路旭平, 李芳兰, 马晓娟, 景盼盼, 罗成科, 田 蕾, 李培富

(宁夏大学农学院/宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室 银川 750021)

土壤盐碱化是限制土地利用率的一个全球性问题, 我国盐碱地总面积达9913万hm2, 约占全国土地面积的10%[1-2]。盐碱土壤中主要致害盐分包括NaCl、Na2SO4、Na2CO3和NaHCO3[3]。通常由中性盐NaCl和Na2SO4引起的胁迫称为盐胁迫, 由碱性盐Na2CO3和NaHCO3引起的胁迫称为碱胁迫, 而混合盐碱胁迫则是由中性盐和碱性盐同时引起的胁迫;危害程度大小依次是混合盐碱胁迫、碱胁迫、盐胁迫[4]。水稻(Oryza sativaL.)是重要的粮食作物之一,在我国约1/5的稻田受盐碱胁迫侵害, 严重制约着水稻的正常生长[5]。水稻处于多种环境因子胁迫时,很难确定胁迫的关键因子, 因此有必要研究水稻应答单一环境因子胁迫时的机理, 有助于进一步认识水稻对逆境的响应机制。

根系作为土壤-植株-大气水循环过程中的关键一环, 最先感知土壤环境的改变并遭受胁迫。碱胁迫不仅具有与盐胁迫相同的渗透胁迫和离子毒害, 同时其较高和造成土壤pH升高, 使土壤中营养元素固化, 严重干扰植物根系对矿质营养的吸收,导致植物体内营养失衡, 新陈代谢紊乱[6-7]。离子胁迫和渗透胁迫可破坏离子稳态, 减少根系对矿物质营养的吸收, 造成细胞膜系统上酶活性降低, 膜结构受损, 选择通透性发生改变, 抑制N、P、K+、Ca2+和Mg2+等营养元素的吸收, 并引起细胞内Na+/K+、Cl-/NO3-、Na+/Ca2+动态失衡, 破坏原有的离子平衡[8-9]。高pH会严重影响植物根系细胞内的电荷平衡和pH内稳态,阻碍根系对水和营养物质的吸收, 造成渗透胁迫, 诱导根系细胞产生活性氧, 破坏细胞结构完整性, 最终破坏根的结构和功能, 抑制根发育[10]。Niu等[11]研究发现碱性胁迫下, 野生大豆(Glycine sojaSieb.et Zucc)根系维管柱发生了显著变化, 由四原型变为三原型,根部维管束数量减少, 根系直径降低。郭瑞等[12]研究表明碱胁迫对小麦(Triticum aestivumL.)根系生长的影响表现为低促高抑, 小麦根系在低浓度碱胁迫下仍能维持一定的生长, 但在高浓度碱胁迫下根系生长受到抑制, 且根系中Na+含量剧增, 加上高pH危害, 导致根系生长率降低。Zhang等[13]研究结果显示盐碱胁迫显著降低了小麦生物量积累、叶绿素含量、光合能力和氮素吸收, 并且发现根系比叶片更能反映小麦的抗逆性。于天一等[14]研究发现碱胁迫下,随土壤pH升高, 花生(Arachis hypogaeaL.)根系总根长、根体积及根表面积均有不同程度的降低, 在高pH碱处理下叶面积下降、各器官干物质重及根冠比显著降低。Zhang等[15]研究表明碱胁迫显著降低了水稻幼苗的成活率和根系生长, 且过氧化氢(H2O2)和超氧自由基大量积累, 导致根系细胞氧化损伤[15]; 并使得水稻老叶中Na+、有机酸和可溶性糖含量增加, 进而加速老叶的衰老[16]; 同时碱胁迫导致水稻根系铵转运蛋白OsAMT2和OsAMT3两个家族的基因表达量增加, 脯氨酸和含量降低[17]。

长期以来, 前人针对水稻响应盐胁迫的生理机制进行了广泛的研究[18-19], 对碱胁迫的生理特性分析主要集中在地上部分[20-21], 有关碱胁迫对不同水稻品种根系生长特征、生理特性和适应策略的研究较少, 而研究水稻根系响应碱胁迫的潜在机理能更好地揭示水稻耐碱性的本质。因此, 本研究通过比较分析不同碱胁迫条件下供试水稻品种苗期的根系生长特征、活性氧代谢、渗透调节物质积累和抗氧化防御等生理指标, 进一步明确耐碱性不同水稻品种根系在碱胁迫下的生长和生理差异, 提出水稻根系对碱胁迫的适应策略, 为阐明水稻耐碱生理机制,利用“以稻治碱”改土增粮提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用2个不同耐碱性的水稻品种为供试材料,即碱敏感品种‘中花11’(ZH11)和耐碱品种‘宁粳52’(NG52), 供试水稻种子由宁夏大学农学院作物遗传育种实验室提供。

