盐胁迫对小麦籽粒萌发中淀粉分解及苗期根系生长的影响

Effect of salt stress on starch degradation in wheat seed germination and root system at seedling stage

摘要

目的 通过测定盐（NaCl）胁迫下两个小麦品种籽粒萌发过程中的淀粉颗粒的分解、淀粉酶活性及根系生长等指标，研究并解释其耐盐性，以期为筛选耐盐小麦种质筛选提供理论依据。 方法 试验在小麦籽粒萌发过程中设0 mmol/L（CK）、100 mmol/L、200 mmol/L、300 mmol/L 4个NaCl胁迫浓度处理。在胁迫48 h时，使用扫描电子显微镜观察胚乳中淀粉颗粒的分布状况，利用3，5-二硝基水杨酸法测定籽粒中α-淀粉酶活性，发芽势及发芽率；在胁迫4、6、8、10、12 d时测定幼苗的根长、根面积、根体积等指标。 结果 与CK相比，随着NaCl浓度的增大，两个小麦品种籽粒胚乳A、B型淀粉粒的数量逐渐增多，紫小麦的A、B型淀粉降解情况优于甘春24号；两个小麦品种籽粒的α-淀粉酶的活性逐渐减小；在同一时期，两个小麦品种幼苗的发芽势、发芽率及根系生长指标均呈现逐渐减小趋势，且与CK差异显著（P<0.05），甘春24号降幅降低幅度高于紫小麦。 结论 紫小麦耐盐性优于甘春24号。

Abstract

Objective The salt tolerance of different wheat varieties was studied and explained by determining the indexes of starch granule degradation，amylase activity and root growth during seed germination under salt (NaCl) stress，in order to provide a theoretical basis for screening salt-tolerant wheat germplasm. Method In this experiment，different concentrations of NaCl stress were applied during the seed germination，and the stress concentrations were 0 mmol/L(CK)，100 mmol/L，200 mmol/L and 300 mmol/L.The distribution of starch granules in the endosperm was observed under a scanning electron microscope after 48 h，and the α -amylase activity in the grains was determined by the 3,5- dinitrosalicylic acid method.Meanwhile，the germination potential，germination rate and the indicators such as root length，root area and root volume at 4 th，6 th，8 th，10 th and 12 th d of stress were measured. Result During the same period，the seedling germination potential，germination percentage and root growth index of the two wheat varieties showed a decreasing trend and were significantly different from CK (P<0.05).The decreasing amplitude of Ganchun 24 was lower than that of purple wheat.Compared with CK，the number of A- and B-type starch grains in the endosperm of the two wheat varieties gradually increased with the increasing NaCl concentration.The activities of α -amylase of two wheat varieties gradually decreased. Conclusion The salt tolerance of purple wheat was better than that of Ganchun 24.

Graphical abstract

关键词

小麦 / NaCl胁迫 / 根系生长 / 淀粉分解

Key words

wheat / NaCl stress / root growth / starch degradation

Author summay

朱妍钰，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

土壤盐碱化是限制农业发展的主要因素之一^［1］，我国土地资源中盐碱地的分布具有面积大、范围广等特点^［2］。小麦是我国主要的粮食作物之一，在农业生产中有着举足轻重的地位，因此保障小麦的生产安全是人类粮食安全的重要保障^［3］。但土壤盐碱化，对一般小麦的生长发育会形成相当大的影响，严重者甚至无法正常生长，造成小麦产量与品质降低^［4］，土壤盐碱化加剧会严重影响世界粮食安全问题^［5］。所以研究筛选耐盐性小麦成为现在迫切需要解决的问题。

