垂絲海棠應(yīng)對(duì)鹽堿復(fù)合脅迫的生理響應(yīng)

賈旭梅,朱燕芳,王 海,吳玉霞,趙 通,程 麗,朱祖雷,王延秀

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 蘭州 730070

蘋果(MalusdomesticaBorkh.)是世界性果品,也是我國(guó)重點(diǎn)果產(chǎn)區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)[1]。西北黃土高原是我國(guó)最大的蘋果優(yōu)生區(qū),但該區(qū)域70%以上的土壤為含NaCl與NaHCO3的高pH鹽堿土壤,嚴(yán)重制約了其蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。生產(chǎn)中常選用耐鹽堿的優(yōu)良砧木以緩和鹽堿復(fù)合脅迫,因此研究耐鹽堿砧木資源對(duì)鹽堿地蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

鹽堿逆境對(duì)植物光合生理的影響已成為近年國(guó)內(nèi)外專家研究的熱點(diǎn)。許多研究表明,混合鹽堿復(fù)合脅迫不是鹽、堿兩種脅迫的簡(jiǎn)單疊加,而具有一定的協(xié)同效應(yīng),植株不僅遭受鹽脅迫產(chǎn)生的滲透?jìng)碗x子毒害,還受堿脅迫引起的高pH影響[3]。Yang等[4]研究證實(shí)鹽堿復(fù)合脅迫下,凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、葉綠素含量等光合參數(shù)隨脅迫強(qiáng)度的增大而顯著下降。孫璐等[5]指出,鹽脅迫破壞了光系統(tǒng)II反應(yīng)中心,使PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率受到抑制,導(dǎo)致光能過(guò)剩,需要通過(guò)啟動(dòng)熱耗散機(jī)制保護(hù)光合系統(tǒng)。此外,脯氨酸、可溶性糖、有機(jī)酸等是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)劑,李子英等[6]認(rèn)為,鹽柳幼苗通過(guò)大量積累脯氨酸和可溶性糖,加強(qiáng)滲透調(diào)節(jié),緩解鹽害。目前,關(guān)于植物耐鹽性研究多集中于禾本科植物(玉米、小麥、燕麥),蘋果屬植物多以單一中性鹽或堿性鹽研究為主,鹽堿復(fù)合脅迫的研究較少。

垂絲海棠(MalushallianaKoehen)又名倒掛珍珠,原產(chǎn)于甘肅河西走廊干旱、鹽堿生境,具有較強(qiáng)的抗性。但其作為蘋果砧木資源,在國(guó)外未見報(bào)道,國(guó)內(nèi)僅見幾篇零星生產(chǎn)應(yīng)用的研究。本試驗(yàn)以2年生垂絲海棠為研究材料,模擬甘肅黃土高原地區(qū)pH 8.0—8.2的鹽堿土,通過(guò)盆栽澆灌Hogland營(yíng)養(yǎng)液的方法,研究混合鹽堿復(fù)合脅迫下垂絲海棠葉片光合色素、光合參數(shù)、熒光參數(shù)以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化,采用相關(guān)性和主成分分析綜合評(píng)價(jià)垂絲海棠的耐鹽性,旨在篩選脅迫的臨界濃度,明確響應(yīng)鹽堿復(fù)合脅迫的生理機(jī)制,為垂絲海棠作為鹽堿地優(yōu)良砧木提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2016年3月將垂絲海棠(MalushallianaKoehne)發(fā)芽的種子播種在甘肅靖遠(yuǎn),2017年3月移栽于重量為0.65 kg的花盆(內(nèi)徑25 cm,深38 cm)中,含3.5 kg基質(zhì)(蛭石、珍珠巖和泥炭體積比為1∶1∶3),每盆1株,株高80—100 cm。并置于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院避雨棚中進(jìn)行統(tǒng)一管理,定期除草,澆水。

1.2 鹽堿復(fù)合處理

于2017年5月20日,選取株高相似、葉片數(shù)相近的垂絲海棠50株進(jìn)行脅迫處理。試驗(yàn)設(shè)計(jì)5種處理。分別為0 mmol/L(CK)(pH 6.8)、50 mmol/L(pH 8.2)、100 mmol/L(pH 8.2)、150 mmol/L(pH 8.2)、200 mmol/L(pH 8.2),每處理10株。CK組澆營(yíng)養(yǎng)液,處理組澆營(yíng)養(yǎng)液+混合鹽堿(以中性鹽NaCl和酸式鹽NaHCO3按摩爾比1∶1混合)。為避免鹽激反應(yīng),處理濃度按50 mmol/L每天遞增,待全部處理達(dá)到設(shè)定濃度后,開始計(jì)算脅迫時(shí)間。每隔3 d,17:00—18:00定期澆灌500 mL Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。于脅迫0、20、40 d時(shí)選取位于植株中上部的功能葉進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定,并在40 d,拍攝照片。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1光合特性指標(biāo)測(cè)定