1.2 试验设计

选取大小一致、籽粒饱满的水稻种子, 蒸馏水浸泡1 h, 75%的乙醇浸泡15 s, 15%的NaClO消毒30 min, 蒸馏水冲洗6次后用滤纸吸干水分。将消毒后的水稻种子置于育苗盘中(长100 cm、宽50 cm、高10 cm, 共32孔, 每孔规格: 直径10 cm、高10 cm),待幼苗生长4 d后转移到剪去管底的96孔PCR板上,每板48株, 将各材料置于长×宽×高为21 cm×15 cm×5.2 cm水培盒并放置于人工气候箱(HP1000GS)中培养, 培养条件为 16 h/8 h(光照/黑暗), 温度28 ℃/20 ℃(白天/夜间)。水稻移栽2 d后加入1/2国际水稻研究所(IRRI)标准营养液, 5 d后加入全营养液, 营养液组成采用IRRI配方。幼苗生长28 d后进行碱胁迫处理。

根据碱化土壤中碱性成分的组成特点, 试验设3个浓度梯度(10 mmol·L-1、20 mmol·L-1、30 mmol·L-1); 每个浓度梯度下, 将两种碱按照NaHCO3∶Na2CO3分别为9∶1、1∶1、1∶9的摩尔比混合, 依次记为A、B、C处理; 共模拟出9种碱胁迫环境(表 1)。在每组碱浓度梯度下, 随着NaHCO3比例的降低和Na2CO3比例的增大, 溶液的pH随之增大, 分别为pH 8.65、pH 9.55和pH 10.50。为了便于描述和分析, 本试验用pH的变化代替混合碱比例的变化。处理液为700 mL含NaHCO3和Na2CO3的营养液, 以单纯营养液(总碱浓度0 mmol·L-1)的处理为对照(CK), 每个处理3次重复,每个重复48株。连续胁迫处理3 d后采集根系测定各项指标。

表1 各处理碱组成和pHTable 1 Alkali composition and pH of each treatment

1.3 指标及测定方法

1.3.1 根系生长特征的测定

采用随机抽样的方法, 选取各处理每个重复中水稻10株, 用蒸馏水将根系冲洗干净, 置于含有5～10 mm深蒸馏水的透明托盘内, 采用台式扫描仪(EPSON Experssion 11000XL)对根系进行扫描, 分辨率为800 dpi。采用WinRHIZO根系分析系统对根系图像进行分析。测定后的根系用于后续指标的测定。

1.3.2 根系活力和渗透调节物质的测定

根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定[22],以TTC还原量[μg·g-1·h-1(FW)]表示根系活力; 游离脯氨酸(Pro)含量采用酸性茚三酮比色法测定[22]; 采用苯酚法测定可溶性糖含量(SS)[22]; 可溶性蛋白含量(SP)采用考马斯亮蓝G-250染色法[22]。

1.3.3 脂质过氧化检测和活性氧含量的测定

通过丙二醛(MDA)含量和脂氧合酶(LOX)活性反映细胞膜脂质过氧化程度。MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定[15]; LOX活性的测定参考Huang等[23]的方法, 超氧阴离子()产生速率采用对氨基苯磺酸法测定[15], H2O2含量采用碘化钾法测定[15]。

1.3.4 抗氧化酶活性的测定

粗酶液的制备参考Niu等[24]的方法。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑显色法测定[24], 过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外比色法测定[24], 过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[25]。

1.3.5 非酶类抗氧化剂含量的测定

还原型抗坏血酸(ASA)和还原型谷胱甘肽(GSH)测定参照Wang等[25]的方法。

1.4 数据统计分析

用Microsoft Excel 2010软件整理数据, SPSS 24.0软件对同一材料不同处理进行单因素方差(ANOVA)统计分析, 对同一处理不同材料进行t检验, 因为在Na2CO3单独处理液中水稻仅存活1 d,所以未进行NaHCO3和Na2CO3单因素效应和二因素互作效应分析。差异显著性定义为P＜0.05, 用平均值±标准误表示3次重复测定结果, 采用GraphPad Prism 8作图。

2 结果与分析

2.1 碱胁迫对水稻根系生长的影响

随着胁迫程度的增加, 两种水稻的根系总长度呈下降趋势(图1A); ZH11和NG52的根系总长度在10B处理下开始显著降低, 至30C处理下降到最低值, 分别比CK下降47.73%和45.07% (P＜0.05)。在同一碱浓度处理下从A到C, ZH11和NG52的根系总长度逐渐降低, 10C处理较10A处理分别降低16.07%和11.86% (P＜0.05), 20C处理较20A处理分别降低27.53%和13.48% (P＜0.05), 30C处理较30A处理分别降低11.31%和21.85% (P＜0.05)。另外, 各处理均表现为ZH11的根系总长度显著大于NG52 (P＜0.05),但是ZH11根系总长度的降幅(11.49%～47.73%)大于NG52的降幅(4.74%～45.07%)。

