外源甜菜碱对NaCl胁迫下玉米幼苗生长和叶绿素含量的影响

杨晓云++宋涛++刘辉++王红

摘要：以玉米（Zea mays L.）幼苗為材料，通过水培试验，研究了不同浓度的外源甜菜碱对NaCl胁迫下玉米幼苗地上部、根系生长和叶绿素含量的影响。结果表明，在150 mmol/L NaCl胁迫下，不同浓度甜菜碱处理均能缓解NaCl胁迫对玉米幼苗的伤害，促进其生长，其中1.00 mmol/L甜菜碱处理的各项指标均优于其他浓度处理，与NaCl胁迫对照相比，其幼苗的株高、地上鲜重、根鲜重、地上干重和根干重分别提高了16.59%、14.35%、26.41%、32.63%和69.43%，叶绿素含量增加了24.27%，幼苗的总根长、总表面积、根体积、总分支数、总交叉数和根系活力分别提高了118.70%、71.38%、28.25%、176.15%、169.15%和63.99%，根系直径降低了30.25%。说明外源甜菜碱可通过促进幼苗的生长、增强根的吸收能力来缓解NaCl胁迫对玉米幼苗生长的抑制，且以1.00 mmol/L甜菜碱处理的缓解效果最好。

关键词：甜菜碱；NaCl胁迫；玉米（Zea mays L.）幼苗；根系生长；叶绿素含量

中图分类号：S513 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）05-0830-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.05.008

Effects of Exogenous Glycine Betaine on the Growth and Chlorophyll Content of Maize Seedlings under NaCl Stress

YANG Xiao-yun1，2， SONG Tao1， LIU Hui3， WANG Hong1

（1.Kingenta Ecological Engineering Group Co. Ltd.，Linshu 276700，Shandong，China；

2.State Key Laboratory of Nutrition Resources Integrated Utilization，Linshu 276700，Shandong，China；

3.Key Laboratory of Plant and New Fertilizer R & D，Ministry of Agriculture，P.R. China，Linshu 276700，Shandong，China）

Abstract： The experiment was carried out to study the effects of exogenous glycine betaine on the growth， root and chlorophyll content of maize（Zea mays L.） seedlings under NaCl stress in nutrient solution culture. The results showed that all growth indicators of maize seedlings were improved in different extent by supplying different concentrations of glycine betaine compared with 150 mmol/L NaCl treatment. The performance of all indicators under 1.00 mmol/L glycine betaine treatment were superior to the others. Compared with the NaCl stress treatment，its plant height，upper ground weight，root weight，shoot dry weight and root dry weight of an individual plant of seedlings was improved by 16.59%，14.35%，26.41%，32.63% and 69.43% respectively；chlorophyll content increased by 24.27%；total root length，（surface） area，volume，root total count，root system to the total number of cross and root activity was improved by 118.70%，71.38%，28.25%，176.15%，169.15% and 63.99% respectively； the root diameter was significantly reduced by 30.25%. The research illustrated that exogenous glycine betaine could improve the root activity and alleviate the inhibition of seeding growth under NaCl stress by promoting the growth of maize seedings. The mitigation effect of 1.00 mmol/L glycine betaine treatment was the best.

Key words： exogenous glycine betaine； NaCl stress； maize（Zea mays L.） seedlings； root growth； chlorophyll content

据统计，全世界有盐碱地10亿hm2，约占陆地总面积的1/3，中国约有667万hm2，与此同时，不适当的农业措施又造成了大量良田的次生盐渍化，使世界农业面临着极大挑战[1-3]。随着人口的增加和耕地面积的日益减少，开发利用盐碱地变得越来越重要[4]。玉米（Zea mays L.）是中国主要的粮食种植作物，是中国旱地作物种植面积最大的一种作物，其地位仅次于水稻，现居世界第二位[5]。由于玉米抵抗盐碱的能力较弱，当其受到外界环境的盐碱胁迫等逆境条件伤害时，经常会导致种子的不正常萌发进而导致玉米幼苗出苗不齐、不全、苗不健壮等一系列的现象，严重的时候还会影响到玉米的整体产量。因此，有必要针对中国土壤盐碱化面积不断增加的严峻形势，进一步对玉米在幼苗期的耐盐碱的生理机制进行分析研究，以便更深入地了解玉米幼苗期对盐碱胁迫的响应机理。

甜菜碱是植物体内一种非毒性小分子渗透调节物质，在盐碱、干旱、高温、寒冷等非生物胁迫条件下，高等植物28个科中都有甜菜碱的分布，特别是藜科与禾本科能积累大量的甜菜碱。甜菜碱可以通过参与渗透调节、影响离子的吸收与转移、稳定酶和细胞膜结构、清除自由基、保护光合系统等方式来提高植物的抗逆性[6-8]。

