NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響

王 濤，蒙仲舉*，張佳鵬，雷虹娟，張 格

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.包頭市達(dá)茂旗民安鎮(zhèn)綜合保障和技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古 達(dá)茂旗 014500；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200)

土壤鹽漬化會(huì)減緩植物的生長(zhǎng)，抑制植物的代謝過(guò)程，甚至?xí)?dǎo)致植物出現(xiàn)萎蔫死亡的狀況[1]。不同物種有著不同的耐鹽能力，這主要取決于該物種的遺傳和生理生化特性。紫穗槐(Amorphafruticosa)又名棉槐、棉條、紫槐，屬豆科(Leguminosae)多年生小灌木[2]，原產(chǎn)于美國(guó)的東北部和東南部，后被我國(guó)引入，主要分布于我國(guó)的西北地區(qū)、長(zhǎng)江、淮河流域的平原和四川盆地[3]。其還是優(yōu)良的綠肥和蜜源植物，具有耐鹽、固氮等特性[4-5]，在北方邊坡防護(hù)工程中被廣泛應(yīng)用[6-7]，被譽(yù)為水土保持的“優(yōu)良樹(shù)種”[8]。鄒麗娜等[9]發(fā)現(xiàn)，隨著Na2SO4溶液濃度的增加，紫穗槐幼苗的光合參數(shù)、抗逆性酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)顯著增加。江遠(yuǎn)芳等[6]利用不同濃度的Na2CO3、NaHCO3及二者混合鹽對(duì)紫穗槐幼苗進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單鹽Na2CO3對(duì)植株的傷害程度相比NaHCO3和混合鹽處理嚴(yán)重。趙建誠(chéng)等[10]利用不同濃度的NaCl對(duì)紫穗槐種子進(jìn)行處理，研究發(fā)現(xiàn)，隨脅迫強(qiáng)度的增加，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。目前，針對(duì)紫穗槐幼苗鹽脅迫的研究主要集中于Na2SO4、Na2CO3及NaHCO3脅迫對(duì)紫穗槐幼苗的影響，而有關(guān)NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗影響的研究較少。本試驗(yàn)通過(guò)研究紫穗槐幼苗在NaCl脅迫生境中的適應(yīng)性表現(xiàn)，探究紫穗槐幼苗在NaCl單鹽脅迫下的耐鹽機(jī)制，為紫穗槐幼苗的栽植提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取健壯、長(zhǎng)勢(shì)均勻、大小一致的1年生紫穗槐幼苗，于2019年4月中旬將供試幼苗移栽于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙生植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室光照時(shí)間10 h，晝夜溫度為26℃/19℃，相對(duì)濕度為50%～60%。選用自然晾干并過(guò)4 mm篩的土和營(yíng)養(yǎng)土按照2∶1配比均勻，后裝入上口徑25 cm、下口徑20 cm、高度為20 cm的底部有孔花盆，每盆移植苗木1株。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)依據(jù)土壤干質(zhì)量施鹽[11-12]，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個(gè)NaCl濃度梯度，NaCl含量分別達(dá)到土壤干質(zhì)量的0.1%、0.3%、0.5%和0.7%，以不作任何處理為對(duì)照(CK)，每組處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。根據(jù)生長(zhǎng)特點(diǎn)，2019年4-7月為緩苗期，2019年7月10日開(kāi)始采用灌澆鹽水控制土壤鹽含量的方式進(jìn)行施鹽，為避免鹽激反應(yīng)，每個(gè)處理按照其預(yù)設(shè)鹽含量呈等差數(shù)列灌溉施入，每2 d澆灌1次，每次每盆定量3 L，對(duì)照(CK)采用等量清水灌溉。試驗(yàn)期間，為防止鹽分損失及保證鹽分滲透均勻，每天稱重補(bǔ)水，從而平衡蒸發(fā)量，在花盆下放置托盤，每天將滲漏出的溶液返還回花盆中。同時(shí)為避免邊際效應(yīng)，每10 d輪換1次盆缽擺放位置。2019年8月中旬開(kāi)始選取植株中上部發(fā)育完全且生長(zhǎng)健康的新鮮葉片作為生理試驗(yàn)待測(cè)樣品。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 鹽害等級(jí)觀測(cè) 為較好地反映苗木的受害情況，在孫晶等[13]研究基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際情況稍加改動(dòng)，將鹽脅迫對(duì)紫穗槐幼苗的危害程度分為以下5個(gè)等級(jí)，0級(jí)：植物無(wú)明顯鹽脅迫危害癥狀；1級(jí)：植物約1/4的葉尖、葉緣變黃；2級(jí)：植物約有1/2的葉尖、葉緣焦枯；3級(jí)：植物約1/2～3/4的葉尖、葉緣焦枯并且伴隨有大量落葉現(xiàn)象；4級(jí)：植物葉片全部落下，枝條干枯。在鹽脅迫處理后的第10、20天觀察和記錄紫穗槐幼苗葉片的顏色及形態(tài)變化。

