任智新, 史建楠, 何佳星, 王 曄*, 范希峰, 李潤(rùn)枝, 于春欣, 彭 真,高月榮, 段留生*
(1. 北京農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京102206;2. 北京市農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)花卉與景觀(guān)生態(tài)研究所,北京 100097)
土壤鹽漬化是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的非生物脅迫之一,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類(lèi)生活造成了極大的影響[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球約6%以上的土地(全球土地約8億公頃)受到鹽脅迫的影響[2],由于灌溉方式不當(dāng)、肥料施用不合理和工業(yè)污染等,鹽漬化土地面積不斷增加,預(yù)測(cè)到2050年,一半以上的可耕土地將鹽堿化[3]。高鹽度通常是由于土壤中Na+和Cl-1濃度高,導(dǎo)致高滲條件,阻礙植株從土壤中吸收水分和養(yǎng)分[4],造成植株滲透脅迫、離子脅迫、氧化脅迫、營(yíng)養(yǎng)不平衡和減少細(xì)胞分裂等[5]。
在我國(guó)北方,每年的積雪通過(guò)施用融雪劑以保障城市安全,同時(shí)也對(duì)城市生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了較大影響。目前,融雪劑以氯鹽型用量最大,主要以氯化鈉為主的工業(yè)鹽[6]。每年約有75%~90%的融雪劑滯留在沿路的綠化帶中,導(dǎo)致綠地土壤鹽漬化。城市道路的地被植物吸收含鹽的雪水,打破原有的滲透平衡,細(xì)胞內(nèi)滲透壓升高,最終導(dǎo)致植株生理缺水死亡。同時(shí),鹽脅迫阻斷了關(guān)鍵酶的活性進(jìn)而影響植物的氮代謝[7],使植株葉片面積減小、葉綠體結(jié)構(gòu)破壞、光合能力減弱和營(yíng)養(yǎng)失衡等[8-9]。因此,明確植物潛在的耐鹽機(jī)制,為利用育種和栽培技術(shù)提高植物在鹽脅迫下的適應(yīng)性,對(duì)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義[10]。
青綠苔草(Carexleucochlora)屬莎草(Cyperaceae)苔草屬(Carex),多年生草本植物,具有返青早、色澤好、耐踐踏性強(qiáng)、形態(tài)優(yōu)美等特點(diǎn),其溫度適應(yīng)性強(qiáng),冬季在-26℃條件下能安全越冬,夏季在35℃以上的持續(xù)高溫條件下可正常生長(zhǎng)[11],是我國(guó)園林綠地中主栽苔草草種之一[12]。目前,關(guān)于青綠苔草的研究多集中在種子萌發(fā)[13-14]、混播技術(shù)[15-16]和基質(zhì)配比與厚度[12]等,對(duì)其抗性的研究較少。在苔草屬的耐鹽性研究中也多集中在與其他地被植物耐鹽性比較上。雷舒涵等[17]通過(guò)對(duì)7種野生觀(guān)賞草種子萌發(fā)期耐鹽性評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),書(shū)帶苔草和云霧苔草耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值較低。張昆等[18]采用不同濃度NaCl處理白穎苔草,確定了其耐鹽閾值為263 mmol·L-1NaCl。陳佳楠等[19]對(duì)14種地被植物采用2種海水濃度的脅迫處理,通過(guò)生長(zhǎng)情況、鹽害指數(shù)、鹽害率和細(xì)胞膜透性等綜合比較耐鹽性差異研究發(fā)現(xiàn)青綠苔草耐鹽性最弱。因此,為了揭示青綠苔草對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性和生理響應(yīng)機(jī)制,本試驗(yàn)以不同濃度NaCl作為鹽脅迫處理,探討青綠苔草植株生長(zhǎng)及生理特性變化,以期為青綠苔草耐鹽生理機(jī)制和在鹽漬化土地的適應(yīng)性及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。
供試材料為我國(guó)園林綠地主栽苔草草種之一‘四季’青綠苔草(Carexleucochlora‘Siji’)(良種編號(hào):國(guó)S-SV-CL-006-2010)由北京市農(nóng)林科學(xué)院提供。
