向日葵抗盐碱生理生化机制与生长发育特性分析

贾秀苹 卯旭辉 梁根生 刘润萍 刘 风 王兴珍

（1甘肃省农业科学院作物研究所，730070，甘肃兰州；2甘肃省农业科学院农业经济与信息研究所，730070，甘肃兰州）

土壤盐碱化已成为影响全球农业的严重问题，给农业生产造成的损失仅次于干旱，使农业生产的可持续发展受到威胁。据统计[1]，世界盐碱地面积超过9亿hm2，其中我国超过3600万hm2，主要分布在西北、东北和华北滨海地区在内的17个省（区）。土壤盐碱化严重影响我国的农业生产和生态环境，是制约现代农业增产、增效和实现农业良性发展的两大土壤因素之一[2]。因此，研究植物的耐盐碱机制、开发利用耐盐碱植物资源、培育耐盐碱作物且有效利用盐碱地对于全球农业发展及生态环境改善具有重要意义。

油用向日葵（简称油葵）属菊科向日葵属，是世界四大油料作物之一，也是我国第二大油料作物，其种植面积仅次于油菜。据统计[3]，我国有20多个省（区）种植向日葵，2016年我国向日葵种植面积为127.9万hm2，2017年为117.07万hm2，2018-2019年整体种植面积下滑较快，为91.8万hm2。其中油葵种植面积约占40.0%，油葵由于其自身基因型及自然条件选择等综合因素的影响，具有抗旱、耐盐碱、耐贫瘠和适应性强等特性，是生物治理盐碱地首选作物之一，所以素有抗盐碱先锋作物之美称。

目前，油葵抗盐碱研究主要集中在苗期生长特点[4]、植株体内离子动态平衡[5]、生理指标变化[6]以及成熟期含油率和脂肪酸变化[7]等。如陈炳东等[8]研究发现，随着盐浓度的升高，根系和地上部分的生长量显著降低，根系活力呈先增后降的趋势。刘杰[9]通过盐碱胁迫对向日葵适应机制影响比较发现，盐碱胁迫下植株体内Na+含量急剧上升，破坏了植物细胞内离子平衡。裴怀弟等[10]研究了混合盐胁迫对油葵保护性酶活性、细胞膜透性及其主要农艺性状的影响，并发现在盐碱胁迫下油葵各生理指标间变化差异性显著。也有研究者对向日葵进行基因克隆及染色体定位[11]、遗传图谱构建[12]、不同转录因子调控[13-15]、渗透剂水平的调控网络[16]、脂膜结构变化[17]以及抗性[18]等方面的研究。总之，盐碱对作物的胁迫主要表现为影响作物的形态结构、光合作用减弱以及细胞膜透性增大等；植物对盐碱逆境的响应，主要表现为合成渗透调节物质、提高抗氧化酶活性以及诱导相关基因表达等[19]。但有关油用向日葵F2群体抗盐碱生理生化变异及抗盐碱相关性分析研究鲜有报道。生物的耐盐碱性往往是由多基因控制的数量性状遗传，其生理生化过程是基因间相互作用、共同调节的结果[20]。本研究针对基因间的互作对135株F2油葵抗盐碱性相关的6个主要生理生化指标及4个形态指标进行测定与统计，分析了各指标在盐碱胁迫下生理生化的遗传变异、分布以及形态指标间的相关性等情况，为油用向日葵抗盐碱遗传研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及试验地概况

以油用向日葵杂交种陇葵杂2号母本Y05-222A（盐碱敏感材料）和父本Y06-163R（高抗盐碱材料）配制F1杂交种，以F1自交得到的135株F2为研究材料。于2018-2019年在甘肃省白银市靖远县五合镇白塔村（104°58′～105°11′E，36°44′～37°1′N）开展试验，当地海拔2030m，年均无霜期150d，降雨量200～300mm。试验共设盐碱胁迫及对照处理。盐碱胁迫处理：2018年将亲本、F1及F2分别种植于全盐含量为2.381%、pH 8.27的盐碱圃，2019年重复该试验；对照处理：2019年将亲本、F1及F2分别种植于土壤全盐含量为0.025%、pH 6.96的中性土壤。覆膜播种，地膜覆盖宽度为0.60m，膜间距0.40m，行长6.00m、宽4.00m，小区面积24.00m2，每个小区种植8行，行距0.40m，株距0.33m。试验地前茬为玉米，施农家肥50 000kg/hm2，复合肥250kg/hm2，田间管理同当地大田生产。

