王婉朝 ,付茵茵 ,李雙云 ,龐彩紅 ,劉盛芳 ,哈新英 ,楊克強 ,夏陽 *
(1.山東省林業(yè)科學(xué)研究院/山東省林業(yè)遺傳改良重點實驗室/黃河三角洲林木遺傳育種國家林草局重點實驗室,山東 濟南 250014;2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,山東 泰安 271018;3.濟南市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展服務(wù)中心,山東 濟南 250000)
隨著全球經(jīng)濟和城市化進程的迅速發(fā)展,全球環(huán)境問題越來越嚴重,土地資源短缺,出現(xiàn)人多地少的窘境,因此,改善生態(tài)環(huán)境,擴大可用土地資源迫在眉睫。鹽堿地是重要的后備土地資源,中國鹽堿地分布面積大,分布范圍廣[1],對鹽堿地進行合理的改造利用是改善生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要舉措。近年來,學(xué)者們通過各種措施改良鹽堿地,其中生物改良是改善鹽堿地的重要舉措之一,耐鹽植物的選育已經(jīng)得到了社會各界的廣泛認同[2-4],耐鹽植物既能改善土壤肥力,降低土壤含鹽量,又可以發(fā)展優(yōu)質(zhì)作物來提高生產(chǎn)效益[5]。
槐樹(Sophora japonica L.)蝶形花亞科(Papilionoideae)槐屬(Sophora),是我栽培最為普遍、適應(yīng)性廣,集材多用途為一體的人文鄉(xiāng)土樹種[5]?;睒湓a(chǎn)于中國,主要集中在我國北部,是喜光植物,耐寒、耐旱,耐貧瘠,易修剪,移栽成活力高,抗病蟲害能力強,對土壤適應(yīng)性強,具有一定的固氮作用及耐鹽性,因此在全國各地普遍栽植。近年來,槐樹的研究主要集中在品種選育[6]、繁殖、病蟲害防治、園林綠化、藥用價值開發(fā)[7]、生理生態(tài)特征[8]、表型多樣性、分子標記、遺傳多樣性評價[9-11]等方面,但我國槐樹育種方向比較單一,對各種用途以及適應(yīng)惡劣生態(tài)環(huán)境的優(yōu)良品系尚未建立,尤其在關(guān)于槐樹耐鹽方面的研究較少。因此,選育槐樹的耐鹽品種對鹽堿地的綠化具有重要意義,可以有效改善鹽堿地土壤,對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重大現(xiàn)實意義。侯姣姣等在NaCl脅迫下,采用菌液定量灌根法測定國槐幼苗的生長指標與生理指標,發(fā)現(xiàn)在NaCl脅迫,菌株H-1、H-3、H-4和H-6下國槐的抗鹽能力提高[12]。張川紅等在鹽脅迫下測定了國槐和中林46楊幼苗葉和根系生物膜類脂組成的變化,發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下國槐葉的磷脂含量呈上升趨勢,中林46楊葉磷脂含量則稍有下降,并且脅迫前后中林46楊葉和根系的PC PE的比值和總極性脂的不飽和指數(shù)均高于國槐 ,說明中國槐比林46楊抗鹽能力強[13]。付茵茵等在不同NaCl濃度脅迫下,對5個槐樹無性系的生長指標及生理指標進行了測定,發(fā)現(xiàn)隨NaCl濃度的升高,各個無性系的生長指標明顯下降,葉綠素含量也有所下降,而電導(dǎo)率、MDA含量均表現(xiàn)為上升趨勢,抗氧化酶活性則是先升高后降低,綜合評價分析發(fā)現(xiàn)‘華夏’和‘華碩’可作為耐鹽品種推廣[14]。本試驗對4個槐樹品種進行鹽脅迫試驗,測定其生長指標與生理指標,旨在篩選出耐鹽性較強的品種為鹽堿地改良及推廣提供較優(yōu)方案。
實驗材料來自山東省林業(yè)科學(xué)研究院選育的3個不同的優(yōu)良品種,‘華夏’(耐鹽、速生、發(fā)芽早、綠期長、觀賞性強)、‘姹紫1號’(樹干微彎,枝條斜展,花色深紅)、無性系589(優(yōu)良單株、花期長、開粉花),以 普通槐樹為對照。
