長穗偃麥草(Thinopyrum ponticum)幼苗對(duì)鹽旱脅迫的生理響應(yīng)*

張 睿,封曉輝,吳玉潔,孫 琦,李 靜,李勁松,劉小京**

(1.河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院鹽堿地資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022;2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049;3.唐山曹妃甸濱海公路開發(fā)建設(shè)有限公司 曹妃甸 063200)

干旱和土壤鹽漬化是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素[1]。尤其在鹽漬區(qū)域,由于蒸發(fā)量大、降水量少導(dǎo)致土壤積鹽,植物在鹽漬區(qū)不僅面對(duì)鹽脅迫,也受到干旱脅迫,兩者往往同時(shí)發(fā)生,會(huì)產(chǎn)生鹽與干旱的雙重脅迫。鹽脅迫和干旱脅迫均會(huì)使土壤溶液水勢下降,造成植物細(xì)胞失水而導(dǎo)致植株吸水困難,最終對(duì)植物生長產(chǎn)生不利影響[2-3]。濱海鹽漬區(qū)水資源缺乏且含鹽量高,春季干旱少雨,地表蒸發(fā)快,土壤表層返鹽重[4],生長在這一地區(qū)的作物易遭受鹽和干旱的雙重脅迫,因此,在鹽堿地中的植物需具備較強(qiáng)的耐鹽和耐旱能力。

目前,關(guān)于植物對(duì)干旱、鹽脅迫響應(yīng)方面的研究主要集中在小麥(Triticum aestivum)[5]、沙蘆草(Agropyron mongolicum)[6]、藍(lán)稷(Panicum antidotale)[7]、檉柳(Tamarix chinensis)[8]、燕麥(Avena sativa)[9]等植物。植物對(duì)鹽、旱交互脅迫的響應(yīng)主要體現(xiàn)在滲透調(diào)節(jié)、離子平衡以及植物體內(nèi)的抗氧化酶活性變化[10]。鹽旱交互脅迫會(huì)破壞植物體內(nèi)的氧化還原平衡,導(dǎo)致活性氧(reactive oxygen species,ROS)的過度生成,從而引起二次氧化脅迫[11]。呂廷良等[12]對(duì)紫荊幼苗(Cercis chinensis)在鹽、旱及其交互脅迫下凈光合速率及其葉綠素含量變化的研究表明,低濃度的鹽分脅迫、低強(qiáng)度的干旱脅迫以及低強(qiáng)度的交互脅迫在短時(shí)間內(nèi)均可增強(qiáng)紫荊的光合能力,增加植株對(duì)脅迫的抵抗能力。于振群等[13]以皂角(Gleditsia sinensis)為材料,研究了鹽旱交互脅迫對(duì)幼苗膜脂過氧化及保護(hù)酶活性的影響,結(jié)果表明適度的水分脅迫能夠緩解鹽脅迫,但在嚴(yán)重的干旱條件下,鹽、旱交互脅迫的適應(yīng)性降低,超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化物酶(peroxidase,POD)和過氧化氫酶(catalase,CAT)活性明顯下降,不足以清除體內(nèi)的自由基,導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化和膜系統(tǒng)受到損傷。翁亞偉等[5]對(duì)小麥幼苗(Triticum aestivum)進(jìn)行鹽旱復(fù)合脅迫的試驗(yàn),結(jié)果表明小麥幼苗在復(fù)合脅迫下表現(xiàn)出一定的交互脅迫適應(yīng)性,即通過降低Na+/K+緩解離子毒害,從而保持相對(duì)高效的光合速率。

長穗偃麥草(Thinopyrum ponticum)是小麥族禾本科偃麥草屬(Thinopyrum)的多年生草本植物。其根莖發(fā)達(dá),多花多實(shí),侵占能力強(qiáng),生長速度快,草質(zhì)柔軟,莖葉蛋白含量高,是我國重要的牧草物種,也是防風(fēng)固沙、鹽堿地改良、天然草地改良的理想植物[14-15]。種植偃麥草具有改良鹽堿土、抑制雜草、為野生動(dòng)物提供棲息地點(diǎn)等效益[16-17],同時(shí)偃麥草屬植物也是小麥遺傳改良的野生種質(zhì)資源庫,具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和種質(zhì)資源價(jià)值。長穗偃麥草是優(yōu)良的牧草品種,已在國外大面積種植。李振聲通過小麥和長穗偃麥草遠(yuǎn)緣雜交的方法,育成了小偃系列小麥品種;同時(shí),依據(jù)農(nóng)藝性狀,選出了遠(yuǎn)緣雜交的第一代7 個(gè)可作為牧草品種的株系[18]。前人的研究表明,在耐鹽性植物中,長穗偃麥草比大多數(shù)單子葉植物[如水稻(Oryza sativa)、小麥和大麥(Hordeum vulgare)]和一些雙子葉植物[如苜蓿(Medicago Sativa)]具有更強(qiáng)的耐鹽性[19]。2020年,李振聲提出在環(huán)渤海地區(qū)的66.7 萬 hm2鹽堿地上種植耐鹽牧草的“濱海草帶”。有學(xué)者通過對(duì)長穗偃麥草在不同鹽分條件下的產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀和生理生化指標(biāo)研究發(fā)現(xiàn),長穗偃麥草在濱海鹽漬化土上具有較高的適應(yīng)能力,且對(duì)這一地區(qū)的鹽漬化土壤具有較好的控制和改良作用[20]。

