赤霉素對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗根生長及滲透調(diào)節(jié)的影響

王金香 王艷芝 幸麗璇 劉建霞 王潤梅

（山西大同大學(xué)農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院/設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心，037009，山西大同）

黍子（Panicum miliaceum L.）是我國北方地區(qū)的一種特色農(nóng)作物。它具有抗干旱、耐貧瘠等顯著特點，適合在干旱、半干旱地區(qū)生長。山西北部屬季風(fēng)性干旱地區(qū)，土壤貧瘠，緯度高、濕度低、晝夜溫差大，獨特的地理、土壤和氣候環(huán)境形成了黍子特有的營養(yǎng)成分和口感，黍子成為晉北地區(qū)極富特色且營養(yǎng)價值極高的一種小雜糧作物[1]。

干旱和土壤鹽漬化是影響農(nóng)作物生長的主要逆境因子。土壤鹽漬化可以分為輕度（含鹽量在0.1%～0.3%）、中度（0.4%～0.6%）和重度（大于0.6%），3種不同程度的土壤鹽漬化在山西均有分布，其中輕度鹽漬化面積占比最大，中度次之，重度最小[2]。Na+、Cl–和SO42–是多數(shù)鹽漬區(qū)土壤的主要鹽分類型[3]。土壤鹽漬化對農(nóng)作物組織與器官的生長和分化有抑制作用，使植株發(fā)育緩慢、衰老加速，進而造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至發(fā)生大面積死亡[4]。鹽分升高對農(nóng)作物造成的主要危害與生理干旱、離子失衡、氧化應(yīng)激及隨后產(chǎn)生的嚴重營養(yǎng)脅迫有關(guān)[5]。如高濃度的鹽會使環(huán)境水勢降低，幼苗葉片水勢、滲透勢、壓力勢和相對含水量均明顯下降，出現(xiàn)生理干旱現(xiàn)象，形成對細胞的滲透脅迫[6]。同時，環(huán)境中Na+過度攝入會干擾細胞對其他離子的吸收和分布，根、莖和葉中K+、Mg2+、Ca2+等離子濃度會因Na+過度進入細胞而明顯下降，造成細胞離子失衡和離子毒害[5]。逆境脅迫下，維持細胞內(nèi)滲透平衡、確保植物細胞吸水是植物提高抗逆性、實現(xiàn)個體生存和發(fā)展的早期適應(yīng)性反應(yīng)。

赤霉素（gibberellin，GA3）是一種植物激素，具有促進植物生長和增產(chǎn)的作用。研究[7]顯示，GA3能顯著緩解鹽脅迫對水稻種子萌發(fā)的抑制作用，在此過程中，類異黃酮還原酶和葡萄糖磷酸變位酶等與GA3提高水稻耐鹽性有關(guān)。對甜玉米的研究[8]顯示，在鹽脅迫條件下，幼苗鮮重、葉綠素含量、過氧化氫酶（CAT）及超氧化物歧化酶（SOD）活性均降低，在鹽脅迫條件下對其進行外源GA3的葉面噴施，可使幼苗的鮮重、葉綠素含量及2種酶活性得到恢復(fù)。

目前，我國耕地面積逐年縮小，而土壤鹽漬化程度和面積卻有不斷擴大趨勢，有效耕地面積減少已成為制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要因素。如何充分利用鹽堿土地、提高鹽漬化土壤的生產(chǎn)力、促進糧食增產(chǎn)是亟待解決的問題。選用抗鹽農(nóng)作物品種或添加外源性物質(zhì)提高作物抗鹽性是有效利用輕度及中度鹽堿土地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一種有效措施。綠寶糯是口感好、營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良的黍子品種，該品種是否適合在干旱鹽堿化的晉北地區(qū)種植以及適合在哪種鹽堿土壤種植還未見報道，能否利用GA3提高綠寶糯黍子的抗鹽性，擴大品種種植范圍也需要做進一步研究。本試驗以綠寶糯黍子為材料，研究該品種幼苗期對鹽脅迫的耐受性，探究GA3對鹽脅迫下幼苗生長及滲透調(diào)節(jié)的作用，為合理利用鹽堿土地進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（增產(chǎn)增收）提供更多的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

