盐胁迫和外源物对人工合成小麦发芽及生长生理影响

胡 文，万洪深，何 娟，李 俊，杨武云，肖 春，雷建容，杨 晶，杨玉敏，3*

（1.四川省农业科学院农业资源与环境研究所，成都 610066；2.四川省农业科学院作物研究所，成都 610066；3.农业农村部西南地区小麦生物学与遗传育种重点实验室，成都 610066）

土壤盐碱化是土壤中积聚盐分形成盐碱土的过程，主要危害是造成土地退化、农作物减产或绝收，影响植被生长并间接造成生态环境恶化[1]。目前，中国的土壤盐碱化非常严重，据第2次全国土壤普查资料显示，中国盐碱土面积为3 455.3万hm2，其中耕地面积为569.4 万hm2，占到总耕地面积的16.5%[2]，严重威胁农作物正常生长和产量。小麦作为我国最重要的口粮，是三大主要粮食作物之一，盐碱化抑制了小麦的生长发育，降低了小麦的繁殖能力和产量，甚至绝产[3]。同时，盐胁迫会阻碍小麦对于水分的吸收，降低养分吸收。因此，了解耐盐遗传机理是高盐环境下提高小麦生产力的基础。

近年来，国内外耐盐研究聚焦于筛选耐盐材料及其相关机理研究。筛选耐盐材料首先要解决耐盐指标选择的问题。小麦常用耐盐参数有生长和生理生化指标。生长指标主要有种子发芽率、幼苗存活率、根长、苗高、苗重、分蘖数和籽粒产量等。萌发期耐盐参数主要有种子发芽率、发芽指数和活力指数；苗期耐盐主要比较幼苗存活率、生长量（苗长、根长和苗重）。耐盐评价有时以田间全生育期的鉴定结果为依据，一般比较盐胁迫条件下种子发芽率、苗期成活率、株高、生长量以及籽粒产量等指标[4]。愈伤组织生长或小麦胚芽鞘长度可作为耐盐筛选的有用指标。耐盐常用的生理生化指标主要有植株地上部分的K+/Na+比、叶绿素含量、叶片细胞膜透性、质膜和液泡膜H+-ATPase 活性、SOD 酶活性、多胺含量、叶片游离脯氨酸含量、羟脯氨酸、糖蛋白中糖分含量、叶和根中甘氨酸甜菜碱含量、气孔导度、根质膜活性、液泡膜和液泡Na+/H+变化、K+通量测量等。

人工合成小麦遗传变异丰富，具有丰富的高产、优质、抗病和抗逆基因，对丰富小麦遗传变异和利用其优异基因具有重要意义。为利用两长势差异明显的人工合成小麦S79 和S80，本研究评价了这2 份材料6 个不同盐浓度和3 种外源物处理下种子萌发、苗期生长和苗期的生理生化响应。

1 材料和方法

1.1 试验材料

材料S79 和S80，由相同硬粒小麦DOY1（2n=28，AABB）与不同节节麦（2n=14，DD）杂交产生。S79 系谱为DOY1/AT333，S80 的为DOY1/AT428，这两份材料AB 基因组均来自相同供体DOY1，D基因组分别来自不同节节麦AT333 和AT428。材料S79和S80具有相同AB基因组和不同D基因组。

1.2 试验设计

选籽粒饱满、大小一致的种子，经2.5%次氯酸消毒15 min，蒸馏水冲洗干净。（26±1） ℃黑暗条件下设置3 种浸种处理，分别为：①蒸馏水；②0.5%H2O2；③50 mmol/L GA3，浸种20 h催芽。催芽后，选出露白一致的种子，置于铺好滤纸的发芽盒内，设置浓度为0、0.15%、0.30%、0.45%、0.60%和0.75%的6个NaCl溶液浓度，每个盐浓度3次重复，每重复100粒种子，放在温度为（26±1） ℃的培养箱中培养。幼苗长至2 叶1 心时，选择长势一致的幼苗测生长指标、生理生化指标，计算盐害指数。