1.2 测定项目与方法

2018年6月28日及2019年7月10日对处理的亲本及F2种植小区的各材料随机取样20株，对F2进行单株定株、挂牌和取样，均设3次重复，然后对各取样材料进行农艺性状及生理生化指标测定分析。

采用氮蓝四唑（NBT）光还原法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性[21]，采用愈创木酚比色法测定过氧化物酶（POD）活性[22]，采用考马斯亮蓝G-250法测定可溶性蛋白含量[23]，采用紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性[24]，采用硫代巴比妥酸显色法测叶片丙二醛（MDA）含量[22]，采用磺基水杨酸法测定叶片脯氨酸（Pro）含量[24]。

1.3 综合抗盐碱系数统计

成熟期统计各处理株高、茎粗、叶片数、盘径和产量等表型数据，计算综合抗盐碱系数。综合抗盐碱系数为各指标抗盐碱系数的均值，各指标抗盐碱系数=盐碱胁迫条件下某性状测量值/非胁迫条件下某性状测量值×100%。

1.4 数据处理

利用Microsoft Office 2010对数据进行处理并作图，用SPSS软件进行方差分析、相关性分析、回归分析以及通径分析。

2 结果与分析

2.1 亲本及F2群体主要生理生化特性分析

通过对亲本Y06-136R（P1）和Y05-222A（P2）各生理指标特性分析（表1）可知，2个亲本间各指标均达极显著差异。除亲本P1的MDA含量小于P2外，其余各指标P1均大于P2，说明亲本P1抗盐碱能力大于P2。P1和P2的SOD活性分别为660.47和346.58U/mg，F2群体SOD活性变异范围较大，为100.86～897.25U/mg，均值为552.61U/mg，介于双亲之间。亲本P1和P2的POD活性达极显著水平，F2群体POD活性变化为4.67～91.67U/g，均值为45.60U/g，高于双亲值。F2群体CAT活性均值为32.86U/g，其亲本P1和P2的CAT活性分别为12.22和2.58U/g，F2群体均值明显高于双亲值，且变异范围较大，为2.39～66.00U/g。F2群体可溶性蛋白含量变化为9.79～41.67mg/g，均值为24.10mg/g，低于双亲值。亲本P1和P2的Pro含量分别为146.15和95.67µg/g，亲本间差异达极显著，F2群体Pro含量均值为219.49µg/g，高于亲本值。F2群体MDA含量均值为57.97µmol/g，高于双亲值。F2群体抗盐碱系数均值为0.70，介于双亲之间，其变异范围为 0.22～0.90。

2.2 F2群体主要生理生化特性变化分布

如图1所示，F2群体中各指标间存在较大的遗传差异，并在一定范围内呈连续分布。同时对F2群体进行偏度及峰度分析，结果显示P＞0.05，说明各指标值均符合正态分布。同时由表1可知，SOD活性及抗盐碱系数在F2群体中的均值介于双亲之间。POD、CAT、Pro和MDA等指标均高于双亲，可溶性蛋白含量低于双亲，其原因主要由超亲分离所致。

图1 F2群体相关指标的次数分布Fig.1 Frequency distribution of related indicators for F2population

表1 亲本及F2群体主要生理生化指标变异及特异性分析Table 1 Performance and analysis of specificity of physiological indicators in the F2population and its parents

2.3 F2群体主要生理生化变化与抗盐碱相关性分析

通过对F2群体抗盐碱相关指标及抗盐碱系数研究发现，各指标间存在一定的相关关系。由表2可知，F2群体抗盐碱系数与SOD、POD、CAT活性和Pro含量均呈极显著正相关，其相关系数分别为0.3904、0.5256、0.2987和0.3298；与可溶性蛋白和MDA含量呈极显著负相关，其相关系数分别为-0.2675和-0.3725。说明在一定范围内高活性的SOD、POD、CAT以及Pro含量与低含量的可溶性蛋白及MDA可作为油用向日葵抗盐碱性能鉴定的指标。