2020年選取長勢一致的1年生嫁接苗(苗高80 cm左右、嫁接位置以上3~5 cm處干粗2.08 cm左右),秋天起苗后假值越冬。定植盆規(guī)格為38 cm×28 cm,盆栽基質(zhì)由土、珍珠巖、腐殖土、有機肥,按體積3:3:2:2(體積)混合均勻,每盆基質(zhì)裝10 kg。2021年4月20日種植,每盆1株,定干高度為嫁接位置以上10 cm,培養(yǎng)于山東省濟南市山東省林業(yè)科學(xué)院飲馬泉苗圃基地智能溫室內(nèi)(溫度25℃~35℃,濕度70%~90%),至5月20日(種植后30天),進行鹽處理。各品種設(shè)置NaCl處理剃度為0(CK)、0.2%、0.4%、0.6%(按盆土重量計算),每個濃度處理5盆,鹽水分2次隨水施入盆土,間隔7 d,在盆底墊盤回收外滲液并澆回盆內(nèi),每7 d隨機擺放1次盆的位置。在6月15日(NaCl處理后第36 d),各處理選取具有代表性植株3株,分別對生長指標、生理指標進行測定。
NaCl處理后第36 d,測定各品種的苗高(cm)、地徑增長量(cm)以及生物量(g)。地徑測定部位選擇樹干嫁接位置以上3~5 cm處的直徑,生物量測定方法為NaCl脅迫結(jié)束后,將一年生新枝全部刈割帶回實驗室,枝葉分開清洗,擦干后在105℃下殺青15min后,置于75℃恒溫烘干,至質(zhì)量不再發(fā)生變化,用電子秤稱量枝葉重量之和即為生物量。
計算脅迫期間株高、地徑凈生長量(凈增長量=G1-G0(G1、G0分別為脅迫后與脅迫前的苗高、地徑測量值)
計算地上部分生物量(簡稱生物量,下同)=1年生枝烘干后的重量+葉片烘干后的重量
在NaCl脅迫第36 d,采集植株中上部葉片進行各生理生化指標的測定,葉綠素含量采用乙醇萃取法測定[15];電解質(zhì)外滲率采用電導(dǎo)率法測定[16];過氧化物酶(SOD)含量采用氮藍四唑法測定;超氧化物歧化酶(POD)含量采用愈創(chuàng)木酚法測定;過氧化氫酶(CAT)含量采用高錳酸鉀法測定;丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定;脯氨酸采用酸性茚三酮染色法測定。
U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin),j=1,2,3,…,n
注:Xj代表第j個綜合指標,Xmin代表第個j綜合指標的最小值,Xmax代表第j個綜合指標的最大值。
采用Microsoft Excel 2010軟件對實驗數(shù)據(jù)進行整理、分析和制圖,并利用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析。
4個槐樹品種在NaCl濃度處理下生長指標的變化見圖1、圖2、圖3。結(jié)果表明,隨著鹽濃度的增加,苗高增長量、地徑增長量和生物量均呈下降趨勢。在0.2% NaCl處理下,除普通槐樹外,其余3個品種的苗高增長量、地徑增長量和生物量均與CK差異不顯著;在0.4% NaCl處理下,普通槐樹、‘姹紫1號’和無性系589的苗高增長量、地徑增長量和生物量均與CK的達到顯著差異水平;在0.6%Na-Cl處理下,4個槐樹品種的苗高增長量、地徑增長量與生物量均與CK的差異達到了顯著水平??梢钥闯?,隨著濃度的增加,各個品種間的差異也越來越顯著;也可看出,‘華夏’耐鹽性最強,而普通槐樹最弱。
從圖1可知,在0.2%和0.4% NaCl濃度時,各個品種間的苗高增長量差異不顯著;在0.6% NaCl濃度時,‘華夏’和無性系589的苗高增長量明顯高于普通槐樹,普通槐樹較CK處理時下降了54.28%,‘華夏’下降了38.11%。
圖1 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種苗高增長量的變化Figure 1 Changes of seedling height growth of four Sophora japonica varieties under different salt treatment concentrations
