土壤盐渍化是限制全球作物产量的最主要的非生物胁迫之一。据联合国教科文组织（UNESCO）和粮农组织（FAO）不完全统计，全世界盐渍化土地面积约为10亿hm^2[1]。我国盐渍土的分布较广，主要分布在东北、华北、西北内陆地区以及长江以北沿海地带，盐渍土总面积约为0.36亿hm²，占全国可利用土地面积的41.88%^[2]。近年来，由于环境污染和不合理的化肥施用，我国土壤盐渍化有加重趋势，同时，由于多种原因造成耕地面积逐渐减少，所以筛选和培育耐盐的作物品种是开发利用盐碱地的有效途径之一。

探究盐分胁迫下植物生长及生理代谢反应，是培育耐盐作物品种的重要基础。盐分胁迫对植物的伤害主要有离子毒害、渗透胁迫、营养失衡、激素失调和产生活性氧^[3]。大量研究表明，活性氧代谢失调是盐胁迫导致植物细胞氧化损伤与细胞凋亡的重要原因之一^[4-5]。植物经过长期进化形成了有效清除体内活性氧的保护系统（酶系统和非酶系统），该系统主要有：超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化物酶（peroxidase, POD）、过氧化氢酶（catalase, CAT）等抗氧化酶，以及一些非酶促物质，如维生素E、维生素A、维生素C、谷胱甘肽、类胡萝卜素等^[6]。这些物质通过植物体内普遍存在的抗坏血酸-谷胱甘肽循环直接或逐步分解活性氧自由基并实现自我再生^[7]。

棉花（Gossypium hirsutum L.）被认为是比较耐盐的非盐生作物之一，也是盐碱地的先锋作物。研究表明：棉花在苗期和开花期对盐分比较敏感^[8]；棉花耐盐能力在不同品种之间、不同生育时期以及器官组织之间存在明显的差异^[9]。棉花的耐盐机制是一个复杂的问题，虽然前人对不同耐盐性棉花品系间的农艺性状、抗氧化酶、离子运输等分别进行了研究^[10-12]，但从多个角度系统分析棉花耐盐性的生理机制相对较少。本研究通过对氯化钠（NaCl）胁迫下不同耐盐性棉花品系生长、生理生化特性的变化及主要无机离子的吸收分布特点进行研究与系统性分析，以进一步了解棉花的耐盐机制。

陆地棉（Gossypium hirsutum L.）耐盐品系早熟长绒7号（中期库编号：M111066）和盐敏感品系南丹巴地大花（中期库编号：M130293）均由中国农业科学院棉花研究所国家棉花种质资源中期库提供。

选择籽粒饱满且均匀一致的种子若干，用15%的过氧化氢消毒4 h，无菌水冲洗4次，再用无菌水室温下浸泡24 h。将浸泡过的种子置于含蛭石的育苗盆里，浇灌适量的清水，放置在28 ℃的人工气候室中3 d，待种子子叶刚刚伸展开时，将幼苗转移至体积为5 L的塑料黑桶中，每桶种植7株，用改良的Hoagland营养液进行培养，每2 d更换1次营养液，24 h通气1次。人工气候室参数设置：光照强度为450 μmol/(m²·s)；昼夜温度为28 ℃/22 ℃；光照时间（昼/夜）为14 h/10 h；CO₂浓度＞720 mg/m³；空气湿度为60%~80%。待幼苗长至第三真叶出现时，进行盐处理，每隔24 h营养液中NaCl浓度分别增加25 mmol/L和50 mmol/L，直至营养液中NaCl浓度分别达到150 mmol/L和300 mmol/L；并以在不加盐营养液中生长的植株为对照。每个处理3次重复。幼苗在最终盐浓度下培养7 d后，进行相关指标的测定与取样分析。

光合气体交换参数测定：在晴天上午10:00—12:00最强光照下，用Li-6400光合仪（Li-COR公司, 美国）测定幼苗主茎倒4叶的光合速率。

测定每株棉花幼苗的苗高、根长，统计主根上的一级侧根数，并用电子天平（BSA124S-CW, Sartorius公司, 德国）对植株地上部（包括根、茎、叶和子叶）和地下部（根）鲜质量进行称量。

称取棉花叶片0.5 g，加液氮研磨成粉末，转入10 mL离心管中，加入5 mL 50 mmol/L磷酸盐缓冲液（pH 7.8），振荡摇匀，4 ℃、1万r/min离心20 min，取上清液即粗酶液，用于酶活性和丙二醛（malondialdehyde, MDA）含量测定。

