鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗生長及生理特性的影響

朱天奇， 魯澤宇，胡桑源， 李光裕， 李尤月， 游翔凱， 高雙紅， 劉鐵芫， 許岳飛

(西北農(nóng)林科技大學草業(yè)與草原學院， 陜西 楊凌 712100)

近年來，隨著城市綠地規(guī)模的擴增和運動場地的建立，草坪的使用越來越廣泛，草坪已經(jīng)成為現(xiàn)代生活不可缺少的組成部分。草坪草作為優(yōu)良的地被植物，可以美化環(huán)境、凈化空氣、降低噪音、調(diào)節(jié)小氣候，為人類提供舒適安全的運動環(huán)境，并且具有獨特的美學價值，因此市場對草坪的需求量日益增加[1-2]。

高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)是羊茅屬(Festuca)植物，其根系發(fā)達，植株強健，抗逆性和抗病性強，具有較強的耐鹽堿能力，適應(yīng)范圍廣，是應(yīng)用最廣泛的冷季型草坪草之一[3]。

我國北方地區(qū)氣候干燥，多次灌溉會造成土壤次生鹽漬化，進而使草坪草遭受一定程度的鹽脅迫，從而影響草坪綠地的質(zhì)量和使用壽命[4]。鹽脅迫影響植物的生長發(fā)育，如抑制種子萌發(fā)[5]、根系長度、株高和結(jié)實率[6]等，同時，鹽脅迫降低植物對土壤水分的利用率，影響植物光合作用，并引起滲透脅迫、離子毒害[7]等原初效應(yīng)，破壞植物體內(nèi)正常的生理生化[8]過程，進而引起氧化脅迫、營養(yǎng)虧缺等次生脅迫。同一物種的不同品種對逆境的響應(yīng)有所差異，有研究表明不同高羊茅品種對鹽脅迫的耐受程度不同[9]，因此，本研究以兩個不同鹽敏感度的高羊茅品種為對象，研究鹽脅迫下其幼苗形態(tài)及生理變化，以期為提高高羊茅的耐鹽性提供一定的理論依據(jù)，同時為我國北方地區(qū)高羊茅的栽培和管理提供一定的理論指導與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗供試高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)品種為‘鈦極-2LS’(Festucaarundinacea‘Titanium 2LS’)和‘易凱’(Festucaarundinacea‘Easycare’)，種子于2020年購買于克勞沃(北京)生態(tài)科技有限公司，于4℃冰箱儲存。將兩個高羊茅品種(‘鈦極-2LS’和‘易凱’)的種子用10%NaClO溶液浸泡，180 r·min-1搖10 min，倒掉上清液，用蒸餾水沖洗3次，播種至已消毒的裝有石英砂的花盆(直徑9 cm×高15 cm)中，每盆播種40粒種子左右，每個品種12盆，對照組和處理組各6盆，放置于培養(yǎng)架(光周期：光通量密度10 000 lx，濕度60%，光期16 h，25℃；暗周期：光通量密度0 lx，濕度50%，暗期8 h，20℃)進行培養(yǎng)。每24 h澆一次水，兩周后，選擇長勢均一的高羊茅幼苗，將每盆間苗至10株，并開始澆Hoagland營養(yǎng)液，每周兩次，每次每盆30 mL。3周后，使用NaCl溶液進行處理，為了避免瞬時沖擊對高羊茅幼苗的影響[10]，設(shè)定初始濃度為50 mmol·L-1，每24 h增加一次鹽濃度(50 mmol·L-1)，最終濃度為500 mmol·L-1，繼續(xù)處理14 d，然后取樣進行相關(guān)指標的測定。

1.2 測定方法

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用GraphPad Prism 8軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)并進行雙因素方差分析(Two-Way ANOVA)，結(jié)果以平均值±標準差(M±SD)表示，使用Duncan’s法進行多重比較(P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異極顯著)，統(tǒng)計圖使用軟件GraphPad Prism 8繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗生長的影響

