干旱和鹽脅迫對冰菜生長及光合特性的影響

練冬梅，李 洲，姚運法，張少平，林碧珍，洪建基，賴正鋒

（福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所 福建漳州 363005）

冰菜（Mesembryanthemum crystallinumLinn.）為番杏科（Aizoaceae）日中花屬草本植物，又名冰葉日中花，是一種兼性景天酸代謝植物（crassulacean acid metabolism, CAM）[1-2]。冰菜具有一定耐旱性，輕度干旱脅迫（基質(zhì)持水量為60%），冰菜生長狀況最佳，中度干旱脅迫（基質(zhì)持水量為40%），冰菜的生長受到抑制[2]；在20.0%～40.0%海水及低于400 mmol·L-1NaCl 下均具有極強的耐鹽性[3-4]，He等[5]研究表明，冰菜葉片的脯氨酸、抗壞血酸和總酚類化合物含量隨海水濃度的增加而增加，且表現(xiàn)出較高的光合效率；Klaus 等[6]研究表明，在鹽脅迫下，冰菜從C3光合作用途徑轉(zhuǎn)變?yōu)镃AM 途徑，從而最大限度地減少水分流失，并保證在缺水、土壤鹽漬的情況下成功繁殖。目前，對冰菜干旱和鹽脅迫方面的研究主要集中在單一脅迫的生長[2，7]、生理代謝變化[3-4，8]、光合特性[5]、營養(yǎng)品質(zhì)[5]、基因水平方面[9-10]，而關(guān)于旱鹽互作對冰菜生長發(fā)育及光合特性影響的研究罕見報道。冰菜是一種設(shè)施大棚和露地均可生產(chǎn)的特色蔬菜，由于施肥施藥不合理，土壤鹽漬化嚴(yán)重，旱鹽脅迫時有發(fā)生，研究冰菜對旱鹽脅迫的響應(yīng)，對指導(dǎo)冰菜種植具有重要意義。筆者以冰菜幼苗為試驗材料，采用基質(zhì)盆栽試驗，對其進(jìn)行干旱脅迫和鹽脅迫單一和雙重處理，探索干旱和鹽脅迫對冰菜生長發(fā)育及光合特性的影響，以期為冰菜規(guī)范化栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

水晶冰菜種子由福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所提供，屬于印度冰菜類型。盆土基質(zhì)購買自眾耕（廈門）農(nóng)業(yè)科技有限公司，基質(zhì)的pH 值5.7，有機質(zhì)含量（w，后同）44.9%，堿解氮含量337.6 mg·kg-1，有效磷含量660.6 mg·kg-1，速效鉀含量8771 mg·kg-1。每盆裝土量120 g，持水量為100%時澆水量為400 mL。脯氨酸（Pro）、丙二醛（MDA）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）試劑盒均購自北京索萊寶科技有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021 年12 月在福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所智能氣候箱中進(jìn)行。冰菜種子經(jīng)0.05%高錳酸鉀消毒20 min，流水沖洗數(shù)次，將種子放置在干凈的基質(zhì)中培養(yǎng)至3 葉1 心，選擇生長一致的幼苗種植于裝有基質(zhì)的花盆中，每盆1 株，白天26 ℃/12 h，夜間16 ℃/12 h，濕度70%。試驗設(shè)置2 個干旱水平（60%和40%）和2 個鹽分水平（0和0.6%）（表1），即對照（60%土壤持水量，CK）、中度干旱脅迫（40%土壤持水量，D）、鹽脅迫（60%土壤持水量，0.6%土壤含鹽量，S）、旱鹽脅迫（40%土壤持水量，0.6%土壤含鹽量，DS）。干旱脅迫參照李樹和[2]的方法進(jìn)行劃分；鹽脅迫參照施海濤[11]的方法進(jìn)行劃分，以水溶解NaCl，施入量按照土壤含鹽量0.6%計算。試驗采用完全隨機處理，每個處理10株，3 次重復(fù)，共120 盆。水分控制采用WET 土壤三參數(shù)速測儀，每日用1/2 Hoagland 營養(yǎng)液補充損失的水分，培養(yǎng)冰菜35 d，冰菜可采食時進(jìn)行各項指標(biāo)測定。

表1 試驗設(shè)計

1.3 測定方法

1.3.1 生長指標(biāo)測定 用直尺測定株高和株幅；游標(biāo)卡尺測定莖粗；電子天平測定地上部和地下部鮮質(zhì)量。每處理測定3 次重復(fù)。根冠比=地下部鮮質(zhì)量/地上部鮮質(zhì)量。

1.3.2 生理指標(biāo)測定 選取植株展開心葉下第3～4葉0.1 g 置于離心管中液氮速凍，參照索萊寶試劑盒方法，用紫外可見分光光度計（上海精科L5S）測定過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）、脯氨酸（Pro）、丙二醛（MDA）OD 值。并參照試劑盒說明書計算各生理指標(biāo)含量，每處理設(shè)3 次重復(fù)。