從圖2可知,在0.2%和0.6% NaCl濃度時,各品種間的地徑增長量差異不顯著;在0.4% NaCl濃度時,普通槐樹的地徑增長量明顯低于其他3個品種,且‘華夏’的地徑增長量顯著高于‘姹紫1號’;在0.6% NaCl濃度時,但各個品種間差異不顯著。
圖2 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種地徑增長量的變化Figure 2 Changes of ground diameter growth of four Sophora japonica varieties under different salt treatment concentrations
從圖3可知,在0.4%和0.6% NaCl濃度處理時,各個品種間的生物量差異不顯著。在0.2% NaCl濃度時,普通槐樹的生物量明顯低于‘華夏’和無性系589。
圖3 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種生物量的變化Figure 3 Changes of biomass of four Sophora japonica varieties under different salt concentrations
4個槐樹品種在NaCl濃度下抗氧化酶活性的變化見圖4、圖5、圖6。結(jié)果表明,SOD活性、POD活性、CAT活性隨著鹽濃度的增加均呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢。在0.2% NaCl濃度下,除‘華夏’外,其余品種的抗氧化酶活性與CK均達到了顯著差異水平,‘華夏’的SOD活性和CAT活性與CK達到了顯著差異水平;在0.4% NaCl濃度下,4個槐樹品種的抗氧化酶活性與CK均達到了顯著差異水平;在0.6% NaCl濃度下,4個槐樹品種的CAT活性均與CK達到了顯著差異水平,‘華夏’和‘姹紫1號’的SOD活性與CK達到了差異顯著水平??梢钥闯觯?.4NaCl濃度時,各品種的抗氧化酶活性均與CK存在顯著差異。
從圖4可知,4個品種的SOD活性隨著鹽濃度的增加表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,但都較對照處理的SOD活性大,除‘華夏’外,其余品種均在0.2% NaCl濃度時SOD活性達到最大值且增幅 (>53%)較為明顯,且‘華夏’與普通槐樹、‘姹紫1號’和無性系589存在顯著性差異;到0.4% NaCl濃度時,‘華夏’的SOD活性達到最大值,‘華夏’和‘姹紫 1號’的 SOD活性明顯高于普通槐樹;在0.6% NaCl濃度時,4個槐樹品種的SOD活性均下降但品種間差異不顯著。
圖4 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種SOD活性的變化Figure 4 Changes of SOD activity of four Sophora japonica cultivars treated with different salt concentrations
從圖5可知,4個品種POD活性隨不同鹽濃度處理下的變化趨勢與SOD變化相似,0.2% NaCl濃度時,‘姹紫1號’和無性系589的POD活性明顯高于‘華夏’和普通槐樹;在0.4% NaCl濃度時,‘華夏’和普通槐樹的POD活性達到最大值,且‘華夏’明顯高于無性系589;在 0.6% NaCl濃度時,各品種的POD活性均下降,‘華夏’明顯高于普通槐樹。
圖5 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種POD活性的變化Figure 5 Changes of POD activity of four Sophora japonica cultivars treated with different salt concentrations
從圖6可知,隨著鹽濃度的增加,普通槐樹、‘姹紫1號’和無性系589的CAT活性均是先上升后降低,在0.4% NaCl濃度時達到最大值,但‘華夏’的CAT活性呈穩(wěn)定上升趨勢。在0.2% NaCl濃度時,普通槐樹的CAT活性明顯高于‘華夏’;0.4% NaCl濃度時,‘華夏’、普通槐樹、無性系589之間達到差異顯著水平,其中普通槐樹的CAT活性最大,較0.2%濃度時增幅為30.26%;0.6% NaCl濃度時,‘華夏’的CAT活性最大且與其他品種達到差異顯著水平。
