3種灌木對混合鹽脅迫的生理和光合響應(yīng)

范文才，杜麗娟，施　欽，郭金博，殷云龍，華建峰

（1. 江蘇省中國科學(xué)院植物研究所，江蘇 南京 210014；2. 上海上實現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，上海 200040）

江蘇省海岸線長954 km，未圍墾灘涂地總面積5 001. 67 km2，占全國的28%，土壤以沙壤為主，鹽分含量高，土地鹽漬化現(xiàn)象較為嚴重[1]。而由于近年的圍墾開發(fā)，濱海地區(qū)鹽漬化及次生鹽漬化面積更是急劇擴大[2]，已然成為影響生態(tài)環(huán)境的嚴重問題，同時也是制約濱海地區(qū)植物生長的主要環(huán)境因素。鹽生及耐鹽植物的篩選和利用對于濱海鹽堿地的生態(tài)修復(fù)具有重要意義[3]，已經(jīng)成為改善濱海地區(qū)土地鹽漬化的重要途徑[4]。

近年來，關(guān)于綠化植物耐鹽性方面的研究表明，灌木由于其抗逆性強和根系較淺的特點，是濱海鹽堿地快速綠化的理想植物材料[5]。王娟等[6]選擇了6種常用綠化灌木，通過快相葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)觀測其葉片光系統(tǒng)Ⅱ（PSⅡ）對NaCl脅迫的快速響應(yīng)特性，篩選出金銀忍冬Loniceramaackii、茶條槭Acer ginnala和白丁香Syringa oblate3個耐鹽灌木樹種。劉昊華等[7]通過對3種濱海造林灌木樹種受NaCl脅迫后葉綠素和脯氨酸等生理指標的觀察分析，用隸屬函數(shù)法評價3個供試樹種耐鹽性，由強到弱排序為：檉柳Tamarix chinensis、耐旱桑Morus alba‘Naihan’、果桑Morus alba‘Guo’。華建峰等[8]對江蘇省沿海地區(qū)24種灌木與喬木進行耐鹽性評價，發(fā)現(xiàn)灌木耐鹽性普遍強于喬木，其中，海桐Pittosporum tobira、海濱木槿Hibiscus hamabo和匍地柏Sabina procumbens具有極強的耐鹽性。此外，對檉柳和白刺Nitraria tangutorum等灌木耐鹽機理的研究表明，鹽脅迫下凈光合速率、蒸騰速率等光合作用參數(shù)的變化和離子區(qū)域分布的調(diào)控能力是影響其耐鹽性的重要因素，供試樹種的凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度降低以響應(yīng)鹽脅迫，并通過莖髓部細胞內(nèi)的液泡對Na+和Cl+產(chǎn)生區(qū)隔作用從而調(diào)控離子的區(qū)域分布以減輕鹽脅迫對細胞造成的損害[9-10]。然而，目前單鹽（NaCl）脅迫是對植物耐鹽性生理研究的常規(guī)方法[11-13]，而濱海鹽漬土中的鹽分多以混合鹽的形式存在[14]，單鹽脅迫無法反映土壤中鹽分組成的實際情況，并會對植物耐鹽性實驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

基于江蘇省濱海地區(qū)的環(huán)境特點，本實驗配置了混合鹽溶液，選取法青、海桐和海濱木槿3種常見灌木樹種作為實驗對象，研究其Na+、K+的含量及分配以及凈光合速率、蒸騰速率等光合指標的響應(yīng)，初步探明其耐鹽機理，以期為江蘇濱海鹽堿地耐鹽灌木材料的引種及選育提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

實驗材料為兩年生法青、海桐和海濱木槿，苗木由江蘇宿遷綠楊園藝公司提供。2011年3月中旬將種苗移栽至塑料花盆中（盆高40 cm，上、下直徑分別為30 cm和25 cm）,每盆1株，盆底置塑料盤。栽培基質(zhì)為黃土、泥炭土和珍珠巖（體積比為5∶2∶1），每盆裝基質(zhì)5.5 kg。苗木在室外培養(yǎng)2個月后，于實驗開始兩周前移入溫室內(nèi)緩苗。