目前,有關(guān)長穗偃麥草對(duì)干旱和鹽分響應(yīng)的研究多集中在干旱或鹽的單一因素脅迫[21-22],而以鹽旱交互脅迫對(duì)長穗偃麥草生長的影響尚少見報(bào)道。因此,本研究以長穗偃麥草為材料,利用土壤盆栽試驗(yàn),研究干旱、鹽及其互作對(duì)長穗偃麥草的生長及生理特性的影響,明確其抗旱耐鹽特征,以期為長穗偃麥草在鹽堿地中的栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)與脅迫處理

本試驗(yàn)在中國科學(xué)院南皮生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站防雨棚中進(jìn)行。供試材料為長穗偃麥草,由中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李振聲課題組提供。種子經(jīng)消毒,然后播種于育苗缽中,待生長到15 cm 高時(shí),選取生長良好,長勢基本一致的實(shí)生苗,移栽至盛有2.3 kg 風(fēng)干菜園土的塑料花盆中(長×寬×高為17 cm×16 cm×13 cm),每盆移栽2 株,然后灌水,緩苗15 d后進(jìn)行試驗(yàn)處理?；ㄅ璧撞坑猛斜P承接,收集滲漏水及時(shí)返還花盆中,以確保盆內(nèi)鹽總量。鹽分處理按施入土壤NaCl 的量設(shè)0 g·kg—1、4 g·kg—1、8 g·kg—1和12 g·kg—14 個(gè)水平,干旱處理按占土壤田間持水量的百分比設(shè)75%～85%(正常供水)、55%～65%(中度干旱)、35%～45%(重度干旱)3 個(gè)水平,共12 個(gè)處理,以不施用NaCl 和正常供水的處理為對(duì)照(CK),每個(gè)處理重復(fù)8 次。試驗(yàn)期間白天溫度25～30 ℃,晚上15～20 ℃,空氣濕度40%～60%。土壤含鹽量的控制是通過灌入不同梯度的NaCl 溶液來實(shí)現(xiàn),為防止短時(shí)間內(nèi)鹽對(duì)植株生長造成的沖擊,將施入土壤的NaCl 溶液從4 g·kg—1起遞增,每天遞增4 g·kg—1,直至達(dá)預(yù)定含鹽量,對(duì)照處理澆灌相同體積的清水。達(dá)預(yù)定的土壤含鹽量后開始控制水分,采用稱重法控制水分梯度,根據(jù)不同水分梯度對(duì)應(yīng)的土壤含水量控制水分條件,5 d 達(dá)預(yù)定水分條件,試驗(yàn)期間定時(shí)稱盆補(bǔ)水,稱重間隔為2 d,為了減少蒸發(fā),達(dá)預(yù)定土壤水分和鹽分時(shí)用塑料薄膜覆蓋整個(gè)花盆盆面。每周進(jìn)行一次隨機(jī)區(qū)組排列,避免邊行效應(yīng)。處理28 d后,開始對(duì)植株進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.2 測定指標(biāo)

生物量測定:將地上部與根系分開收獲,分別裝入信封中,在烘箱105 ℃殺青30 min,85 ℃下烘至恒重,用高精度天平分別稱得干重。

葉片SPAD 值和氣體交換參數(shù)測定:采用SPAD-502 型手持式葉綠素儀(日本 Minolta 公司)測定葉片的葉綠素SPAD 值。測量時(shí),在每個(gè)葉片的主脈兩側(cè)中部測3 個(gè)點(diǎn),取平均值作為該葉片的SPAD 值。取每個(gè)重復(fù)中3 個(gè)葉片的SPAD 值的平均值作為該重復(fù)葉片的SPAD 值。采用LI-6400 光合儀(LI-COR,Inc.USA)于晴天8:30—11:00 測定長穗偃麥草主莖倒二葉的凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,Gs)和胞間二氧化碳濃度(intercellular carbon dioxide concentration,Ci),設(shè)定的環(huán)境條件為光強(qiáng)500 μmol·m—2·s—1、溫度20 ℃,相對(duì)濕度30%～40%。

