楊愛崢,李志磊,付 強(qiáng)※,李全峰,賀昕瑤
(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,哈爾濱 150030;2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理與法學(xué)院,哈爾濱 150030)
隨著人類社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源消費(fèi)的增加,導(dǎo)致溫室氣體在大氣層中不斷積累,據(jù)政府間氣候變化專業(yè)委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change)統(tǒng)計,二氧化碳(CO2)在大氣層中的體積濃度已由工業(yè)革命前的310μmol/mol,增加到目前的400μmol/mol,預(yù)估21世紀(jì)末將達(dá)到近800μmol/mol[1-2]。溫室效應(yīng)也隨之增強(qiáng),造成全球氣候變暖,影響大氣環(huán)流,繼而改變?nèi)虻挠炅糠植?,?dǎo)致區(qū)域性干旱甚至土壤退化和鹽堿化[3]。土壤鹽堿化對植物造成生理干旱、離子毒害和破壞正常代謝等方面的危害,抑制大多數(shù)植物的生長,造成生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)力面臨巨大壓力[4]。因此,在全球大氣CO2濃度不斷升高,土壤鹽堿化日趨嚴(yán)重的背景下,針對耐鹽植物對鹽脅迫的生理響應(yīng)及耐鹽調(diào)控機(jī)制展開研究,就顯得十分迫切和重要。
土壤中鹽分過高造成土壤滲透勢降低,植物細(xì)胞滲透勢增高,使植物吸收水分和養(yǎng)分困難,嚴(yán)重時導(dǎo)致細(xì)胞組織水分外滲[5]。為了減少水分流失,防止脫水,植物關(guān)閉氣孔,從而降低氣孔導(dǎo)度。這將直接導(dǎo)致植物凈光合速率的降低,進(jìn)而減少CO2的固定量,最終導(dǎo)致葉片衰老[6]。此外,在鹽脅迫下,脫落酸(Abscisic Acid,ABA)作為主要的植物生長調(diào)節(jié)劑起著重要的化學(xué)信號傳遞作用。一方面,根、莖的木質(zhì)部汁液pH值升高,根系A(chǔ)BA含量迅速增加,通過木質(zhì)部汁液傳遞到葉片。葉片保衛(wèi)細(xì)胞中不斷積累的ABA通過調(diào)節(jié)壓力勢和氣孔關(guān)閉,抑制水分蒸發(fā)[7]。另一方面,ABA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)涉及了活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)的生成,大量活性氧急劇增加引起蛋白質(zhì)、DNA和細(xì)胞膜脂的氧化傷害,并最終影響細(xì)胞功能和破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)[8]。同時,鹽堿土壤中大量的Na+和Cl-對植物造成離子毒害作用,引起植物養(yǎng)分不平衡和生理代謝紊亂。高濃度的Na+嚴(yán)重阻礙K+的吸收,擾亂植物體內(nèi)K+/Na+平衡[9]。此外,高濃度的Cl-抑制植物對NO3-的吸收,從而降低植物體內(nèi)的氮含量[10]。綜上所述,大氣中CO2濃度升高引起植物在形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理上都發(fā)生相應(yīng)的變化,理論上而言,植物凈光合速率會顯著提升,并伴隨著氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的降低[11]。