土地盐碱化已经成为人类面临的主要生态危机,也是制约农牧业发展的重要因素。盐土和苏打土广泛分布于100多个国家,覆盖全世界可耕地面积的10%左右,并且面积仍在不断扩大。东北松嫩平原的苏打盐碱地是世界上三大盐碱地之一,面积达到2.39×10⁶ hm^2[1],与滨海盐渍土(主要盐分NaCl)不同的是,松嫩平原盐碱土壤既有NaCl,同时也富含大量的NaHCO₃和Na₂CO₃,致使土壤pH值升高,因此植物不仅仅受到盐胁迫的伤害,还要受到破坏力更强的高pH碱胁迫伤害^[2-4]。

如何改良恢复退化盐碱土壤一直以来是人们关注的热点,而利用生物改良选育种植耐盐碱优质农作物无疑是最为经济有效的手段。燕麦(Avena sativa L.)是禾本科燕麦属一年生作物,它抗逆性强,适应范围广,对栽培土壤要求不严格,可以在盐碱土壤上良好生长,同时又具有丰富的营养价值,是干旱半干旱地区的优质粮饲兼用作物、绿色营养保健作物^[5-6],近年来也被广泛认为是盐碱地改良的优质作物,具有很高的研发前景。

目前对于植物抗逆性的研究多集中于粮食作物,如小麦^[7-8]、水稻^[9]以及抗性强的牧草,如碱蓬^[10]、羊草^[11]和虎尾草^[12]等,也初步明确了这些植物的抗盐碱机理。但是不同植物对盐碱胁迫的适应策略存在一定的差异,而对燕麦抗盐碱机理的研究还不多见,特别是关于其不同营养器官响应东北松嫩平原3种主要盐分胁迫伤害机理还从未见报道。为此,本文通过盆栽控制试验,用NaCl、NaHCO₃和Na₂CO₃模拟土壤盐分对燕麦进行胁迫处理,测定燕麦的生长情况及主要的生理变化,以明确燕麦抗盐碱机理,为燕麦的抗逆生理学研究及盐碱土的改良与恢复提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 植物材料

本试验所用燕麦种子(千粒重30 g)是由吉林省白城市农业科学院以加拿大引入的燕麦F4代(编号为B07046) 材料为基础,经系谱法选育而成的裸燕麦品种“白燕2号”,生育期为80—85 d,是一种小粒水浇类型燕麦新品种。

挑选饱满度一致的燕麦种子播种在直径20 cm,里面装有细沙的塑料花盆中,每盆定苗20株,置于室外人工搭建大棚中,注意遮雨。待幼苗出土以后,每天下午用Hoagland营养液进行透灌1次。

1.2 盐碱胁迫处理

根据前期预实验结果,分别配置不同浓度梯度(48,72,96,120,144 mmol/L)的NaCl,NaHCO₃和Na₂CO₃溶液,共模拟15种盐碱条件。通过pH计测定NaCl处理组pH范围7.03—7.16,NaHCO₃处理组pH范围9.84—10.39,Na₂CO₃处理组pH范围9.91—11.27。

挑选生长4周且长势一致的燕麦苗48盆,分为16组。其中1组为对照,其余的15组用于胁迫处理。每一处理3次重复。每天于17：00用含有相应混合盐的Hoagland营养液500 mL为处理液分3次进行透灌,对照组每天只浇灌Hoagland营养液,连续处理9 d。

1.3 生长与生理指标的测定

在最后一次处理后的第2天调查各处理下燕麦幼苗的存活率(存活株数/总株数=n/N)和株高,之后将每盆燕麦幼苗取出,并用自来水冲洗再用蒸馏水冲洗3遍,量取植株高度,并将茎叶与根分开,先在105℃烘干15 min,然后在70℃烘箱烘至恒重,称取茎叶与根的干重,同时计算茎叶的含水量。

将每盆燕麦幼苗干样剪碎,混匀后测量其余溶质含量。Na⁺和K⁺用原子吸收分光光度计(TAS-990,Purkinje General,北京)测定；Cl^-和NO₃^-与有机酸含量用DX-300离子色谱系统(DIONEX,Sunnyvale,USA)测定(离子测定条件：AS4A-SC离子交换柱,CDM-II 电导检测器,移动相为：Na₂CO₃/NaHCO₃ = 1.7/1.8 mmol/L；有机酸测定条件：ICE-AS6分析柱,CDM-II电导检测器,AMMS-ICE II干扰抑制器,移动相：0.4 mmol/L全氟丁酸,流速：1.0 mL/min,柱温：20℃)；脯氨酸含量采用水合茚三酮法进行测定。