丙二醛(MDA)含量和保護(hù)酶活性測定:試驗(yàn)結(jié)束時(shí),分別取各處理新鮮的葉片,每個(gè)處理取0.8 g,液氮速凍置于—80 ℃保存,測定其MDA 含量和保護(hù)酶活性。采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛的含量,采用分光光度計(jì)測定在532 nm、600 nm 以及450 nm下的吸光度值,計(jì)算MDA 含量。超氧化物歧化酶(SOD)活性以氮藍(lán)四唑(NBT)法[23]測定,以抑制氮藍(lán)四唑光氧化還原的50%酶量為1 個(gè)活性單位,用分光光度計(jì)測定560 nm 處的吸光值,計(jì)算SOD 的活性。過氧化物酶(POD)活性以愈創(chuàng)木酚法測定[23],按每分鐘A470變化0.01 為1 個(gè)酶活性單位,采用分光光度計(jì)測定其在470 nm 處的吸光值變化,計(jì)算POD 活性。過氧化氫酶(CAT)活性的測定采用可見光法[23],以吸光度每分鐘變化0.01 為1 個(gè)酶活性單位,用分光光度計(jì)測定其在240 nm 處的吸光值變化,計(jì)算CAT 活性。

無機(jī)離子含量的測定:取植株地上部和地下部分用自來水和去離子水沖干凈后于105 ℃殺青30 min后85 ℃烘干至恒重,磨碎、稱重后置于1 mmol·L—1HCl 溶液中震蕩浸提2 h,用蒸餾水定容后再使用原子吸收分光光度儀(WYX-420C,JASCO Corporation,Japan)測定Na+、K+含量,并計(jì)算K+/Na+。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 和SPSS 26.0 軟件進(jìn)行處理分析,并使用鄧肯法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較(P＜0.05),用SPSS 對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析,得到相關(guān)系數(shù)矩陣,Origin 9.1 軟件進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草幼苗生長的影響

表1 結(jié)果表明,干旱或鹽脅迫極顯著影響長穗偃麥草地上部干重和根干重(P＜0.01),干旱脅迫對(duì)根/冠比無顯著影響,而鹽分顯著影響根/冠比(P＜0.05);干旱和鹽分互作對(duì)地上部干重?zé)o顯著影響,但極顯著影響根干重和根/冠比(P＜0.01)。長穗偃麥草地上部干重和根干重隨土壤含水量降低或土壤含鹽量增加而下降。單一干旱脅迫降低根/冠比,同一鹽分水平在不同干旱脅迫下的根/冠比差異不顯著,但同一干旱處理下根/冠比隨土壤含鹽量增加而增加。在鹽旱互作下,地上部干重隨土壤含鹽量增加和土壤含水量降低進(jìn)一步下降:4 g·kg—1、8 g·kg—1和12 g·kg—1NaCl 處理的地上部干重與同一干旱處理下的無NaCl 處理相比,在常規(guī)灌水下分別降低24.3%、38.3%和56.0%,在中度干旱處理下分別降低24.1%、48.2%和55.9%,在重度干旱處理下分別降低27.9%、56.6%和60.2%;根干重則隨土壤含水量的降低,鹽分脅迫導(dǎo)致的根干重下降趨勢減緩,4 g·kg—1、8 g·kg—1和12 g·kg—1NaCl 處理的根干重與同一干旱處理下的無NaCl 處理相比,在常規(guī)灌水下分別降低44.8%、49.8%和59.3%,而在中度干旱處理下分別降低13.7%、36.7%和33.8%,在重度干旱處理下分別降低14.4%、38.1%和50.8%;根/冠比則隨土壤含水量的降低,鹽分脅迫導(dǎo)致的根/冠比增加效應(yīng)更強(qiáng),4 g·kg—1、8 g·kg—1和12 g·kg—1NaCl 處理的根/冠比與同一干旱處理下的無NaCl 處理相比,常規(guī)灌水下分別降低29.3%、22.0%和9.8%,而在中度干旱處理下分別增加了10.3%、20.7%和44.8%,在重度干旱處理下分別增加16.1%、38.7%和19.4%。如果按地上部生物量比對(duì)照降低一半時(shí)的處理為臨界處理,不同旱鹽處理的臨界值不同,在正常供水(75%～85%)條件下,當(dāng)土壤含鹽量達(dá)12 g·kg—1時(shí),地上部干重是對(duì)照干重的44.0%;在中度干旱(55%～65%)脅迫條件下,當(dāng)土壤含鹽量達(dá)8 g·kg—1時(shí),地上部干重是對(duì)照干重的46.7%;在重度干旱(35%～45%)脅迫條件下,當(dāng)土壤含鹽量達(dá)4 g·kg—1時(shí),地上部干重是對(duì)照干重的51.6%;即使在重度干旱脅迫下,當(dāng)土壤含鹽量達(dá)12 g·kg—1時(shí)仍能存活,這可能與其具有發(fā)達(dá)的根系和較高的根冠比有關(guān)。