表2 F2群体各指标与抗盐碱相关性分析Table 2 Correlation analysis salt-alkali resistance coefficient and related indicators in the F2population

2.4 F2群体主要生理生化变化与抗盐碱性回归分析

对F2群体的SOD、POD、CAT活性及可溶性蛋白、Pro、MDA含量等6个指标采用全因子组合最优回归，通过共线性判断挑选出最优回归方程。Y=0.5356+0.0001X1+0.0039X2+0.0019X3-0.0015X4-0.0009X6。式中Y为抗盐碱系数，X1为SOD活性，X2为POD活性，X3为CAT活性，X4为可溶性蛋白含量，X6为MDA含量。从方程可知，可溶性蛋白和MDA含量与抗盐碱系数呈负相关，其方程回归系数分别为-0.0015和-0.0009。

2.5 F2群体主要生理生化变化与抗盐碱性通径分析

由表3可知，F2群体POD、SOD、CAT活性及MDA、可溶性蛋白和Pro含量与抗盐碱系数间的直接通径系数分别为0.5003、0.1676、-0.1317、-0.1040、0.0657和-0.0384（正向表示促进作用，负向表示抑制作用）。其中POD活性对抗盐碱性能的影响最大，可溶性蛋白对抗盐碱性能的贡献较小。SOD、POD、CAT、可溶性蛋白、Pro和MDA与抗盐碱系数总间接通径系数分别为0.2228、0.0253、0.4303、-0.3333、0.3682、-0.2684。通过通径分析与相关分析比较发现，SOD活性与抗盐碱性的相关系数为0.3904，直接通径系数为0.1676，间接通径系数为0.3291，可见，SOD活性对抗盐碱性能的影响主要是通过影响POD的活性而起间接作用。

表3 F2群体各指标与抗盐碱性通径分析Table 3 Path analysis of salt-alkali resistance coefficient and its indexes of F2population

POD活性与抗盐碱性的相关系数为0.5256，通径系数为0.5003，可见，POD活性对抗盐碱性的直接影响较大。CAT活性主要是通过POD活性对抗盐碱性的间接影响较大，间接通径系数为0.3343。可溶性蛋白与Pro含量均是通过POD和SOD活性对抗盐碱性的间接影响，其总间接通径系数分别为-0.3333和0.3682。MDA含量通过POD活性对抗盐碱性的间接影响较大，间接通径系数为-0.2985。

2.6 亲本及F2群体主要外部形态特征的变异分析

对亲本（P1、P2）株高、茎粗、叶片数和盘径形态特征的分析（表4）可知，各指标间均达显著或极显著差异，4个指标均值均为P1大于P2。P1和P2的株高分别为148.30和96.53cm，F2群体株高变异幅度较大，为36.42～166.18cm，均值为110.98cm，介于双亲之间。F2群体茎粗变异范围为0.54～2.25cm，均值为1.42cm，与亲本P2茎粗值接近。叶片数与盘径变异范围分别为5.00～12.00和3.20～12.40cm，均值均介于双亲之间。

表4 亲本F2群体主要形态特征变异分析Table 4 Analysis of morphological characteristics in parents and F2population

2.7 F2单株主要形态特征与抗盐碱相关性分析

研究表明，F2单株各主要形态指标间均达极显著正相关。由表5可知，株高与叶片数、盘径以及叶片数与盘径相关系数分别为0.9150、0.9378和0.9238。抗盐碱系数与各形态指标间均成极显著正相关关系，其与株高、茎粗、叶片数和盘径间的相关系数分别为0.8501、0.8440、0.8786和0.8759，说明株高、茎粗、叶片数以及盘径均可作为抗盐碱性强弱的主要衡量指标。

表5 抗盐碱系数与F2群体形态特征相关性分析Table 5 Correlation analysis of salt-alkali resistance coefficient and morphological characteristics in F2population

3 讨论

本研究通过对亲本Y06-136R和Y05-222A各生理指标特异性分析得出2个亲本间各指标值均达极显著差异。同时对135份油葵F2群体的SOD、POD和CAT活性等6个生理生化指标进行测定分析，各指标在一定范围内呈连续分布。同时对F2群体进行偏度及峰度分析，结果显示P＞0.05，说明各指标值均符合正态分布，表明了数量性状的遗传特点。

