近年来人类对土地的不合理利用,致使盐碱地面积呈现日益增加的趋势。目前世界上大约有1/5的耕地存在不同程度的盐碱化[1]。在我国,盐碱化的土地面积近660万hm2,潜在的盐碱地面积近115万hm2[2]。利用和提高农作物品种自身的耐盐碱性是开发这部分土地资源最有效的途径,因此关于水稻耐盐碱性的研究越来越受到各国学者的高度关注。已有关于水稻耐盐性的研究与评价,并筛选出一批强耐盐的优异种质[3,4,5,6]。有关水稻耐盐碱性的研究多限于耐盐性方面,而有关水稻耐碱性研究鲜见报道。有报道[7,8,9]称水稻在受到盐碱胁迫后,植株体内部分生理指标,特别是氨基酸和可溶性糖的含量会发生相应的变化,也有报道[10]指出NaCl处理后随胁迫时间和NaCl浓度增加,叶绿素a、叶绿素b含量以及叶绿素a/b会先增后减,盐碱胁迫植物净光合速率下降是Na+和Cl-增加导致的[11]。本研究利用不同浓度的苏打混合碱对苗期水稻进行胁迫处理,模拟自然条件下的胁迫环境,探讨不同碱浓度胁迫对水稻顶端叶片相对含水量、叶绿素、脯氨酸及可溶性糖含量的影响,对揭示水稻的耐碱生理具有一定的指导价值。
1 材料与方法
1.1 试验地点及气候条件
试验于2015-2016年在黑龙江省农业科学院水稻研究所（N46°49′,E130°22′）进行。试验地属于典型的温带大陆性季风气候,年均气温3℃左右,≥10℃活动积温2 520℃,无霜期130~140d;年均降水量510mm左右。
1.2 参试材料
参试材料共计7份,其中黑龙江省农业科学院绥化分院选育的品种1份（绥粳5号）;黑龙江省农业科学院水稻研究所选育的品种5份（龙粳21、龙粳25、龙粳27、龙粳30、龙粳32）,以及日本品种空育131,供试品种均可在本地正常成熟。
1.3 试验设计
采用沙培方式进行,填充物为河沙,每桶15kg,沙桶底盘备有排水孔,平时以网塞塞住。处理试剂为Na2CO3和NaHCO3混合物,处理试剂中Na2CO3和NaHCO3质量比为1:3。以处理试剂质量占干沙质量百分比为碱浓度设定依据,设对照（CK）和5个碱浓度处理,分别是CK（0%）、A（0.05%）、B（0.10%）、C（0.15%）、D（0.20%）、E（0.25%）,每处理设3次重复。每盆插4穴,每穴1株苗。使用肥料种类为尿素、磷酸二铵和硫酸钾,用量按有效成分（N、P2O5、K2O）折算分别施入,N、P2O5、K2O的施用标准为每桶1.5g。其中磷肥全部作基肥,氮肥和钾肥以总肥量的50%作基肥,剩余的50%在分蘖期一次性施入。移栽前将所有基肥与河沙搅拌均匀后,装入桶中,移入防雨棚。试验所用河沙的检测结果:全氮0.7g/kg、速效氮31mg/kg、全磷0.132g/kg、有效磷5.721mg/kg、全钾33.32g/kg、速效钾40.84mg/kg、有机质15g/kg。
秧苗用常规方式培育,即使用咪酰胺消毒浸种5d后,播于苗床,生长至4叶龄移栽入沙桶。每沙桶注入4L水,且标记水位,缓苗后生长至4.5叶龄时,于傍晚,拔掉盆底网塞,将沙桶置于小桶之上（小桶口径大于沙桶底径）,接住沙桶流水,待12h后,再次用网塞堵住盆孔,按浓度将试剂分别溶解在沙桶,排入小桶的水中,对应浇入沙桶后,补水至标记线,每天15:00以标记线为准,进行补水。
1.4 测定指标及方法
1.4.1 叶片相对含水量测定 胁迫第20天,在8:00-9:00剪取顶端第1片完全展开叶,立即装入自封袋放入冰盒内,回到试验室快速将其剪成1cm左右的小段,称重后放入盛有蒸馏水的培养皿放置24h,吸水至饱和后再次称重,置于恒温烘干箱内调至105℃杀青30min,然后调至80℃烘干至恒重。
叶片相对含水量（%）=[（G-G0）/（G′-G0）]×100
式中,G代表鲜重,G0代表干重,G′代表吸水饱和重。
1.4.2 生理指标及光合色素测定 胁迫第20天,于8:00-9:00剪取顶端第1片完全展开叶。用磺基水杨酸提取脯氨酸,采用茚三酮显色法测定脯氨酸含量;采用李合生[12]的方法测定叶绿素a、b含量;采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量。
1.5 数据处理
两年试验结果基本一致,采用2016年数据进行分析,使用Excel、DPS和SPSS软件对数据进行处理。
2 结果与分析
2.1 不同碱浓度对水稻顶端叶片相对含水量的影响
