不同濃度Na2CO3脅迫處理對科羅拉多藍杉生理特性的影響

于世河，鄭 穎，卜鵬圖，金 山

（1.遼寧省林業(yè)科學研究院，沈陽 110032；2.新賓滿族自治縣自然資源發(fā)展中心，遼寧撫順 113200）

土壤鹽堿化是世界范圍內廣泛存在的農業(yè)及生態(tài)問題，由Na2CO3、NaHCO3等堿性鹽所造成的土壤鹽堿化問題日益嚴重[1-4]。植物生長與鹽的關系密不可分，植物種子萌發(fā)、生長發(fā)育及新陳代謝等都會對鹽脅迫做出敏感的響應。一般土壤鹽化都伴隨堿化一起發(fā)生，鹽堿脅迫會對抑制植物的生長發(fā)育，甚至導致其死亡[5-6]。但是，不同植物對鹽堿脅迫的耐受程度各不相同，所以探究鹽堿脅迫對植物的影響，了解其作用機制，對于提高植物抗脅迫能力及合理開發(fā)利用鹽堿地具有重要意義。

科羅拉多藍杉(Picea pungensvar.glauca)又名藍杉，原產于北美，目前已在我國很多省份，如黑龍江、內蒙古、吉林、遼寧、河北、山西、山東、甘肅等地大面積栽培[7-9]。科羅拉多藍杉是傳統(tǒng)的彩葉觀賞樹種，具有很高的園林觀賞價值。因其色彩奇特，作為珍稀藍色針葉樹，在松科中別具一格，可孤植或叢植，用于點綴和調節(jié)園林景觀色彩，也可栽植于公路兩側。藍杉生長較緩，適應性強，在肥沃及濕潤的土壤中生長良好。課題組在前期藍杉苗木的培育研究中發(fā)現(xiàn)，科羅拉多藍杉具有一定的抗旱性[7]。同時，在其種子萌發(fā)過程中，其對輕微的鹽脅迫也具有一定的抵抗能力。但是鹽脅迫對于藍杉植株的影響研究并無探討；特別是針對于堿性鹽脅迫，目前尚無人對其進行研究。因此，研究不同程度鹽堿脅迫對藍杉生理特性的影響，具有一定的理論價值和實踐意義。

為此，本研究擬通過對盆栽藍杉進行梯度濃度Na2CO3脅迫，測定其不同時期的生理特性，探討不同程度鹽堿脅迫對藍杉生長的影響，以期為栽植地及澆灌水資源的合理選擇與應用提供理論依據(jù)和技術支持。

1 材料與方法

1.1 材料

2019年6月于遼寧沈陽進行科羅拉多藍杉耐鹽堿性試驗。選取株高（超過30cm）一致，且生長良好的1年生藍杉進行研究。溫度為22~25℃；光強度為1000μmol·m-2·s-1,晝夜各12h；濕度為50%。栽培土壤均采集于遼寧省林業(yè)科學研究院試驗田，有機含量<10%，pH值6.5；花盆規(guī)格：直徑30cm，高45cm。

1.2 方法

本研究采取盆栽梯度濃度鹽水補給法。藍杉適應生長6周后，各植株生長狀況基本穩(wěn)定且趨于一致時，進行不同濃度Na2CO3的鹽堿脅迫處理，每組5個重復。分別在第10天、第20天、第30天、第40天對各項指標進行檢測。

鹽堿脅迫處理方法：取Na2CO3溶于蒸餾水中，配制成不同濃度（0，3‰，6‰，9‰）堿性鹽脅迫溶液。每5d澆水1次，同時檢測土壤中Na2CO3的濃度（鹽酸滴定法），以保證脅迫濃度的準確性。

1.3 生理指標測定

分別于藍杉被脅迫處理的第10天、第20天、第30天、第40天，于植株上、中、下部位剪取等量（各2g）混于一起，3個重復，以備后續(xù)生理指標檢測。

1.3.1 葉綠素含量測定按4∶5∶1的體積例配置丙酮、乙醇及水的提取溶液。將等量針葉剪碎成小塊，于提取液中對葉綠素進行提取。利用分光光度計測定吸光值，朗伯-比爾定律計算葉綠素a和葉綠素b含量[7]。

1.3.2 有機滲透調節(jié)物質含量測定取等量針葉于液氮中，研磨成粉狀，然后將其溶于生理鹽水中。蒽酮法測定可溶性糖含量[10]；酸性茚三酮顯色法測定游離脯氨酸含量[11]。

1.3.3 相對電導率的測定將0.5g針葉剪碎成小塊置于20mL蒸餾水中，靜置20min。測定電導率S1，然后將其于100℃中水浴30min，冷卻后測定電導率S2。蒸餾水電導率為S0。相對電導率S（%）=(S1-S0)/(S2-S0)×100[7]。