2 数据统计分析

试验数据采用SPSS13.0统计软件进行单因素方差分析,结果用平均数±标准误表示,单因素方差分析(ANOVA)后做多重比较(LSD),显著水平为0.05。

3 结果与分析 3.1 3种盐分胁迫对燕麦幼苗生长的影响

各个浓度NaCl胁迫并不影响燕麦幼苗的存活率,NaHCO₃胁迫下只有在最高浓度144 mmol/L时,存活率比对照下降了13%(P＜0.05) ,而Na₂CO₃胁迫当浓度达到72 mmol/L时,存活率就显著下降了40%,当胁迫浓度增大到120 mmol/L以上时,存活率为0,达到完全致死的浓度(P<0.01) (图 1)。

在NaCl胁迫下,当浓度为48—120 mmol/L时分蘖数与对照相比并无显著差异,而在144 mmol/L时显著下降(P＜0.05) ；在NaHCO₃胁迫下,当浓度≤96 mmol/L时分蘖数与对照相比并无显著变化,而当胁迫浓度达到120 mmol/L时极显著下降(P<0.01) ,在最高胁迫浓度144 mmol/L下,与对照相比分蘖数下降了67%；在Na₂CO₃胁迫下,分蘖数均低于对照,随浓度增加分蘖数显著降低,当胁迫浓度＞96 mmol/L时,分蘖数为0(P<0.01) (图 1)。

在3种盐分胁迫下,随着浓度的增加,株高显著降低(P<0.05) ,降低幅度为NaCl＜NaHCO₃＜Na₂CO₃；根系长度表现出相似的变化规律,而在低浓度胁迫下,根系长度并未发生显著变化甚至略有升高(图 1)。

在3种盐分胁迫下,随着盐浓度的增加,各组处理的地上生物量均小于对照且NaHCO₃胁迫下的燕麦生物量高于NaCl,Na₂CO₃对茎叶生长的抑制作用明显大于NaCl和NaHCO₃的抑制作用；而在根中,NaCl胁迫并未对根系产生显著影响,而NaHCO₃与Na₂CO₃则显著降低根系生物量(P<0.05) ,Na₂CO₃对根生长的抑制作用同样最强(图 1)。

3.2 3种盐分胁迫对燕麦幼苗无机离子积累的影响

随着NaCl 、NaHCO₃和Na₂CO₃胁迫浓度的增大,根与茎叶中的Na⁺含量均显著上升(P<0.05) 。在144 mmol/LNaCl胁迫下,茎叶中Na⁺积累量是对照的7.4倍,根积累量是对照的6.5倍,而在此浓度NaHCO₃胁迫下,茎叶Na⁺积累量是对照的11.3倍,根积累量是对照的11.4倍,Na₂CO₃胁迫下,茎叶Na⁺积累量是对照的46.6倍,比NaHCO₃胁迫高出3.9倍,根积累是对照的42倍(图 2)。各胁迫处理下,K⁺含量则随胁迫浓度的增加呈下降趋势,与Na⁺变化趋势相反,无论茎叶还是根系中下降幅度均是NaCl＜NaHCO₃＜Na₂CO₃(P<0.05,图 2),并且根中K⁺含量更低。Na⁺/K⁺随着胁迫浓度的增加而显著增加,在最高胁迫浓度时,Na₂CO₃胁迫下的Na⁺/K⁺是相同浓度NaCl胁迫的4.7倍,根中更是高达13.2倍(图 2)。

随着NaCl胁迫浓度增加,Cl^-含量显著增加(P<0.01) ,而在2种碱性盐胁迫下变化却不大,茎叶中Cl^-含量在144 mmol/L盐胁迫下比对照高5.5倍,比相同浓度碱胁迫的高4.7倍(图 3),而NO₃^-含量在盐碱胁迫下均显著下降,NaHCO₃、Na₂CO₃胁迫下下降幅度更大(P<0.05 图 3)。另外,根系中表现出与茎叶相似的变化趋势(图 3)。

3.3 3种盐分胁迫对燕麦幼苗有机酸与脯氨酸含量的影响

随着3种盐胁迫浓度的增高,幼苗茎叶与根系中的脯氨酸含量均显著增加(P<0.05) ,增加幅度为Na₂CO₃＞NaHCO₃＞NaCl,在最高浓度胁迫下,NaCl,NaHCO₃和Na₂CO₃处理下茎叶中含量分别比对照增加了3.26倍、9.99倍和11.87倍,根系分别比对照增加了3.41倍、6.27倍和11.2倍(图 4)。