選取位于第5—6節(jié)位(從頂部向下數(shù))功能葉,利用Li- 6400光合儀(LI-COR公司,美國(guó))于晴天9:00—11:00測(cè)定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)及胞間CO2濃度(Ci),重復(fù)5次。按公式計(jì)算：水分利用效率(WUE)=Pn/Tr。

同上,采用IMAGING-PAM葉綠素?zé)晒鈨x和Imaging WinGegE軟件(Walz,Effeltrich,德國(guó))測(cè)定初始熒光(F0),最大光化學(xué)效率(Fv/Fm),表觀光合電子傳遞速率(ETR)、PSII實(shí)際化學(xué)效率(ΦPSII),調(diào)節(jié)性能量耗散(Y(NPQ)),非調(diào)節(jié)性能量耗散(Y(NO)),光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)(qN)。

于光合熒光參數(shù)測(cè)定后,采集葉片并洗凈擦干其表面污物,并去掉葉脈。稱取0.2 g,剪碎置于玻璃試管中,加入10 mL 80%的丙酮進(jìn)行24 h避光提取,在波長(zhǎng)440、645 nm和663 nm下測(cè)定吸光度,根據(jù)公式計(jì)算：葉綠素a(Chl a)=12.21A663-2.81 A646、葉綠素b(Chl b)=0.13A646-5.03A663、類胡蘿卜素(Car)=(1000A470-3.27Ca-104 Cb)/229的含量。

1.3.2生理指標(biāo)測(cè)定

葉片從植株上用剪刀分離,稱取鮮重后放入牛皮紙袋,再放入烘箱 105℃殺青 1h,在 80℃下烘干至恒重后稱取干重,根據(jù)公式計(jì)算：葉片含水量 (WC) =(葉片鮮重-葉片干重)÷ 葉片鮮重 ×100%。電解質(zhì)外滲率采用相對(duì)電導(dǎo)率法[7]；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[8]、可溶性糖含量采用蒽酮顯色法[9]。

稱干樣0.1 g,加2 mol/L HNO3和70%乙醇研磨成勻漿,倒入離心管。浸泡15 min,攪拌。離心 10 min 3000 r/min,取上清液。為中和HNO3,加 300 μL 冰醋酸和1 mL 20%醋酸鉛,混勻,放置半個(gè)小時(shí),3000 r/min 離心 10 min。保留沉淀,用2.5 mL 70%乙醇沖洗倒入離心管攪拌洗滌沉淀,離心。向沉淀中加入10 mL 1%Na2CO3溶液,攪拌、離心,上清液倒于三角瓶中,并加入3 mL氨緩沖液、5 mL 0.1mol/L EDTA-Na2溶液,用0.01 mol/L MgSO4滴定至藍(lán)綠色變?yōu)榫萍t色為止。用0.01 mol/L MgSO4滴定5 mL 0.1mol/L EDTA-Na2溶液。根據(jù)公式計(jì)算：有機(jī)酸含量(mmol/g DW)=(a-b)×K/DW。式中K：MgSO4當(dāng)量濃度；DW：干樣重(g)；a：用0.01 mol/L MgSO4滴定5 mL 0.1 mol/L EDTA-Na2所用體積(m L)；b：用0.01 mol/L MgSO4滴定樣品溶液所用體積(mL)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素Duncan檢驗(yàn)方差分析、相關(guān)性分析及主成分分析,使用Origin 9.0軟件制圖,Imaging WinGegE軟件選取熒光圖片。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片光合色素含量的影響

葉綠素含量的高低在一定程度上反映了植物光合潛力的大小。如圖1所示,隨著鹽堿復(fù)合脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),垂絲海棠葉片的Chl a、Chl b、Chl T含量均呈降低趨勢(shì),而Car升高。其中,脅迫20 d時(shí),除200 mmol/L鹽濃度處理外,其他各濃度處理組的Chl a含量均與CK無(wú)顯著差異(P>0.05)；而Chl b和Chl T含量在各處理組下均顯著低于CK(P<0.05),且鹽濃度為150 mmol/L時(shí),葉片Chl b和Chl T含量均達(dá)到最大值。脅迫40 d后,Chl a、Chl b、Chl T含量均隨著鹽濃度的增加而降低,且與CK差異顯著(P<0.05),Chl T含量依次比CK降低了34.51%、46.47%、48.12%、53.06% (圖1)；而Car含量隨著鹽濃度的增加而增加,在濃度大于50 mmol/L時(shí),葉片Car含量顯著升高(P<0.05),且三者間無(wú)明顯差異(P>0.05)(圖1)。