1.3.4 酶活力的測定氮藍四唑（NBT）法測定超氧化物歧化酶（SOD）活力[12]；比色法測定過氧化物酶（POD）活力[13]；硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MAD)含量[14]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所得數(shù)據(jù)進行two-way ANOVA分析（GraphPad Prism 8），p<0.05視為有統(tǒng)計學意義，不同字母標記視為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 不同鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉光合色素的影響

由圖1可知，隨著Na2CO3處理濃度的升高，其含量呈下降的趨勢。第10天，各組之間葉綠素a的含量并無顯著性差異；第20天，CK組、3‰組及6‰組之間的葉綠素a含量并無顯著差異，但9‰組的含量相對于其他3組顯著降低（p＜0.05）；第30天，6‰組葉綠素a含量顯著低于CK組，9‰組顯著低于CK組和3‰組（p<0.05）；第40天，6‰組葉綠素a顯著低于CK組，且9‰組顯著低于其他3組（p<0.05）。

圖1 鹽堿脅迫對藍杉葉綠素a含量的影響Figure 1 Effects of saline-alkali stress on chlorophyll a content of Picea pungens var.glauca

不同濃度的鹽堿脅迫對藍杉針葉中葉綠素b含量的影響與葉綠素a相似。由圖2可知，隨著Na2CO3處理濃度的升高，其含量也呈下降的趨勢。第10天，各組之間葉綠素b的含量并無顯著差異；第20天，CK組、3‰組及6‰組之間的葉綠素b并無顯著差異，但9‰組的含量顯著低于CK組和3‰組（p<0.05）；第30天，6‰組葉綠素b含量顯著低于CK組，9‰組顯著低于CK組和3‰組（p<0.05）；第40天，6‰組和9‰組葉綠素b顯著低于其他兩組（p<0.05）。

圖2 鹽堿脅迫對藍杉葉綠素b含量的影響Figure 2 Effects of saline-alkali stress on chlorophyll b content of Picea pungens var.glauca

2.2 不同鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉有機滲透調節(jié)物質及細胞膜透性的影響

由圖3可知，隨著Na2CO3處理濃度的增大，其含量整體呈上升趨勢。第10天和第20天，各組之間可溶性糖的含量并無顯著性差異。但是，第30天和第40天，9‰組葉綠素b的含量大幅升高，顯著高于其他3組（p<0.05）。

圖3 鹽堿脅迫對藍杉可溶性糖含量的影響Figure 3 Effects of saline-alkali stress on soluble sugar content of Picea pungens var.glauca

由圖4可知，隨著Na2CO3處理濃度的升高，其含量呈下降的趨勢。第10天，各組之間游離脯氨酸的含量并無顯著性差異；第20天，CK組、3‰組及6‰組之間的游離脯氨酸含量并無顯著差異，但9‰組的含量卻顯著低于其他3組（p<0.05）；第30天和第40天，6‰組游離脯氨酸含量顯著低于CK組，9‰組顯著低于其他3組（p<0.05）。

圖4 鹽堿脅迫對藍杉游離脯氨酸含量的影響Figure 4 Effects of saline-alkali stress on free proline content of Picea pungens var.glauca

由圖5可知，第10天，各組之間相對電導率并無顯著性差異；在第20天，CK組、3‰組及6‰組之間的相對電導率并無顯著差異，但9‰組相對于3‰組卻顯著上升（p<0.05）；第30天和第40天，CK組、3‰組及6‰組之間的相對電導率也無顯著性變化，但是9‰組相對于其他3組卻顯著上升（p<0.05）。

圖5 鹽堿脅迫對藍杉相對電導率的影響Figure 5 Effects of saline-alkali stress on relative electrical conductivity of Picea pungens var.glauca

2.3 不同鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉抗氧化物酶活性和丙二醛含量的影響

由圖6可知，隨著Na2CO3處理濃度的升高，其活性呈下降趨勢。第10天，各組之間相對SOD活性并無顯著性差異；第20天，6‰組的SOD活性顯著低于3‰組，9‰組顯著低于其他3組（p<0.05）；第30天6‰組的SOD活性顯著低于CK組，9‰組顯著低于其他3組（p<0.05）；第40天，3‰組及6‰組的SOD活性顯著低于CK組，9‰組顯著低于其他3組（p<0.05）。

圖6 鹽堿脅迫對藍杉超氧化物歧化酶活力的影響Figure 6 Effects of saline-alkali stress on superoxide dismutase activity of Picea pungens var.glauca

不同濃度的鹽堿脅迫對藍杉針葉中過氧化物酶(POD)活性的影響與SOD相似。由圖7可知，隨著Na2CO3處理濃度的升高，其活性呈下降趨勢。第10天，6‰組及9‰組的POD活性顯著低于CK組及3‰組；第20天，4組之間的POD活性都具有顯著差異，其中，3‰組顯著高于其他3組，而6‰組顯著低于CK組及3‰組，9‰組顯著低于其他3組（p<0.05）；第30天和第40天，6‰組的POD活性顯著低于CK組，9‰組顯著低于其他3組（p<0.05）。

