鹽脅迫對黑果枸杞光合生理指標的影響

李遠航，賀康寧，張 潭，張震中，尹寶絲，林 莎，王 莉

(北京林業(yè)大學水土保持學院，100083，北京)

柴達木盆地是我國土地鹽堿化最嚴重的地區(qū)之一，尤其以次生鹽漬化為主[1]。這不僅惡化土壤理化性質，影響植物生長發(fā)育，造成農作物經(jīng)濟林減產甚至絕收，而且損壞道路、水庫等基礎設施，阻礙生態(tài)環(huán)境的建設[2-4]；因此，次生鹽漬化治理迫在眉睫。黑果枸杞為茄科枸杞屬灌木，營養(yǎng)成分豐富，藥用價值高，適應性較強，是柴達木地區(qū)主要的經(jīng)濟樹種[5-7]。近些年來學者們主要對黑果枸杞的營養(yǎng)成分、微量元素、多糖和色素等方面進行了分析研究[8-9]，對于其生態(tài)效益，特別是抗逆性方面的研究較少。目前，在黑果枸杞的研究區(qū)域上，主要集中在寧夏等地，對柴達木地區(qū)的研究少之又少，特別是次生鹽漬化嚴重的地區(qū)；因此，從植物生理學上研究黑果枸杞的抗逆性，探討其耐鹽機理是當務之急，對于提高柴達木盆地的生態(tài)和經(jīng)濟效益至關重要[10-12]，并為未來實現(xiàn)黑果枸杞的最大生態(tài)經(jīng)濟利用價值的研究目標指明方向[13]。在此基礎上，本試驗對黑果枸杞進行不同程度的鹽分脅迫，研究鹽脅迫下黑果枸杞幼苗生長生理指標的變化，揭示鹽逆境條件下其生理變化的規(guī)律，為柴達木地區(qū)黑果枸杞的推廣栽培提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2017年7月在青海省海西州都蘭縣境內的諾木洪農場育苗大棚中進行。試驗材料為長勢良好且生長均勻的1年生黑果枸杞幼苗，將幼苗栽植在上口徑為36 cm，高為30 cm的塑料盆中，共計15盆。每個盆側面的底部經(jīng)過人工鉆孔，并墊有紗網(wǎng)防止土壤外漏，每盆放入過2 mm篩、質量為10±0.05 kg(干土質量，田間持水量為22.93%)的經(jīng)過淋洗和風干的當?shù)赝寥?pH質7.24，有機質質量分數(shù)41.8 g/kg)，在土壤中加入Hoagland營養(yǎng)液來維持植株的正常生長。

1.2 試驗方法

將15盆植株分為5組，1組為對照組(CK)，其余4組按鹽處理濃度50、100、200和400 mmol/L分別編號為T1、T2、T3和T4，作為鹽脅迫試驗，使用NaCl作為鹽脅迫處理材料。在試驗過程中為了防止因一次性加入過多鹽分導致植株死亡，每天添加50 mmol/L鹽溶液，直到達到預設濃度為止[14]。為保證鹽分在土壤中均勻分布，先將鹽溶于水，再用針管將鹽溶液均勻打入土壤。根據(jù)前期的試驗設計，確定適宜植株生長的土壤含水量為17.2%(田間持水量的75%)，每天試驗完成后，用天平稱質量，通過恒重法計算水分虧缺量，及時補水[15]。鹽脅迫處理10 d后取樣進行相關生長和生理指標的測定，每個指標做3個重復。

1.3 測定指標及方法

1) 生長指標。在脅迫開始前用米尺(精度0.01 m)測定枸杞幼苗頂端到地面的高度，讀數(shù)3次，取平均值，全部指標測定完成后再用此方法測量株高，兩者差值為株高增量[16]。

2) 光合生理指標。在脅迫處理完成10 d后，每盆選用3個葉片，做好標記，用Licor-6400便攜式光合儀測定凈光合速率(Pn)、胞間二氧化碳(Ci)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。測定時間為08：00、10：00、12：00、14：00、16：00 和18：00。

