4个荞麦品种对盐胁迫的生理响应及抗盐性评价

Evaluation of physiological responses and salt tolerance to salt stress in four buckwheat varieties

摘要

目的 研究不同荞麦品种对盐胁迫的生理响应及耐受性。 方法 以定甜荞1号、固荞1号、贵甜荞2号和定甜荞3号为研究对象，采用NaCl胁迫盆栽试验，以清水为对照（CK），分别对生长量（株高）、发芽率、成活率（存活率）、脯氨酸含量、可溶性糖（SS）、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量、叶绿素含量等指标进行测定，采用隶属函数法对其抗盐性进行综合分析评价。 结果 NaCl胁迫显著影响荞麦的种子萌发、幼苗生长发育和生理生化反应。4个荞麦品种抗盐性强弱依次为：贵甜荞2号>定甜荞1号>定甜荞3号>固荞1号，其中贵甜荞2号受害最轻，抗盐性最强；固荞1号受害最严重，抗盐性最弱。 结论 研究结果为盐碱地区荞麦种植的品种筛选提供一定理论依据，具有科学、全面、准确、方便的特点，有较高推广应用价值。

Abstract

Objective To study the physiological response and tolerance of different buckwheat varieties to salt stress. Method Ding tian qiao No.1， Gu qiao No.1， Gui tian qiao No.2， and Ding tian qiao No.3 were used as material. Potting test by NaCl stress using clean water as a control （CK）， growth amount （plant height）， germination rate， survival rate， proline content， soluble sugar （SS） content， superoxide dismutase （SOD） activity， peroxidase （POD） activity， malondialdehyde （MDA） content， chlorophyll content and other indicators were determined. Principal component analysis and membership function method were used to comprehensively evaluate its salt resistance. Result NaCl stress significantly affected seed germination， seedling growth and development，and physiological and biochemical responses of buckwheat.The salt resistance of the four buckwheat varieties was， in order： Gui tian qiao No.2 > Ding tian qiao No.1 > Ding tian qiao No.3 > Gu qiao No.1，among them， Gui tian qiao No. 2 suffered the lightest and had the strongest salt resistance，Gu qiao No.1 is the most severely affected and the salt resistance is the weakest. Conclusion This paper provides some theoretical basis for the selection of buckwheat varieties to be grown in saline-alkali areas.

Graphical abstract

关键词

盐胁迫 / 荞麦 / 生理生化 / 隶属函数分析

Key words

salt stress / buckwheat / physiological and biochemical / membership functions

Author summay

冯哲，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

土壤盐渍化已成为当今世界重要的环境问题，我国的盐渍化土壤占全国可利用土地面积的4.9%^［1］。土壤较低的盐浓度可促进作物的生长，但当盐浓度超过100 mmol/L时，作物的发芽和生长均受到严重影响^［2］。因此，通过筛选和培育适合盐碱地种植的作物，对盐碱土地资源的开发利用，增加作物产量和保障粮食安全有重要意义^［3］。

荞麦（Fagopyrum esculentum Moench）属蓼科荞麦属双子叶一年生禾谷类作物，种子三角形，是世界上一种重要的杂粮作物，也是我国古老的农作物之一^［4］。荞麦籽粒富含蛋白质、脂肪、淀粉、矿物质和维生素以及丰富的生物类黄酮，是我国干旱、半干旱贫瘠高寒丘陵山区主要的粮食作物和经济作物^［5］，其中环县、华池县是中国甜荞三大主产区之一，但该地区土壤盐渍化较为严重，需要筛选适合该地区种植的抗盐荞麦品种。

荞麦有一定抗盐胁迫能力，但高浓度盐胁迫会显著影响荞麦的生长发育^［6］，降低荞麦的发芽率、发芽势和净光合速率，甚至致死^［7］。荞麦种子萌发和幼苗生长发育期是对土壤中盐浓度变化最敏感的阶段，如果在此阶段遭遇不良环境，则会对其产生不可逆转的危害^［8］。本研究通过对19个荞麦品种进行盐胁迫初步试验，以综合性状优良、稳产性好、具有一定抗盐性、在庆阳荞麦产区重点推广的4个荞麦（甜荞）品种为试验材料，进行抗盐性进行综合评价，旨为荞麦抗（耐）盐品种的筛选与抗盐机理研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

