张 超, 马晓丽, 卢晓峰, 李 刚, 耿怡爽, 孙云保, 杨修一, 耿计彪
(1.金沂蒙集团有限公司,山东临沭 276700; 2.山东省水土保持与环境保育重点实验室/临沂大学资源环境学院,山东临沂 276005;3.中华联合财产保险股份有限公司山东分公司,山东济南 25000)
土壤盐分是一种主要的非生物胁迫,对全球作物生产和农业可持续发展产生不利影响[1]。它通过离子效应抑制作物组织和器官生长,导致作物无法吸收足够的水分与营养,造成发育迟缓[2-3]。棉花被认为是一种中度耐盐作物,但其在萌发和幼苗生长期对盐度较为敏感[4]。盐分会导致细胞离子毒性和渗透调节过程的不平衡,降低叶绿素含量,影响抗氧化酶活性,抑制棉苗生长[5]。盐胁迫也会降低初生根和侧根的生长,降低根生物量。当盐在土壤剖面内分布不均匀时,根系通过吸收低盐度土壤区域的营养元素来调整其形态[6]。因此,通过合理的农艺管理措施(如适当施用肥料或植物生长调节剂),消除盐分胁迫导致的种子萌发和出苗障碍,是保证盐碱地棉苗齐整的重要措施。
以NaCl溶液模拟盐分胁迫,种植前每盆浇灌500 mL含150 mmol/L NaCl 的霍兰格营养液,然后进行覆膜。播种后的第二周和第四周分别浇灌相同溶液,于6月10号收获棉苗。
1.3.1 农艺性状测定 收获时,将幼苗从花盆中倒出,用纱网整体包住根部,采用清水冲洗根上的泥土,分为根系和地上2个部分。用直尺测定土壤表面至主茎生长点的长度,作为株高;用游标卡尺测量基部的茎粗。待根系和叶片指标测定完成后,分别放入不同纸袋,置于75 ℃烘箱烘至恒质量,称量各部分质量。根据根生物量与地上部器官生物量的比值计算根冠比。
1.3.3 根系形态和活力测定 根系洗净后采用平板图像扫描仪(Epson Expression/STD LC-4800)进行扫描,并通过WinRhizo软件对图像进行分析,以确定根的体积、长度、直径、表面积和根尖数量。用氯化三苯基四氮唑比色法[17]测定根系的还原能力。
运用Microsoft Excel 2010对数据进行预处理,采用SAS 9.2统计分析系统(SAS Institute,Cary,NC,2010)进行方差分析(ANOVAs)和差异显著性分析。使用SigmaPlot 10软件进行作图。
表1 甲哌对棉花幼苗生物量的影响
环境胁迫会抑制棉花的生长或致其死亡,尽管棉花被视为中度耐盐碱作物,但其在种子萌发和幼苗阶段对盐度的敏感性高于发育后期[18],度过种苗期,盐分对棉株的伤害便逐渐减缓。盐分胁迫主要通过限制根系对营养离子的吸收,导致盐分离子富集和渗透调节失衡[19]。本研究表明,在土壤中施用甲哌后,棉花幼苗株高下降,这可能由于甲哌可抑制赤霉素(GA)代谢基因和生物合成,降低了内源性GA的水平,抑制细胞伸长,导致植株高度降低[20],这一结果与于起庆等的研究结论[21]一致。甲哌增加了盐胁迫下幼苗的茎粗,形成“矮壮苗”,此种生长模式更利于提高幼苗对环境胁迫的抵抗,为后期的开花和结铃奠定基础[22]。
根系是棉花与环境进行能量和物质交换的重要器官,构建良好根系形态对冠层发育和产量构成具有显著影响[23]。盐胁迫可降低根系对养分和水分的吸收率,影响根系生长[24]。本试验中,甲哌显著增加了根生物量,且随施用量的增加呈现先增后减的趋势。由于根系是接触甲哌的首要器官,甲哌被吸收后,对根系的影响较为显著。这表明盐分胁迫下,根的生长对甲哌的敏感性高于茎、叶,协调了地上和地下生物的分配,增加幼苗抗盐性能。在棉花种子上喷施甲哌的试验,也得出类似结果[12]。
表2 甲哌对棉花幼苗根系形态的影响
叶绿素是与光合性能直接相关的重要生理指标,轻度环境胁迫会增加叶片叶绿素含量[5]。本研究中12、16 mg/kg甲哌处理的叶绿素a含量高于对照,但最低(4 mg/kg)和最高(24 mg/kg)处理的含量与对照组无差异;而叶绿素b含量除12 mg/kg处理显著高于对照外,其余处理间均无显著差异。表明甲哌对叶绿素a的影响大于叶绿素b,这是由于胁迫条件下叶绿素降解过程中,叶绿素b易转化为叶绿素a[28],导致叶绿素a/b比值变大;而叶绿素a和叶绿素b总值的增加会提升棉株光合作用,促进有机物积累,为高产奠定物质基础,这与郑青松等用甲哌浸种得出的结果[29]一致。
活性氧(ROS)是具有氧化能力的分子、离子和自由基,作为信号分子参与作物生长发育和非生物胁迫应答等过程[30-31]。盐胁迫会导致棉花叶片ROS增加,并引发膜脂过氧化作用,破坏细胞膜系统[32]。本研究表明,12~16 mg/kg甲哌处理显著降低了超氧阴离子自由基和H2O2的产生量,减少丙二醛的产生,这与王宁等采用甲哌浸种的结果[13]相似。甲哌的应用提高了CAT和POD的活性,不同用量之间CAT活性变化较大。这可能是由于CAT的活性主要受遗传效应-环境交互作用的控制[33],CAT的变化对甲哌更敏感。本研究中低-中浓度施用甲哌(4~16 mg/kg)可以提高SOD活性,而在最高施用量(24 mg/kg)时,SOD活性与对照组无显著差异,这可能是由于高浓度的甲哌对棉花幼苗产生了毒性。综上,在盐分胁迫下,土施甲哌使抗氧化酶的活性增强,丙二醛的积累减少,膜脂过氧化损伤减少,延缓了叶片衰老。