鹽堿脅迫對藜麥幼苗葉片光合特性及抗氧化系統(tǒng)的影響

王寶強(qiáng), 趙 穎, 朱曉林, 王旺田, 魏小紅*

(1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；3. 甘肅省干旱生境作物學(xué)重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

土壤鹽堿化是當(dāng)前人類面臨的重大生態(tài)危機(jī)及限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一[1]。中國農(nóng)業(yè)部的數(shù)據(jù)表明，我國有3.40×105km2的鹽堿土地，其中僅1.24×105km2鹽堿地通過改良后具有潛在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)價值，還有接近63.53%的鹽堿地未被充分利用[2]。全國每年約有2.50×105hm2土地受鹽堿化影響，使糧食減產(chǎn)207億kg[3]。耐鹽植物的生長發(fā)育能改善土壤理化特性，在降低土壤鹽堿度、豐富生物群落多樣性等方面具有重要作用[4]。因此，在鹽堿化區(qū)域種植耐鹽植物，是鹽堿地改良、開發(fā)、利用的最優(yōu)方案之一。

光合作用是植物最關(guān)鍵的生理過程之一，光合系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是植物生長發(fā)育過程中產(chǎn)量形成的基本保障[17]。光合色素是植物進(jìn)行光反應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量高低與光合作用緊密相關(guān)[18]。因此，研究混合鹽堿脅迫下藜麥的光合特性是闡明藜麥耐鹽堿機(jī)制的重要途徑。研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫會抑制甜菜(BetavulgarisL.)的生長發(fā)育，降低凈光合速率和光合產(chǎn)物的積累[19]；在同一濃度混合鹽堿脅迫下，堿性鹽比例的增加還會降低霧冰藜(Bassiadasyphylla)葉片葉綠素(a，b)含量和葉綠素總量，凈光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)，胞間CO2濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)，氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductivity，Gs)也不斷下降[20]；堿地膚(Kochiasieversiana)在鹽脅迫和堿脅迫下葉綠素含量顯著下降且堿脅迫的影響更為明顯[21]。

為此，本研究將中性鹽(NaCl，Na2SO4)和堿性鹽(NaHCO3，Na2CO3)按不同比例配置成pH遞增的混合鹽堿溶液，模擬類似鹽堿土壤的脅迫環(huán)境，研究藜麥幼苗抗氧化系統(tǒng)、光合色素及光合能力對不同鹽堿環(huán)境的響應(yīng)，以期從抗氧化和光合能力角度為藜麥在鹽堿區(qū)域的引種和栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料處理

藜麥種質(zhì)購買于寧夏農(nóng)林科學(xué)院科泰種業(yè)有限公司，千粒重0.327 g。挑選籽粒飽滿、大小均一、無病蟲害的藜麥種子用5% NaClO消毒后播種在裝有等量營養(yǎng)土的花盆中(口徑12 cm，深10 cm)，在溫度為25℃，光照強(qiáng)度為4 000 Lux，濕度為60%，16 h光照/8 h黑暗光周期的人工氣候室培養(yǎng)，每隔2 d采用稱重法補(bǔ)充水分。6周后，每盆保留15株長勢一致且健康的幼苗進(jìn)行定苗并進(jìn)行鹽堿脅迫處理。

表1 鹽堿濃度配比及脅迫因素Table 1 The ratio of complex saline-alkaline solution and stress factors 單位：mmol·L-1

1.2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1葉綠素含量的測定 參照鄒琦[24]的分光光度法。

1.2.2光合氣體交換參數(shù)的測定采用CI-340 手持式光合測量儀，于脅迫的第9 d(晴天)上午9∶00—11∶00測定，選擇幼苗倒數(shù)第2～3片功能葉，測定凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔限制值(Stomatal limitation，Ls)。

1.2.3MDA含量和抗氧化酶活性的測定 MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸法[25]；超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性采用NBT顯色法測定[26]；過氧化物酶(Peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚氧化法測定[27]；過氧化氫酶(Catalase，CAT)活性采用紫外吸收法測定[28]?？箟难徇^氧化物酶活性(Ascorbate peroxidase，APX)參照Nakano和Asada[29]的方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016分析數(shù)據(jù)并作圖，采用SPSS 19.0軟件Duncan法分析差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對藜麥葉片光合色素的影響

