鹽脅迫對兩種甘草幼苗生物量及光合熒光特性的影響

劉 萱，王 蕓

（1．河南廣播電視大學(xué)農(nóng)醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450008；2．西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

土壤鹽堿化是農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的巨大威脅［1］，特別是在干旱半干旱農(nóng)業(yè)種植區(qū)域，更是對作物生產(chǎn)造成了一定影響，培育和引進(jìn)耐鹽堿的優(yōu)良植物材料是綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要［2-3］。光合作用是植物生長進(jìn)程中最重要的生理生化過程，光合系統(tǒng)能否運(yùn)轉(zhuǎn)正常對作物產(chǎn)量的形成至關(guān)重要［4-5］。有學(xué)者通過研究證實(shí)，作物耐鹽性的高低會影響光合作用的強(qiáng)弱，進(jìn)而影響植株的正常生理功能，最終影響作物產(chǎn)量［6-10］。因此，研究藥用植物的光合特性，對于闡明甘草耐鹽堿機(jī)制，促進(jìn)鹽堿地的高效利具有十分重要的意義。

葉綠素的含量可以反映光合作用對鹽分脅迫的響應(yīng)，光合熒光參數(shù)的變化能對植物光合潛能進(jìn)行準(zhǔn)確表征［11-12］。孫文君等［13］研究表明，棉花在鹽濃度為50 ～100 mmol·L-1范圍內(nèi)能夠避免光反應(yīng)系統(tǒng)受到損傷，而當(dāng)鹽濃度達(dá)到150 mmol·L-1時，葉片的光能利用效率顯著降低，最終導(dǎo)致植物生長受到抑制。王寶強(qiáng)等［14］研究表明，堿性鹽比例及脅迫時間對藜麥幼苗葉片光合系統(tǒng)及抗氧化系統(tǒng)有不利影響，但均衡離子比例的協(xié)同效應(yīng)可以改善藜麥幼苗的鹽堿耐受性。鞏志勇等［15］研究表明，鹽堿混合脅迫顯著抑制了香椿幼苗葉片光合作用，但香椿可以通過調(diào)控抗氧化系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來適應(yīng)鹽堿脅迫環(huán)境，從而具備一定的耐鹽堿能力。溫賽群等［16］研究表明，鹽脅迫下花生品種抗鹽耐逆的主要生理響應(yīng)特征是提高光補(bǔ)償點(diǎn)和最大凈光合速率，增強(qiáng)葉片持水能力和物質(zhì)代謝能力，提升抗氧化和滲透調(diào)節(jié)能力?？梢?，植物的耐鹽性涉及多種耐鹽機(jī)制的協(xié)調(diào)作用。甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）是一種多年生草本中藥材植物，因其具有抗鹽堿和抗旱等特性，是中國“三北”干旱鹽堿地區(qū)重要的植物資源之一［17-18］。甘草是大宗的藥用植物，但目前對于不同甘草耐鹽機(jī)理的報(bào)道相對較少。為此，本研究通過對不同鹽脅迫濃度下甘草幼苗光合熒光特性方面的差異進(jìn)行了初步研究，探討了鹽脅迫對甘草幼苗生物量和光合作用的影響，為甘草在鹽堿地的抗逆栽培提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020 年6 月開始，在西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)科實(shí)訓(xùn)基地玻璃溫室中進(jìn)行。供試品種為西北干旱區(qū)域大面積栽培的脹果甘草和光果甘草，試驗(yàn)首先采用花盆（高25 cm，上口直徑為25 cm，下底直徑為15 cm）對穴盤育苗的甘草幼苗進(jìn)行栽培（基質(zhì)配比以珍珠巖∶草木灰∶蛭石=3∶2∶5 進(jìn)行混合），待甘草幼苗發(fā)育到3 片葉時，篩選長勢基本相同的幼苗進(jìn)行不同濃度鹽（NaCl）脅迫處理試驗(yàn)。設(shè)置5 組鹽脅迫濃度，分別為0、50、100、150 和200 mmol·L-1， 用S0、S1、S2、S3 和S4 來 代 表， 以Hoagland 全營養(yǎng)液作為對照（CK），每個處理重復(fù)4 次，每個品種試驗(yàn)共需要20 株甘草幼苗。待處理時間達(dá)到30 d 時取樣，并立即在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鮮樣指標(biāo)的測定，以減少試驗(yàn)誤差，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時進(jìn)行其他光合生理指標(biāo)的測定。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 生物量