使用英國Hanshatech公司的handy PEA便攜式葉綠素熒光儀測定初始熒光(Fo)和最大熒光產量(Fm)。測定前先用葉夾進行遮光處理使葉片暗適應20 min后打開測量光，測量Fo，再打開飽和脈沖光測Fm，可變熒光產量Fv=Fm-Fo，依此獲得最大光化學效率(Fv/Fm)。

指標測定完畢后，摘取標記葉片，采用丙酮提取法，通過分光光度計測定吸光值[17]，從而計算得到葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、類胡蘿卜素(Car)含量和葉綠素總含量(Chl)。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用Origin2015進行繪圖，SPSS19.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，Duncan檢驗法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對黑枸杞幼苗株高的影響

如圖1所示，黑枸杞幼苗植株隨著鹽濃度的增加，株高增長量呈先增高再逐漸降低的趨勢。在50 mmol/L的鹽濃度處理下，株高增長量比CK高出1.93%，表現(xiàn)為一定的促進作用，變化不顯著；在100～400 mmol/L的鹽濃度下，株高增量較CK分別下降16.87%、24.19%、65.96%，表明高鹽脅迫程度對黑果枸杞幼苗的株高增量有顯著抑制作用(P<0.05)。

不同字母表示處理濃度間在0.05水平上存在顯著差異，下同。 Different normal letters represent significant difference among different salt concentration at 0.05 level, the same as below.圖1 鹽脅迫下的黑枸杞株高變化Fig.1 Changes in the height increment of Lycium ruthenicum under salt stress

2.2 鹽脅迫對黑枸杞幼苗光合特性的影響

2.2.1 光合色素質量分數(shù) 從表1可知，隨鹽濃度的增高，葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量均呈先增加后降低的趨勢。當鹽濃度為50 mmol/L時，3種色素含量均較對照組有所增加，結果不顯著。當鹽濃度為100、200和400 mmol/L時，3種色素含量較對照組顯著下降，表明此鹽濃度范圍對葉綠素含量有顯著的抑制作用。分析不同濃度下各指標含量與CK對比的變化率，可以發(fā)現(xiàn)，受鹽脅迫影響，葉綠素b與類胡蘿卜素含量的下降幅度均大于葉綠素a；在T4實驗組中，植株受鹽脅迫程度最大，3種色素均顯著低于其他試驗組(P<0.05)。

表1 鹽脅迫下黑枸杞幼苗光合色素含量變化

注：負號代表下降，正號代表升高。Notes: The - sign represents the rate of decline，and the + sign represents the rate of increase.

2.2.2 葉綠素熒光參數(shù) 本試驗通過測量Fo、Fm、和Fv/Fm來探究黑果枸杞的耐鹽機理。如圖2A所示：隨鹽濃度增加，F(xiàn)o逐漸增高，0～200 mmol/L時各處理間變化不顯著，400 mmol/L時，F(xiàn)o顯著升高；Fm隨鹽脅迫程度增大而降低，400 mmol/L時Fm顯著降低，其他處理變化不顯著。圖2B顯示：Fv/Fm呈現(xiàn)隨鹽濃度增高而降低的趨勢，50 mmol/L時，F(xiàn)v/Fm增大，結果不顯著；100～400 mmol/L時Fv/Fm均降低，只有400 mmol/L時達到顯著差異水平，其他處理不顯著(P>0.05)。

圖2 鹽脅迫下的黑枸杞幼苗的葉綠素熒光產量變化Fig.2 Variations in chlorophyll fluorescence yield of Lycium ruthenicum seedling under salt stress

2.2.3 光合生理參數(shù)

