鹽堿脅迫對油沙豆生長和生理特性的影響

張琳琳,于明含,2?,丁國棟,2,王春媛，高廣磊,2,杜鳳梅，糜萬林

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，水土保持國家林業(yè)局重點實驗室，100083，北京；2.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，751500，寧夏鹽池；3.巴彥淖爾市沙漠綜合治理中心，015000，內(nèi)蒙古巴彥淖爾；4.巴彥淖爾市封育飛播管理站，015000，內(nèi)蒙古巴彥淖爾)

土地鹽堿化是全球面臨的重大環(huán)境問題，嚴(yán)重制約著農(nóng)林業(yè)的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，全球鹽堿化土地面積約為9.5億hm2，占陸地總面積的7.23%[1]。我國西北干旱、半干旱沙區(qū)由于氣候干旱，降水量遠(yuǎn)小于蒸發(fā)量，土壤鹽堿化現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。鹽堿脅迫會對植物產(chǎn)生滲透脅迫、活性氧脅迫、離子毒害，也會影響植物滲透調(diào)節(jié)機制，造成植物生長受限甚至死亡[2]。

適沙耐鹽植物的選育是土地鹽堿化地區(qū)生態(tài)修復(fù)的重要環(huán)節(jié)。油沙豆(Cyperusesculentus)屬禾本目莎草科莎草屬多年生草本植物，具有耐寒耐鹽堿的特性，且蛋白、油脂含量高，兼具生態(tài)和經(jīng)濟雙重效益。近年來，為適宜性地開發(fā)和利用沙區(qū)土地，發(fā)展生態(tài)沙產(chǎn)業(yè)，油沙豆在北方風(fēng)沙鹽堿土上廣泛引種[3]?，F(xiàn)階段國外對油沙豆的研究多集中在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4-5]和食品加工[6-7]等方面，對油沙豆逆境生理生長探究較少；國內(nèi)有學(xué)者初步研究鹽脅迫對油沙豆塊莖萌發(fā)與幼苗生長的影響[8]，但目前缺乏對油沙豆應(yīng)對鹽堿雙因素脅迫的抗逆機制研究[9]；因此，筆者模擬鹽、堿雙因素交叉脅迫對油沙豆生長和生理過程的影響，通過對油沙豆抗氧化酶系統(tǒng)活性、滲透調(diào)節(jié)和激素調(diào)節(jié)機制的探究，揭示其抗鹽耐堿機制，從而為油沙豆在北方鹽堿土的引種提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究在北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站進(jìn)行，該觀測站位于E 106°30′～107°41′，N 37°04′～38°10′，屬半干旱氣候區(qū)，白天氣溫和相對濕度(relative humidity，RH)介于-29.4～37.5 ℃和49%～55%之間。年平均降水量約為292 mm，降水集中在7—9月，占年全年降水量的60%～75%。年潛在蒸發(fā)量為2 024 mm，約為年平均降水量的7倍。土壤類型是風(fēng)成沙土，區(qū)內(nèi)植被以沙生、旱生植物為主。

2 材料與方法

2.1 試驗材料制備

于2020年5月將油沙豆種子播種于盛有沙土的穴盤中，每穴播種1粒，待出苗15 d后，選取長勢一致的幼苗進(jìn)行盆栽移植。于盆栽內(nèi)緩苗10 d后開始脅迫試驗處理。

2.2 試驗方法

所有盆栽置于遮雨棚下，以消除降水影響。試驗設(shè)置1個對照(C0)，3個鹽分梯度、2個堿性梯度共6個鹽堿交叉脅迫處理，具體設(shè)置及對應(yīng)pH(表1)，鹽濃度以NaCl溶液為準(zhǔn)，pH用NaCl和NaHCO3調(diào)節(jié)。每個處理設(shè)置12個重復(fù)，共處理植株84株。純鹽脅迫處理澆灌含有目標(biāo)濃度NaCI溶液的1/2 Hoagland營養(yǎng)液；堿性鹽脅迫澆灌含有目標(biāo)濃度NaCl和NaHCO3混合溶液的1/2 Hoagland營養(yǎng)液。每48 h澆灌相應(yīng)梯度溶液以達(dá)到飽和含水率以上出現(xiàn)滲漏為準(zhǔn)，以保持盆栽中脅迫液濃度恒定。脅迫處理15 d后，測定各處理下植物生長參數(shù)及生理指標(biāo)。

