外源亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗生长及生理特性的影响

海 霞，米俊珍，2，赵宝平，2，严威凯，刘景辉，2*，张碧茹

(1 内蒙古农业大学 农学院/杂粮产业协同创新中心，呼和浩特 010019；2 内蒙古自治区高校燕麦工程研究中心/内蒙古自治区杂粮工程技术研究中心/内蒙古自治区燕麦工程实验室，呼和浩特 010019；3 加拿大农业与农业食品部渥太华研究发展中心，安大略渥太华 K1AOC6)

盐胁迫是主要的非生物胁迫之一，通过扰乱植物体内离子的动态平衡，造成离子毒害和渗透胁迫从而引起次生代谢紊乱，进而使植物体内活性氧(ROS)大量积累，抑制作物生长并降低产量[1]，因此，寻找提高作物耐盐性的方法，是农业进一步增产增收的重要基础，也是当前研究的热点。在众多提高作物抗盐方法中，施用外源物质是一种简便有效的途径，具有广阔应用前景[2]。多胺是具有生物活性的低分子量脂肪族含氮碱[3-4]，亚精胺(Spd)作为多胺中的一种[5]，能在一定程度上缓解盐胁迫对作物造成的伤害[6-8]，而施用外源Spd的有效性除了依赖于物种、发育阶段、胁迫强度和持续时间等因素外，还受施用浓度的影响[6,9-11]。

燕麦(AvenasativaL.)是世界范围内广泛栽培的重要粮饲兼用作物之一，拥有营养价值和保健功能[12]。在中国内蒙古农牧交错带，大面积的燕麦种植区遭受盐胁迫的威胁，通过探索外源调节物增强燕麦抵御盐胁迫的生理机制，提高其耐盐胁迫的能力具有重要意义。而目前有关外源Spd对燕麦在盐胁迫下的生理调控作用的研究鲜见报道。因此，本试验通过叶面喷施不同浓度的Spd，研究其对燕麦幼苗生长、根系活力、离子含量及比值、抗氧化酶活性、丙二醛和游离脯氨酸含量的影响，以期为亚精胺在燕麦抗盐栽培中的应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料培养与处理

本试验于2018-2019年在内蒙古农业大学燕麦产业研究中心实验室进行，以燕麦品种‘白燕5号’(耐盐性较弱)为试验材料。幼苗培养参考海霞等[13]的方法，略有改进，首先，挑选大小一致的燕麦种子均匀放入发芽盒中发芽，待发芽盒中种子长出子叶且胚根长度达到3～5 cm时(4～5 d)，移至装有1/2 Hoagland营养液(1.25 L)的水培盒中培养，营养液上放泡沫板固定燕麦幼苗，每盒35孔，每孔1株，每间隔2 d更换一次营养液。依据前期盐胁迫浓度筛选试验结果，当幼苗培养至两叶一心(17 d)时，随机分成9组做如下处理：对照组(CK)，1/2 Hoagland营养液+叶喷蒸馏水；单独盐胁迫处理(S0)，1/2 Hoagland营养液+70 mmol/L盐(NaCl和Na2SO4摩尔比1∶1混合，一次性加入70 mmol/L)+叶面喷施蒸馏水；盐胁迫下叶面喷施Spd处理，1/2 Hoagland营养液+70 mmol/L盐(NaCl和Na2SO4摩尔比1∶1混合)+叶喷不同浓度的Spd处理(S1-S7)，各处理Spd浓度依次为0.01、0.25、0.50、0.75、1.00、1.50和3.00 mmol/L。于18：00时开始按照试验设计向植株叶片喷施不同的处理液，连续喷施4 d，喷施量为15 mL/(次·盒)，喷施处理结束后第8天进行各项指标测定，每个处理重复3次。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 幼苗干重取20株燕麦幼苗，之后迅速用蒸馏水洗净，然后分成地上和地下两部分，在80 ℃的烘箱中干燥72 h至恒重，分别测定地上和地下部干重(DW)[11]。