鹽堿脅迫對藜麥葉片光合色素的影響如圖1所示，A，C處理下藜麥幼苗葉片葉綠素a(圖1 Ⅰ)和葉綠素總含量(圖1 Ⅳ)隨著鹽堿脅迫時間延長先升后降；B，D處理下僅有類胡蘿卜素含量(圖1 ⅠⅠⅠ)先升后降，而葉綠素a，b(圖1 ⅠⅠ)及葉綠素總含量均隨鹽堿脅迫時間延長逐漸上升。在脅迫的第3 d，E處理下，葉綠素a，b及葉綠素總含量分別比CK增加了50.56%，49.88%和50.25%(P<0.05)，而A，B，C，D處理葉綠素a，b及葉綠素總含量顯著低于CK處理(P< 0.05)。第6 d時，與CK相比，A，C處理下葉綠素a，b及葉綠素總含量增加61.10%，52.61%，57.35%和45.63%，62.21%，52.95%。第9 d時，與CK相比，A，B，C，D，E處理藜麥幼苗葉片葉綠素a，b及葉綠素總含量均下降，但D處理下降幅度明顯低于其他處理。與CK相比，藜麥幼苗葉片在脅迫第3 d，類胡蘿卜素含量在各處理下顯著升高(P<0.05)；第6 d，除C處理(下降21.25%)外，其余處理類胡蘿卜素含量均有不同程度提升；而在第9 d時各處理類胡蘿卜素含量顯著下降(P<0.05)，但D，E處理下降幅度較小。

圖1 鹽堿脅迫對藜麥幼苗葉片光合色素含量的影響Fig.1 Effects of saline-alkali stress on photosynthetic pigment contents of quinoa leaves注：5個處理分別為A(NaCl∶Na2SO4=1∶l)，B(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3=1∶2∶1)，C(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=1∶9∶9∶1)，D(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=l∶l∶l∶l)和E(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=9∶l∶1∶9)；同一天數(shù)不同字母表示各鹽堿處理下差異顯著(P<0.05)，下同Note:5 treatments are A(NaCl∶Na2SO4=1∶l)，B(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3=1∶2∶1)，C(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=1∶9∶9∶1)，D(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=l∶l∶l∶l)和E(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=9∶l∶1∶9)；Different lowercase letters at the same time indicate significant difference among saline-alkali stress treatment at the 0.05 level,the same as below

2.2 鹽堿脅迫對藜麥幼苗凈光合速率及氣體交換參數(shù)的影響

由表2可知，各種鹽堿脅迫下藜麥幼苗葉片Pn，Gs，Ci均顯著低于對照，而Ls顯著高于對照(P<0.05)。E處理下的Pn，Gs及Ci均下降最多，與對照相比分別降低74.87%，84.62%和53.95%；其次為D處理，分別比對照下降了48.41%，51.92%和40.00%；然后是B處理，與對照相比降低了40.20%，48.08%和37.04%；A，C處理與對照相比下降程度較低。各處理下Pn，Gs及Ci降幅排序為：E>D>B>C>A，而Ls在各處理下則逐漸升高，升幅順序為：E>D=B>C=A。

表2 鹽堿脅迫對藜麥幼苗葉片光合氣體交換參數(shù)的影響Table 2 Effects of saline-alkali stress on photosynthetic gas exchange parameter of quinoa leaves

2.3 鹽堿脅迫對藜麥幼苗MDA含量的影響

由圖2可知，隨著鹽堿脅迫時間延長，藜麥幼苗葉片中MDA含量在A，E處理下逐漸增加，在B，C處理下呈先增高后降低的趨勢，但D處理MDA含量基本保持恒定。在第3 d，A，D處理與CK相比，MDA含量顯著降低(P<0.05)；第6 d，E處理下MDA含量比CK增加了77.43%(P<0.05)；第9 d，C，E處理較CK分別提高了26.84%和130.69%(P<0.05)。