本試驗(yàn)在北京農(nóng)學(xué)院智能溫室中進(jìn)行。溫度(晝/夜)為(25±2)℃/(20±2)℃,光周期(晝/夜)為12 h/12 h,光照強(qiáng)度為5 000 Lux,相對(duì)濕度為65%~70%。供試材料青綠苔草于2020年6月15日播種于50孔穴盤(pán)中,待長(zhǎng)出3~4片真葉后,選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽至10 cm×6.5 cm×8 cm(口徑×底徑×高)的營(yíng)養(yǎng)缽中,每盆1株。培養(yǎng)基質(zhì)為草炭土∶蛭石(V∶V)=1∶1。培養(yǎng)至2021年6月10日將植株統(tǒng)一修剪高度,5 d后開(kāi)始用NaCl脅迫處理,鹽處理濃度設(shè)置為:0(CK),50,100,200和300 mmol·L-1,各處理隨機(jī)區(qū)組排列,每處理36盆。處理開(kāi)始時(shí),每天澆灌50 mL相應(yīng)濃度鹽溶液,連續(xù)處理3 d,處理開(kāi)始后每天對(duì)盆進(jìn)行稱(chēng)重,并用蒸餾水補(bǔ)充因蒸騰而散失的水分,使鹽處理濃度保持恒定。于鹽脅迫后的0,4,8,12,16和20 d進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)測(cè)定。
1.3.1植株枯葉率 采用觀(guān)測(cè)計(jì)數(shù)法對(duì)各處理的每盆青綠苔草葉片進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)算每盆葉片50%面積出現(xiàn)干枯癥狀的葉片數(shù)占總?cè)~片數(shù)的百分比,記為枯葉率。
1.3.2生物量 剪取每盆青綠苔草單株地上部,放入105℃烘箱中殺青30 min,75℃烘干至恒重,稱(chēng)重記為單株干重。
1.3.3葉片相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率和葉綠素含量 采用飽和稱(chēng)重法[20]測(cè)定葉片相對(duì)含水量。參照李合生[21]采用電導(dǎo)儀測(cè)定葉片相對(duì)電導(dǎo)率。采用乙醇浸提法[20]測(cè)定葉綠素a和葉綠素b含量。
1.3.4抗氧化酶活性和丙二醛含量測(cè)定 稱(chēng)取葉片0.5 g,加入磷酸緩沖液及少量石英砂,冰浴研磨。4℃冷凍離心20 min,12 000 r·min-1,上清液即為酶液,置于4℃下保存。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性采用氮藍(lán)四唑法,過(guò)氧化物酶(Peroxidase,POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法,丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量采用硫代巴比妥酸顯色法。
采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析;試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用IBM SPSS Statistics 23軟件進(jìn)行差異顯著性分析(ANOVA,P<0.05)和主成分分析等;用Duncan’s法進(jìn)行多重比較;采用Origin2019軟件作圖。
不同濃度鹽脅迫對(duì)青綠苔草生長(zhǎng)影響不同(圖1)。隨著NaCl濃度升高,青綠苔草生長(zhǎng)受到抑制,葉片衰老,枯葉率顯著增加,地上部生物量呈下降趨勢(shì)(表1)。NaCl濃度為50 mmol·L-1時(shí),青綠苔草生長(zhǎng)、枯葉率和地上部生物量與CK相比差異均不顯著。當(dāng)NaCl濃度高于100 mmol·L-1時(shí),隨著鹽濃度增加,青綠苔草枯葉率顯著提高,地上部生物量顯著下降。當(dāng)NaCl處理第8 d時(shí),100,200和300 mmol·L-1濃度處理的青綠苔草葉片開(kāi)始枯黃。當(dāng)鹽脅迫第20 d時(shí),100,200和300 mmol·L-1濃度處理的苔草枯葉率比對(duì)照分別增加了27.52%,46.24%和92.93%,地上部生物量分別降低了22.36%,45.25%和55.75%。
圖1 不同濃度NaCl脅迫對(duì)‘四季’青綠苔草生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effects of different concentrations of NaCl on growth of Carex leucochlora ‘Siji’
表1 不同濃度NaCl脅迫對(duì)‘四季’青綠苔草枯葉率的影響Table 1 Effect of different concentrations of NaCl on withered leaf rate of Carex leucochlora ‘Siji’
