NaCl脅迫對(duì)白術(shù)幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響

周武先，吳海棠，張雅娟，李大榮，熊琳珂，張美德

（1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所，湖北 恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖北 恩施 445000）

土壤鹽漬化是影響作物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要因素［1，2］，也是全球范圍內(nèi)普遍面臨的難題。有研究表明，我國(guó)土壤鹽漬化面積呈逐年上升趨勢(shì)，嚴(yán)重影響我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展［3］，而全球約有7%的土地不同程度地受到土壤鹽漬化的影響［4］。目前關(guān)于鹽脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究較多，如：NaCl脅迫對(duì)小麥（Triticum aestivum）［5］、豌豆（Pisum sativum）［6］和裸果木（Gymnocarpos przewalskii）［7］等植物的生長(zhǎng)均具有一定的抑制作用，且高濃度NaCl處理會(huì)破壞植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)，影響植物的正常發(fā)育。研究表明，NaCl濃度低于0.017 mol／L，對(duì)設(shè)施櫻桃幼苗生理特性的影響不明顯，而高于此濃度則會(huì)抑制設(shè)施櫻桃幼苗正常的生理活動(dòng)，表明櫻桃幼苗的培育基質(zhì)或土壤中鹽濃度不宜超過(guò)0.017 mol／L［2］。趙露等［8］研究鹽脅迫對(duì)苦豆子種子萌發(fā)及幼苗生理生長(zhǎng)的影響后發(fā)現(xiàn)，苦豆子如果需要在鹽堿地種植，應(yīng)以NaCl單鹽為主的土壤為宜，也可在Na2CO3和混合鹽濃度低于0.9%的地塊上種植。由上看出，研究農(nóng)作物對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)能力及生理響應(yīng)機(jī)制，對(duì)農(nóng)作物高效和科學(xué)生產(chǎn)具有重要意義。

白術(shù)（Atractylodes macrocephala）為菊科蒼術(shù)屬多年生草本植物，其藥用部位為根狀莖，是我國(guó)常用大宗中藥材，具有健脾益氣、消炎抑菌及抗腫瘤等作用［9，10］，經(jīng)濟(jì)效益良好。然而，我國(guó)白術(shù)主產(chǎn)區(qū)存有較大面積的鹽漬地。由于不清楚白術(shù)的耐鹽水平，種植者往往在重度鹽漬化地區(qū)盲目擴(kuò)種，導(dǎo)致白術(shù)幼苗存活率較低、生長(zhǎng)緩慢，藥材產(chǎn)量和品質(zhì)下降，影響白術(shù)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。因此，研究白術(shù)對(duì)鹽脅迫的忍受范圍和生理響應(yīng)機(jī)制，對(duì)提高白術(shù)長(zhǎng)勢(shì)、產(chǎn)量、品質(zhì)和選育耐鹽白術(shù)新品種均有重要意義。據(jù)此，本試驗(yàn)采用水培法，研究不同濃度NaCl溶液對(duì)白術(shù)幼苗形態(tài)特征、光合色素以及抗氧化酶活性等指標(biāo)的影響，以期探明其耐鹽脅迫范圍及耐鹽機(jī)制，為白術(shù)耐鹽品種的選育提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試白術(shù)種子2019年11月采自湖北省咸豐縣小村鄉(xiāng)李子溪村（東經(jīng)108°54′51″，北緯29°53′5″，海拔832 m）。氯化鈉（NaCl，分析純）購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。32孔穴盤(pán)內(nèi)外徑分別為50 cm×25 cm×6 cm和52 cm×26 cm×8 cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年9月在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所的溫室大棚中進(jìn)行，共設(shè)置5個(gè)NaCl濃度處理：0、5、10、20 mmol／L和40 mmol／L，用1／4 Hoagland’s營(yíng)養(yǎng)液配制相應(yīng)濃度溶液，每處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)。