但是根據(jù)植物光合作用、生長速率和水肥利用效率以及其他特征的差異,不同植物對CO2濃度升高的響應(yīng)也不同[12]。柴偉玲等[13]研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高能顯著提高飛機(jī)草總生物量和凈光合速率。Perez-Lopez等[14]研究發(fā)現(xiàn),CO2濃度倍增能有效降低植株蒸騰速率、提高植株水勢,進(jìn)而提高植物抗旱性。鄭云普等[11]研究表明,不同作物水分利用效率對升高CO2濃度的響應(yīng)存在明顯差異,但大豆等作物在CO2濃度倍增條件下凈光合速率沒有顯著提升。Merilo等[15]發(fā)現(xiàn)高濃度CO2誘導(dǎo)植物葉片氣孔關(guān)閉,造成葉片氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率顯著下降。Zhuang等[16]的研究結(jié)果表明CO2濃度升高能改變鹽脅迫下植物葉片和根的代謝情況,增加K+吸收,抑制Na+吸收,提高植物耐鹽性。然而,迄今為止針對CO2濃度變化對耐鹽植物鹽脅迫下生長、生理特性的反饋機(jī)制研究較少,有必要進(jìn)行深入的研究。
藜麥?zhǔn)?年生藜科雙子葉植物,原產(chǎn)于南美安第斯山脈[17-18]。藜麥?zhǔn)菬o麩質(zhì)谷物,富含人體所需的必需氨基酸、礦物質(zhì)、多不飽和脂肪酸和碳水化合物,其營養(yǎng)和食用價值超過很多谷物,被國際營養(yǎng)學(xué)家們稱為“營養(yǎng)黃金”[19]。藜麥的營養(yǎng)和經(jīng)濟(jì)價值受到世界范圍內(nèi)的關(guān)注,越來越多的國家開始種植藜麥,聯(lián)合國糧農(nóng)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,F(xiàn)AO)推薦藜麥為解決世界糧食安全問題最具潛力的農(nóng)作物[20]。作為耐鹽植物,藜麥對鹽脅迫的適應(yīng)能力很強(qiáng),甚至可以在土壤溶質(zhì)濃度高達(dá)400 mmol/L(相當(dāng)于海水的濃度)的條件下正常生長。中國于20世紀(jì)90年代初就已經(jīng)引進(jìn)種植藜麥,但仍對其缺乏深入系統(tǒng)的研究。本研究探討了鹽脅迫下藜麥關(guān)鍵生理參數(shù)對CO2濃度倍增的響應(yīng),對于科學(xué)應(yīng)對土壤環(huán)境變化,提高保障糧食安全能力具有重要意義。
人工氣候室CO2濃度設(shè)定分別為400μmol/mol(CO2常規(guī)組)和800μmol/mol(CO2倍增組)。前者模擬目前狀況,后者模擬21世紀(jì)末狀況。
土壤鹽脅迫設(shè)計2個處理:NaCl濃度為0和400 mmol/L,前者模擬無鹽分脅迫狀況,后者模擬藜麥能忍耐的強(qiáng)鹽分脅迫狀況(藜麥耐鹽閾值,相當(dāng)于海水的濃度)。
試驗于2018年4—9月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院人工氣候室進(jìn)行。播種前對藜麥(Chenopodium quinoaWilld.,TiTiCaCa)進(jìn)行表面消毒,然后放入育苗盆中,每穴5粒種子。四周后將藜麥幼苗移植到花盆中(盆直徑20 cm、高25 cm),栽培基質(zhì)為營養(yǎng)土。移植1周后定苗,每盆保留1株藜麥幼苗。隨即將花盆分別放入2間人工氣候室,其中1間人工氣候室CO2濃度為400μmol/mol,另一間人工氣候室CO2濃度為800μmol/mol。
