7種檉柳屬植物對NaCl脅迫的生長生理響應與耐鹽性差異

王紅寶，鄭伶杰，丁丁，丁馮潔，郭艷超

(河北省農林科學院濱海農業(yè)研究所/河北省鹽堿地綠化工程技術研究中心，河北 唐山 063200)

土壤鹽漬化是當前重要的生態(tài)環(huán)境問題，也是制約農林業(yè)發(fā)展的重要因素[1，2]。篩選和培育耐鹽植物是鹽漬化土壤改良的有效生物措施，投入成本低，又能實現(xiàn)鹽漬土可持續(xù)開發(fā)利用。檉柳屬(TamarixLinn.)植物作為鹽漬化土壤綠化造林的先鋒樹種，具有抗旱、抗寒、耐鹽堿等優(yōu)良特性[3]，對防風固沙、改善土質等方面有著重要作用，在沿海生態(tài)環(huán)境建設中占有突出地位[4]。因此，開展檉柳屬植物耐鹽生理機制方面的研究具有重要意義。

鹽脅迫是影響植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因子，對植物造成的傷害主要表現(xiàn)在吸水困難、生物膜破壞、離子毒害、氧化損壞和滲透脅迫等[5－7]。近年來，關于檉柳屬植物耐鹽相關的研究較多，如:鹽堿脅迫對檉柳、杜仲(Eucommia ulmoidesOliver.)和沙棗(Elaeagnus angustifoliaLinn.)等樹種葉綠素、丙二醛和總有機酸含量等生理生化指標的影響[8]；鹽脅迫下4 個檉柳品系的生理特性以及利用隸屬函數(shù)法對它們進行的耐鹽性評價[9]；一年生檉柳根系生理生態(tài)特性對不同鹽分條件的響應[10]。

可以看出，以上研究主要集中在檉柳與其它不同樹種、檉柳同一樹種無性系間的耐鹽性比較上，且研究區(qū)域主要分布在西北干旱、半干旱地區(qū)，而關于濱海地區(qū)不同檉柳屬植物幼苗對鹽脅迫的響應及種間耐鹽性差異研究鮮有報道。鑒于此，本研究以7 種檉柳屬植物為材料，測定分析其在NaCl 脅迫下的幼苗株高、葉片質膜透性、抗氧化酶活性及K＋、Na＋含量等生長生理指標，采用主成分分析法、隸屬函數(shù)法及回歸分析法進行檉柳屬植物苗期耐鹽性綜合評價，為今后該屬植物的耐鹽性評價鑒定及耐鹽育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為7 種檉柳屬植物，分別為長穗檉柳(Tamarix elongataLedeb.)、剛毛檉柳(Tamarix hispidaWilld.)、多枝檉柳(Tamarix ramosissimaLedeb.)、白花檉柳(Tamarix androssowiiLitw.)、甘肅檉柳(Tamarix gansuensisH. Z. Zhang)、甘蒙檉柳(Tamarix austromongolicaNakai)和密花檉柳(Tamarix arceuthoidesBunge)。

1.2 試驗方法

本試驗于2020年5月在河北省農林科學院濱海農業(yè)研究所綜合試驗站進行。該地日均溫(25±3)℃。剪取長度約15 cm、直徑約1 cm 的枝條，扦插于裝有草炭∶蛭石∶珍珠巖＝1∶2∶1(體積比)基質的無紡布袋中。培養(yǎng)50 d 后，選取長勢良好、無病蟲害的植株移栽于底部帶托盤的塑料花盆(盆高28 cm，上口直徑28 cm，下口直徑20 cm)中。盆栽基質為蛭石，每盆3 株，然后放置于耐鹽鑒定池內進行常規(guī)管理。

緩苗后，選擇整齊一致、生長健壯的幼苗進行鹽脅迫處理。以1/2 Hoagland 營養(yǎng)液為本底，按比例配制成不同梯度的NaCl 溶液，采用過量灌溉盆栽法進行鹽脅迫處理。試驗共設6 個處理，其NaCl 濃度分別為0(對照)、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%。每盆檉柳作為1 個重復，每處理重復3 次。每3 d 澆灌1 次，上午10 時左右進行。

