玉米耐Na2CO3胁迫的生理响应及耐盐碱性综合评价

景宇鹏，李跃进，蔺亚莉，李焕春，李秀萍，莎 娜，栗燕芳

（1．内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2．内蒙古自治区农牧业科学院资源环境与检测技术研究所，内蒙古 呼和浩特 010031；3．榆林市榆阳区巴拉素区域农业技术推广站，陕西 榆林 719000）

土壤盐碱化是限制作物生长、降低作物产量的一个主要环境因子［1-2］。我国盐碱地面积达3.6×107hm2，且土壤盐碱化和次生盐碱化不断加重，已成为制约农业生产、粮食产量和生态环境的重要因素，严重威胁农业的可持续发展［3］，且不同地区土壤的盐碱化类型差别较大，如在我国北方地区，盐碱土按所含盐分不同，可分为以氯化钠和硫酸钠等为主的中性盐土和以碳酸钠和碳酸氢钠等碱性盐为主的碱土［4］。土默川平原是中国盐碱土集中分布区之一，也是内蒙古粮食主产区之一，土壤盐碱化类型主要以Na2CO3和NaHCO3为主的苏打类碱土。盐碱胁迫是影响植物生长、降低农作物产量的主要因素，近年来因盐碱危害对农业生产造成的影响日益凸显。因此，如何提高植物的耐盐性及其耐盐机理、开发利用耐盐植物资源以及增加在盐胁迫下农作物的产量一直是人们广泛关注的焦点［5-7］。

玉米是内蒙古重要的粮食、饲料、经济作物和工业原料［8］，也是土默川平原地区最主要的粮食作物，属盐分中度敏感作物，其耐盐性相对较差［9］。近年来，随着盐碱土的开发利用，改良作物的耐盐性和选育耐盐品种是提高盐碱地区作物产量最经济和有效的途径之一［10］，也是生物改良盐碱地的重要手段。萌发期和苗期是决定植物能否在盐碱环境下生长最关键的时期［11-12］，也是作物整个生长周期的起点，其对盐碱胁迫的反应决定植株的形态建成和后期的生长发育。国内外对玉米耐盐碱种质资源、苗期耐盐碱性鉴定等做了大量的研究［13-14］，且主要以 NaCl等中性盐胁迫为主［15-20］，而有关在苏打盐碱土中以 Na2CO3为主的碱胁迫以及采用多个鉴定指标对玉米生长早期耐盐碱性方面的研究鲜有报道。因此，本研究以土默川平原地区主要玉米品种为研究对象，用不同浓度的Na2CO3溶液模拟胁迫环境，比较碱性盐胁迫下不同玉米品种萌发期的盐害情况，筛选出萌发期和苗期耐碱性盐的玉米品种，同时运用主成分分析法和模糊数学隶属函数分析方法对与耐盐碱性有关的多项指标进行综合性评价，为进一步探讨玉米耐盐碱特性以及评价体系的建立提供理论依据；同时也为盐碱地农业生产上耐盐碱玉米品种的选育以及土默川平原大面积盐碱地的合理开发与利用提供理论依据和参考指标。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试玉米品种：玉龍2号、农夫9号、东单969、吉单535、玉龍8号、南北1号。

1.2 试验方法

种子萌发期试验：采用室内恒温恒湿培养箱培养皿纸上发芽法进行萌发期试验，昼/夜温度控制在（25±0.5）℃，湿度为 75%。试验设置 0.00%（对照）、0.05%、0.15%、0.20%、0.25%、0.50% Na2CO3溶液共6个盐分浓度处理，每个品种每个处理重复3次。挑选出籽粒饱满一致的种子用5%次氯酸钠浸泡15 min消毒后，用蒸馏水冲洗晾干后置于培养皿中，每皿10 粒种子，黑暗培养7 d，为了保持各处理相对浓度不变，每隔一天用称重法补存水分；在第3 d重新更换一次相应处理液，第7 d观察种子发芽情况。

苗期沙培试验：采用室外自然条件下石英沙培养试验法，挑选出籽粒饱满一致的种子播于石英砂塑料盆内，再用不同浓度0.0%（对照）、0.05%、0.15%、0.20%、0.25%、0.50%的1/2 Hoagland盐碱营养液进行胁迫处理，每盆播种7粒，每个品种每个处理3次重复，在第18 d观测形态和取样。为了保持各处理浓度不变，每天以2倍对应的处理液浇灌上次积余的盐碱成分；为防止降水对胁迫浓度的影响，在其上面设置了隔雨棚，平时将其移除，在降水时将其盖上。