参照李合生等^[13]的方法：SOD活性的测定采用氮蓝四唑（nitro-blue tetrazolium, NBT）光还原法，以抑制NBT光还原50%的酶量为1个酶活力单位；POD活性测定采用愈创木酚法，以1 min内D（470 nm）变化0.01的酶量为1个酶活力单位，U；MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸显色法。

分别取新鲜的根、茎和叶，在105 ℃条件下杀青30 min，于70 ℃下烘至恒量。将烘干后的样品粉碎过筛（0.3 mm），分别称取0.2 g样品，加入6 mL浓硝酸（HNO₃）和200 μL 30%过氧化氢（H₂O₂）进行微波消解。将消解后的样品用去离子水定容至50 mL，用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）（Optima 2100DV, PerkinElmer公司, 美国）测定无机离子Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺含量。

试验数据采用SPSS 17.0软件进行方差分析，结果用平均数±标准误表示；以最小显著性差异法进行多重比较和差异显著性检验。

从表 1可以看出，随NaCl浓度的升高，2种不同耐盐性棉花幼苗的生长差异显著。在NaCl胁迫下，耐盐品系早熟长绒7号与盐敏感品系南丹巴地大花的苗高都呈显著降低的趋势。在150 mmol/L NaCl条件下，早熟长绒7号的一级侧根数、主根长和地下部鲜质量与对照相比分别增长14.3%、10.9%、21.7%：说明在一定盐浓度条件下，NaCl能促进耐盐植株根系的生长。盐胁迫会导致根内细胞失水，产生生理性干旱，耐盐植株通过增加侧根数量和促进主根生长来扩大根系表面积，从而减缓盐胁迫导致的生理性干旱。NaCl处理后，南丹巴地大花地上部和地下部生长的受抑制程度明显高于早熟长绒7号：说明早熟长绒7号的耐盐性强于南丹巴地大花。

表1(Table 1)

表1 NaCl胁迫对棉花幼苗生长的影响 Table 1 Effects of NaCl stress on growth of cotton seedlings

表1 NaCl胁迫对棉花幼苗生长的影响 Table 1 Effects of NaCl stress on growth of cotton seedlings 品种 Cultivar NaCl/ (mmol/L) 苗高 Shoot height/cm 一级侧根数 Primary lateral root number 主根长 Taproot length/cm mf(地上部) Shoot mass/g mf(地下部) Root mass/g 早熟长绒7号 Zaoshuchangrong7 0 12.26±1.26a 28±2.00b 8.38±1.16b 1.24±0.32a 0.23±0.06b 150 11.53±1.06b 32±1.00a 9.29±0.97a 1.18±0.19b 0.28±0.05a 300 9.81±0.97c 23±2.00c 8.19±1.28c 1.08±0.18c 0.24±0.05b 南丹巴地大花 Nandanbadidahua 0 12.05±1.15a 24±2.00a 8.23±0.75a 0.99±0.11a 0.24±0.04a 150 9.36±0.95b 21±2.00b 7.50±0.85b 0.76±0.17b 0.21±0.06b 300 8.69±1.09c 15±1.00c 6.96±0.98c 0.65±0.07c 0.16±0.06c 品种间F值 F value of different cultivars 61 250.00** 264.50** 1 431.13** 6 050.00** 98.00** 同列数据后的不同小写字母表示同一品种不同处理间在P＜0.05水平差异有统计学意义。**表示在P＜0.01水平差异有高度统计学意义。 Values within the same column followed by different lowercase letters indicate statistically significant difference of the same cultivar among different treatments at the 0.05 probability level. Double asterisks（**）indicate statistically highly significant difference at the 0.01 probability level.

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从图 1可以看出，与对照相比，NaCl胁迫导致棉花幼苗叶片的净光合速率显著降低。在150和300 mmol/L NaCl胁迫条件下，南丹巴地大花的光合速率分别比对照降低22.5%和46.2%，早熟长绒7号分别比对照降低20.1%和33.2%。相较而言，南丹巴地大花光合速率的下降幅度高于早熟长绒7号，说明盐胁迫下耐盐品系早熟长绒7号依然能保持相对较高的光合速率。光合作用是植物生长的必要条件，因此，耐盐植株在盐胁迫下维持相对较高的光合作用水平，是保证植株正常生长的基础，也是耐盐特征之一。

图1(Figure 1)