1) 凈光合速率Pn的日過程。圖3A顯示了黑果枸杞植株凈光合速率的日變化，Pn呈隨鹽濃度增高先增后降的趨勢。低鹽濃度(50 mmol/L)的Pn較CK增高，經(jīng)檢驗后結果不顯著。高鹽濃度(100～400 mmol/L)下，Pn受到不同程度的抑制作用，此時差異顯著(P<0.05)。在不同時間段，受氣象因子(水汽壓差、溫度、光照和濕度等)影響，Pn也不同，從08：00開始，各組的Pn開始上升，12：00時CK、T1和T2組的Pn達到最高，隨著光強和溫度的繼續(xù)增強，植株發(fā)生光合午休現(xiàn)象，Pn逐漸下降，直到14：00時開始出現(xiàn)逐漸上升的趨勢，第2個峰值出現(xiàn)在16：00，之后開始下降。從圖中可以看出，在不同程度的鹽脅迫下Pn基本都表現(xiàn)為雙峰曲線。T3和T4組植株受鹽脅迫影響較大，光合組織遭受一定損傷，導致植株提前達到光合午休，在10：00時達到峰值。在其他時間段內，各組的大體趨勢較為相似，均是第1個峰值大于第2個峰值。

最大凈光合速率表示植株的光合能力大小。隨鹽脅迫程度增加，最大光合速率呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢。其值分別為25.71、26.59、15.24、7.04、3.48 μmol/(m2·s)，T4條件下最大凈光合速率較CK降低了86.92%，在50 mmol/L濃度下影響不顯著，其他濃度下均起到顯著的抑制效果。

2) 蒸騰速率Tr的日過程。觀察圖3B：Tr的日過程趨勢類似于Pn，同為雙峰曲線。CK、T1和T2組在12：00達到第1次峰值，在16：00出現(xiàn)第2個峰值。T3和T4受到鹽脅迫傷害較大，10：00時第1次到達峰值，之后Tr值逐漸下降，在16：00達到第2次峰值。在鹽濃度為50 mmol/L時，植株蒸騰速率有升高趨勢，但結果不顯著；當鹽濃度超過50 mmol/L時，蒸騰速率顯著下降。

3) 氣孔導度Gs的日過程。氣孔是葉片與外界進行氣體交換的主要通道，在逆境條件下，氣孔的調節(jié)可以最大限度降低水分蒸騰損失。通過分析圖3C，可以發(fā)現(xiàn)：Gs的趨勢大致相似于Pn和Tr，CK、T1和T2分別在12：00和16：00達到峰值；T3和T4受氣象因子影響，在12：00時發(fā)生光合午休現(xiàn)象，多數(shù)氣孔關閉，減少組織水的損失，分別在10：00與16：00達到峰值。

4) 胞間CO2濃度Ci的日過程。在光合生理研究領域中，Ci是判定影響光合作用的因素為氣孔限制還是非氣孔限制的重要參數(shù)，因此測定與分析Ci的變化成為研究光合作用的重要部分。如圖3D，0～200 mmol/L時，Ci逐漸降低，在200 mmol/L時Ci開始增高。T4組的Ci最大值在18：00出現(xiàn)，其他均出現(xiàn)在08：00。

圖3 鹽脅迫下的黑枸杞幼苗的光合參數(shù)變化趨勢Fig.3 Variations in photosynthetic parameters of Lycium ruthenicum seedling under salt stress

3 討論

1)鹽脅迫下的植株生長狀況可以直觀反映其耐鹽性的強弱，本研究中，低鹽脅迫(0～50 mmol/L)下對植株的株高增量有促進作用，其影響不顯著，李永潔等[18]、王龍強等[19]對黑果枸杞耐鹽性研究中均證明了此觀點?？赡苁堑蜐舛塞}溶液在一定程度上加快了植物生長階段的葉面積指數(shù)，從而增強了光能截獲能力，利于植株的生長；隨著脅迫程度加大，各生長指標逐漸減低，這與慕德宇[20]對白榆的耐鹽機理研究的結論相一致，由于鹽脅迫的增高，植株營養(yǎng)組織器官不能正常維持原有活動，還需要消耗更多的能量、有機物質和水分，光合速率變慢，加速植株衰老和代謝，抑制植株生長[21]。