將甘草植株取樣后，使用去離子水沖洗干凈，并用剪刀分成根、莖、葉3 部分，將烘箱溫度設(shè)置為105 ℃，放入樣品殺青 30 min；接著將溫度調(diào)至85 ℃，烘干至恒重，用天平測定干物質(zhì)量。

1.2.2 葉綠素相對含量（SPAD 值）

采用SPAD-plus 手持葉綠素儀，對每個處理測定SPAD 值，測定部位是倒數(shù)第二片葉，重復(fù)5次，取均值代表葉片SPAD 值。

1.2.3 熒光參數(shù)和光合指標(biāo)測定采用葉綠素?zé)晒鈨xOS5p+，測定每個處理植株的倒數(shù)第2 片葉，獲取基礎(chǔ)熒光等參數(shù)指標(biāo)，3 次重復(fù)；采用Li-6400XT 便攜式光合儀，測定每個處理植株的倒數(shù)第2 片葉，獲取凈光合速率等參數(shù)指標(biāo)，3 次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形繪制，采用SPSS 24.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，并利用Duncan 法進(jìn)行多重比較（P＜0.05），使用R 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和驅(qū)動力分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對甘草幼苗生物量及SPAD 值的影響

由表1 可知，不同鹽濃度處理下，S2 較S0 處理顯著抑制脹果甘草幼苗葉片的SPAD 值，降低幅度 達(dá)24.13%，而S2、S3 與S4 處 理 間SPAD 值 無顯著性差異；鹽脅迫對光果甘草SPAD 值無顯著影響。S1 脅迫處理顯著抑制了脹果甘草根、莖、葉和總生物量，較CK 處理分別降低15.71%、35.59%、11.77%和18.33%，以S4 處理的生物量最低。與CK 處理相比，S2 處理對光果甘草地上部各器官生物量的積累有顯著降低趨勢，莖、葉和總生物量分別降低29.73%、27.41%和24.85%，生物量最低的為S3 處理。S1 處理降低根生物量13.54%，與CK處理相比降低顯著，對光果甘草其他器官生物量及總生物量的影響不顯著。與CK 處理相比，S2、S3、S4 處理顯著增加脹果甘草幼苗的根冠比，增加幅度為18.75%～31.25%，S2 與S3 和S4 處理間差異性不顯著。S4 處理對光果甘草根冠比促進(jìn)作用顯著，增加比例達(dá)28.00%，而其他處理間無顯著性差異。

表1 鹽脅迫下甘草幼苗生長指標(biāo)變化

2.2 鹽脅迫對甘草幼苗光合特性的影響

如圖1 所示，與S0 處理相比，脹果甘草鹽脅迫處理的凈光合速率（Pn）降低幅度為17.40%～28.98%；氣孔導(dǎo)度（Gs）降低幅度為23.58%～87.88%，其中S2 處理降低幅度最為突出，較S0 降低87.88%；蒸騰速率（Tr）降低幅度為29.97%～81.47%，其中S2 處理降低幅度最為突出，較S0 降低81.47%；胞間CO2濃度（Ci）以S2 處理為最低值。S2 處理的Pn、Gs、Tr 與S3、S4處理無顯著性差異。光果甘草鹽脅迫處理的Pn 較S0 處理降低幅度為14.62%～44.85%，而S1 與S2處理無顯著性差異，與S3、S4 處理差異不顯著。S3 處理Ci 達(dá)最低值，較S0 處理相比降低20.92%。S1 處 理 的Gs 較S0 相 比 下 降34.62%，Tr 較S0 相比下降26.42%，且與S3 和S4 處理的Gs、Tr 均呈顯著性差異。