1.3.2 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 在脅迫處理前測(cè)定株高(H0)、分枝長(zhǎng)度(h0)及基徑(D0)，在脅迫處理后的第20天再次測(cè)定株高(H1)、分枝長(zhǎng)度(h1)及基徑(D1)，測(cè)量植株基部/分枝基部到植株生長(zhǎng)點(diǎn)/分枝生長(zhǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)度為植株的株高(H)及分枝長(zhǎng)度(h)，植株基部基徑為植株基徑(D)。然后計(jì)算脅迫前/后的株高生長(zhǎng)量ΔH(ΔH=H1-H0)、分支長(zhǎng)度生長(zhǎng)量Δh(Δh=h1-h0)和基徑生長(zhǎng)量ΔD(ΔD=D1-D0)。

1.3.3 生理指標(biāo)測(cè)定 參照文獻(xiàn)[14]，在脅迫后的第20天測(cè)定相關(guān)生理指標(biāo)，其中葉片相對(duì)含水量用烘干稱重法測(cè)定，計(jì)算公式：

葉片相對(duì)含水量(RWC)/%=(自然鮮重-干重)/(飽和鮮重-干重)

(1)

葉綠素含量用80%的丙酮浸提法測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定，過(guò)氧化物酶(POD)活性用愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定，丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定，可溶性蛋白質(zhì)含量用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用SPSS 25軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，使用Origin 2017軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫穗槐幼苗的脅迫狀況等級(jí)

紫穗槐受不同的濃度NaCl脅迫的癥狀見(jiàn)表1，伴隨著土壤鹽含量的增大及脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，紫穗槐幼苗的鹽害癥狀逐步加重。0.3%土壤鹽含量脅迫第20天，紫穗槐幼苗葉片葉尖、葉緣開(kāi)始變黃，鹽害葉片占整株植物葉片的1/4；0.5%土壤鹽含量脅迫第10天，紫穗槐幼苗已經(jīng)出現(xiàn)葉片的葉尖、葉緣變黃，當(dāng)脅迫第20天，紫穗槐幼苗1/2的葉片的葉尖、葉緣焦枯及發(fā)生卷曲。0.7%土壤鹽含量脅迫第20天，紫穗槐幼苗1/2～3/4的葉尖、葉緣焦枯并且伴隨有大量落葉(表1、圖1)。

表1 NaCl脅迫下紫穗槐幼苗的脅迫狀況等級(jí)Table 1 Stress status of A.fruticosa seedlings under NaCl stress

圖1 NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗的葉片顏色及形態(tài)的影響(20 d)Fig.1 Effects of NaCl stress on leaf color and morphology of A.fruticosa seedlings(20 d)

2.2 NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗生長(zhǎng)特征的影響

由表2可知，隨著土壤鹽含量的遞增，紫穗槐幼苗株高生長(zhǎng)量、分枝長(zhǎng)度生長(zhǎng)量、基徑的生長(zhǎng)量均顯著低于對(duì)照(P<0.05)。0.1%、0.3%、0.5%、0.7%鹽脅迫下，紫穗槐幼苗株高生長(zhǎng)量分別比對(duì)照降低了20.69%、86.21%、81.59%和83.93%；幼苗分枝長(zhǎng)度生長(zhǎng)量分別降低了10.72%、75.03%、71.81%、78.56%；基徑生長(zhǎng)量分別降低了26.58%、40.27%、39.73%和44.38%。