CK：0 mmol/L NaCl。短栅上的不同小写字母表示同一品种不同处理间在P＜0.05水平差异有统计学意义。 CK: 0 mmol/L NaCl. Different lowercase letters above bars indicate statistically significant differences of the same cultivar among different treatments at the 0.05 probability level. 图1 NaCl胁迫对棉花幼苗叶片净光合速率的影响 Fig. 1 Effects of NaCl stress on net photosynthetic rate in the leaves of cotton seedlings

随NaCl浓度的升高，早熟长绒7号的POD和SOD活性呈逐渐升高的趋势，而南丹巴地大花的POD和SOD活性呈先升高然后降低的趋势（图 2，3）。说明在一定的盐胁迫条件下，通过提高植株体内的抗氧化酶活性，是棉花响应盐胁迫的基本调节机制。在150和300 mmol/L NaCl处理下，早熟长绒7号的SOD活性比对照分别提高了8.3%和14%，POD活性比对照分别提高了22.0%和34.6%。在高盐浓度条件下，只有耐盐植株依然能维持相对较高的抗氧化酶活性：说明耐盐植株具有较强的抗氧化酶系统。

图2(Figure 2)

CK：0 mmol/L NaCl。短栅上的不同小写字母表示同一品种不同处理间在P＜0.05水平差异有统计学意义。 CK: 0 mmol/L NaCl. Different lowercase letters above bars indicate statistically significant differences of the same cultivar among different treatments at the 0.05 probability level. 图2 NaCl胁迫对棉花幼苗叶片POD活性的影响 Fig. 2 Effects of NaCl stress on the activity of peroxidase (POD) in the leaves of cotton seedlings

图3(Figure 3)

CK：0 mmol/L NaCl。短栅上的不同小写字母表示同一品种不同处理间在P＜0.05水平差异有统计学意义。 CK: 0 mmol/L NaCl. Different lowercase letters above bars indicate statistically significant differences of the same cultivar among different treatments at the 0.05 probability level. 图3 NaCl胁迫对棉花幼苗叶片SOD酶活性的影响 Fig. 3 Effects of NaCl stress on the activity of superoxide dismutase (SOD) in the leaves of cotton seedlings

从图 4可以看出，早熟长绒7号和南丹巴地大花的MDA含量随NaCl浓度的升高而显著升高。在150和300 mmol/L NaCl处理条件下，早熟长绒7号的MDA含量比对照分别提高了21.6%和64.7%，南丹巴地大花的MDA含量比对照分别提高了30.3%和83.5%。随NaCl浓度的升高，南丹巴地大花的MDA含量上升幅度显著高于早熟长绒7号（品种间F值为40 044.50，P＜0.01）。盐胁迫可以致使细胞膜氧化损伤，从而积累MDA代谢产物。在盐胁迫下，耐盐能力弱的植株体内更易积累相对较高的MDA。

图4(Figure 4)

CK：0 mmol/L NaCl。短栅上的不同小写字母表示同一品种不同处理间在P＜0.05水平差异有统计学意义。 CK: 0 mmol/L NaCl. Different lowercase letters above bars indicate statistically significant differences of the same cultivar among different treatments at the 0.05 probability level. 图4 NaCl胁迫对棉花幼苗叶片MDA含量的影响 Fig. 4 Effects of NaCl stress on the content of malondialdehyde (MDA) in the leaves of cotton seedlings

在NaCl胁迫条件下，2个品系不同器官（根、茎、叶）中的Na⁺含量随NaCl浓度的升高均大幅上升（表 2）。在同一NaCl浓度条件下，不同器官Na⁺含量为根＞茎和叶：表明根系能蓄积部分Na⁺。耐盐性不同的2个棉花品系在器官水平上Na⁺含量差异均不显著。

表2(Table 2)

表2 NaCl胁迫对棉花幼苗K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量及Na+/K+的影响 Table 2 Effects of NaCl stress on the contents of K+, Na+, Ca2+, Mg2+ and Na+/K+ in cotton seedlings