青綠苔草葉片相對(duì)含水量隨著NaCl濃度的增加和脅迫時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)(圖2)。當(dāng)NaCl濃度為50 mmol·L-1時(shí),葉片相對(duì)含水量與CK差異不顯著。當(dāng)NaCl處理第4 d時(shí),與對(duì)照相比,100,200和300 mmol·L-1濃度處理的青綠苔草葉片相對(duì)含水量分別降低了5.44%,10.05%和16.08%。鹽脅迫第8 d后,葉片相對(duì)含水量下降迅速,當(dāng)鹽脅迫第20 d時(shí),100,200和300 mmol·L-1濃度處理的青綠苔草葉片相對(duì)含水量比對(duì)照分別降低了11.95%,20.95%和31.78%。
圖2 不同濃度NaCl脅迫對(duì)‘四季’青綠苔草相對(duì)含水量的影響Fig.2 The effect of different concentrations of NaCl stress on the relative water content of Carex leucochlora ‘Siji’注:不同小寫(xiě)字母表示相同時(shí)間的不同鹽梯度處理差異顯著(P<0.05)。下同Note:Different lowercase letters indicate significant differences in different saline treatments of the same time (P<0.05).The same as below
不同NaCl濃度和鹽脅迫持續(xù)時(shí)間對(duì)青綠苔草葉綠素含量影響不同(圖3)。隨著NaCl濃度升高,青綠苔草葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量降解加劇,葉綠素a/b呈先增高后降低趨勢(shì)。與CK相比,NaCl濃度為50 mmol·L-1時(shí),對(duì)青綠苔草葉綠素a和總?cè)~綠素含量影響均不顯著;當(dāng)NaCl濃度高于100 mmol·L-1處理8 d后,青綠苔草葉綠素a、葉綠素b和葉綠素含量下降明顯,當(dāng)鹽脅迫第20 d時(shí),100,200和300 mmol·L-1濃度處理的青綠苔草與CK相比,葉綠素a含量分別下降了6.03%,27.81%和53.06%,葉綠素b含量分別下降了44.57%,61.01%和66.04%,葉綠素b含量降低幅度高于葉綠素a。葉綠素a/b分別增加了63.20%,77.24%和30.35%。
圖3 不同濃度NaCl脅迫對(duì)‘四季’青綠苔草葉綠素含量的影響Fig.3 Effects of different concentrations of NaCl stress on the total chlorophyll content of chlorophyll in Carex leucochlora ‘Siji’
青綠苔草葉片相對(duì)電導(dǎo)率隨著鹽脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)顯著升高(P<0.05)(圖4)。當(dāng)NaCl濃度為50 mmol·L-1處理青綠苔草第4 d時(shí),葉片相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照相比變化不大;100,200和300 mmol·L-1處理下葉片相對(duì)電導(dǎo)率均呈升高趨勢(shì)。當(dāng)鹽脅迫第8 d時(shí),各濃度下青綠苔草葉片相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照相比顯著升高(P<0.05);鹽脅迫持續(xù)處理20 d時(shí),各濃度處理葉片相對(duì)電導(dǎo)率與對(duì)照組相比分別增加了3.53,6.69,16.71和20.83倍。
青綠苔草葉片中丙二醛含量(MDA)隨著NaCl濃度的增加和鹽脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖4)。NaCl濃度為50 mmol·L-1時(shí),對(duì)青綠苔草葉片MDA含量影響不顯著。當(dāng)NaCl濃度高于100 mmol·L-1時(shí),MDA含量顯著高于對(duì)照(P<0.05)。當(dāng)NaCl處理8 d后,隨著NaCl濃度增加,MDA含量急劇升高,當(dāng)NaCl處理第20 d時(shí),100,200和300 mmol·L-1濃度處理的青綠苔草葉片MDA含量分別比對(duì)照相比增加了86.09%,2.35倍和3.60倍。
圖4 不同濃度NaCl脅迫對(duì)‘四季’青綠苔草相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量的影響Fig.4 The effect of different concentrations of NaCl stress on the relative conductivity and MDA content of Carex leucochlora ‘Siji’
由圖5所示,隨著鹽脅迫時(shí)間延長(zhǎng),葉片SOD活性呈先上升后降低趨勢(shì)。各濃度NaCl脅迫下的青綠苔草SOD活性均顯著高于對(duì)照(P<0.05)。當(dāng)鹽脅迫第8 d時(shí),不同濃度NaCl處理下SOD活性均達(dá)最高,與對(duì)照相比分別提高了1.65,2.45,3.57和2.39倍。
