 对不同浓度盐胁迫下参试材料苗鲜重的测定结果显示(表4),随着盐浓度的增加,苗鲜重呈现下降趋势,且各参试材料间差异达显著水平(P<0.05)。在0.6%盐胁迫下,26份材料苗鲜重的均值为0.0244 g,苗鲜重变化范围为0~0.0371 g, 6份材料的苗鲜重≥ 0.0300 g。 0.0200 g ≤苗鲜重<0.0300 g的材料有15份,其余5份材料的苗鲜重介于0.0000~0.0186 g。在0.8%盐浓度下,所有材料苗鲜重的均值为0.0176 g,苗鲜重变化范围为0.0000~0.0247 g,0.0200 g≤苗鲜重<0.0300 g的材料有11份。
从NaCl溶液胁迫对芸芥根鲜重的影响看,随着盐浓度的增加,参试材料的根鲜重显著降低。当NaCl溶液浓度为0.6%时,根鲜重的均值为0.0034 g,4份材料的根鲜重≥0.0050 g,0.0030 g≤根鲜重<0.0050 g的材料有8份,其它材料的根鲜重介于0.0000~0.0029 g之间。当NaCl溶液浓度为0.8%时,根鲜重的均值仅为0.0023 g,3份材料的根鲜重≥ 0.0050 g,0.0030≤根鲜重<0.0050 g的材料有3份;而临洮芸芥、13芸芥29-5、13芸芥79-2和13芸芥8-13这4份材料在高浓度胁迫下的根鲜重表现出增大的变化特点。
表2 不同浓度NaCl胁迫下芽期芸芥萌发情况
注:表中数字为平均值±标准差;不同小写字母表示同一指标不同浓度盐处理间P<0.05水平差异显著,不同大写字母表示同一指标不同浓度盐处理间P<0.01水平差异显著;“-”代表缺少的数据。下同。
Notes: The data in the table are areage ± standard deviation; different lowercase letters indicate significant differences atP<0.05 among treatments; different capital letters indicate significant differences atP<0.01 among treatments; “-” indicates missing data. The same below.
表3 0.6%和0.8%NaCl胁迫下芸芥的正常种苗率、苗高和根长
表4 0.6%和0.8%NaCl胁迫下芸芥的苗鲜重和根鲜重/(g·株-1)
2.2.3 供试芸芥对NaCl胁迫的耐受性评价 利用模糊数学隶属函数法对26份芸芥种质的正常种苗率、苗高、根长、苗鲜重和根鲜重的隶属函数值分别进行计算,求其平均值,根据平均值的大小将参试材料进行耐盐性分类(表5)。0.6133≤隶属值总平均值≤0.7261,属于耐盐性较强的材料,包括08武芸3-1,民乐芸芥等;0.4274≤隶属值总平均值≤0.5911,属于耐盐性较中等的材料,包括临洮芸芥、张芸216-1等;0.0280≤隶属值总平均值≤0.3894属于耐盐性较弱的材料,包括13芸芥68-3、13芸芥76-4等。
图1所示为耐盐性不同的6份材料,包括08武芸3-1和民乐芸芥(耐盐性较强)、临洮芸芥和张芸216-1(耐盐性中等)以及13芸芥68-3和 13芸芥76-4(耐盐性较差)在0.8%NaCl胁迫下的生长状况及盐害程度差异,08武芸3-1和民乐芸芥的隶属函数总平均值较大,各单株在0.8%NaCl胁迫下的长势也较好,绿色叶片数目多,未出现明显的盐害症状;临洮芸芥和张芸216-1在0.8%NaCl胁迫下的长势变弱,地上部变短,叶片数明显减少,表现出一定的盐害症状,如有些单株的茎基部有黄色叶片,有些单株的边缘叶干枯,部分叶片上有黄色斑点;13芸芥68-3和 13芸芥76-4在0.8%NaCl胁迫下的长势较差,地上部更短,叶片稀少,表现严重的盐害症状,如有些单株整株干枯甚至死亡,所有植株上都有干枯叶片出现,有些叶片呈卷曲状。后续试验以上述6份不同耐盐性芸芥为材料进行。