每間人工氣候室內(nèi),放置12盆,其中6盆為對照組,即無鹽分脅迫,NaCl濃度為0,另6盆為鹽分脅迫組,土壤NaCl濃度為400 mmol/L。
對于鹽脅迫組,當(dāng)藜麥幼苗長出第5片葉子時(34 d),每天澆NaCl溶液50 mL,濃度每次增加80 mmol/L直至達(dá)到設(shè)定的400 mmol/L濃度,此后每7 d 分別澆400 mmol/L NaCl溶液1 次(48、55和62 d)。對于對照組,在鹽脅迫組澆NaCl時,對照組澆NaCl濃度為0的自來水。
人工氣候室的溫度白天25 ℃、夜晚18 ℃、光照強(qiáng)度560~680μmol/(m2·s)、光照周期為08:00—20:00、相對濕度40%±5%。
1.2.1 葉片生理指標(biāo)測定
測定指標(biāo)取樣方法相同:初始采樣時間為定苗后1周,即播種后42 d,此后分別在拔節(jié)期(49 d)取樣1次,花期(56、63 d)取樣1次,試驗期間共取樣4次,每次組內(nèi)隨機(jī)選擇4盆植株取樣。
在取樣當(dāng)日10:00—13:00,選取藜麥植株自上而下第3片完全展開的成熟葉片,利用Li-6400 便攜式光合測定系統(tǒng)(LI-COR Inc. Lincoln,Nebraska,USA)測定植物葉片的光合速率和氣孔導(dǎo)度,測定前使藜麥葉片處于飽和的光合光量子通量密度(1200μmol/(m2·s)),葉室氣溫25 ℃,葉室CO2濃度為相應(yīng)氣候室CO2濃度?;诠夂纤俾屎蜌饪讓?dǎo)度計算內(nèi)稟水分利用效率為
式中iWUE為內(nèi)稟水分利用效率,μmol/mol;Pn為葉片光合速率,μmol/(m2·s);Gs為葉片氣孔導(dǎo)度,mmol/(m2·s)。選取藜麥植株自上而下第3片完全展開的成熟葉片,采用植物水分儀(3000 Series Plant Water Status Consoles,Soil Moisture Equipment Corp.,Santa Barbara,CA,USA)測定葉片水勢。然后,將取下的葉片用鋁箔紙包好放入液氮中,儲存在-80℃冰箱中,待進(jìn)一步測定葉片滲透勢和離子含量。將葉片取出解凍15 min后,用植物壓汁器直接壓榨藜麥葉片汁液到濾紙片上,然后再將濾紙片放到C-52植物滲透壓儀(C-52 sample chambers,Wescor Inc.,Logan,UT,USA)中用來測定葉片滲透勢,并計算壓力勢。
式中Ψp為植物壓力勢,MPa;Ψπ為葉片滲透勢,MPa;Ψl為葉片水勢,MPa。
取出冷凍的葉片,采用離子色譜法測定葉片中Na+、K+濃度[21]。
1.2.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定
作物成熟后,測量每盆藜麥植株的株高,同時測其單株百粒質(zhì)量,最后考種測產(chǎn)量。另外,將每盆植株莖和根在85 ℃下烘干測定干物質(zhì)量。
采用R version 3.6.3(R Development Core Team,2012)分別進(jìn)行方差分析和主成分分析,其中方差分析為多因素方差(Multi-way ANOVA),顯著水平為0.05。
