不同鹽堿脅迫下小黑麥幼苗的生理生化響應(yīng)

孫業(yè)奇 魏進(jìn)華

1.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；2.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 吉林 132013

0 引言

鹽堿地是在某種特定的自然條件或者人為條件下形成的［1］。作為世界上鹽堿地較多的國家之一［2］，我國的鹽漬化土地面積約為9.913×107hm2，作為農(nóng)業(yè)用地的鹽堿地面積高達(dá)8.913×106hm2［3］。隨著人口增多，糧食安全壓力增大，人與土地矛盾日益突出，鹽漬化土地已成為我國重要的后備土地資源［4］。小黑麥?zhǔn)侨斯づ嘤囊粋€新物種，不僅營養(yǎng)價值較高，還具有較強(qiáng)的抗逆性。小黑麥不僅可用作高質(zhì)量的飼料，也可以作為糧食供人們食用。不論從經(jīng)濟(jì)價值還是從生態(tài)價值上講，小黑麥都有很大應(yīng)用優(yōu)勢。因此，研究鹽堿地小黑麥的種植對糧食產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，飼料、保健食品的生產(chǎn)都具有重要意義，不僅可以提高土地利用率，還能增加糧食產(chǎn)量［5］。

有學(xué)者為篩選出最優(yōu)耐鹽堿品種，研究了混合鹽堿脅迫下不同品種小黑麥種子及其幼苗的耐鹽堿特性。而關(guān)于同種小黑麥對于不同種類、不同濃度的鹽堿脅迫的研究還沒有相關(guān)報(bào)道。篩選出適應(yīng)性強(qiáng)、耐鹽堿的農(nóng)作物種類及品種是合理利用鹽堿地的有效途徑［6］。因此，研究小黑麥對不同種類的鹽堿地的適應(yīng)性生長顯得格外重要。

筆者通過對比試驗(yàn)，研究鹽堿脅迫下小黑麥幼苗的生理生化響應(yīng)，探究在中性鹽、堿性鹽及鹽堿混合不同種類、不同濃度溶液處理下小黑麥幼苗的適應(yīng)能力，綜合評定其耐鹽堿能力，為日后鹽堿地的小黑麥種植提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2019 年5 月中旬，在北華大學(xué)東校區(qū)林學(xué)院園林試驗(yàn)田，選擇無遮光、通風(fēng)良好的試驗(yàn)地進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)培養(yǎng)基質(zhì)為砂壤土，小黑麥品種為冬牧70。盆土pH 值在6.67～6.80，每盆播50粒小黑麥種子。對小黑麥幼苗進(jìn)行正常養(yǎng)護(hù)，當(dāng)幼苗長出三葉一心時，取生長良好、大小相同的幼苗作為試驗(yàn)材料進(jìn)行處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)中性鹽（NaCl）、堿性鹽（Na2CO3）、混合鹽（NaCl/Na2CO3）3 組不同脅迫處理，每組設(shè)置4 個濃度梯度，分別為50、100、150、200 mmol/L，對照為蒸餾水（CK），每個處理設(shè)5 個重復(fù)。為了使幼苗對高濃度的鹽堿脅迫有緩沖時間，所有處理全部先用低濃度梯度鹽溶液培養(yǎng)，逐漸增高鹽溶液濃度，最終達(dá)到最高設(shè)置濃度。

使用pH計(jì)分別測定鹽堿溶液pH值和土壤pH值，測定結(jié)果如表1 所示。先對盆土進(jìn)行灌溉試驗(yàn)，觀測對同規(guī)格盆土澆透又不外流的最佳溶液量，保證在處理各組幼苗的時候鹽溶液不會外流。在所有處理達(dá)到鹽溶液最高濃度的21 d 后，取各組中長勢相同的各個植株的相同部位功能葉開始測定相關(guān)生化指標(biāo)。

表1 處理液和土壤pH值測定結(jié)果

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 生化指標(biāo)的測定。用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量，用茚三酮沸水浴加熱法測定脯氨酸含量，用考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白含量，用丙酮浸提法測定葉綠素含量。生化指標(biāo)的測定均采用劉萍等［7］的試驗(yàn)方法，每個指標(biāo)隨機(jī)取各處理組植物同部位葉片，每盆取0.1 g葉片測定各生化指標(biāo)。