表2 NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Table 2 Effects of NaCl stress on the growth indexes of A.fruticosa seedlings

2.3 NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗生理特征的影響

2.3.1 對(duì)葉片葉綠素含量及相對(duì)含水量的影響 隨著土壤鹽含量的增加，紫穗槐幼苗葉片相對(duì)含水量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖2)，土壤鹽含量為0.3%、0.5%、0.7%的脅迫處理的葉片相對(duì)含水量顯著低于對(duì)照(P<0.05)?？梢?jiàn)低濃度的鹽溶液對(duì)紫穗槐幼苗的水分代謝影響較小，而高濃度的鹽溶液則會(huì)抑制紫穗槐幼苗的水分代謝過(guò)程。

由表3可知，隨著土壤鹽含量增加，紫穗槐幼苗葉片光合色素除葉綠素a/b(Chla/b)外，葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、類胡蘿卜素(Chlx)、和葉綠素總量(Chla+b)等均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)土壤鹽含量<0.1%時(shí)，鹽脅迫對(duì)紫穗槐幼苗葉片葉綠素含量起到一定的促進(jìn)作用；當(dāng)土壤鹽含量>0.1%時(shí)，紫穗槐幼苗葉片葉綠素含量顯著減少；當(dāng)土壤鹽含量為0.1%時(shí)，紫穗槐幼苗葉片的Chla、Chlb、Chlx、Chla+b含量，分別比對(duì)照增加了4.6%、39.81%、3.08%和10.89%。當(dāng)土壤鹽含量為0.5%和0.7%時(shí)，紫穗槐幼苗葉片的Chla、Chlx、Chla/b、Chla+b含量顯著降低。

表3 NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗葉片光合色素含量的影響Table 3 Effects of NaCl stress on photosynthetic pigment concentration in the leaves of A.fruticosa seedlings

注：圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。圖2 NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗葉片相對(duì)含水量的影響Fig.2 Effects of NaCl stress on RWC of A.fruticosa seedlings

2.3.2 對(duì)葉片抗逆性酶的影響 超氧化物歧化酶(SOD)與過(guò)氧化物酶(POD)等酶協(xié)同防御來(lái)自外界不良環(huán)境對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，故其活性的高低表征著植被對(duì)外界不良環(huán)境的抵抗性強(qiáng)弱[15-16]。由圖3可知，NaCl脅迫下紫穗槐葉片的SOD及POD活性隨著土壤鹽含量的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)土壤鹽含量為0.3%時(shí)，SOD活性達(dá)到峰值，較對(duì)照增加15.92%(圖3A)。當(dāng)土壤鹽含量為0.5%時(shí)，POD活性達(dá)到峰值，較對(duì)照增加22.51%(圖3B)。

2.3.3 對(duì)葉片丙二醛(MDA)含量的影響 MDA含量的大小反映著植物膜系統(tǒng)受害的程度，植物體內(nèi)的MDA含量越高，表示植物組織的保護(hù)能力越弱[17]。如圖4所示，隨著土壤鹽含量增加，MDA含量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，4種梯度下MDA含量較對(duì)照分別增加了15.14%、24.35%、21.81%及29.71%。

圖4 NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗葉片丙二醛含量的影響Fig.4 Effects of NaCl stress on MDA concentration in the leaves of A.fruticosa seedlings

2.3.4 對(duì)葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響 李婷婷[18]的研究表明，在逆境作用下，植物體內(nèi)滲透壓的高低與其誘導(dǎo)合成新的可溶性蛋白質(zhì)的能力有關(guān)。由圖5可見(jiàn)，隨著土壤鹽含量增加，可溶性蛋白質(zhì)含量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)土壤鹽含量在0.1%、0.3%時(shí)，可溶性蛋白質(zhì)含量分別比對(duì)照增加3.39%、15.87%；當(dāng)土壤鹽含量為0.5%、0.7%時(shí)，可溶性蛋白質(zhì)含量分別較對(duì)照降低28.30%、68.39%。