試驗期間，利用便攜式土壤三參測試儀(EasyTest)對土壤水分及含鹽量進行監(jiān)控，底部托盤中的滲水及時返還盆中。鹽脅迫處理40 d 后采集各植株上部的功能葉片進行相關指標測定。

1.3 測定指標及方法

將選取的葉片用蒸餾水沖洗干凈并吸干水分后稱取鮮重，105℃下殺青1 h 后80℃烘干至恒重稱取干重。株高:于試驗結束時用鋼卷尺測得。葉片含水量測定采用烘干法[11]，質膜透性測定使用電導率儀[12]，超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑法[13]，過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收法[13]，K＋、Na＋含量測定采用原子吸收分光光度法[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)整理與分析采用Microsoft Excel 2016 進行。采用SPSS 20.0 軟件進行主成分分析、隸屬函數(shù)分析和回歸分析。相關指標計算參照文獻[15]。

1.4.1 主成分分析 先對各項指標的原始數(shù)據(jù)進行無綱量化，之后對各項指標進行主成分分析。采用最大方差法，按照累計貢獻率大于85%的標準提取主成分，得到各指標的系數(shù)及綜合評價值。

1.4.2 隸屬函數(shù)分析 計算公式如下:

式中:Xj表示第j 個因子的得分值，Xmin表示第j個因子得分的最小值，Xmax表示第j 個因子得分的最大值。

1.4.3 權重分析 計算公式如下:

式中:Wj表示第j 個公因子在所有公因子中的重要程度即權重，Pj為各處理組合第j 個公因子的貢獻率。

1.4.4 綜合評價 計算公式如下:

式中:D 值為耐鹽性綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物生長的影響

由表1 可知，隨著NaCl 濃度升高，密花檉柳株高呈降低趨勢，其余材料均呈先上升后下降的變化趨勢。在0.3%～0.9% NaCl 脅迫下，這6 種檉柳屬植物株高均有不同程度的增長。NaCl 濃度為0.6%時多枝檉柳、白花檉柳和甘蒙檉柳株高達到最大值，NaCl 濃度為0.9%時長穗檉柳、剛毛檉柳和甘肅檉柳株高增至最大值，NaCl 濃度高于1.2%時各材料株高均受到抑制，且低于對照，其中長穗檉柳和剛毛檉柳株高受抑制程度最小，降幅僅為5.56%、9.72%。

表1 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物株高的影響(cm)

由表2～表4 可以看出，隨著NaCl 濃度增加，7 種檉柳屬植物葉片鮮重、干重及含水量均呈先上升后下降趨勢。0.3%、0.6% NaCl 脅迫下，葉片鮮重、干重和含水量均有不同程度的提高；0.9%NaCl 脅迫下，甘蒙檉柳的葉片鮮重和干重均達到最大，分別比對照增加112.15%、58.19%；NaCl 濃度增至1.2%，整體上大多數(shù)檉柳屬植物的葉片鮮重、干重和含水量未出現(xiàn)顯著下降，說明其仍能維持正常生長所需水分；1.5% NaCl 脅迫下，各材料葉片鮮重、干重和含水量出現(xiàn)大幅下降趨勢，其中密花檉柳的降幅最大，分別下降53.42%、38.89%和28.02%?？梢?，低濃度鹽脅迫可以促進檉柳屬植物幼苗生長和葉片含水量的積累，但隨著脅迫強度的增大，植株生長受到明顯抑制。

表2 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片鮮重的影響(g/株)

表3 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片干重的影響(g/株)

表4 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片含水量的影響(%)

2.2 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片質膜透性的影響

如圖1 所示，隨著NaCl 脅迫加重，7 種檉柳屬植物葉片質膜透性呈逐漸增加趨勢，其中，甘蒙檉柳各處理均與對照差異不顯著。0.3%、0.6%NaCl 脅迫下，除密花檉柳外其它6 種檉柳屬植物葉片質膜透性變化平穩(wěn)，與對照差異不顯著(P<0.05)；0.9%、1.2% NaCl 脅迫下，長穗檉柳、多枝檉柳和密花檉柳均與對照差異顯著(P<0.05)；1.5% NaCl 脅迫下，除甘蒙檉柳外6 種檉柳屬植物葉片質膜透性顯著提高，分別比對照高出86.96%、57.14%、56.00%、11.69%、32.65% 和86.36%。以上表明甘蒙檉柳的細胞膜受NaCl 脅迫的影響較小，長穗檉柳和密花檉柳受NaCl 脅迫的影響較大。

