羽毛生物降解液對(duì)鹽脅迫下小白菜生長(zhǎng)的生理調(diào)控作用

郭東森，王 琳，魏?jiǎn)⑺?，崔?lián)明，周 影，郭成寶

（1江蘇丘陵地區(qū)南京農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，南京 210046；2江蘇開(kāi)放大學(xué)鄉(xiāng)村振興學(xué)院，南京 210036）

0 引言

國(guó)內(nèi)鹽堿土主要分布在西北、華北、東北和沿海地區(qū)[1-2]。以高投入、高產(chǎn)出為特征的高度集約化設(shè)施農(nóng)業(yè)近年來(lái)在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，面積已突破340萬(wàn)hm2，長(zhǎng)期覆蓋條件下大量施肥，引起鹽分離子不斷積累，引發(fā)土壤次生鹽漬化。土壤鹽漬化是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一，鹽脅迫阻礙植物發(fā)芽，影響植物正常代謝，作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低[3-4]，因此，研究環(huán)境鹽脅迫對(duì)植物危害的緩解方法對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

施用有效的外源物質(zhì)調(diào)控植物抗逆性是緩解鹽脅迫的重要手段之一。已有報(bào)道認(rèn)為，施用外源2,4-表油菜素內(nèi)酯、褪黑素、宛氏擬青霉提取物、5-氨基乙酰丙酸[5-8]可以有效緩解鹽脅迫對(duì)作物的傷害，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。這些外源物質(zhì)主要通過(guò)清除自由基、調(diào)節(jié)滲透性、提高氧化還原酶活性等緩解鹽脅迫作用。氨基酸肥料具易被作物吸收、調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高抗病性、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)等作用[9-11]。研究還表明[12-15]，氨基酸類(lèi)物質(zhì)作為一種植物生物刺激素能改善植物的生理特性，顯著提高植物耐鹽性，緩解鹽脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的抑制程度。羽毛生物降解液是本研究室通過(guò)微生物降解羽毛獲得的[16-17]，主要成分為游離氨基酸，之前的研究[18-19]發(fā)現(xiàn)其對(duì)多種作物有促進(jìn)生長(zhǎng)、提高品質(zhì)的作用。筆者在NaCl脅迫下，研究了羽毛氨基酸對(duì)小白菜生長(zhǎng)和生理功能的影響，旨在明確該氨基酸類(lèi)物質(zhì)緩解鹽脅迫的性能，為其在鹽堿地或保護(hù)地栽培中推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

實(shí)驗(yàn)用的小白菜品種為‘抗熱605’。羽毛生物降解液(FBL)是以雞毛為原料通過(guò)地衣芽孢桿菌ZSZ6降解后獲得[1]，游離氨基酸含量≥20 g/L，含有20種氨基酸。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究采用盆栽實(shí)驗(yàn)在江蘇丘陵地區(qū)南京農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所內(nèi)的溫室大棚內(nèi)進(jìn)行?；ㄅ枰?guī)格為178 mm×190 mm，每盆裝土2.5 kg，將10 g NaCl用800 mL去離子水溶解后澆入盆中，滲出液回澆，保證NaCl溶液均勻地滲入土壤中，土壤含鹽量為0.4%，以不加NaCl溶液的作為對(duì)照(CK)。挑選籽粒飽滿(mǎn)的小白菜種子，每盆播種20粒，待長(zhǎng)到2葉1心時(shí)間苗，每盆留5棵整齊良好的小白菜幼苗。每7天澆灌1次游離氨基酸濃度為 0、0.1、0.2、0.4、0.8 g/L 的 FBL，處理代號(hào)分別為AA0、AA1、AA2、AA4、AA8。每個(gè)處理重復(fù)5盆，每盆每次澆施400 mL，生育期共澆施3次，1個(gè)月后進(jìn)行生長(zhǎng)和生理指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

每個(gè)處理隨機(jī)取5株測(cè)定株高和地上部鮮重。另外取5株測(cè)定生理指標(biāo)，將心葉向外第3片葉磨碎，測(cè)定葉片中APX活性、POD活性、CAT活性、SOD活性、ROS、Pro含量和MDA含量，利用特定的檢測(cè)試劑盒（蘇州科銘生物有限公司）根據(jù)使用說(shuō)明進(jìn)行。利用考馬斯亮藍(lán)的方法測(cè)定可溶性蛋白含量[6]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