ZH11和NG52的根系总表面积随着碱胁迫程度的增加而呈降低趋势(图1B), ZH11的根系总表面积在10A处理时开始显著降低, 在30C处理时降到最低值, 降幅为55.58%; 而NG52的根系总表面积在20A处理时开始显著降低, 在30C处理时降到最低值, 降幅为38.49%。在相同碱浓度处理下从A到C,ZH11和NG52根系总表面积仅在碱浓度为30 mmol·L-1时显著降低(P＜0.05), 30C处理较30A处理分别降低16.74%和18.29%。ZH11的根系总表面积在各处理下均显著高于NG52 (P＜0.05), ZH11根系总表面积的降幅(27.42%～55.58%)大于NG52的降幅(4.33%～38.49%)。

在各胁迫处理下, ZH11的根系平均直径较CK均显著降低(图1C), 在20C处理时降至最低值, 比CK下降31.77%; 而NG52的根系平均直径在10B处理下开始显著降低, 在30C处理时降至最低值,较CK下降28.95%。在同一碱浓度处理下从A到C, NG52根系平均直径仅在碱浓度为30 mmol·L-1时显著降低(P＜0.05), 30C处理较 30A处理降低17.60%。ZH11和NG52根系平均直径在CK、30A和30C处理下差异不显著, 其他处理下NG52根系平均直径显著高于ZH11 (P＜0.05)。整体而言, ZH11根系平均直径的降幅(14.07%～31.77%)大于NG52的降幅(5.79%～28.95%)。

随着胁迫程度的增加, ZH11和NG52的根体积较CK均显著降低(图1D), 且在30C处理时降至最低, 降幅分别为63.41%和54.05%。在同一碱浓度处理下从A到C, NG52的根体积在碱浓度为10 mmol·L-1、30 mmol·L-1时显著降低(P＜0.05), 10C较10A降幅为13.64%, 30C较30A降幅为17.74%;而ZH11在碱浓度为10 mmol·L-1、30 mmol·L-1时从A到C呈现下降趋势(P＞0.05), 但在碱浓度为20 mmol·L-1时呈现升高趋势(P＞0.05)。ZH11的根体积在CK、10B和20C处理下显著高于NG52 (P＜0.05),在其他处理下两个品种间差异不显著, 但ZH11根体积的降幅(38.92%～63.41%)大于NG52的降幅(20.72%～54.05%)。

2.2 碱胁迫对水稻根系活力和渗透调节物质的影响

ZH11和NG52的根系活力在10A处理时分别较CK增加4.14%和9.19% (P＜0.05) (图2A); 其他处理下较CK均有不同程度的降低, 其中在30C处理时降至最低点, 与CK相比降幅分别为40.89%和21.89% (P＜0.05)。在同一碱浓度处理下从A到C,ZH11和NG52的根系活力呈显著降低的趋势; 10C较10A处理分别降低8.18%和10.02% (P＜0.05), 20C较20A处理分别降低28.04%和12.27% (P＜0.05), 30C较30A处理分别降低31.37%和10.98% (P＜0.05)。另外,各处理均表现为NG52的根系活力显著大于ZH11(P＜0.05), 并且ZH11根系活力的降幅(0.73%～40.89%)大于NG52的降幅(1.75%～21.89%)。

随着胁迫程度的增加, ZH11和NG52的根系游离脯氨酸(Pro)含量较CK均不同程度地显著增加(图2B), ZH11根系Pro含量在30B处理时增幅最大, 较CK增加852.17% (P＜0.05); NG52在30C处理时增幅最大, 较CK增加1461.54% (P＜0.05)。在碱浓度为10 mmol·L-1、20 mmol·L-1时, ZH11和NG52的根系Pro含量从A到C显著升高, 其中, 10C较10A处理分别升高132.31%和125.49% (P＜0.05), 20C较20A处理分别升高213.56%和50.49% (P＜0.05); 碱浓度30 mmol·L-1时, ZH11的根系Pro含量从A到C呈现先增加后降低的趋势, 最高点出现在30B处理, 较30A处理增加67.18% (P＜0.05), 而NG52的根系Pro含量呈现增加的趋势, 且最大值出现在30C, 增幅为50.37% (P＜0.05)。ZH11和NG52根系Pro含量在CK、10A和30A处理时差异不显著, 但20A、20B、30C处理下NG52根系Pro含量显著高于ZH11 (P＜0.05), 且NG52根系Pro含量的增幅(292.31%～1461.54%)大于ZH11的增幅(156.52%～852.17%)。

ZH11和NG52的根系可溶性糖(SS)含量随胁迫程度的增加呈现上升的趋势(图2C), ZH11在30B处理升高至最大, 较CK增加77.77% (P＜0.05); NG52在30C处理时达最大值, 较CK增加228.01%(P＜0.05)。在碱浓度为10 mmol·L-1、20 mmol·L-1时,从A到C, ZH11和NG52的根系SS含量呈现增加趋势; 10C较10A处理分别升高22.38%和18.29%(P＜0.05), 20C较20A处理分别升高15.76%和6.34%(P＜0.05)。碱浓度30 mmol·L-1时, ZH11的根系SS含量从A到C呈现先增加后降低的趋势, 最高点出现在30B处理, 并显著高于处理30C (P＜0.05); 而NG52的根系SS含量呈现增加的趋势, 且最大值出现在30C, 增幅为6.44% (P＜0.05)。各处理下, ZH11的根系SS含量显著大于NG52 (P＜0.05), 但是ZH11根系SS含量的增幅(28.84%～77.77%)小于NG52的增幅(115.70%～228.01%)。

