外源甜菜堿對NaCl脅迫下玉米幼苗生長和葉綠素含量的影響

楊曉云++宋濤++劉輝++王紅

摘要：以玉米（Zea mays L.）幼苗為材料，通過水培試驗，研究了不同濃度的外源甜菜堿對NaCl脅迫下玉米幼苗地上部、根系生長和葉綠素含量的影響。結果表明，在150 mmol/L NaCl脅迫下，不同濃度甜菜堿處理均能緩解NaCl脅迫對玉米幼苗的傷害，促進其生長，其中1.00 mmol/L甜菜堿處理的各項指標均優(yōu)于其他濃度處理，與NaCl脅迫對照相比，其幼苗的株高、地上鮮重、根鮮重、地上干重和根干重分別提高了16.59%、14.35%、26.41%、32.63%和69.43%，葉綠素含量增加了24.27%，幼苗的總根長、總表面積、根體積、總分支數(shù)、總交叉數(shù)和根系活力分別提高了118.70%、71.38%、28.25%、176.15%、169.15%和63.99%，根系直徑降低了30.25%。說明外源甜菜堿可通過促進幼苗的生長、增強根的吸收能力來緩解NaCl脅迫對玉米幼苗生長的抑制，且以1.00 mmol/L甜菜堿處理的緩解效果最好。

關鍵詞：甜菜堿；NaCl脅迫；玉米（Zea mays L.）幼苗；根系生長；葉綠素含量

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）05-0830-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.008

Effects of Exogenous Glycine Betaine on the Growth and Chlorophyll Content of Maize Seedlings under NaCl Stress

YANG Xiao-yun1，2， SONG Tao1， LIU Hui3， WANG Hong1

（1.Kingenta Ecological Engineering Group Co. Ltd.，Linshu 276700，Shandong，China；

2.State Key Laboratory of Nutrition Resources Integrated Utilization，Linshu 276700，Shandong，China；

3.Key Laboratory of Plant and New Fertilizer R & D，Ministry of Agriculture，P.R. China，Linshu 276700，Shandong，China）

Abstract： The experiment was carried out to study the effects of exogenous glycine betaine on the growth， root and chlorophyll content of maize（Zea mays L.） seedlings under NaCl stress in nutrient solution culture. The results showed that all growth indicators of maize seedlings were improved in different extent by supplying different concentrations of glycine betaine compared with 150 mmol/L NaCl treatment. The performance of all indicators under 1.00 mmol/L glycine betaine treatment were superior to the others. Compared with the NaCl stress treatment，its plant height，upper ground weight，root weight，shoot dry weight and root dry weight of an individual plant of seedlings was improved by 16.59%，14.35%，26.41%，32.63% and 69.43% respectively；chlorophyll content increased by 24.27%；total root length，（surface） area，volume，root total count，root system to the total number of cross and root activity was improved by 118.70%，71.38%，28.25%，176.15%，169.15% and 63.99% respectively； the root diameter was significantly reduced by 30.25%. The research illustrated that exogenous glycine betaine could improve the root activity and alleviate the inhibition of seeding growth under NaCl stress by promoting the growth of maize seedings. The mitigation effect of 1.00 mmol/L glycine betaine treatment was the best.

Key words： exogenous glycine betaine； NaCl stress； maize（Zea mays L.） seedlings； root growth； chlorophyll content

據(jù)統(tǒng)計，全世界有鹽堿地10億hm2，約占陸地總面積的1/3，中國約有667萬hm2，與此同時，不適當?shù)霓r業(yè)措施又造成了大量良田的次生鹽漬化，使世界農業(yè)面臨著極大挑戰(zhàn)[1-3]。隨著人口的增加和耕地面積的日益減少，開發(fā)利用鹽堿地變得越來越重要[4]。玉米（Zea mays L.）是中國主要的糧食種植作物，是中國旱地作物種植面積最大的一種作物，其地位僅次于水稻，現(xiàn)居世界第二位[5]。由于玉米抵抗鹽堿的能力較弱，當其受到外界環(huán)境的鹽堿脅迫等逆境條件傷害時，經常會導致種子的不正常萌發(fā)進而導致玉米幼苗出苗不齊、不全、苗不健壯等一系列的現(xiàn)象，嚴重的時候還會影響到玉米的整體產量。因此，有必要針對中國土壤鹽堿化面積不斷增加的嚴峻形勢，進一步對玉米在幼苗期的耐鹽堿的生理機制進行分析研究，以便更深入地了解玉米幼苗期對鹽堿脅迫的響應機理。

甜菜堿是植物體內一種非毒性小分子滲透調節(jié)物質，在鹽堿、干旱、高溫、寒冷等非生物脅迫條件下，高等植物28個科中都有甜菜堿的分布，特別是藜科與禾本科能積累大量的甜菜堿。甜菜堿可以通過參與滲透調節(jié)、影響離子的吸收與轉移、穩(wěn)定酶和細胞膜結構、清除自由基、保護光合系統(tǒng)等方式來提高植物的抗逆性[6-8]。

