棉花生理特征影响原因分析范文

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盐害是影响作物生长的重要因素之一[1]。棉花是耐盐性比较强的农作物之一,较低浓度的盐分有利于棉花生长,但棉花萌发出苗和幼苗阶段的耐盐能力较弱[2-3],高浓度盐胁迫会导致棉花光合作用受阻,脂质过氧化,膜透性增加,蛋白质降解,生长代谢紊乱,大量出现僵苗和死苗现象,严重影响棉花种植及生产。新疆强烈的地面蒸发和长期滴灌导致土壤盐分在耕作层日益积累,土壤次生盐渍化现象日益加剧,严重威胁新疆棉花种植业的发展。目前研究表明,土壤根围促生菌(Plantgrowthpromotingrhizobacteria,PGPR)能够有效缓解盐胁迫促进作物生长,并且对环境友好。但游离的菌体直接应用到土壤中,受到多种不利环境因素的影响,存在菌体存活期短、有效活菌数量低、持效性差及用量大、次数多等问题。因此,为了有效提高菌体的存活期和持效性,促使解盐促生菌Rs-2在作物根部大量定殖,前期以海藻酸钠-淀粉-膨润土为材料开发了Rs-2微胶囊化剂型。本文研究了盐胁迫条件下游离Rs-2和胶囊化Rs-2处理的棉花种子发芽率等棉花植株生长指标的变化;考察不同处理下棉花植株中POD和SOD活性和光合色素的含量,丙二醛(MDA)和脯氨酸的含量以及植株对营养元素的吸收等生理生化指标,进而分析比较游离与胶囊化Rs-2对棉花的解盐促生效果,以期为胶囊化根围促生菌在作物生产上的应用提供理论基础。

1材料和方法

1.1试验设计供试作物:棉花(GossypiumhirsutumL.)品种中棉所36。供试菌株:课题组前期以1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶(ACC)为唯一氮源从新疆棉区盐渍化土壤中筛选获得植生拉乌尔菌RaoultellaplanticolaRs-2,GeneBank登录号码为EF551363。前期研究表明该菌株能够产生ACC脱氨酶,具有较强的缓解盐胁迫、促进棉花生长的作用[4]。菌株培养:将菌株Rs-2接于液体NA(Nutrientagar)培养基中,于温度30℃、转速170r•min-1的摇床中培养48h。菌株胶囊化处理:30℃,170r•min-1培养解盐促生菌Rs-248h后,10000×g4℃离心,收集菌体,将Rs-2菌体与6.5%(W/V)海藻酸钠、淀粉和膨润土(3∶4∶6)溶液充分混合。用注射器吸取一定体积的混合液,均匀地滴入到2%氯化钙溶液中。固定30min后,用无菌水冲洗2~3次。取出胶囊,自然风干,即获得了含有Rs-2的微胶囊。供试土壤有机质含量25.40g•kg-1,碱解氮含量69.94mg•kg-1,有效磷含量27.66mg•kg-1,有效钾含量312.00mg•kg-1,pH值7.78,电导率为1.32S•m-1。棉花培养:选大小一致的棉种,用70%的酒精消毒5min,用无菌水清洗3次,于5%的双氧水浸泡2h[5]。盆栽实验分别进行以下处理设计:1、棉种经菌液浸种4h后,播种于0.8%的氯化钠溶液处理的土壤中(经该处理后的称为F-Rs-2-S,以下同)。2、将棉种与胶囊化处理的Rs-2混合后播种于0.8%的氯化钠溶液处理的土壤中(C-Rs-2-S)。3、以无菌水浸种后,播于0.8%的氯化钠溶液处理的土壤中(CK-S)。4、以无菌水浸种后,播于蒸馏水处理的土壤中(CK-NS)。每个处理5个重复,每10粒棉种为一个重复。