1.3 测定指标与方法

种子发芽率、胚芽和胚根测定：盐碱胁迫处理7 d后，以能够形成正常胚的种子为种子发芽数，同时测定主胚根长与胚芽长。种子发芽率=处理7 d全部正常发芽种子数/供试总种子数×100%盐害指数=［对照发芽率（CK）-处理发芽率］/对照发芽率（CK）×100%

株高、生物量测定：胁迫处理18 d后用直尺测定植株株高；地上部、地下部生物量采用烘干法测定，将各处理地上部和地下部分离，分别置于牛皮纸袋内，105℃杀青15 min后，75℃烘至恒重。

植物生理指标测定：胁迫处理18 d后每处理各取相同部位叶片，称重后置于灭菌后的硬质塑料管内，放在液氮灌后运回实验室置于-78℃超低温冰箱中用于测定生理指标。丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定；游离脯氨酸含量采用磺基水杨酸法测定；超氧化物歧化酶活性采用四氮唑蓝（NBT）法测定；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250法测定［21-22］。

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2007整理后，采用SPSS 16.0统计分析软件进行多重方差检验、相关性分析与主成分分析。同时对主成分分析中得分系数较高的指标，采用隶属函数法进行耐盐碱性综合评价，其计算方法如下：

隶属函数值计算公式：

反隶属函数值计算公式：

式中，Xi为各指标测定值；Xmin、Xmax为各测定指标的最小值和最大值。当某一指标与玉米的耐盐性成正相关时，用公式（1）；当某一指标与玉米耐盐性成负相关时，则用公式（2）。

2 结果与分析

2.1 Na2CO3胁迫对玉米发芽率、盐害指数的影响

从表1可以看出，随胁迫浓度增大对种子发芽具有明显的抑制作用，且各品种对Na2CO3胁迫的响应程度存在显著差异，即随胁迫浓度不断增加各品种发芽率下降幅度逐渐增大。除吉单535 在0.05%浓度与对照差异不显著（P＞0.05）外，其他品种在0.05%～0.50%浓度胁迫下种子发芽率均与对照差异显著（P＜0.05），尤其当胁迫浓度达0.50%时种子发芽情况明显变差。同时各品种耐盐碱程度不同，即随胁迫浓度增大盐害指数逐渐增大，其中玉龍2号受盐碱危害程度影响较大；当胁迫0.50%浓度时盐害指数为零，玉龍2号种子均不发芽；而农夫9号、吉单535、东单969受盐碱危害较小。

表1 Na2CO3胁迫对种子发芽率、盐害指数的影响

2.2 Na2CO3胁迫对各玉米胚根、胚芽的影响

从图1可以看出，随胁迫浓度增大各品种胚根、胚芽均呈下降的变化趋势，且不同胁迫浓度与对照差异达显著水平（P＜0.05）；当胁迫浓度达0.05%时，胚根、胚芽降幅最大；同时盐碱胁迫对胚芽的抑制作用较胚根大。整体来看，东单969、吉单535、农夫9号胚生长受盐碱危害较小。

图1 Na2CO3胁迫对胚根、胚芽的影响

2.3 Na2CO3胁迫对株高的影响

从图2可以看出，Na2CO3胁迫均在一定程度上抑制了幼苗的生长，且胁迫浓度对幼苗生长的影响程度各不相同；但各品种株高均表现为随胁迫浓度升高而逐渐降低的变化趋势。各品种不同胁迫浓度均与对照差异显著（P＜0.05），且0.25%浓度与低浓度处理差异均达极显著水平（P＜0.01）；农夫9号和玉龍2号在0.25%～0.50%浓度受盐碱胁迫的影响高于其他品种；同时从植株生长的形态特征来看，在0.25%～0.50%浓度时各品种叶片基本卷曲，叶尖叶缘枯焦，幼苗不能正常生长。

2.4 Na2CO3胁迫对相对生物量的影响

从图3可以看出，除玉龍2号外，其他品种均表现为随胁迫浓度增大幼苗地上部、地下部相对生物量显著降低，均在0.25%胁迫浓度时相对生物量下降速率最大；当胁迫浓度达0.50%时各品种地上部相对生物量分别较对照下降83.33%、84.62%、88.37%、82.65%、85.06%、84.38%，地下部相对生物量分别较对照下降81.08%、74.55%、85.92%、69.09%、75.93%、70.97%。除玉龍2号、玉龍8号地上部相对生物量分布在0.05%～0.20%、0.20%～0.25%浓度间以及玉龍2号和玉龍8号地下部相对生物量在0.20%～0.25%浓度间差异不显著外，其他各品种地上部、地下部相对生物量不同胁迫浓度间差异均达显著水平（P＜0.05）。

