3种盐胁迫对玉米幼苗生长及叶片抗氧化酶和离子累积的影响

Shabeer Ahmed，沈彦合，马文豪,董江波,屈芯宇,曹 颖,胡尚连，罗学刚

(1.西南科技大学植物细胞工程实验室，四川 绵阳 621010; 2.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

植物在生长发育过程中极易受到各种环境因素的胁迫。其中，在非生物胁迫中土地盐渍化会导致主要农作物减产50%～70%[1]。玉米(ZeamaysL.)作为重要的禾谷类作物种植广泛程度仅次于水稻和小麦，因此充分了解玉米这一C4植物[2]的耐盐性对农业生产具有重要意义。

全球气候的变化以及劣质水源的灌溉使土地盐渍化逐年加重[3]，对农业生产活动带来了巨大的挑战。盐碱地中富含大量的NaCl，因此目前与盐胁迫相关的研究都集中在NaCl胁迫方面[4-5]。而火山土壤、海水灌溉的土壤还富含硫酸盐，工业生产硫化气体的排放也会导致土壤中硫酸盐含量的增加[6-8]。氮肥的过量施用[9]以及含氮工业废水的排放[10]则可能会导致土壤发生硝酸盐含量超标，引发次生盐渍化。目前关于玉米耐盐性的生理生化特性[11]及分子机理[12]均有大量研究。胡燕梅等[13]研究表明，不同品种玉米在相同浓度盐胁迫条件下具有不同的萌发及幼苗生长特性。目前对玉米耐盐性的研究多采用NaCl溶液进行模拟[14]。盐胁迫的作用机理主要通过渗透胁迫(进而导致氧化胁迫)和离子毒害等方面来体现[15]。而面临越来越复杂以及多样化的土壤盐渍化情况，玉米的耐性也会不同。因此研究不同类型盐胁迫对玉米生长影响和生理响应变化具有非常重要的科研与实践意义。本研究选取2个玉米品种金玉819和金单999，探讨3种盐胁迫(NaCl、Na2SO4和NaNO3)对玉米生长、抗氧化酶活性及Na+、K+、Ca2+等离子积累的影响，为深入研究玉米的耐盐机理和不同土壤盐渍化条件下的玉米栽培[16]提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

选取杂交玉米品种金玉819和金单999为供试材料。将饱满一致的玉米种子清水浸泡12 h后，转移至由50% Hoagland营养液浸湿的滤纸上，置于光照培养箱内(12 h光照/12 h黑暗交替，25℃)进行萌发。7 d后选取长势一致的幼苗移至内装石英砂、下部有孔的塑料盆中(39 cm×30 cm×13 cm)，每盆栽植16株幼苗，采用50% Hoagland营养液置于恒温光照培养室(25℃，14 h光照/10 h黑暗交替，相对湿度60%～70%)内进行适应培养。待幼苗长到3叶1心期时，对幼苗进行胁迫处理，以纯50% Hoagland营养液作为对照(CK)。试验共7个处理，每个处理3盆以上，每2 d更换一次营养液，以保持营养充足以及盐浓度相对稳定。处理10 d以后，测量植株的鲜重并取样。

1.2 试验方法

将植株从营养液中取出后，拭干表面水分，用‰天平分别测定地上部和地下部的鲜重。用于测定酶活性的叶片取样后经液氮冷却，置于-80℃冰箱保存备用。

酶活性测定：采用氮蓝四唑(NBT)法[17]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈创木酚比色法测定过氧化物酶(POD)活性[17];过氧化氢酶(CAT)采用紫外吸收法测定[17];抗坏血酸过氧化物酶(APX)测定参照Mishra[18]等的方法;Ca2+测定采用纯水浸提-原子吸收光谱法;K+、Na+测定采用纯水浸提-火焰光度计法。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 21进行数据统计和方差分析，使用Duncan’s检验法进行多重比较，使用Oringin 8.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同盐胁迫对玉米幼苗生长和根冠比的影响

经过3种不同钠盐(NaCl、Na2SO4、NaNO3)处理后，金玉819的地上部和地下部鲜重与对照相比均显著下降(P<0.05)，其中地上部鲜重下降超过28.6%，各处理间鲜重差异不明显(图1A)；而金单999表现出一定的耐盐性，鲜重下降幅度较小，地上部鲜重下降超过18%，只有75 mmol·L-1的Na2SO4处理使地上部鲜重降低了37.69%，达到差异显著水平(P<0.05)，其余处理较对照相比均无明显差异(图1B)。NaCl、Na2SO4和NaNO3胁迫下，玉米幼苗的根冠比均显著高于对照，胁迫处理下金玉819除100 mmol·L-1NaCl处理组外，玉米幼苗的根冠比均显著高于对照；金丹999对照组根冠比最低，其中100 mmol·L-1NaCl、150 mmol·L-1NaNO3根冠比显著高于对照。表明玉米幼苗地上部生长对盐胁迫更敏感(图1C,图1D)。

注：图中不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters in theFigure indicate significant difference (P<0.05). The same below.图1 不同盐胁迫对玉米幼苗生物量的影响Fig.1 Effect of different salt stress on biomass of maize seedlings

