NaCl胁迫对马铃薯生理生化特性产量及品质的影响

    姚彦红 康益晨 杨昕宇 李德明 潘晓春 李丰先 董爱云

    

    

    

    摘要：为探明盐胁迫对马铃薯生长发育及产量的影响，以定薯4号脱毒原原种为材料，采用盆栽方式，以4个NaCl浓度处理模拟不同程度盐逆境，研究NaCl处理对马铃薯产量、品质、抗氧化系统、叶片超微结构及淀粉粒形态的影响。结果表明，随着NaCl浓度的增加，马铃薯产量及品质均会发生不同程度的下降，叶片丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、过氧化物酶（SOD）及超氧化歧化酶（POD）含量（活性）均有不同程度升高，叶片超微结构和淀粉粒形态发生变化。盐逆境严重抑制了马铃薯的生长发育，盐逆境下氨基酸含量、可溶性蛋白含量、酚类物质含量及淀粉含量与产量呈极显著正相关。

    关键词：NaCl胁迫;产量;品质;抗氧化系统;超微结构;淀粉粒

    Abstract：In order to explore the effects of salt stress on potato growth and yield. Using of the original seed of Dingshu 4 as the material with the potted method， the effects of NaCl on potato yield， quality，antioxidant system， ultrastructure of leaves and starch grain morphology were studied by using 4 NaCl concentrations to simulate different degrees of salt stress. The results showed that with the increase of NaCl concentration， the yield and quality of potato decreased to different degrees， the content（activity） of malondialdehyde（MDA）， proline（Pro）， peroxidase（SOD） and POD in leaves increased to different degrees，and the ultrastructure and starch morphology of leaves changed. The content of amino acid， soluble protein，phenolic substance and starch were positively correlated with the yield of potato under salt stress.

    马铃薯（Solanum tuberosum L.）属多年生草本植物，是我国广泛种植的一种农作物，产量高、营养丰富、味道佳，深受大众喜爱，自2015年起，我国农业部启动马铃薯主粮化战略，马铃薯在生产中的地位愈发重要[1 - 2 ]。甘肃省定西市为中国马铃薯的主产区之一，得天独厚的地理环境和自然条件使定西市成为中国乃至世界马铃薯最佳适种区之一，每年向全国各省市提供大量的马铃薯，被誉为“中国马铃薯之乡”[3 - 4 ]。然而，随着化学肥料和农药的滥施滥用，不科学的种植制度及灌水，严重影响了定西市土壤质量，加之定西市属于半干旱区，土壤蒸发量大于降水量，土壤盐分随水分的蒸发向上运动，使盐分积累在土壤表层，使得土地盐渍化愈发严重。当土壤含盐量超过3 g/kg时，就会形成盐渍灾害。过量的Na+离子会对植物产生毒害作用并抑制植物对其他营养离子的吸收和利用[5 ]，当土壤溶液中盐成分过量时，会降低植物的吸水能力，从而导致植物水分亏缺，生长受到抑制，主要体现在抑制植物组织和器官的生长和分化，提前植物的发育进程[6 ]。目前，有关马铃薯盐逆境的研究大多以马铃薯试管苗为材料[7 ]，且多集中于植株生长发育前期，对其生理变化的研究大都缺乏连贯性，且因材料限制，难以对其产量及品质等经济指标进行研究。部分学者采用田间试验的方法利用盐渍化土壤进行马铃薯栽培，研究了盐逆境对其产量构成的影响[8 ]，但因试验地的复杂性，难以精确衡量马铃薯对单盐逆境的响应，结果缺乏广泛适用性。

    为探明NaCl胁迫对马铃薯生长及产量的影响，我们以马铃薯原原种为材料、NaCl不同浓度为处理布置盆栽试验，对马铃薯生理生化特性、产量及品质进行了分析，探究马铃薯生长发育对盐胁迫的响应规律，以期探明马铃薯对盐伤害的反应机理，为其抗盐生理和抗盐育种奠定基础，同时为旱作区马铃薯增产提质提供参考。

    1? ?材料与方法

    1.1? ?供試材料

    指示马铃薯品种为定薯4号原原种，由甘肃省定西市农业科学研究院提供。定薯4号为中晚熟品种，生育期114 d左右，蒸煮食味优。薯块休眠期长，耐运输、贮藏。抗晚疫病，对花叶病毒病具有较好的田间抗 性[9 ]。供试肥料速溶硫酸钾（K2O≥52%），为俄罗斯原装进口，规格为20 kg/袋;尿素（N≥46%），由天津市光复科技发展有限公司生产，规格为500 g/盒;普通过磷酸钙（P2O5≥15%），由天津市大茂化学试剂厂生产，规格为500 g/盒。