1.2测定方法1周后统计发芽率,2周后统计成苗率,4周后随机留取每个处理的一个重复采用Arnon法测定棉苗叶片光合色素含量[6],NBT光化学还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性,愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性,硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量,蒽酮法测定可溶性糖含量,磺基水杨酸法测定脯氨酸含量,均参照李合生[7]等测定方法。拔出其余的棉花,先用自来水冲洗2~3次,再用蒸馏水冲洗2次,用吸水纸吸干后称量鲜物质质量,用直尺测量株高(茎基部到生长点)与根长,之后105°C杀青15min,转至75°C烘干至恒重,称干物质质量。分别采用H2SO4-H2O2消煮法,钒钼黄吸光光度法和火焰光度法测定棉苗植株中全氮、全磷、全钾的含量。拔出棉花后抖落掉根际土壤,采用凯氏定氮法、钼锑钪比色法和NH4OAc浸提、火焰光度法测定根际土壤中碱解氮、有效磷和有效钾的含量[8]。所有数据用SPSS16.0软件进行单因素方差分析,用Duncan’s新复极差法进行比较。

2结果与分析

2.1胶囊化Rs-2对棉苗生物量的影响在盐胁迫环境下,以自然土壤为基质对棉花进行盆栽试验,对游离Rs-2和胶囊化Rs-2分别进行促生性能研究。结果表明(表1),有盐处理的CK-S组的棉花发芽率和成苗率均显著低于无盐处理的CK-NS组。胶囊化Rs-2的处理(C-Rs-2-S)中棉花的发芽率和成苗率均达92%,比有盐对照CK-S提高了4和8百分点,是游离Rs-2处理效果的2倍。另外,C-Rs-2-S处理组的棉花株高分别比CK-S、F-Rs-2-S提高了24.38%和22.32%,而根长增加了30.34%和25.89%。C-Rs-2-S处理中棉花的干物质质量和鲜物质质量较CK-S处理分别提高了25%和27.36%,较F-Rs-2-S处理提高了17.65%和2.27%。可见,胶囊化的Rs-2对棉花的解盐促生效果明显优于游离的Rs-2。在盐胁迫条件下,微胶囊处理组的株高、鲜物质质量等指标均高于游离Rs-2或无Rs-2菌株处理,可见微胶囊化Rs-2可更有效地发挥其解盐促生性能。

2.2胶囊化Rs-2对棉苗叶片光合色素、脯氨酸、MDA和可溶性糖含量的影响在较高盐浓度下,植物对钾离子选择性会下降,导致钾缺乏可显著降低叶片的叶绿素含量和光合作用强度[9]。盐胁迫下植株叶绿素含量是衡量植物耐盐性的重要生理指标之一。从图1可知,CK-S处理组棉花叶片叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量较CK-NS组分别降低了45.62%,37.2%和53.1%。盐胁迫条件下C-Rs-2-S组的棉花叶片叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素含量均高于F-Rs-2-S和CK-S处理组。此外,脯氨酸是许多植物在盐分胁迫时大量积累的有机小分子物质,植物体内脯氨酸含量的多少在一定程度上反映了植物的抗逆性。如图2所示,C-Rs-2-S组棉花植株的脯氨酸含量较CK-S组降低了54.29%,而游离Rs-2组植株脯氨酸含量较CK-S组仅降低了12.77%,可见胶囊化Rs-2效果好于游离Rs-2。丙二醛(MDA)是细胞膜脂过氧化产物,MDA的积累对作物具有毒害作用,其积累的多少可作为作物遭受逆境胁迫程度的指标[10]。从图3可看出,盐胁迫条件下棉花植株中MDA含量明显增加。在C-Rs-2-S处理组棉花植株中MDA含量比对照CK-S组降低了23.43%,而经游离Rs-2处理的植株MDA含量没有明显变化。此外,植物处于逆境时其细胞质中可溶性糖含量大量增加,以此提高植物细胞的渗透调节能力,减低质膜受伤害的程度,在植物抵抗逆境胁迫中发挥重要作用[11-12]。因此从可溶性糖含量的高低可推断植株所受逆境的程度。从图4可知,有盐对照CK-S处理的棉花叶片可溶性糖含量是无盐对照CK-NS处理的2.4倍,而有盐处理中,对照CK-S组可溶性糖含量分别是C-Rs-2-S和F-Rs-2-S组的2.1倍和1.7倍。以上结果显示,胶囊化Rs-2处理比游离Rs-2处理能更有效地缓解盐害对棉花植株的不良影响。