圖6 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種CAT活性的變化Figure 6 Changes of CAT activity of four Sophora japonica cultivars treated with different salt concentrations
4個槐樹品種在NaCl濃度下葉綠素的變化見圖7。結(jié)果表明,隨著鹽濃度的增加,4個槐樹品種的葉綠素含量均呈下降趨勢,且差異性越來越顯著。在0.2%濃度下,普通槐樹和無性系589與CK達到了差異顯著水平;在0.4%和0.6%濃度下,4個槐樹品種的葉綠素含量均與CK達到了差異顯著水平。
從圖7中可知,在0.2%和0.4% NaCl濃度時,4個品種間葉綠素含量差異均不顯著;在0.6% NaCl濃度時,‘華夏’葉綠素含量明顯高于普通槐樹。
圖7 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種葉綠素含量的變化Figure 7 Changes of chlorophyll content in four Sophora japonica cultivars under different salt concentrations
4個槐樹品種在NaCl濃度下脯氨酸含量、電導(dǎo)率、MDA含量的變化見圖8、圖9、圖10。結(jié)果表明,隨著鹽濃度的增加,4個槐樹品種的脯氨酸含量和電導(dǎo)率呈上升趨勢,MDA含量變化總體上呈上升趨勢,且各品種的差異性越來越顯著。在0.2%處理下,4個槐樹品種的電導(dǎo)率和MDA含量均與CK達到了差異顯著水平,脯氨酸含量與CK差異不顯著;在0.4%和0.6%處理下,4個槐樹品種的脯氨酸含量、電導(dǎo)率、MDA含量均與CK達到了差異顯著水平。
從圖8可知,隨著鹽濃度的增加,4個槐樹品種的脯氨酸含量逐漸上升且增幅均平緩,在0.2%~0.6% NaCl濃度時4個品種間差異不顯著。
圖8 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種脯氨酸含量的變化Figure 8 Changes of proline content of four Sophora japonica varieties under different salt concentrations
從圖9可知,4個槐樹品種隨著鹽濃度的增加電導(dǎo)率均呈上升趨勢。在0.2%和0.6% NaCl濃度時,4個品種間差異不顯著;在0.4% NaCl濃度處理下,普通槐樹的電導(dǎo)率明顯大于‘華夏’和無性系589。
圖9 不同鹽處理濃度對4個槐樹品種MDA含量的變化Figure 9 Changes of MDA content in four Sophora japonica varieties under different salt concentrations
從圖10可知,隨著鹽濃度的增加,‘華夏’的MDA含量呈上升趨勢,而普通槐樹、‘姹紫1號’和無性系589的MDA含量先上升后降低,且在0.4%濃度時達到最大值。在0.2% NaCl濃度下,普通槐樹的MDA含量明顯大于無性系589;0.4% NaCl濃度下,普通槐樹的MDA含量明顯大于‘華夏’和無性系589;在0.6% NaCl濃度下,4個品種間差異不顯著。
圖10 同鹽處理濃度對4個槐樹品種MDA含量的變化Figure 10 Changes of MDA content in four Sophora japonica varieties under different salt concentrations