表1 各處理組合鹽脅迫對應(yīng)pHTab.1 Corresponding pH of combined salt stress in each treatment

2.3 指標(biāo)測定

2.3.1 植物生長指標(biāo)的測定 用刻度尺(精度0.1 mm)測量株高(沙面以上為株高)。將整株植物取出放入105 ℃的烘箱中殺青10 min后，于80 ℃烘干至恒質(zhì)量，分別稱量地上與地下部分干質(zhì)量，并計算幼苗根冠比(R/S)。

2.3.2 細(xì)胞電導(dǎo)率的測定 采用浸泡法[10]測定植株葉片和根系相對電導(dǎo)率，每個處理重復(fù)測定3株。

2.3.3 抗逆生理生化指標(biāo)的測定 抗氧化酶系統(tǒng)中，超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性采用氯化硝基四氮哩藍(lán)(nitrotetrazolicem blue chloride，NBT)還原法[11]測定；過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[12]測定。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中，游離的脯氨酸(proline，Pro)含量的測定采用酸性茚三酮顯色法測定[13]；可溶性糖(soluble sugar，SS)含量測定采用蒽酮比色法[12]；激素調(diào)節(jié)以脫落酸(abscisic acid，ABA)為主，ABA含量用酶聯(lián)免疫法(enzyme linked immnosorbent assay，ELISA)[14]測定。以上指標(biāo)每個處理隨機選取3株試驗植株作為重復(fù)，葉片與根系分別進(jìn)行測定。

2.4 數(shù)據(jù)分析

用SPSS軟件進(jìn)行ANOVA單因素方差分析和多重比較，檢驗各鹽堿濃度梯度處理間的差異顯著性；采用雙因素方差分析法，檢驗鹽和堿脅迫對油沙豆生長和生理生化指標(biāo)是否具有交互效應(yīng)。采用R package ggplot version 4.0.4制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 對油沙豆生長的影響

單鹽脅迫下，輕度脅迫對油沙豆株高生物量影響不顯著；隨鹽濃度升高，在中度和重度脅迫下，油沙豆植株的生長受到顯著抑制，根冠比顯著增大(表2)。

表2 鹽堿交互脅迫對油沙豆生長指標(biāo)的影響Tab.2 Effects of salt-alkali co-stress on the growth indexes of Cyperus esculentus

堿性鹽脅迫下，輕度脅迫對油沙豆生物量有促進(jìn)作用。但在250 mmol/L鹽濃度下，堿性鹽脅迫對植株生長的抑制作用顯著大于單鹽脅迫，表現(xiàn)為株高、生物量顯著低于單鹽脅迫，根冠比顯著高于單鹽脅迫。雙因素方差分析表明，鹽、堿2因素對油沙豆各生長指標(biāo)的影響存在交互效應(yīng)。

單鹽脅迫和堿性鹽脅迫在250 mmol/L鹽濃度下均有植株萎蔫死亡，單鹽脅迫油沙豆植株死亡數(shù)為1株，死亡率為8.33%；堿性鹽脅迫死亡數(shù)為2株，死亡率為16.67%。堿性鹽脅迫下油沙豆的死亡率高于單鹽脅迫。

3.2 對油沙豆生理生化的影響

3.2.1 葉片和根系細(xì)胞相對電導(dǎo)率 隨著鹽脅迫濃度的增大，植物葉片和根系電導(dǎo)率不斷上升(圖1)，表明隨著鹽脅迫程度加重，植物細(xì)胞膜透性不斷增大。雙因素方差分析表明，鹽、堿2因素對油沙豆葉片電導(dǎo)率的影響存在交互效應(yīng)。

圖1 不同鹽堿處理對油沙豆葉片和根系電導(dǎo)率的影響Fig.1 Effects of different saline-alkali treatments on the electrical conductivities of Cyperus esculentus leaves and roots