NaCl胁迫对燕麦幼苗茎叶与根中有机酸含量均无显著影响(图 4),而NaHCO₃和Na₂CO₃胁迫下,有机酸含量随盐浓度的增加而增大(P<0.05,图 4)。在最高胁迫浓度下,NaHCO₃茎叶中有机酸含量比对照高1.7倍,而Na₂CO₃比对照高4.1倍(图 4),NaHCO₃对根系中有酸含量比对照高的1.9倍,而Na₂CO₃比对照高4.6 倍,根系有机酸含量大于茎叶。

4 讨论

存活率是反应植物对外界逆境胁迫承受极限的重要指标。本研究结果表明,一定浓度的中性盐NaCl只是抑制了燕麦幼苗的正常生长,并不影响其存活,而两种碱性盐(NaHCO₃和Na₂CO₃)在高浓度下则均对幼苗有致死效应,并且Na₂CO₃的毒害作用更强,说明高浓度的碱性盐胁迫由于高pH的存在,超过了植物的适应阈值,能危及植物的生存,同时也说明燕麦对碱性盐的抵御能力较中性盐更低。此外,从图 1也可以得出相似结论,即碱性盐特别是Na₂CO₃对燕麦幼苗生长的抑制作用更强,这与前人的研究结果相似,主要是由于高pH能够破坏根系,打破植物体内离子平衡,使细胞代谢紊乱,为此植物需要付出更多的能量以抵御高pH伤害,所以燕麦幼苗在碱胁迫下受到的抑制作用更强。

植物在盐碱逆境下通常会积累大量的有毒Na⁺,并将其区隔至液泡中,使细胞免受毒害作用^[13],与此同时K⁺的吸收也会因Na⁺的积累而受到显著抑制,Na⁺和K⁺的代谢对植物适应盐碱胁迫具有重要意义。在本研究中,在3种盐分胁迫下,随着浓度的增加,燕麦幼苗根与茎叶均呈现Na⁺升高、K⁺下降并且Na⁺/K⁺增大的趋势,变化幅度为Na₂CO₃＞NaHCO₃＞NaCl,说明二价碱性盐Na₂CO₃对燕麦幼苗的伤害程度最大。通过分析不同营养器官Na⁺含量,可以发现燕麦幼苗在胁迫后根中积累Na⁺量更高,这也是其耐盐性的主要表征之一,说明根中存在某种特定的抑制机制,阻断有毒离子向地上运输,维持地上器官的正常生理功能^[14]。

在盐碱逆境下,无论是盐生植物还是甜土植物都会积累一定量的脯氨酸。通常来说,脯氨酸的积累量与植物对胁迫的抵御能力有一定的联系,植物体内脯氨酸积累越多,说明植物体的渗透调节能力就越强,对不良环境的抵抗力增强。与盐胁迫相比,碱性盐特别是2价碱性盐积累更多的脯氨酸,也主要由于碱性盐独有的高pH所引起,与此同时燕麦应答高pH的另外一个主要生理方式是积累具有缓冲作用的酸性代谢物即有机酸,其变化趋势与脯氨酸的变化相似,有机酸的积累可以有效的调节高pH值,使燕麦幼苗尽可能的趋于酸碱平衡,特别是在根系中尤为明显。前人也有研究表明,积累有机酸可以平衡由于碱胁迫引起的无机阴离子亏缺^[15],燕麦幼苗在碱胁迫下Cl^-与NO₃^-含量均随浓度升高呈下降趋势,积累有机酸也是植物应答碱胁迫区别于盐胁迫的主要生理表征。

综上所述：碱性盐Na₂CO₃与NaHCO₃对燕麦幼苗根与茎叶的胁迫伤害程度大于中性盐NaCl,并且Na₂CO₃的毒害效应最强,而燕麦幼苗面对不同的盐分胁迫伤害也有会产生不同的生理适应策略,NaCl胁迫下,燕麦幼苗积累大量的无机Cl^-和脯氨酸来维持细胞内的渗透与离子平衡,而NaHCO₃与Na₂CO₃胁迫造成了燕麦幼苗体内阴离子的亏缺,此时幼苗主要通过积累大量的有机酸和更多的脯氨酸来维持渗透与离子平衡。