黍子品種為金谷綠寶，購買于山西省晉中市太谷縣。

鹽脅迫處理：挑選籽粒飽滿、大小一致的種子，用NaClO消毒沖洗后將種子均勻鋪在育苗盤中（育苗盤中鋪一層紗布）并放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中水培萌發(fā)生長，待種子萌發(fā)后進行鹽脅迫處理。試驗共設(shè)4個處理，CK：對照組，用蒸餾水進行培養(yǎng)；T1：用0.1%NaCl溶液進行培養(yǎng)；T2：用0.2%NaCl溶液進行培養(yǎng)；T3：用0.3%NaCl溶液進行培養(yǎng)，每組設(shè)3個重復(fù)。每天更換培養(yǎng)液，萌發(fā)后第3天開始測量幼苗的根長和芽長，連續(xù)統(tǒng)計6d。生長至第8天取幼苗根，觀察結(jié)構(gòu)，測定滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及根系活力。

GA3緩解處理：種子萌發(fā)后以水培為對照（CK），以0.2%NaCl溶液進行鹽脅迫處理（T2），0.2%NaCl溶液處理同時外施60、80、100、120和150mg/L GA3水溶液進行緩解處理，分別記為T2+GA60、T2+GA80、T2+GA100、T2+GA120 和T2+GA150，篩選出合適濃度的GA3水溶液，在第5天測量根長與芽長，連續(xù)統(tǒng)計4d，研究GA3的緩解作用。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 根長和芽長 先用一根細線量取根基部到根尖的長度并做好標記，再將該段細線拉直用直尺測量其長度，即為根長；測量芽長時，用細線量取芽基部到幼芽尖端的長度并做好標記，再將細線拉直測量其長度。

1.2.2 根尖細胞顯微結(jié)構(gòu)觀察 幼苗生長至第8天時，取根尖（距根最前端2～3mm的部分），制作臨時裝片。具體操作如下：將根尖放入解離液（15%HCl和95%乙醇1:1）中室溫下解離30min，蒸餾水漂洗后用龍膽紫（0.01g/mL）染色2min，用蒸餾水沖洗后將根尖放在載玻片并蓋上蓋玻片，用拇指輕壓蓋玻片，使細胞分散開來，制成臨時裝片，在顯微鏡下觀察拍照。對伸長區(qū)細胞縱向長度和橫向長度進行顯微測量，伸長區(qū)細胞縱橫比（縱向長度/橫向長度）表示細胞的伸長水平。

1.2.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量 采用蒽酮比色法[9]測定可溶性糖含量，采用考馬斯亮藍染色法[10]測定可溶性蛋白含量，采用酸性茚三酮比色法[11]測定游離脯氨酸（Pro）含量。

1.2.4 根系活力 利用TTC法測定根系活力，具體參照《植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)》[11]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 21.0軟件分析處理數(shù)據(jù)，結(jié)果用3次試驗平均值±S.E.表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗生長、根尖細胞結(jié)構(gòu)與滲透調(diào)節(jié)的影響

2.1.1 鹽脅迫對幼苗生長的影響 從圖1a可以看出，對照組（CK）幼苗生長旺盛，根系發(fā)達，幼根長且須根多，地上部分生長快速，芽長明顯。鹽脅迫處理后的幼苗纖細矮小，幼根短且須根少或沒有，幼芽生長減緩，長度明顯變短；鹽濃度越高對幼苗生長抑制作用越明顯。由圖1b可見，CK組幼苗的根不斷伸長，生長趨勢明顯；鹽脅迫處理后根的生長明顯減緩。鹽脅迫5d內(nèi)3個處理組幼根生長速度顯著低于CK組，鹽濃度越大幼根生長速度越慢；5d后3個鹽處理組幼根停止生長；在第8天，T1、T2和T3處理組的根長比CK組分別低49.70%、54.07%和63.65%；在鹽脅迫后期幼根的生長已被完全抑制。與對根的抑制作用不同，芽在整個鹽脅迫過程中一直生長但生長緩慢，低于CK組，生長至8d時，在3個鹽濃度組（由低到高）芽長分別比CK組降低了11.11%、18.28%和34.77%（圖1c）。上述結(jié)果表明，鹽脅迫不僅抑制根的生長，同時對地上部分芽的生長也產(chǎn)生顯著抑制作用，且鹽脅迫對根生長的抑制作用大于芽；鹽濃度越高對幼苗的傷害越大，抑制作用越明顯。