運(yùn)用Excel 2016、GrapPad Prism8軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析并作圖。利用Duncan’s多重比較進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 FBL對(duì)NaCl脅迫下小白菜生長(zhǎng)的影響

如圖1所示，與對(duì)照相比，在0.4%的NaCl脅迫下不噴施FBL小白菜生長(zhǎng)明顯受到抑制，地上部鮮重減少40.1%，株高減少21.5%。施加FBL能不同程度緩解鹽脅迫，小白菜的鮮重顯著升高，株高也有所上升，恢復(fù)到對(duì)照的水平。當(dāng)肥料中游離氨基酸濃度為0.4 g/L時(shí)效果最好。

圖1 FBL對(duì)鹽脅迫下小白菜生長(zhǎng)的影響

2.2 FBL對(duì)NaCl脅迫下小白菜ROS和MDA含量的影響

如圖2所示，鹽脅迫下小白菜的ROS值高于對(duì)照，鹽脅迫下隨著施加FBL中游離氨基酸濃度增加，ROS值有下降趨勢(shì)，但總體影響并不顯著。0.4%的NaCl脅迫下不澆施FBL小白菜葉片中MDA含量與CK相比顯著升高，增加了71.7%，施加FBL后，AA1～AA8處理MDA含量下降至與CK沒(méi)有顯著差異。

圖2 FBL對(duì)鹽脅迫下小白菜ROS和MDA的影響

2.3 FBL對(duì)NaCl脅迫下小白菜氧化酶活性的影響

由圖3可知，AA0處理下小白菜葉片中的POD活性和SOD活性較CK比較分別下降44.6%和39.4%，與AA0處理相比，AA1～AA8處理后POD活性顯著上升，AA4、AA8處理后POD活性與CK比較差異不顯著。施加FBL對(duì)SOD活性沒(méi)有改善。在CK處理和鹽脅迫下CAT活性沒(méi)有發(fā)生顯著變化。施加FBL小白菜的APX活性有顯著升高，AA1、AA2、AA4、AA8處理與AA0處理相較分別提高了64.4%、121.7%、142.1%、84.3%。

圖3 FBL對(duì)鹽脅迫下小白菜抗氧化酶活性的影響

2.4 FBL對(duì)NaCl脅迫下小白菜有機(jī)滲透調(diào)節(jié)影響

由圖4可知，CK處理下Pro含量最低(58.7 μg/g)，鹽處理后Pro含量上升顯著，達(dá)到120.4 μg/g，施加FBL能夠促進(jìn)Pro積累，隨著FBL濃度增加Pro含量不斷增加，當(dāng)FBL中游離氨基酸濃度為0.8 g/L時(shí)，小白菜葉片中Pro含量高達(dá)347.2 μg/g，比對(duì)照提高了5.9倍。

圖4 FBL對(duì)鹽脅迫下小白菜脯氨酸含量的影響

2.5 羽毛生物水解液對(duì)NaCl脅迫下小白菜可溶性蛋白的影響

由圖5可知，加入NaCl的AA0處理小白菜葉片中可溶性蛋白含量比對(duì)照低47.0%，通過(guò)澆施FBL，小白菜中可溶性蛋白含量開(kāi)始升高，AA1和AA2處理可溶性蛋白含量與CK處理比較沒(méi)有顯著差異，AA4處理與CK比可溶性蛋白含量有顯著升高，比對(duì)照提高了38.4%。AA8處理葉片中可溶性蛋白比AA4處理略有下降，但仍略高于CK處理。

圖5 FBL對(duì)鹽脅迫下小白菜可溶性蛋白含量的影響

3 結(jié)論

研究表明，在鹽脅迫條件下，澆施FBL可緩解0.4%NaCl脅迫對(duì)小白菜造成的傷害，最適游離氨基酸濃度為0.4 g/L。FBL主要通過(guò)提高小白菜體內(nèi)POD、APX的抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro和可溶性蛋白含量，減輕活性氧對(duì)小白菜細(xì)胞造成傷害，降低膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物MDA含量，緩解鹽脅迫對(duì)植物造成的傷害。