圖7 鹽堿脅迫對藍杉過氧化物酶活力的影響Figure 7 Effects of saline-alkali stress on peroxidase activity of Picea pungens var.glauca

不同濃度的鹽堿脅迫對藍杉針葉中丙二醛(MDA)含量的影響與SOD及POD活性相反。由圖8可知，隨著Na2CO3處理濃度的升高，其含量呈上升趨勢。第10天，CK組、3‰組及6‰組之間的MDA含量并無顯著差異，但9‰組顯著高于3‰組（p<0.05）；第20天，6‰組的MDA含量顯著高于3‰組，9‰組顯著高于其他3組（p<0.05）；第30天，6‰組的MDA含量顯著高于CK組及3‰組，9‰組顯著高于其他3組（p<0.05）；第40天，6‰組及9‰組的MDA含量顯著高于CK組及3‰組，且9‰組顯著高于6‰組（p<0.05）。

圖8 鹽堿脅迫對藍杉丙二醛含量的影響Figure 8 Effects of saline-alkali stress on malondialdehyde content of Picea pungens var.glauca

3 討論與結論

植物生長發(fā)育受到土壤鹽堿度的高度影響。鹽堿度過高會對植物造成不可逆的損害，甚至導致其死亡。鹽堿脅迫環(huán)境中，植物的一列生理活動都會受到不同程度的抑制，如光合色素及有機滲透調節(jié)物質的合成、細胞膜透性的變化、抗氧化酶活性的平衡和細胞膜的脂質氧化[5-7]。

光合作用在葉綠素的參與下才能順利完成。葉綠體作為葉綠素的合成部位，其在鹽堿脅迫下會導致結構及功能的破壞，使葉綠素的合成效率減小，光合作用效率降低[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鹽堿脅迫處理（3‰），藍杉葉內的葉綠素a及葉綠素b含量與CK（0）并無顯著性區(qū)別；而隨著濃度的增加，6‰與9‰鹽堿脅迫的藍杉葉內葉綠素含量在第20天~第40天內顯著下降。這表明鹽堿脅迫可能損害了藍杉的葉綠素合成路徑或合成器官，致使其葉內的葉綠素合成受阻，葉綠素含量降低。這與孔強等[1]對東方杉的鹽堿脅迫研究相似。

鹽堿脅迫會造成植物的有機滲透調物質的變化，通過提高其合成水平來實行對植物的保護作用。這些有機滲透調節(jié)物質包括可溶性糖、游離脯氨酸、茉莉酸等[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，在0~9‰的鹽堿脅迫處理范圍內，前期藍杉葉內可溶性糖含量并無明顯區(qū)別；直到第30天~第40天，9‰的可溶性糖含量才出現(xiàn)顯著性升高。而游離脯氨酸含量在低濃度鹽堿脅迫處理（3‰）下并無顯著變化；但是隨著鹽堿濃度的升高，在后期游離脯氨酸的含量反而出現(xiàn)了顯著的降低。這表明在藍杉體內可溶性糖對于鹽堿脅迫的敏感度要強于游離脯氨酸，其可作為滲透調節(jié)物對植物起保護作用。

植物抗氧化酶體系，是植物抵御其在逆境脅迫環(huán)境中所產生的活性氧(reactive oxygen species,ROS)及自由基的重要防線，從而對植物起到保護的作用。SOD與POD是植物抗氧化酶體系的重要組分[18-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，SOD與POD活力在輕度鹽堿脅迫（3‰）的條件下，前期有所升高，但是其會隨著脅迫程度的加劇而降低，特別是6‰及9‰組相對于CK（0）組顯著降低。這表明，在遭遇輕度鹽堿脅迫的情況下，藍杉會啟動抗氧化酶體系抵御脅迫所造成的的傷害，但是一旦脅迫程度過重，則會導致整個體系的不可逆破壞。MDA是植物體內膜脂過氧化的最終產物，也是膜系統(tǒng)受傷害程度的重要標志之一[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度的鹽堿脅迫條件下（3‰），藍杉體內的MDA含量與CK（0）并無明顯區(qū)別，但是當脅迫程度加劇的情況下，其含量顯著上升。這表明藍杉在較低的鹽堿脅迫條件下，其細胞膜并未受到明顯傷害，但鹽脅迫程度的加劇，細胞膜出現(xiàn)了不同程度的損傷。這與王京偉等[21]對藍杉種子萌發(fā)的NaCl脅迫研究相似。

綜上所述，輕度鹽堿脅迫（3‰）并不會對藍杉的生理活動造成顯著的抑制作用；而隨著脅迫程度的加劇及時間的延長，其各項生理指標則顯著受到干擾。因此，在藍杉栽植地及水源的選擇上，可以選擇中性甚至是輕度鹽堿突然進行栽植和水源進行澆灌。本研究的結果為藍杉栽植地及澆灌水資源的合理選擇與應用提供理論依據(jù)和技術支持，藍杉對鹽脅迫的應對機制還需更加深入的探究。