随着胁迫程度的增加, ZH11和NG52的根系可溶性蛋白(SP)含量较CK均有显著增加(图2D), ZH11在处理20C和30C时增幅最大, 分别为140.18%和141.82% (P＜0.05); 而NG52在30C处理时达最大值,较CK增加799.32% (P＜0.05)。在同一碱浓度处理下从A到C, ZH11和NG52的根系SP含量呈现上升的趋势; 其中, 碱浓度10 mmol·L-1时, 10C较10A处理分别增加14.76%和110.23% (P＜0.05); 碱浓度20 mmol·L-1时, 20C较20A处理分别升高19.73%和15.94% (P＜0.05); 碱浓度30 mmol·L-1时, 30C较30A处理分别增加18.60%和10.19% (P＜0.05)。CK、10 mmol·L-1、20 mmol·L-1处理下ZH11的根系SP含量显著大于NG52 (P＜0.05), 但30 mmol·L-1处理下ZH11和NG52的根系SP含量差异不显著, NG52根系SP含量的增幅(172.65%～799.32%)大于ZH11的增幅(67.61%～141.82%)。

2.3 碱胁迫对水稻根系脂质过氧化和活性氧含量的影响

随着胁迫程度的增加, ZH11根系丙二醛(MDA)含量较CK均显著增加(图3A), 在处理30B和30C时增幅最大, 分别为95.31%和105.26%(P＜0.05); 而NG52的根系MDA含量在10C处理时开始呈显著增加的趋势, 在30C处理时达最大值, 较CK增加63.65% (P＜0.05)。在相同碱浓度处理下从A到C,ZH11和NG52的根系MDA含量均呈现上升的趋势;其中, 碱浓度10 mmol·L-1时, 10C较10A处理分别增加8.97% (P＞0.05)和13.74% (P＜0.05); 碱浓度20 mmol·L-1时, 20C较20A处理分别升高25.13%和14.12% (P＜0.05); 碱浓度30 mmol·L-1时, 30C较30A处理分别增加20.41%和10.14% (P＜0.05)。在CK、20A和30A处理下ZH11和NG52的根系MDA含量差异不显著, 但其他处理下ZH11显著大于NG52 (P＜0.05),ZH11根系MDA含量的增幅(49.04%～105.26%)大于NG52的增幅(5.46%～63.65%)。

供试水稻的根系脂氧合酶(LOX)活性随着胁迫程度的增加呈上升趋势(图3B), 且ZH11和NG52的根系LOX活性在30C处理达最大值, 增幅分别为578.95%和400.00% (P＜0.05)。在同一碱浓度处理下从A到C, ZH11和NG52的根系LOX活性均呈上升趋势; 其中10C较10A处理分别增加107.79%和123.91% (P＜0.05), 20C较20A处理分别升高23.63%和27.03% (P＜0.05), 30C较30A处理分别增加24.64%和19.57% (P＜0.05)。在CK和10A处理下, ZH11和NG52的根系LOX活性差异不显著, 但随着胁迫程度增加, ZH11的根系LOX活性显著大于NG52 (P＜0.05),其中20C、30B和30C差异极显著(P＜0.01), ZH11根系LOX活性的增幅(102.63%～578.95%)大于NG52的增幅(39.39%～400.00%)。

随着胁迫程度的增加, ZH11和NG52的根系过氧化氢(H2O2)含量呈升高趋势(图3D), 且最大值均出现在30C处理, 增幅分别为396.14%和190.66%(P＜0.05)。在同一碱浓度处理下, 从A到C ZH11和NG52的根系H2O2含量均呈上升趋势; 其中10C较10A处理分别增加46.51%和27.71% (P＜0.05), 20C较20A处理分别升高56.34%和27.25% (P＜0.05), 30C较30A处理分别增加45.26%和23.06% (P＜0.05)。ZH11和NG52的根系H2O2含量在20B处理下差异显著(P＜0.05), 在20C、30B和30C处理下差异极显著(P＜0.01), 在其他处理下两个品种之间无显著差异,ZH11根系H2O2含量的增幅(86.96%～396.14%)大于NG52的增幅(54.47%～190.66%)。

2.4 碱胁迫对水稻根系抗氧化酶活性的影响

随着胁迫程度的增加, 供试水稻的根系SOD活性较CK均有显著增加(图4A), 其中ZH11在20C处理增幅最大, 为142.72% (P＜0.05); NG52根系SOD活性最大值出现在30C处理, 较CK增加240.53%(P＜0.05)。在相同碱浓度处理下, 从A到C ZH11和NG52根系SOD活性均呈现上升趋势; 其中, 10C较10A处理分别增加20.39%和56.55% (P＜0.05), 20C较20A处理分别升高34.56%和55.16% (P＜0.05), 30C较30A处理分别增加21.72%和39.60% (P＜0.05)。在CK、10A、10B和10C处理下ZH11的根系SOD活性显著高于NG52 (P＜0.05), 但20C、30A、30B和30C处理下NG52根系SOD活性显著大于ZH11 (P＜0.05), 其中20C和30C处理下达极显著水平(P＜0.01)。总体而言, NG52根系SOD活性的增幅(27.27%～24.53%)大于ZH11的增幅(61.71%～142.72%)。