2.1.2 鹽脅迫對幼苗根尖伸長區(qū)細胞生長的影響

如圖2所示，CK組伸長區(qū)細胞明顯伸長（圖2a），細胞縱向長度約為橫向長度的6倍（圖2b）；而在鹽脅迫下，細胞的伸長明顯受到抑制，T1處理組伸長區(qū)細胞縱向長度約是橫向長度的3.6倍；T2處理組細胞的縱橫比約為2.0；T3處理組細胞縱橫比為1.8（圖2a和2b）。鹽脅迫對幼苗根尖伸長區(qū)細胞生長產(chǎn)生了明顯的抑制作用，制約了根的縱向生長并最終影響根的生長及對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

圖2 鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗根尖伸長區(qū)細胞生長的影響Fig.2 Effects of salt stress on cell growth in root tip elongation zone of Lübaonuo broomcorn millet seedling

2.1.3 鹽脅迫對幼苗根中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響 由圖3a可知，CK組可溶性糖含量為0.03μg/g，鹽脅迫后根中可溶性糖含量略有升高，T3處理組脅迫下可溶性糖含量最高，是CK組的1.26倍，但無顯著差異。如圖3b所示，CK組可溶性蛋白含量為0.72μg/g，鹽脅迫處理后根中可溶性蛋白含量比CK組明顯增多，T1、T2和T3處理組的含量分別是CK組的1.24、1.47和1.46倍。CK組游離Pro含量為13.53μg/g；T1處理組游離Pro含量增加，但與CK組比無顯著差異；隨著鹽濃度的增加，根中Pro含量顯著升高，T3處理組Pro含量為CK組的3.94倍（圖3c）。

圖3 鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗根中可溶性糖、可溶性蛋白和游離Pro含量的影響Fig.3 Effects of salt stress on the contents of soluble sugar,soluble protein and proline in roots of Lübaonuo broomcorn millet seedling

2.1.4 鹽脅迫對幼苗根系活力的影響 根系活力是根生理功能的一項綜合性指標，根系越發(fā)達，活力越高，根的吸收功能越強，生命力越旺盛。由圖4可知，鹽脅迫嚴重影響幼根的正常生長和發(fā)育，根吸收功能降低，根系活力顯著下降。CK組根系活力最高，幼苗根系發(fā)達，不僅具有生長旺盛的主根系，還有較多的須根。鹽脅迫處理根系活力明顯降低，與CK組相比，T1和T2處理組幼苗根系活力分別下降了10.6和13.2mg/(g·h)，T3處理組對根產(chǎn)生極顯著影響，根系受損程度高，根系活力下降了19.2mg/(g·h)。

圖4 不同濃度鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗根系活力的影響Fig.4 Effects of salt stress on root activity of Lübaonuo broomcorn millet seedling

2.2 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗生長、根尖細胞伸長與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

2.2.1 GA3對鹽脅迫下幼苗生長的影響 圖5顯示了GA3對黍子鹽脅迫的緩解作用。圖5a濃度效應(yīng)顯示，GA100和GA120處理組對鹽脅迫的緩解作用較好，且GA120處理組對根的緩解作用明顯。由圖5b可知，CK組幼苗生長旺盛，幼根發(fā)達，根長且須根多，整個根部為白色，未出現(xiàn)發(fā)黃、發(fā)褐色的氧化現(xiàn)象；鹽脅迫處理幼苗矮小，生長緩慢甚至停滯，根長與芽長均低于CK組，須根少且根系發(fā)黃，有明顯的氧化現(xiàn)象；T2+GA120處理組對幼苗生長會產(chǎn)生非常明顯的緩解作用，與T2處理組相比，T2+GA120處理組幼根的長度略有增加，幼芽的長度明顯增加。施加GA3處理后，幼根的長度大于T2處理組，生長至第8天，根長是T2處理組的138%，但仍明顯低于CK組（圖5c）。如圖5d所示，GA3對幼芽的緩解作用更加明顯，T2+GA120處理組幼苗地上部分生長迅速，在第8天時幼芽長度是T2處理組的159%，高于CK組。上述結(jié)果表明，添加GA3能夠顯著緩解鹽脅迫對幼苗生長的抑制作用，促進幼苗在輕度鹽堿環(huán)境中的生長。

圖5 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗生長的影響Fig.5 Effects of application of GA3on the growth of Lübaonuo broomcorn millet seedlings under salt stress

2.2.2 GA3對鹽脅迫下幼苗根尖伸長區(qū)細胞生長的影響 如圖6所示，CK組伸長區(qū)細胞明顯伸長，細胞縱橫比為6.0；而T2處理組根尖伸長區(qū)細胞體積較小，縱向伸長現(xiàn)象不明顯，細胞縱橫比為2.0。T2+GA120處理組伸長區(qū)細胞的縱向長度明顯增加，細胞縱橫比為4.8（圖6）。GA3可以促進伸長區(qū)細胞的伸長，緩解鹽脅迫對根細胞生長的抑制作用，促進根的縱向生長。