2.2 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草幼苗SPAD 值及光合參數(shù)的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明(表2),鹽分、干旱及其互作均極顯著影響葉片葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率(P＜0.01)。鹽分極顯著影響葉片的凈光合速率,但干旱及其與鹽分互作則影響不顯著。

表2 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草葉片SPAD 值和光合參數(shù)影響的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA of effects of salt,drought and their interactions on leaf SPAD value and photosynthetic parameters of Thinopyrum ponticum

由圖1 可知,單獨(dú)干旱脅迫顯著降低了長穗偃麥草幼苗葉片葉綠素含量(P＜0.05),中度(55%～65%)和重度(35%～45%)干旱脅迫的葉片SPAD 值與對(duì)照相比分別降低5.7%和11.9%。正常供水條件(75%～85%)下,長穗偃麥草的葉綠素SPAD 值隨土壤含鹽量的升高呈顯著下降趨勢,4 g·kg—1、8 g·kg—1和12 g·kg—1鹽處理的葉片SPAD 值與對(duì)照相比分別降低7.1%、13.1%和19.5%。在中度和重度干旱脅迫下,輕度鹽分(4 g·kg—1)脅迫能夠提高葉綠素含量,但過高的鹽分會(huì)降低葉綠素的含量。同正常供水處理相比,鹽分脅迫能使長穗偃麥草葉片葉綠素含量在中度干旱脅迫下保持較高的水平。

圖1 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草葉片葉綠素SPAD 值的影響Fig.1 Interactive effect of salt and drought on the leaf chlorophyll SPAD value of Thinopyrum ponticum

由圖2 可知,單獨(dú)干旱脅迫使長穗偃麥草葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度均低于對(duì)照,重度干旱脅迫下降幅最大,與對(duì)照相比分別下降23.5%、38.0%、50.2%和58.4%。正常供水條件下,鹽脅迫顯著降低了長穗偃麥草葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度,且在土壤含鹽量為12 g·kg—1時(shí)降幅達(dá)最大,與對(duì)照相比分別降低72.3%、74.2%、81.5%;而胞間CO2濃度呈先降低后升高的趨勢,但均低于對(duì)照。中度干旱條件下,4 g·kg—1NaCl 處理與無NaCl 處理相比,葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度均有增加趨勢,但差異不顯著,過高的鹽分顯著降低了葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度,增加了葉片胞間CO2濃度。在重度干旱脅迫條件下,葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度隨土壤含鹽量的增加而顯著下降,胞間CO2濃度呈顯著增加趨勢。

圖2 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草葉片光合參數(shù)的影響Fig.2 Interactive effects of salt and drought on leaf photosynthetic parameters of Thinopyrum ponticum

2.3 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草幼苗葉片保護(hù)酶活性的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明(表3),鹽分顯著影響葉片SOD、POD、CAT 的活性和MDA 含量;干旱和旱鹽互作顯著影響葉片POD、CAT 的活性和MDA 含量,而對(duì)SOD 活性影響不顯著。

表3 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草葉片保護(hù)酶活性和丙二醛含量影響的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA of effects of salt,drought and their interactions on leaf protective enzymes activities and malondialdehyde content of Thinopyrum ponticum

植物在面對(duì)逆境時(shí),體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量活性氧,而SOD、POD 和CAT 是植物體內(nèi)重要的活性氧清除酶[24]。干旱處理有提高葉片SOD 活性的趨勢,但差異不顯著;同一干旱處理下,4 g·kg—1和8 g·kg—1NaCl處理提高了葉片SOD 活性,過高的鹽分(12 g·kg—1)降低了SOD 活性(圖3A)。鹽旱互作下,葉片POD活性隨干旱和鹽脅迫加重顯著提高,但過高的鹽分(12 g·kg—1)降低了葉片POD 活性(圖3B)。說明適度鹽旱互作下可誘導(dǎo)或激活SOD 和POD 的活性,使長穗偃麥草體內(nèi)自由基的產(chǎn)生和清除處于平衡狀態(tài),但當(dāng)脅迫超過一定程度時(shí)就會(huì)打破這一平衡,從而抑制了長穗偃麥草的生長。