ZH11和NG52的根系POD活性除10A和10B外, 在其他处理条件下均高于CK (图4B)。ZH11在20A处理最高, 较CK增加26.54% (P＜0.05); 而NG52在30B处理时增幅最大, 为42.50% (P＜0.05)。在10 mmol·L-1和20 mmol·L-1碱浓度处理下从A到C, NG52的根系POD活性呈上升趋势, 10C较10A处理增加16.43% (P＜0.05), 20C较20A处理升高3.83% (P＞0.05), 30 mmol·L-1碱浓度处理下, 30B SOD活性最高, 较30A处理增加3.72% (P＞0.05)。而ZH11仅在碱浓度为10 mmol·L-1时呈现上升的趋势, 在碱浓度为20 mmol·L-1、30 mmol·L-1时呈下降的趋势; 10C较10A处理增加12.78% (P＜0.05), 20C较20A处理降低8.44% (P＜0.05); 30B较30A处理降低13.93% (P＜0.05)。从CK到20B处理ZH11和NG52的根系POD活性差异不显著, 但20C、30A、30B和30C处理下NG52根系POD活性显著大于ZH11(P＜0.05), 其中20C和30B处理下差异达极显著水平(P＜0.01)。NG52根系POD活性的增幅(5.27%～42.50%)大于ZH11的增幅(2.59%～26.54%)。

随着胁迫程度的增加, ZH11和NG52的根系CAT活性较CK均显著增加(图4C), ZH11在20A处理时增幅最大, 较CK增加345.45% (P＜0.05); 而NG52在30B和30C处理时增幅最大, 分别为400.00%和430.00% (P＜0.05)。在同一碱浓度处理下从A到C,ZH11的根系CAT活性具有与根系POD活性相同的趋势, 均在20A处理最高, 10C处理较10A处理增加61.90% (P＜0.05), 20C较20A处理降低26.53%(P＜0.05), 30B较30A处理降低42.86% (P＜0.05); NG52的根系CAT活性在碱浓度为10 mmol·L-1、30 mmol·L-1时呈现上升的趋势, 10C较10A处理增加37.50%(P＜0.05), 30B较30A处理增加11.11%, 30C较30A处理增加17.78% (P＜0.05)。20B处理下ZH11的根系CAT活性显著高于NG52 (P＜0.05), 但30B和30C处理下NG52根系CAT活性极显著大于ZH11 (P＜0.01), 其他处理下两个品种间差异不显著。NG52根系CAT活性的 增 幅(140.00%～430.00%)大 于 ZH11的增幅(90.90%～345.45%)。

2.5 碱胁迫对水稻根系还原型抗坏血酸(ASA)和还原型谷胱甘肽(GSH)含量的影响

供试水稻的根系还原型抗坏血酸(ASA)含量随着胁迫程度的增加呈上升趋势(图5A), 其中ZH11最大值出现30B处理, 较CK增加690.48% (P＜0.05);NG52在30C时增幅最大, 为1795.46% (P＜0.05)。在同一碱浓度处理下从A到C, ZH11和NG52的根系ASA含量呈上升趋势; 其中10C较10A处理分别增加102.94%和32.79% (P＜0.05), 20C较20A处理分别升高84.30%和65.99% (P＜0.05); NG52的根系ASA含量30C较30A处理增加12.05% (P＜0.05)。20A、30B和30C处理下NG52根系ASA含量显著大于ZH11 (P＜0.05), 10C处理下NG25显著小于ZH11(P＜0.05), 其他处理下两个品种间差异不显著。NG52根系ASA含量的增幅(454.55%～1795.46%)大于ZH11的增幅(142.86%～690.48%)。

ZH11和NG52的根系还原型谷胱甘肽(GSH)含量随着胁迫程度的增加而呈现上升的趋势(图5B),ZH11最大值出现在20C处理, 较CK增加153.42%(P＜0.05); NG52在30C时增幅最大, 为184.93%(P＜0.05)。在相同碱浓度下从A到C, ZH11和NG52根系GSH含量均呈上升趋势, 10C较10A处理分别增加46.99%和68.21% (P＜0.05), 20C较20A处理分别升高26.50%和21.07% (P＜0.05); ZH11的根系GSH含量在碱浓度为30 mmol·L-1时从A到C处理之间差异不显著, 而NG52的根系GSH含量30C较30A处理增加7.35% (P＜0.05)。20A、20B、30A、30B和30C处理下NG52根系GSH含量显著大于ZH11 (P＜0.05), 其中30A和30C处理下达极显著水平(P＜0.01), 其他处理下两品种间差异不显著。NG52根系GSH含量的增幅 (29.28%～184.93%)大于ZH11的增幅(46.50%～153.42%)。

