小麦百农矮抗58 幼苗对Na2SO4 胁迫响应及阈值鉴定

刘 铎，白 爽，齐学斌，宁东峰，梁志杰,4，郭 魏，李 平

（1. 中国农业科学院农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2. 中国农业科学院农业水资源高效安全利用重点开放实验室，河南 新乡 453002；3. 北京市八大处公园管理处，北京 100041；4. 农业农村部农产品质量安全水环境因子风险评估实验室，河南 新乡 453002）

0 引言

【研究意义】盐碱胁迫是重要的植物非生物胁迫限制因素，严重抑制农作物生长发育[1−2]。据统计，全球目前约有盐碱地9.54 亿hm2，约占土地总面积的7%，其中我国盐碱地面积达到991 3 万hm2，约占全部土地面积的10%[3]。我国盐碱地在全国23个省、市、自治区都有分布。在盐碱地中最常见的盐分类型是NaCl，但在全球以及我国广泛分布的盐碱地中，土壤盐分类型多种多样，有些盐分甚至相比NaCl 对植物的伤害更大，其中以阴离子SO42−为主要组分的硫酸盐就是非常重要的一种盐分组成类型。例如在我国新疆天山山脉以南地区的盐碱土中就以硫酸盐为主，华北平原交界洼地一带的浅色草甸盐碱土中SO42−占阴离子总量的80%以上[4−5]。其形成原因，一方面受地壳风化等自然因素影响，另一方面随着工业化的进程不断加深，工厂废液大量排放，SO2等气体大量排放，导致土壤中的Na2SO4等含量快速增加[6]，进而对农作物生长构成威胁，因此研究农作物耐硫酸盐胁迫具有重要意义。【前人研究进展】小麦是我国乃至全球重要的粮食作物[7−8]，对于我国粮食安全起到至关重要的作用，土地盐碱化会严重抑制小麦的正常生长，降低小麦产量，进而威胁粮食安全[9]。钮力伟等[10]通过研究证明盐胁迫下小麦的叶绿素含量会降低，质膜透性与脯氨酸含量则会升高。时丽冉等[11]通过研究证明NaCl 胁迫下小麦幼苗生长会受到明显抑制，丙二醛（MDA）和脯氨酸含量会升高，各种抗氧化酶活性会明显增大。Kazem Poustini[12]通过研究发现，NaCl 胁迫下小麦生物量明显下降，Na+积累增加K+/Na+明显会降低。相比于盐敏感品种，耐盐性较强的小麦品种生物量下降较少，Na+积累较少，同时K+/Na+明显也较小。Xie 等[13]研究了不同浓度NaCl 胁迫对3 种小麦种子萌发与幼苗生长的影响，通过研究发现随着NaCl 浓度升高，小麦的种子发芽率、株高、根系长度及幼苗鲜重均出现下降。通过测定不同浓度NaCl胁迫下小麦离子与光合指标，鉴定了不同品种小麦耐盐性强弱，并发现野生型小麦相比于硬粒小麦耐盐性更好。Klay 等[14]通过测定不同浓度NaCl 胁迫下小麦离子与光合指标，鉴定了不同品种小麦耐盐性强弱，并发现野生型小麦相比于硬粒小麦耐盐性更好。由以上研究可以看出，以往更多的是以NaCl 为胁迫介质来研究盐胁迫对小麦生长与生理的影响及鉴定不同品种小麦耐盐性，主要关注NaCl 盐胁迫对小麦生长与生理的影响，而有关Na2SO4胁迫对小麦生长与生理影响的研究则鲜见报道。【本研究切入点】小麦百农矮抗58 是我国小麦主栽品种之一，具有高产、优质、抗倒伏、抗寒及抗病的特点。然而有关小麦百农矮抗58 对Na2SO4胁迫响应及阈值鉴定研究还未见报道。【拟解决的关键问题】研究Na2SO4胁迫对我国小麦主栽品种百农矮抗58 生长、抗氧化调节、渗透调节及叶绿素含量指标变化的影响，分析 百农矮抗58 对Na2SO4胁迫的响应机制，并界定百农矮抗58 耐受Na2SO4胁迫的阈值。旨在为小麦耐Na2SO4胁迫研究提供科学数据，同时为小麦栽培生产提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试小麦品种为矮抗58。将小麦种子用75%酒精进行消毒，再用蒸馏水反复漂洗几次，放入育苗盒中进行培养，育苗培养5 d 后，移栽至黑色塑料桶中用1/2Hogland 营养液进行培养，营养液pH 值6.5，每盆5 孔，每孔2 株幼苗，共计10 株。用人工LED 灯进行光照培养，每日光/暗周期为10 h/14 h，昼/夜温度分别为25℃/20℃，相对湿度为60%～70%。培养30 d 之后，分别用20、40、60、80、100、120、140、160 mmol·L−1Na2SO4溶液进行胁迫处理，溶液pH 值6.5，胁迫5 d 之后取样测定各指标。