圖6 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗根尖伸長區(qū)細胞生長的影響Fig.6 Effects of application of GA3on cell growth in root tip elongation zone of Lübaonuo broomcorn millet seedlings under salt stress

2.2.3 GA3對鹽脅迫下幼苗根滲透調(diào)節(jié)作用的影響 與CK組相比，T2處理組根中可溶性糖含量增加但無顯著差異，T2+GA120處理組可溶性糖含量較單獨鹽脅迫處理降低，略高于CK組，但3個試驗組間無顯著差異（圖7a）。T2處理組根中可溶性蛋白含量明顯升高，T2+GA120處理組可溶性蛋白含量顯著降低，與CK組含量接近（圖7b）。根中游離Pro含量在T2處理組顯著增加，T2+GA120處理組游離Pro含量比T2處理組略有降低，但比CK組仍顯著升高（圖7c）。上述結(jié)果說明，游離Pro含量的升高是綠寶糯黍子幼苗對抗鹽脅迫引發(fā)的滲透脅迫的主要適應(yīng)方式。

圖7 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗根中可溶性糖、可溶性蛋白和游離Pro含量的影響Fig.7 Effects of application of GA3on the contents of soluble sugar,soluble protein and free proline in roots of Lübaonuo broomcorn millet seedling under salt stress

2.2.4 GA3對鹽脅迫下幼苗根系活力的影響 由圖8可知，CK組根系活力為24.1mg/(g·h)，T2處理組根系活力顯著降低，是CK組的45%；T2+GA120處理組幼苗根系活力明顯升高，是T2處理組的217%，是CK組的98%，趨于正常水平。這一結(jié)果表明，GA3可以緩解鹽脅迫對綠寶糯黍子幼苗根系的損傷，提高幼苗的根系活力及抗輕度鹽脅迫的能力。

圖8 GA3對鹽脅迫下綠寶糯黍子幼苗根系活力的影響Fig.8 Effects of application of GA3on root activity of Lübaonuo broomcorn millet seedling under salt stress

3 討論

北方地區(qū)春季多風(fēng)少雨、氣候干燥、土壤鹽漬化的環(huán)境使大部分農(nóng)作物難以生存，但黍子是適合北方地區(qū)種植的一種糧食作物，具有明顯的地區(qū)優(yōu)勢和生產(chǎn)優(yōu)勢。研究[12]表明，寧糜16號幼苗能忍受1.6%鹽濃度，晉黍8號和隴糜8號可分別忍受0.8%和0.4%鹽溶液，而內(nèi)糜5號和寧糜14號的抗鹽性較低。本試驗對綠寶糯黍子的抗鹽性研究發(fā)現(xiàn)，鹽濃度超過0.3%時，幼苗生長受到嚴重抑制，而且對根的抑制作用尤為明顯。這表明該品種對鹽敏感，在幼苗期對輕度鹽脅迫有一定的抗性，但在中度及重度鹽脅迫時難以生長。

根尖伸長區(qū)細胞的縱向生長是根伸長的一個重要原因，與根的向下生長乃至整個植株的生長息息相關(guān)。細胞的生長依賴于細胞內(nèi)水分和營養(yǎng)物質(zhì)的積累，而鹽脅迫減弱了細胞對水分的吸收（滲透脅迫）、降低葉片中Mg2+含量（離子脅迫），使葉綠素合成受阻、光合作用減弱，甚至造成嚴重營養(yǎng)脅迫，無法滿足細胞生長所需物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。另外，鹽脅迫可通過根冠細胞內(nèi)淀粉體數(shù)量明顯減少引起根生長在垂直方向的偏離及生長停止[13]。本試驗結(jié)果表明，輕度鹽脅迫（0.1%～0.3%）對綠寶糯黍子幼根的生長產(chǎn)生明顯的抑制作用，根尖細胞顯微觀察和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計顯示，伸長區(qū)細胞縱橫比顯著降低，說明鹽脅迫抑制了伸長區(qū)細胞伸長且抑制作用與鹽濃度呈正相關(guān)性。