图2 Na2CO3胁迫对株高的影响

图3 Na2CO3胁迫对相对生物量的影响

2.5 Na2CO3胁迫对玉米幼叶生理指标的影响

从图4可以看出，在 Na2CO3胁迫下各品种幼苗叶片中4种生理指标的变化程度各不相同。随胁迫强度增大各品种幼叶丙二醛、脯氨酸活性含量均呈逐渐增大的变化趋势；除农夫9号外，其他各品种幼叶中SOD活性含量均表现为随胁迫强度增大逐渐增加，且3种生理指标均在0.50%胁迫浓度时达最大；而可溶性蛋白除吉单535外，其他品种均表现为随胁迫强度增大而降低，且在0.05%浓度时可溶性蛋白降幅最大。各品种（东单969、吉单535、农夫9号、玉龍2号、玉龍8号、南北1号）幼叶在0.50%浓度游离脯氨酸活性分别为对照的4.00、2.11、4.46、3.03、3.27、3.5倍；0.50% 浓度丙二醛含量分别为对照的 7.96、7.39、6.24、6.91、8.61、8.19倍；0.50%浓度SOD活性分别为对照的1.13、1.19、1.51、2.34、1.76、1.78倍；可溶性蛋白含量在0.50%浓度分别较对照降低了95.22%、96.46%、93.35%、85.03%、92.97%、91.50%。同时各品种在不同胁迫浓度下4种生理指标均与对照达显著水平（P＜0.05），且品种间4种生理指标也达显著水平（P＜0.05）。

图4 Na2CO3胁迫对幼苗叶片生理指标的影响

2.6 耐盐碱特性综合评价

2.6.1 各指标相关性分析

对不同胁迫处理下的6个品种11项指标进行相关性分析，由表2可知，除地上部、地下部生物量与发芽率、盐害指数、株高及4种生理指标间相关性小，且差异不显著外，其他指标之间均达到显著或极显著水平。整体来看，植物的生长指标和生理指标二者具有明显的相关性，但各指标在植物耐盐碱中所起的作用不同，如果仅直接利用其中某一指标分析，就会忽视其他指标评价植物的耐盐碱特性的作用，因此，必须将二者联合起来进行综合评价。

2.6.2 主成分分析

表2 各个指标间相关系数矩阵

不同胁迫处理下的6个品种11项生长及生理指标（发芽率、盐害指数、胚根长、胚芽长、株高、地上部生物量、地下部生物量、脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、可溶性蛋白）进行主成分分析，确定几个具有代表性的因子来综合评价其耐Na2CO3胁迫能力。按照累计贡献率大于85%、特征值大于1来确定主成分个数。结果（表3）表明，前2个主成分累计贡献率85.959%，解释了原11个变量的信息中的绝大部分，损失量仅为14.041%。第一主成分特征值7.994，方差贡献率61.493%；与第一主成分密切相关的是丙二醛、可溶性蛋白、胚根、胚芽、株高，这5个性状的得分系数差别不大，分别为-0.119、0.119、0.117、0.117、0.113，除丙二醛得分系数为负值外，其他4个性状的得分系数均为正值，且与胁迫浓度差异达极显著水平，说明第一主成分值越大，这5个指标的得分系数绝对值越大，耐Na2CO3胁迫能力越强，故第一主成分替代了11个原始因子中的丙二醛、可溶性蛋白、胚根、胚芽、株高5个因子的作用，可综合反映出种子在Na2CO3胁迫下的种子萌发、幼苗生长状况以及在逆境条件下的适应能力。第二主成分特征值3.181，方差贡献率24.466%；其中地上部生物量与地下部生物量在第二主成分因子变量中具有较其他变量更高的载荷，得分系数均为0.295，故第二主成分替代了11个原始因子中的地上部生物量、地下部生物量2个因子的作用，代表玉米受盐碱胁迫时植株生物量累计状况。因此，可将种子萌发时胚生长、株高、植株生物量、幼叶中丙二醛、可溶性蛋白含量作为玉米耐Na2CO3胁迫评价的特征因子。