    1.2? ?试验方法

    试验于2018年4 — 9月在甘肃省定西市农业科学研究院进行。采用盆栽种植方式，培养盆规格为30 cm×30 cm，栽培基质以蛭石和珍珠岩按体积比4∶1的比例混合均匀，播种前将基质总量0.2%的50%多菌灵可湿性粉剂拌入基质消毒后入盆。各处理均种植20盆，基质厚22 cm，播种前2 d浇透水。试验共设5个NaCl浓度处理，分别为0（CK）、60（T1）、120（T2）、180（T3）、240 mmol/L（T4）。2018年4月17日选择饱满芽体种薯播种，每盆1个薯块，芽体朝上，每7 d按试验方案以不同浓度NaCl溶液浇灌盆栽1次，每次2 L。各处理肥料施用总量为速溶硫酸钾5.827 g/株、普通过磷酸钙10.694 g/株、尿素7.575 g/株，其中基肥与追肥各占肥料施用总量的1/2，于现蕾期（6月20日）追肥。马铃薯苗齐后用遮阳网遮阴，常规管理，分别于6月20日、7月20日、8月20日取样，9月20日收获。

    1.3? ?测定项目及方法

    1.3.1? ? 马铃薯产量? ? 马铃薯成熟后收获计产并折合产量。

    1.3.2? ? 马铃薯抗氧化酶活性? ? 分别于6月20日、7月20日、8月20日进行叶片抗氧化酶活性测定。其中超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑（NBT）光还原法[10 ]，过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚氧化法[10 ]，丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸法[10 ]，叶片中脯氨酸（Pro）含量采用磺基水杨酸法测定[10 ]。

    1.3.3? ? 叶片微观结构? ? 于盛花期（7月20日）选取差异较大的处理，用日本生产的JEM- 1230JEOL透射电子显微镜观察并拍照[11 ]。

    1.3.4? ? 薯块淀粉粒形态? ? 用光学显微镜观? ?察 [12 ]。

    1.3.5? ?马铃薯块茎品质测定? ? 9月20日收获后随机选取各处理有代表性的薯块，去皮后进行品质测定，3次重复。淀粉含量采用碘比色法测定[13 ]，还原糖含量采用3，5-二硝基水杨酸（DNS）比色法测定[14 ]，Vc含量采用紫外分光光度法测定[13 ]，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定[13 ]，氨基酸含量采用茚三酮比色法测定[13 ]，酚类物质含量采用Folin酚试剂法测定[15 ]。

    1.4? ?数据处理

    运用Microsoft Excel 2010 软件进行数据统计，用SPSS 19.0软件进行数据分析，用Origin 2018软件进行数据分析及作图。

    2? ?结果与分析

    2.1? ?NaCl胁迫对马铃薯块茎产量及品质的影响

    2.1.1? ? 产量? ? 通过图1可以看出，随着NaCl浓度增大，马铃薯产量呈减小趋势。处理 他处理;处理T1、处理T2与CK相比，减产率分别为5.9%和10.0%;处理T3、处理T4产量显著低于其他处理，分别为16 468、15 874 kg/hm2，与CK相比，减产率分别为20.0%和23.0%，可见，NaCl胁迫会造成马铃薯减产。

    2.1.2? ? 品质? ? 如图2所示，随着NaCl浓度的增大，各品质指标均有不同程度变化。淀粉含量以处理CK最高，与处理T1无显著差异，显著高于处理T2、处理T3、处理T4。氨基酸含量以处理CK最高，与处理T1、处理T2无显著差异，与处理T3、处理T4差异显著，较处理T3、处理T4分别高10.0%、14.0%。可溶性蛋白含量的总体由大到小表现为CK、处理T1、处理T2、处理T3、处理T4，各处理间无显著差异。还原糖含量以CK最高，显著高于其余处理;其次为处理T1，与处理T2无显著差异，显著高于处理T3、处理T4;处理T4显著低于其他处理，比CK低39.0%。Vc含量以CK最高，显著高于其他处理，其他各处理间无显著差异。酚类物质含量以CK最高，显著高于其余处理;其次为处理T1，显著高于处理T2、处理T3、处理T4;处理T2与处理T3无显著差异，显著高于T4;处理T3、处理T4间差异不显著。

    2.2? ?NaCl胁迫对马铃薯抗氧化系统的影响

    由图3可以看出，丙二醛含量在马铃薯整个生育期内呈持续升高趋势。6月20日，处理T3、处理T4极显著高于其余处理，处理T2极显著高于处理T1与CK;7月20日，处理T4极显著高于其余处理，处理T3极显著高于处理T1与CK;8月20日，各处理间差异与6月20日相同。SOD活性在整个生育期呈先升高后降低的趋势，各个生育期差异趋势大致相同，均为处理T4、处理T3极显著高于其余处理，处理T2极显著高于处理T1与CK。POD活性在马铃薯整个生育期趋势呈先升高后降低的趋势。6月20日与7月20日，各处理间差异均为处理T3、处理T4极显著高于处理CK、處理T1、处理T2。脯氨酸含量在马铃薯整个生育期趋势与POD活性的趋势大致相同，均呈先升高后降低的趋势，且在3个时期各处理间显著性差异相同，均为处理T4极显著高于其余处理，处理T3极显著高于CK、处理T1及处理T2。