2.6 不同水稻品种根系生长及生理指标与胁迫因子的相关性分析

对根系生长和抗逆生理指标与胁迫因子(Na+和pH)进行冗余(RDA)分析。结果表明, ZH11第1、2排序轴特征值分别为0.6919和0.0520, 第1、2排序轴解释率分别为69.19%和74.39% (图6A); NG52第1、2排序轴特征值分别为0.085 25和0.0208, 第1、2排序轴解释率分别为85.25%和87.32% (图6B), 具有生物统计学意义。其中, ZH11和NG52的根系总长度、根系总表面积、根系平均直径、根体积、根系活力与胁迫因子呈负相关, 且Na+抑制作用大于pH; 胁迫因子与Pro、SS、SP、MDA、LOX、H2O2、SOD、POD、CAT、ASA、GSH呈正相关。

2.7 不同水稻品种根系生长及抗逆生理指标与胁迫程度的逐步回归分析

综合分析水稻根系响应碱胁迫的生长和生理指标变化, 将碱胁迫程度划分为3种类型(轻度胁迫、中度胁迫和重度胁迫)。以影响供试水稻品种耐碱性较为显著的根系生长和生理指标为自变量, 不同胁迫程度为因变量进行逐步回归分析, 结果如表2所示, 轻度胁迫下, ASA是影响ZH11耐碱性较显著的指标(R2=0.963), Pro、根系平均直径和POD是影响NG52耐碱性较显著的指标(R2=0.995)。中度胁迫下,SS是影响ZH11耐碱性较显著的指标(R2=0.922), 根系平均直径、SOD、根系总表面积、SS和根系活力是影响NG52耐碱性较显著的指标(R2=1.000)。重度胁迫下, H2O2和ASA是影响ZH11耐碱性较显著的指标(R2=0.925), GSH、H2O2和根系活力是影响NG52耐碱性较显著的指标(R2=0.995)。

表2 不同耐碱性水稻品种生长及生理指标与胁迫程度的逐步回归分析Table 2 Stepwise regression analysis of growth and physiological indexes of different rice varieties with degree of alkali stress

3 讨论

3.1 碱胁迫对水稻根系生长特性的影响

根系是连接植株地上部分和土壤的唯一枢纽,根的发育与植株对盐碱胁迫的耐受性密切相关。根系逆境信号感受器感受到胁迫信号后, 通过信号分子的转导, 调控逆境相关基因的表达, 进而调节自身生理状态和代谢产物在不同器官中的分配, 最终影响根系总长、根表面积、根直径、根体积和根系活力等根系形态结构[26-27]。于天一等[14]研究发现两种不同类型的花生品种总根长、根体积及根表面积随着pH的升高而降低。Abbas等[28]研究表明‘Janz’(耐盐小麦品种)和‘Jandaroi’(盐敏感小麦品种)在盐胁迫下根系长度和根总数均显著降低, 且‘Jandaroi’下降幅度大于‘Janz’。刘建新等[29]研究发现碱胁迫下黑麦草(Lolium perenneL.)根长、根表面积和根体积随碱浓度升高下降幅度增大, 但根直径随碱浓度的增加而升高。本研究结果表明, 随着碱胁迫程度的增加, 碱敏感水稻品种ZH11根系总长度、根系总表面积、根系平均直径和根体积均显著降低,而耐碱品种NG52的根系总长度、根系平均直径和根系总表面积在低碱浓度和低pH处理下均未发生显著变化, 说明维持根系总长度和表面积是水稻适应低碱胁迫的一种重要的根系分子机制, 这与Zhang等[15]研究得出的结果类似。ZH11和NG52在10A处理下根系活力显著增加, ZH11在10B处理下与CK差异不显著, NG52在10B和10C处理下与CK差异不显著, 说明在低碱浓度低pH条件下碱胁迫可能会通过提高水稻根系活力, 来弥补根体积减少带来的损伤, 从而维持根系形态特征的稳定, Lü等[30]的研究得出了相似的结论。在高碱胁迫下,ZH11和NG52的根系总长度、根系总表面积、根系平均直径、根体积和根系活力均显著降低, 且ZH11降幅大于NG52, 说明NG52耐碱的重要原因可能是通过增加根系活力, 维持根系总长度、根系总表面积和根系平均直径的稳定来实现的。