1.2.2 生理指标称取0.5 g燕麦根尖，采用TTC法测定[14]燕麦根系活力，每个处理3次重复。取各处理的燕麦幼苗不同叶位的叶片和根系，洗净擦干，剪成小段，混匀，用来测定以下生理指标。其中，叶片和根系分别称取0.3 g，采用硫代巴比妥酸法[15]测定丙二醛(MDA)含量。采用酸性茚三酮法测定[16]游离脯氨酸含量，采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定[17]超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈创木酚法测定[18]过氧化物酶(POD)活性，以上测定叶片和根系分别称取0.5 g。叶片和根系分别称取0.1 g，采用过氧化氢法测定[19]过氧化氢酶(CAT)活性。以上生理指标每个处理3次重复。

1.2.3 离子含量及比值分别称取叶片、茎秆和根系0.2 g鲜样，每个处理3次重复。采用消解后火焰光度计测定的Na+、Mg2+、Ca2+、K+含量，并计算Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+值[20]。

1.3 数据处理

用Excel 2016整理数据和制图，然后用SAS 9.4软件进行差异显著性统计分析。

2 结果与分析

2.1 叶面喷施亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗干重和根系活力的影响

图1显示，对照组(CK)幼苗相比，幼苗的地上干重和地下干重在单独盐胁迫处理(S0)下分别显著降低了36.0%和21.3%，而根系活力显著大幅增加了356.3%(P<0.05)；与S0幼苗相比，盐胁迫下喷施Spd处理(S1-S7)中，S3-S5处理燕麦幼苗的地上干重显著提高，其余处理无显著变化，但所有Spd处理均显著低于CK；S2-S6处理燕麦幼苗的地下干重也比S0处理显著提高，S3-S6处理还与CK组相近，而S1和S7处理与S0处理无显著差异；S4和S5处理燕麦幼苗的根系活力比S0处理显著增强，其余Spd处理均与S0处理无显著差异；其中，S4处理效果的最好，其燕麦幼苗地上干重、地下干重和根系活力分别比单独盐胁迫处理(S0)显著升高了34.1%、23.8%和24.7%。说明叶面喷施适宜浓度的亚精胺可显著促进盐胁迫下燕麦幼苗地上和地下部生长，并以0.75 mmol/L Spd处理效果最好。

2.2 叶面喷施亚精胺对盐胁迫燕麦幼苗叶片和根系抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响

首先，图2显示，燕麦幼苗叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量在单独盐胁迫处理(S0)下均比喷施清水的对照组(CK)明显增加，增幅分别为5.4%、24.7%、103.4%和18.7%，且POD、CAT和MDA达到显著差异水平。在盐胁迫条件下，叶喷Spd处理(S1-S7)幼苗叶片的SOD、POD、CAT活性均随着Spd浓度的增加而先升高后降低，并均在S4处理时达到最大值，而其叶片MDA含量则随着Spd浓度的增加而先降低后升高，并在S4处理时达到最小值；与S0相比，幼苗叶片的SOD、CAT活性在S1-S6处理先均不同程度升高，但仅S4处理增幅(分别为17.0%和23.8%)达到显著水平，而在S7处理下却降低了13.7%和19.3%；其叶片POD活性在S1-S7处理下均不同程度升高，其中的S2-S6处理增幅达到显著水平，最高的S4处理增幅为22.9%；其叶片MDA含量在S1-S7处理下均不同程度降低，其中的S1-S5处理降幅达到显著水平，而S2-S5处理间均无显著差异，最低的S4处理降幅为25.2%。

CK.叶喷蒸馏水处理；S0.70 mmol/L盐(NaCl和Na2SO4摩尔比1∶1混合)胁迫下叶喷蒸馏水处理；S1～S7.70 mmol/L盐(NaCl和Na2SO4摩尔比1∶1混合)胁迫下分别叶喷0.01、0.25、0.50、0.75、1.00、1.50、3.00 mmol/L Spd处理；不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)；下同图1 外源亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗干重和根系活力的影响CK. The leaves were sprayed with distilled water; S0. The leaves were sprayed with distilled water under 70 mmol/L salt (NaCl and Na2SO4 molar ratio 1∶1 mixed) stress; S1-S7. The leaves were sprayed with 0.01, 0.25, 0.50, 0.75, 1.00, 1.50 and 3.00 mmol/L exogenous spermidine under 70 mmol/L salt stress (NaCl and Na2SO4 molar ratio 1∶1 mixture); Different normal letters indicate significant difference between different treatments at 0.05 level; The same as belowFig.1 Effects of exogenous spermidine on dry weight and root activity of oat seedlings under salt stress