POD活性的變化趨勢(shì)與SOD活性相似(圖5)。青綠苔草葉片POD活性隨著鹽脅迫時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)鹽脅迫第8 d時(shí),不同濃度NaCl處理下的POD活性均有不同程度的上升,與對(duì)照相比分別提高了52.38%,76.65%,87.55%和76.83%。當(dāng)鹽脅迫8 d后,葉片POD活性呈下降趨勢(shì),且隨著NaCl濃度增加,下降越急劇。NaCl濃度為300 mmol·L-1處理第16 d時(shí),POD活性與對(duì)照相比差異不顯著,處理第20 d時(shí),植株葉片大量枯黃,POD活性顯著低于對(duì)照,推測(cè)此時(shí)鹽脅迫程度超過(guò)青綠苔草耐受能力。
圖5 不同濃度NaCl脅迫對(duì)‘四季’青綠苔草葉片抗氧化酶活性的影響Fig.5 Effects of different concentrations of NaCl stress on antioxidase activities of Carex leucochlora ‘Siji’
對(duì)不同濃度NaCl處理下青綠苔草各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析(圖6)。PC1特征值為5.727,方差貢獻(xiàn)率為72.6%。PC1主要反應(yīng)植株生長(zhǎng)和細(xì)胞膜透性,其分別與枯葉率、相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量、SOD活性和POD活性抗氧化酶活性含量呈正相關(guān),表明不同濃度NaCl處理后其含量隨鹽分含量的增加而升高;PC1與植株干重、葉綠素和相對(duì)含水量呈負(fù)相關(guān),表明NaCl濃度增加其含量減少。PC2特征值為1.874,方差貢獻(xiàn)率為23.6%。PC2與電導(dǎo)率、葉綠素含量、相對(duì)含水量和抗氧化酶呈正相關(guān),其中與抗氧化酶SOD和POD含量相關(guān)度較高。PC2與枯葉率、干重和MDA含量呈負(fù)相關(guān)。
圖6 不同濃度NaCl處理下各指標(biāo)主成分分析Fig.6 PCA of each index under different concentrations of salt stress
選擇PC1和PC2作為評(píng)價(jià)青綠苔草耐鹽性的綜合指標(biāo)。以Y1和Y2分別代表第1和第2主成分,X1-X8分別表示8個(gè)單項(xiàng)生理指標(biāo),以各指標(biāo)的特征向量為系數(shù)??傻玫絻蓚€(gè)綜合指標(biāo)與原8項(xiàng)單項(xiàng)指標(biāo)的線(xiàn)性組合方程:
Y1=0.378X1+0.41X2-0.41X3-0.411X4+0.113X5+0.047X6+0.41X7-0.411X8,
Y2=-0.247X1+0.009X2+0.018X3+0.009X4+0.674X5+0.696X6-0.021X7-0.002X8。
將各指標(biāo)在綜合得分模型中的系數(shù)歸一化處理,計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重,各指標(biāo)影響順序依次為相對(duì)含水量>地上部生物量>相對(duì)電導(dǎo)率>葉綠素含量>MDA含量>枯葉率>SOD活性>POD活性(表2)。
表2 初始因子載荷矩陣、特征向量和權(quán)重分析Table 2 Initial factor loading matrix,eigenvectors and weight analysis
鹽脅迫對(duì)植株的影響主要表現(xiàn)在對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育、器官形態(tài)建成和生理代謝的抑制作用[22-23],通常地上部為適應(yīng)環(huán)境變化較根系受到抑制更明顯[18],主要表現(xiàn)在株高降低、葉片數(shù)減少、葉片失水萎蔫、冠幅和生物量顯著下降等[24-25]。因此,鹽脅迫嚴(yán)重影響了草坪和地被植物的景觀(guān)效果。本研究結(jié)果表明,NaCl濃度為50 mmol·L-1時(shí),青綠苔草地上部長(zhǎng)勢(shì)、地上部生物量和葉片相對(duì)含水量與對(duì)照差異不顯著。隨著NaCl濃度提高和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),植株生長(zhǎng)受到抑制,葉片萎蔫,枯葉率明顯增加,地上部生物量和葉片相對(duì)含水量顯著下降。這與前人在白穎苔草(Carexrigescens)[18]、狗牙根(Cynodondactylon)[26]、小報(bào)春(Primulaforbesii)[24]和湖南稷子(Echinochloafrumentacea)[25]中報(bào)道一致。此外,本研究中青綠苔草在50 mmol·L-1NaCl處理下生長(zhǎng)受鹽脅迫影響不明顯,說(shuō)明青綠苔草可能在中度鹽化土(土壤含鹽量0.2%~0.4%)條件下正常生長(zhǎng)。