圖5 NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.5 Effects of NaCl stress on the soluble protein content in the leaves of A.fruticosa seedlings

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)紫穗槐幼苗在NaCl脅迫生境的適應(yīng)性表現(xiàn)觀察及相應(yīng)的生長(zhǎng)和生理指標(biāo)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，紫穗槐幼苗具有一定的耐鹽性。在0.1%、0.3%土壤鹽濃度下，紫穗槐幼苗可以通過(guò)其自身的抗逆性機(jī)制來(lái)抵抗鹽脅迫，如提高葉綠素含量、抗逆性酶活性、MDA含量及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量等。在0.5%土壤鹽濃度下，紫穗槐幼苗已受到一定程度的鹽害，其將根部吸收的鹽分轉(zhuǎn)移到葉片中，通過(guò)落葉將體內(nèi)的鹽分排出。在0.7%土壤鹽濃度下，紫穗槐幼苗體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)環(huán)境已經(jīng)完全被打亂，各項(xiàng)指標(biāo)均變化顯著，葉片大量落下，枝條枯萎，生長(zhǎng)受到了顯著的抑制。綜上所述，紫穗槐幼苗在以NaCl為主的鹽漬土中的生存閾值為0.3%。

在逆境條件下，植物會(huì)通過(guò)形態(tài)特征與生長(zhǎng)狀態(tài)的改變來(lái)適應(yīng)逆境條件，通過(guò)調(diào)整生物量等的方式來(lái)維持逆境下植株的生長(zhǎng)，而其主要方式為減少碳同化量和調(diào)節(jié)滲透能耗等[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，NaCl脅迫下的紫穗槐幼苗株高生長(zhǎng)量、分枝長(zhǎng)度生長(zhǎng)量及基徑生長(zhǎng)量在土壤鹽含量>0.3%時(shí)，生長(zhǎng)量較對(duì)照減少明顯，這與閆永慶等[20]、韓志平等[21]、D.Wang et al[22]的研究結(jié)果相似，低濃度的鹽分含量對(duì)植被的影響較小，而高濃度的鹽分含量則會(huì)明顯抑制植物的生長(zhǎng)。這可能是在高濃度的鹽分條件下，植物會(huì)重新調(diào)整資源分配格局來(lái)適應(yīng)逆境條件，維持自身的正常生長(zhǎng)。

植物通過(guò)光合作用積累有機(jī)物質(zhì)，維持自身的生長(zhǎng)，光合色素是光合作用的基礎(chǔ)，光合色素的主要作用是對(duì)光能進(jìn)行吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定程度上反映植物同化物質(zhì)的能力[23-25]。李學(xué)孚等[26]研究發(fā)現(xiàn)，低鹽脅迫下，植物葉片葉綠素含量無(wú)顯著變化。而本研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度的鹽分脅迫下，紫穗槐幼苗葉片的葉綠素含量出現(xiàn)了小幅度的上升，但是隨著鹽分濃度的遞增，葉綠素含量卻迅速下降。這可能是由于低濃度的鹽脅迫可以加速葉綠素的合成，而高濃度的鹽脅迫則會(huì)抑制PEP羧化酶和RuPEP羧化酶的活性，降低光合色素的合成速率，加速葉綠素分解，使葉綠素含量下降。這與趙佳偉等[27]、袁斌玲等[28]的研究結(jié)果相似。這也證明了葉綠體是對(duì)鹽脅迫較為敏感的細(xì)胞器，NaCl脅迫對(duì)紫穗槐幼苗的光合色素含量有低促高抑的作用。本研究中，當(dāng)土壤鹽含量>0.3%時(shí)，紫穗槐幼苗葉片葉綠素含量顯著下降(P<0.05)。

