盐与碱胁迫对燕麦离子平衡和有机酸含量的影响

李俊伟，刘景辉，王俊英，郭来春，王春龙，任长忠*

(1 内蒙古农业大学 农学院/杂粮产业协同创新中心，呼和浩特 010019；2 中国农业科学院 生物技术研究所，北京 100081；3 吉林省白城农业科学院，吉林白城 137000)

盐碱地是一种分布较广泛的土地资源，随着气候变化和灌溉农业的发展，盐碱地面积逐年扩大[1]。盐碱土壤类型多样，根据土壤含盐特征，可以将其区分为盐土和碱土两类[2-3]，由NaCl和Na2SO4引起的胁迫为盐胁迫，由NaHCO3和Na2CO3引起的胁迫为碱胁迫，盐胁迫、碱胁迫是两类不同的胁迫形式[4]，以往的研究主要集中在盐胁迫，对碱胁迫的研究报道较少，且研究不够深入。

目前，植物耐碱性研究主要局限在盐生植物上，如碱地肤[5]、星星草[6]、碱蓬[7]、虎尾草[8]、羊草[9]等，在少数几种作物上也有报道[10-13]，这些研究主要通过对比盐胁迫、碱胁迫之间的特征来探讨两类胁迫机制。研究结果表明，碱胁迫对植物体的影响明显大于盐胁迫[14]，碱胁迫的影响机制比盐胁迫更复杂[15]，其中，盐胁迫主要对植物造成离子胁迫[16]、渗透胁迫[17]和营养胁迫[18]，碱胁迫下的植物体则受到盐胁迫和pH胁迫的双重影响[19]。Na+/K+平衡是植物适应盐胁迫或碱胁迫的重要机制[20-21]，然而植物在适应盐胁迫与碱胁迫之间的离子平衡机制明显不同[22]。此外，植物在适应盐胁迫与碱胁迫之间的光合响应机制[23]、有机酸积累机制[24]和基因调控机制[25]也均存在差异。杨春武等[26]发现植物积累有机酸是其响应碱胁迫的特异方式，但各类植物响应碱胁迫的有机酸成分存在差异，例如柠檬酸是星星草响应碱胁迫的主要有机酸成分，而草酸是沙棘响应碱胁迫的主要有机酸成分。燕麦适应盐胁迫、碱胁迫的有机酸响应机制目前并不明确。

燕麦(AvenasativaL.)是全球高纬度地区的特色作物，具有较强的耐盐碱、耐寒、耐旱及耐土壤贫瘠的特性[27]，被称为盐碱地改良的先锋作物。本次研究设置不同浓度的盐胁迫、碱胁迫条件，通过比较盐胁迫、碱胁迫下燕麦叶片离子含量和有机酸含量变化，剖析燕麦对两类胁迫的响应机制，为耐盐碱燕麦品种的筛选、鉴别和利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料及处理液配置

试验使用的燕麦品种为‘白燕2号’，种子由吉林省白城市农业科学院提供。试验分别设置盐胁迫组和碱胁迫组，将两种中性盐NaCl、Na2SO4及两种碱性盐Na2CO3、NaHCO3均按摩尔比5∶1混合[28]，以霍格兰营养液为溶剂，参照文献[29]的方法，分别配制成50、100、150、200 mmol/L的盐处理溶液和碱处理溶液，对照组(CK)施加1/2 Hoagland营养液，其溶液pH 6.71；盐胁迫组溶液的pH 6.85～7.29，属于中性盐溶液；碱胁迫组溶液pH 9.31～9.49，碱性盐溶液的pH随浓度变化不明显。

1.2 材料培养与胁迫处理

试验于2020年在吉林省白城市农业科学院日光温室内进行，自然光照，温度为21～24 ℃。挑选30粒种子播种于塑料花盆内，每盆直径22 cm、高18 cm，盛放沙子5 kg，共播种30盆。将所有材料分成10组，每组3盆，作为3次重复，一组用于胁迫开始之前的取样，另设一组作为对照组(CK)，其余8组用于盐胁迫、碱胁迫处理。每2 d施加300 mL的1/2 Hoagland营养液以保持基质湿润，出苗后每盆定苗20株，待幼苗生长至三叶一心期开始盐碱胁迫处理。先取处理之前的一组材料，取10株测量株高，之后洗净称重；其余各处理组中，一组作为对照，继续施加1/2 Hoagland营养液，每2 d施加300 mL处理溶液，盐处理组和碱处理组分别施加等量的目标处理溶液。开始盐、碱胁迫时，为了避免盐激作用，按照每次增加1/4目标浓度的方法逐步提高胁迫浓度，达到目标浓度后继续处理，胁迫持续21 d，取样测定各项指标。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标取各处理组及其3次重复的植株，用蒸馏水冲洗干净，吸干表面水分，随机取10株样品用直尺测量植株株高，用分析天平称量鲜重，再将材料于105 ℃下杀青，于80 ℃烘干至恒重后称量干重，然后将叶片磨碎备用，其余样品冷冻保存备用。并据测量数据计算植株相对生长速率和含水率。