對0.6%濃度處理下的4個槐樹品種的3個生長指標和7個生理指標共10個指標進行了相關(guān)性分析見表1。結(jié)果表明,有2對指標呈極顯著相關(guān)(p<0.001),有7對指標呈顯著相關(guān)(p<0.005)。苗高增長量與SOD活性、POD活性、葉綠素含量和脯氨酸含量均顯著相關(guān);地徑增長量與SOD活性極顯著相關(guān),與脯氨酸含量顯著相關(guān);生物量與電導(dǎo)率極顯著負相關(guān),且相關(guān)系數(shù)在所有指標中最大,為0.997;SOD活性與脯氨酸顯著相關(guān);POD活性與葉綠素含量顯著相關(guān);脯氨酸含量和電導(dǎo)率顯著負相關(guān)。由此可知,生長指標與生理指標間存在明顯的差異性,應(yīng)該用二者相結(jié)合的分析方法來綜合評價槐樹的耐鹽性。
表1 4個槐樹品種各個指標相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of indexes of four Sophora japonica varieties
從表1可以看出,各指標間雖有相關(guān)性,但關(guān)聯(lián)程度并不相同。因此,對10項指標的主成分進行了分析(表 2)。
由表2可知,在0.4% NaCl和0.6% NaCl濃度處理下,以累積方差貢獻率大于80%且特征值≥1作為判別條件,分別得到2個主成分因子,累計貢獻率分別達到了84.615%和93.510%,包含了原始數(shù)據(jù)的絕大部分信息,可以用來評價4個不同槐樹品種耐鹽性。
表2 耐鹽指標主要特征值和貢獻率Table 2 Main characteristic values and contribution rate of salt tolerance index
在0.4% NaCl處理下,主成分1中地徑增長量(0.966)、葉綠素含量(0.964)、電導(dǎo)率(-0.928)和 MDA(-0.997)的特征值較大,其中地徑增長量和葉綠素含量為正相關(guān),電導(dǎo)率和MDA含量為負相關(guān);主成分 2中苗高增長量 (0.841)、生物量(0.740)和 POD 活性(0.759)的特征值較大,且均為正相關(guān)。在0.6NaCl處理下,主成分1中苗高增長量(0.974)、地徑增長量 (0.993)、SOD 活 性 (0.999)、POD 活 性(0.947)、葉綠素含量(0.926)、脯氨酸含量(0.980)和電導(dǎo)率(0.888)的特征值較大,電導(dǎo)率為負相關(guān),其余為正相關(guān);主成分2 中生物量(0.808)、CAT 活性(0.926)和MDA含量(0.875)的特征值較大,且都為正相關(guān)。由此可知,第1個主要反映了生長指標、抗氧化酶活性、光合因子和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì);第2主成分主要反映了生物量、抗氧化酶活性和膜損害物質(zhì)的含量。在2個主成分中,指標數(shù)值越大對槐樹的耐鹽性影響越大,本試驗中SOD活性、地徑增長量、脯氨酸和MDA指標較大,其中地徑增長量對NaCl脅迫最為敏感。
采用隸屬函數(shù)法計算出隸屬函數(shù)值(表3),采用主成分分析法計算出主成分值(表4),綜合隸屬函數(shù)與主成分分析對4個槐樹品種的耐鹽性進行綜合評價分析(表4)。隸屬函數(shù)值與主成分值分析發(fā)現(xiàn)在NaCl處理下,4個槐樹品種的耐鹽性排序均一致,由強到弱依次為:‘華夏’>無性系 589>‘姹紫 1號’>普通槐樹;因此‘華夏’和無性系589的耐鹽性較好,可以作為耐鹽槐樹品種推廣。
表3 4個槐樹品種各指標隸屬函數(shù)值Table 3 Membership function values of four indexes of Sophora japonica varieties
表4 4個國槐品種主成分值Table 4 Four principal component values of robinia pseudoacacia varieties