1.2 测试方法

用称重法测定植物样品鲜重和生物量，直尺测定植物株高。用电导率仪测定植物质膜透性[15]，丙酮提取法测定叶绿素含量[16]，磺基水杨酸法测定脯氨酸含量[17]，蒽酮比色法测定可溶性糖含量[18]。愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性[19]，紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性[19]，氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性[19]，硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量[19]。

1.3 数据统计与分析

所有指标采用SPSS 19.0 数据统计软件进行分析，用单因素方差分析法分析不同胁迫处理对小麦幼苗生长与生理特性的影响，采用LSD 法进行多重比较。采用sigmaplot10.0软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 Na2SO4 胁迫对小麦幼苗生长的影响

由图1 可以看出，低浓度的Na2SO4胁迫（20～80 mmol·L−1）对小麦幼苗的株高、鲜重和生物量影响均不大，当Na2SO4浓度为100、120、140、160 mmol·L−1时，株高分别为CK 的80.6%、75.2%、66.9%、61.5%，与CK 比差异均达极显著水平（P＜0.01）；鲜重分别为CK 的69.2%、50.5%、43.9%、38.3%，与CK比差异均达极显著水平（P＜0.01）；生物量分别为CK 的68.4%、60.6%、53.5%、44.9%，与CK 比差异均达极显著水平（P＜0.01）。

图 1 Na2SO4 胁迫对小麦幼苗生长影响Fig. 1 Effect of Na2SO4 stress on growth of wheat seedslings

由以上试验结果可以得出，低浓度的Na2SO4胁迫对小麦幼苗生长影响不大，随着浓度的升高，对小麦生长的抑制作用逐渐显现。高浓度的Na2SO4胁迫能够明显抑制小麦幼苗的正常生长。

2.2 Na2SO4 胁迫对小麦幼苗抗氧化系统的影响

由图2 可以看出，低浓度的Na2SO4胁迫下小麦各种抗氧化酶活性变化不明显，随着Na2SO4浓度升高，各个抗氧化酶活性总体呈现升高的趋势。过氧化酶（POD）活性在80 mmol·L−1Na2SO4胁迫下明显升高，在Na2SO4浓度为80、100、120、140、160 mmol·L−1时POD 活性分别为CK 的1.33、1.39、1.48、1.56、1.41 倍，与CK 差异均达显著水平（P＜0.05），其中：Na2SO4浓度为140 mmol·L−1时POD 活性最大，随后降低。当Na2SO4浓度为60、80、100、120 mmol·L−1时，过氧化氢酶（CAT）活性分别为CK 的1.37、1.52、1.34、1.22 倍，与CK 差异均达到显著水平（P＜0.05），其 中：Na2SO4浓 度 为80 mmol·L−1时，CAT 活 性 最大，之后随着Na2SO4浓度的升高而降低。在Na2SO4浓度为80、100、120、140、160 mmol·L−1时，超氧化物酶（SOD）活性分别为CK 的5.91、7.07、7.72、8.58、6.50 倍，与CK 差异均达极显著水平（P＜0.01），其中：Na2SO4浓度为140 mmol·L−1时，SOD 活性最大，随后降低。在Na2SO4浓度为80、100、120、140、160 mmol·L−1时，丙二醛（MDA）含量分别为CK 的2.26、2.55、2.78、2.91、3.20 倍，与CK 差异均达极显著水平（P＜0.01）。当Na2SO4浓度超过60 mmol·L−1后小麦幼苗的质膜透性开始增大，在80、100、120、140、160 mmol·L−1Na2SO4胁迫下，小麦幼苗质膜透性 分 别 是CK 的2.75、4.23、4.60、4.82、4.94 倍，与CK 差异均达极显著水平（P＜0.01）。说明低浓度的Na2SO4胁迫对小麦幼苗质膜透性影响不大，高浓度Na2SO4胁迫下小麦幼苗质膜透性显著增高。