1.3 测定指标与方法

①生长指标：培养3 d测胚芽鞘长度和发芽势。培养6 天调查发芽率和发芽指数，以芽长等于种子长度的一半，根长等于种子长度为发芽标准，调查发芽数；培养8 d 调查发芽率，调查根长、根数、根重、苗高、苗重以及生长速率。②生理生化指标：脯氨酸含量、质膜相对透性、α-淀粉酶活性、可溶性糖、可溶性蛋白质和膜脂过氧化酶（SOD、MDA、CAT、POD）。③调查盐害：根据公式计算盐/碱害指数/%=(对照发芽率-胁迫下发芽率)/对照发芽率×100。指标检测参照王康君等[5]的实验方法。

1.4 数据处理

所有数据采用Microsoft Excel 进行整理，采用SPSS 24.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同浸种和不同盐浓度处理对小麦萌芽的影响

发芽势决定出苗的整齐度，反映种子生命力强弱。由图1 数据可看出人工合成小麦S79 和S80 发芽势随着盐浓度的提高发芽势整体呈现逐渐降低的趋势，当NaCl 处理浓度为0.60%时S79 和S80 发芽势均会出现一次增加，再次提升盐浓度后降低。加入外源物质H2O2和GA3后，6 个盐处理浓度下均提高了发芽势，与对照（NaCl浓度为0），盐浓度处理下外源物质H2O2和GA3提升发芽势的效果更明显。S79 和S80 发芽势差异显著，不同处理以及不同盐浓度下S80 的发芽势均显著高于S79，由此可知，亲本S80在盐浓度下的发芽整齐度优于S79。

图1 不同浸种处理在不同盐浓度下人工合成小麦的发芽Figure 1 Effects of different leaching treatments on the germination of synthetic wheat at different salt concentration

盐浓度影响人工合成小麦的发芽率。随盐浓度的提高，两人工合成小麦的发芽率先增后减。当盐处理浓度为0.15%，发芽率达到顶峰；盐处理浓度超过0.15%后开始下降。由此可看出，种子在萌发的过程中也需要Na+，但过量的Na+又会打乱其生理代谢，降低发芽率。由图1 也可看出人工合成小麦S80 在蒸馏水、H2O2和GA33 种处理的6 个盐浓度下发芽率都显著优于S79。

盐浓度越高对两个人工合成小麦萌芽产生的危害越严重，见表1。使用外源物质H2O2和GA3可显著缓解盐对种子萌发及幼苗期的毒害。计算两种外源物质和两个亲本材料盐害指数降低程度发现，添加外源物质H2O2时S79和S80盐害指数降低程度相近，S79在添加H2O2时盐害指数降低程度优于GA3，添加外源物质GA3时S80 盐害指数降低程度比S79 更明显，由此可知，S79材料适合使用H2O2外源物质缓解盐害，S80材料适合使用GA3外源物质缓解盐害。

表1 不同浸种处理在不同盐浓度下人工合成小麦的盐害指数Table 1 Effects of different leaching treatments on the salt injury index of synthetic wheat at different salt content %

2.2 不同浸种和不同盐浓度处理对小麦幼苗生长的影响

由图2 可看出，盐胁迫会影响人工合成小麦S79 和S80 幼苗期生长。与对照（NaCl 浓度为0）比较，在5个水平的盐浓度下人工合成小麦S79和S80幼苗的根长、根数、根鲜重、苗高和苗鲜重都随盐浓度的增加而降低，生长速率也逐渐降低。尤其是盐浓度增加到0.30%以后，生长严重受影响，除根数以外，根长、根鲜重、苗高和苗鲜重明显下降。

图2 不同浸种处理在不同盐浓度下人工合成小麦幼苗的生长Figure 2 The growth of wheat seedlings artificially synthesized under different salt concentrations