外源甜菜堿可增強番茄[9]、水稻[10]、小麥[11，12]、大麥[13]等作物的耐鹽性，主要表現(xiàn)在對滲透調節(jié)物質、細胞質膜透性、離子吸收平衡的影響以及光合功能的改善。但這些研究甜菜堿的應用主要采用噴施的方法，而且主要集中于地上部分，而關于根施甜菜堿提高作物耐鹽性以及對作物根系影響方面的研究甚少。本試驗采用水培試驗方法，以玉米幼苗為試驗材料，通過根施甜菜堿，研究了甜菜堿對NaCl脅迫下玉米幼苗、根系生長和幼苗葉綠素含量的影響，旨在為鹽堿地區(qū)玉米的栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年8-9月在山東省金正大研究院實驗室進行，供試玉米品種為魯單981。

1.2 試驗設計

對玉米幼苗進行適當濃度的鹽脅迫（150 mmol/L NaCl）處理。在此試驗中，玉米幼苗在相同濃度的NaCl脅迫下進行不同濃度的甜菜堿處理（表1）。

1.3 試驗方法

挑選發(fā)育飽滿、大小一致的玉米種子，用70%乙醇處理3 min，1%（V/V）次氯酸鈉消毒10 min，無菌水沖洗3次。

然后播在鋪有濾紙的托盤中，在LRH-250-G光照培養(yǎng)箱[25 ℃（晝）/15 ℃（夜）]中催芽。

幼苗出芽后7 d移到Hoagland營養(yǎng)液中在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，光照度60 μmol/（m2·s），光照時間每天14 h。

待幼苗長至2葉1心時取生長一致的幼苗分別移至裝有Hoagland溶液的塑料水槽中，用氣泵間歇通氣（30 min/h）培養(yǎng)。

在營養(yǎng)液中添加分析純NaCl和甜菜堿進行處理（表1）。為避免沖擊（Shock）效應，采用濃度遞增法逐步增加溶液中NaCl的濃度[14]，即第一天加入濃度為終濃度1/4的NaCl，第二天加入濃度為終濃度1/2的NaCl，第三天達到最終濃度。處理期間每2 d換1次營養(yǎng)液。每個處理設3個重復，在最終濃度下生長10 d后采樣測定指標。

1.4 指標測定方法

生長指標：第10天，選取10株幼苗，洗凈晾干，測株高、根長。然后將植株放入烘箱以105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重后稱量地上部干重、根干重。根長、根表面積以及根平均直徑等采用W RHIZO全自動根系分析系統(tǒng)（加拿大Regent Instruments Inc公司）測定。

生理指標：葉綠素含量采用SPAD-502 Plus型葉綠素儀測定；玉米根系活力采用TTC法[15]測定。

數(shù)據(jù)用生物統(tǒng)計軟件DPS[16]進行單因素方差分析，Duncans新復極差法進行平均數(shù)間的多重比較。

2 結果與分析

2.1 外源甜菜堿對NaCl脅迫下玉米幼苗生長指標的影響

由表2可以看出，NaCl脅迫使玉米幼苗株高、地上和根系干鮮重等生長指標均顯著降低；不同濃度甜菜堿處理使NaCl脅迫下玉米幼苗各生長指標均有不同程度提高， 其中，1.00 mmol/L甜菜堿處理下玉米幼苗各指標增幅最大，與CK2相比，株高、地上鮮重、根鮮重、地上干重和根干重分別提高了16.59%、14.35%、26.41%、32.63%和69.43%，差異均達顯著水平。結果表明，適當濃度的甜菜堿處理可顯著緩解鹽脅迫對玉米幼苗形態(tài)生長和生物量積累的抑制，促進鹽脅迫下玉米幼苗生長，增強其耐鹽性。

2.2 外源甜菜堿對NaCl脅迫下玉米幼苗根系生長的影響

由表3可知，鹽脅迫下玉米幼苗的根系生長明顯地受到抑制，不同濃度甜菜堿處理使NaCl脅迫下根系總根長、總表面積、根體積、總分支數(shù)和總交叉數(shù)有不同程度提高，其中，1.00 mmol/L甜菜堿處理下的提高幅度最大，與CK2相比分別增加了118.70%、71.38%、28.25%、176.15%和169.15%，差異均達顯著水平。鹽脅迫對根系直徑的影響與對根系其他指標的影響趨勢相反，甜菜堿處理后的玉米幼苗根系直徑比CK2顯著降低。這說明甜菜堿處理后的玉米幼苗根毛數(shù)量比鹽脅迫處理增多，從而致使根系平均直徑降低。綜上所述，外源甜菜堿緩減了鹽脅迫對玉米幼苗根系的抑制，促進了根系的生長。