3.2.2 抗氧化酶活性 與空白對照相比，單鹽脅迫顯著增大了植物葉片和根系的各類抗氧化酶活性(P<0.05)。隨著鹽濃度的增大，POD和SOD活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢，分別在中度、輕度鹽脅迫條件下達(dá)到最大值(圖2)?？梢?，適度鹽脅迫對于激發(fā)植物抗氧化酶系統(tǒng)活性具有促進(jìn)作用，重度鹽脅迫反而會抑制抗氧化酶系統(tǒng)的功能活性。

圖2 不同鹽堿處理對油沙豆葉片和根系抗氧化酶活性的影響Fig.2 Effects of different saline-alkali treatments on the antioxidant enzyme activities of Cyperus esculentus leaves and roots

與空白對照相比，堿性鹽脅迫也顯著提高植物葉片和根系的各類抗氧化酶活性(P<0.05)。在葉片中，SOD活性均隨著鹽濃度的增大而持續(xù)上升。雙因素方差分析表明，鹽、堿2因素對油沙豆葉片和根系的抗氧化酶活性具有交互效應(yīng)。

3.2.3 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量 與空白對照相比，單鹽脅迫顯著增大植物葉片和根系的各類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量(P<0.05)。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量普遍在輕度和中度鹽脅迫下達(dá)到最大值，即隨著鹽濃度的增大，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量呈現(xiàn)先升后降的趨勢(圖3)?？梢?，適度脅迫對于促進(jìn)植物有機物的合成，重度脅迫反而會抑制該響應(yīng)機制。

圖3 不同鹽堿處理對油沙豆?jié)B透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Fig.3 Effects of different saline-alkali treatments on the contents of osmotic adjustment substances in Cyperus esculentus

與空白對照相比，堿性鹽脅迫同樣提升植物葉片和根系的各類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量(P<0.05)。除葉片中可溶性糖以外，其他葉片和根系中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)均隨著鹽濃度的增大而持續(xù)上升。相同鹽濃度下，堿性鹽脅迫的根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量高于單鹽脅迫。雙因素方差分析表明，鹽、堿2因素對油沙豆葉片和根系的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響具有交互效應(yīng)。

3.2.4 脫落酸含量 隨著鹽脅迫濃度的增大，植物葉片和根系內(nèi)ABA含量不斷上升(圖4)，表明在鹽脅迫下，植物通過合成大量ABA來適應(yīng)逆境的脅迫。在單鹽和堿性鹽脅迫下，葉片ABA含量均隨鹽濃度的增加呈現(xiàn)上升趨勢；在單鹽脅迫下，根系A(chǔ)BA含量與葉片規(guī)律一致；在堿性鹽脅迫下，根系A(chǔ)BA含量在輕度和中度脅迫達(dá)到峰值，在重度脅迫下顯著降低，這可能與該脅迫濃度造成植物根系永久性損害而喪失激素調(diào)節(jié)能力有關(guān)。雙因素方差分析結(jié)果可知，鹽、堿2因素對油沙豆ABA的影響存在交互效應(yīng)。

圖4 不同鹽堿處理對油沙豆脫落酸(ABA)含量的影響Fig.4 Effects of different saline-alkali treatments on the contents of abscisic acid (ABA)in Cyperus esculentus

4 討論

植物生長指標(biāo)是植物對外界環(huán)境響應(yīng)的綜合反映，鹽堿脅迫通過提高土壤環(huán)境的滲透壓，從而破壞植物細(xì)胞膜脂結(jié)構(gòu)，影響植物吸收水分和營養(yǎng)元素，抑制植物的生長[15]。筆者發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫顯著增大植物葉片和根系的電導(dǎo)率，表明鹽堿脅迫對油沙豆細(xì)胞膜的功能產(chǎn)生一定破壞。在單鹽脅迫和堿性鹽脅迫下，油沙豆的生長指標(biāo)均隨著鹽濃度的增加而顯著降低，這與楊鷺生等[8]研究結(jié)果一致。根冠比指標(biāo)是植物應(yīng)對逆境的一種常見表型響應(yīng)，筆者發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫顯著增大油沙豆的根冠比，即植物通過增大根系生物量分配以適應(yīng)土壤逆境。以往研究[16]表明，堿性條件的高pH會嚴(yán)重破壞植物根系，影響根系結(jié)構(gòu)和功能。在本研究中也有類似規(guī)律，鹽堿交互作用對油沙豆生長指標(biāo)影響顯著，pH升高加劇鹽脅迫對油沙豆生長的抑制。