株高、葉寬、分蘗數(shù)和根系長度能夠直觀表示植物生長狀況(圖1)，與對照組相比，鹽處理下‘鈦極-2LS’和‘易凱’的株高、葉寬和分蘗數(shù)均減少且差異達到極顯著水平(P<0.01)，其根系長度也顯著下降，且CK和鹽處理條件下‘鈦極-2LS’的分蘗數(shù)均顯著高于‘易凱’(P<0.01)。鹽脅迫下，兩個高羊茅品種的地上部鮮重和地下部鮮重均顯著減少(P<0.01)，其中‘鈦極-2LS’和‘易凱’的地上部鮮重分別減少了78.52%和64.39%；地下部鮮重分別減少了74.17%和82.69%；地上部干重分別減少了46.20%和67.64%；地下部干重分別減少了32.59%和80.00%，可以看出在鹽脅迫下‘鈦極-2LS’的地上部鮮重減少幅度高于‘易凱’，而地下部鮮重以及地上部和地下部的干重減少幅度均低于‘易凱’，且‘易凱’的地上部干重和地下部干重在鹽脅迫下均顯著減少而‘鈦極-2LS’減少不顯著，這些結(jié)果表明在高鹽脅迫下‘鈦極-2LS’受到的損傷比‘易凱’小。

圖1 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗生長的影響Fig.1 Effects of NaCl on seedling growth of two tall fescue seedlings注：(A)對照下‘鈦極-2LS’的地上部分形態(tài)；(B)鹽處理下‘鈦極-2LS’的地上部分形態(tài)；(C)對照下‘易凱’的地上部分形態(tài)；(D)鹽處理下‘易凱’的地上部分形態(tài)；(E)對照下‘鈦極-2LS’的整株形態(tài)；(F)鹽處理下‘鈦極-2LS’的整株形態(tài)；(G)對照下‘易凱’的整株形態(tài)；(H)鹽處理下‘易凱’的整株形態(tài)；(I)株高；(J)葉寬；(K)分蘗數(shù)；(L)地上部鮮重；(M)地下部鮮重；(N)地上部干重；(O)地下部干重。*表示P<0.05；**表示P<0.01。下同Note:(A)Morphology of aboveground part of ‘Titanium-2LS’ under control conditions;(B)Morphology of aboveground part of ‘Titanium-2LS’ under NaCl conditions;(C)Morphology of aboveground part of ‘Easycare’ under control conditions;(D)Morphology of aboveground part of ‘Easycare’ under NaCl conditions;(E)Morphology of the whole plant of ‘Titanium-2LS’ under control conditions;(F)Morphology of the whole plant of ‘Titanium-2LS’ under NaCl conditions;(G)Morphology of the whole plant of ‘Easycare’ under control conditions;(H)Morphology of the whole plant of ‘Easycare’ under NaCl conditions;(I)Plant height;(J)Leaf width;(K)Branch number;(L)Shoot fresh weight;(M)Root fresh weight;(N)Shoot dry weight;(O)Root dry weight. * means P<0.05;** means P<0.01. The same as below

2.2 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗離子含量的影響

與對照組相比，鹽脅迫處理組兩個品種幼苗的地上部和地下部Na+含量均增加，K+含量均減少，且差異顯著(P<0.01)。值得注意的是，鹽脅迫下‘易凱’的地下部Na+高于‘鈦極-2LS’且差異顯著(P<0.01)，雖然地上部Na+含量也呈現(xiàn)出相同趨勢，但差異不顯著。鹽脅迫處理下，‘鈦極-2LS’和‘易凱’的地上部Na+含量分別增加7.93倍和12.62倍；地下部Na+含量分別增加1.12倍3.08倍，地上部K+含量分別減少31.32%和21.70%；地下部K+含量分別減少72.66%和62.47%；地上部K+/Na+分別減少了92.30%和95.08%；地下部K+/Na+分別減少了87.48%和92.08%，可以看出鹽脅迫下‘鈦極-2LS’地上和地下部分K+含量和K+/Na+減少幅度均高于‘易凱’，而地上和地下部分Na+含量增加幅度低于‘易凱’，且‘易凱’波動幅度更大(圖2)。