相对生长速率=(处理组植株株高/对照组植株株高)×100%；

含水率=(鲜重—干重)/鲜重×100%

1.3.3 叶片有机酸含量有机酸含量采用质谱检测方法，委托迪信泰检测科技有限公司测定，测定的有机酸种类包括柠檬酸、乌头酸、琥珀酸、苹果酸、草酸、甲酸、乙酸、乳酸这8种有机酸组分。取1 g新鲜叶片样品磨碎，加10 L 50 mmol/L的HCl在 80 ℃ 下提取2 h，离心取上清液，用超纯水定容至25 mL，得到有机酸提取液，利用Agilent 高效液相色谱仪配备二极管阵列检测器检测有机酸，测定条件：C18Hypersil ODS (250 mm×4.6 mm, 5 μm)，流动相为0.04 mmol/L 全氟丁酸，流速为0.5 mL/min，柱温为30 ℃，进样量为50 μL。

1.4 数据分析

用 SPSS 23.0 软件进行统计分析，差异显著性检验(α=0.05)采用 LSD 法。

2 结果与分析

2.1 盐、碱胁迫对燕麦植株生长速率和含水率的影响

图1显示：随着盐、碱胁迫浓度的升高，燕麦植株的相对生长速率和含水率均先升高后降低，且碱胁迫处理始终低于相同浓度的盐胁迫处理。其中，与对照(0 mmol/L)相比，低浓度盐胁迫一定程度促进了生长，但50～150 mmol/L浓度的影响均未达到显著水平，而200 mmol/L浓度的盐胁迫显著抑制了植株生长，且与其余盐浓度处理均差异显著；碱胁迫浓度越高，燕麦相对生长速率越低，并除50 mmol/L以外浓度的抑制均达到显著水平，且各碱胁迫浓度间也均差异显著；在200 mmol/L浓度下，燕麦株高生长速率在盐胁迫、碱胁迫下分别较对照显著降低18.57%和34.51%(图1，A)。同时，燕麦植株含水率在盐胁迫、碱胁迫下的变化趋势与相对生长速率一致；在200 mmol/L浓度下，盐胁迫、碱胁迫处理植株含水率较对照分别显著降低23.72%和28.8%(图1，B)。以上结果说明盐胁迫、碱胁迫对植株的生长及含水率均具有抑制作用，浓度越高抑制作用越强，且碱胁迫的影响始终大于同浓度盐胁迫。

盐或者碱胁迫内不同小写字母表示胁迫浓度间在0.05水平存在显著性差异，下同

2.2 盐、碱胁迫对燕麦叶片离子含量的影响

2.2.1 阳离子含量随着盐胁迫、碱胁迫浓度增加，燕麦叶片的Na+含量均逐渐增加，并且各浓度处理间均差异显著，碱胁迫处理始终高于相同浓度的盐胁迫处理；而燕麦叶片的K+、Ca2+和Mg2+含量均表现出逐渐降低的相同变化趋势，且碱胁迫处理的阳离子含量始终低于相同浓度的盐胁迫处理(图2)。其中，在200 mmol/L的盐和碱胁迫下，与对照(0 mmol/L)相比，燕麦叶片Na+的含量较对照分别显著增加320.62%和456.99%(图2，A)，K+含量分别显著降低14.98%和28.12%(图2，B)，Ca2+含量分别显著降低26.04%和59.17%(图2，C)，Mg2+含量分别显著降低27.03%和41.07%(图2，D)。

图2 盐和碱胁迫下燕麦叶片中阳离子含量的变化

同时，盐胁迫、碱胁迫导致燕麦植株体内原有的阳离子组分结构发生改变。以200 mmol/L盐、碱胁迫为例，燕麦叶片各阳离子占总阳离子含量的百分比如表1所示。其中，各阳离子含量百分比在CK条件下为K+>Na+>Ca2+>Mg2+，在盐胁迫下为K+>Na+>Ca2+>Mg2+，在碱胁迫下则为Na+>K+>Ca2+>Mg2+。燕麦植株叶片内的主要阳离子在CK条件下是K+，占总阳离子量的62.53%，在盐、碱胁迫下Na+是叶片中的主要盐离子，分别占总阳离子量的43.07%和54.36%，K+含量则分别降低至55.99%和45.14%。说明盐、碱胁迫均引起植株叶片 Na+相对含量大幅增加，并引起K+相对含量降低，碱胁迫的影响大于盐胁迫。燕麦叶片中Ca2+和Mg2+在阳离子中的相对含量较低，其相对含量在盐、碱胁迫下均降低。另外，由于燕麦植株的Na+含量大幅增加，而其他阳离子相对含量降低，从而引起植株内Na+/K+、Na+/Ca2+、Na+/Mg2+增加。