    2.3? ?盐胁迫对马铃薯叶片微观结构及淀粉粒形态的影响

    由于只有在浓度差异较大时电镜观察效果明显，故叶片超微结构观察选取了差异较大、有代表性的处理。如图4，在放大4 000倍时可看出，CK细胞整体结构完整，叶绿体含量最多，叶绿体形态最为规整，呈长椭圆形，且与细胞壁紧密贴合，叶绿体内淀粉粒含量多，淀粉粒大饱满，而处理T4叶绿体含量相对减少，且出现叶绿体与细胞壁分离的现象。放大至20 000倍时可看出，处理T2和处理T4叶绿体均发生不同程度变形，不再是规则的椭圆形。放大倍数为40 000时，CK和处理T2可明显看到叶绿体的双层膜结构，基粒片层致密紧凑的排列在叶绿体上，而处理T4叶绿体被膜与基粒片层相对模糊，且叶绿体严重变形。

    由图5可看出，各处理间马铃薯淀粉粒大小及形状均有较大差异。放大40倍时，可以观察到CK的淀粉颗粒直径大于其他各处理，平均粒径约为65 μm，而处理T4淀粉颗粒较小，平均粒径约为45 μm;放大100倍时，可观察到淀粉颗粒上有同心环状纹理，中心点为马铃薯淀粉粒脐点，淀粉颗粒较大时脐点偏于一端。CK、处理T1及处理T2的淀粉颗粒形状规整，呈卵圆型，而处理T3和处理T4淀粉粒形状发生了不同程度的变形。

    2.4? ?马铃薯产量与品质及抗氧化系统的相关性分析和聚类分析

    利用Origin软件对数据进行无量纲化。颜色越深，越接近+1，说明正相关性越大;颜色越浅，越接近-1，说明负相关性越大。从图6可以看出，产量与氨基酸含量、可溶性蛋白含量、酚类物质含量、淀粉含量呈极显著正相关，与还原糖含量及Vc含量呈显著正相关。其中，与氨基酸含量正相关性最大，r=0.998，按与产量正相关性由大到小依次为可溶性蛋白含量（r=0.982）、酚类物质含量（r=0.981）、淀粉含量（r=0.965）、还原糖含量（r=0.958）、Vc含量（r=0.935）。产量与POD活性呈极显著负相关，r=-0.990，与脯氨酸含量、过氧化物酶（SOD）活性及丙二醛（MDA）含量呈显著负相关。产量、氨基酸含量、可溶性蛋白含量、酚类物质含量、淀粉含量、还原糖含量及Vc含量均与超氧化歧化酶（POD）活性呈负相关。

    根据不同指标间的差异，对各处理进行了聚类分析，可将所有处理分为3类，分别是处理T3和处理T4、处理T2和处理T1、CK。其中，处理T3及处理T4与其他处理相对距离较大，表明处理T3和处理T4的相似性较大，但与其他3个处理差异较大。根据各处理间差异，对多指标进行了聚类分析，最多归为6类。图7中色彩的差异反映了各指标数值间的差异，CK的产量及各项品质参数均高于其他处理，而处理T3、处理T4的产量及各项品质参数在数值上表现为下降，且处理T3、处理T4的脯氨酸含量、SOD活性、POD活性、丙二醛（MDA）含量在数值上均高于其他各处理。

    3? ?结论与讨论

    研究表明，NaCl处理会显著降低马铃薯薯块产量及品质，叶片的丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、过氧化物酶（SOD）及超氧化歧化酶（POD）含量（活性）显著升高，叶片超微结构和淀粉粒形态遭到破坏。盐逆境下氨基酸含量、可溶性蛋白含量、酚类物质含量及淀粉含量与马铃薯产量呈极显著正相关。

    目前，有关马铃薯非生物逆境的研究大多集中于水分上[16 - 17 ]，盐逆境的研究大多以马铃薯试管苗为材料[18 ]，且多集中于植株生长发育前期，难以衡量其产量及品质等经济指标[19 - 20 ]。部分学者采用田间试验的方法利用盐渍化土壤进行马铃薯栽培[8 ]，研究盐逆境对其产量构成的影响，但因试验地的复杂性，难以精确衡量马铃薯对单盐逆境的响应。本试验在前人的基础上，采用基质栽培，既可以对马铃薯整个生育期进行研究，同时也避免了因土壤复杂性给试验结果带来的误差。

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    （本文责编：陈? ? 伟）