圖1 鹽脅迫對甘草幼苗葉片光合特性的影響

2.3 鹽脅迫對甘草幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

如表2 所示，鹽脅迫顯著抑制甘草熒光特性。脹果甘草鹽脅迫處理的光系統(tǒng)Ⅱ活性（Fv/Fo 值）較S0 處理顯著降低8.79%～18.29%，S1、S2 處理的潛在最大光能轉(zhuǎn)換效率（Fv/Fm 值）與S0 相比無顯著性差異，而與S3、S4 呈顯著性差異，S3、S4 較S0分別下降8.54%、10.98%。光果甘草在鹽脅迫處理下的Fv/Fo 值和Fv/Fm 值均無明顯變化，與S0 無顯著性差異。與S0 處理相比，S1 ～S3 處理的電子傳遞速率（ETR）無明顯變化，而S4 處理顯著降低兩個甘草幼苗ETR，其中脹果甘草下降14.90%，光果甘草下降7.90%。脹果甘草S1 處理的實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率（ΦPS Ⅱ）、光化學(xué)猝滅系統(tǒng)（qP）和非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）與S0 處理的差異不顯著，在S2、S3 和S4處理下，葉片F(xiàn)PSII 和qP 隨著鹽濃度的增大而下降，而NPQ 則顯著上升。與S0 處理相比較，光果甘草S4處理的FPSII、qP 顯著降低23.53%、14.29%，而鹽脅迫對NPQ 無明顯影響。

2.4 鹽脅迫下甘草幼苗生物量與光合參數(shù)相關(guān)性分析

由表3 可知，甘草幼苗總生物量與Pn、Tr、SPAD 值、Ci 和Cs 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，其中對Pn 和Tr 的影響最大，其相關(guān)性系數(shù)分別達(dá)0.98、0.97；根冠比與Pn、SPAD 值、Tr 和Cs 均呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，也是對Pn 的影響最大，其相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.83；Tr 與Pn、Cs、SPAD 值、Ci 均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

表2 鹽脅迫對甘草幼苗葉片熒光參數(shù)的影響

表3 鹽脅迫下甘草幼苗生物量與光合參數(shù)相關(guān)性分析

2.5 鹽脅迫、葉綠素含量及光合參數(shù)對甘草幼苗生物量變化的貢獻(xiàn)

采用R 軟件中的BioEnv 程序包進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)Pn 和SPAD 值兩個光合參數(shù)對脹果甘草和光果甘草幼苗生物量變化影響最顯著。通過方差分解分析得出鹽脅迫、光合參數(shù)及二者的共同作用對甘草幼苗生物量變化的貢獻(xiàn)（表4）。鹽脅迫、SPAD 值和Pn 單因素解釋生物量變異的比例分別為-1.15%、4.53%和-2.25%；鹽脅迫與Pn 兩個因素共解釋幼苗生物量變化的比例為8.04%，Pn與SPAD 值兩個因素共解釋幼苗生物量變化的比例為12.81%，鹽脅迫與SPAD 值兩個因素共解釋幼苗生物量變化的比例為-0.15%，鹽脅迫、SPAD值和Pn 3 個因素共解釋幼苗生物量變化的比例為25.83%。

表4 甘草幼苗生物量變化的驅(qū)動力分析

3 討論

生物量是評價(jià)鹽脅迫程度的重要生長指標(biāo)［19］。本文的研究結(jié)果表明，在不同程度鹽脅迫處理下兩種甘草幼苗的生物量積累都有所減少（表1），表明甘草幼苗的生物量在鹽分脅迫條件下可以通過降低生物量的積累，以更多的資源和能力來對抗高鹽分傷害［12］。這與張曉曉等［6］針對白榆、烏鳳［12］針對高叢越橘的研究有著類似的結(jié)論，進(jìn)一步表明處于逆境條件下的植物具有調(diào)節(jié)生物量分配模式的能力［20］。本研究還發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫條件下脹果甘草和光果甘草的根冠比隨著鹽脅迫含量的提高而增大，高鹽濃度處理的甘草幼苗根冠比明顯高于CK處理（表1），這表明地上部生長被抑制的程度遠(yuǎn)高于地下部分，并主要通過降低根系生物量的分配比例，來應(yīng)對較高的鹽分脅迫。