選用壤土和椰糠（體積比為1∶1）作為育苗基質(zhì)［11］，在穴盤(pán)中培育一批白術(shù)幼苗。待幼苗長(zhǎng)出3片真葉后將大小基本一致的白術(shù)幼苗移栽至含不同濃度NaCl溶液（4 L）的32孔穴盤(pán)中（帶盛水托盤(pán)），每孔放置一株白術(shù)幼苗，用海綿固定，并定期補(bǔ)充相應(yīng)濃度處理溶液，保持溶液體積不變。分別在移栽0、7、14、21、28 d測(cè)定白術(shù)幼苗葉長(zhǎng)、葉寬和株高。培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行破壞性取樣，拔出幼苗，用蒸餾水沖洗干凈，吸水紙擦干表面水分，從莖基部剪斷，將幼苗分為地上和地下兩部分分別稱重，同時(shí)剪取葉片用于各項(xiàng)生理指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 植株形態(tài)和生物量測(cè)定 使用直尺測(cè)量白術(shù)幼苗的葉長(zhǎng)、葉寬和株高（莖基部到莖尖的長(zhǎng)度）。采用千分之一電子天平稱量白術(shù)幼苗各部位鮮重，總鮮重＝地上鮮重＋地下鮮重。

1.3.2 光合色素含量測(cè)定 采用95%乙醇浸提比色法［12］測(cè)定葉片葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）以及類胡蘿卜素（Car）含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析（one-way ANOVA），使用新復(fù)極差法（Duncan’s）法進(jìn)行多重比較。采用Canoco 5進(jìn)行主成分分析（PCA），使用Origin 8.5作圖，圖表中數(shù)據(jù)均使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差（n＝4）表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度NaCl處理對(duì)白術(shù)幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖1可以看出，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同NaCl處理白術(shù)幼苗的葉長(zhǎng)、葉寬和株高整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗的葉長(zhǎng)、葉寬、株高和葉長(zhǎng)寬比與對(duì)照無(wú)顯著差異。

圖1 不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗形態(tài)隨生長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)的變化

由圖2可以看出，5 mmol／L NaCl處理白術(shù)地上部鮮重與對(duì)照相比無(wú)顯著差異，而10、20 mmol／L和40 mmol／L NaCl處理顯著低于對(duì)照，降幅分別為20.9%、29.3%和29.7%，即隨NaCl濃度升高降幅增大。各NaCl處理地下部鮮重與對(duì)照無(wú)顯著差異。5 mmol／L和10 mmol／L NaCl處理幼苗總鮮重與對(duì)照無(wú)顯著差異，而20 mmol／L和40 mmol／L NaCl處理分別顯著降低19.3%和18.4%。

圖2 不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗鮮重

2.2 不同濃度NaCl處理對(duì)白術(shù)幼苗葉片光合色素含量的影響

由表1可知，不同濃度NaCl處理白術(shù)幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量與對(duì)照相比差異不顯著，其變化趨勢(shì)基本相同。5 mmol／L NaCl處理白術(shù)幼苗類胡蘿卜素含量顯著低于對(duì)照22.0%。10 mmol／L和20 mmol／L NaCl處理白術(shù)幼苗葉片葉綠素a／b與對(duì)照相比分別顯著降低4.7%和6.7%。此外，5 mmol／L NaCl處理白術(shù)幼苗Chl／Car值（總?cè)~綠素／類胡蘿卜素）顯著高于對(duì)照3.5%，而40 mmol／L NaCl處理Chl／Car值顯著低于對(duì)照4.6%。

表1 不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗葉片的光合色素含量

2.3 不同濃度NaCl處理對(duì)白術(shù)幼苗抗氧化酶活性等指標(biāo)的影響

由圖3可以看出，各NaCl處理白術(shù)幼苗葉片的過(guò)氧化氫酶（CAT）活性均顯著高于對(duì)照，其中40 mmol／L NaCl處理CAT活性最高，比對(duì)照增44.3%。10、20 mmol／L和40 mmol／L NaCl處理白術(shù)幼苗葉片的過(guò)氧化物酶（POD）活性均顯著高于對(duì)照，增幅分別為45.8%、58.7%和43.6%。

圖3 不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗的生理生化指標(biāo)表現(xiàn)

隨著NaCl濃度升高，白術(shù)幼苗葉片的SS（可溶性糖）和SP（可溶性蛋白）含量都呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)。各NaCl處理均顯著提高SS含量，其中20 mmol／L NaCl處理SS含量最高，比對(duì)照增加397.8%，5、10、40 mmol／L NaCl處理增幅分別為67.7%、85.8%和132.6%。5、10 mmol／L和20 mmol／L NaCl處理顯著提高白術(shù)幼苗葉片的SP含量，與對(duì)照相比增幅分別達(dá)到22.3%、24.1%和22.2%。