1.2　試驗設(shè)計

實驗于2011年6月中旬在江蘇省中國科學(xué)院植物研究所（35°50′ N，118°49′ E）溫室內(nèi)進行。混合鹽溶液的配比模擬江蘇省南通市如東縣濱海地區(qū)鹽漬土的離子組成及含量，設(shè)置3.0、5.0、8.0 g·kg-13 個鹽濃度水平為處理組及 0 g·kg-1為CK組，混合鹽溶液的鹽分組成及含量見表1。處理組逐次加入復(fù)合鹽溶液，3.0 g·kg-1加鹽一次，5.0 g·kg-1處理組分兩次加入，8.0 g·kg-1分 3 次，前后加鹽每次間隔2 d，使其鹽質(zhì)量分數(shù)分別達到相應(yīng)水平。實驗期間定期澆水，澆水后將塑料盤中的滲出溶液重新倒入盆中，以保持各處理鹽分含量，避免水分及鹽分的流失。CK組及處理組的每種鹽濃度水平均分別設(shè)置7個重復(fù)，隨機排列。鹽脅迫周期為45 d。各處理鹽分組成見表1。

表 1　各處理的鹽分組成Table 1　Salt composition of the treatments

1.3　測定指標及方法

1.3.1葉綠素（Chl）含量的測定

實驗結(jié)束后，取CK組及各處理組功能葉片，擦凈后用95%乙醇避光浸提樣品24 h。取適量提取液分別在波長665 nm、649 nm 和470 nm 下測定吸光度，以95%乙醇作為空白對照。按照常規(guī)公式計算Chla和Chlb含量（mg/L），并計算總?cè)~綠素含量（Chl T）＝Chl a + Chl b[15]。

1.3.2Na+和K+含量的測定

取CK組及各處理組的根莖葉，烘干至恒質(zhì)量后粉碎，精確稱取0.75 g于50 mL規(guī)格的錐形瓶中，加入15 mL HNO3，搖勻后封口放置過夜。滴入10滴HClO4后蓋上曲頸漏斗，于消煮爐上消煮 100 min（200 ℃ 40 min，300 ℃ 60 min），冷卻后將消煮液定容至25 mL，樣品消煮同時進行空白試驗以校正方法及試劑上的誤差，取10 mL定容后的消煮液定容至50 mL，于火焰光度計上測定Na+、K+。并按相同程序制備Na+、K+標準曲線[16]。

Na+（或 K+）質(zhì)量分數(shù) (%)=X·V·ts·10-4/m。 （1）式（1）中，X為標準方程求得顯色液Na+（或K+）的質(zhì)量濃度（μg·mL-1），V為顯色液體積（mL）；ts為分取倍數(shù)；m為干樣質(zhì)量（g）。

1.3.3光合系統(tǒng)參數(shù)的測定

采用美國LI-COR公司所產(chǎn)的Li-6400便攜式光合測定儀，測定鹽脅迫下3種灌木葉片的光合系統(tǒng)參數(shù)。測定時間段為鹽脅迫處理的第43 d的9:00至11:00，使用光合測定儀內(nèi)置LED紅藍光源，由其內(nèi)置小鋼瓶提供恒定CO2（350～450 ul·L-1），濕度控制在60%～70%。每種苗木的每種處理均隨機選取4株，并隨機選取其中、上部分完全展開的健康葉片3到4片進行相關(guān)測定。給定光通量密度 600 μmol·m-2s-1，停留 2 ～ 3 min 左右讀數(shù)，每次測定時連續(xù)記錄6～8個穩(wěn)定數(shù)據(jù)。測定指標包括凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci），水分利用效率（WUE）為Pn和Tr的比值。

1.4　數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用OriginPro 9.1制圖，SPSS 19.0 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，采用新復(fù)極差法（Duncan）檢驗各數(shù)據(jù)組間的差異顯著性，P＜0.05時為差異顯著。

2　結(jié)果和分析

2.1　混合鹽脅迫對供試樹種Na+、K+含量的影響

2.1.1供試樹種Na+的含量及分配

隨著混合鹽脅迫濃度的增加，3個供試樹種根中的Na+含量逐漸增加，且與CK均存在顯著差異（P＜0.05）（如圖1）。鹽濃度為8.0 g·kg-1時，法青、海桐和海濱木槿分別比CK增加了240%、69.67%和239%。

圖1　不同濃度混合鹽脅迫對3種灌木根莖葉中Na+含量的影響Fig. 1　Effects of mixed salinity stress on the Na+content in roots, stems and leaves of three different shrubs

法青莖中Na+含量隨混合鹽濃度的增加而顯著升高（P＜0.05），且在混合鹽濃度為8.0 g·kg-1時含量最高，增加了690%。而海桐和海濱木槿莖中Na+含量在中、低鹽濃度（鹽含量＜5.0 g·kg-1）下與CK差異不顯著，鹽濃度為8.0 g·kg-1時莖中的Na+含量顯著高于CK（P＜0.05），分別增加了106%和48.79%。