1.3.3 葉片光合氣體交換參數(shù)測定 選取植株展開心葉下第3～4 葉，使用便攜式光合作用儀GFS-3000 測定光合氣體交換參數(shù)：凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）。測定時間為08：00—11：30，測定光照度為800 μmol·m-2·s-1，流速為500 μmol·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1。每處理設(shè)3 次重復(fù)。

1.3.4 葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)測定 選取植株展開心葉下第3～4 葉，用手持式葉綠素?zé)晒鈨x（FluorPenFP 110/s）測定葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)。將葉片表面擦凈，測定前將葉片暗適應(yīng)15 min 后測定初始熒光（Fo），再以飽和脈沖光測定最大熒光（Fm）和可變熒光（Fv），并計算光系統(tǒng)II（photosystem II，PSII）的最大量子產(chǎn)額（Fv/Fm）、最大光合潛能（Fv/Fo）、電子傳輸活性（Fm/Fo）。測定時間為08：00—11：30，每個處理設(shè)3 次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用DPS 7.05 進(jìn)行二因素試驗統(tǒng)計分析，采用Microsoft Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制作圖表。

2 結(jié)果和分析

2.1 干旱和鹽脅迫對冰菜生長的影響

干旱和鹽脅迫引起了冰菜生長上的差異，由表2～3 可知，與CK 相比，處理D 顯著抑制了冰菜的地上部鮮質(zhì)量，處理DS 顯著抑制了冰菜的株高，處理S 顯著增加了冰菜的莖粗，為CK 的1.23倍，且極顯著增加了株幅、分枝數(shù)和地上部鮮質(zhì)量，分別為CK 的1.67 倍、14.15 倍和1.97 倍；各處理間的根冠比均無顯著差異。說明處理S 的冰菜長勢最好。土壤干旱水平顯著影響冰菜株高、株幅、分枝數(shù)和地上部鮮質(zhì)量，對莖粗、地下部鮮質(zhì)量和根冠比的影響不顯著；土壤鹽分水平顯著影響冰菜株幅、分枝數(shù)和地上部鮮質(zhì)量，對株高、莖粗、地下部鮮質(zhì)量和根冠比的影響不顯著；冰菜的株幅、莖粗、分枝數(shù)和地上部鮮質(zhì)量受干旱和鹽分互作的影響。

表2 干旱和鹽脅迫對冰菜農(nóng)藝性狀的影響

表3 旱鹽互作對冰菜農(nóng)藝性狀影響的方差分析

2.2 干旱和鹽脅迫對冰菜生理特性的影響

由表4～5 可知，與CK 相比，各處理均引起冰菜POD、CAT、APX 活性和Pro、MDA 含量增加，說明各處理均增加了冰菜葉片抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)能力、細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度。D 處理極顯著增加冰菜葉片CAT 活性和Pro 和MDA 含量，分別為CK 的2.57 倍、7.14 倍、4.84 倍，說明D 處理引起冰菜葉片細(xì)胞膜質(zhì)過氧化最嚴(yán)重。S 處理極顯著增加了冰菜葉片CAT 活性，為CK 的4.3 倍。DS 處理極顯著增加了冰菜葉片POD、CAT、APX 活性和Pro含量，分別為CK 的2.20 倍、7.27 倍、8.41 倍、4.88 倍，說明DS 處理更能增強冰菜的自我修復(fù)功能。土壤干旱和鹽分水平顯著影響冰菜的POD、CAT、APX 活性和Pro、MDA 含量；除POD 活性外，CAT、APX活性和Pro、MDA 含量受干旱和鹽分互作的影響。

表4 干旱和鹽脅迫對冰菜生理特性的影響

2.3 干旱和鹽脅迫對冰菜光合氣體交換參數(shù)的影響

由圖1 和表6 可知，冰菜干旱和鹽脅迫處理35 d 后，與CK 相比，D 處理冰菜葉片Pn、Tr和Gs較CK 極顯著降低73.9%、55.7%和46.8%。S 處理冰菜葉片Pn較CK 顯著提高52.6%，Tr和Gs較CK 極顯著提高168.9%和205.0%，說明鹽脅迫增強冰菜葉片的光合作用。DS 處理冰菜葉片Tr和Gs較CK顯著降低24.6%和27.2%。D、S、DS 處理冰菜葉片Ci均較CK 顯著提高41.3%、41.7%和46.2%。土壤干旱和鹽分水平顯著影響冰菜Pn、Tr、Gs、Ci；除Pn外，冰菜Tr、Gs、Ci受干旱和鹽分互作的影響顯著。

圖1 干旱和鹽脅迫對冰菜光合氣體交換參數(shù)的影響

表6 旱鹽互作對冰菜光合特性影響的方差分析

2.4 干旱和鹽脅迫對冰菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由表6 和表7 可知，土壤干旱水平顯著影響冰菜Fv/Fm、Fv/Fo，對Fm/Fo不顯著；鹽分水平顯著影響冰菜Fv/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo，但旱鹽互作對冰菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)無顯著影響。與CK 相比，D 處理冰菜葉片F(xiàn)v/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo較CK 降低3.1%、7.2%、4.8%，說明D 處理抑制了冰菜光合作用。S 處理Fv/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo較CK 增加1.5%、19.6%、3.7%，說明最大量子產(chǎn)額、最大光合潛能和電子傳輸活性較強。DS 處理Fv/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo與CK 差異不顯著，說明冰菜在NaCl 作用下通過調(diào)節(jié)光合作用來適應(yīng)干旱逆境。