3.2 碱胁迫对水稻根系生理特性的影响

植物在长期的进化过程中, 逐渐进化出一套精密的生理机制来抵御逆境胁迫[31]。植物对盐胁迫响应机制主要包括渗透调节、离子平衡调节、抗氧化酶和抗氧化物质的合成与积累及活性氧清除等。植物根系代谢调控在植物抗逆过程中发挥着重要作用,根作为应对盐碱胁迫的第一道屏障, 积累渗透调节物质是缓解盐碱胁迫的主要途径[5,20], 脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白质(SP)和可溶性糖(SS)等作为渗透调节物质中的有机溶质, 可保护大分子结构免受非生物胁迫引起的损害, 并在植物氧化还原过程中起关键作用[32]。Ye等[33]研究结果显示狗牙根(Cynodon dactylonPers.)中度和重度碱胁迫处理后Pro、SS和蔗糖含量显著增加, 但是轻度碱胁迫对Pro、SS和蔗糖含量没有显著影响。Sun等[34]研究表明盐碱(NaCl、Na2SO4、NaHCO3)混合胁迫下, 高粱(Sorghum bicolorL.) Pro含量随着盐碱浓度的增加而增加, SP含量随着盐碱浓度的增加呈先升高后降低的趋势。Hu等[35]研究发现NaCl和Na2CO3胁迫下两个大麻(Cannabis sativaL.)品种的Pro含量均显着高于对照组, 且在200 mmol·L-1时Na2CO3胁迫下Pro含量大于NaCl。本研究发现, 碱胁迫下供试水稻根系Pro、SS和SP含量均显著增加, 说明水稻根系通过积累有机溶质, 以维持原生质与外界环境渗透平衡, 进而保证细胞生理代谢活动的正常进行[36]。在重度胁迫下, ZH11根系Pro和SS含量有降低趋势; 而NG52根系Pro和SS含量则逐步增加, 且增幅显著大于ZH11, 说明重度碱胁迫对碱敏感品种Pro和SS的合成有抑制作用。在CK处理中ZH11和NG52根系Pro含量差异不显著, 而在20A和30C处理中NG52根系Pro含量显著大于ZH11; 在CK处理下根系SP含量ZH11极显著大于NG52, 但重度胁迫下(30A、30B、30C)两者差异不显著; 各处理中ZH11根系SS含量均大于NG52, 增幅却小于NG52。以上结果表明, 不同水稻品种的渗透调节能力因品种而异,耐碱品种NG52能够积累更多的渗透调节物质, 以抵御碱胁迫引起的渗透胁迫, 说明较强的渗透调节能力是水稻根系适应碱胁迫的一种重要的生理机制。

植物正常条件下产生的活性氧(ROS)是重要的信号分子, 参与植物生长发育、逆境胁迫应答和部分生理过程[37]; 然而, 在胁迫下, 植物体内诱导产生包括过氧化氢(H2O2)、羟基自由基(OH-)、超氧自由基(O2·-)和单线性氧(1O2)在内的ROS, 并对不同细胞组分如核酸、蛋白质、膜质和糖类等均造成氧化损伤[33]。脂氧合酶(LOX)催化膜上多聚不饱和脂肪酸(PUFAs)的氧化反应, 导致膜脂过氧化, 丙二醛(MDA)是PUFAs过氧化的产物[38]。因此, MDA含量和LOX活性反映了细胞膜脂过氧化的程度。刘建新等[39]研究结果显示, 随着NaHCO3浓度增大, 燕麦(Avena sativaL.)叶片产生速率、H2O2和MDA含量明显增大。郭慧娟等[40]研究显示, 多年生黑麦草中MDA含量随pH的升高而增加。本研究结果表明,供试材料根系MDA含量、LOX活性、产生速率和H2O2含量随着胁迫程度的增加而升高; 其中,ZH11增加幅度大于NG52, 说明耐碱性水稻品种NG52通过降低细胞膜脂质过氧化和产生更少的ROS来提高植株的耐碱性, 这与Kumar等[41]的研究结果一致。此外, ZH11和NG52根系LOX活性和H2O2含量在CK时差异不显著, 但随着胁迫程度增加, 差异逐渐增大, 在30C处理时NG52与ZH11间差异达极显著水平, 说明较高碱性环境对NG52根系膜系统的受伤害较小, 反映出NG52较好的耐碱性。