2.3胶囊化Rs-2对棉苗的POD和SOD含量的影响由图5和图6可知,有盐对照组CK-S的棉花叶片POD和SOD活性较无盐对照组CK-NS分别降低了72.6%和28.3%。而C-Rs-2-S处理的植株叶片POD和SOD活性分别较CK-S组显著提高了1.33倍和34.85%,比游离Rs-2处理分别提高了1.11倍和8.54%。从表2可以看出棉苗植物中全氮、全磷和全钾含量均为C-Rs-2-S>F-Rs-2-S>CK-NS>CK-S。可见,盐胁迫条件下棉苗植株中N、P、K含量明显下降,而C-Rs-2-S和F-Rs-2-S处理促进了棉苗对N、P、K的吸收,且C-Rs-2-S处理组棉苗的N、P、K含量最高。由表3可知,棉苗根际土壤碱解氮、有效磷和有效钾的含量均为CK-NS<CK-S<F-Rs-2-S<C-Rs-2-S。说明具有溶磷、解钾作用的Rs-2将土壤中不能被作物吸收利用的磷、钾转化为可被植物吸收的有效磷、有效钾,促进棉苗生长,增强棉苗的抗逆性,缓解了盐胁迫对棉苗生长的抑制作用,提高棉苗的抗逆性,且C-Rs-2-S处理组效果最佳。

3讨论与结论

盐胁迫造成棉种吸水进程迟缓,种子萌动缓慢[13],降低储藏物质分解和转化的速率,破坏活性氧产生和清除系统的动态平衡,损伤膜结构[14],使生长代谢紊乱,抑制作物对营养元素的吸收与利用。近年来已有报道植物根围促生菌能够缓解盐分对植物的胁迫作用[11-12],但将游离菌体直接应用到土壤环境中,存在菌体存活率低、持效时间短等问题。本试验对菌体进行胶囊化处理以解决上述问题,结果表明胶囊化Rs-2与游离Rs-2处理组相比,能更好地缓解盐分对棉花的胁迫,促进棉花生长的作用持续时间更长,显著提高棉株的株高、根长、鲜物质质量及干物质质量。研究表明,胶囊化Rs-2处理与游离Rs-2处理相比,对棉花的发芽率影响不显著,说明胶囊化处理在接种初期与游离Rs-2作用效果一样,而由于胶囊化处理具有缓释作用,使得解盐促生菌Rs-2缓慢释放出来,延长了其持效期。盐胁迫条件下,植物细胞由于代谢受阻产生大量的活性氧(Reac-tiveoxygenspecies,ROS),这些活性氧浓度的提高造成对细胞膜脂过氧化作用加强,使活性氧产生与清除之间的动态平衡被破坏,导致膜系统损伤和细胞伤害[15]。而长期的盐分胁迫使棉花体内产生过多的活性氧自由基,超过保护酶的清除能力时,SOD和POD活性下降,这在油用向日葵[16]研究中得到证实。本实验结果表明胶囊化Rs-2在长期的盐胁迫条件下提高了SOD和POD活性。此外,胶囊化Rs-2处理后较游离Rs-2处理组明显提高棉苗叶片中光合色素含量,显著降低了植株中MDA、脯氨酸和可溶性糖的含量。另外,研究还表明菌株Rs-2能够促进棉苗对营养元素的吸收,维持棉花植株的离子平衡。菌株Rs-2在棉花生长过程中能够提高植物对N、P、K的吸收,可能是由于菌株Rs-2具有溶磷、解钾、固氮性能(数据未发表),而将Rs-2胶囊化处理后作用效果明显好于游离Rs-2处理,更加有效地增加了土壤中的N、P、K营养,这与一些研究报道结果相一致[12,17-22]。这可能是由于将菌体胶囊化后可以减少一些土著菌对Rs-2的竞争捕获,减缓Rs-2在棉种附近定殖数量的迅速降低,起到缓释、长效作用,在棉苗生长发育过程中更好地缓解逆境压力,促进棉花生长;亦可能是由于土壤中存在一些降解胶囊壁材的生物,使得Rs-2有效释放出来,更好地发挥胶囊化Rs-2对棉花的促进生长和缓解盐胁迫作用。总之,在长期盐胁迫条件下,胶囊化Rs-2能显著缓解盐胁迫,促进棉花生长,为提高PGPR在根际定殖效率打下理论基础。而胶囊化Rs-2在土壤中的释放速率与棉花生长的相关性还有待进一步研究。