混合鹽脅迫下法青葉片中的Na+含量在各個鹽濃度處理下均顯著高于CK（P＜0.05），與鹽濃度呈明顯的正相關(guān)。海桐和海濱木槿Na+含量在3.0 g·kg-1時與CK差異不顯著，5.0 g·kg-1及8.0 g·kg-1時顯著性高于CK（P＜0.05）。

總體來說，從不同營養(yǎng)器官來看，在未受到混合鹽脅迫條件下，3種供試樹種各器官中Na+的分布趨勢均為：莖、葉差異較小，根中含量較高；而在3.0 g·kg-1～8.0 g·kg-1混合鹽脅迫條件下，各樹種根中Na+含量上升速率均高于莖和葉，莖葉種間差異較大，Na+含量基本為根＞莖＞葉。

2.1.2供試樹種K+的含量及分配

與CK相比，混合鹽脅迫各處理下，法青、海桐和海濱木槿根中K+含量無顯著差異?；旌消}脅迫后3種灌木莖中K+含量隨混合鹽脅迫的增強呈先增大后降低的趨勢。其中，海桐和海濱木槿的K+含量均在混合鹽濃度為3.0 g·kg-1時達到最高，分別是CK的1.61倍和1.26倍（P＜0.05）。法青莖中K+含量則在鹽濃度為5.0 g·kg-1時達到最大，為CK的1.16倍。當(dāng)混合鹽濃度達8.0 g·kg-1時，法青莖中K+含量顯著低于CK（P＜0.05），海桐和海濱木槿K+含量略低于CK，但與CK差異不顯著（如圖2）。

圖2　不同質(zhì)量分數(shù)混合鹽脅迫對3種灌木根莖葉中K+含量的影響Fig.2　Effects of mixed salinity stress on the K+content in roots, stems and leaves of three different shrubs

混合鹽脅迫下，各樹種葉中K+含量變化差異較大。3種灌木的葉片K+含量則呈先增大后減小的變化趨勢。法青和海桐葉中K+含量在混合鹽濃度為3.0 g·kg-1時達到最大，但與CK差異不顯著，鹽濃度升高到5.0和8.0 g·kg-1時，葉中K+含量顯著低于CK（P＜0.05）。各個混合鹽處理下海濱木槿葉中K+含量均顯著高于CK（P＜0.05），但各個處理間差異不顯著。

總的來說，混合鹽脅迫使各供試樹種的K+含量下降，種間及各部位差異較大。在未受到鹽脅迫情況下，3種供試樹種各器官中K+的分布趨勢均為：葉＞根＞莖。試驗表明根系因最早與外界鹽離子接觸，因而其對K+的吸收作用在較低濃度下（3.0 g·kg-1）即被抑制，而莖、葉對K+的吸收隨混合鹽濃度的升高而降低。3種灌木地上部分在混合鹽脅迫下積累的K+均較高，證明灌木抗逆性較強，且海濱木槿地上部分積累的K+最多，推測是其耐鹽性較好的主要原因。

2.1.3混合鹽脅迫對供試樹種K+/Na+的影響

3個樹種根中的K+/Na+均與鹽脅迫濃度呈負相關(guān)，即隨混合鹽濃度的升高而下降。而各樹種莖中的K+/Na+變化情況有所差異，法青莖中的K+/Na+隨混合鹽濃度的提高而逐漸降低，而海桐和海濱木槿莖中K+/Na+在3.0 g·kg-1混合鹽脅迫下有所增大，分別在混合鹽濃度為5.0 g·kg-1和8.0 g·kg-1時降低至CK以下。3個供試樹種葉片中的K+/Na+均隨混合鹽脅迫濃度的增大而減小，與鹽脅迫濃度呈明顯的負相關(guān)。

總體來說，在未受到鹽脅迫下，各樹種體內(nèi)保持著較高的K+/Na+，尤其是莖、葉部分。從同一植物的不同營養(yǎng)器官來看，法青、海桐和海濱木槿的K+/Na+均為：葉＞莖＞根。3個樹種相比，在相同鹽脅迫條件下，海濱木槿、海桐的根、莖、葉均具有更高的K+/Na+比（見表2）。

表 2　混合鹽脅迫對各樹種根莖葉中K+/Na+的影響?Table 2　Effects of mixed salinity stress on the K+/Na+ratio in roots, stems and leaves of three different shrubs