如圖2所示，隨著鹽堿脅迫時間延長，A，B，E處理莖中MDA含量先升后降，C，D處理MDA含量逐漸增加。與CK相比，A，B，C，D，E處理下莖中MDA含量在第3 d分別增加了121.48%，20.72%，97.50%，163.56%和88.27%，除B處理外均顯著增加(P<0.05)；在第6 d均增加了111.59%，89.99%，48.28%，49.46%和93.50%(P<0.05)，在第9 d分別增加了12.14%，4.75%，39.39%，16.41%和23.98%，但差異不顯著(C處理除外)。

圖2 鹽堿脅迫對藜麥幼苗MDA含量的影響Fig.2 Effects of saline-alkali stress on MDA content of quinoa in leaves and steam

2.4 鹽堿脅迫對藜麥幼苗抗氧化酶活性的影響

如圖3所示，隨脅迫時間的延長，藜麥葉片中SOD，CAT，APX活性呈逐漸下降趨勢，POD活性呈先降后升趨勢。在脅迫第3 d，與CK相比，A，B，C，D，E處理下葉片中SOD，POD，CAT及APX活性隨堿性鹽比例的增加而升高，且POD，APX活性顯著增加。第6 d時，C處理葉片中SOD活性最大，比CK高51.65%，而D和E較CK無顯著差異；葉片中POD酶活在E處理下最高；葉片中CAT與APX活性在A處理下最大但隨堿性鹽比例增加而降低。在第9 d，SOD活性在C，D，E處理間無顯著差異，但較CK有所增加，而A，B處理則顯著低于CK處理；葉片中POD酶活除C處理外較CK均顯著提高且在B處理下有最大值；各處理葉片中CAT活性顯著低于CK且在C處理下最??；葉片中APX酶活在5個處理下與CK相比均顯著降低(P<0.05)。

在A，B，C，D，E 5個處理下，藜麥莖中SOD，CAT活性隨脅迫時間的延長先升后降，而POD活性則先降后升(D，E處理除外)(圖3)。在鹽堿脅迫第3 d，與對照相比，各處理莖中SOD活性無顯著差異(P<0.05)，第6 d時，莖中SOD活性隨堿性鹽比例增加而升高，第9 d則隨堿性鹽比例增加先升后降，且在C處理下有最大值。與CK相比，E處理第3 d的莖中POD酶活提高11.28%(P<0.05)，其他處理均顯著降低(P<0.05)；在鹽堿脅迫第6 d，D，E處理下莖中POD活性則提高了6.40%和1.32%(P<0.05)；第9 d，C處理下莖中POD酶活最高。莖中CAT活性在各處理的第6 d均達(dá)到了最大值，比CK分別提升59.46%，100%，52.37%，86.49%和13.51%(P<0.05)。莖中APX酶活隨脅迫處理時間變化較大，各處理在脅迫第3 d均顯著高于CK，第6 d則都顯著低于CK，第9 d D和E處理顯著高于CK(P<0.05)，而其余處理低于CK。

圖3 鹽堿脅迫對藜麥幼苗葉片抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effects of saline-alkali stress on antioxidant enzymes activity of quinoa in leaves and steam

3 討論

3.1 藜麥幼苗光合特性與鹽堿脅迫的關(guān)系

光合作用是植物最基本也是最重要的生理代謝之一，葉綠素作為光合作用最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)之一，其含量的大小與光合作用強(qiáng)弱直接相關(guān)且呈現(xiàn)正比例關(guān)系[30]。本研究中，藜麥幼苗葉片中葉綠素水平呈現(xiàn)先升后降的趨勢，表明鹽堿脅迫導(dǎo)致了藜麥光合系統(tǒng)損傷，且隨堿脅迫程度的增加損傷也逐漸加劇。在高比例堿性鹽(E處理)脅迫時間較短(3 d)時，葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總含量比對照增加約50%，一方面可能是短時間的高鹽脅迫不會破壞葉綠體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不影響葉綠體的正常功能且可能激活藜麥幼苗內(nèi)的保護(hù)機(jī)制，暫時提高了葉綠素含量[31]，另一方面可能是藜麥吸收較多的鈉離子而使葉綠素酶的活性在一定程度上受到抑制，葉綠素的分解減少，最終導(dǎo)致其含量增加[32]。而隨著鹽堿脅迫的持續(xù)，葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素及葉綠素總含量逐漸下降，主要是長時間的鹽堿脅迫導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)受損且不可逆轉(zhuǎn)，同時由于離子毒害作用使葉綠素-蛋白質(zhì)復(fù)合物穩(wěn)定性變差，葉綠素氧化酶活性提高，加快了葉綠素的分解[33-34]。但D處理(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=l∶l∶l∶l)下降幅度明顯低于其他處理，這可能是相對均衡的離子比例維持了細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)平衡，對葉綠體結(jié)構(gòu)損傷和葉綠素降解具有一定的緩解作用[35-36]。