如图1所示,碱胁迫20d后,水稻顶端叶片相对含水量随碱浓度升高呈先升后降趋势,低碱浓度处理相对含水量升高,高碱浓度处理显著降低。0.10%碱浓度处理的叶片相对含水量最高,达76.3%,比对照提高1.5%。碱浓度大于0.15%,顶端叶片相对含水量迅速下降,0.25%碱浓度处理顶端叶片相对含水量降到69.9%,说明碱胁迫已经对水稻顶端叶片产生明显影响。
图1
图1
顶端叶片相对含水量随碱浓度的变化
Fig.1
Changes of relative water content of top leaves under different alkali treatments
水稻受碱胁迫后,通过自身生理调节,启动保护机制,将植株内部水分优先运输到植株顶部,以降低Na+浓度升高带来的损伤,同时稳定植株体内的pH,确保顶端正常生理功能。图1表明碱浓度高于0.15%,水稻顶端叶片相对含水量明显低于CK,分析认为0.15%左右的碱浓度处理应是打破水稻顶端叶片含水量平衡的临界值。
2.2 碱胁迫对叶绿素含量的影响
如图2所示,叶绿素a与b的含量随碱浓度升高呈降低趋势,叶绿素a含量高于叶绿素b,两者数值与碱浓度之间存在线性回归关系,方程的决定系数R2分别为0.8078和0.7680。
图2
图2
碱浓度对叶绿素a与b含量影响
Fig.2
The effects of alkali concentration on the contents of chlorophyll a and chlorophyll b
图3表明,叶绿素a/b值与碱浓度之间呈一次线性回归关系,随碱浓度升高,叶绿素a/b值逐渐降低,方程决定系数R2为0.6418。碱胁迫对叶绿素a的影响大于叶绿素b,即叶绿素a含量随碱浓度增大,下降速度快于叶绿素b,而叶绿素b含量相对稳定。
图3
2.3 碱胁迫对脯氨酸含量的影响
如图4所示,随碱浓度增加,低碱浓度处理水稻叶片脯氨酸含量变化不明显,高碱浓度处理脯氨酸含量明显升高,当碱浓度达到0.25%时,水稻叶片脯氨酸含量比CK平均增加153.3%,其中龙粳27增加幅度最大,脯氨酸含量由70.49μg/g（CK）提高到283.18μg/g,升高301.7%。龙粳32脯氨酸含量增加最小,升高51.6%。碱浓度在0.05%~0.10%范围内,水稻叶片脯氨酸含量出现最低值。
图4
图4
各品种叶片脯氨酸含量随碱浓度的变化
Fig.4
Changes of proline content in leaves of different varieties under different alkali treatments
回归分析（图5）表明,顶端叶片脯氨酸含量与碱浓度之间存在二次回归关系,相关性极显著（R2=0.9577）。品种之间脯氨酸含量具有一定差异,回归分析表明,0.10%以下低碱浓度处理,脯氨酸含量变化较小,且部分品种有降低趋势,超过0.10%碱浓度,所有参试材料脯氨酸含量开始明显升高,表明脯氨酸发挥着抗逆或者是应激作用。
图5
图5
碱浓度处理脯氨酸含量的变化
“**”表示达极显著相关（P<0.01）,下同
Fig.5
Changes of proline content of different varieties under different alkali treatments
"**" indicates extremely significant correlation (P<0.01), the same below
2.4 碱浓度与水稻叶片可溶性糖含量的关系
由图6可知,大部分参试材料可溶性糖含量随碱浓度增加呈先下降后升高的趋势,低碱浓度胁迫可溶性糖含量下降,不同材料下降幅度不同。0.05%碱浓度可溶性糖含量最低的材料有2份,分别为龙粳27和龙粳21;其他材料0.10%碱浓度附近可溶性糖含量最低;绥粳5号碱浓度0.15%可溶性糖含量最低。
图6
图6
碱浓度对水稻各品种可溶性糖含量的影响
Fig.6
Effects of alkali concentration on soluble sugar content of rice varieties
由回归方程（图7）可知,碱浓度为0.10%时,可溶性糖含量最低,并且可溶性糖含量变化较为平缓,当碱浓度大于0.15%时可溶性糖含量升高幅度明显增大。
图7
图7
碱浓度处理水稻叶片可溶性糖含量变化
Fig.7
Changes of soluble sugar content in rice leaves treated with alkali concentration treatment