圖1 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片質膜透性的影響

2.3 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片Na＋和K＋含量的影響

由表5 可知，隨著NaCl 濃度升高，7 種檉柳屬植物葉片Na＋含量均出現(xiàn)不同程度的上升趨勢，說明各材料間的耐鹽能力存在差異。除長穗檉柳外，其它檉柳屬植物在0.9%～1.5% NaCl 處理下均與對照差異顯著(P<0.05)，1.5% NaCl 脅迫下甘肅檉柳葉片Na＋含量比對照增加1.05 倍，而甘蒙檉柳葉片Na＋含量增加60.41%。

表5 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片Na＋含量的影響(mg/g)

由表6 可知，葉片K＋含量隨著NaCl 濃度升高而逐漸降低，在0.3%～0.9% NaCl 脅迫下，各檉柳屬植物葉片K＋含量下降比較緩慢，除多枝檉柳外降幅均無顯著差異；當NaCl 濃度增至1.5%時葉片K＋含量大幅下降，與對照相比，多枝檉柳和甘蒙檉柳葉片K＋含量分別下降61. 12% 和62.78%，表明兩者受高濃度NaCl 脅迫影響較大。

表6 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片K＋含量的影響(mg/g)

由表7 可知，隨著NaCl 脅迫增強，7 種檉柳屬植物葉片的Na＋/K＋值整體呈上升趨勢。其中，除長穗檉柳外，其它材料葉片的Na＋/K＋值均與對照存在顯著差異，1.5% NaCl 脅迫下各檉柳屬植物葉片的Na＋/K＋值達到最高，其增幅由高到低依次為多枝檉柳、甘蒙檉柳、白花檉柳、剛毛檉柳、甘肅檉柳、密花檉柳和長穗檉柳，分別比對照增3.82、2.83、2.48、2.22、1.68、1.00 倍和91%。

表7 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片Na＋/K＋的影響

2.4 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片抗氧化酶活性的影響

由圖2 可知，隨著NaCl 脅迫程度的加劇，7種檉柳屬植物葉片SOD、CAT 活性的變化趨勢一致，均呈先升高后下降趨勢。其中，長穗檉柳和剛毛檉柳在0.6% NaCl 處理下SOD、CAT 活性達到峰值；多枝檉柳、白花檉柳、甘肅檉柳和甘蒙檉柳在0.9% NaCl 處理下SOD、CAT 活性增至最高值，且與對照差異顯著(P<0.05)，表明在此NaCl 濃度處理下這些檉柳屬植物SOD、CAT 活性達到最大耐受值；密花檉柳SOD、CAT 活性則分別在1.2%、0.9% NaCl 處理下達到峰值。除密花檉柳外，其它檉柳屬植物1.2%、1.5% NaCl 處理下SOD、CAT 活性與最高值時相比顯著下降(P<0.05)，且1.5% NaCl 處理下均降至最低，其中SOD、CAT 活性降幅最小的是長穗檉柳和剛毛檉柳，降幅分別為75.28%、32.81%。以上說明檉柳屬植物幼苗受到低濃度鹽脅迫時，細胞能迅速啟動抗氧化保護酶系統(tǒng)，但在高濃度鹽脅迫下，抗氧化保護酶活性雖在增加，但較輕度脅迫增幅下降。

圖2 NaCl 脅迫對不同檉柳屬植物葉片SOD和CAT 活性的影響

2.5 主成分分析

對7 種檉柳屬植物10 個單項指標進行主成分分析，結果見表8。根據(jù)累計貢獻率大于85%標準，提取了3 個主成分，其貢獻率分別為55.776%、24.842%和12.130%，累計貢獻率達92.748%，表明這3 個綜合指標代表供試材料10個單項指標的大部分信息。另外，SOD 活性、Na＋含量、CAT 活性的系數(shù)較高，分別為0.949、－0.984和0.824，表明這3 個單項指標為各主成分的主要作用因子。