前人对小麦的抗盐生理机制和胚乳淀粉粒已经进行了许多研究，胡博文等^［6］研究发现籽粒淀粉合成关键酶活性变化规律及高低可作为耐盐性鉴定的指标。李文阳等^［7］研究发现盐胁迫对小麦生育期内胚乳淀粉粒的形成有一定的影响。孙新灵等^［2］研究发现耐盐锻炼能够使小麦幼苗在形态及根系生长方面对盐胁迫做出应答，提高其盐胁迫抵御能力。但以往的研究内容侧重于盐胁迫下小麦各种生理指标及衰老指标的变化，以及在盐胁迫下小麦胚乳淀粉粒合成途径和籽粒形态的变化。α-淀粉酶是分解小麦胚乳中最主要的萌发相关酶^［8］。α-淀粉酶可以降解小麦籽粒胚乳中的淀粉颗粒，已有研究表明淀粉降解过程是小麦种子萌发过程中主要的能量来源和物质代谢，其代谢产物为种子萌发提供必须的养料和能量^［9］。在小麦萌发初期α-淀粉酶可以降解胚乳中的淀粉成为小分子的糖类物质，促使小麦的正常萌发生长，因此在不同盐浓度的处理下α-淀粉酶的活性对小麦胚乳中淀粉的分解状况有很大影响^［10-11］。研究结果表明，随着NaCl浓度的增大，α-淀粉酶的活性逐渐减小。

因此本实验以甘春24号和紫小麦为试验材料，研究了在不同浓度盐胁迫下小麦籽粒苗期根系生长情况差异以及小麦胚乳淀粉粒的分布、淀粉酶活性差异。旨在为耐盐性小麦品种的筛选提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试种子为甘肃农业大学麦类作物实验室提供的春小麦品种甘春24号（水地品种）和紫小麦（旱地品种）。

1.2 试验方法

13 cm×19 cm×12 cm的发芽盒中加入1 cm高的不同浓度（0、100、200、300 mmol/L）NaCl溶液，平铺2层与盒底大小一致的发芽纸，待发芽纸完全湿透后倒掉多余的溶液，备用。分别选择色泽好，籽粒饱满，大小均匀一致的小麦籽粒，分别放入100 g/L次氯酸钠溶液中消毒5 min，用蒸馏水冲洗3次，然后将籽粒移入发芽盒中，每个发芽盒中放置100粒籽粒，室温下放置，适时补水，使其维持对应浓度，进行3次重复。分别在萌发4、7 d时测定小麦发芽势和发芽率。在萌发期选取不同处理环境下的材料，在胁迫开始48 h采样，采用扫描电子显微镜研究不同浓度NaCl胁迫对萌发过程中两个小麦品种籽粒胚乳中淀粉的分解状况。在胁迫第4 天时每隔48 h采样，共采样5次，采用根系扫描仪测定两个小麦品种幼苗期的根长、根面积、根体积。

1.3 测定指标与仪器

1.3.1 发芽势和发芽率

以种子的胚芽长到约种子一半长度作为种子萌发标准，在种子发芽 4 d 时计算发芽势，在种子发芽 7 d 时计算发芽率。

发芽势（%）=4 d发芽种子数/试验种子数×100%

发芽率（%）=7 d发芽种子数/试验种子数×100%

1.3.2 根系性状测定

使用Scan-Makeri800Plus扫描仪（MICROTEK，中国）和LA-S植物根系分析仪（万深，中国）对根系进行扫描分析，获得3项主要数据指标：总根长、总根面积和总根体积。

1.3.3 小麦籽粒淀粉性状测定

使用扫描电子显微镜（JSM-5600）扫描分析小麦籽粒胚乳中的淀粉粒。

1.3.4 小麦籽粒α-淀粉酶含量测定

采用3，5-二硝基水杨酸法，单位用1 g萌发种子1 min水解产生的麦芽糖的量（mg）计算^［12］。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2016进行数据的处理、绘图和表格制作，观察和分析数据整体的趋势；采用SPSS 28.0对数据进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同浓度NaCl胁迫对小麦种子发芽势和发芽率的影响

相同NaCl胁迫浓度下，两个品种小麦种子发芽势和发芽率均随着NaCl浓度增大呈现逐渐降低的趋势；分别在200 mmol/L和300 mmol/L NaCl胁迫浓度时表现得更明显，与CK呈现显著差异（P<0.05），且浓度越高，降幅越大。NaCl浓度较低时，紫小麦种子的发芽势较CK略有升高，增长5.26%，说明低盐胁迫一定程度上促进了紫小麦种子的萌发。（图1）。以上结果表明，NaCl的胁迫浓度会影响种子发芽势和发芽率；甘春24号对NaCl胁迫十分敏感；低盐胁迫并未对紫小麦造成严重伤害，之后随NaCl胁迫浓度升高，紫小麦种子的发芽势及发芽率降幅呈增大的趋势。