圖1 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠幼苗光合色素含量的影響Fig.1 Effects of saline-alkali combined stress on photosynthetic pigment contents of M. halliana leaves 不同小寫字母表示在0.05水平上顯著差異

2.2 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片光合參數(shù)的影響

由表1可得,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),Pn、Gs、Ci、Tr、WC均降低,而WUE呈升高趨勢(shì)。其中,脅迫20 d時(shí),垂絲海棠葉片的Pn、Gs、Ci、Tr均隨著鹽濃度的增加而降低,且與CK差異顯著(P<0.05),并在鹽濃度為200 mmol/L時(shí)各指標(biāo)均降至最低值。脅迫40 d后,光合參數(shù)急劇降低,與CK相比,Pn依次降低了22.49%、45.10%、57.29%、62.75%；Gs依次降低了31.44%、59.64%、78.15%、84.95%。WC和WUE隨著鹽濃度的增加先升高后降低,且均在100 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值,與CK相比,WC相對(duì)CK僅降低了10.18%,WUE升高了26.39%,且與其他處理組差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表1 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片光合參數(shù)的影響

同一列的數(shù)據(jù),其后小寫字母不同,表示處理間在0.05水平差異顯著

2.3 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片熒光參數(shù)的影響

2.3.1對(duì)F0、Fv/Fm、ETR及ΦPSII的影響

如圖2所示,隨著鹽堿復(fù)合脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),垂絲海棠葉片的F0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII均呈降低趨勢(shì)。其中,脅迫20 d,F0和ETR在濃度為50 mmol/L時(shí)顯著降低,Fv/Fm在鹽濃度大于100 mmol/L時(shí)開始顯著降低,而ΦPSII在鹽濃度大于50 mmol/L時(shí)開始顯著降低。脅迫40 d后,F0隨著濃度的增加呈先降低后升高的趨勢(shì),在鹽濃度大于100 mmol/L時(shí)急劇升高,顯著大于CK(P<0.05),依次增加了20.44%、25.64%。Fv/Fm、ETR和ΦPSII均隨著濃度的增加而降低。與CK相比,各處理組的Fv/Fm依次降低了8.26%、7.78%、11.33%、22.54%,且在濃度50、100、150 mmol/L時(shí),Fv/Fm差異不顯著(P>0.05)(圖2)；ETR依次降低了19.74%、28.5%、33. 18%、40.65%(圖2)；ΦPSII依次降低了20.48%、26.77%、31.84%、32.74%(圖2)。

圖2 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片F(xiàn)0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII含量的影響Fig.2 Effects of saline-alkali combined stress on F0、Fv/Fm、ETR and ΦPSII of M. halliana leaves

2.3.2鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠Y(NPQ)、Y(NO)、qP及qN的影響

從圖3和圖4可以看出,隨著鹽堿復(fù)合脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),垂絲海棠葉片的Y(NPQ)、Y(NO)、qN總體均呈升高趨勢(shì),而qP呈降低趨勢(shì)。其中,脅迫20 d時(shí),Y(NPQ) 和Y(NO) 隨著鹽濃度的增加而升高,2個(gè)參數(shù)分別在鹽濃度大于50、100 mmol/L時(shí)開始顯著升高。qN在鹽濃度為50 mmol/L時(shí)顯著低于CK(P<0.05),而濃度大于100 mmol/L時(shí)開始顯著升高(圖3-H)。脅迫40 d后,Y(NPQ)和qN隨著鹽濃度的增加先升高后降低,在濃度100 mmol/L時(shí),均達(dá)到最大值,相對(duì)CK分別增加了63.52%、25.77%(圖3)。Y(NO)隨著鹽濃度的增加而升高,且均顯著高于CK(P<0.05),并在濃度大于100 mmol/L時(shí)急劇升高(圖3)。而qP呈降低趨勢(shì),依次比CK降低了10.85%、17.57%、25.19%、40.25%(圖3)。

圖3 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片Y(NO)、Y(NPQ)、qP及qN含量的影響Fig.3 Effects of saline-alkali combined stress on Y(NO)、Y(NPQ)、qP and qN of M. halliana leaves

2.4 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片電解質(zhì)滲透率及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

葉片電解質(zhì)滲透率的高低直接反映了細(xì)胞膜穩(wěn)定性的大小。從圖5可以看出,隨著鹽堿復(fù)合脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)及濃度的增加,垂絲海棠葉片各處理組的電解質(zhì)滲透率均呈升高趨勢(shì)。其中,脅迫20 d,電解質(zhì)滲透率在鹽濃度大于50 mmol/L時(shí)顯著升高(P<0.05)。脅迫40 d 后,與CK相比,各處理組電解質(zhì)滲透率顯著升高,且在鹽濃度大于100 mmol/L時(shí)急劇升高,依次比CK升高了68.21%、70.93%。同時(shí),鹽堿復(fù)合脅迫下垂絲海棠葉片表現(xiàn)出明顯的鹽害,150 mmol/L時(shí),大量葉片變黃,部分葉片開始萎蔫；200 mmol/L時(shí),葉片全部變黃萎蔫(圖6)。