表7 干旱和鹽脅迫對冰菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

3 討論與結(jié)論

干旱脅迫和鹽脅迫在一定意義上都屬于滲透脅迫，鹽脅迫還存在鹽離子毒害作用[12]，這兩種脅迫既相似又存在差異，目前已有對一些植物進(jìn)行了單一脅迫和雙重脅迫的研究分析[13-14]。干旱和鹽脅迫均引起了植物生長、生理代謝、光合特性參數(shù)的變化。

從生長方面，Levitt[15]認(rèn)為生物量是植物對鹽脅迫反應(yīng)的綜合體現(xiàn)，也是體現(xiàn)植物耐鹽性的直接指標(biāo)之一。在本試驗中，D 處理顯著抑制了冰菜的地上部鮮質(zhì)量，說明D 處理對冰菜抑制明顯。S 處理顯著增加了冰菜的莖粗，極顯著增加了株幅、分枝數(shù)、地上部鮮質(zhì)量，明顯加速了冰菜的生長，這與徐微風(fēng)等[3]和李廣魯?shù)萚4]的研究結(jié)果一致，適量鹽脅迫促進(jìn)冰菜生長發(fā)育。處理DS 冰菜地上部鮮質(zhì)量與CK 無顯著差異，說明旱鹽互作降低了干旱對冰菜生長脅迫影響的程度。

在生理代謝方面，當(dāng)植物受到干旱、鹽脅迫時會產(chǎn)生一系列生理生化代謝物變化，包括細(xì)胞抗氧化酶、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和膜脂過氧化產(chǎn)物的變化。POD、CAT、APX 均具有清除H2O2毒害的作用[16]；當(dāng)植物生理性缺水時，植物體內(nèi)Pro 含量增加，可以防止細(xì)胞脫水，降低有毒離子含量[17]；逆境條件下植物產(chǎn)生的MDA 含量高，說明植物細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度高，細(xì)胞膜受到的傷害嚴(yán)重[18]。在本試驗中，各處理均引起冰菜葉片抗氧化酶（POD、CAT、APX）活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（Pro）、膜脂過氧化產(chǎn)物（MDA）含量提高，其中，D 處理冰菜葉片的POD、CAT、APX活性雖提高，對清除活性氧起到一定作用，但MDA對冰菜細(xì)胞膜產(chǎn)生的毒害影響更大，影響冰菜生長。DS 處理極顯著提高冰菜葉片POD、CAT、APX 活性和Pro 含量，說明旱鹽互作更能增強冰菜自我修復(fù)功能。

在光合特性方面，光合作用是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)[19]，光合氣體交換參數(shù)Pn、Tr、Gs、Ci反映光合作用的表觀性，而葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo、Fm、Fv、Fv/Fm、Fv/Fo、Fm/Fo更能反映光合作用的內(nèi)在變化[20]，葉綠素?zé)晒馐且环N用來研究植物的光合作用的非損傷探針[21]。冰菜作為兼性CAM 植物，與C3和C4光合途徑對比，CAM 將水的利用率提高了5 倍[22]。單一干旱脅迫不能誘導(dǎo)冰菜產(chǎn)生CAM 途徑[23]，但干旱耦合鹽脅迫能夠誘導(dǎo)冰菜產(chǎn)生CAM 途徑[1]。在本試驗中，D 處理冰菜的光合作用受到極顯著抑制，降低了葉片Pn、Gs和Tr，也降低了冰菜PSII 原初光能轉(zhuǎn)化效率和潛在活性。S 處理顯著增強了冰菜的光合作用，DS 處理冰菜Pn、Fv/Fm、Fv/Fo和Fm/Fo與CK無顯著差異，說明冰菜在NaCl 作用下通過調(diào)節(jié)光合作用來適應(yīng)干旱逆境，這與黃瑋等[24]和陳成升等[25]的研究結(jié)論類似。氣孔是植物與外界環(huán)境進(jìn)行水分和CO2交換的重要通道[26]，F(xiàn)arquhar 等[27]提出，若Ci隨Gs的降低而降低則為氣孔限制，若Gs降低而Ci不變或上升則為非氣孔限制，筆者的試驗中，D、DS 處理冰菜葉片的Gs較CK 下降，但Ci較CK 上升，說明非氣孔限制是冰菜葉片Pn下降的主要原因。

綜上所述，與對照（60%土壤持水量）相比，鹽脅迫（60%土壤持水量，0.6%土壤含鹽量）下冰菜生長最佳。旱鹽互作對冰菜在NaCl 作用下通過調(diào)節(jié)細(xì)胞抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及光合效能來適應(yīng)干旱逆境，表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性。本試驗結(jié)果為冰菜規(guī)范化栽培提供了理論依據(jù)。