水稻萌发和幼苗生长对外源物质调节的响应

王敬东，惠 建，白海波，马斯霜，李树华

（宁夏农业生物技术重点实验室，银川 750002）

0 引言

土壤盐渍化是世界上最严重的生态环境问题之一，是制约农业生产发展的一个主要环境因素，而造成三大粮食作物之一的水稻减产的主要环境因子正是稻田盐渍化。20世纪70年代开始，水稻耐盐性研究就受到广泛重视[1-4]。

水稻种子萌发期易受到盐碱的危害，导致发芽势降低、发芽不齐，甚至死亡[5]。同时，幼苗期的盐害影响着田间基本苗和光合群体的建立。因此，应重视水稻发芽期和幼苗期盐害的改善。

植物受到盐胁迫时，酶的活动被抑制，引起生长素、细胞分裂素等促进生长的激素合成减缓或终止，而促进脱落酸、乙烯等的合成积累增加，加速植物衰老[6]。植物生长调节剂IAA（吲哚乙酸）主要功能是促进植物的生长及器官、组织分化。用IAA处理，可以抵消Na2SO4抑制小麦根系生长的作用[7]，还能降低玉米根系对Na+的吸收能力[7]。萌发的初期使用适当浓度的IAA可以明显改善盐胁环境下玉米种子萌发率并能对幼苗及成苗的生长具有良好的促进作用[8]。同样，外源IAA对小麦种子盐胁迫条件下胚根、胚芽长度等均具有明显缓解作用[9-10]。

植物正常生理代谢的必需元素Ca2+，不仅调节植物体内的许多生理生化过程，还对植物的生长具有重要作用。在盐胁迫下，盐分抑制了植物体对Ca2+的吸收，而外源钙对植物细胞膜的结构与功能有重要的调节作用，从而提高植物的耐盐性[11]。许多植物在加入Ca2+后一定程度上均表现出盐胁迫减轻[12-15]。多年来，有关Ca2+对盐胁迫下植物生理特性影响的研究在中药材、蔬菜、农作物等方面都有报道[16-21]。

在前人研究的基础上，本试验以水稻盐敏和耐盐品种为材料，探索水稻萌发期苗鲜重种子简易活力指数、胚根及幼苗株高等形态指标对外源NaCl、IAA、CaCl2的响应效应。本试验简单、快捷、不受时间限制。可为利用外源物质作为化控措施以缓解水稻盐害及物质平衡效应的研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

试验材料由本实验室提供，均为宁夏近年大面积种植的品种。‘宁粳43号’和‘D15号’为盐敏材料‘宁粳56号’和‘富源4号’为耐盐材料。

1.2 试验方法

1.2.1 材料处理 选取饱满无病虫的种子，自来水冲洗3遍去除种子表面灰尘，75%酒精浸泡3 min后蒸馏水清洗3遍去除种子上残留的酒精，最后，用30%的NaClO溶液浸泡30 min后，用蒸馏水清洗5遍去掉种子上残留的NaClO溶液。将无菌种子摆放在Ф90 cm培养皿中的滤纸上，分别在培养皿中加入不同处理的溶液10 mL，加盖置于25人工气候箱中暗培养，发芽后27光照培养14 h/d。

1.2.2 试验设计 蒸馏水浸种为对照组CK：dH2O，NaCl、CaCl2、IAA不同配比溶液浸种为试验组。NT：NaCl 0.1 mol/L，NCT：NaCl+CaCl21 g/L，NT1：NaCl+IAA50 mg/L，NT2：NaCl+IAA100 mg/L，NCT1：NaCl+CaCl2+IAA 50 mg/L，NCT2：NaCl+CaCl2+IAA 100 mg/L；每个处理设3个重复，1个培养皿1重复，每个培养皿50粒种子。试验期间，每2天换一次培养液。

Spark作为整个系统最上层部分,同时也是最重要的部分,主要包括了对数据预处理、特征转换与特征提取、行为分类模型训练和最终的结果预测。其中数据预处理会通过相似度判别过滤失真数据,接着根据行为表示的定义方法对关节点数据进行特征转换与特征提取并写入到RDD中。在以上基础上,利用行为分类器对数据进行训练。当需要对未知行为进行预测时,从HDFS中提取已有持久化的分类器模型完成行为数据的最终分类并将结果持久化到HDFS中。