由圖5可知,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),垂絲海棠葉片的脯氨酸、可溶性糖、有機(jī)酸含量呈升高趨勢(shì)。其中,脅迫20 d時(shí),隨著鹽濃度的增加,葉片脯氨酸、可溶性糖、有機(jī)酸含量有不同程度的積累。脯氨酸含量在濃度大于100 mmol/L時(shí)開始顯著積累,可溶性糖、有機(jī)酸含量均在鹽濃度為50 mmol/L時(shí)顯著積累(P<0.05)；脅迫40 d后,葉片脯氨酸、可溶性糖、有機(jī)酸含量隨濃度的增加呈先升高后降低趨勢(shì),脯氨酸、有機(jī)酸含量均在鹽濃度150 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值,相對(duì)CK分別增加了41.50%、27.91%,可溶性糖含量在鹽濃度100 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值,相對(duì)CK增加了35.35%。

2.5 垂絲海棠耐鹽堿能力評(píng)價(jià)

2.5.1相關(guān)性分析

將垂絲海棠混合鹽堿脅迫后的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,得到相關(guān)系數(shù)矩陣。從表2和表3可以看出,植株的Pn與Gs、Ci、ETR、ΦPSII呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與Tr、WC、qP、Chl a呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與電解質(zhì)滲透率、脯氨酸、Y(NO)呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

圖4 鹽堿復(fù)合脅迫下垂絲海棠葉片Y(NO)、Y(NPQ)、qN及qP的變化Fig.4 Changes of saline-alkali combined stress on Y(NO)、Y(NPQ)、qN and qP of M. halliana leaves

2.5.2主成分分析

對(duì)垂絲海棠鹽堿復(fù)合脅迫下的21個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,提取特征值>1的3個(gè)主成分,其特征值分別為13.648、4.758、1.050,累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到97.281%,符合分析要求。表4顯示,第一主成分(PC1)綜合了Pn、Gs、Ci、Tr、WC、電解質(zhì)滲透率、脯氨酸、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car等指標(biāo)的信息,第二主成分(PC2)綜合了WUE、可溶性糖、Y(NPQ)、qN指標(biāo)的信息。綜合得分(F)是每個(gè)主成分得分與對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)率乘積之和,即F=F1×68.241%+F2×23.790%+F3×5.250%。由表5可知,垂絲海棠在不同鹽濃度處理下的綜合得分分別為0.603、0.536、0.428、-0.647、-0.921。

3 討論與結(jié)論

3.1 垂絲海棠響應(yīng)鹽堿復(fù)合脅迫的光合特性

葉綠素是主要的光合色素,對(duì)光能的吸收、傳遞及轉(zhuǎn)化起著重要的作用[4]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)及鹽濃度的增大,Chl T含量呈降低趨勢(shì),說(shuō)明鹽堿復(fù)合脅迫抑制了Chl T的合成。這可能是根系中高pH破壞了離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),影響了葉片對(duì)Mg2+的吸收,使葉綠素的合成受阻,從而打破葉綠素合成與降解的動(dòng)態(tài)平衡[10]。Stepien等[11]對(duì)黃瓜的研究發(fā)現(xiàn),一定低濃度的鹽堿復(fù)合脅迫能促進(jìn)葉綠素的合成,而高濃度的鹽堿復(fù)合脅迫使葉綠素的合成受阻?？梢?鹽堿復(fù)合脅迫下葉綠素含量的變化因植物不同而異。此外,Chl b含量在脅迫20 d時(shí)顯著降低,而Chl a在脅迫40 d時(shí)顯著降低,說(shuō)明不同色素對(duì)鹽堿復(fù)合脅迫的敏感性存在差異,Chl b對(duì)脅迫的反應(yīng)更為敏感。前人的研究表明,葉綠素酶催化Chl b的降解,對(duì)Chl a的影響較小[12],這也可能是中期脅迫(20 d),Chl b 含量顯著降低的原因。而長(zhǎng)期脅迫(40 d)下,Chl a、Chl b含量均顯著下降,這說(shuō)明葉綠體的結(jié)構(gòu)可能受到了破壞。Jia等[13]研究認(rèn)為,葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ),且其含量的高低能反映植物光合作用的強(qiáng)弱,本試驗(yàn)相關(guān)性分析表明,Pn與Chl T呈顯著正相關(guān),說(shuō)明垂絲海棠葉綠素含量的降低是光合作用受到抑制的主要原因。曹剛等[14]研究證實(shí),類胡蘿卜素是葉綠體光合天線的輔助色素,能以非輻射的方式耗散光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的過(guò)剩能量以保護(hù)葉綠素免受破壞。本研究中,鹽堿復(fù)合脅迫促進(jìn)了Car的合成,而相關(guān)性分析表明,Car與Pn無(wú)顯著相關(guān)性,說(shuō)明垂絲海棠葉片Car的升高可能與過(guò)剩光能的熱耗散保護(hù)機(jī)制有關(guān)。