CAT 是植物體內(nèi)重要的過氧化氫清除酶。單獨(dú)干旱脅迫提高了長穗偃麥草葉片CAT 活性,與對(duì)照相比,中度和重度干旱脅迫下葉片CAT 活性分別增加16.3%和22.3%,但差異不顯著;在正常供水條件下,長穗偃麥草葉片CAT 活性隨土壤含鹽量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,在土壤含鹽量8 g·kg—1處理下葉片CAT 活性比對(duì)照增加16.7%,而在土壤含鹽量12 g·kg—1處理葉片CAT 活性比對(duì)照降低。在中度干旱脅迫與不同鹽分互作下,CAT 活性隨含鹽量增加呈先增加后降低趨勢,在4 g·kg—1土壤含鹽量下達(dá)峰值,增幅為62.7%;在重度干旱脅迫和不同鹽分互作下,與對(duì)照相比,隨脅迫程度的增加,CAT 活性同樣呈先升高后降低的趨勢,在土壤含鹽量為4 g·kg—1和8 g·kg—1時(shí)增幅分別為22.7%和26.4%,但在12 g·kg—1土壤含鹽量則下降12.5%(圖3C)。以上結(jié)果表明,干旱和低濃度鹽分可使CAT 被激活,使得長穗偃麥草滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng),能夠耐受一定程度的干旱和鹽脅迫。

MDA 是植物細(xì)胞中膜脂過氧化的重要產(chǎn)物,可與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)、酶等生物大分子結(jié)合,交聯(lián)使之失活,從而使得生物膜結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞。由圖3D 可知,在無NaCl 處理?xiàng)l件下,與對(duì)照相比,長穗偃麥草葉片MDA 含量隨土壤含水量的降低呈先降低后升高的趨勢,差異顯著;在正常供水條件下,只有12 g·kg—1土壤含鹽量處理導(dǎo)致葉片MDA 含量顯著升高;在中度干旱脅迫下,4 g·kg—1NaCl 處理顯著降低了葉片MDA 的含量,之后隨土壤含鹽量升高葉片MDA 含量顯著升高;但在重度干旱脅迫下,葉片MDA 含量隨土壤含鹽量的升高而升高。說明在鹽旱互作下,隨脅迫程度加深,長穗偃麥草葉片保護(hù)酶活性下降,細(xì)胞內(nèi)自由基的平衡被打破,從而引發(fā)了細(xì)胞的膜脂過氧化作用,植株生長受到抑制。

圖3 鹽旱互作下長穗偃麥草葉片超氧化物歧化酶(SOD,a)、過氧化物酶(POD,b)、過氧化氫酶(CAT,c)活性和丙二醛含量(MDA,d)的變化Fig.3 Leaf superoxide dismutase(a),peroxidase(b)and catalase(c)activities and the content of malondialdehyde(d)of Thinopyrum ponticum under the interaction of salt and drought

2.4 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草幼苗離子含量的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明(表4),鹽分或干旱極顯著(P＜0.01)影響長穗偃麥草地上部和根系中Na+、K+含量和K+/Na+比。鹽旱互作極顯著(P＜0.01)影響根部Na+含量和地上部K+/Na+比,但對(duì)地上部Na+、K+含量和根部K+含量和K+/Na+比影響不顯著。長穗偃麥草地上部Na+、K+含量和K+/Na+比高于根部,平均分別是根系的3.6 倍、6.9 倍和1.9 倍。在單獨(dú)干旱脅迫條件下,根系和地上部Na+含量隨土壤含水量的降低而顯著升高,K+含量有下降趨勢且在重度干旱脅迫下顯著下降,K+/Na+比顯著下降但依然維持在較高的水平。在充分供水條件下,地上部Na+含量隨土壤含鹽量的升高而顯著升高,添加鹽分顯著降低地上部K+含量且隨土壤鹽分增加有降低趨勢但差異不顯著,K+/Na+比顯著下降;土壤中添加鹽分顯著增加根系Na+含量且隨土壤含鹽量增加有增加趨勢但差異不顯著,根部K+含量相對(duì)穩(wěn)定,但過高的土壤鹽分顯著降低根部K+含量,鹽分添加顯著降低根部K+/Na+比但隨土壤含鹽量增加保持穩(wěn)定。在鹽旱互作時(shí),各指標(biāo)變化同充分供水條件下趨勢一致,但根部Na+含量隨土壤含水量降低和土壤鹽分含量增加進(jìn)一步顯著增加,地上部K+/Na+比則進(jìn)一步顯著下降但依然維持在較高水平。通過離子變化分析表明,長穗偃麥草植株在鹽旱脅迫下主要通過積累Na+維持細(xì)胞膨壓,緩解滲透脅迫對(duì)植株產(chǎn)生的不利影響。

表4 鹽旱互作對(duì)長穗偃麥草幼苗葉片和根系Na+、K+含量和K+/Na+的影響Table 4 Effect of salt and drought interaction on Na+,K+ contents and K+/Na+ ratio in leaves and roots of the seedlings of Thinopyrum ponticum