葉綠素是植株光合能力的基礎(chǔ),其含量高低與光合潛力密切相關(guān),也是逆境條件下衡量葉片功能的重要指標(biāo)[27]。本研究中,不同濃度NaCl處理對(duì)葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量影響一致。與對(duì)照相比,在50 mmol·L-1NaCl處理下,葉綠素含量變化不大。在100 mmol·L-1以上NaCl處理第4 d時(shí),葉綠素含量差異不顯著;當(dāng)處理第8 d時(shí),葉綠素含量顯著降低。說(shuō)明在低鹽濃度(50 mmol·L-1)或短期高鹽濃度(≥100 mmol·L-1)誘導(dǎo)下,青綠苔草產(chǎn)生了短期的逆境適應(yīng)機(jī)制,來(lái)減緩鹽脅迫的生理干擾[18,28]。當(dāng)高鹽脅迫持續(xù)作用,誘導(dǎo)了參與光合作用的重要膜蛋白變性,葉綠素降解酶活性增強(qiáng),降解葉綠素分子[29],葉綠體數(shù)量減少,同時(shí)對(duì)葉綠體超微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響,進(jìn)而降低光合速率,導(dǎo)致植株生長(zhǎng)減緩[30]。鹽脅迫對(duì)葉綠素b影響強(qiáng)于葉綠素a,在高鹽濃度脅迫20 d時(shí),葉綠素a/b明顯增加,可能與葉綠素b向葉綠素a轉(zhuǎn)化有關(guān)。
細(xì)胞膜的透性是衡量膜脂過(guò)氧化作用和膜氧化損傷程度的指標(biāo)[31-32]。本研究結(jié)果表明,隨著鹽脅迫濃度增加和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),青綠苔草的相對(duì)電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì),說(shuō)明鹽脅迫對(duì)青綠苔草細(xì)胞膜影響較大,這與前人在結(jié)縷草[33]和狗牙根[26]中報(bào)道一致。MDA是細(xì)胞膜通透性和脂質(zhì)過(guò)氧化的產(chǎn)物[31]。本試驗(yàn)中50 mmol·L-1NaCl脅迫下MDA水平?jīng)]有顯著提高,在馬齒莧(PortulacaoleraceaL.)[34]也有類(lèi)似的結(jié)果。而當(dāng)NaCl濃度增加,MDA含量顯著提高,可見(jiàn),高鹽濃度環(huán)境導(dǎo)致青綠苔草細(xì)胞膜完整性和蛋白質(zhì)活性受損[35],進(jìn)而影響植株正常生長(zhǎng)。
本研究對(duì)青綠苔草不同濃度鹽脅迫下各指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,從主成分因子可以看出,PC1對(duì)植株生長(zhǎng)和細(xì)胞膜透性影響較大,相對(duì)含水量、地上部生物量、相對(duì)電導(dǎo)率、葉綠素含量、MDA含量和枯葉率權(quán)重分別為:0.1592,0.1591,0.1590,0.1589,0.1587和0.1473。前人研究表明,植株生物量的變化是其耐鹽能力的綜合體現(xiàn)[18],以其植株生物量下降50%時(shí)的鹽濃度作為該植物的耐鹽閾值[38-39]。本研究以不同NaCl濃度作為自變量建立回歸方程為y=0.000004x2-0.0056x+2.1073(R2=0.985 7)。通過(guò)鹽脅迫下生物量的降低50%可以估測(cè)青綠苔草對(duì)鹽脅迫的臨界濃度為231.29 mmol·L-1。
通過(guò)研究不同濃度NaCl脅迫下青綠苔草生長(zhǎng)發(fā)育和生理特性的響應(yīng),探討了草坪地被植物青綠苔草耐鹽生理機(jī)制和在鹽漬化土壤中適應(yīng)性。在50 mmol·L-1NaCl脅迫下,青綠苔草可以正常生長(zhǎng),但高鹽濃度(≥100 mmol·L-1)使其生長(zhǎng)受到抑制,枯葉率增加,葉片相對(duì)含水量、地上部生物量、葉綠素含量、相對(duì)電導(dǎo)率不同程度降低,抗氧化酶(SOD和POD)活性呈先增加后降低趨勢(shì)。通過(guò)主成分分析表明 8個(gè)生理指標(biāo)對(duì)青綠苔草耐鹽性的貢獻(xiàn)率為相對(duì)含水量>地上部生物量>相對(duì)電導(dǎo)率>葉綠素含量>MDA含量>枯葉率>SOD活性>POD活性。青綠苔草在低鹽濃度或短期高鹽脅迫下,表現(xiàn)出一定的耐鹽性,耐鹽閾值為231.29 mmol·L-1。本研究為青綠苔草在鹽漬化土地的栽培和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。