4个荞麦品种为定甜荞1号、定甜荞3号、贵甜荞2号和固荞1号，由陇东学院农林科技学院提供。精选大小均匀、饱满无损的荞麦种子，用0.1% KMnO₄溶液消毒10 min，再用温水（35 ℃）浸泡12 h，软化种皮，蒸馏水冲洗4次，滤纸吸干外附水分，从中随机挑取种子于恒温培养箱中（22±2）℃，相对湿度50%左右，待幼苗长出两叶一心后，进行盐胁迫处理。

1.2 试验设计

试验采用盆栽试验，单因素随机区组，设置0、50、100、150、200 mmol/L 5个NaCl处理梯度，每个处理设置5次重复，4个品种共计100盆。待单株长出二心一叶后，转移至恒温培养箱外，在20~25 ℃、相对湿度45%以上的环境中进行盐胁迫处理，每两天浇灌100 mL不同浓度的NaCl盐溶液，连续胁迫15 d后破坏性采样，测定幼苗各项指标。

1.3 测定方法

1.3.1 株高的测定

盐胁迫处理前和试验结束后，按取样要求用直尺测定计算株高（cm）。

1.3.2 发芽率与成活率（成活率）的测定

盐胁迫处理15 d后统计成活率^［9］。

发芽率（%）=\frac{\mathrm{发芽}\mathrm{数}}{\mathrm{处理}\mathrm{苗数}}×100%

成活率（%）=\frac{\mathrm{成活}\mathrm{苗子}\mathrm{数}}{\mathrm{处理}\mathrm{苗数}}×100%

1.3.3 生理指标的测定

采用分光光度计法测定叶绿素含量^［10］，准确称取在相应处理溶液中生长15 d的荞麦幼苗叶片0.2 g，并加入5 mL酶提取液（50 mmol/L的pH值7.8磷酸缓冲液、0.3% Triton-100、4%的PVP、0.1 mmol EDTA）冰浴研磨置离心管中，同时在12 000 r/min下冷冻离心20 min，取上清液备用^［11］。

超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑法，以抑制NBT光化学还原的50%为一个酶活力单位^［12］；过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚显色法，以1 min POD值降低0.01定义为一个酶活力单位^［13］；丙二醛（MDA）和可溶性糖（SS）含量的测定采用硫代巴比妥酸法^［14］；脯氨酸含量采用酸性茚三酮显色法测定^［13］；丙二醛（MDA）和可溶性糖（SS）含量的测定采用硫代巴比妥酸法^［14］；脯氨酸含量的测定采用酸性茚三酮显色法测定^［15］_。

1.3.4 综合评定方法

通过对以上9个指标进行主成分分析，应用隶属函数法^［16］综合评价4个荞麦品种的抗盐性。

隶属函数值=（X_i －X_min）/（X_max-X_min）（1）

隶属函数值=1-（X_i -X_min）/（X_max-X_min）（2）

式中：X_i 为某材料的某一指标测定值，X_max为所有待鉴定材料某一指标测定值的最大值，X_min为所有待鉴定材料某一指标测定值的最小值。如某一指标呈正相关，则用式（1）表示；如某一指标呈负相关，则用式（2）表示。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 26.0软件和Office Excel软件进行方差分析和图表的绘制，其中不同盐处理水平之间，不同测量生理指标之间均采用单因素方差分析，运用LSD和Duncan（D）两两比较^［17］。