表3 主成分因子的载荷矩阵和得分系数矩阵

2.6.3 隶属函数分析

以上结果表明，不同品种各指标对盐碱胁迫的响应程度差别很大，很难用某一指标评价其耐盐碱性。因此，根据主成分分析对原11项指标筛选出贡献率较大胚根、胚芽、株高、植株生物量（地上、地下）、幼叶中丙二醛、可溶性蛋白含量7项指标进行隶属函数分析，求其平均值，对6个玉米品种进行耐盐碱性综合评价，其结果（表4）表明，6个玉米品种耐Na2CO3能力由强到弱的顺序为：吉单535、玉龍8号、东单969、南北1号、农夫9号、玉龍2号。

表4 盐胁迫条件下玉米隶属函数值

3 讨论

植物种子能够在盐碱逆境条件下萌发出苗，是保证植株生长发育的前提［23］；同时盐碱胁迫直接抑制组织和器官的生长及植物形态的变化，被认为是评价植物耐盐碱能力应用最广泛、最直接、最直观的鉴定指标［24-26］。本研究表明：随胁迫浓度增强各玉米品种种子发芽率、胚根、胚芽、株高、生物量均显著降低，且不同品种受胁迫影响的程度不同，这与前人的研究结果相一致。6个玉米品种种子发芽率、株高、生物量在0.25%浓度与0.50%浓度间达极显著水平，且在0.25%胁迫下玉米品种间差异显著。所以在本试验设定的盐碱胁迫梯度中，0.25%可作为玉米萌发期和苗期耐盐碱性筛选的最适浓度。

玉米是对盐中度敏感的作物，其耐盐碱性种间差异较大，盐碱胁迫必然会对植物的生理指标产生重要的影响。有研究表明，盐碱胁迫通常会破坏植物细胞膜透性和完整性，引起脂膜过氧化和膜透性增大［27-28］。本研究中6个玉米品种丙二醛随胁迫浓度增加而增大，吉单535、东单969、玉龍8号的变化幅度较小，说明这3个品种膜质过氧化程度和细胞膜受损伤程度小于其他品种；此外盐碱胁迫导致植物体内产生过量的活性氧，使得蛋白质分子结构受损，阻碍蛋白质的合成［29］，本研究中6个玉米品种的可溶性蛋白随胁迫浓度增加而降低，这与王婧泽等［30］研究的结论一致；同时随胁迫浓度增加SOD活性显著下降，清除活性氧能力降低，这与曲元刚等［31］研究结果相似，这可能是由于随碱性盐胁迫浓度的增加叶片的细胞膜结构和功能受到伤害的程度逐渐增大，产生的自由基清除活性氧的能力下降，不能正常激活酶的活性。但目前有关植物体内脯氨酸积累的原因还存在争议，一部分人认为脯氨酸积累是植物耐盐碱的主要征兆，也有人认为脯氨酸积累是盐胁迫的偶然性结果。本文研究表明6个玉米品种玉米幼叶中游离脯氨酸含量随胁迫浓度升高而增加，其最终原因还有待于进一步深入研究。

作物耐盐碱性是一个多基因控制的数量性状或多种因素作用的结果［32］，即使是同一作物，但不同品种其耐盐碱能力各不相同，故不能采用单一指标来准确反映和评价植物的耐盐碱能力。因此，必须采用一系列的综合指标来评价其耐盐碱能力。刘春荣等［33］采用主成分分析和隶属函数法对玉米苗期的生长指标进行耐盐碱性评价；王婧泽等［30］通过主成分分析将盐碱胁迫下11 项指标转换成 9个彼此独立的指标，通过隶属函数分析得其耐盐碱性能力；张会丽等［34］利用隶属函数值法对玉米成熟期耐盐性进行综合评价。本研究首先充分利用多个指标将萌发期种子发芽率、盐害指数、胚生长、苗期株高、生物量及生理等11项指标进行主成分分析，最终筛选出胚根、胚芽、株高等9 个指标，然后采用模糊数学隶属函数分析法对品种进行耐盐碱性综合评价。

4 结论

在Na2CO3胁迫下，各品种萌发期的发芽率、胚根长、胚芽长均较对照降低，而盐害指数较对照增加；各品种苗期的株高、地上部生物量、地下部生物量、MDA含量、脯氨酸含量、SOD活性较对照降低，而可溶性蛋白含量较对照有所增加，不同品种对盐胁迫的反应程度不同。通过对 6个玉米品种的11项指标进行耐盐性综合评价，得出其耐盐性大小顺序为吉单535＞玉龍8号＞东单969＞南北1号＞农夫9号＞玉龍2号。该研究对土默川平原盐碱区耐盐碱玉米选择与应用具有一定的指导意义。