图2 外源亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗不同部位SOD、POD、CAT活性和丙二醛含量的影响Fig.2 Effect of exogenous spermidine on SOD, POD, CAT activities and MDA content in different parts of oat seedling under salt stress

其次，图2表明，燕麦幼苗根系SOD活性在S0处理下比对照组(CK)显著降低22.6%，其根系POD和CAT活性分别比CK显著增加11.3%和110.5%，而其根系MDA含量则比CK稍有增加。在盐胁迫条件下，S1-S7幼苗根系的SOD、POD、CAT活性和MDA含量随着Spd浓度增加的变化趋势与叶片相同，且抗氧化酶活性(MDA含量)均在S4处理时达到最大值(最小值)；与S0处理相比较，根系S3-S5处理SOD活性以及S2-S5处理POD和CAT活性均显著增强，它们在S4处理下分别显著升高43.0%、19.4%和91.2%，根系MDA含量仅在S4处理下显著降低了12.8%，根系各指标在其余Spd浓度处理下均无显著变化。

另外，在相同处理下，叶片SOD、CAT活性和MDA含量均高于相应根系，其POD活性则低于相应根系。可见，在盐胁迫条件下，叶片喷施适宜浓度的Spd均可显著增强燕麦叶片和根系中SOD、POD、CAT活性，显著降低MDA含量，有效缓解盐胁迫造成的过氧化伤害，并以0.75 mmol/L Spd处理的效果最佳。

2.3 叶面喷施亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗叶片和根系游离脯氨酸含量的影响

图3显示，单独盐胁迫处理(S0)燕麦幼苗叶片和根系游离脯氨酸含量均比对照组(CK)显著升高。在盐胁迫条件下，各叶面喷施Spd(S1-S7)处理幼苗叶片和根系脯氨酸含量随着施用Spd浓度的增加而先升高后降低，并均在S4处理下达到最大值；与S0处理相比，燕麦幼苗叶片的游离脯氨酸含量在S3-S5处理下显著升高，在S1、S2、S6处理下无显著变化，在S7处理下明显降低；根系的游离脯氨酸含量在S2-S6处理下显著比S0处理升高，在S1、S7处理下无显著变化；S4处理幼苗叶片和根系游离脯氨酸含量分别比S0显著升高了63.3%和362.6%。可见，燕麦幼苗叶片和根系游离脯氨酸含量在盐胁迫下显著增加，叶面喷施适宜浓度Spd能进一步显著提高器官脯氨酸含量，并以0.75 mmol/L Spd处理的效果最佳。

图3 外源亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗不同部位游离脯氨酸含量的影响Fig.3 Effect of exogenous spermidine on proline content in different parts of oat seedling under salt stress

2.4 叶面喷施亚精胺对盐胁迫燕麦幼苗各器官Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量及其比值的影响

2.4.1 Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量首先，燕麦幼苗各器官Na+含量在对照组(CK)均很少，但茎秆和根系含量高于叶片；各器官Na+含量在盐胁迫处理后(S0-S7)均大幅度显著增加，且叶片和茎秆增幅明显大于根系。与S0处理相比，叶片Na+含量在S3处理下显著降低，而在S7处理下显著升高，其余处理均变化不显著；茎秆中Na+含量在S1-S7处理下均变化不显著；根系中Na+含量在S1和S4处理下变化不显著，而在其余处理下均显著升高；其中，S4处理各器官Na+含量均与相应S0处理无显著差异(图4，A)。

其次，燕麦幼苗各器官K+含量在对照组(CK)表现为茎秆和根系含量高于叶片；各器官K+含量在盐胁迫处理后(S0-S7)均大幅度显著降低，且叶片和茎秆含量明显大于根系。叶片、茎秆和根系K+含量在S1-S7处理时均呈先增加后降低趋势，但各处理与相应S0处理大多无显著差异；其中，S4处理燕麦叶片、茎秆和根系K+含量比S0处理分别升高了3.0%、10.7%和9.8%(图4，B)。

再次，燕麦幼苗各器官Ca2+含量在对照组(CK)表现为叶片大于茎秆和根系；单独盐胁迫处理S0叶片和茎秆中Ca2+含量比CK分别降低了6.8%和30.0%，根系Ca2+含量则比CK显著增加了54.1%；与S0相比，各器官Ca2+含量在S1-S7处理下大多无显著变化，但叶片和根系的含量明显大于茎秆；其中，S4处理茎秆Ca2+含量比S0处理分别增加了14.7%、7.5%和16.1%图4，C)。