表2 NaCl胁迫对棉花幼苗K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量及Na+/K+的影响 Table 2 Effects of NaCl stress on the contents of K+, Na+, Ca2+, Mg2+ and Na+/K+ in cotton seedlings 品种 Cultivar NaCl/ (mmol/L) w（K+)/(mg/g) w（Na+)/(mg/g) Na+/K+ w（Ca2+)/(mg/g) w（Mg2+)/(mg/g) 根Root 茎Stem 叶Leaf 根Root 茎Stem 叶Leaf 根Root 茎Stem 叶Leaf 根Root 茎Stem 叶Leaf 根Root 茎Stem 叶Leaf 早熟长绒7号 Zaoshuchangrong7 0 56.61±0.15a 58.66±0.49a 30.33±0.35a 1.27±0.03c 1.66±0.06c 1.13±0.03c 0.02c 0.03c 0.04c 4.56±0.01a 10.86±0.13a 35.97±0.31a 3.32±0.01a 3.04±0.03a 4.73±0.02c 150 53.85±0.28b 34.03±0.42b 21.62±0.23c 50.59±0.30b 44.09±2.54b 37.10±0.32b 0.94b 1.30b 1.72b 2.81±0.02b 5.62±0.05b 35.22±0.25a 2.58±0.02c 2.36±0.02c 6.27±0.05b 300 19.53±0.11c 30.28±0.43c 22.26±0.05b 89.28±0.63a 56.21±0.40a 59.97±0.34a 4.57a 1.86a 2.69a 2.63±0.04c 4.04±0.05c 20.56±0.14b 3.13±0.02b 2.48±0.02b 7.08±0.03a 南丹巴地大花 Nandanbadidahua 0 67.34±0.42a 65.80±0.53a 30.76±0.45a 0.97±0.03c 1.25±0.01c 0.78±0.04c 0.01c 0.02c 0.03c 3.92±0.00a 10.16±0.10a 40.85±0.18a 2.54±0.02b 3.76±0.07a 4.22±0.03b 150 45.17±0.59b 27.91±0.12b 15.09±0.27c 48.93±0.41b 35.52±0.53b 48.20±0.09b 1.07b 1.27b 3.24a 2.31±0.08b 4.14±0.02b 31.76±0.12b 2.69±0.03a 2.05±0.02b 5.08±0.08a 300 17.70±0.23c 23.21±0.08c 19.63±0.46b 89.09±0.18a 59.50±0.93a 61.21±0.70a 5.03a 2.56a 3.12b 1.84±0.01c 3.12±0.01c 18.59±0.12c 2.27±0.02c 2.00±0.01b 3.81±0.03c 品种间F值 F value of different cultivars 13.83* 5 400.53** 381 064.50** 1 357.83** 9 250.31** 21 141.19** 2 014.37** 125.64** 22 536.53** 18 600.00 48 050.00** 1 222.55** 11 704.50** 24.50** 123 504.50** 同列数据后的不同小写字母表示同一品种不同处理间在P＜0.05水平差异有统计学意义。**表示在P＜0.01水平差异有高度统计学意义。 Values within the same column followed by different lowercase letters indicate statistically significant difference of the same cultivar among different treatments at the 0.05 probability level. Double asterisks（**）indicate statistically highly significant difference at the 0.01 probability level.

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与对照相比，经NaCl胁迫处理后2个品系不同组织中的K⁺含量均呈降低趋势（表 2），盐胁迫处理能抑制棉花幼苗对K⁺的吸收。在150和300 mmol/L NaCl条件下，早熟长绒7号不同器官中的K⁺含量均高于南丹巴地大花。对Na⁺/K⁺的计算表明，南丹巴地大花的Na⁺/K⁺显著高于早熟长绒7号：说明在盐胁迫下耐盐品系幼苗比盐敏感品系能保持相对较高的K⁺含量。在高盐条件下，耐盐植株能使体内K⁺含量维持在较高水平，减缓由细胞内Na⁺迅速增加所导致的细胞渗透压失衡。

与对照相比，经NaCl胁迫处理后，棉花幼苗中的Ca²⁺含量呈逐渐降低的趋势（表 2）：表明盐胁迫显著抑制了棉花幼苗对Ca²⁺的吸收。盐胁迫对棉花幼苗根和茎中Mg²⁺含量影响不大，而叶片中的变化较为显著（表 2）。在150和300 mmol/L NaCl条件下，耐盐品系早熟长绒7号叶片中的Mg²⁺含量分别比对照升高了32.6%和49.7%。随NaCl浓度的升高，盐敏感品系南丹巴地大花叶片中的Mg²⁺含量先上升后降低。