图 2 Na2SO4 胁迫对小麦幼苗抗氧化系统影响Fig. 2 Effect of Na2SO4 stress on antioxidant system of wheat seedlings

2.3 Na2SO4 胁迫对小麦幼苗叶绿素含量的影响

由图3 可以看出，随着Na2SO4胁迫浓度的升高，小麦幼苗的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及总叶绿素含量都会降低。Na2SO4浓度越高，试管中叶绿素提取液颜色越浅。当Na2SO4浓度为80 mmol·L−1时，叶绿素a 含量为CK 的89.4%，与CK 差异达到显著水平（P＜0.05）；在Na2SO4浓度为100、120、140、160 mmol·L−1时，叶绿素a 含量分别为CK 的72.6%、57.6%、47.4%、41.1%，与CK 比差异均达到极显著水平（P＜0.01）。在Na2SO4浓度为80 mmol·L−1时，叶绿素b 含量为CK 的72.6%，与CK比差异达到显著水平（P＜0.05）；在浓度Na2SO4为100、120、140、160 mmol·L−1时，叶绿素b 含量分别为CK 的68.4%、37.7%、31.8%、25.9%，与CK 差异达到极显著水平（P＜0.01）。在Na2SO4浓度为80、100 mmol·L−1时，类胡萝卜素含量分别为CK 的80.4%和64.9%，与CK差异达到显著水平（P＜0.05）；在Na2SO4浓度为120、140、160 mmol·L−1时，类胡萝卜素含量分别为CK 的56.6%、48.4%、43.9 %，与CK 差异均达到极显著水平（P＜0.01）。在Na2SO4浓度为60 mmol·L−1时，总叶绿素含量为CK 的93.5%，与CK差异达到显著水平（P＜0.05）；在Na2SO4浓度为80、100、120、140、160 mmol·L−1时，总叶绿素含量分别为CK 的84.7%、71.4%、52.0%、43.0%、36.8%，与CK差异均达到极显著水平（P＜0.01）。

综上所述，低浓度的Na2SO4胁迫对小麦幼苗叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及总叶绿素含量影响不大，但在高浓度的Na2SO4胁迫下小麦幼苗叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及总叶绿素显著降低。

2.4 Na2SO4 胁迫对小麦幼苗渗透调节物质含量的影响

由图4 可以看出，随着Na2SO4胁迫浓度的升高，小麦幼苗叶片的可溶性糖含量呈先升高后下降的变化趋势。当浓度为80 mmol·L−1时，可溶性糖含量最高，为CK 的1.4 倍，与CK 差异达极显著水平（P＜0.01）。随着浓度的进一步升高，可溶性糖含量不断降低。当浓度为120、140 mmol·L−1时，可溶性糖含量为对照的73%和76.2%，与CK 差异显著（P＜0.05）。当最高浓度160 mmol·L−1时，为对照的82.6%，差异不显著。随着Na2SO4胁迫浓度的升高小麦幼苗的脯氨酸含量一直升高，Na2SO4胁迫浓度越高试管中脯氨酸提取液颜色越深。低浓度Na2SO4胁迫下，脯氨酸含量较小，当Na2SO4胁迫浓度为60、80、100、120、140、160 mmol·L−1时，小麦幼苗脯氨酸含量分别为对照的2.00、2.20、7.95、8.36、8.40、8.51 倍，达到极显著差异（P＜0.01）。