2.3.1 0.6%和0.8%NaCl胁迫下芸芥的脯氨酸含量 从图2中可以看出,随盐浓度的升高,所选材料的脯氨酸含量也呈现上升趋势。在0.6%和0.8%NaCl胁迫浓度下,耐盐材料民乐芸芥和08武芸3-1脯氨酸含量显著高于其它4份材料(P<0.05)。在0.6%盐胁迫下,供试芸芥脯氨酸含量大小排序为:民乐芸芥>08武芸3-1>张芸216-1>临洮芸芥>13芸芥76-4>13芸芥68-3;在0.8%盐胁迫下,供试芸芥脯氨酸含量大小排序为:民乐芸芥>08武芸3-1>临洮芸芥>张芸216-1>13芸芥76-4>13芸芥68-3。
2.3.2 0.6%和0.8%NaCl胁迫下芸芥叶片的细胞膜相对透性 不同浓度盐胁迫下,6份不同耐盐性芸芥的细胞膜相对透性见图3。随着胁迫浓度的升高,参试材料细胞膜相对透性呈现上升趋势,尤其是当盐浓度为0.8%时,变化更为明显。13芸芥68-3和13芸芥76-4(耐盐性较差)的细胞膜相对透性显著(P<0.05)高于民乐芸芥和08武芸3-1 (耐盐性较强)。供试芸芥细胞膜相对透性的大小排序为:13芸芥76-4>13芸芥68-3>张芸216-1和临洮芸芥>08武芸3-1>民乐芸芥;在0.8%盐胁迫下,供试芸芥细胞膜相对透性的大小排序为13芸芥76-4>13芸芥68-3>张芸216-1和临洮芸芥>08武芸3-1>民乐芸芥。
表5 隶属函数法评价芸芥对盐胁迫的耐受性
A:08武芸3-1;B:民乐芸芥;C:临洮芸芥;D:张芸216-1; E:13芸芥68-3;F:13芸芥76-4A: 08 wuyun 3-1; B: Minle yunjie; C: Lingtao yunjie; D: Zhangyun 216-1; E: 13 yunjie 68-3; F: 13 yunjie 76-4图1 6份不同耐盐性芸芥在0.8%NaCl胁迫下生长形态差异Fig.1 Difference in growth morphologic 6 E. sativa with different salt tolerance under 0.8% NaCl stress
2.3.3 0.6%和0.8%NaCl胁迫下芸芥可溶性糖含量 从图4可知,随NaCl浓度的升高,6份材料的可溶性糖含量呈现上升趋势。在0.6%盐胁迫下,供试芸芥可溶性糖含量大小排序为13芸芥76-4>13芸芥68-3>张芸216-1和临洮芸芥>08武芸3-1>民乐芸芥;在0.8%盐胁迫下,供试芸芥可溶性糖含量大小排序为13芸芥76-4>13芸芥68-3>张芸216-1和临洮芸芥>08武芸3-1>民乐芸芥。
注:图中小写字母表示处理内差异显著(P<0.05),下同。Note: The lowercase letters show significant differences among the treatment (P<0.05), the same below.图2 0.6%和0.8%NaCl胁迫下不同耐盐性芸芥的脯氨酸含量Fig.2 Proline content of 6 E. sativa with different salttolerance under 0.6% and 0.8% NaCl stress