1.2.3 测定标准 调查的形态指标：发芽率、根数、根长和幼苗株高。以水稻种子的芽长等于种子长度的一半、根长等于种子长度为发芽标准[22]。末次计数天数14天，计算发芽率。每个处理随机选取10株幼苗，测量根长（最长根）、根数和幼苗株高。第20天取成活植株称鲜重。简易活力指数(SVI)、根数、根长、株高的计算分别见公式(1)、(2)、(3)、(4)。

其中G为发芽率，S为平均鲜重。

1.2.4 数据处理 本试验所有数据均采用SPSS 21.0进行统计分析，统计值用平均数±标准差(MEAN±SD)来描述，单因素ANOVA分析，一般线性模型(LSD)单变量分析组内及组间的差异性，显著水平0.05。采用Microsoft Excel 2016处理数据，制图，误差线选正负误差值。

2 结果分析

2.1 外源物质对简易活力指数的影响

由表1可看出，在0.1 mol/L NaCl胁迫下，2种类型水稻简易活力指数均显著下降，盐敏材料‘宁粳43号’和‘D15号’极显著低于对照76.5%和39.1%。耐盐材料‘宁粳56号’和‘富源4号’显著低于对照34.4%和21.9%。该结果与盐胁迫下盐敏感小麦种子的发芽率和活力指数下降的幅度大于耐盐小麦[23]一致。

盐胁迫下，外源IAA和CaCl2处理能不同程度提高简易活力指数。1 g的CaCl2处理极显著提高4份材料简易活力指数且均略高于对照的简易活力指数，分别为9.6%、9.5%、12.1%和24.8%；100 mg/L IAA(NT2)也具有缓解盐害作用，使盐敏材料‘宁粳43号’和‘D15号’简易活力指数高于对照2.6%和13.3%。而耐盐材料‘宁粳56号’和‘富源4号’却低于对照18.2%，0.5%。50 mg/L IAA(NT1)缓解盐害最小，4份材料种子简易活力指数均低于对照。这表明在盐胁迫下单一CaCl2或IAA处理虽能消弱盐害，但提高幅度偏低。

相比而言，外源CaCl2+IAA复配处理更能大幅度抵消盐害，极显著提高盐胁迫时的简易活力指数。抵消盐害的作用CaCl2+100 mg/L IAA复配(NCT2)处理好于CaCl2+50mg/L IAA复配(NCT1)处理。这在盐敏材料中表现尤为突出，如盐敏材料‘宁粳43号’和‘D15号’NCT2处理中简易活力指数极显著高于对照77.0%，94.6%。NCT1处理中简易活力指数极显著高于对照52.6%，79.5%；耐盐材料‘宁粳56号’和‘富源4号’NCT2处理中简易活力指数高于对照22.7%和38.6%。NCT1处理中简易活力指数高于对照6.9%和36.3%。

2.2 外源物质对胚根数的影响

由图1可知，在0.1 mol/L NaCl胁迫下，胚根数受盐害影响较小，主要表现为下降幅度不大。4份材料的胚根数均极显著低于对照20.0%～40.9%。盐敏材料和耐盐材料下降幅度差异不显著。

图1 3种外源物质对水稻胚根数的影响

外源IAA和CaCl2处理能缓解盐胁迫对胚根数的抑制作用。特别是CaCl2(NCT)处理能极显著降低胚根数的盐害。耐盐材料‘富源4号’胚根数显著高于对照18.7%，‘宁粳56号’的胚根数与对照相等。但对盐敏材料‘宁粳43号’和‘D15号’胚根数的盐害虽有缓解作用，但均低于对照13.6%和11.5%；两种浓度IAA对胚根数盐害的调节作用差异不显著，100 mg/L IAA(NT2)调节效果略好于50 mg/L(NT1)的调节效果。主要表现为盐敏材料，如‘宁粳43号’和‘D15号’NT2处理胚根数显著甚至极显著低于对照13.6%，27.1%，NT1处理2份材料胚根数均极显著低于对照25.0%，29.2%。‘富源4号’NT2处理胚根数高于对照2.5%，NT1处理胚根数与对照相当。只有‘宁粳56号’NT1处理的调节效果好于NT2处理，均低于对照7.3%和15.9%。