图 3 Na2SO4 胁迫对小麦幼苗叶绿素含量的影响Fig. 3 Effect of Na2SO4 stress on chlorophyll content in leaves of wheat seedlings

图 4 Na2SO4 胁迫对小麦幼苗渗透调节物质含量的影响Fig. 4 Effect of Na2SO4 stress on content of osmosis regulators in wheat seedlings

3 讨论

盐碱地是全球受到广泛关注的环境问题，盐碱胁迫是植物重要的非生物胁迫限制因素。受自然和人为因素的影响，如气候因素、水文因素及不合理的农业灌溉方式等，盐碱地面积还在不断扩大[20]。然而，盐碱地的成分复杂，很多地方盐碱地的主要成分是以碳酸盐和硫酸盐为主，其中Na2SO4就是盐碱地中一种非常重要的盐分组成类型。

3.1 Na2SO4 胁迫对小麦生长的影响

盐碱胁迫对植物影响的最直观体现，就是抑制植物正常生长[21]。同样以往的研究发现，NaCl 胁迫会抑制小麦正常生长，低浓度下抑制效果不明显，当超过一定阈值后抑制效果明显[22]。从本试验结果可以看出低浓度Na2SO4浓度胁迫对小麦幼苗株高、鲜重及生物量的影响并不大，但是当Na2SO4浓度超过80 mmol·L−1后小麦幼苗的株高、鲜重和生物量明显减小，萎蔫程度加深。从本试验结果可以看出，硫酸盐胁迫与其他盐分胁迫结果相似，在低浓度盐胁迫下对小麦生长影响不大，但是当超过80 mmol·L−1之后小麦生长就会受到显著抑制。

3.2 Na2SO4 胁迫对小麦抗氧化系统的影响

植物在正常生长条件下体内活性氧的产生与清除之间保持动态平衡，但当植物遭遇盐碱胁迫时这种动态平衡就会被打破，活性氧过多积累会对植物造成氧化胁迫[23]。以往研究证实，NaCl 胁迫下小麦各种抗氧化酶活性会升高，同时MDA 含量和质膜透性会增大。从本试验可以看出，Na2SO4胁迫同样会对小麦幼苗造成氧化胁迫，低浓度Na2SO4胁迫对小麦幼苗各个抗氧化酶活性影响不大，但是，当Na2SO4浓度超过80 mmol·L−1后各个抗氧化酶活性开始升高，以抵御由Na2SO4胁迫引起的氧化胁迫，当浓度超过一定阈值后各个抗氧化酶活性还会降低。这主要是由于高浓度的Na2SO4胁迫导致其抗氧化调节系统崩溃引起的，并且随着浓度继续升高，MDA含量也不断升高，这主要也是由氧化胁迫引起的。质膜透性是衡量植物耐盐性非常重要的指标[24]，由本试验可以看出，低浓度Na2SO4浓度胁迫对小麦幼苗质膜透性的影响并不大，但是当Na2SO4浓度≥80 mmol·L−1，小麦幼苗的质膜透性明显增大。

由本试验结果可以看出，Na2SO4胁迫下，小麦为了抵御氧化胁迫会提高各个抗氧化酶活性，当胁迫浓度超过一定阈值后抗氧化酶活性会明显增大，同时MDA 含量和质膜透性明显增大。并且当超过一定浓度，小麦自身的抗氧化系统会丧失抵抗能力，进而各个抗氧化酶活性会降低。在其他同类研究中也有同样发现，盐胁迫下随着盐浓度升高，柽柳的抗氧化酶活性会增高，当超过一定浓度后其抗氧化酶活性则会降低[25]。造成这种现象的主要原因是，当胁迫浓度超过一定阈值之后，植物的抗氧化系统防御能力就会崩溃，抗氧化酶活性就会降低，进而丧失抵御氧化胁迫的能力。