土壤鹽漬化對植物造成的危害之一就是滲透脅迫。鹽脅迫對根系產(chǎn)生毒性作用的同時也促發(fā)了大量代謝反應(yīng)的進行，包括抗逆蛋白、抗氧化酶、熱激蛋白和滲透調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白的合成，提高細胞滲透調(diào)節(jié)能力[14]。Pro具有較強的吸水能力和持水能力，在保持體內(nèi)外滲透平衡、膜系統(tǒng)完整性和抗?jié)B透脅迫中有重要作用。鹽脅迫信號可快速催化Pro的合成并累積到足以調(diào)節(jié)滲透作用的量，Pro含量的增加有效減少了水分的丟失和蛋白的變性，從而增加幼苗對脅迫的抗性[15]。緩解鹽脅迫的主要途徑包括改變代謝途徑和積累溶質(zhì)來進行滲透調(diào)節(jié)[5]?？扇苄蕴?、可溶性蛋白及Pro與植物滲透調(diào)節(jié)相關(guān)，小麥幼苗在受到NaCl脅迫后上述3種物質(zhì)含量較對照都顯著升高[16]。在本研究中，綠寶糯黍子幼苗受到鹽脅迫后根中可溶性糖含量并沒有發(fā)生顯著提高，但可溶性蛋白和游離Pro含量明顯升高。可見，綠寶糯黍子幼苗在受到鹽脅迫時主要通過根系中Pro和可溶性蛋白的積累降低細胞的水勢，維持細胞內(nèi)外滲透平衡。由于鹽脅迫抑制了幼苗的生長，幼根弱小且缺少須根，根對水分和無機鹽的吸收能力減弱，根系活力的下降，而且鹽濃度越大，根系活力越低，根的損傷越大。

GA3是一種植物內(nèi)源性激素，在根尖或葉尖合成，其最突出的作用是加速細胞的伸長，進而促進植物的生長發(fā)育。已有試驗[17-18]證明，根的生長依賴于GA3對根尖分生區(qū)和伸長區(qū)細胞的調(diào)控，而過量鹽分誘導(dǎo)ABA增加，抑制了根尖生長素和GA3的合成，引起伸長區(qū)細胞中DELLA蛋白積累并通過限制細胞的增殖和伸長抑制根的生長發(fā)育。在鹽脅迫下，施加GA3能夠促進玉米[19]、番茄[20]和黃芪[21]等幼苗的生長。本試驗選取0.2% NaCl同時施加GA3聯(lián)合處理，結(jié)果顯示，外施GA3對鹽脅迫下幼苗生長是有利，主要表現(xiàn)為它加速了伸長區(qū)細胞生長，有效促進了根的延伸，保證了Pro對滲透脅迫的調(diào)節(jié)作用，根系活力顯著提高；而且根的生長發(fā)育促進了地上部分的生長，顯著緩解了鹽脅迫對幼苗生長的抑制作用。外施GA3緩解鹽脅迫的原因在于：（1）鹽脅迫影響GA3合成，抑制種子萌發(fā)和幼苗的生長，而外施GA3解除了內(nèi)源GA3缺乏，促進根尖伸長區(qū)細胞生長；（2）外施GA3可抑制鹽脅迫引起的根冠細胞中淀粉體的分解，在一定程度上解除了鹽脅迫對細胞生長的抑制作用，促進根的向下生長；（3）GA3促進根和芽的快速生長，起到了稀鹽作用，間接降低了機體內(nèi)鹽的濃度及對細胞的危害，有利于作物生長；（4）外施GA3后高水平Pro的積累足以調(diào)控細胞的滲透調(diào)節(jié)作用，促進細胞對水分的吸收，進而緩解鹽對綠寶糯黍子的滲透脅迫。

4 結(jié)論

綠寶糯黍子是一種對鹽敏感的植物，低鹽脅迫抑制幼苗根的生長發(fā)育，根系活力顯著下降，并且鹽濃度越高抑制作用越明顯；在應(yīng)對鹽產(chǎn)生滲透脅迫時，幼苗的根部主要通過提高游離Pro和可溶性蛋白含量提高細胞滲透勢，降低鹽的危害；添加GA3能顯著緩解鹽脅迫對根生長的抑制作用，促進根和幼苗的生長；幼苗快速生長稀釋機體中鹽濃度，同時細胞通過調(diào)節(jié)Pro含量增加細胞滲透勢，提高作物對鹽脅迫的適應(yīng)性，促進綠寶糯黍子在低鹽堿環(huán)境的生長。適度添加GA3可促進綠寶糯黍子在輕度鹽漬化土壤的種植。