表8 各綜合指標的系數(shù)及貢獻率

2.6 耐鹽性綜合評價

根據(jù)主成分分析結果，計算NaCl 脅迫下7 種檉柳屬植物的綜合指標值CI(x)和隸屬函數(shù)值U(X)，并運用3 個綜合指標的權重(分別為0.601、0.268 和0.131)和隸屬函數(shù)值計算得到各材料的耐鹽性綜合評價值(D)，結果見表9。D 值的大小反映不同檉柳耐鹽能力的強弱，D 值越大，耐鹽能力越強。該方法能較為客觀地反映7 種檉柳屬植物的耐鹽性強弱。根據(jù)綜合評價值排序，得出7 種檉柳屬植物的耐鹽能力由強到弱依次為:甘蒙檉柳、多枝檉柳、白花檉柳、甘肅檉柳、長穗檉柳、密花檉柳和剛毛檉柳。其中甘蒙檉柳的耐鹽能力最強，其次是多枝檉柳，剛毛檉柳的耐鹽能力最弱。

表9 各材料的綜合指標值CI(x)、隸屬函數(shù)值U(X)、綜合評價值D 和預測值VP

將綜合評價D 值及各單項指標的相對值進行逐步回歸分析，獲得最優(yōu)回歸方程為Y ＝0.572X6－0.366X7＋0.098X10－0.103(R2＝0.998，F(xiàn)＝430.252)，式中，X6、X7、X10分別代表Na＋含量、K＋含量和CAT 活性，表明X6、X7和X10這3 個指標對7 種檉柳屬植物耐鹽性有顯著影響。根據(jù)上述回歸方程計算得到的耐鹽性預測值(VP)，與綜合評價值(D)得到的結果基本一致，兩者差值為－0.023～0.019。這說明在與本研究相同的試驗條件下，可通過測定這3 項指標預測檉柳屬植物的耐鹽能力。

3 討論與結論

植株的生長狀況可直觀體現(xiàn)出植物的鹽害程度，葉片含水量能真實地反映植物體內水分虧缺情況。本研究顯示，7 種檉柳屬植物株高及葉片的鮮干重、含水量均隨NaCl 脅迫增強呈先上升后下降的變化趨勢。這說明低鹽脅迫對植株生長和葉片含水量的積累有一定的促進作用，但隨著NaCl 脅迫強度的增大，植株能通過減緩生長等來應對逆境，也可能是持續(xù)的鹽脅迫使檉柳體內產生離子毒害，造成葉片鮮干重和含水量降低，進而抑制植株生長[16]。

逆境脅迫下，植物的細胞膜最先受到傷害，質膜透性可以反映細胞膜的受損程度[17]。本研究表明，7 種檉柳屬植物質膜透性隨NaCl 脅迫的增強而增加。0.3%、0.6% NaCl 脅迫下，總體上質膜透性基本趨于平穩(wěn)，與對照差異不顯著；當NaCl濃度增至1.5%時，除甘蒙檉柳外，6 種檉柳屬植物葉片質膜透性顯著增加，說明高濃度鹽脅迫導致質膜損傷程度加大，滲透物質外流，從而質膜透性增大。這與鹽脅迫下3 個越橘(Vaccinum corymbosum)品種葉片細胞膜透性生理響應結果一致[18]。

作為泌鹽型植物，檉柳在鹽脅迫環(huán)境下會吸收大量的Na＋作為其主要的滲透調節(jié)物質[6]，同時通過鹽腺選擇性吸收和轉運體內K＋，維持體內離子平衡與滲透穩(wěn)定[19]。本研究中，隨著NaCl脅迫強度增大，Na＋含量及Na＋/K＋值均呈上升趨勢，K＋含量卻逐漸降低，說明當檉柳受到NaCl 脅迫時，大量Na＋進入植物體內，造成植物對K＋的選擇性吸收降低。可見，維持合理的Na＋/K＋值是植物的一種抗鹽機制，葉片中較低的Na＋/K＋值可以減少過量Na＋造成的傷害，促進植物生長發(fā)育[20]，而Na＋/K＋值過高會產生離子毒害，威脅植物正常生長。