外源甜菜碱可增强番茄[9]、水稻[10]、小麦[11，12]、大麦[13]等作物的耐盐性，主要表现在对渗透调节物质、细胞质膜透性、离子吸收平衡的影响以及光合功能的改善。但这些研究甜菜碱的应用主要采用喷施的方法，而且主要集中于地上部分，而关于根施甜菜碱提高作物耐盐性以及对作物根系影响方面的研究甚少。本试验采用水培试验方法，以玉米幼苗为试验材料，通过根施甜菜碱，研究了甜菜碱对NaCl胁迫下玉米幼苗、根系生长和幼苗叶绿素含量的影响，旨在为盐碱地区玉米的栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年8-9月在山东省金正大研究院实验室进行，供试玉米品种为鲁单981。

1.2 试验设计

对玉米幼苗进行适当浓度的盐胁迫（150 mmol/L NaCl）处理。在此试验中，玉米幼苗在相同浓度的NaCl胁迫下进行不同浓度的甜菜碱处理（表1）。

1.3 试验方法

挑选发育饱满、大小一致的玉米种子，用70%乙醇处理3 min，1%（V/V）次氯酸钠消毒10 min，無菌水冲洗3次。

然后播在铺有滤纸的托盘中，在LRH-250-G光照培养箱[25 ℃（昼）/15 ℃（夜）]中催芽。

幼苗出芽后7 d移到Hoagland营养液中在光照培养箱中培养，光照度60 μmol/（m2·s），光照时间每天14 h。

待幼苗长至2叶1心时取生长一致的幼苗分别移至装有Hoagland溶液的塑料水槽中，用气泵间歇通气（30 min/h）培养。

在营养液中添加分析纯NaCl和甜菜碱进行处理（表1）。为避免冲击（Shock）效应，采用浓度递增法逐步增加溶液中NaCl的浓度[14]，即第一天加入浓度为终浓度1/4的NaCl，第二天加入浓度为终浓度1/2的NaCl，第三天达到最终浓度。处理期间每2 d换1次营养液。每个处理设3个重复，在最终浓度下生长10 d后采样测定指标。

1.4 指标测定方法

生长指标：第10天，选取10株幼苗，洗净晾干，测株高、根长。然后将植株放入烘箱以105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重后称量地上部干重、根干重。根长、根表面积以及根平均直径等采用W RHIZO全自动根系分析系统（加拿大Regent Instruments Inc公司）测定。

生理指标：叶绿素含量采用SPAD-502 Plus型叶绿素仪测定；玉米根系活力采用TTC法[15]测定。

数据用生物统计软件DPS[16]进行单因素方差分析，Duncans新复极差法进行平均数间的多重比较。

2 结果与分析

2.1 外源甜菜碱对NaCl胁迫下玉米幼苗生长指标的影响

由表2可以看出，NaCl胁迫使玉米幼苗株高、地上和根系干鲜重等生长指标均显著降低；不同浓度甜菜碱处理使NaCl胁迫下玉米幼苗各生长指标均有不同程度提高， 其中，1.00 mmol/L甜菜碱处理下玉米幼苗各指标增幅最大，与CK2相比，株高、地上鲜重、根鲜重、地上干重和根干重分别提高了16.59%、14.35%、26.41%、32.63%和69.43%，差异均达显著水平。结果表明，适当浓度的甜菜碱处理可显著缓解盐胁迫对玉米幼苗形态生长和生物量积累的抑制，促进盐胁迫下玉米幼苗生长，增强其耐盐性。

2.2 外源甜菜碱对NaCl胁迫下玉米幼苗根系生长的影响

由表3可知，盐胁迫下玉米幼苗的根系生长明显地受到抑制，不同浓度甜菜碱处理使NaCl胁迫下根系总根长、总表面积、根体积、总分支数和总交叉数有不同程度提高，其中，1.00 mmol/L甜菜碱处理下的提高幅度最大，与CK2相比分别增加了118.70%、71.38%、28.25%、176.15%和169.15%，差异均达显著水平。盐胁迫对根系直径的影响与对根系其他指标的影响趋势相反，甜菜碱处理后的玉米幼苗根系直径比CK2显著降低。这说明甜菜碱处理后的玉米幼苗根毛数量比盐胁迫处理增多，从而致使根系平均直径降低。综上所述，外源甜菜碱缓减了盐胁迫对玉米幼苗根系的抑制，促进了根系的生长。