2.2　混合鹽脅迫對供試樹種葉綠素含量的影響

3.0 g·kg-1和 5.0 g·kg-1混合鹽脅迫下，3 種灌木的葉綠素含量與CK相比變化不大。混合鹽濃度為8.0 g·kg-1時，法青的葉綠素含量顯著下降，降幅為CK的47.26%，海桐和海濱木槿葉綠素含量無明顯降幅（見圖3）。

圖3　混合鹽脅迫對3個灌木樹種葉片葉綠素含量的影響Fig. 3　Effect of mixed salinity stress on leaf chlorophyll content of three different shrubs

2.3　混合鹽脅迫對供試樹種葉片光合系統(tǒng)的影響

混合鹽脅迫使3種灌木的Pn下降，且各鹽脅迫處理下的Pn都顯著低于CK（P＜0.05）。3個樹種中法青的Pn變化最為劇烈?；旌消}脅迫濃度為3.0 g·kg-1時，法青的Pn降幅最大，為41.98%。海桐的Pn從5.0 g·kg-1混合鹽脅迫處理開始迅速下降，降幅為CK的51.77%。海濱木槿Pn變化最為平緩，在8.0 g·kg-1混合鹽處理下光合速率仍能保持在較高水平。

隨著混合鹽濃度的增大，3種灌木的Gs和Tr逐漸減小，趨勢較為一致，鹽脅迫濃度越高，Gs和Tr受抑制越嚴重。混合鹽脅迫濃度在3.0 g·kg-1時，法青的Gs和Tr變化比較劇烈，與CK相比，分別下降了71.17%和62.80%，而海桐的Gs和Tr分別下降了38.57%和41.19%，海濱木槿的Gs和Tr分別下降了53.82%和40.70%。5.0 g·kg-1濃度混合鹽脅迫下，3種灌木的Gs降幅都很劇烈，法青、海桐和海濱木槿的Gs分別下降了92.20%、81.46%和85.52%，Tr分別下降了88.88%、79.29%和70.72%。方差分析顯示，3種灌木的Gs和Tr在各種鹽處理下與CK存在顯著差異（P＜0.05），而在中、高鹽脅迫下（≥5.0 g·kg-1）Gs和Tr差異不顯著（見圖4）。

相較于上述光合參數(shù)，3種灌木在受到鹽脅迫后的Ci變化趨勢較為緩和。法青的Ci隨著鹽濃度的上升呈先下降后上升趨勢，鹽濃度為3.0 g·kg-1時Ci最低，降幅為CK的16.39%。海桐在鹽濃度為5.0 g·kg-1時，Ci出現(xiàn)較大降幅，為CK的21.42%。海濱木槿的Ci受鹽脅迫影響較小，5.0 g·kg-1鹽脅迫時，降幅最大，僅為CK的8.40%。3種灌木受鹽脅迫后均能維持較高的WUE。法青在鹽濃度升高后，WUE呈先上升后下降的趨勢，于鹽濃度為3.0 g·kg-1時，WUE達到最高，為CK的144.06%。海桐隨著鹽脅迫的加重，WUE呈上升趨勢，在鹽濃度達到5.0 g·kg-1時上升較為明顯，為CK的272.37%。海濱木槿在各鹽濃度下，WUE差異不明顯，較為穩(wěn)定。

圖4　不同質(zhì)量分數(shù)混合鹽脅迫對3種灌木光合特性的影響Fig. 4　Effects of mixed salinity stress on the photosynthetic characteristics of three different shrubs

3　討論與結(jié)論

鹽脅迫對植物的損害往往是通過離子毒害及滲透脅迫的方式產(chǎn)生作用[17]。正常生理狀態(tài)下，植物細胞內(nèi)各離子維持在穩(wěn)定水平。受鹽脅迫后，Na+含量上升，而過多的Na+會使代謝過程中的酶形成無活性蛋白從而對植物產(chǎn)生危害[18]。大多植物對Na+和K+的吸收具有拮抗作用，即Na+的上升一般伴隨著K+的下降，而K+是植物生長發(fā)育中必須的營養(yǎng)元素，同時對于植物具有重要生理作用，是保證植物維持正常代謝的關(guān)鍵離子，因而植物在受鹽脅迫后，能否維持較高水平的K+/Na+是判斷其耐鹽能力的重要標準[19]。楊升等[20]以K+/Na+作為重要生理指標之一科學(xué)合理的評價了衛(wèi)矛Euonymus alantus、 沙 棗Elaeagnus angustifolia和美國白蠟Fraxinus Americana3 個樹種的耐鹽能力。莫海波等[21]對4種豆科植物的研究發(fā)現(xiàn)，受鹽脅迫后，表現(xiàn)出較高K+/Na+、地上部分Na+含量較低的刺槐Robinia pseudoacacia具有更好的耐鹽性。法青、海桐和海濱木槿在受混合鹽脅迫后，Na+大量進入植物體內(nèi)，各樹種由于其根部具有較強的Na+的滯留能力，積累的Na+比莖、葉部分更多，使其地上部分Na+含量能夠維持在相對較低水平以適應(yīng)鹽脅迫。相同鹽脅迫條件下，海濱木槿和海桐的根、莖、葉相較于法青均具有更高的K+/Na+，推測3種灌木中，海濱木槿和海桐具有更好的耐鹽性，這與華建峰等[8]研究結(jié)果相一致。