2.5 鹽旱脅迫下長穗偃麥草各指標(biāo)的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果表明(表5),凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和SPAD 值呈極顯著正相關(guān),與地上部和根部K+含量呈顯著正相關(guān),與地上部和根部Na+含量、MDA 呈極顯著負(fù)相關(guān);蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度與SPAD、地上部和根部K+含量呈極顯著或顯著正相關(guān),與地上部和根部Na+含量、MDA 呈極顯著負(fù)相關(guān);SPAD 值與地上部和根部Na+含量、MDA 呈極顯著負(fù)相關(guān),與地上部和根部K+含量呈極顯著正相關(guān);SOD 與POD、CAT 呈極顯著正相關(guān);POD 與CAT 呈顯著正相關(guān);CAT 與MDA 呈極顯著負(fù)相關(guān);MDA 與地上部和根部Na+含量呈極顯著或顯著正相關(guān),與地上部和根部K+含量呈顯著負(fù)相關(guān);地上部Na+含量與地上部和根部K+含量呈極顯著負(fù)相關(guān),與根部Na+含量呈極顯著正相關(guān);地上部K+含量與根部K+含量呈極顯著正相關(guān),與根部Na+含量呈極顯著負(fù)相關(guān);根部Na+含量與根部K+含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表5 鹽旱脅迫下長穗偃麥草生理指標(biāo)之間的相關(guān)性Table 5 Correlation of physiological indexes of Thinopyrum ponticum under salt and drought stress

3 討論與結(jié)論

生物量是植物對(duì)脅迫響應(yīng)的綜合體現(xiàn),也是目前評(píng)價(jià)植物耐鹽、抗旱能力最直接的指標(biāo)[25]。在干旱和鹽分脅迫條件下,植物體內(nèi)發(fā)生一系列復(fù)雜的生理生化反應(yīng)以應(yīng)對(duì)逆境脅迫。陳成升等[26]對(duì)小麥鹽旱交互脅迫的研究發(fā)現(xiàn),在單一干旱或鹽分脅迫下隨著干旱和鹽脅迫程度的升高,小麥幼苗的干物質(zhì)積累量明顯下降;干旱脅迫下,適量鹽分的添加可使小麥幼苗干物質(zhì)含量增加。而本研究中,干旱脅迫和鹽脅迫均可使長穗偃麥草的生長受到抑制,與上述研究結(jié)果相一致;但鹽旱互作下,隨著土壤含水量的降低,鹽分導(dǎo)致長穗偃麥草的根/冠比增加效應(yīng)更強(qiáng)。

光合作用是植物生長發(fā)育和面對(duì)逆境的一個(gè)基本代謝過程,光合作用的許多代謝產(chǎn)物參與植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)和細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的維持。葉綠素相對(duì)含量(SPAD)是衡量葉綠素含量的一個(gè)重要指標(biāo)[27]。本研究發(fā)現(xiàn)干旱和鹽脅迫均可使長穗偃麥草葉綠素含量顯著下降,且隨脅迫程度的加深,下降幅度增加。鹽旱互作下,適度的鹽分可使干旱脅迫得到一定程度的緩解,過量鹽分與不同土壤水分條件互作下,緩解作用消失,說明鹽脅迫對(duì)長穗偃麥草的影響大于干旱脅迫,因?yàn)橹参锩媾R鹽脅迫時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生滲透脅迫,還會(huì)產(chǎn)生離子脅迫,而在面臨干旱脅迫時(shí)主要產(chǎn)生滲透脅迫[28]。劉建新等[9]的研究表明,適量的土壤鹽分可緩解水分脅迫對(duì)燕麥生長的影響,與本研究結(jié)果相一致。