在鹽脅迫下，植物葉片合成葉綠素的過程受到阻礙，同時伴隨光合色素的分解及光合作用相關(guān)生物酶的失活，最終導(dǎo)致光合作用過程不能順利進(jìn)行，光合體系紊亂[37-38]。本研究中，鹽堿脅迫下藜麥幼苗葉片Pn,Gs,Ci均低于對照，而Ls顯著升高。這表明鹽堿脅迫下氣孔限制是藜麥幼苗光合速率下降的主要原因，植物可能通過增加脫落酸的分泌和滲透調(diào)節(jié)來降低氣孔導(dǎo)度以響應(yīng)鹽脅迫[39]，而CO2在氣孔中的通過率則直接影響其進(jìn)入葉綠體的數(shù)量，進(jìn)而決定其光合作用參與率及凈光合速率，因此，氣孔導(dǎo)度降低減少了進(jìn)入葉綠體的CO2數(shù)量，降低了CO2的光合作用參與度，凈光合速率下降[40]。

3.2 藜麥幼苗抗氧化特性與鹽堿脅迫的關(guān)系

研究表明，鹽脅迫下MDA會在細(xì)胞內(nèi)大量積累[41]。作為細(xì)胞有毒代謝產(chǎn)物的代表，MDA與多種胞內(nèi)組分反應(yīng)引起膜結(jié)構(gòu)及功能損傷。因此，MDA水平可代表膜質(zhì)過氧化程度，常用它作為膜損傷程度的指標(biāo)[42]。本研究中，在高濃度堿性鹽脅迫(處理E)下，脅迫時間越長，藜麥葉片MDA含量顯著增加；鹽堿脅迫9 d后，無論是中性鹽(處理A)、弱堿性鹽(處理C)，還是堿性鹽(E)，藜麥葉片MDA含量均顯著提高，但D處理MAD含量在9 d的處理周期中基本保持恒定。在藜麥莖中，5個處理MDA含量均隨脅迫時間而上升，但總體水平低于葉片。該研究結(jié)果說明藜麥葉片和莖都受到了鹽堿脅迫的損害，影響了其質(zhì)膜穩(wěn)定性進(jìn)而導(dǎo)致膜系統(tǒng)選擇透過能力降低，這與羅青紅[43]關(guān)于雜種榛(CorylusheterophyllaFisch.)鹽堿脅迫及鄭譯儒[44]對堿茅(Puccineliachinampoensis)和披堿草(Elymusdahuricus)堿性鹽脅迫的研究結(jié)果一致，但相對均衡的離子比例(D處理)維持了細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡，可能在一定程度上維持了質(zhì)膜穩(wěn)定性，降低了膜損傷程度[35-36]。此外，本研究結(jié)果也暗示與莖相比藜麥葉片細(xì)胞膜對鹽堿脅迫響應(yīng)更為迅速且敏感，受損傷程度更深。

4 結(jié)論

綜上所述，增加堿性鹽(Na2CO3，NaHCO3等)比例及脅迫時間對藜麥幼苗葉片光合特性及抗氧化系統(tǒng)有不利影響，其對藜麥的脅迫因子除了和中性鹽NaCl，Na2SO4共有的Na+造成的離子毒害、滲透脅迫、離子不平衡之外，還可能有高pH造成的礦質(zhì)元素可利用性降低等因素，但均衡的離子比例所表現(xiàn)出的協(xié)同效應(yīng)可提高藜麥幼苗的鹽堿耐受性，降低脅迫損傷。