SOD、CAT 作為酶促防御系統(tǒng)中主要的保護酶，在清除植物體內活性氧自由基中起著重要作用[21]。本研究中7 種檉柳屬植物SOD、CAT 活性均呈先升高后降低趨勢，說明低濃度NaCl 脅迫下檉柳可以通過提高SOD、CAT 活性有效清除多余活性氧，防止大量電解質外滲，保護質膜透性和植株免受鹽害。但高濃度NaCl 脅迫超出幼苗葉片細胞忍耐活性氧的極限，加劇了膜脂過氧化作用，導致酶活性下降[22]。兩種酶活表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用，共同維持細胞內自由基的平衡狀態(tài)。這與李星等[23]研究鹽脅迫對細穗檉柳抗氧化酶活性影響時得出的變化趨勢結果一致。

為全面、客觀、準確地評價檉柳屬植物的耐鹽性，應從其形態(tài)、生理、生化等多方面指標上進行綜合評價。主成分分析、隸屬函數(shù)法等多種方法相結合的方式已廣泛應用于柳樹(Salix)[24]、白榆(Ulmus pumilaL.)[25]等植物耐鹽性的評價上，成為綜合評價植物抗逆性的有效方法。本研究采用主成分分析法，將7 種檉柳屬植物苗期10 個指標的相對值轉換成3 個彼此獨立的綜合指標，其累計貢獻率達92.748%?；谥鞒煞址治鼋Y果，結合隸屬函數(shù)法得出綜合指標值和隸屬函數(shù)值，進而獲得檉柳屬植物苗期耐鹽性的綜合評價值(D值)。D 值是1 個[0，1]閉區(qū)間的無量綱系數(shù)，增加了樣本間耐鹽性的可比性及準確性[26]，可直觀反映7 種檉柳屬植物的耐鹽性強弱與排序。本研究綜合評價得出，長穗檉柳的綜合耐鹽能力高于剛毛檉柳，與梁維維等[27]的研究結果不一致。這可能與檉柳屬植物的耐鹽生理特征與泌鹽特征有關，不同種類間及不同濃度的鹽生環(huán)境均可導致檉柳屬植物泌鹽量的差異[28]，進而影響其耐鹽性強弱。劉詠梅等[28]從株高、葉片相對含水量和離子含量等方面對3 種檉柳屬植物耐鹽性進行比較，表明多枝檉柳的耐鹽能力高于甘肅檉柳，與本研究結果一致。為提高耐鹽性綜合評價效率，本研究通過逐步回歸分析建立了用于檉柳屬植物苗期耐鹽性的評價模型，發(fā)現(xiàn)Na＋含量、K＋含量和CAT 活性對檉柳屬植物耐鹽性有顯著影響，這與在柳樹[29]、衛(wèi)矛(Euonymus alantus)[30]等植物上的耐鹽鑒定指標篩選結果一致。

綜上，隨著NaCl 脅迫強度增大，7 種檉柳屬植物葉片的質膜透性、Na＋含量及Na＋/K＋值呈上升趨勢；其整體株高及葉片的鮮干重、含水量、SOD 活性和CAT 活性呈先上升后下降趨勢，葉片K＋含量呈下降趨勢。檉柳可以通過增強體內抗氧化酶活性和選擇性吸收積累滲透調節(jié)物質來適應低濃度的NaCl 脅迫，當NaCl 濃度超過檉柳屬植物的耐受能力，其株高、細胞膜、抗氧化酶系統(tǒng)和滲透調節(jié)系統(tǒng)會受到破壞。綜合評價得出，7種檉柳屬植物的耐鹽性強弱依次為:甘蒙檉柳、多枝檉柳、白花檉柳、甘肅檉柳、長穗檉柳、密花檉柳和剛毛檉柳。甘蒙檉柳和多枝檉柳可作為沿海地區(qū)鹽堿地改良和造林綠化的優(yōu)勢樹種。同時篩選出Na＋含量、K＋含量和CAT 活性可以作為評價檉柳苗期耐鹽性的主要單項指標。