2.2 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片中抗氧化相关酶活性的影响

如图2所示，在不同盐胁迫下2个玉米品种的SOD酶活性均有不同程度的上升。100 mmol·L-1Na+(NaCl-100、Na2SO4-50、NaNO3-100)浓度下，金玉819叶片中SOD酶活是对照的2.1～2.6倍，表明盐胁迫诱导了细胞内活性氧积累，从而促进了SOD活性增加；而在150 mmol·L-1Na+(NaCl-150、Na2SO4-75、NaNO3-150)条件下，金玉819的SOD酶活性较100 mmol·L-1Na+处理有所下降。 100 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl和NaNO3处理下，金单999的SOD酶活性较高，为对照的2.3～2.4倍； Na2SO4处理下，随着盐浓度的提高SOD酶活性虽然呈增加趋势，但显著低于NaCl和NaNO3处理(图2B)，表明同浓度下，Na2SO4胁迫对金单999叶片SOD活性的影响小于NaCl和NaNO3胁迫。

图2 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片SOD活性的影响Fig.2 Effect of different salt stress on SOD activities of leaves of maize seedlings

如图3所示，3种不同盐胁迫下金玉819的POD酶活性较对照均有显著上升，其中75 mmol·L-1Na2SO4处理下POD酶活性上升幅度最大，达到对照的4.5倍；金单999对照植株的POD酶活性较高，达到55.4 U·g-1，因而不同盐处理后的POD酶活性较对照上升幅度较小，但是其POD酶活性的绝对值仍然维持在较高的水平(图3B)。

图3 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片POD活性的影响Fig.3 Effect of different salt stress on POD activities of leaves of maize seedlings

如图4所示，金玉819和金单999在3种盐胁迫后APX酶活性也均出现不同程度的上升，金玉819上升幅度大于金单999。

图4 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片APX活性的影响Fig.4 Effect of different salt stress on APX activities of leaves of maize seedlings

金玉819和金单999在3种盐胁迫后CAT酶活性较对照均出现不同程度的上升(图5)。其中NaNO3处理CAT酶活上升幅度大于Na2SO4，NaCl处理上升幅度最小。

图5 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片CAT活性的影响Fig.5 Effect of different salt stress on CAT activities of leaves of maize seedlings

2.3 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片K+、Na+、Ca2+含量的影响

如图6所示，在100 mmol·L-1和150 mmol·L-1Na+胁迫处理后，金玉819和金单999叶片中的Na+含量均显著升高，可达到对照的4.5～6.3倍。相同Na+浓度处理下， NaCl 处理叶片Na+积累量最高，而Na2SO4胁迫的2种玉米幼苗叶片Na+含量明显小于NaCl和NaNO3处理。

盐胁迫抑制玉米对K+和Ca2+等矿质元素的吸收和转运，阻碍其正常生长和发育。与对照相比，2个玉米品种在Na+含量上升的同时K+和Ca2+含量显著下降。与NaCl、Na2SO4处理相比，NaNO3处理植株叶片中K+和Ca2+含量下降最明显。150 mmol·L-1NaNO3处理下金玉819和金单999叶片K+含量仅为对照的38%和42%，叶片Ca+含量仅为对照的31%和35%(图6)。

图6 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片K+、Na+和Ca2+含量的影响Fig.6 Effect of different salt stress on contents of K+, Na+ and Ca2+ of leaves of maize seedlings

2.4 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片K+ /Na+ 和Ca2+ /Na+的影响

如图7所示，在不同盐胁迫下2个基因型玉米叶片的K+/Na+显著降低。其中NaCl和NaNO3处理K+/Na+比对照降低90%～93%，而Na2SO4处理K+/Na+下降幅度略小，比对照降低78%～82%。与K+/Na+类似，盐胁迫下2个基因型玉米叶片的Ca2+/Na+也显著降低，金玉819 和金单999叶片的Ca2+/Na+比对照分别降低了85%～90%和92%～94%。

图7 不同盐胁迫对玉米幼苗叶片Ca2+ /Na+和K+ /Na+比率的影响Fig.7 Effect of different salt stress on ratios of Ca2+/Na+ and K+/Na+ of leaves of maize seedlings

3 讨 论

盐胁迫可以导致水分亏缺，从而影响植物的代谢过程，而生长抑制是植物对盐胁迫最直观的生理现象[16]。NaCl、Na2SO4、NaNO3胁迫下，金单999地上部和地下部鲜重较对照下降不显著，表明其具有一定的耐盐性。在3种盐胁迫下各品种玉米幼苗的根冠比均显著高于对照，表明玉米幼苗地上部生长对盐胁迫更敏感。

研究表明，盐离子在植物细胞内的大量积累会引起离子毒害和离子不平衡[19]。高浓度的Na+可置换细胞质膜和内膜系统的Ca2+，使得膜系统的完整性被破坏，细胞物质交换平衡遭到破坏[19]。Na+对于细胞K+的吸收也呈明显的竞争性抑制[24]， 从而影响细胞Na+、K+离子通道的正常运行，引发植物体的代谢紊乱。本研究发现，3种不同的钠盐均会导致玉米幼苗叶片Na+浓度上升，但是相同Na+浓度下，Na2SO4胁迫的玉米幼苗叶片Na+浓度明显小于NaCl和NaNO3胁迫，这可能与离子的选择性吸收有关。盐胁迫下，2个基因型玉米的Na+含量显著上升，高浓度的Na+严重阻碍玉米幼苗对K+和Ca2+的吸收和运输，叶片K+和Ca2+含量显著下降。与NaCl和Na2SO4处理相比，同等Na+浓度下NaNO3处理植株叶片中K+和Ca2+含量下降最明显，表明氮肥的过度施用引起的次生盐害是玉米生产中值得重视的问题。但就2个品种来看，相同胁迫下金单999的K+/Na+和Ca2+/Na+比例下降幅度均小于金玉819，表明金单999具有更强的盐抗性。