多因素方差分析結(jié)果顯示,播種后天數(shù)、鹽脅迫和CO2濃度對葉片Pn、Gs和iWUE均產(chǎn)生顯著影響,其中3個因素對Pn產(chǎn)生顯著交互作用(表1)。如圖1所示,在對照和鹽脅迫組中葉片Pn和Gs均隨藜麥生長而持續(xù)提高,但葉片Pn和Gs增加幅度逐步降低,且這種趨勢在CO2濃度為400μmol/mol(常規(guī)組)時更加明顯。此外,與常規(guī)組相比,CO2濃度倍增處理顯著提高藜麥葉片Pn,降低葉片Gs。特別是在鹽脅迫組中,CO2濃度倍增組葉片Pn比常規(guī)組分別高30%(42 d)、22.9%(49 d)、31.6%(56 d)和39.4%(63 d),可見,Pn增加幅度呈現(xiàn)先增加后減少再增加的趨勢,但CO2濃度倍增組各取樣階段葉片Pn絕對增加量逐漸降低;與此同時,在鹽脅迫組中,與CO2濃度常規(guī)組相比,CO2濃度倍增組葉片Gs分別降低27.2%、18.3%、13.2%和11.5%,表現(xiàn)出降低幅度減少趨勢。值得注意的是,播種后天數(shù)和CO2濃度對藜麥葉片Gs和iWUE均未產(chǎn)生交互作用。此外,鹽脅迫顯著增加葉片iWUE。特別是鹽脅迫下CO2濃度倍增組在播后42 d iWUE較CO2濃度常規(guī)組顯著提高59%,達(dá)到0.26μmol/mol,此后CO2濃度倍增組iWUE趨于穩(wěn)定,維持在0.3μmol/mol左右。
表1 不同CO2濃度下不同鹽脅迫處理藜麥葉片各指標(biāo)多因素方差分析結(jié)果Table 1 Output of multi-way ANOVA for indices of quinoa leaves under treatments of CO2 concentration and salt stress
由表1可知,播種后天數(shù)、鹽脅迫和CO2濃度均顯著影響葉片Na+且產(chǎn)生顯著交互作用。在對照組和鹽脅迫組中,隨著藜麥生長,CO2濃度常規(guī)組與倍增組葉片Na+、K+濃度均顯著提高,但差異逐漸縮?。▓D2)。此外,在無鹽脅迫(對照組)中,同一播種后天數(shù)CO2濃度對葉片Na+、K+濃度影響不顯著。但在鹽脅迫組中,CO2濃度對同一播種后天數(shù)葉片Na+、K+濃度影響顯著并且差異逐漸增大。鹽脅迫下,相對于CO2濃度常規(guī)組,CO2濃度倍增組在63 d葉片Na+濃度降低42%,相反,在63 d時CO2濃度倍增組葉片K+濃度比常規(guī)組高26%。此外,在鹽脅迫組中,CO2濃度倍增組葉片K+-Na+比隨著植株生長顯著增加,最高提升K+-Na+比達(dá)80%。
播種后天數(shù)、鹽脅迫和CO2濃度對葉片Ψl和Ψπ影響顯著且均產(chǎn)生顯著交互作用(表1)。在對照組和鹽脅迫組中,不同CO2濃度處理的葉片Ψl和Ψπ均隨藜麥生長呈現(xiàn)上升趨勢(圖3)。在對照組中,CO2濃度對同一播種后天數(shù)葉片Ψl和Ψπ影響均不顯著。但在鹽脅迫組中,與CO2濃度常規(guī)組相比,CO2濃度倍增組在49 d后葉片Ψl和Ψπ顯著降低,在63 d降幅分別為39%和36%。此外,CO2濃度倍增提高葉片Ψp(對照組49和63 d,鹽脅迫組49 d及以后),而鹽脅迫顯著降低葉片Ψp,隨著藜麥生長,在對照組中葉片Ψp逐漸增加,而在鹽脅迫組中葉片Ψp逐漸降低。在鹽脅迫組中,CO2濃度常規(guī)組與倍增組葉片Ψp最大差值出現(xiàn)在56 d ,差值達(dá)到0.034 MPa。
如表2所示,CO2濃度和鹽脅迫對藜麥生長參數(shù)均產(chǎn)生顯著影響,其中鹽脅迫顯著降低各生長參數(shù),而CO2濃度顯著提升各生長參數(shù)。在鹽脅迫組中,相對于CO2濃度常規(guī)組,CO2濃度倍增條件下,藜麥株高、莖干物質(zhì)量、根干物質(zhì)量、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量分別提高8%、20%、82%、19%和34%。值得注意的是,CO2濃度倍增顯著增加藜麥根莖干物質(zhì)量比,提升幅度達(dá)5%。
表2 不同CO2濃度和鹽脅迫處理下藜麥生長參數(shù)Table 2 Growth parameters of quinoa under different treatments of CO2 concentration and salt stress