3.3 Na2SO4 胁迫对小麦叶绿素含量的影响

植物光合作用对于植物的正常生长发育至关重要[26]，盐碱胁迫会显著抑制植物正常光合作用[27]，而叶绿素是植物光合作用的物质基础，叶绿素含量是衡量光合作用强弱的重要指标，因此，植物叶绿素含量也是评判其耐盐碱性的重要指标之一[28−30]。郑世英等的研究表明，NaCl 胁迫会降低小麦叶绿素含量[31]。由本试验可以看出，低浓度的Na2SO4胁迫对小麦幼苗叶片叶绿素含量影响并不大，与对照处理相比，各叶绿素组分及总叶绿素含量基本相当，但是当Na2SO4浓度超过80 mmol·L−1后，小麦幼苗的各叶绿素组分及总叶绿素含量大幅度减少。

3.4 Na2SO4 胁迫对小麦渗透调节物质含量的影响

土壤中积累过多的盐分便会引起土壤水势降低，造成植物吸水困难，进而引起生理干旱[32]。植物为了抵御由盐碱胁迫引起的渗透胁迫，便会在体内合成渗透调节物质来维持正常的细胞渗透压，从而达到抵御渗透胁迫的目的[33−34]。可溶性糖是一种非常重要的渗透调节物质，其含量是衡量植物耐盐性的重要指标[35]，前人研究发现NaCl 胁迫下，小麦可溶性糖含量会升高[36]，由本试验可以看出，同样随着Na2SO4浓度的升高，小麦幼苗可溶性糖含量呈先上升后下降的变化趋势，当Na2SO4浓度为80 mmol·L−1时，小麦幼苗的可溶性糖含量最高，随着浓度的继续升高，可溶性糖含量呈下降趋势。脯氨酸是植物体内重要的氨基酸，在植物体内普遍以游离状态存在[37]。脯氨酸具有很强的结合水能力，以此可以提高盐碱胁迫下植物抵御渗透胁迫的能力[38]。与此同时脯氨酸还可以清除植物体内积累的过多的活性氧，维持膜稳定性[39]。前人研究发现，NaCl 胁迫下小麦脯氨酸含量会升高[36]。由本试验得出，低浓度Na2SO4对小麦幼苗脯氨酸含量的影响不太明显，当浓度超过80 mmol·L−1时小麦幼苗的脯氨酸含量显著提高，从脯氨酸提取液表型图也可以看出，高浓度下颜色显著加深。

本研究系统探讨Na2SO4胁迫对于小麦生长与生理的影响，并且将生长、叶绿素及脯氨酸表型图与数据图有机结合起来，形象表现了不同浓度Na2SO4胁迫对于小麦生长、叶绿素含量、脯氨酸含量影响的变化过程，是对以前研究的补充与发展。今后还有待进一步研究不同浓度Na2SO4胁迫对小麦相关功能基因和转录因子表达情况的影响，并通过代谢组学和离子组学研究不同浓度Na2SO4胁迫对小麦代谢产物合成及不同离子含量变化的影响，从更深层次分析其机理。同时，将进一步研究不同盐分组成对小麦影响的差异性，包括离子转运、抗氧化调节、渗透调节、光合响应等，为揭示其机理提供理论支撑，为生产实践提供指导。

4 结论

从本试验结果可以得出，当Na2SO4浓度≥80 mmol·L−1，百农矮抗58 小麦生长受到明显抑制，各种抗氧化酶活性明显增强，质膜透性与MDA 含量明显增高，叶绿素含量明显降低，脯氨酸与可溶性糖含量明显增高。因此，综合分析百农矮抗58 小麦对于Na2SO4胁迫浓度阈值界于80～100 mmol·L−1，此值可作为相似生态区域农业生产的参考值，为生产实践提供指导。