鹽脅迫對植物生長的影響是多方面的，特別對光合作用的危害尤為明顯［2-6］。有關(guān)的研究也證實(shí)，在強(qiáng)鹽脅迫性環(huán)境下，作物葉綠體內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，并抑制了光合作用的順利進(jìn)行［3，5］。本文研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鹽脅迫處理下脹果甘草和光果甘草兩種甘草幼苗葉綠素相對含量略有增加，且光果甘草的增幅較大（表1）。隨著NaCl 濃度的繼續(xù)增加，脹果甘草和光果甘草的葉綠素相對含量均有所下降，該結(jié)果與前人針對菠蘿蜜屬植物［9］的研究結(jié)果一致。而光果甘草葉綠素相對含量變幅微小，對鹽脅迫敏感性不明顯。鹽脅迫時，植物通常會受到離子的毒害、滲透壓脅迫、新陳代謝失調(diào)、營養(yǎng)喪失等，進(jìn)而影響光合作用［19，20-25］。研究表明，鹽脅迫影響植株葉片光合作用反應(yīng)效率的因素，一般包含了由部分氣孔封閉所造成的氣孔受限，以及由于光合作用反應(yīng)位點(diǎn)同化能力的下降而造成的非氣孔受限［5］。本研究結(jié)果表明，脹果甘草葉片Ci、Pn、Gs 均降低（圖1），表明脹果甘草的幼苗葉片Pn 減少是受氣孔因素的影響；而鹽脅迫引起光果甘草葉片的Pn 和Gs 都明顯減少，Ci 明顯增加，說明光果甘草幼苗的葉片Pn 減少主要限制因素為非氣孔因素。這一結(jié)果與張曉曉等［6］針對白榆的結(jié)論一致，表明鹽分脅迫引起植物細(xì)胞中鹽離子的大量積累，不但使植株體中水勢減少，水分效率也下降；同時損壞了葉綠體結(jié)構(gòu)，并引起葉光合器官的損壞，葉肉細(xì)胞的光合活力降低。本研究中，其葉綠素相對含量和光合特征等參數(shù)均呈現(xiàn)明顯正相關(guān)關(guān)系（表3），這也和先前在黃菠蘿屬植株上的研究結(jié)果一致［5］，說明維持較高水平的葉綠素相對濃度可以提高植株干物質(zhì)量的積累。光合作用對鹽脅迫反應(yīng)極為敏感，而熒光特征參數(shù)的變化在植物抗鹽能力評價(jià)方面應(yīng)用比較廣泛［26-27］。本研究結(jié)果表明，脹果甘草在S2 鹽濃度處理下其Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP 與CK 相比均無顯著性差異 （表2），說明脹果甘草是由于非氣孔限制因素導(dǎo)致凈光合速率的下降。不管是低濃度還是高濃度鹽脅迫，光果甘草幼苗的Fv/Fo、Fv/Fm、NPQ與CK 相比均無顯著性差異，并且S3 高鹽脅迫處理下的ΦPS Ⅱ、ETR、qP 與CK 相比差異不顯著，可見，光果甘草凈光合速率的下降主要是由非氣孔限制因素所造成的，這與前人在其他植物上的研究結(jié)果存在一致性［28-30］。

方差分解分析表明，鹽脅迫程度、葉綠素相對濃度和Pn 以及交互作用對解釋植物幼苗生物量變化的比例影響均達(dá)顯著性，而后三者的交互作用影響最大（表4）。兩種甘草幼苗生物量由于鹽脅迫水平的提高而減少，與葉綠素相對含量等光合參數(shù)的減少之間存在著密切聯(lián)系。本文只是利用室內(nèi)試驗(yàn)研究了鹽脅迫梯度對兩種甘草幼苗葉片光合熒光參數(shù)的影響，而對多品種多環(huán)境下的甘草耐鹽、敏鹽和抗鹽機(jī)理沒有涉及，只有從不同的角度和深度去研究鹽脅迫下甘草的表型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和光合熒光參數(shù)變化，才能較全面地理解和明確甘草的鹽脅迫機(jī)理，從而也是對本研究一個較好的補(bǔ)充。

4 結(jié)論

鹽分脅迫下脹果甘草光合速率降低主要是受到氣孔因素的影響，光果甘草則是非氣孔因素起主導(dǎo)作用。高鹽脅迫會對脹果甘草幼苗光能轉(zhuǎn)換效率和光系統(tǒng)Ⅱ活性產(chǎn)生抑制作用，可增加光系統(tǒng)Ⅱ非輻射能量的耗散以應(yīng)對鹽脅迫環(huán)境。因此，鹽分脅迫顯著影響脹果甘草，表明其自身調(diào)控能力較差，抗鹽能力顯然低于光果甘草。