如圖4所示,通過主成分分析(Principal component analysis,PCA)將藜麥各取樣階段不同CO2濃度處理的多個指標(biāo)進(jìn)行綜合性分析,主成分1和主成分2累計貢獻(xiàn)率達(dá)到92.7%,具有代表性。相同散點(diǎn)各自聚集成團(tuán)分散排布,說明藜麥各取樣階段不同CO2濃度處理差異顯著。藜麥iWUE向量與Ψl、Ψπ、Pn和K+濃度向量均成銳角,因此,藜麥iWUE與這4個指標(biāo)成正相關(guān),與其他指標(biāo)成負(fù)相關(guān)。
葉片氣孔是植物與外界環(huán)境進(jìn)行水氣交換的重要通道。大量研究表明,鹽脅迫和CO2濃度升高都會使氣孔開度迅速縮小,甚至造成氣孔密度降低,導(dǎo)致葉片Gs下降、水分蒸騰變?nèi)?、植物失水減少、水分利用效率和干物質(zhì)的積累增加[22]。此外,高CO2濃度不僅使Rubisco羧化反應(yīng)速率升高,而且促進(jìn)細(xì)胞分裂素等重要植物激素的合成,從而顯著提高植物的光合速率[23-24]。然而,長期處于高CO2濃度環(huán)境植物光合速率增幅會逐漸縮小,甚至低于正常大氣CO2濃度水平,即“光合適應(yīng)現(xiàn)象”[25]。以往對此現(xiàn)象的研究多基于CO2濃度單一因素的影響,并且對其發(fā)生機(jī)理尚未達(dá)成共識。本研究發(fā)現(xiàn),在鹽脅迫條件下,雖然CO2濃度倍增使藜麥Pn顯著提高、Gs顯著降低,但隨著藜麥生長,不僅藜麥葉片中Na+濃度增加(圖2a),Ψπ降低(圖3b),而且藜麥Pn和Gs波動幅度逐漸減小(圖1a,1b),同樣產(chǎn)生光合適應(yīng)現(xiàn)象。這可能是由于CO2濃度倍增不僅提高促進(jìn)植株生長的激素生長素和細(xì)胞分裂素的合成,而且降低抑制植株生長的激素ABA和乙烯含量,這樣極大緩解了鹽脅迫下植株產(chǎn)生大量ABA和乙烯對其早期生長的抑制作用[24,26]。此外,隨著植株的生長,CO2濃度倍增顯著促進(jìn)根系發(fā)育,大幅提高植株根莖干物質(zhì)量比,有助于植株吸收更多水分和養(yǎng)分的同時,也導(dǎo)致了Na+積累和Ψπ降低,對植株生長起到一定的抑制作用[12]。在植物激素水平、離子含量以及水勢調(diào)節(jié)的動態(tài)平衡過程中引起的光合適應(yīng)現(xiàn)象。大量研究證實,高CO2濃度不僅抑制氣孔發(fā)育而且誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉,因此植物蒸騰失水量減少,水分利用效率顯著增加。本試驗結(jié)果表明,在Pn和Gs共同作用下,鹽脅迫下在藜麥生長關(guān)鍵的49~63 d期間,與常規(guī)組相比,CO2倍增組葉片iWUE都維持較高水平,促進(jìn)藜麥干物質(zhì)積累,顯著提高了藜麥產(chǎn)量。此外,高CO2濃度可以上調(diào)抗氧化酶基因表達(dá),提高抗氧化酶的活性,清除藜麥體內(nèi)產(chǎn)生的自由基,抑制ROS的積累,提高藜麥耐鹽性,促進(jìn)藜麥生長[27]。