圖5 鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片電導(dǎo)率及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Fig.5 Effects of saline-alkali combined stress on electrolyte leakage and osmolytes of M. halliana

圖6 混合鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)垂絲海棠葉片的影響Fig.6 Effects of saline-alkali combined stress on M. halliana leaves

PnGsCiTrWCWUE電解質(zhì)滲透率脯氨酸可溶性糖有機(jī)酸Pn1Gs1??1Ci0.992??0.989??1Tr0.951?0.949?0.954?1WC0.877?0.887?0.8090.7851WUE0.090.1030.026-0.2110.3391電解質(zhì)滲透率Electrolyte leakage-0.950?-0.956?-0.91?-0.832-0.956?-0.3641脯氨酸Proline -0.912?-0.91-0.937?-0.824-0.675-0.1610.8561可溶性糖Soluble sugar 0.2840.2960.214-0.0120.5260.977??-0.541-0.31有機(jī)酸Organic acids-0.445-0.445-0.498-0.569-0.1430.4420.2950.60.3941PnF0Fv/FmETRΦPSIIY(NPQ)Y(NO)qPqNChl TCarPn1F0-0.5301Fv/Fm0.854-0.6541ETR0.983??-0.4700.899?1ΦPSII0.965??-0.3780.8210.984??1Y(NPQ)0.241-0.949?0.4220.1780.0901Y(NO)-0.883?0.865-0.885?-0.848-0.784-0.6651qP0.938?-0.6790.973??0.946?0.8770.421-0.939?1qN0.482-0.959?0.7070.4710.3870.923?-0.8250.6711Chl T0.950?-0.3230.8260.982??0.996??0.03-0.7480.8700.3441Car-0.8260.552-0.586-0.721-0.664-0.3120.77-0.751-0.355-0.6331

*在0.05水平上顯著相關(guān); **在0.01水平上顯著相關(guān);Pn: 凈光合速率;Gs: 氣孔導(dǎo)度;Ci: 胞間CO2濃度;Tr: 蒸騰速率; WC: 葉片含水量; WUE: 水分利用效率;F0:初始熒光initial fluorescence;Fv/Fm:最大光化學(xué)效率maximal photochemical efficiency; ETR:表觀光合電子傳遞速率photosynthetic electron transport rate; ΦPSII:實(shí)際化學(xué)效率actual photochemical efficiency; Y(NPQ):調(diào)節(jié)性能量耗散regulatory energy dissipation; Y(NO):非調(diào)節(jié)性能量耗散non regulatory energy dissipation; qP:光化學(xué)猝滅系數(shù)photochemical quenching coefficient; qN:非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)non photochemical quenching coefficient; Chl T:總?cè)~綠素Total chlorophyll;Car: 類胡蘿卜素carotenoids