2)光合色素含量的變化可以衡量植物的光合能力，同樣會影響植株的光合作用。研究發(fā)現(xiàn)當鹽濃度超過100 mmol/L時，葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素均顯著低于對照組。低鹽濃度(0～50 mmol/L)時，葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量均高于對照組。武小靖等[22]認為3種色素含量增高的原因可能是Na+的吸收一定程度增高了葉綠素酶的活性，從而促進葉綠素的形成；隨著鹽濃度的增加，葉綠素的降解加劇，光能吸收效率下降，穆永光[23]對紫穂槐的研究中提出鹽脅迫增大會造成葉綠體中的基粒片層和類囊體結構發(fā)生一定程度的損傷，最終導致葉綠素成分損失。分析葉綠素含量的變化率可以發(fā)現(xiàn)，各處理組的葉綠素b和類胡蘿卜素含量下降幅度均大于葉綠素a，可能是由于葉綠素酶對葉綠素b和類胡蘿卜素的降解能力較強，對葉綠素a的影響較小[24]。

3)朱峰等[25]研究表明健康植株的Fv/Fm基本保持在0.8～0.83之間，當Fv/Fm低于0.8時，說明鹽分抑制了光合作用的電子傳遞和CO2同化，導致光合速率降低。本試驗的結論表明：在不同程度的鹽脅迫下，黑果枸杞的Fv/Fm出現(xiàn)波動，當脅迫程度增大時，F(xiàn)v/Fm會顯著下降，于文穎等[26]對玉米鹽脅迫下葉綠素熒光特性變化研究時，同樣發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律，可能由于鹽脅迫降低了電子轉換率，使?jié)撛诨钚允軗p，抑制了植株光合作用的原初反應，導致植株光化學效率降低。

4)鹽脅迫同樣會影響黑果枸杞幼苗的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度和氣孔導度。本研究發(fā)現(xiàn)當鹽濃度為0～100 mmol/L時，氣孔限制是Ci值降低的主要因素；當鹽濃度增高時，氣孔調節(jié)能力下降，導致CO2在細胞間積累，Ci值顯示出增大的現(xiàn)象，此時非氣孔限制成為主要因素。可能由于鹽脅迫會導致葉片中Na+和Cl-含量升高，從而降低葉片中K+含量，引起葉片失水，在植株響應機制的調節(jié)下，氣孔關閉，降低Tr從而避免過多水分散失，導致Pn的下降；吳順等[27]認為當鹽濃度較高時，鹽分刺激植株根系產生ABA等抑制物，從而降低了Gs；鄭國琦等[28]提出隨鹽脅迫程度的增高，非氣孔限制會代替氣孔限制成為植株光合速率的主要因素，植株通過呼吸作用產生的CO2在細胞間積累而導致Ci的升高，本試驗所得出的結論也與之一致。

4 結論

當鹽濃度為50 mmol/L時，黑果枸杞幼苗植株的生長量、Pn、Tr、Gs和葉綠素含量均不同程度地增高，其變化不明顯；高鹽濃度(100～400 mmol/L)時，結果相反，表現(xiàn)出明顯的抑制作用；400 mmol/L的鹽濃度下，植株的Fv/Fm、Fm顯著降低，F(xiàn)o顯著增高，其他處理組結果無明顯變化；當鹽濃度為0～100 mmol/L時，Ci逐漸降低，光合作用主要受氣孔限制影響；當鹽濃度為200 mmol/L時，Ci開始增加，此時非氣孔限制為影響光合作用的主要作用。綜上，黑果枸杞植株在低鹽脅迫下(0～50 mmol/L)生長和生理指標變化不明顯，主要受氣孔限制的影響，具有一定的耐鹽性；高鹽脅迫(100～400 mmol/L)會導致植株的葉綠素含量下降、光化學效率降低，非氣孔限制成為影響光合作用的主要因素。