植物響應(yīng)鹽堿脅迫的機制通常有滲透調(diào)節(jié)、活性氧清除體系和內(nèi)源激素調(diào)節(jié)3種途徑。研究表明，脯氨酸和可溶性糖含量的增加會改變細(xì)胞內(nèi)外滲透勢，從而顯著提高植物的抗逆性[17]。在鹽堿脅迫下，油沙豆葉片和根系中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量顯著升高，表明油沙豆通過啟動其滲透調(diào)節(jié)機制，積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來調(diào)整細(xì)胞滲透壓以保證植物水分有效吸收來維持植株生長。這與翅堿蓬(SalineSeepweed)等典型沙區(qū)灌草植物受鹽脅迫的響應(yīng)一致[18]。在重度鹽脅迫下，堿性鹽條件的根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量顯著高于單鹽脅迫。該結(jié)果表明，堿性環(huán)境進(jìn)一步激發(fā)了植物根系的滲透調(diào)節(jié)機制。

除了滲透調(diào)節(jié)以外，抗氧化酶系統(tǒng)作為植物重要的抗逆機制，對清除鹽堿脅迫造成的活性氧起關(guān)鍵作用[15]。筆者發(fā)現(xiàn)油沙豆葉片和根系的抗氧化酶系統(tǒng)的活性在中度鹽脅迫下達(dá)到峰值；堿性鹽條件下，抗氧化酶活性顯著低于單鹽脅迫。該結(jié)果表明，抗氧化酶系統(tǒng)抗逆機制在中度脅迫下具有較好的效應(yīng)，而高鹽濃度和堿性條件會損害酶系統(tǒng)，抑制酶活性，引發(fā)代謝紊亂，從而削弱植物清除活性氧機制的有效性，該機制也在其他研究中得到證實[19]。

內(nèi)源激素是植物應(yīng)激反應(yīng)中信號傳導(dǎo)中的重要組成部分，其中，ABA是響應(yīng)逆境的重要激素，ABA的合成能夠調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉，從而緩解植物由于鹽堿脅迫造成的水分虧缺[20]。筆者發(fā)現(xiàn)單鹽和堿性鹽均會顯著增加油沙豆葉片和根系A(chǔ)BA含量，且隨著脅迫濃度的增大，葉片ABA含量持續(xù)升高；然而，堿性條件導(dǎo)致根系A(chǔ)BA含量在重度脅迫下出現(xiàn)驟減，結(jié)合雙因素方差分析結(jié)果，堿脅迫加劇了高鹽濃度下對根系的抑制，造成激素合成受阻。這與孫若崢等[20]研究結(jié)果一致，即油沙豆抵御鹽堿脅迫的ABA激素調(diào)節(jié)受到抑制。

5 結(jié)論

油沙豆對鹽堿脅迫具有一定的耐受度，鹽濃度低于150 mmol/L的脅迫環(huán)境對油沙豆表型生長和生理過程影響不大；在>150 mmol/L的中度和重度鹽脅迫造成油沙豆細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的破壞，葉片和根系組織電導(dǎo)率增大，種苗的生長受到抑制。堿性條件對鹽脅迫的影響有疊加效益，加劇植物的受脅迫程度。油沙豆植株通過增大根冠比以調(diào)節(jié)生物量分配以提高根系吸水效率，并通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、提高抗氧化酶活性、合成內(nèi)源脫落酸等生理生化機制來抵御鹽堿脅迫。研究表明，油沙豆生態(tài)學(xué)的存活鹽濃度閾值為250 mmol/L。