生理生化評價主要是關(guān)于研究植物的抗逆境生長能力方面的方法,通過對植物抗性進行評價鑒定,篩選出優(yōu)質(zhì)高抗植物,為抗性育種提供理論依據(jù)。鹽分是影響樹木生長最嚴重的限制因子之一,一般認為,樹木的相對生長是評價植物抗逆性及抗鹽性的重要指標[17]。該研究結(jié)果表明,4個槐樹品種在不同濃度的NaCl脅迫下對苗木的苗高增長量、地徑增長量以及生物量都有明顯抑制作用,并隨NaCl濃度的升高而增強。
植物在正常生長情況下體內(nèi)處于動態(tài)平衡狀態(tài),在受到逆境脅迫時平衡將會被打破,從而影響植物的正常生長,甚至造成植物死亡[18]。包括鹽脅迫在內(nèi)的各種脅迫都會影響樹木的生長,進而引起植物的氧化系統(tǒng)產(chǎn)生應(yīng)激,其影響程度與濃度及鹽的類型有關(guān)[19]。賈漫麗等對4個桑樹品種的2年生嫁接苗在在不同鹽濃度處理下測定其生理生化指標,結(jié)果表明,不同品種的SOD、POD、CAT活性隨鹽分濃度的增加先上升后下降,而在不同鹽分水平下,抗氧化酶活性明顯高于CK[20];Cuiyu Liu等對2年生的石榴幼苗在不同濃度NaCl下測定了其抗氧化酶活性的變化,結(jié)果表明,隨著鹽濃度的增加,SOD、POD和CAT活性先升后降,在0.4%時達到最大值[21]。該研究與上述研究結(jié)果相似,4個槐樹品種隨著NaCl濃度的增加抗氧化酶活性表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,在0.2%或0.4%達到峰值,達到一定鹽濃度時,植物產(chǎn)生的抗氧化酶不足以清除過多的活性氧而逐漸降低。
光合作用對植物的生長發(fā)育起著重要的作用,而鹽脅迫又會對植物的光合作用產(chǎn)生影響,進而導(dǎo)致葉片中葉綠素產(chǎn)生,使植株無法正常生長[22]。大多數(shù)[23-25]研究發(fā)現(xiàn)隨著鹽濃度的增加葉綠素含量降低,該研究結(jié)果與上述結(jié)果相似,隨NaCl濃度的增大,4個不同槐樹品種的葉綠素含量均呈下降趨勢。
細胞膜是保護植物細胞的重要屏障,Mansour M M F.發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜透性是選擇適應(yīng)NaCl的植物的重要參數(shù)[26]。質(zhì)膜滲透性一般用相對電導(dǎo)率來表達,相對電導(dǎo)率越高,質(zhì)膜透性越大。MDA是與質(zhì)膜透性相關(guān)指標,NaCl可使植物細胞中的活性氧含量升高,從而引起MDA的大量積累,造成膜脂過氧化作用,破壞膜蛋白,使細胞結(jié)構(gòu)損害。魏煬郴[27]、姜云天[28]、尤超[29]、付茵茵[14]等在NaCl下對6種樹木幼苗、四季海棠、油桃、槐樹進行了生理指標的測定,發(fā)現(xiàn)各樹木隨著鹽濃度的升高相對電導(dǎo)率和MDA含量增加。脯氨酸也是植物抗逆性的一項生化指標,一般在植物受到逆境脅迫時會大量產(chǎn)生,可通過溶解于細胞質(zhì)中,調(diào)控細胞的滲透電位來保護細胞的原生質(zhì)。Xu L等對6種種源苦楝在NaCl下測定了生理指標,發(fā)現(xiàn)脯氨酸在所有種源的幼苗中響應(yīng)NaCl而積累[25]。該研究發(fā)現(xiàn)不同槐樹品種的電導(dǎo)率和脯氨酸含量隨NaCl濃度的升高而上升;MDA含量總體上呈現(xiàn)出上升趨勢,除‘華夏’外其余品種的MDA含量先上升后下降,可能是由于植物在高鹽濃度時(0.4% NaCl)受到損害程度較大,植物難以繼續(xù)正常生長,因此MDA含量出現(xiàn)下降趨勢。
主成分分析和隸屬函數(shù)模糊評價法是目前較為普遍的一種綜合評價方法,能夠全面的反映植物抗逆性的強弱。該研究通過相關(guān)性和主成分分析發(fā)現(xiàn)槐樹的地徑增長量、脯氨酸和MDA對NaCl脅迫更為敏感;綜合隸屬函數(shù)與主成分值分析顯示4個槐樹品種的耐鹽性由強到弱依次為:‘華夏’>無性系589>‘姹紫1號’>普通槐樹,其中‘華夏’和無性系589耐鹽性較強,可作為耐鹽品種推廣。