图4 外源亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗Na+、K+、Ca2+和Mg2+含量的影响Fig.4 The effects of exogenous spermidine on Na+, K+, Ca2+ and Mg2+ contents in different parts of oat seedlings under salt stress

另外，燕麦幼苗对照组(CK)各器官Mg2+含量表现为茎秆大于叶片和根系，但其间的差异小于其余离子。S0处理燕麦幼苗叶片、茎秆和根系中Mg2+含量分别比CK降低了17.9%、32.8%和34.9%；与S0相比，S6、S7处理叶片和S7处理根系的Mg2+含量均显著降低，S3-S5处理茎秆的Mg2+含量均显著增加，其余处理器官的Mg2+含量均无显著变化；S4处理燕麦叶片和茎秆中Mg2+含量分别比S0增加了1.2%和15.2%，而根系降低了1.3%(图4，D)。

2.4.2 Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+值由图5可知，燕麦幼苗对照组(CK)叶片、茎秆和根系的Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+值均处于极低水平，相比较而言，茎秆和根系的各离子比值更高些。在盐胁迫处理下(S0-S7)，燕麦幼苗各器官的Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+值均大幅度显著升高，并表现为茎秆>叶片>根系。其中，与S0处理相比，仅S7处理茎秆和根系的Na+/K+，S1、S2、S6、S7处理根系Na+/Ca2+，以及S7处理叶片和S2、S6、S7处理根系Na+/Mg2+值显著增加，而S3-S6处理茎秆Na+/Mg2+值显著降低，其余处理幼苗器官的Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+值均无显著变化。其中，S4处理幼苗叶片、茎秆和根系的Na+/K+分别较S0处理降低了6.7%、6.6%和0.2%，Na+/Ca2+分别较S0降低了16.3%、3.2%和6.0%，而其叶片和茎秆Na+/Mg2+分别较S0降低了4.9%和9.6%，根系Na+/Mg2+较S0升高了10.5%，但仅茎秆的Na+/Mg2+变化达到显著水平。

图5 外源亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗Na+/K+、Na+/Ca2+、Na+/Mg2+值的影响Fig.5 Effect of exogenous spermidine on Na+/K+, Na+/Ca2+ and Na+/Mg2+ratios in roots, stems and leaves of oat seedlings under salt stress

以上结果说明，在盐胁迫条件下，燕麦幼苗各器官中Na+含量显著增加，K+含量显著下降，Ca2+含量在茎秆中显著降低，在根系中显著增加，而Mg2+含量在各器官中均降低但未达到显著水平。叶面喷施0.75 mmol/L Spd能降低盐胁迫下燕麦幼苗叶中的Na+含量，增加燕麦幼苗茎秆中的K+和Mg2+含量以及根、茎、叶中的Ca2+含量，并降低了叶片Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+值。

3 讨 论

3.1 叶面喷施亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗生长的影响

盐胁迫是主要的非生物胁迫之一，当植物遭受盐胁迫时，最直观的表现是生物积累量的降低，而生物积累量的降低是植物遭受生理伤害的综合反映。燕麦幼苗干物质量盐胁迫下降低，这是因为根系吸收养分和水分受阻，引起离子失衡和生理干旱，导致植物体内盐离子大量积累以及活性氧过量产生、积累，这使得细胞膜受损，破坏细胞物质交换平衡，进而导致一系列生理生化代谢紊乱，最终使幼苗生长受阻。本研究中，喷施Spd处理可显著提高盐胁迫下燕麦幼苗的根系活力，增强根系对营养物质的吸收、转运、积累和利用，增加地上和地下部生物量的积累。同时，盐胁迫条件下，喷施亚精胺对活性氧的过量产生有显著抑制作用，这可从提高SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性以及降低幼苗体内膜脂过氧化产物MDA含量得以印证。此外，叶面喷施Spd能通过降低Na+含量、提高K+、Ca2+和Mg2+含量来维持燕麦幼苗的离子平衡，进而稳定其细胞膜的结构。总体来看，喷施0.75 mmol/L Spd(S4处理)对盐胁迫下燕麦幼苗生长的促进效果最佳。