可溶性糖参与渗透调节,植物抵抗逆境可通过可溶性糖浓度变化来调节渗透势。低碱浓度处理,所有品种顶端叶片可溶性糖含量降低,高碱浓度处理,大部分参试材料可溶性糖含量高于CK,这与顶端叶片相对含水量变化趋势相反,表明二者存在关联性,即顶端叶片含水量变化可通过可溶性糖浓度调节。分析认为水稻通过增加可溶性糖含量降低渗透势,促进顶端叶片保持正常含水量,以保持正常的形态与生理状态。
2.5 水稻叶片脯氨酸与可溶性糖含量的相关分析
由图8可知,在碱浓度处理范围内,可溶性糖含量随脯氨酸含量增加而增加,当碱浓度较低时,两者含量均较低,当碱浓度升高后,两者含量均大幅度提高。通过分析发现两者具有线性回归关系,回归方程的决定系数R2=0.6282,相关性显著。
图8
图8
碱浓度处理可溶性糖与脯氨酸含量相关分析
“*”表示显著相关（P<0.05）
Fig.8
Correlation anaylsis of soluble sugar and proline content under alkali concentration treatments
"*" indicates significant correlation (P<0.05)
3 讨论
3.1 碱胁迫研究的意义与浓度设置
盐碱胁迫包括两种,即中性盐胁迫和碱性盐胁迫,两种胁迫对水稻的作用机理有相同点,也有不同点。碱害对农作物的伤害高于盐害。一些学者对NaCl为主的中性盐胁迫进行了深入的研究,但是对内陆苏打碱胁迫的研究较少。
3.2 碱胁迫对光合作用及叶绿素的影响
植物的光合作用是其生长发育的基础,逆境能够延缓植物生长乃至造成生长停止甚至死亡。碱胁迫属于严重影响植物光合作用的逆境因素之一[16],虽然植物对其具有一定的抗性,但是碱胁迫对植物体内环境的破坏非常明显,同时影响到了植物内部的生理功能。有研究[17]表明,碱胁迫促进水稻叶绿素的降解,降低类囊体膜的稳定性,从而降低叶绿体对光能的吸收,导致水稻光合速率下降。朱新广等[18]研究表明高浓度盐碱胁迫严重影响单位叶片面积叶绿体对光能的吸收,同时降低光合放氧速率。本研究虽然使用的是苏打碱胁迫,但是研究结果与以上研究结论基本一致,即碱胁迫条件下叶绿素a和叶绿素b含量均随碱浓度升高而降低,并且叶绿素a/b同为下降趋势,证明碱胁迫对叶绿素a影响更为明显。
3.3 碱胁迫对可溶性糖和脯氨酸含量的影响
盐碱胁迫条件下脯氨酸的积累量可反映水稻受伤害的程度[19,20]。研究[18,19]发现,在NaCl胁迫下,水稻叶片内游离脯氨酸的含量随着盐胁迫时间延长和浓度的增加而迅速增加,二者呈正相关。本研究表明,碱处理顶端叶片脯氨酸含量呈先降后升的趋势,这种现象与NaCl胁迫的结果不完全一致。有研究[21,22]表明,脯氨酸含量与可溶性糖含量在数值上存在一定的相关性,本研究表明随碱浓度升高,可溶性糖含量呈先降后升趋势,低碱浓度处理含量下降,高碱浓度处理则快速上升,通过相关分析发现,脯氨酸含量随可溶性糖含量升高而呈上升趋势,两者呈线性相关,回归曲线为一次方程,相关性显著。进一步分析认为,在本试验的碱浓度范围内,脯氨酸和可溶性糖含量变化规律一致。相同碱浓度处理,可溶性糖含量变化幅度低于脯氨酸含量。综上表明,在碱环境中,水稻可通过调整叶片中可溶性糖的含量、调控顶端叶片含水量及脯氨酸含量提高自身的抗逆性,保持新生叶片的活性,同时可溶性糖和脯氨酸在水稻其他生理机能中又具有各自功能。
4 结论
碱胁迫抑制水稻叶片中叶绿素的形成或促进其降解,对叶绿素a的抑制作用超过对叶绿素b的抑制。可溶性糖和脯氨酸含量随碱浓度升高呈先降后升趋势,顶端叶片相对含水量呈先升后降趋势;可溶性糖与脯氨酸含量具有显著相关性。生长在碱环境的水稻,通过调节叶片可溶性糖含量及调控顶端叶片相对含水量和脯氨酸含量提高自身抗逆性。
参考文献
Accumulation of some nitrogen compounds in response to salt stress and their relationships with salt tolerance in rice (Oryza sativa L) seedling
Solution culture for screening rice varieties for sodicity tolerance
Genetic analysis of salt tolerance in mangrove swamp rice//Rice Genetics Proceeding of International Rice Genetics Symposium