2.3 外源物质对胚根长的影响

在0.1 mol/L NaCl胁迫下，胚根长受盐害影响不大，只是品种间有差异。由图2可看出，‘宁粳43号’和‘富源4号’胚根长极显著低于对照55.9%，22.8%，‘D15号’胚根长仅低于对照14.6%，而‘宁粳56号’的胚根长却高于对照0.4%。

图2 3种外源物质对水稻胚根长的影响

外源IAA不能显著恢复盐胁迫下胚根生长，尤其盐敏材料胚根长的盐害并不因IAA处理而有所改善，如‘宁粳43号’经IAA处理其胚根长与胁迫时相当，无差异性。对于‘D15号’IAA 50mg/L处理其胚根长高于胁迫值13.5%。IAA 100mg/L处理其胚根长反而低于胁迫值13.6%。相对而言，外源IAA对胚根长的盐害改善程度耐盐材料好于盐敏材料，经IAA 50mg/L处理2份耐盐材料胚根长高出盐胁迫值7.7%，13.6%。但IAA 100mg/L处理2份耐盐材料胚根长反而低于盐胁迫值13.0%，8.7%。

外源CaCl2处理，能极显著缓解盐害对盐敏材料胚根生长的抑制作用。盐敏材料的胚根长分别高于对照7.1%，49.0%。也能极显著缓解1份耐盐材料胚根盐害，其胚根长极显著高于胁迫值29.3%，但低于对照0.2%；因0.1mol/L NaCl对耐盐晚熟材料‘宁粳56号’影响不大，胁迫值与对照值相当，所以外源CaCl2处理，其胚根长高于胁迫值11.5%，高于对照值11.9%，两个数值也相当。同理，IAA处理和CaCl2+IAA复配处理也对改善‘宁粳56号’胚根长盐害影响不大。但CaCl2+IAA复配处理能极显著改善其他3份材料的胚根长的盐害，不过改善盐敏材料胚根长盐害效果没有CaCl2处理改善的效果好。

2.4 外源物质对幼苗株高的影响

盐处理俄罗斯水稻苗高均有不同程度的降低，但不同品种间存在很明显的差异[24]。本试验0.1mol/L NaCl胁迫抑制水稻幼苗生长。如图3，盐胁迫下4份材料的株高均极显著低于对照23.9%～36.2%，但品种间降幅差异不显著。这可能与地区间品种差异有关。

图3 3种外源物质对水稻幼苗株高的影响

外源IAA，CaCl2及CaCl2+IAA复配都能极显著缓解盐胁迫对幼苗生长的抑制。三者相比较IAA对幼苗盐害的缓解作用最小，2个处理浓度的调节效果因品种不同而有差异，但均低于对照，分别在2.8%～11.6%，9.2%～10.2%区间；外源CaCl2处理缓解幼苗盐害的效果强于IAA处理，盐敏材料表现尤为突出，均极显著高于对照，分别为20.9%和14.7%。外源CaCl2缓解幼苗盐害的效果耐盐材料比盐敏材料弱，且均低于对照，分别为4.0%和3.5%；CaCl2与两个不同浓度IAA复配处理缓解盐害效果相近，且因品种不同而有所差异。即CaCl2+IAA处理缓解幼苗盐害的效果盐敏材料强于耐盐材料，如NCT1处理盐敏材料苗高分别高于对照11.4%和20.3%。NCT2处理苗高分别高于对照12.7%和19.3%。而耐盐材料‘宁粳56号’NCT1处理和NCT2处理缓解盐害的效果相近，分别高于对照10.8%，9.9%。另1份耐盐材料‘富源4号’却低于对照1.2%，1.5%。