引起光合作用下降的主要原因一是氣孔導(dǎo)度的下降,CO2的供應(yīng)受到限制,即氣孔限制因素;二是植物葉肉細(xì)胞光合活性下降,如Rubisco 羧化活性下降,引起的葉肉細(xì)胞對(duì)CO2同化能力降低的非氣孔限制性因素[29]。本研究發(fā)現(xiàn),在單獨(dú)鹽脅迫以及鹽旱交互脅迫下,長穗偃麥草的光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均呈不斷下降趨勢,胞間CO2濃度在鹽脅迫下呈先降低后升高趨勢,在交互脅迫下呈不斷增加趨勢,說明高鹽和鹽旱復(fù)合脅迫下光合作用受到抑制是由于葉肉細(xì)胞對(duì)CO2利用能力下降的非氣孔限制性因素引起的,可能是由于高鹽脅迫和鹽旱復(fù)合脅迫所誘導(dǎo)的滲透脅迫和離子毒害使PSⅡ氧化側(cè)的放氧復(fù)合物的功能得到損害,造成了其向PSⅡ反應(yīng)中心的電子供應(yīng)數(shù)量減少。單獨(dú)干旱脅迫下,隨脅迫程度增加,長穗偃麥草的各光合參數(shù)均呈下降趨勢,且單獨(dú)鹽脅迫下各光合參數(shù)與對(duì)照相比的降幅大于干旱脅迫,說明鹽脅迫對(duì)長穗偃麥草生長的不利影響更大。已有的研究表明鹽脅迫比等滲干旱脅迫對(duì)植物生長的危害更大[30],與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。相關(guān)性分析表明凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、SPAD 呈極顯著正相關(guān),與胞間CO2濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明光合參數(shù)蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度的降低是長穗偃麥草對(duì)鹽旱及雙重脅迫保持適應(yīng)性的重要機(jī)制,另外葉綠素SPAD 值的降低也是長穗偃麥草凈光合速率下降的影響因素之一。郭書奎等[31]對(duì)玉米(Zea mays)葉片的研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫時(shí)間較短時(shí),光合作用受到抑制以氣孔限制因素為主,時(shí)間較長時(shí)則以非氣孔限制性因素為主;秦景等[32]對(duì)沙棘(Hippophae rhamnoides)幼苗葉片的研究認(rèn)為,限制光合作用的氣孔因素和非氣孔因素是隨脅迫濃度動(dòng)態(tài)變化的,鹽濃度越高,由氣孔限制轉(zhuǎn)為非氣孔限制的時(shí)間越早,這與我們的研究相一致。

MDA 是膜脂質(zhì)過氧化的重要產(chǎn)物,也是評(píng)估細(xì)胞膜受到傷害程度的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明:在單獨(dú)鹽脅迫或干旱脅迫下,MDA 含量隨脅迫程度的加深均呈先降低后增加的趨勢。在適度鹽旱互作下,MDA 含量呈先降低后升高的趨勢;在重度鹽旱互作下,MDA 含量卻持續(xù)增加。在適度的鹽旱互作下,與MDA 含量變化對(duì)應(yīng)的過氧化物酶呈先升高后降低趨勢,說明此時(shí)抗氧化酶活性增加參與體內(nèi)自由基的清除,減輕細(xì)胞膜脂過氧化程度,增強(qiáng)長穗偃麥草抵抗逆境的能力。而余淑艷等[6]通過對(duì)沙蘆草的研究發(fā)現(xiàn),鹽旱互作下,MDA 含量顯著增加。但朱金方等[8]對(duì)檉柳幼苗的研究表明,適度的鹽旱互作能夠降低植株MDA 含量,增強(qiáng)植株對(duì)逆境的抵抗能力,與本研究結(jié)果相一致。

植物體內(nèi)抗氧化酶活性的應(yīng)激性變化是反映植物受逆境脅迫程度的重要指標(biāo)之一。SOD、POD 和CAT 是植物中的主要抗氧化酶,主要作用為清除自由基,抗脂質(zhì)過氧化,減少膜損傷等。SOD 可催化O2—生成H2O2,而POD 和CAT 又可將H2O2降解為H[33]。逆境脅迫下,植物體內(nèi)抗氧化酶活性發(fā)生變化,自由基產(chǎn)生和清除的平衡狀態(tài)被打破,抗氧化酶活性的變化因植物種類、脅迫種類及脅迫時(shí)間的不同而呈現(xiàn)不同的變化[34]。本試驗(yàn)的結(jié)果顯示,長穗偃麥草幼苗葉片的SOD、POD、CAT 活性在鹽脅迫和鹽旱互作時(shí)呈先升高后降低的趨勢,在干旱脅迫下均呈現(xiàn)升高趨勢。說明長穗偃麥草在面臨脅迫時(shí)的耐受能力是有一定的范圍的,鹽旱互作下,植物體內(nèi)活性氧增加,為清除自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害,長穗偃麥草葉片的抗氧化酶活性逐漸升高,但抗氧化酶系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力也是有限的,當(dāng)脅迫超出一定范圍后,體內(nèi)的自由基過多,超出抗氧化酶系統(tǒng)的清除能力,此時(shí),抗氧化酶活性下降,植物生長受到了抑制。石新建等[24]通過對(duì)花花柴(Karelinia capsica)幼苗的鹽旱脅迫的研究表明,在鹽旱脅迫下,隨著脅迫程度的增加植株體內(nèi)抗氧化物酶(SOD、POD、CAT)活性呈先上升后下降的趨勢。王利界等[35]通過對(duì)灰胡楊(Populus pruinosa)在鹽旱交互脅迫下的研究發(fā)現(xiàn),鹽脅迫、鹽旱交互脅迫下,隨著脅迫程度的加重,SOD、POD、CAT 活性均呈先上升后下降趨勢,單一干旱脅迫下SOD、POD、CAT 活性顯著增加。劉建新等[36]對(duì)燕麥的研究表明,隨鹽分、干旱脅迫程度的提高,SOD、POD 活性呈先升高后降低趨勢,CAT 活性增加,與本試驗(yàn)的研究結(jié)果一致。