为了保持有机体ROS的稳态, 植物已经进化出酶促和非酶促抗氧化系统, 以保护自己免受氧化损伤和保持较低水平ROS信号。酶促抗氧化系统主要有SOD、CAT、POD、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、谷胱甘肽还原酶(GR)等[42]; 非酶抗氧化系统包括ASA、GSH、类胡萝卜素(Car)等, 对于植物体内ROS稳态至关重要[43]。Jia等[44]研究盐、碱和盐碱混合胁迫对海棠(Malus pumilaMill.)的影响发现, 盐胁迫和盐碱胁迫下SOD和POD的活性显著增加, 而碱胁迫下SOD和POD的活性降低。Qin等[45]研究表明碱和盐处理增加了燕麦SOD和POD的活性以及MDA含量, 但降低了CAT的活性。Chen等[46]研究结果显示川蔓藻(Ruppia maritimaL.)幼苗SOD、POD、CAT活性在较低的盐碱浓度下呈增加趋势, 但在较高浓度下呈降低趋势。本研究结果表明供试水稻根系抗氧化酶的活性因品种和胁迫程度不同而异。碱胁迫显著增加了供试水稻根系SOD、POD和CAT活性以及ASA和GSH含量; ZH11根系SOD活性、CAT活性和POD活性均呈现先升高后降低趋势, 而NG52根系SOD、POD和CAT活性不断增加。在同一碱浓度不同pH处理下, ZH11和NG52根系ASA含量、GSH含量和SOD活性均不断升高; ZH11根系CAT活性和POD活性在碱浓度为10 mmol·L-1时随pH升高而升高,但在20 mmol·L-1和30 mmol·L-1时随pH升高而降低, 而NG52则保持较高的活性。以上结果表明, 在中度和重度胁迫下, ZH11根系抗氧化系统清除体内多余活性氧的能力减弱, 而根系内O2·-产生速率和H2O2含量随着胁迫程度的增加而升高, 导致ROS的动态平衡被破坏, 膜质过氧化程度增加, 进而影响ZH11的耐碱性, 这与前人的研究结论相似[44,47]; 而NG52仍能维持较高的抗氧化酶活性和较低增幅的ROS含量。整个胁迫期间, NG52的根系抗氧化酶活性(SOD、POD和CAT)和抗氧化剂(ASA和GSH)含量增幅均大于ZH11, 说明耐碱性水稻NG52具有较强酶促和非酶促抗氧化系统, 能够有效控制机体内活性氧水平。

3.3 各胁迫因子对不同水稻品种的影响及水稻应答碱胁迫的阶段性响应策略

碱胁迫对植物的危害之所以大于盐胁迫, 是因为其较高的pH导致根系周围营养元素固化、破坏跨膜电位、抑制了大多数离子的吸收, 从而改变养分的利用率, 并破坏离子平衡, 导致根系生长异常[48]。Zhang等[49]认为在盐渍化土壤中种植桑树(Morus albaL.)应该考虑总的盐碱含量以及高pH对桑树生长的影响。本试验采用冗余分析(RDA)研究胁迫因子(Na+和pH)与水稻各生长及生理指标间的相关性,得出Na+和pH与水稻各生长指标呈负相关, 与生理指标呈正相关, 说明Na+和pH均影响水稻根系生长特征和生理特性。分析各生长指标、脂质过氧化和活性氧含量发现, 在ZH11中, 20C (碱浓度为20 mmol·L-1, pH 10.50)处理时根系平均直径和根系活力低于30A (碱浓度为30 mmol·L-1, pH8.65)处理,MDA含量、LOX活性、产生速率和H2O2含量显著高于30A处理。10C和20A相比, 也存在类似的情况。以上结果可能是高pH和Na+协同作用的结果[50-51], 说明在一定程度的碱胁迫下, 高pH是影响植物生长的主要因素。

安玉艳等[52]和张翠梅等[26]提出植物因胁迫时间和胁迫程度会出现阶段性响应特点, 认为不同阶段中植物抗逆机制的核心任务不同。本研究发现, 在轻度胁迫下(10A、10B和10C), 碱敏感水稻品种ZH11通过启动非酶促系统中的关键指标(ASA)来适应轻度碱胁迫; 而耐碱性品种NG52则通过维持根系平均直径、增加渗透调节物质(Pro)和抗氧化酶活性(POD)提高耐碱性。在中度胁迫下(20A、20B和30A), ZH11主要通过增加渗透调节物质(SS)抵御碱胁迫; 而NG52主要通过改变根系生长特性(根系平均直径、根系总表面积和根系活力)、渗透调节物质(SS)和抗氧化酶活性(SOD)来适应碱胁迫。在重度胁迫下(20C、30B和30C), ZH11通过增加H2O2和ASA含量来响应碱胁迫, NG52通过改变H2O2、GSH和根系活力来响应碱胁迫。说明活性氧(H2O2)是影响重度胁迫下水稻生长的关键因素, 而抗氧化剂(ASA和GSH)则是抵御胁迫伤害的关键指标。以上试验结果表明, 不同程度碱胁迫下, 水稻耐碱策略的着重点不同, 两种水稻品种在不同胁迫程度下会启动不同的防御机制以响应碱胁迫, 这些不同防御机制的启动可能是由于品种本身遗传背景差异造成的。

4 结论

本研究中, 碱浓度和pH胁迫均影响了供试水稻根系生长特征及生理特性, 因此在盐碱地种植水稻不仅要考虑盐碱浓度, 同时还应关注不同碱分组成引起的pH变化对水稻的影响。不同碱敏感水稻品种在形态特征和生理特性上抵御不同程度的碱胁迫时存在不同的防御策略。在轻度和中度胁迫下, 碱敏感水稻品种‘中花11’通过增加抗氧化剂(ASA)含量和渗透调节物质(SS)来适应碱胁迫; 耐碱性水稻品种‘宁粳52’主要通过改变根系生长特征(根系平均直径、根系总表面积和根系活力)、增加渗透调节物质(SS)和启动抗氧化酶防御系统来抵御碱胁迫。在重度胁迫下, ‘中花11’和‘宁粳52’均通过降低活性氧(H2O2)和提高抗氧化剂含量来响应碱胁迫。