盐碱、低温、病害等逆境条件会阻碍植物根系从土壤中吸收水分，从而引起体内水分亏缺，造成植物生理性干旱。为适应盐分胁迫导致的生理性干旱，具有强大的根系系统，已成为耐盐植物的普遍特征。本研究表明，在150 mmol/L NaCl条件下，早熟长绒7号的一级侧根数、主根长和地下部鲜质量与对照相比呈显著的增长趋势：说明在一定的盐胁迫条件下，耐盐品系的棉花幼苗通过促使主根和侧根的生长，扩大根系面积，增加根系生长量，以提高根系对水分和矿物质的吸收能力，从而缓解盐胁迫导致的生理性干旱。这可能是耐盐棉花幼苗响应盐胁迫的机制之一。

盐胁迫对棉花幼苗叶片的光合速率有明显的抑制作用。在盐胁迫处理下，耐盐品系早熟长绒7号和盐敏感品系南丹巴地大花的光合速率均呈显著降低的趋势。BRUGNOLI等^[14]认为，棉花叶片光合速率的降低主要是由于气孔导度降低；但刘金定等^[15]研究认为，盐胁迫抑制氮的吸收，导致蛋白质含量降低，从而影响光合作用所需的酶活性，致使光合速率下降。

相关研究^[16-17]表明，棉花的抗氧化能力与耐盐性呈正相关，在盐胁迫下棉花通过上调抗氧化酶活性缓解盐诱导的氧化胁迫，使棉花表现出耐盐性。耐盐品系早熟长绒7号在盐胁迫下叶片的SOD、POD活性与对照相比表现出显著增长的趋势。而在同一盐浓度处理条件下，盐敏感品系南丹巴地大花的SOD、POD活性均显著低于早熟长绒7号，这与GOSSETT等^[18]和彭振等^[19]的研究结果一致。表明在盐胁迫条件下，耐盐品系比盐敏感品系具有较高的抗氧化酶活性，能帮助其清除体内产生的活性氧自由基。

丙二醛含量的多少可以反映细胞膜损伤程度的高低，因此可用丙二醛含量高低作为耐盐性高低的生理指标之一^[20]。据研究报道，NaCl胁迫使细胞产生超氧自由基，诱导膜脂过氧化，产生丙二醛^[21]。在盐胁迫下，耐盐性不同的2个棉花品系中的丙二醛含量随着盐胁迫浓度的升高均呈显著上升的趋势。这与马丽等^[22]和辛承松等^[23]的研究结果不太一致，可能是由于试验材料的品种差异所致。但在同一盐浓度下，耐盐品系的丙二醛含量与盐敏感品系相比明显较低，这可能是因为耐盐品系具有较强的抗氧化酶系统，能减少细胞内超氧自由基，缓解膜脂过氧化，从而降低了丙二醛含量。

盐胁迫使棉花体内的无机离子含量发生显著变化。Na⁺是NaCl胁迫的主要毒害因子之一^[24]。在同一盐浓度下，对于耐盐性不同的2个棉花品系，在器官水平上，Na⁺含量为根＞茎和叶：表明根系能蓄积部分Na⁺。这与KONG等^[25]和裘丽珍等^[26]的研究结果一致。K⁺对维持细胞渗透压和保持正常的生化反应至关重要。在盐胁迫下，耐盐品系与盐敏感品系相比，其根、茎、叶中能保持相对较低的Na⁺/K⁺：说明耐盐品系能维持相对较高的K⁺含量，这也是植物盐适应的决定因素之一^[27]。Ca²⁺在盐胁迫下可保护细胞的膜结构，保障细胞信号通路畅通^[28]。在同一盐浓度处理下，耐盐品系地上部（茎和叶）中的Ca²⁺含量高于盐敏感品系；因此，耐盐植株的根系可以选择性向上运输Ca²⁺。Mg²⁺是蛋白质合成过程中必不可少的元素。随着盐浓度的升高，耐盐品系早熟长绒7号叶片中的Mg²⁺含量显著升高，这与SOD和POD酶活性变化趋势一致。蛋白质的合成启动需要Mg²⁺参与，在盐胁迫下耐盐性强的棉花品系可能通过提高Mg²⁺的吸收，加强体内SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，从而有效清除细胞内活性氧自由基，减轻盐胁迫所致的氧化损伤。

综上所述，棉花耐盐品系通过调节自身根系的生长、增强抗氧化酶系统及协调不同离子间的平衡，以减轻盐胁迫导致的离子毒害和氧化损伤；地上部维持相对较高的K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量，减小Na⁺毒害作用，使叶片保持较高的光合作用，从而减小盐胁迫对棉花幼苗生长的影响。