3 讨论

3.1 盐胁迫对各形态指标的影响

盐渍环境的胁迫对植物的生长、发育、繁殖等生理生态特征有着重要的影响[25]，植物会出现光合速率下降、生长发育受到抑制等现象，严重时可造成植物体死亡[26]。100 mmol/L NaCl处理条件下，小麦幼苗生长受到明显抑制，整株的鲜重和干重均显著下降[27]。发芽率、根长等也显著下降[13]。

本试验中，0.1 mol/L NaCl胁迫，水稻胚根数和幼苗受盐害影响最大，4份材料胚根数和幼苗株高下降值均极显著低于对照。其次对种子简易活力指数影响较大，主要表现在盐敏材料简易活力指数下降值极显著低于对照，而耐盐材料下降值与对照无显著差异，因此，盐胁迫下耐盐材料种子的萌发优于盐敏感材料[13,23]。相比而言，胚根长受盐胁迫的影响最小，1份盐敏材料和1份耐盐材料胚根长下降值极显著低于对照，分别为55.9%和22.8%这与刘丽云等[13]的结论一致。1份耐盐材料（‘宁粳56号’）的胚根长比对照高0.4%，此结果与NaCl浸种处理能提高杂交水稻种子的抗盐萌发及幼苗的生长能力[28-29]，从而增强杂交稻幼苗生长的抗逆性[30]的结论相似。在盐胁迫下，本试验中两份耐盐材料表现截然不同，可能与基因型及盐浓度有关，有待进一步研究。

3.2 各形态指标在盐胁迫下对外源IAA的响应效应

在盐分胁迫下施加外源激素可提高植物抗盐性，从而抵消盐分胁迫，促进植物生长[31]。当水稻遭受到一定浓度的盐胁迫而影响到其生长时，可通过施加一定浓度的IAA以解除盐胁迫的不利影响，而降低或抵消盐的胁迫效应。

本试验研究了水稻种子萌发期简易活力指数、胚根、幼苗株高对0.1 mol/L NaCl胁迫下的外源IAA和CaCl2响应特征。试验的4个形态指标中，外源IAA处理缓解幼苗盐害作用最大，4份材料的幼苗株高均极显著高于盐胁迫时的株高且趋于对照值。正如IAA处理可促进盐胁迫下大豆幼苗株高增加[32]，增强幼苗对盐渍环境的抵抗能力[33]一样。其次，IAA处理对胚根数和简易活力指数盐害具有一定缓解作用，虽然，3份材料显著甚至极显著高于盐胁迫值但仍显著低于对照。IAA处理对胚根长盐害缓解作用很小，50 mg/L IAA处理只能使胚根长高于胁迫值4.0%～13.6%。该结果与1 mg/L的IAA使盐处理条件下玉米的胚根长度明显增加[34]的结果相似。在本研究中100 mg/L IAA能不同程度恢复盐胁迫下胚根数和幼苗生长及简易活力指数，而3份材料胚根长却低于胁迫值8.7%～13.6%。但100 mg/L IAA是解除番茄幼苗在150 mg/L氯化钠胁迫下的最佳浓度[35]。因此，水稻种子萌发期在盐胁环境下，不同形态指标使用适当浓度的IAA才可以明显改善其相关生长特征，该结果已经在小麦研究中得到了证实[9-10]。

3.3 各形态指标在盐胁迫下对外源CaCl2的响应效应

外源CaCl2处理种子能提高胚乳中α-淀粉酶活性和游离氨基酸含量，从而缓解盐抑制种子萌发的效应[13]。还能使细胞产生大量的脯氨酸，缓和了盐胁迫对水稻幼苗根系的毒害，提高根系活力，从而提高水稻幼苗的抗盐能力[12]。还可提高盐胁迫下棉花种子的发芽率，增加幼苗株高和干物质量等[21]。

本研究也发现，外源CaCl2处理能极显著缓解盐胁迫对水稻胚根的伤害，从而提高了幼苗株高及简易活力指数。尤其简易活力指数上升值均超过对照值。并且钙离子对盐胁迫的缓解作用与基因相关。如盐敏材料幼苗株高超过对照14%以上，而耐盐材料却低于对照4%以下；盐敏材料的根长均超过对照，最高达49%。耐盐材料中1份根长仅高于对照11.9%，另1份根长反而低于对照0.2%。以上结果表明CaCl2处理缓解盐害的作用盐敏材料强于耐盐材料。该结果与CaCl2处理能促进小麦根生长，对盐敏感品种的缓解作用显著好于耐盐品种[13]一致。