表3 主成分分析旋轉(zhuǎn)后的成分載荷矩陣

表4 垂絲海棠不同鹽堿復(fù)合處理的綜合得分及其排名

一般認(rèn)為,Pn降低主要受氣孔和非氣孔因素的影響[15]。大量的研究表明,限制光合作用的因素隨著鹽堿濃度的變化而動(dòng)態(tài)變化,氣孔導(dǎo)度是限制低鹽脅迫下Pn降低的主導(dǎo)因素,而非氣孔因素是影響高鹽脅迫下Pn降低的主導(dǎo)因素[16- 17]。鹽堿復(fù)合脅迫下,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)及鹽濃度的增大,垂絲海棠葉片Pn、Gs、Ci、Tr均呈降低趨勢(shì)。根據(jù)Farquhar和Sharkey[18]的觀點(diǎn)Ci、Gs同時(shí)降低表示Pn降低是由氣孔因素引起,這說(shuō)明氣孔導(dǎo)度可能是限制垂絲海棠葉片Pn降低的主要原因。本研究認(rèn)為,氣孔導(dǎo)度的變化可能是堿性鹽引起的高pH刺激垂絲海棠根系產(chǎn)生物理或化學(xué)信號(hào),從而影響了葉片氣孔導(dǎo)度和氣體交換,這與Liu和Shi[19]研究結(jié)果一致。而Yang等[4]人的研究證實(shí),Gs降低是鹽堿復(fù)合脅迫下植物對(duì)葉片WC降低的一種適應(yīng)性響應(yīng),Gs降低可以減少水分的散失,Tr降低有助于植物體維持水分平衡,減少鹽分的運(yùn)輸,降低鹽分對(duì)葉片的毒害作用[20]。相關(guān)性分析表明,Pn與Gs呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與Tr、WC呈顯著正相關(guān)(P<0.05),這表明Gs和Tr的降低是垂絲海棠適應(yīng)鹽堿復(fù)合脅迫的重要機(jī)制,且WC的降低也是影響垂絲海棠Pn降低的原因。此外,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),垂絲海棠葉片WC逐漸降低,而WUE逐漸升高,這表明植物可能通過(guò)降低WC,提高WUE來(lái)抵抗脅迫,WUE增加可能是植物響應(yīng)葉片含水量降低一種適應(yīng)性反應(yīng),對(duì)植物長(zhǎng)期存活在脅迫環(huán)境下有重要意義。這與前人的研究結(jié)果一致[21]。本研究中,隨著鹽濃度的增加,WC、WUE均在鹽濃度100 mmol/L時(shí),達(dá)到最大值,這與主成分研究結(jié)果不一致,說(shuō)明100 mmol/L鹽堿處理是垂絲海棠適應(yīng)脅迫的臨界點(diǎn),也說(shuō)明耐鹽堿能力不能憑單個(gè)指標(biāo)判斷,而應(yīng)對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.2 垂絲海棠響應(yīng)鹽堿復(fù)合脅迫葉綠素?zé)晒馓匦?/h3>

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可直接反映脅迫對(duì)光合作用的內(nèi)在影響,F0、Fv/Fm的變化可推斷反應(yīng)中心的變化情況和可能的光保護(hù)機(jī)制[22]。本試驗(yàn)表明,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)及鹽濃度的增大,垂絲海棠葉片的F0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII均逐漸降低,且顯著低于CK,說(shuō)明鹽堿復(fù)合脅迫破壞了光合系統(tǒng),減弱了光能利用率,抑制了光合電子傳遞活性。有研究表明,PSⅡ天線色素的熱耗散常導(dǎo)致F0降低,PSⅡ反應(yīng)中心的破壞或可逆失活則引起F0的增加,Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要指標(biāo),可作為反映PSⅡ活性中心光能轉(zhuǎn)換效率的參數(shù),Fv/Fm降低表明葉片的PSII反應(yīng)發(fā)生光抑制,導(dǎo)致光能的利用能力減弱[23- 24]。垂絲海棠在脅迫20 d,鹽濃度大于100 mmol/L時(shí),Fv/Fm、F0顯著降低,說(shuō)明此時(shí)發(fā)生了明顯的光抑制,但PSⅡ反應(yīng)中心未受損傷；而脅迫40 d后,鹽濃度大于100 mmol/L時(shí),F0顯著增加,說(shuō)明此時(shí)類囊體膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,PSⅡ反應(yīng)中心遭受破壞[25]。這可能是脅迫中期垂絲海棠通過(guò)增加熱耗散來(lái)保護(hù)PSⅡ反應(yīng)系統(tǒng),而脅迫后期,失去了自我保護(hù)能力,導(dǎo)致F0急劇增加,且100 mmol/L鹽堿處理可能是PSⅡ反應(yīng)中心通過(guò)熱耗散進(jìn)行自我保護(hù)的臨界點(diǎn)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),垂絲海棠葉片qP、ETR和ΦPSII均顯著降低,說(shuō)明鹽堿復(fù)合脅迫抑制PSII光合活力,使光合電子傳遞受阻,葉片光化學(xué)效率降低,從而影響了光合作用[26]。相關(guān)性分析表明,ETR、ΦPSII與Pn呈極顯著正相關(guān),qP與Pn呈顯著正相關(guān),說(shuō)明ETR、ΦPSII、qP與光合作用密切相關(guān),其活性的大小是判斷植物耐鹽堿能力的重要指標(biāo)。