圖2 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗離子含量的影響Fig.2 Effects of NaCl on ion content of two tall fescue seedlings注：(A)地上部K+含量；(B)地上部Na+含量；(C)地上部K+/Na+比值；(D)地下部K+含量；(E)地下部Na+含量；(F)地下部K+/Na+比值Note:(A)K+ content of shoot;(B)Na+ content of shoot;(C)K+/Na+ ratio for shoot;(D)K+ content of root;(E)Na+ content of root;(F)K+/Na+ ratio for root

2.3 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗脯氨酸及可溶性糖含量的影響

與對照組相比，鹽脅迫下，兩個品種的脯氨酸含量均顯著增加(P<0.01)，‘鈦極-2LS’和‘易凱’的脯氨酸含量分別增加9.74倍和6.30倍，‘鈦極-2LS’的脯氨酸增加量大于‘易凱’，且鹽脅迫組‘鈦極-2LS’的脯氨酸含量顯著高于‘易凱’(P<0.01)(圖3)。與對照相比，鹽脅迫下，兩個高羊茅品種幼苗的可溶性糖含量均顯著增加(P<0.01)，‘鈦極-2LS’和‘易凱’的可溶性糖含量分別增加3.54倍和2.92倍，‘鈦極-2LS’的可溶性糖增加量高于‘易凱’，且鹽脅迫組中‘鈦極-2LS’的可溶性糖含量高于‘易凱’(圖3)。

圖3 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗脯氨酸(A)和可溶性糖含量(B)的影響Fig.3 Effects of NaCl on proline content (A) and soluable sugar content (B) of two tall fescue seedlings

2.4 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗光合特性的影響

與對照相比，鹽脅迫下兩個高羊茅品種幼苗的PSⅡ最大光化學效率均顯著下降(P<0.01)，其中‘鈦極-2LS’的PSⅡ最大光化學效率下降了47.10%，‘易凱’下降了48.50%；鹽處理后兩個品種的PSⅡ?qū)嶋H光化學效率的變化趨勢與其PSⅡ最大光化學效率相似，‘鈦極-2LS’的PSⅡ?qū)嶋H光化學效率顯著地下降了51.33%(P<0.05)，‘易凱’下降了63.79%(P<0.05)；在鹽脅迫下，‘鈦極-2LS’和‘易凱’的光化學猝滅系數(shù)均有顯著下降(P<0.05)，‘鈦極-2LS’下降了43.68%，‘易凱’下降了47.21%。鹽脅迫后的‘鈦極-2LS’和‘易凱’的光化學猝滅系數(shù)沒有顯著差異，兩個品種的對照組之間也無顯著差異；鹽處理下的‘鈦極-2LS’和‘易凱’的光合電子傳遞速率與相應(yīng)的對照組相比都顯著下降(P<0.05)，‘鈦極-2LS’的光合電子傳遞速率下降了62.76%，‘易凱’下降了63.80%，鹽處理組的‘鈦極-2LS’和‘易凱’的光合電子傳遞速率無顯著差異，對照組‘鈦極-2LS’和‘易凱’的光合電子傳遞速率也無顯著差異，此外，兩個高羊茅品種幼苗的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間二氧化碳濃度均顯著下降(P<0.01)(圖4)。