2.4 白術(shù)幼苗形態(tài)和生理指標(biāo)的相關(guān)性分析和PCA分析

表2 白術(shù)幼苗形態(tài)和生理指標(biāo)的相關(guān)性

由圖4可以看出，第一排序軸解釋變量的79.13%，第二排序軸解釋變量的8.49%，前兩個(gè)排序軸累計(jì)解釋變量的87.62%，說(shuō)明第一主成分和第二主成分可以較好地解釋各項(xiàng)因子的變化。SS、SAR、CAT、POD以及MDA均與第一排序軸顯著相關(guān)，表明這些因子均可作為反映白術(shù)幼苗生長(zhǎng)狀況的重要特征指標(biāo)。不同NaCl處理投影到PCA二維平面的樣點(diǎn)分散聚集，表明不同NaCl處理下白術(shù)幼苗的生長(zhǎng)狀況存在明顯差異。

圖4 白術(shù)幼苗形態(tài)和生理指標(biāo)的PCA排序

3 討論與結(jié)論

生物量和植株形態(tài)反映植物的生長(zhǎng)狀況，也是實(shí)際生產(chǎn)中判斷其遭受鹽堿脅迫程度最直觀的指標(biāo)［15］。本研究結(jié)果顯示，隨著NaCl濃度升高，白術(shù)幼苗株高逐漸下降，NaCl濃度超過(guò)20 mmol／L后地上部鮮重和總鮮重相比于對(duì)照顯著下降，說(shuō)明超過(guò)此濃度白術(shù)幼苗生長(zhǎng)會(huì)受到嚴(yán)重抑制。這與NaCl脅迫對(duì)辣椒（Capsicum annuum）［16］、銀水牛果（Shepherdia argentea）［17］和百脈根［18］（Lotus corniculatus）生長(zhǎng)影響的結(jié)果類似，即較高濃度的NaCl會(huì)顯著抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育。有研究表明，濃度相對(duì)較低的鹽處理可以促進(jìn)海濱錦葵（Kosteletzkya virginica）［19］和薊（Cirsium japonicum）［20］的生長(zhǎng)，而本研究中較低濃度的NaCl處理并未促進(jìn)白術(shù)幼苗生長(zhǎng)，這可能是由于不同植物品種的耐鹽性差異所造成。同時(shí)也表明，白術(shù)幼苗對(duì)鹽脅迫較為敏感。植物葉片中光合色素含量將直接或間接地影響其光合代謝能力，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育［21］。本研究中，隨著NaCl濃度增加，白術(shù)幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這與王堽等［22］關(guān)于NaCl脅迫對(duì)甜菜葉綠素含量影響的研究結(jié)果類似，表明NaCl脅迫不利于白術(shù)幼苗葉片光合色素的合成。其原因可能是，鹽脅迫下高濃度的Na＋會(huì)破壞細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu)，對(duì)植物葉片造成損傷，從而抑制葉片光合色素的合成［23］，但具體的作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

通過(guò)主成分分析（PCA）可以篩選出植物響應(yīng)外部環(huán)境變化的主要生長(zhǎng)指標(biāo)，然后進(jìn)行針對(duì)性分析，以達(dá)到量化外部環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)影響的目的［28］。本研究通過(guò)PCA分析發(fā)現(xiàn)，可溶性糖、超氧陰離子自由基、過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶和丙二醛等因子可作為反映白術(shù)幼苗生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。這與王華等［29］的研究結(jié)果類似。結(jié)合形態(tài)和生物量等指標(biāo)可知，當(dāng)NaCl濃度低于10 mmol／L［m（Cl－）＝0.355 g／L］時(shí)，白術(shù)幼苗受脅迫較輕，而當(dāng)NaCl濃度高于20 mmol／L［m（Cl－）＝0.71 g／L］時(shí)，白術(shù)幼苗受脅迫較重。

綜上表明，白術(shù)幼苗的耐鹽性一般，可以在輕度鹽漬化［m（Cl－）<0.4 g／kg］土壤中生長(zhǎng)，但不適合在重度鹽漬化［m（Cl－）≥1.0 g／kg］土壤中種植，20 mmol／L NaCl可作為篩選白術(shù)耐鹽品種的重要參考濃度。此外，調(diào)控光合色素合成及抗氧化酶活性可能是白術(shù)幼苗適應(yīng)NaCl脅迫的重要途徑。