其次，添加外源物质H2O2和GA3后，6个盐处理浓度下S79和S80两份小麦材料的根长、根数、苗高以及单株根重和苗重均有所提高。与蒸馏水处理相比较，H2O2处理下两种试验小麦的根长、单株根数、单株根重、苗高、单株苗重和生长速率分别提高了5.22%、4.57%、5.31%、5.05%、17.32%和17.51%（6个盐浓度下的平均值）；GA3处理下两种试验小麦的根长、单株根数、单株根重、苗高、单株苗重和生长速率分别提高了12.82%、9.45%、17.84%、7.06%、36.73%和36.73%。由此可看出，H2O2和GA3均可减缓盐胁迫对小麦生长的影响，GA3的效果明显强于H2O2，可作为缓解盐胁迫对人工合成小麦萌发和幼苗生长毒害的物质之一。

另外，根据图2 也可看出，S79 和S80 两份小麦材料在不同盐浓度下，其幼苗生长的响应差异较大，在蒸馏水、H2O2和GA33 个处理以及6 个盐浓度下，S80小麦的所有生长指标均显著高于S79。其中以根鲜重、苗鲜重和生长速率表现最明显，蒸馏水处理下S80 根鲜重、苗鲜重和生长速率平均比S79高34.89%、20.11%和20.11%（6 个盐浓度下的平均值），H2O2处理下S80 根鲜重、苗鲜重和生长速率平均比S79 高30.03%、20.70%和20.70%，GA3处理下S80 根鲜重、苗鲜重和生长速率平均比S79 高33.34%、20.03%和20.03%。由此可以看出，S80 在不同盐浓度处理下幼苗的生长优于S79，S80的耐盐性显著优于S79。

2.3 不同浸种和不同盐浓度处理对小麦幼苗生理生化指标的影响

盐胁迫主要是通过破坏细胞膜的结构和功能来影响作物生长[6]，由图3 可看出，盐胁迫导致了人工合成小麦S79 和S80 的质膜相对透性提高，且随着盐浓度的增加，质膜相对透性呈显著提高趋势，说明此时S79和S80小麦已经遭受了盐害。植物在逆境环境下会积累脯氨酸来应对不良环境造成的危害，数据显示，盐胁迫下人工合成小麦幼苗体内分泌的脯氨酸增加，且随着盐浓度的提高，脯氨酸含量呈上升的趋势。在蒸馏水处理以及盐浓度为0时，S80 体内脯氨酸含量略低于S79体内的含量，当进行盐处理或添加外源物质时，S80 体内脯氨酸含量超过了S79 体内的含量，说明S80 对外界环境变化的响应度更高，在受到盐害时会分泌更多的脯氨酸来保护生长，具有更强的耐盐性。

图3 不同浸种处理在不同盐浓度下人工合成小麦幼苗的生理生化指标Figure 3 Physiological and biochemical indicators of artificially synthesized wheat seedlings at different salt concentrations

盐胁迫也影响了小麦体内ɑ-淀粉酶、可溶性糖以及可溶性蛋白的含量，由图3也可看出，随着盐浓度的提高，S79 和S80 小麦幼苗体内ɑ-淀粉酶活性和可溶性蛋白逐渐降低，可溶性糖逐渐升高。添加外源物质H2O2和GA3后，S79 和S80 幼苗体内ɑ-淀粉酶、可溶性蛋白含量有所增加，可溶性糖含量有所减少，且与蒸馏水处理相比，GA3处理后小麦幼苗体内ɑ-淀粉酶、可溶性蛋白平均含量分别增加了16.05%、11.26%（6个盐浓度下的平均值），可溶性糖平均含量降低了7.74%，均高于H2O2，可见添加GA3的效果更加显著。另外，在3种处理下，当盐浓度较低时（0～0.3%）S79和S80小麦幼苗体内ɑ-淀粉酶、可溶性糖以及可溶性蛋白的含量差异不明显，甚至出现S79高于S80；当盐浓度较高时（≥0.45%），S80小麦幼苗体内ɑ-淀粉酶、可溶性糖以及可溶性蛋白的含量显著高于S79，可见S80小麦耐盐性优于S79。