表1 盐和碱胁迫下燕麦叶片阳离子组分比例

图3 盐和碱胁迫下燕麦叶片中阴离子含量的变化

表2 盐和碱胁迫下燕麦叶片阴离子组分比例

2.3 盐、碱胁迫对燕麦叶片有机酸含量的影响

如图4所示，随着盐、碱胁迫浓度的增加，燕麦叶片柠檬酸、乌头酸、琥珀酸、苹果酸、草酸、乙酸和乳酸含量均表现出不同程度升高趋势，且碱胁迫始终明显高于相应浓度的盐胁迫处理，而其甲酸含量却有逐渐降低的趋势，且碱胁迫始终明显低于相应浓度的盐胁迫处理。其中，燕麦叶片琥珀酸、乙酸和乳酸含量在各浓度盐胁迫下均无显著变化，与相应对照均无显著差异；其叶片苹果酸含量在50～150 mmol/L盐胁迫下也无显著变化，仅在盐浓度达到200 mmol/L时比对照显著升高；叶片柠檬酸、乌头酸和草酸含量在50和100 mmol/L盐胁迫下也无显著变化，在150和200 mmol/L盐胁迫时比对照显著升高。燕麦叶片柠檬酸、乌头酸、琥珀酸、苹果酸、草酸、乙酸和乳酸含量在50 mmol/L碱胁迫下均比对照显著升高，且碱浓度越高有机酸含量越高；在150和200 mmol/L碱胁迫下，叶片乌头酸含量仍显著增加，而其他有机酸含量随着碱浓度升高变化不明显。总之，碱胁迫对燕麦叶片中各有机酸含量的影响大于盐胁迫。

图4 盐和碱胁迫下燕麦叶片有机酸含量的变化

同时，燕麦叶片有机酸组分结构在不同环境条件下也有所差异(表3)。其中，以200 mmol/L盐、碱胁迫为例，在CK条件下，叶片各有机酸组分的含量次序为：柠檬酸>乌头酸>苹果酸>琥珀酸>乙酸>乳酸>甲酸>草酸，柠檬酸和乌头酸是主要有机酸组分，分别占总有机酸含量的31.86%和29.81%，其他有机酸相对含量较少；在200 mmol/L盐、碱胁迫下，叶片各有机酸组分的含量均表现为：乌头酸>柠檬酸>琥珀酸>苹果酸>乳酸>甲酸>乙酸>草酸，乌头酸是碱胁迫条件下的主要有机酸，占有机酸总量的52.94%，其次是柠檬酸，占总有机酸总量的23.36%，随后琥珀酸、苹果酸的相对含量依次减小。草酸、甲酸、乙酸和乳酸在各环境条件下均属于低含量有机酸。

表3 盐和碱胁迫下燕麦叶片有机酸组分比例

2.4 燕麦叶片各类离子浓度的相关性分析

图5 盐(A)和碱胁迫(B)下盐碱浓度及燕麦叶片中各离子含量的相关性分析

3 讨 论

3.1 盐、碱胁迫对燕麦生长速率和含水率影响

生长相关指标是反映植物对环境适应的直接指标。本次研究结果表明，不高于100 mmol/L的盐胁迫处理能够提高燕麦植株的水分含量，刺激植株干物质量积累，促进植株生长，这一结果与前人研究结果一致[31-32]；高浓度盐胁迫抑制燕麦生长，降低植株的含水率，影响植物的生长。盐胁迫同时对细胞造成渗透胁迫和离子毒害，盐胁迫的次级影响较复杂，包括导致氧化胁迫以及破坏膜脂、蛋白质和核酸等细胞组分，并引起代谢紊乱，最终影响植株生长[33-35]。碱胁迫对燕麦植株生长速率的影响大于盐胁迫，且随着胁迫浓度升高，植株生长受到的抑制作用更加强烈，200 mmol/L碱胁迫引起部分植株失水萎蔫或死亡。Yang等[11]认为，植株在碱胁迫下不仅要抵御渗透胁迫和维持离子平衡，同时需要消耗营养物质和能量来调节根系环境的pH值，认为双重胁迫因子是碱胁迫对植物体影响大于盐胁迫的主要原因。

3.2 盐、碱胁迫对燕麦离子平衡影响机制的比较

3.3 盐、碱胁迫对燕麦有机酸影响机制的比较