植物遭受鹽堿復(fù)合脅迫后,光化學(xué)能量的轉(zhuǎn)化受到抑制,使PSII反應(yīng)中心天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞,需要通過(guò)啟動(dòng)保護(hù)性調(diào)節(jié)機(jī)制(熱耗散)耗散過(guò)剩的光能,避免光合器官受到損傷[27]。Y(NPQ)、qN等葉綠素?zé)晒鈪?shù)可反映植物耗散過(guò)剩光能為熱的能力,是一種自我保護(hù)機(jī)制,對(duì)光合機(jī)構(gòu)起一定的保護(hù)作用[26]。鹽堿復(fù)合脅迫下,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)及濃度的增大,垂絲海棠葉片的Y(NPQ)、Y(NO)、qN總體升高,而qP降低,說(shuō)明鹽堿抑制垂絲海棠葉片的光合能力,使其接受的光能過(guò)剩,需要通過(guò)熱耗散等調(diào)節(jié)方式來(lái)保護(hù)自身[28]。本研究發(fā)現(xiàn),脅迫40 d后,Y(NPQ)、qN在鹽濃度100 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值,之后隨鹽濃度增大,而急劇降低,顯著低于CK,說(shuō)明垂絲海棠在適宜的脅迫時(shí)間及鹽濃度下,啟動(dòng)熱耗散保護(hù)機(jī)制來(lái)抵御鹽堿的危害,超過(guò)一定的限度,迅速失去自我保護(hù)能力,開始受到損傷；且鹽濃度100 mmol/L是垂絲海棠葉片PSII開始失活或被破壞的臨界點(diǎn)[29],這與F0的變化一致。Y(NO)是植物光損傷的重要指標(biāo),其數(shù)值升高說(shuō)明植物光合器官受到了損傷。本試驗(yàn)中,垂絲海棠葉片在脅迫40 d后,鹽濃度大于100 mmol/L時(shí),數(shù)值迅速升高,這說(shuō)明鹽濃度100 mmol/L為光合系統(tǒng)受到破壞的轉(zhuǎn)折點(diǎn),這也證實(shí)了前面F0、Y(NPQ)、qN得出的結(jié)論。而相關(guān)性分析表明,垂絲海棠Pn與Y(NPQ)、qN無(wú)相關(guān)性。葉黃素循環(huán)也是耗散過(guò)剩光能的重要途徑,對(duì)燕麥[30]研究證實(shí),鹽脅迫下,PSⅡ電子傳遞活性下降,減少了NADPH和ATP的合成和需求,抑制H+的跨類囊體轉(zhuǎn)運(yùn),從而刺激了葉黃素循環(huán)保護(hù)機(jī)制。本研究中,ETR和ΦPSII顯著降低,Car含量升高,說(shuō)明鹽堿復(fù)合脅迫下,垂絲海棠葉片也啟動(dòng)了葉黃素循環(huán)能量耗散機(jī)制來(lái)保護(hù)光合系統(tǒng)。這與張會(huì)慧等[31]研究結(jié)果一致。

3.3 垂絲海棠響應(yīng)鹽堿復(fù)合脅迫滲透調(diào)節(jié)特性

細(xì)胞膜對(duì)于維持胞內(nèi)代謝環(huán)境的穩(wěn)定具有重要的意義。電解質(zhì)滲透率可以反應(yīng)植物細(xì)胞在逆境條件下透性變化和細(xì)胞膜受損傷的程度,電解質(zhì)滲透率含量越高,說(shuō)明植物受傷害的程度越大[32]。本研究表明,垂絲海棠葉片的電解質(zhì)滲透率隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)及鹽濃度的增大而急劇升高,說(shuō)明鹽堿復(fù)合脅迫破壞了垂絲海棠葉片的細(xì)胞膜,導(dǎo)致滲透物質(zhì)外流,從而引起電導(dǎo)率上升。Dinneny[33]認(rèn)為,鹽堿復(fù)合脅迫下離子吸收平衡受阻,使Na+濃度升高,對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生專性毒害作用,從而引起電解質(zhì)滲透率升高,而王佺珍等[34]研究證實(shí),電解質(zhì)滲透率升高是由于鹽堿復(fù)合脅迫下,細(xì)胞內(nèi)的滲透勢(shì)升高,使各種膜系統(tǒng)產(chǎn)生滲透脅迫,從而破壞了膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。有研究表明,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是植物正常進(jìn)行光合作用的保障。由此可見,鹽堿復(fù)合脅迫下,電解質(zhì)滲透率的大小是判斷垂絲海棠耐鹽堿能力的重要指標(biāo),這與相關(guān)性研究結(jié)果一致。