2 结果与分析

2.1 不同荞麦品种发芽率、成活率以及株高对盐胁迫的响应

由图1可见，4个荞麦品种在不同浓度的NaCl胁迫处理下，随着盐浓度的增加，荞麦的发芽率和成活率（存活率）总体呈不断降低的趋势，但各品种均能够在较高盐浓度下发芽，200 mmol/L盐胁迫处理，发芽率显著降低；植株成活率表现出类似的情况，并随着盐浓度的增加植株长势明显变弱。从盐胁迫对荞麦幼苗株高的影响看，较高浓度的盐胁迫对荞麦幼苗株高的影响极为强烈，随着盐浓度的增加株高显著降低（P<0.01）。幼苗的株高又是荞麦后期分枝水平和经济产量的重要参比指标，可以作为衡量荞麦品种抗（耐）盐性的关键指标，与定甜3号相比，其他3个品种的表现相对优良。

2.2 不同盐浓度处理对4个荞麦品种幼苗叶片渗透调节物质的影响

由图2-A可见，随着盐胁迫浓度的增加，荞麦幼苗叶片可溶性糖（SS）含量均呈逐渐上升的趋势。在50~100 mmol/L盐浓度处理下，定甜荞3号幼苗叶片的SS含量最高，较CK平均增加23.14 %；NaCl浓度在150~200 mmol/L的处理，贵甜荞2号幼苗叶片的SS含量最高，较CK平均增加16.45%。幼苗叶片脯氨酸含量在不同处理下与SS含量变化趋势一致，均随NaCl浓度的增加而升高（图2-B）。贵甜荞2号在50、100、150及200 mmol/L NaCl处理下的脯氨酸含量分别较CK增加25.32%、43.24%、57.26%和73.86%。说明随着盐浓度的增加，脯氨酸与可溶性糖（SS）含量升高，荞麦适应性也在增强，其中贵甜荞2号表现较为突出。

2.3 不同盐浓度处理对4个荞麦品种幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

由图3-A可见，在150 mmol/L处理浓度时，POD活性达到最大，且显著高于CK（P<0.05），定甜荞1号、定甜荞3号、贵甜荞2号、固荞1号分别较CK提高了3.36、1.62、5.35和2.89倍；在200 mmol/L处理下，POD活性有所下降。

由图3-B可见，随着盐胁迫浓度的增加，超氧化物歧化酶（SOD）活性呈先上升后下降的趋势。各浓度盐胁迫下的荞麦SOD活性均显著高于对照（P<0.05）。在150 mmol/L浓度时，SOD活性达到最大，定甜荞1号、定甜荞3号、贵甜荞2号及固荞1号幼苗叶片的活性分别较CK提高了76.29%、91.63%、75.11%和49.62%；在200 mmol/L处理下，SOD活性有所下降，说明此浓度抑制荞麦生长发育。

2.4 不同盐浓度处理对荞麦幼苗叶片丙二醛（MDA）和叶绿素含量的影响

由图4-A可见，随着盐胁迫浓度的增加，4个荞麦品种叶片MDA含量逐渐增加，说明细胞受胁迫损害程度增加。在50 mmol/L盐处理下，定甜荞1号和固荞1号叶片MDA含量较CK提高了248.27%和27.74%（P<0.05）；在150 mmol/L盐处理下，贵甜荞2号幼苗叶片MDA含量较定甜荞1号和固荞1号提高了30.40%和23.16%（P<0.05）；在200 mmol/L浓度处理下，定甜荞3号幼苗叶片MDA含量达到最高，较定甜荞1号和固荞1号提高了14.29%和11.56%（P<0.05）。随着盐胁迫浓度的增加叶绿素含量呈下降趋势（图4-B），在200 mmol/L浓度的处理下，贵甜荞2号幼苗叶片叶绿素含量最高，是定甜荞1号、定甜荞3号和固荞1号的1.29、1.12和1.67倍。表明，当荞麦受到盐胁迫时，其体内细胞膜受到损害，且盐浓度越高损害程度越大。

2.5 不同荞麦品种的耐盐性综合评价

对4个荞麦品种盐胁迫下的9个指标进行主成分分析（表1），可划分为3个主成分。第一主成分包括成活率（存活率）、发芽率、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和叶绿素含量5个指标，贡献率52.99%；第二主成分包括生长量（株高）、可溶性糖（SS）含量和过氧化物酶（POD）活性3个指标，贡献率32.18%；第三主成分为脯氨酸含量，贡献率32.18%。