3.2 叶面喷施亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗ROS产生抗氧化体系的影响

3.3 叶面喷施亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗渗透调节作用的影响

脯氨酸(Pro)是一种分子透性大、极易溶于水的重要渗透调节剂和抗氧化剂，能稳定细胞的渗透势和细胞中生物活性大分子的构象[23]，防止酶失活变性，保持细胞氮素水平，调节胞质pH值和防止细胞质酸化等，在缓解植物逆境胁迫中起重要作用[24]。因此通过外源物质诱导和调控植物中Pro的含量可以有效缓解逆境伤害[25]。前人对盐胁迫下狗牙草[26]、甜高粱[27]、辣椒[28]、黄瓜[29]和桑树[30]的研究发现，喷施外源Spd能够增加盐胁迫下幼苗叶片和根系的Pro含量。本研究发现，盐胁迫使燕麦叶片和根系脯氨酸含量增加，有助于调节细胞的渗透势，增强燕麦幼苗对盐胁迫的适应性；0.25、0.50、0.75和1.00 mmol/L Spd处理能够提高盐胁迫下燕麦叶片游离脯氨酸的累积，其中0.75 mmol/L Spd处理下脯氨酸含量最高，这可能是外源Spd激活了燕麦在胁迫条件下Pro谷氨酸合成途径的关键酶Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和Δ1-吡咯啉-5-羧酸还原酶(P5CR)的活性，促进Pro合成。还有一种可能是，在线粒体中催化Pro降解的脯氨酸脱氢酶(ProDH)和吡咯啉-5-羧酸脱氢酶(P5CDH)的氧化降解过程受到抑制，也导致Pro积累增加，这在小麦[21]和白三叶[31]的相关研究结果中得到了进一步的印证。

3.4 叶面喷施亚精胺对盐胁迫下燕麦幼苗离子平衡的影响

在盐胁迫条件下,保持植物体及细胞内的离子平衡对植物的正常生长发育至关重要。植物受到盐胁迫后，会吸收更多的Na+等，减少对K+、Ca2+以及Mg2+的吸收[32-33]。Ca2+是植物代谢和发育的主要调控者[34]。高浓度Na+可置换质膜和细胞内膜上结合的Ca2+，破坏Ca2+平衡，增加膜透性，伴随着K+吸收的减少，进一步影响Mg2+吸收[35-36]，所以在盐碱胁迫下作物叶片中保持较低Na+/K+、Na+/Ca2+和 Na+/Mg2+是衡量作物耐盐碱的重要指标之一[37]。本试验结果表明，盐胁迫下喷施0.75 mmol/L Spd明显降低了盐胁迫下燕麦幼苗叶片中的Na+含量，增加了茎秆中的K+和Mg2+含量以及根、茎、叶中的Ca2+含量，有利于叶片中维持较低的Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+比值，增强了盐胁迫下燕麦幼苗的离子平衡。Zhao等[38]研究发现，外源Spd将Na+流入限制在根中并通过阻止K+从茎中流失，从而改善了大麦幼苗中的K+/Na+稳态。也有研究表明外源Spd提高大麦幼苗根系液泡膜和质膜H+-ATPase活性及液泡H+-PPase和Na+/H+逆向转向蛋白的活性[39-40]，保持液泡膜和质膜在盐胁迫下的完整性，结合前人的研究进一步说明，Spd可通过调控离子的吸收与在细胞内的区域化分布，提高了作物的耐盐性，从细胞水平上提高了燕麦幼苗的抗盐性。

4 结 论

综上所述， 0.75 mmol/L外源Spd叶喷处理，显著提高了燕麦幼苗叶片SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，降低MDA的生成量，减轻盐胁迫下的氧化损伤，有助于膜结构的稳定，提高了脯氨酸等渗透调节物质的含量，改善了燕麦幼苗中的Na+/K+稳态，而高于或低于该浓度的亚精胺喷施处理对燕麦耐盐性的影响较小。本实验中，0.75 mmol/L的亚精胺喷施处理可高效修复燕麦幼苗因渗透胁迫和离子毒害引起的伤害，恢复和维持生理代谢和生化反应的恒稳状态，从而增强了盐胁迫下燕麦幼苗的抗氧化胁迫能力，使燕麦幼苗在逆境下受到的生长抑制得以缓解，提高了燕麦幼苗的抗盐性。