滲透調(diào)節(jié)作用是植物抵御逆境的重要生理機(jī)制,植物可通過(guò)合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(脯氨酸、可溶性糖、有機(jī)酸等)來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透平衡以增加自身的耐鹽堿性,從而緩解鹽堿復(fù)合脅迫對(duì)植物造成的傷害[35]。本研究中,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),垂絲海棠葉片的脯氨酸、可溶性糖、有機(jī)酸含量大體均呈升高趨勢(shì),說(shuō)明垂絲海棠可通過(guò)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)抵抗鹽堿復(fù)合脅迫,這與前人的研究結(jié)果一致。脅迫40 d后,可溶性糖、有機(jī)酸含量在高鹽濃度下急劇降低,說(shuō)明垂絲海棠的滲透物質(zhì)代謝系統(tǒng)受到破壞。這可能是脅迫后期由于堿性鹽引起的高pH嚴(yán)重影響了葉片生理代謝活動(dòng),使其相關(guān)酶的合成受阻,這與劉鐸等[36]研究結(jié)果相似。有研究表明,脯氨酸的積累是植物響應(yīng)鹽堿復(fù)合脅迫的一種信號(hào),也是自身出現(xiàn)的一種防御性行為,本試驗(yàn)中,垂絲海棠葉片的脯氨酸含量在低鹽濃度下沒有積累,而在高鹽濃度下大量積累,這與Yang等[37]研究結(jié)果一致。說(shuō)明脯氨酸不是滲透脅迫的產(chǎn)物,而是脅迫程度的產(chǎn)物。這可能是垂絲海棠對(duì)鹽堿復(fù)合脅迫具有一定的耐受性,當(dāng)超過(guò)耐受范圍時(shí)大量積累脯氨酸,緩解鹽堿復(fù)合脅迫帶來(lái)的傷害,直至承受不住高鹽高堿的脅迫作用而死[6]。相關(guān)性分析表明,垂絲海棠Pn與脯氨酸呈顯著負(fù)相關(guān),與可溶性糖、有機(jī)酸無(wú)顯著相關(guān)性,這說(shuō)明脯氨酸含量可以評(píng)價(jià)垂絲海棠的耐鹽堿能力。

3.4 垂絲海棠耐鹽堿能力綜合評(píng)價(jià)

植物的耐鹽堿性與多個(gè)因素相關(guān),指標(biāo)單一化很難真實(shí)準(zhǔn)確反映植物耐鹽堿的實(shí)質(zhì),因此用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行植物耐鹽堿能力的綜合評(píng)價(jià)是必要的。本試驗(yàn)以垂絲海棠的21個(gè)相關(guān)指標(biāo)為依據(jù),對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性及主成分分析。結(jié)果表明,植株的Pn與Gs、Ci、ETR、ΦPSII呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),與Tr、WC、qP、Chl T呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),與電導(dǎo)率、脯氨酸、Y(NO)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。因此,可用Gs、Ci、ETR、ΦPSII、Tr、WC、qP、Chl T、電導(dǎo)率、脯氨酸、Y(NO) 等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)垂絲海棠的耐鹽堿能力。主成分研究結(jié)果表明,第一主成分(PC1)綜合了Pn、Gs、Ci、Tr、WC、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car、電解質(zhì)滲透率、脯氨酸等指標(biāo)的信息,第二主成分(PC2)綜合了WUE、Y(NPQ)、qN、可溶性糖、有機(jī)酸指標(biāo)信息。第一主成分中,Pn、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car、電解質(zhì)滲透率是損傷的重要指標(biāo),Gs、Ci、Tr、WC是調(diào)節(jié)光合作用的重要指標(biāo),脯氨酸是重要的滲透調(diào)節(jié)指標(biāo),這說(shuō)明垂絲海棠主要通過(guò)降低Gs、Ci、Tr、WC和大量積累脯氨酸來(lái)適應(yīng)鹽堿復(fù)合脅迫；第二主成分中,WUE是節(jié)水指標(biāo),可溶性糖、有機(jī)酸是滲透調(diào)節(jié)指標(biāo),Y(NPQ)、qN是熱耗散保護(hù)指標(biāo),這說(shuō)明垂絲海棠還通過(guò)提高WUE、大量積累可溶性糖和有機(jī)酸、啟動(dòng)熱耗散機(jī)制來(lái)抵御鹽堿危害。此外,從主成分分析結(jié)果可得出,垂絲海棠在鹽濃度大于100 mmol/L時(shí),綜合得分顯著下降,說(shuō)明垂絲海棠具有一定的耐鹽堿性,在50—100 mmol/L混合鹽堿條件下可以正常生長(zhǎng),鹽濃度>150 mmol/L條件不適宜生長(zhǎng)(圖6)。

4 結(jié)論

低鹽堿復(fù)合脅迫下(50、100 mmol/L),垂絲海棠葉片主要通過(guò)降低Gs、Ci、Tr、WC,提高WUE、大量積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、啟動(dòng)熱耗散機(jī)制來(lái)保持光合系統(tǒng)傷害與修復(fù)的動(dòng)態(tài)平衡。高濃度(150、200 mmol/L)脅迫下動(dòng)態(tài)平衡被打破,光合系統(tǒng)受到破壞,葉片失水萎蔫、干枯變黃,甚至死亡。PCA和相關(guān)性分析表明,鹽濃度100 mmol/L為耐鹽堿閾值,Gs、Ci、Tr、WC、Chl T、ETR、ΦPSII、qP、Y(NO)、電解質(zhì)滲透率、脯氨酸等指標(biāo)可以評(píng)價(jià)垂絲海棠的耐鹽堿能力。