2.2 不同浓度NaCl 胁迫下小麦胚乳中淀粉分解情况

本试验采用扫描电子显微镜拍照获得正常生长条件下与不同浓度NaCl胁迫下，对小麦籽粒胚乳淀粉粒在同一时期的电子显微镜照片观察发现，小麦淀粉是以颗粒的形式存在于小麦籽粒胚乳中（图2）。

相同倍数下，甘春24号淀粉粒数量多于紫小麦，说明紫小麦的A、B型淀粉降解情况优于甘春24号。与CK相比，随着NaCl浓度的增高，两个小麦品种籽粒胚乳A、B型淀粉粒的降解均有减缓趋势。与CK相比，当NaCl浓度为300 mmol/L时，其籽粒胚乳内部A、B型淀粉粒均明显增多，说明当NaCl浓度为300 mmol/L时α-淀粉酶活性较低。随着胁迫NaCl浓度的增高，A、B型淀粉粒的降解情况趋势逐渐减缓，种子萌发过程中的物质代谢过程受到干扰，种子萌发率降低，根系生长减缓（图2）。

2.3 不同浓度NaCL胁迫对种子萌发过程中α-淀粉酶活性的影响

对不同浓度NaCl胁迫下小麦种子萌发观察发现，紫小麦的α-淀粉酶活性在整体上大于甘春24号，说明，与甘春24号相比，紫小麦对盐胁迫有更好的耐受性。两个小麦品种的不同浓度NaCl胁迫下的小麦种子的α-淀粉酶活性变化随着NaCl胁迫浓度的增加均有不同程度的减少（图3）。

2.4 不同浓度NaCl胁迫下两个小麦品种苗期根系生长情况

对不同浓度NaCl胁迫下小麦籽粒苗期根系生长情况观察发现，两个小麦品种的各个处理水平的小麦总根长度、根面积和根体积变化随着NaCl胁迫浓度的增加，均较CK有不同程度的减少。且紫小麦籽粒苗期根系生长状况优于甘春24号，说明相对于甘春24号，紫小麦对不同浓度的NaCl胁迫有更好的耐受性。随着胁迫时间延长，不同浓度NaCl胁迫下小麦籽粒苗期总根长度、根面积和根体积随之增长（图4）。

对不同浓度NaCl胁迫对甘春24号根系长度的影响观察发现（图4-A），除4d外，NaCl胁迫浓度为100 mmol/L较 CK差异不显著，说明甘春24号在NaCl胁迫初期，对总根长度存在影响，随着胁迫时间延长，低浓度NaCl胁迫的影响逐渐减弱，其中NaCl胁迫浓度为200 mmol/L时增长缓慢，NaCl胁迫浓度为300 mmol/L时几乎停止生长。对不同浓度NaCl胁迫对紫小麦根系长度的影响观察发现（图4-B），在NaCl胁迫浓度为300 mmol/L时，紫小麦根总长度增长缓慢，其余浓度基本维持正常生长。与CK相比，NaCl胁迫下甘春24号和紫小麦的总根长度均减少，且CK和NaCl胁迫条件下紫小麦的总根长度均显著（P<0.05）高于甘春24号。

对不同浓度NaCl胁迫对甘春24号根面积的影响观察发现（图4-C），除第4 天外，NaCl胁迫浓度为100 mmol/L较 CK差异不显著，说明在NaCl胁迫初期，对根面积存在影响，随着胁迫时间延长，低浓度NaCl胁迫的影响逐渐减弱，其中NaCl胁迫浓度为200 mmol/L和300 mmol/L时增长缓慢。对不同浓度NaCl胁迫对紫小麦根面积的影响观察发现（图4-D），在NaCl胁迫浓度为300 mmol/L时，紫小麦根面积增长缓慢，其余浓度基本维持正常生长。与CK相比，NaCl胁迫下甘春24号和紫小麦的根面积均减少，且CK和NaCl胁迫条件下紫小麦的根面积均显著（P<0.05）高于甘春24号。