通过对油用向日葵F2群体生理生化指标间的相关性分析发现，各个指标并非独立的对某个性状起作用，而是指标间以相互关联的方式作用于某些性状。本研究表明，油用向日葵F2群体的抗盐碱系数与可溶性蛋白及MDA含量呈极显著负相关，与POD、SOD和CAT活性以及Pro含量呈极显著正相关。相关研究[25]报道，植物在逆境条件下，膜脂的过氧化作用产生MDA，通过MDA含量可分析膜质过氧化程度，因此，MDA含量可作为研究植物对逆境条件反应强弱的指标。可见在盐碱逆境条件下降低MDA含量，使质膜过氧化程度变小，有利于提高油葵的抗盐碱性。相反，在逆境条件下增加MDA含量，质膜过氧化程度加大，质膜通透性增加，抗盐碱性减弱。同时提高POD、SOD、CAT活性以及Pro积累量，有利于提高油葵的抗盐碱性能。

通径分析是表示变量间因果关系程度的一个指标，通径系数为标准化的偏回归系数。通过对F2群体各生理生化指标的通径分析，发现各指标抗盐碱相关系数与总间接通径系数一致，说明各指标对抗盐碱性的作用主要是通过对其他指标的影响而起间接作用，这与相关性分析结果一致。直接通径系数中，CAT、Pro与抗盐碱系数成负相关，这与相关性分析有差异，主要是由于CAT和Pro对F2群体抗盐碱性自身的贡献率较小或成负贡献，但通过对其他各指标的正向影响而提高群体的抗盐碱性。可溶性蛋白含量本身对F2群体的抗盐碱性有提高作用，但对其他指标有抑制作用，所以总体对F2群体的抗盐碱性表现为负相关。其他各指标对油葵抗盐碱性是通过直接和间接影响共同起作用。通径分析更直观、具体、明了地体现各指标间的相互关系。

通过对F2单株形态特征分析研究发现，盐碱胁迫直接影响植物的形态建成和生长发育。逆境使细胞的正常分裂受到影响，从而抑制植物的生长发育以及生物量的积累，使株高降低、茎粗变细、叶片数减少和盘径变小。本试验进一步发现，油用向日葵的抗盐碱性与株高、茎粗、叶片数及盘径各形态指标间存在极显著正相关关系，这表明株高、茎粗、叶片数以及盘径可作为油用向日葵抗盐碱衡量的主要形态指标。同时观察发现抗盐碱性强的植株叶片的表皮毛较发达且多具角质层，叶片厚度较大。

因此，植物的生长、发育与其所处环境密不可分，在逆境环境中通过调节自身生理生化指标，以及形态特征的变异增加对逆境的忍耐度和适应性。宏观的表现特征蕴涵着微观的基因调控机制，主要表现为影响植物的形态特征，以及光合作用减弱和细胞膜透性增大等[26]。

Zhu等[27]研究发现，性状间的显著相关与相应的部分QTL间存在一定的连锁或一因多效，所以对上述生理生化及形态特征各指标间的相关性分析可进一步了解指标间的相互关系，为以后油用向日葵抗盐碱分析提供参考依据。

4 结论

通过盐碱胁迫对油葵亲本Y06-136R和Y05-222A以及135份F2群体的SOD、POD和CAT活性等6个生理指标特异性、抗盐碱系数和单株形态特征等进行系统分析。发现无论是亲本还是后代群体各生理指标并非独立对某个性状起作用，而是各指标间以相互渗透，相互关联的方式共同作用于某些性状。其中抗盐碱系数与POD、SOD、CAT活性以及Pro含量呈极显著正相关，与MDA含量呈极显著负相关，进一步说明，逆境条件下油葵可通过自身调节以提高POD、SOD、CAT活性及Pro含量，降低MDA含量，可有效提高抗盐碱性。

另外，通过表型与抗盐碱系数相关性研究发现，提高油葵的株高、茎粗、叶片数及盘径可提高其抗盐碱性，同时发现抗盐碱性强的植株叶片表皮毛发达且蜡质层增加，叶片肥厚。