2.3 外源甜菜堿對NaCl脅迫下玉米幼苗根系活力的影響

根系活力結果（圖1）表明，與清水對照相比，鹽脅迫處理后玉米幼苗的根系活力顯著降低，甜菜堿處理后根系活力又有所回升，其中，濃度為1.00 mmol/L時增加幅度最大，與鹽脅迫對照相比增加了63.99%，達到了清水對照的87.41%，這說明外源甜菜堿減緩了鹽脅迫對玉米幼苗根系的抑制，促進了根系的生長。

2.4 外源甜菜堿對NaCl脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響

光合色素含量是反映植物光合能力的一個重要參數(shù)，環(huán)境因子的改變會引起光合色素含量的變化，進而引起光合性能的改變，最終影響作物的生長[17]。與清水對照相比，NaCl脅迫使玉米幼苗葉片葉綠素含量下降了21.31%，加入不同濃度的甜菜堿后，玉米幼苗葉片葉綠素含量均有不同程度的增加，增加幅度隨濃度增加呈先升后降的趨勢，當外源甜菜堿濃度達到1.00 mmol/L時，與清水對照無顯著差異。

3 小結與討論

非鹽生植物在鹽脅迫下最顯著的變化就是生長受到抑制，這是由于鹽脅迫對植物造成了滲透脅迫、離子毒害和礦物營養(yǎng)缺乏等影響的綜合反應的結果。甜菜堿是植物在受到外界非生物脅迫時所產生的一種兼容性滲透調節(jié)物質，特別是藜科與禾本科植物在受到外界環(huán)境脅迫時會產生大量的甜菜堿來提高其抗性。近年來，一些研究表明通過外施甜菜堿可以提高作物的抗鹽性。本研究中，NaCl脅迫下玉米幼苗形態(tài)指標和生物量積累都顯著降低，植株生長受到顯著抑制，施用外源甜菜堿則可以不同程度緩解鹽脅迫對玉米植株生長的抑制，且以1.00 mmol/L甜菜堿處理的緩解效果最好。這說明根施甜菜堿明顯緩解了鹽脅迫對玉米幼苗生長造成的傷害。

鹽漬環(huán)境下，根系是最先感知鹽逆境的器官[18]。研究表明，植物抗鹽中最初和最重要的過程存在于植物的根系系統(tǒng)[19]。在感受到逆境信號后根系會做出相應的反應，并通過信號傳導對有關基因的表達進行時間和空間的調整，通過改變代謝途徑和方向而影響碳同化產物在不同器官中的分配比例，最終又會影響根系生長，并從形態(tài)和分布上來適應環(huán)境脅迫[20]。根系總長度變化是植物在逆境脅迫下最明顯的特征，根系直徑和根系表面積也是植物根系重要的形態(tài)特征，極顯著影響植物根的吸收水平和在土壤中的活動能力[21]，根系活力大小反映了根系代謝能力強弱，直接影響植株生長和抗逆性。因此本試驗主要對根長、根系直徑、根總分支數(shù)、根表面積和根系活力進行了分析，結果顯示NaCl脅迫對總根長、根表面積、總分支數(shù)、根系直徑和根系活力均可產生影響，施用0.05～5.00 mmol/L外源甜菜堿則可以明顯增加總根長、根表面積、總分支數(shù)和根系活力，減小根系直徑，在一定程度上緩解了NaCl脅迫對幼苗生長的抑制。各項指標均以1.00 mmol/L甜菜堿處理的表現(xiàn)最好，0.20 mmol/L和5.00 mmol/L甜菜堿處理其次，其他處理對NaCl脅迫下幼苗生長的緩解效應相對較小，說明甜菜堿濃度過低時，植物體內的生理變化不足以使其生長發(fā)生大的改善；而甜菜堿濃度過高時，超過了植物生長所需的適宜范圍。

葉片光合色素作為內囊體膜的重要組成成分，其含量是反映植物光合能力的一個重要指標，其中葉綠素含量與植物的光合作用密切相關，直接影響光合速率與光合產物的形成。本研究表明，鹽脅迫導致玉米幼苗葉片葉綠素含量顯著下降，根施甜菜堿后，葉綠素含量升高，特別是1.00 mmol/L甜菜堿處理的葉綠素含量升高了24.27%。這說明根施甜菜堿能提高鹽脅迫下玉米幼苗光合色素的含量，緩解鹽脅迫對蛋白色素復合體的傷害，這可能一方面是因為甜菜堿作為生物大分子保護性物質提高了葉片細胞內抗氧化酶的活性或增加了類胡蘿卜素等抗氧化物質的含量，從而消除或降低了脅迫下所產生活性氧對色素分子的破壞。

綜上所述，適宜濃度的外源甜菜堿可以通過增加植株光合作用能力，提高根系活力，減輕鹽脅迫造成的質膜過氧化傷害；還可以通過促進玉米幼苗地下部根系的生長，增加玉米幼苗生物量及株高，提高植株的耐鹽性，緩解鹽脅迫對玉米幼苗生長的抑制。在本試驗條件下，1.00 mmol/L甜菜堿處理的緩解效果最好。

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