对不同浓度NaCl胁迫对甘春24号根系体积的影响观察发现（图4-E），除第4、6 天外，NaCl胁迫浓度为100 mmol/L较 CK差异不显著，说明在NaCl胁迫初期，对根体积的影响较为显著（P<0.05），其中NaCl胁迫浓度为300 mmol/L时增长缓慢。对不同浓度NaCl胁迫对紫小麦根系体积的影响观察发现（图4-F），在NaCl胁迫浓度为300 mmol/L时，紫小麦根体积增长缓慢，其余浓度基本维持正常生长。与CK相比，NaCl胁迫下甘春24号和紫小麦的根系体积均减少，且CK和NaCl胁迫条件下紫小麦的根系体积均显著（P<0.05）高于甘春24号。

高浓度NaCl胁迫对小麦籽粒苗期根系生长存在显著抑制作用。甘春24号与紫小麦之间品种差异显著，紫小麦对NaCl胁迫表现出较强的耐盐性，紫小麦根系在NaCl胁迫中维持较好的生长能力，能够较强抵御NaCl胁迫带来的危害；而甘春24号在高浓度NaCl胁迫下表现出明显的NaCl胁迫效应，生长发育受到严重抑制。这些结果表明，在高盐胁迫下紫小麦受到的损伤比甘春24号小。

3 讨论

种子萌发期是植物整个生命周期中对外界环境刺激响应最为强烈和脆弱的时期^［13］。种子萌发期对盐的应激表现往往最能够反映出此种植物对该盐的耐受性^［14］。土壤盐分过多可导致土壤溶液的渗透势提高^［15］，造成植物吸水困难，严重时还造成细胞组织的水分外渗，抑制作物幼苗的生长，且使植物的蒸腾强度加大^［16］。关于NaCl溶液对种子萌发的影响，目前有两种结果，乔枫、朱金方等在沙棘^［17］和柽柳^［18］种子上得出的研究结果显示，低浓度NaCl胁迫有助于种子萌发^［19］，高浓度时则存在抑制作用。张建锋等^［20］在研究流苏和香椿种子时得出结果显示，各浓度NaCl胁迫均会抑制种子萌发，且浓度越大，引发的抑制作用会越明显。本试验得出的结果与乔枫等研究结果相似。当NaCl胁迫浓度为100 mmol/L时，总根长度较CK（0 mmol/L）有所增加，未受到抑制作用，随着NaCl胁迫浓度增加，小麦籽粒苗期根系生长各项指标下降，受抑制作用较为明显。由此可知，在含盐量较低的土地上，小麦具有一定的耐受性。淀粉是小麦籽粒中主要的储藏物质^［21］，其能否正常在α-淀粉酶作用下转化成小麦籽粒萌发所需要的小分子糖类物质是小麦萌发及小麦幼苗根系生长的关键。

4 结论

在NaCl胁迫下，紫小麦的根面积和根体积均大于甘春24号，根系生长状况较好，表明在NaCl胁迫下，紫小麦籽粒胚乳淀粉粒的转化过程受到较弱的抑制作用，品种耐盐性较强。随着胁迫NaCl浓度的增大，A、B型淀粉粒的降解情况趋势逐渐减缓，种子萌发过程中的物质代谢过程受到干扰，种子萌发率降低，根系生长减缓。两个小麦品种的各个处理水平下的种子α-淀粉酶活性变化随着NaCl胁迫浓度的增加均有不同程度的减少。本试验的研究结果表明，根长度、根面积和根体积变化随着NaCl胁迫浓度的增加，均较CK（0 mmol/L）有不同程度的减少。且紫小麦籽粒苗期根系生长状况优于甘春24号，说明，相对于甘春24号，紫小麦对不同浓度的NaCl胁迫有更好的耐受性。各处理组小麦总根长度、根面积和根体积随胁迫时间延长均有不同程度的增长。

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基金资助

甘肃省教育厅青年博士基金项目(2021QB-029)

甘肃省农业小麦产业体系项目(GARS-01-05)

省教育厅高校科研项目(2018D-14)

甘肃省科技重大专项计划项目(17ZD2NA016)

甘肃省科技计划项目(1506RJZA014)