鹽脅迫導(dǎo)致植物細(xì)胞嚴(yán)重脫水,因此細(xì)胞內(nèi)離子平衡被打破,造成植物水勢和滲透勢不斷降低,大量Na+積累,導(dǎo)致K+-Na+比值不斷降低,嚴(yán)重影響植物生長[28]。本研究結(jié)果顯示,CO2濃度倍增處理中藜麥表現(xiàn)出明顯的吸K+排Na+的現(xiàn)象。結(jié)合以往研究結(jié)果分析,這種現(xiàn)象一方面是由于高CO2濃度顯著降低藜麥葉片中乙烯前體ACC合成酶含量,導(dǎo)致由乙烯誘導(dǎo)合成的Na+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白減少,進(jìn)而減少藜麥葉片中Na+積累量,增加K+-Na+的調(diào)控能力[26]。另一方面,高CO2濃度可以促進(jìn)甘氨酸甜菜堿的合成,從而增強(qiáng)鹽脅迫下藜麥根系對Na+和K+的選擇吸收能力,維持適當(dāng)?shù)腒+-Na+比,促進(jìn)質(zhì)膜的主動排Na+,顯著降低葉片中Na+的積累,緩解Na+的毒害作用[29]。同時,高CO2濃度促進(jìn)根系發(fā)育、提升根系吸水能力,緩解葉片細(xì)胞脫水情況,有效調(diào)節(jié)植物Ψl和Ψπ,降低細(xì)胞內(nèi)Na+濃度,維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡。
在鹽脅迫條件下,植物需要不斷降低水勢才能吸收水分,以維持植物體內(nèi)水分平衡和正常生理代謝,在水勢和滲透勢協(xié)同作用下細(xì)胞壓力勢逐漸降低,然而,壓力勢降低造成細(xì)胞的原生質(zhì)體對細(xì)胞壁的作用力減弱,直接導(dǎo)致植物萎蔫甚至枯萎[30]。本研究表明,CO2濃度倍增能有效地調(diào)節(jié)鹽脅迫下藜麥水分運(yùn)動,提升藜麥滲透調(diào)節(jié)能力。一方面是由于高CO2濃度處理顯著降低藜麥葉片Na+含量,而葉片Na+含量與Ψl、Ψπ和Ψp,呈顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系(圖4),因此鹽脅迫下藜麥缺水狀況得到緩解,不需要進(jìn)一步降低Ψl加強(qiáng)對水分的吸收,同時,Ψp升高能穩(wěn)定葉片細(xì)胞形態(tài),保證其正常的生理功能。另一方面,高CO2濃度條件下藜麥根系發(fā)育和吸水速率顯著增加,進(jìn)而提高葉片相對含水率,從而促進(jìn)藜麥滲透調(diào)節(jié),提高葉片細(xì)胞保水和維持Ψp的能力。
本研究通過人工氣候室精準(zhǔn)控制CO2濃度,在2個CO2濃度(常規(guī)組:400 μmol/mol和倍增組:800 μmol/mol)條件下,探討在400 mmol/L NaCl鹽脅迫下,CO2濃度對耐鹽作物藜麥光合、離子吸收和水分運(yùn)動的影響,得到如下結(jié)論:
1)在常規(guī)組和鹽脅迫組中,CO2濃度對藜麥葉片光合速率、氣孔導(dǎo)度和內(nèi)稟水分利用效率均產(chǎn)生顯著影響。在鹽脅迫處理下,CO2濃度倍增顯著提升藜麥光合速率最高可達(dá)39.4%,降低氣孔導(dǎo)度最高達(dá)11.5%。但隨著藜麥生長,葉片Pn和Gs波動幅度逐漸減小,產(chǎn)生“光和適應(yīng)現(xiàn)象”。同時,CO2濃度倍增處理顯著提高葉片內(nèi)稟水分利用效率和藜麥產(chǎn)量。
2)在常規(guī)組中,CO2濃度對藜麥葉片Na+含量、K+含量和K+-Na+比的影響均不顯著。在鹽脅迫組中, CO2濃度倍增顯著降低藜麥葉片Na+含量(49~63 d),增加葉片K+含量(56~63 d),表現(xiàn)出明顯的吸K+排Na+的現(xiàn)象,并維持較高的K+/Na+比。
3)在常規(guī)組中,CO2濃度對藜麥葉片水勢、滲透勢和壓力勢影響均不顯著。在鹽脅迫組中,CO2濃度倍增能激發(fā)藜麥葉片滲透調(diào)節(jié)能力,有效調(diào)控葉片水分運(yùn)動,降低葉片滲透勢和水勢(49~63 d),提高壓力勢,緩解藜麥葉片細(xì)胞水分虧缺,維持細(xì)胞正常的生理功能。
綜上,本研究結(jié)果表明CO2濃度升高有效緩解鹽脅迫對藜麥生長造成的不利影響。