膜质过氧化酶（SOD、POD、CAT、MDA）活性的高低与植物抗逆能力有关。通过图3 可以看出，随着盐处理浓度的提高，导致S79 和S80 幼苗体内SOD、POD 和CAT 活性逐渐降低，MDA 含量逐渐增高。使用外源物质GA3处理后小麦幼苗体内SOD、POD、CAT 平均活性分别为42.43、32.57 和32.19 U/g，高于蒸馏水处理的36.62、28.30 和28.73 U/g 以及H2O2处理的40.19、31.26 和30.69 U/g；MDA 含量为9.19 µmol/g，低于蒸馏水处理的10.36 µmol/g 以及H2O2处理的9.57 µmol/g。由此可见外源物质GA3缓解盐胁迫对小麦幼苗体内膜质过氧化酶影响的效果优于H2O2。通过对比S79和S80品种间的差异发现，S80 小麦幼苗体内的SOD、POD、CAT 活性以及MDA含量均要高于S79。

3 讨论与结论

盐胁迫会产生离子过量、离子亏缺和渗透胁迫[7]，因此会造成离子平衡失调或离子毒害、体内活性氧的产生与清除发生代谢紊乱，造成细胞氧化损伤以及膜系统伤害，叶绿素和光合作用下降，进而抑制作物的正常发育，导致产量、品质下降[8]。试验结果发现，低浓度的盐（0.15%）会促进人工合成小麦种子的萌芽，高浓度盐（>0.15%）会抑制小麦种子萌芽，与前人研究结果一致[9-10]。同时，盐处理下，人工合成小麦幼苗体内的SOD、POD、CAT抗氧化酶活性显著降低，MDA 含量显著增加，导致幼苗生长受到显著影响，根长、根鲜重、苗高和苗鲜重明显下降，形成盐害，最终造成产量减少。植物在盐胁迫环境下，会激发自我保护机制来保证自身的生长发育，为了应对盐胁迫，植物会激活渗透作用、光合作用、离子吸收、激素分布等生理生化机制，以减轻高浓度盐带来的危害[11-14]。而不同植物或者同一植物不同品种间适应盐碱环境的能力也存在较大差异[15]，存在基因型差异。本次研究中，通过对比人工合成小麦S79和S80发现，S80小麦在盐胁迫下种子萌芽、幼苗生长以及生理代谢都要优于S79，由此说明S80 人工合成小麦缓解盐害的能力更强，适合进一步作为小麦耐盐遗传改良或精细定位基础材料，解析耐盐材料的遗传差异。

在盐胁迫环境下，外源物质可以通过调控植物生理生化、活性氧、代谢酶等来保持离子平衡、增强光合作用、渗透调节作用及抗氧化酶活性改善种子萌芽和幼苗生长[16]。试验结果表明，H2O2和GA3两种外源物质均在不同程度缓解了盐胁迫对小麦种子萌芽和幼苗生长的影响，有效降低了小麦MDA含量及盐害指数，增加了幼苗抗氧化酶活性以及生长速率，结果一致。对比两种外源物质效果发现，GA3的效果更优，缓解人工合成小麦盐害的能力更好。

4 结论

盐胁迫会显著降低人工合成小麦S79和S80的幼苗期的发芽势、发芽率、根长、根重、苗高和苗重，增加脯氨酸含量、质膜相对透性、可溶性糖和MDA含量，降低了ɑ-淀粉酶活性、可溶蛋白质含量以及SOD、POD和CAT活性。盐胁迫下，使用H2O2和GA3可有效地缓解盐胁迫对人工合成小麦在萌发期和幼苗期导致的生长和生理危害，GA3的效果更优。人工合成小麦S79和S80在耐盐性的表现存在显著差异，S80小麦具有更强的耐盐能力。