在鹽脅迫條件下，植物細(xì)胞內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧自由基，使得細(xì)胞內(nèi)的自由基的產(chǎn)生與消除的動(dòng)態(tài)平衡難以繼續(xù)維持，導(dǎo)致膜脂雙分子層過(guò)氧化，產(chǎn)生大量MDA，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，致使植物的生理失衡[29-32]，MDA也被認(rèn)為是膜脂過(guò)氧化水平的標(biāo)志。此時(shí)，植物可以通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的抗氧化酶等酶的協(xié)同作用，消除細(xì)胞內(nèi)的多余的自由基來(lái)維持植物細(xì)胞內(nèi)正常的代謝活動(dòng)。而細(xì)胞體內(nèi)的多余的自由基則主要依靠SOD和POD來(lái)清除[33]。在本研究中，隨著土壤鹽含量增加，紫穗槐幼苗葉片中MDA含量也不斷地增加，說(shuō)明在NaCl脅迫下紫穗槐幼苗細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生了大量的自由基，已經(jīng)對(duì)紫穗槐幼苗細(xì)胞的質(zhì)膜產(chǎn)生了過(guò)氧化傷害。土壤鹽含量為0.7%時(shí)，MDA含量較對(duì)照顯著增加，說(shuō)明此時(shí)的細(xì)胞膜已受到了嚴(yán)重的傷害，體內(nèi)的代謝過(guò)程已被打亂。而紫穗槐幼苗葉片的SOD活性和POD活性則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這與李宏博等[34]的研究結(jié)果相似，說(shuō)明在低濃度的鹽分脅迫下，SOD和POD可以消除紫穗槐幼苗細(xì)胞內(nèi)的自由基。但是，一旦超過(guò)一定的鹽分濃度，就會(huì)抑制抗氧化酶的活性，導(dǎo)致植物體內(nèi)的抗氧化酶活性下降。本研究中，土壤鹽含量為0.5%時(shí)，SOD活性開(kāi)始下降，當(dāng)土壤鹽含量為0.7%時(shí)，POD活性開(kāi)始下降，這是由于大量的Na+涌入，導(dǎo)致膜質(zhì)過(guò)氧化程度加劇，細(xì)胞內(nèi)多種功能受到破壞，生理代謝紊亂，使得活性氧的增加遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其正常歧化能力，導(dǎo)致SOD與POD活性下降。

鹽脅迫環(huán)境下，土壤的滲透勢(shì)較低，會(huì)導(dǎo)致植物發(fā)生水分虧缺現(xiàn)象，為了應(yīng)對(duì)這種傷害，植物會(huì)通過(guò)積累一些可溶性物質(zhì)來(lái)降低細(xì)胞內(nèi)的滲透壓，維持植物的正常代謝過(guò)程[35]?？扇苄缘鞍踪|(zhì)作為植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，對(duì)植物抵抗逆境起著一定的作用。有研究發(fā)現(xiàn)[36]，鹽脅迫條件下植物葉片的可溶性蛋白質(zhì)含量會(huì)增加。而本研究中，隨著土壤鹽含量的增加，可溶性蛋白質(zhì)含量呈先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，0.3%土壤鹽含量下，可溶性蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高，這是由于低濃度下的鹽脅迫誘導(dǎo)產(chǎn)生了大量的可溶性蛋白質(zhì)，植物通過(guò)增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)而減緩因鹽脅迫對(duì)植株造成的水分虧缺傷害，這與周瑩等[37]研究結(jié)果相似。在高濃度的鹽脅迫下，可溶性蛋白質(zhì)含量下降，這是由于高濃度的鹽脅迫抑制了可溶性蛋白質(zhì)的合成，導(dǎo)致其含量下降。

無(wú)機(jī)鹽中植物對(duì)鈉鹽最為敏感，而鈉鹽中對(duì)植物危害最大的是NaCl，其也是主要的鹽害類型。與前人的研究相比[2]，本研究也發(fā)現(xiàn)紫穗槐幼苗對(duì)NaCl的耐鹽性低于其他鹽類。