相關(guān)性分析可知,SOD、POD 和CAT 活性與MDA 含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,且3 種抗氧化酶活性之間則表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系,可推測,鹽旱互作下長穗偃麥草抗氧化酶系統(tǒng)活性的變化是引起長穗偃麥草膜脂過氧化程度變化的重要影響因素;在面臨逆境脅迫時(shí)長穗偃麥草體內(nèi)的3 種抗氧化物酶可能產(chǎn)生協(xié)同作用,形成較為完整的抗氧化物酶系統(tǒng),進(jìn)而抵御外界逆境對(duì)植物體內(nèi)的傷害。

隨著脅迫的加劇,植物體內(nèi)離子平衡調(diào)節(jié)會(huì)被打破,產(chǎn)生離子毒害,從而影響了植物的正常生長。當(dāng)植物體內(nèi)Na+過高時(shí),K+向外滲透,Na+/K+值增大。當(dāng)Na+/K+比值增大到超出植物體正常生長所能承受的臨界值時(shí),植物受到傷害[37]。脅迫發(fā)生時(shí),植物一般通過Na+的外排和Na+的區(qū)隔化來降低Na+的濃度。一般通過質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將Na+排出細(xì)胞來實(shí)現(xiàn)Na+的外排,而通過NHX1 蛋白將Na+區(qū)隔化入液泡中以消除Na+的毒害來實(shí)現(xiàn)Na+的區(qū)隔化。K+是參與蛋白質(zhì)合成、糖酵解酶和光合作用的重要離子,在脅迫條件下可維持細(xì)胞膨壓,當(dāng)Na+含量過高時(shí),與K+競爭,影響K+發(fā)揮正常的生理作用[38]。翁亞偉等[5]的研究表明,鹽旱互作下的Na+、K+低于單獨(dú)的鹽脅迫,緩解了離子毒害,體現(xiàn)了植物在交互脅迫下的適應(yīng)性。本研究中,在干旱或鹽分脅迫下,根部和地上部Na+含量升高,K+含量降低,但依然維持在較高水平。適度鹽分(4 g·kg—1NaCl)與中度(55%～65%田間持水量)干旱程度的互作下,與單一的4 g·kg—1NaCl脅迫相比,地上部和根系的K+、Na+含量均降低,但其與重度干旱(35%～45%田間持水量)脅迫互作時(shí),地上部和根系的Na+含量增加、K+含量降低。說明長穗偃麥草在干旱或鹽分脅迫下具有吸收積累Na+的特征,通過吸收Na+來維持細(xì)胞膨壓抵抗逆境,同時(shí)地上部高的K+積累有利于調(diào)控離子平衡。K+含量的增加可參與提高植物細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力,穩(wěn)定的K+吸收和分布可平衡Na+積累的毒性作用并控制脅迫期間植物體內(nèi)的離子穩(wěn)態(tài)。相關(guān)性分析表明,鹽脅迫下長穗偃麥草的凈光合速率與地上地下部K+具有顯著的正相關(guān)性,與地上地下部Na+呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,說明鹽旱脅迫下所產(chǎn)生的滲透脅迫對(duì)長穗偃麥草葉片的光合作用造成了影響。

綜上所述,長穗偃麥草能夠在適度的鹽脅迫(4 g·kg—1NaCl、8 g·kg—1NaCl)、中度干旱脅迫(55%～65%田間持水量)以及適度的鹽旱互作下(4 g·kg—1NaCl,55%～65%田間持水量)生長,且在重度干旱(35%～45%田間持水量)和高鹽(12 g·kg—1NaCl)條件下能夠存活,這與其在脅迫下Na+的吸收和其本身高K+特征以及抗氧化酶活性上升有關(guān)。雖然長穗偃麥草能夠在重度干旱和鹽脅迫下存活,但其生長隨著干旱或鹽分脅迫程度增加而受到顯著抑制,鹽旱互作下脅迫進(jìn)一步加重,在8～12 g·kg—1NaCl 和重度干旱互作下,長穗偃麥草生長受到顯著影響。長穗偃麥草在干旱脅迫下Na+的積累及其在抗逆中的調(diào)控機(jī)制有待進(jìn)一步加強(qiáng)。長穗偃麥草幼苗在生長過程中表現(xiàn)出較高的抗鹽耐旱性能,可用于鹽漬區(qū)推廣種植,但由于旱或鹽顯著抑制其生長,要獲得較高的生物量,需選擇適宜的低鹽和適度干旱土壤。