圖4 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗光合特性的影響Fig.4 Effects of NaCl on the Photosynthetic characteristics of two tall fescue seedlings注：(A)凈光合速率;(B)蒸騰速率;(C)氣孔導度;(D)胞間CO2濃度;(E)PSⅡ最大光化學效率;(F)PSⅡ?qū)嶋H光化學效率;(G)光化學猝滅系數(shù);(H)光合電子傳遞速率Note:(A)Net photosynthetic rate;(B)Transpiration rate;(C)Stomatal conductance;(D)Intercellular CO2 concentration;(E)Maximal efficiency of PSⅡ photochemistry;(F)Actual quantum yield of PSⅡ;(G)Photochemical quenching coefficient;(H)Electron transport rate

2.5 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗抗氧化酶系統(tǒng)的影響

鹽脅迫下，兩個高羊茅品種幼苗‘鈦極-2LS’和‘易凱’的SOD活性較CK均顯著下降(P<0.05)。‘鈦極-2LS’的SOD活性下降了25.99%，而‘易凱’的SOD活性下降了49.89%，鹽脅迫組和對照組的‘鈦極-2LS’的SOD活性都顯著高于‘易凱’的SOD活性(P<0.05)；鹽脅迫下，‘鈦極-2LS’的POD活性較CK上升了34.05%(P<0.01)，而‘易凱’POD活性較CK變化不顯著，CK處理下兩個品種的POD活性有顯著差異(P<0.05)，但鹽脅迫處理下兩個品種的POD活性并無顯著差異。兩個高羊茅品種的對照組和鹽脅迫組之間的CAT活性沒有顯著變化，兩個高羊茅品種的CAT活性之間無顯著差異(圖5)。

圖5 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗SOD活性(A)、POD活性(B)和CAT活性(C)的影響Fig.5 Effects of NaCl on the SOD activity (A),POD activity (B),and CAT activity (C) of two tall fescue seedlings

3 討論

3.1 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗生長的影響

植物在逆境脅迫下，外部形態(tài)會發(fā)生一系列變化來適應(yīng)不良外界環(huán)境對自身造成的傷害。株高、葉寬、分蘗數(shù)、生物量都是能夠直觀反映植物生長的重要指標。有研究表明，鹽脅迫會導致植物的株高降低、葉片變細、分蘗減少[18-19]。本研究中，兩個高羊茅品種幼苗的株高、葉寬、分蘗數(shù)在鹽處理后均顯著下降(P<0.01)，與前人的研究結(jié)果一致。而且兩個高羊茅品種地下部生物量的減少均高于地上部，表明鹽脅迫對于兩個品種地下部的影響更大，可能是因為鹽脅迫限制了地上部分的生長，減少了光合產(chǎn)物如糖類的合成，因此運輸?shù)降叵虏康哪芰课镔|(zhì)減少[20]，所以本研究中的兩個高羊茅品種地下部分生長受抑制程度大于地上部分。

3.2 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗離子含量變化的影響

鹽脅迫會破壞植物離子平衡，植物體內(nèi)會積累大量Na+，高水平的Na+會影響K+的吸收，導致K+的減少，從而影響K+/Na+，限制光合活性[21]。離子毒害會破壞植物的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，影響植物正常的生理代謝活動，K+/Na+被視為衡量植物體內(nèi)離子平衡的指標。K+作為植物體內(nèi)一種重要的營養(yǎng)元素，可以調(diào)控植物體的離子平衡，提高促進滲透調(diào)節(jié)的效率[3]。在我們的研究中，鹽處理后兩個高羊茅品種的地上部和地下部Na+含量均增加，K+含量均減少，K+/Na+降低，這與在狗牙根(CynodonRich.)中的研究結(jié)果一致[21]。值得注意的是，鹽脅迫下‘鈦極-2LS’根中的Na+含量少于‘易凱’，K+含量多于‘易凱’，從而維持相對較高的K+/Na+平衡，因此重度鹽脅迫對‘鈦極-2LS’的離子毒害相對較小，說明‘鈦極-2LS’具有較強的耐鹽性。