图3 0.6%和0.8% NaCl胁迫下不同耐盐性芸芥叶片的细胞膜相对透性Fig.3 Relative membrane permeability of leaves of 6 E. sativawith different salt tolernace under 0.6% and 0.8% NaCl stress
图4 0.6%和0.8% NaCl胁迫下不同耐盐性芸芥的可溶性糖含量Fig.4 Soluble sugar content of 6 E. sativa with different salttolerance under 0.6% and 0.8% NaCl stress
植物的耐盐性是一个涉及多种代谢途径的复杂的适应过程,采用单一指标评价其耐盐程度具有片面性,不能真实客观地反映植物的耐盐表现[18]。因此,进行植物耐盐碱资源评价鉴定时,应综合考虑各个指标对耐盐性的贡献,才能更真实地反映所评价资源的综合耐盐碱能力。柴媛媛等[19]的研究表明,采用模糊数学隶属函数法不仅能消除若干指标间的差异,也能够较准确地评价甜高粱的耐盐性。刘敏轩等[11]的研究表明,模糊数学隶属函数法也适用于评价黍稷耐中性混合盐的能力。本研究采用模糊数学隶属函数法研究了26份芸芥资源在不同NaCl盐胁迫下的耐盐性,并分析了不同生理指标与耐盐性的相关性,认为该方法适用于芸芥耐盐性的评价。
迄今为止,已有大量关于盐碱胁迫强度与脯氨酸含量变化关系的文献报道。在盐碱等逆境胁迫下,植物体内游离脯氨酸含量显著增加,因此其可作为耐盐育种的重要生理指标[20]。本研究结果表明,耐盐材料的脯氨酸含量显著高于其它材料,且脯氨酸含量与耐盐性之间呈显著正相关。可溶性糖是重要的渗透调节物质,在植物遭受逆境时大量合成,以维持细胞内渗透势及保护膜系统的稳定性。氯化钠胁迫会导致植物体内可溶性糖含量显著增加[21]。本研究结果表明,耐盐材料的可溶性糖含量显著高于其它材料,说明可溶性糖含量与耐盐性之间关系密切。当植物体某一部分处于盐、碱胁迫下时,细胞膜受到不同程度的破坏,一般来说,细胞膜透性小说明其遭到的破坏程度小,而耐盐性则较强[22]。本试验结果表明,当盐胁迫浓度为0.8%时,耐盐性较强的材料与耐盐性较差的材料间细胞膜透性差距较大,说明脯氨酸、可溶性糖和细胞膜透性可以考虑作为鉴定芸芥幼苗耐盐性的生理指标。
Hilda等[13]的研究发现,芸芥伊朗品种耐盐性较弱,意大利“B-115”品种耐盐性较强。本试验表明,26 份芸芥种质在NaCl胁迫下,其耐盐性差别较大,民乐芸芥和08武芸3-1 耐盐性较强,高浓度盐胁迫下长势好、无盐害症状,脯氨酸和可溶性糖含量均较高、质膜透性较低;临洮芸芥和张芸216-1耐盐性居中,高浓度盐胁迫下长势变弱,盐害程度较轻,脯氨酸和可溶性糖含量低于民乐芸芥和08武芸3-1,质膜透性却高于前二者;13芸芥68-3和13芸芥76-4的耐盐性较差,高盐胁迫下长势差,受到重度盐害,脯氨酸和可溶性糖含量均显著低于其它材料。这些研究结果证明,同一植物不同栽培类型的耐盐性存在明显的差异。
综上所述,芸芥游离脯氨酸含量对盐胁迫敏感,与参试材料耐盐性呈显著相关,可作为衡量芸芥种质耐盐胁迫能力的重要生理指标之一。另外,本试验仅探讨了单一盐分胁迫对不同芸芥材料幼苗生长和部分生理性状的影响,但实际上西北芸芥种植区域的盐渍土中往往含多种盐分离子,不同无机离子之间存在着相互作用。同时,植物在不同生长时期、不同环境下对盐胁迫的反应不同,耐盐性亦不同。因此,关于芸芥在不同生长发育阶段的耐盐性对比试验以及在实际盐碱土壤条件下的耐盐性状况尚需进一步研究。