3.4 各形态指标在盐胁迫下对外源IAA+CaCl2的响应效应

植物受到盐胁迫时，盐抑制了酶的活动，减缓生长素、细胞分裂素等促进生长的激素合成，而促进脱落酸、乙烯等的合成。它们的积累会加速植物衰老。外源钙处理能够减弱或改善盐胁迫次生伤害，提高植物的耐盐性。若用可溶性钙和IAA混合浸种，则能够互补两者对代谢和生长调控不足。

本研究采用IAA+CaCl2的复配处理，简易活力指数的响应程度最高，且盐敏材料极显著高于耐盐材料。100 mg/L IAA+CaCl2复配效果最好，超过对照值最高达到94.6%；其次，幼苗株高均极显著高于盐胁迫时的株高，且有3份材料的株高超过对照，1份材料接近对照。株高对CaCl2分别与2个浓度IAA复配的响应程度接近；IAA+CaCl2的复配处理能极显著提高盐胁迫时的胚根数，且胚根数对50 mg/L IAA+CaCl2的复配响应效应最好；虽然，50 mg/L IAA+CaCl2的复配处理也能极显著提高盐胁迫时的胚根长，但盐敏材料胚根长对CaCl2处理的响应效应最佳。

4 结论

不同基因型及形态指标对盐胁迫时的外源IAA和CaCl25种处理响应效应不同。4份不同基因型材料的简易活力指数对盐胁迫时的外源IAA和CaCl25种处理的的响应趋势基本一致，即NCT2＞NCT1＞NCT＞NT2＞NT1；3份不同基因型材料的胚根数对盐胁迫时的外源IAA和CaCl25种处理的响应趋势基本一致，即NCT1＞NCT2＞NCT＞NT2＞NT1；幼苗株高对IAA+CaCl2的响应效应较好，且两个浓度IAA和CaCl2复配处理无差异性；胚根长对盐胁迫时的外源IAA和CaCl2五种处理的响应效应表现为盐敏材料和耐盐材料的不同。盐敏材料对CaCl2处理响应效应最好，耐盐材料对CaCl2+50 mg/L IAA复配处理响应效应最好。获得这个结果的原因可能是由于盐敏材料和耐盐材料对盐害的抵御能力不同，其对外源物质的响应程度产生差异所致，所以，外源物质调节盐敏材料和耐盐材料的盐害时需要的浓度不同。以上结果适用于0.1 mol/L NaCl胁迫下，外源物质对水稻萌发期的3项形态指标的调控。另外，发芽皿试验虽然操作简单，但要精细否则容易污染，所以，进一步的试验采用盆栽法（盐碱土），获取的数据更接近田间试验。

近年来外源物质对植物响应盐胁迫调控方面的研究已取得重要进展，关于外源物质与耐盐性的研究大多停留在单一物质的生理效应上，不同外源物质复配的效应鲜有报道。本试验中，CaCl2+IAA复配处理对水稻响应盐胁迫的调控力强于单一外源物质处理，如IAA只能使盐敏材料简易活力指数高于对照2.6%和13.3%。CaCl2能使4份试材的简易活力指数高于对照9.6%～24.8%，盐敏材料的胚根长和株高均高于对照7.1%～49.0%和14.7%～20.9%。但经CaCl2+IAA复配处理，简易活力指数超过对照值最高达到94.6%。耐盐材料和盐敏材料胚根数均高于对照2.1%～21.2%。株高高于对照9.9%～20.3%。3项指标对外源CaCl2处理的响应程度高于IAA处理，但响应值并未都能高于对照，而CaCl2+IAA的复配处理却能使各项指标均不同程度高于对照，更有效的抵消盐害对水稻生长的抑制作用。在植物耐盐性反应中，往往不是一种物质，而是多种物质以一种相当复杂的方式协调起作用。今后，应加强多种物质的交互作用，即物质平衡效应的研究。