3.3 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗脯氨酸和可溶性糖含量變化的影響

脯氨酸具有極強的親水性，可以穩(wěn)定細胞內(nèi)的原生質(zhì)膠體及組織內(nèi)的代謝過程，防止細胞脫水[3]?？扇苄蕴强梢跃S持較高的滲透壓，降低水勢，穩(wěn)定細胞內(nèi)的細胞膜和原生質(zhì)膠體，鹽脅迫下植物會通過積累可溶性糖以抵御不良外界環(huán)境[22]。因此植物體內(nèi)脯氨酸和可溶性糖含量的高低可以在一定程度上反映植物耐鹽性的強弱。本研究中，兩個高羊茅品種幼苗在鹽處理后均積累大量的脯氨酸和可溶性糖，這與在黃花苜蓿(Medicagofalcata)上[23]的研究結(jié)果一致，但處理組‘鈦極-2LS’較‘易凱’積累更多的脯氨酸和可溶性糖，這說明相比‘易凱’，‘鈦極-2LS’在高鹽脅迫下可以積累更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵抗鹽脅迫對自身帶來的傷害，進而維持自身的生命活動。

3.4 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗光合特性的影響

鹽脅迫導致Na+大量積累，氣孔調(diào)節(jié)會被擾亂，植物的光合作用會受到很大的影響，植株生長也會受到抑制[24-26]。氣孔導度表示氣孔張開的程度，在一定程度上也影響著植物的光合作用和蒸騰作用。本研究中，鹽脅迫下兩個高羊茅品種光合參數(shù)均受到影響，這與在甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)中的研究一致[27]。在遭受逆境脅迫時，植物對光能的利用率會下降，光系統(tǒng)之間的電子傳遞也會受到抑制。鹽脅迫在一定程度上會抑制PSⅡ的功能，導致PSⅡ?qū)嶋H光化學效率下降[28]。本研究中，鹽脅迫下兩個高羊茅品種幼苗的PSⅡ均受到抑制，這表明鹽脅迫會很大程度上損傷PSⅡ的功能，使高羊茅光合作用受到影響，從而影響高羊茅的正常生長。

3.5 鹽脅迫對兩個高羊茅品種幼苗抗氧化酶系統(tǒng)的影響

植物耐鹽性的強弱與自身抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)能力強弱密切相關(guān)[7]。鹽脅迫初期，植物啟動自身響應(yīng)脅迫的機制，SOD，POD及CAT等抗氧化酶的活性會暫時升高以適應(yīng)脅迫的影響[29]。但如果植物長時間遭受鹽脅迫，其活性氧代謝平衡遭到破壞，進一步導致抗氧化酶系統(tǒng)遭到破壞，抗氧化酶活性下降[30]。本研究中兩個高羊茅品種在鹽脅迫后除‘鈦極-2LS’的POD活性增強外，測定的其他抗氧化酶活性均受到抑制，這與在棉花(Gossypiumspp.)中的研究結(jié)果一致[30]，‘鈦極-2LS’耐鹽性較強可能是因為其POD能夠長時間保持相對較高的活性，從而繼續(xù)參與ROS代謝，維持幼苗生長。前人研究發(fā)現(xiàn)[31-32]，在受到脅迫后，植物中的CAT活性通常是先上升后下降。在我們的研究中，鹽脅迫下兩個高羊茅品種的CAT活性與對照組相比略有下降，這與前人的研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

鹽脅迫下兩個高羊茅品種幼苗的生長和生理特性均會受到一定的影響，但是‘鈦極-2LS’受到的影響比‘易凱’小，因此‘鈦極-2LS’的耐鹽性比‘易凱’更強。此外，本研究中兩個高羊茅品種幼苗在離子含量、脯氨酸含量以及可溶性糖等方面變化的差異較明顯，所以我們認為離子含量、脯氨酸含量和可溶性糖含量可以作為評定高羊茅耐鹽性的指標。