利用隶属函数法综合分析（表2），贵甜荞2号抗盐性最强，固荞1号抗盐性最弱，说明在0~200 mmol/L NaCl浓度下，贵甜荞2号受害最轻，耐受性最强，固荞1号受害最强，耐受性最差。4个荞麦品种抗盐性强弱排序为：贵甜荞2号>定甜荞1号>定甜荞3号>固荞1号。

3 讨论

3.1 盐胁迫对荞麦生长的影响

植物株高是植物快速生长阶段对盐胁迫最为敏感的指标。高莉等^［18］研究发现盐胁迫条件下，植物株高的变化可以作为鉴定其耐盐能力强弱的可靠指标，株高减少幅度越大，说明其耐盐能力越差。本试验结果表明，随着盐浓度的升高，4个荞麦品种的株高逐渐降低，贵甜荞2号在抗盐方面表现优良，是高盐碱荞麦适生区首选品种，该结论与笔者实际调查的结果也基本吻合。

植物的成活率与发芽率是反映该植物对环境胁迫抗性大小的最直观指标^［19］。在150~200 mmol/L的盐处理下，贵甜荞2号仍然保持了40%的成活率，而其余3个荞麦品种在不同NaCl浓度下的成活率、发芽率存在显著差异。低浓度NaCl能较好地促进荞麦种子萌发和幼苗生长，但在高浓度下（≥150 mmol/L）对荞麦的萌发和生长具有显著的抑制作用，这与张业猛^［20］、杨宏伟等^［21］的研究结果一致。而造成这种耐盐差异可能与遗传变异造成种子内部结构和调控机制差异有关^［22］。

3.2 盐胁迫对荞麦品种生理指标的影响

植物对盐胁迫的响应还体现在植物自身生理适应机制上^［4，11］。本研究发现，在低盐浓度下（50 mmol/L），4个荞麦品种中定甜荞3号幼苗叶片的可溶性糖含量最高；当NaCl浓度为200 mmol/L时，贵甜荞2号幼苗叶片的可溶性糖和脯氨酸含量均达最高值，这种维持较高渗透调节物质的能力，可有效降低盐胁迫下植物生长介质的水势，缓解高盐引起植物体内养分离子失衡^［23］。

高盐浓度环境下迫使植物体内过量积累ROS，并诱导细胞膜脂过氧化从而造成细胞膜透性增加^［24］。植物在长期进化过程中为了适应不利环境的影响，其体内产生抗氧化酶以维持活性氧含量，同时增加非抗氧化剂水平以协调清除自由基，促进细胞膜的修复和膜完整性的提高^［25-27］。本研究结果表明，高盐浓度下贵甜荞2号通过增加体内抗氧化酶活性来清除ROS，进而提高贵甜荞2号幼苗在盐胁迫下的抗盐能力。

4 结论

1） 随着盐胁迫浓度的增加荞麦种子发芽率和成活率呈不断降低的趋势，150 mmol/L以上处理较对照显著下降，幼苗生长量（株高）极显著下降，植株长势明显变弱；

2） 随着盐胁迫浓度的增加，荞麦幼苗叶片可溶性糖（SS）和脯氨酸含量均呈逐渐上升的趋势，150 mmol/L以上处理较对照显著增加；

3） 随着盐胁迫浓度的增加，荞麦幼苗叶片过氧化物酶（POD）活性和超氧化物歧化酶（SOD）活性呈先上升后下降的趋势，在150 mmol/L处理浓度时达到最大值；

4） 随着盐胁迫浓度的增加，荞麦幼苗叶片丙二醛（MDA）含量逐渐增加，叶绿素含量呈逐渐下降的趋势，150 mmol/L以上盐处理，MDA含量显著增加，叶绿素含量显著降低；

5） 通过对9个指标进行主成分分析和隶属函数法综合分析评价，4个荞麦品种抗盐性强弱依次为：贵甜荞2号>定甜荞1号>定甜荞3号>固荞1号。

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基金资助

甘肃省科技重大专项(18ZD2NA008)