4 討論

衡量葉菜類(lèi)植物生長(zhǎng)情況最直觀的指標(biāo)是地上部鮮重，鹽脅迫會(huì)抑制小白菜生長(zhǎng)，顯著降低小白菜地上部鮮重。本研究發(fā)現(xiàn)，根部灌施FBL能有效緩解鹽脅迫對(duì)小白菜生長(zhǎng)的抑制作用，基本能夠提高到?jīng)]有鹽脅迫下小白菜正常的生長(zhǎng)水平。已有研究發(fā)現(xiàn)，本研究中施用的羽毛生物降解氨基酸肥料能夠促進(jìn)小白菜的生長(zhǎng)、提高草莓產(chǎn)量和品質(zhì)[18-19]。氨基酸肥料除能夠提供被植物直接吸收的有機(jī)碳、氮營(yíng)養(yǎng)外，還能夠刺激植物生長(zhǎng)、調(diào)控體內(nèi)代謝，從而促進(jìn)植株生長(zhǎng)發(fā)育，但濃度高會(huì)抑制作物生長(zhǎng)[20-21]。羽毛的微生物降解產(chǎn)物中除了含有游離氨基酸，還會(huì)產(chǎn)生IAA天然植物生長(zhǎng)激素促進(jìn)植物生長(zhǎng)[22-23]。許猛[15]的研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合氨基酸肥料增效劑能在25～75 mmol/L NaCl脅迫條件下促進(jìn)小白菜幼苗生長(zhǎng)，與本研究結(jié)果一致。

高濃度的NaCl會(huì)破壞植物葉片的結(jié)構(gòu)和功能，鹽脅迫會(huì)造成植物體內(nèi)較高的ROS含量，ROS由于較強(qiáng)的氧化能力會(huì)引起細(xì)胞質(zhì)膜損傷、生理功能障礙和細(xì)胞死亡等。丙二醛(MDA)是植物因鹽脅迫產(chǎn)生的氧化應(yīng)激反應(yīng)而形成的膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物，其含量通?？纱砑?xì)胞膜受損的程度，細(xì)胞膜受損導(dǎo)致離子外滲[24-25]。本研究中，鹽脅迫下根部灌施FBL能夠修復(fù)細(xì)胞膜，降低小白菜葉片內(nèi)的ROS和MDA含量，尤其對(duì)降低MDA的作用顯著。說(shuō)明FBL中游離氨基酸能有效減輕鹽脅迫下膜脂過(guò)氧化程度，維護(hù)膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

研究表明[26-28]，在NaCl脅迫下，外源氨基酸可以通過(guò)抗氧化酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)途徑提高植物體耐鹽能力，促進(jìn)植物生長(zhǎng)。SOD、POD、CAT和APX是植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的主要成員，能夠清除植物體內(nèi)的活性氧[29-30]。本研究中，F(xiàn)BL能夠在鹽脅迫下提高植物的POD和APX的活性，但對(duì)SOD和CAT活性影響不顯著。許猛等[15]的研究也發(fā)現(xiàn)，在高濃度鹽(75 mmol/L)處理下，復(fù)合氨基酸肥料增效劑對(duì)于SOD和CAT活性影響不顯著，對(duì)POD活性提高效果明顯，和本研究結(jié)果較為一致。

在鹽脅迫下，植物細(xì)胞傾向于積累Pro以減輕鹽脅迫引起的滲透脅迫，另外Pro還可以穩(wěn)定抗氧化劑系統(tǒng)并保護(hù)細(xì)胞膜的完整性，從而減少ROS的影響[31]。本實(shí)驗(yàn)中，澆施FBL能夠顯著增加小白菜葉片中的Pro含量，從而增加小白菜葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累保持細(xì)胞內(nèi)的水分，維持酶活性，在逆境條件下維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高小白菜的抗鹽脅迫能力。

本研究中外源施加物質(zhì)FBL是通過(guò)生物降解將屠宰產(chǎn)生的羽毛廢棄物轉(zhuǎn)化為含氨基酸肥料，本研究驗(yàn)證了其在提高小白菜耐鹽性方面的作用，從生理層面初步解釋緩解鹽脅迫機(jī)理，為增加羽毛廢棄物高值化利用途徑和應(yīng)用范圍提供理論依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)僅采用了根部澆施FBL的方式應(yīng)用于小白菜栽培中，氨基酸肥料也能夠被葉片直接吸收，且用量少吸收快，但是否可通過(guò)葉面噴施緩解鹽脅迫還需進(jìn)一步驗(yàn)證。