葉綠素含量不僅可以直觀反映植物光合作用的能力，也是植物耐鹽性能力評價的一個重要生理指標[22-23]。混合鹽脅迫下，當(dāng)鹽濃度為3.0 g·kg-1時，3種灌木葉綠素含量變化不明顯，當(dāng)鹽濃度繼續(xù)增加后，海濱木槿葉綠素含量有上升趨勢并在鹽濃度達到8.0 g·kg-1后又輕微下降，海桐葉綠素含量整體呈下降趨勢但不明顯，法青葉綠素含量降幅較大?？傮w來看，海桐和海濱木槿在承受高濃度混合鹽脅迫時葉綠素含量相較于正常水平均無明顯變化，表明其對鹽脅迫有較強的適應(yīng)性，這與前人研究相一致[8,24]。王超宇等[25]發(fā)現(xiàn)在4.0和8.0 g/kg鹽脅迫下，3種耐鹽性較強的木本濱藜Atriplex gardneri，Atriplex tridentate，Atriplex canescens的葉綠素合成幾乎沒有受到影響。此外，葉綠素作為植物進行光合作用的主要色素，其含量高低與植物的凈光合速率有密切關(guān)系。劉振威等[26]通過對幾個品種南瓜葉片的葉綠素含量及凈光合速率進行比較，證明在環(huán)境條件一致的情況下，葉綠素含量與凈光合速率變化呈正相關(guān)。Pn是植物總光合速率與呼吸作用速率的差值，代表植物有機物累積速率[27]，可作為衡量植物光合系統(tǒng)工作情況的指標[28]。本實驗中，混合鹽脅迫抑制了3種灌木的Pn，并且隨著鹽濃度的升高，3種灌木的Pn所受影響也越為嚴重。Farqugar[29]等認為，伴隨著Gs和Ci降低的Pn降低一般由氣孔限制所導(dǎo)致。與CK相比，除3.0 g·kg-1鹽脅迫下海桐的Ci略高于CK但差異不明顯外，各濃度鹽脅迫下，3種灌木的Ci均有所下降，3種灌木的Gs在各鹽濃度脅迫下均顯著下降，表明氣孔限制是混合鹽脅迫下3種灌木Pn下降的原因之一，但其具體調(diào)控機理還有待深入研究。3種灌木的WUE在鹽濃度為3.0 g·kg-1時均有所上升，可能是由于氣孔收縮，Gs和Tr降低，從而減少了其水分的散失[30]。當(dāng)鹽濃度達到8.0 g·kg-1時，海桐的WUE持續(xù)上升，海濱木槿較為穩(wěn)定，表明海桐和海濱木槿在鹽脅迫下對水分具有較強的調(diào)節(jié)作用，而法青與低濃度鹽脅迫時相比，WUE有所下降，推測其耐鹽性相比海桐和海濱木槿較弱，在高濃度鹽脅迫時，耐鹽機制受到一定破壞。

綜上研究分析，法青、海桐及海濱木槿在受混合鹽脅迫后會有不同程度的生理響應(yīng)。通過對這3種灌木受鹽脅迫后葉綠素含量、K+/Na+及光合作用參數(shù)等重要指標的分析發(fā)現(xiàn)，法青在3.0 g·kg-1混合鹽脅迫時，具有一定的耐鹽性，而在鹽濃度更高的情況下，海桐和海濱木槿表現(xiàn)出對鹽脅迫更好的適應(yīng)性?？梢?，海桐及海濱木槿可在沿海綠化中發(fā)揮更重要的作用，應(yīng)用前景廣闊。但由于本實驗是在溫室內(nèi)展開，受土壤結(jié)構(gòu)、植物生長階段和氣候差異等因素影響，具有一定局限性，若考慮將海濱木槿和海桐作為沿海防護林樹種，還需進行田間實驗以開展進一步研究。