2.3 外源甜菜碱对NaCl胁迫下玉米幼苗根系活力的影响

根系活力结果（图1）表明，与清水对照相比，盐胁迫处理后玉米幼苗的根系活力显著降低，甜菜碱处理后根系活力又有所回升，其中，浓度为1.00 mmol/L时增加幅度最大，与盐胁迫对照相比增加了63.99%，达到了清水对照的87.41%，这说明外源甜菜碱减缓了盐胁迫对玉米幼苗根系的抑制，促进了根系的生长。

2.4 外源甜菜碱对NaCl胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响

光合色素含量是反映植物光合能力的一个重要参数，环境因子的改变会引起光合色素含量的变化，进而引起光合性能的改变，最终影响作物的生长[17]。与清水对照相比，NaCl胁迫使玉米幼苗叶片叶绿素含量下降了21.31%，加入不同浓度的甜菜碱后，玉米幼苗叶片叶绿素含量均有不同程度的增加，增加幅度随浓度增加呈先升后降的趋势，当外源甜菜碱浓度达到1.00 mmol/L时，与清水对照无显著差异。

3 小结与讨论

非盐生植物在盐胁迫下最显著的变化就是生长受到抑制，这是由于盐胁迫对植物造成了渗透胁迫、离子毒害和矿物营养缺乏等影响的综合反应的结果。甜菜碱是植物在受到外界非生物胁迫时所产生的一种兼容性渗透调节物质，特别是藜科与禾本科植物在受到外界环境胁迫时会产生大量的甜菜碱来提高其抗性。近年来，一些研究表明通过外施甜菜碱可以提高作物的抗盐性。本研究中，NaCl胁迫下玉米幼苗形态指标和生物量积累都显著降低，植株生长受到显著抑制，施用外源甜菜碱则可以不同程度缓解盐胁迫对玉米植株生长的抑制，且以1.00 mmol/L甜菜碱处理的缓解效果最好。这说明根施甜菜碱明显缓解了盐胁迫对玉米幼苗生长造成的伤害。

盐渍环境下，根系是最先感知盐逆境的器官[18]。研究表明，植物抗盐中最初和最重要的过程存在于植物的根系系统[19]。在感受到逆境信号后根系会做出相应的反应，并通过信号传导对有关基因的表达进行时间和空间的调整，通过改变代谢途径和方向而影响碳同化产物在不同器官中的分配比例，最终又会影响根系生长，并从形态和分布上来适应环境胁迫[20]。根系总长度变化是植物在逆境胁迫下最明显的特征，根系直径和根系表面积也是植物根系重要的形态特征，极显著影响植物根的吸收水平和在土壤中的活动能力[21]，根系活力大小反映了根系代谢能力强弱，直接影响植株生长和抗逆性。因此本试验主要对根长、根系直径、根总分支数、根表面积和根系活力进行了分析，结果显示NaCl胁迫对总根长、根表面积、总分支数、根系直径和根系活力均可产生影响，施用0.05～5.00 mmol/L外源甜菜碱则可以明显增加总根长、根表面积、总分支数和根系活力，减小根系直径，在一定程度上缓解了NaCl胁迫对幼苗生长的抑制。各项指标均以1.00 mmol/L甜菜碱处理的表现最好，0.20 mmol/L和5.00 mmol/L甜菜堿处理其次，其他处理对NaCl胁迫下幼苗生长的缓解效应相对较小，说明甜菜碱浓度过低时，植物体内的生理变化不足以使其生长发生大的改善；而甜菜碱浓度过高时，超过了植物生长所需的适宜范围。

叶片光合色素作为内囊体膜的重要组成成分，其含量是反映植物光合能力的一个重要指标，其中叶绿素含量与植物的光合作用密切相关，直接影响光合速率与光合产物的形成。本研究表明，盐胁迫导致玉米幼苗叶片叶绿素含量显著下降，根施甜菜碱后，叶绿素含量升高，特别是1.00 mmol/L甜菜碱处理的叶绿素含量升高了24.27%。这说明根施甜菜碱能提高盐胁迫下玉米幼苗光合色素的含量，缓解盐胁迫对蛋白色素复合体的伤害，这可能一方面是因为甜菜碱作为生物大分子保护性物质提高了叶片细胞内抗氧化酶的活性或增加了类胡萝卜素等抗氧化物质的含量，从而消除或降低了胁迫下所产生活性氧对色素分子的破坏。

综上所述，适宜浓度的外源甜菜碱可以通过增加植株光合作用能力，提高根系活力，减轻盐胁迫造成的质膜过氧化伤害；还可以通过促进玉米幼苗地下部根系的生长，增加玉米幼苗生物量及株高，提高植株的耐盐性，缓解盐胁迫对玉米幼苗生长的抑制。在本试验条件下，1.00 mmol/L甜菜碱处理的缓解效果最好。

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