1.3.2 生理指標(biāo)的測定。9 月下旬到10 月上旬，選擇晴天將規(guī)格相近、生長健康的3 盆植株，應(yīng)用Li6400 型便攜式光合測定儀測定小黑麥光合作用、蒸騰作用等生理指標(biāo)。測定時需要利用大氣CO2濃度，并將光照強(qiáng)度設(shè)定為2 200、2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、60、40、20 μmol（/m2·s）及0 μmol（/m2·s）等17 個 梯 度。Li6400型便攜式光合測定儀會自動記錄植株凈光合速率、蒸騰速率等光合生理參數(shù)。上述試驗(yàn)均重復(fù)3 次，計(jì)算平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2016 對各項(xiàng)生化指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用SPSS19.0 進(jìn)行差異顯著性分析（采用單因素方差分析）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同鹽堿脅迫對小黑麥葉片脯氨酸含量的影響

脯氨酸是植物體內(nèi)主要的滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物的抗逆性與脯氨酸的累積量呈正相關(guān)［6］。由表2可知，3 種鹽堿脅迫處理下的小黑麥葉片脯氨酸含量與對照呈顯著差異（P＜0.05），脅迫處理組的脯氨酸含量均高于對照組。中性鹽溶液濃度在50～150 mmol/L 時，不同濃度脅迫處理組間差異不顯著；濃度在200 mmol/L時，與低濃度處理差異顯著。在堿性鹽脅迫處理下，葉片中脯氨酸的含量隨著鹽濃度的升高顯著增加，不同濃度處理之間差異顯著。在混合鹽脅迫下，高濃度與低濃度組處理差異顯著，而低濃度組（50～100 mmol/L）間差異不顯著。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在3 種脅迫處理中，混合鹽處理對于小黑麥的傷害最大。

2.2 不同鹽堿脅迫對小黑麥葉片可溶性蛋白含量的影響

植物在適應(yīng)鹽漬環(huán)境的過程中會產(chǎn)生可溶性蛋白，且可溶性蛋白在細(xì)胞中的溶解度較大。在鹽漬情況下，可溶性蛋白含量的增加能夠使細(xì)胞質(zhì)濃度變大，使植物的吸水能力變強(qiáng)，從而增強(qiáng)植物的耐鹽能力［8］。由表3 可知，除鹽堿混合脅迫外，單一鹽堿脅迫下低濃度（50～100 mmol/L）各處理差異不顯著，說明低濃度的鹽堿脅迫不會導(dǎo)致小黑麥幼苗葉片中可溶性蛋白含量增大；但高濃度的鹽堿脅迫則會導(dǎo)致小黑麥葉片可溶性蛋白含量顯著增高。也就是說，在高濃度的鹽堿脅迫下，小黑麥可溶性蛋白含量可以作為評價其耐鹽能力的生化指標(biāo)之一。但高濃度的不同處理之間（150～200 mmol/L）差異不顯著，說明高濃度的脅迫處理會導(dǎo)致小黑麥可溶性蛋白含量升高，但隨著脅迫的加重，變化差異不大。

表3 3種鹽堿脅迫下小黑麥葉片可溶性蛋白的含量

2.3 不同鹽堿脅迫對小黑麥葉片葉綠素a、b濃度之和的影響

葉綠素是植物光合作用所不可缺少的組分［9］。小黑麥?zhǔn)茺}堿脅迫，葉綠素合成會受到影響，進(jìn)而影響小黑麥幼苗的正常生長。

由表4 可知，在3 種鹽堿脅迫下，小黑麥葉片葉綠素a、b 濃度之和整體呈下降趨勢，且脅迫處理組與對照相比呈顯著差異。其中，中性鹽和堿性鹽處理下各濃度處理組之間差異不顯著。這說明在單一中性鹽或堿性鹽的脅迫下，葉綠素含量并不隨著脅迫的加重而產(chǎn)生較大的變化。而在混合鹽脅迫下，小黑麥葉片葉綠素含量與對照相比顯著降低，且不同濃度處理之間差異顯著。這說明在混合鹽脅迫下，葉綠素含量隨著脅迫的加重而產(chǎn)生較大的變化，最高濃度脅迫下葉綠素相比對照下降54%。

表4 3種鹽堿脅迫下小黑麥葉片葉綠素a、b濃度之和

2.4 不同鹽堿脅迫對小黑麥葉片丙二醛含量的影響

植物遭受逆境脅迫時，細(xì)胞膜會先受到傷害。丙二醛（MDA）是植物膜脂過氧化的產(chǎn)物，丙二醛含量越高，植物受傷害的程度越大［10］。

由表5 可知，小黑麥幼苗在受到3 種鹽堿脅迫時，其葉片中的丙二醛含量均與對照組相比增多且差異顯著。其中，高濃度（150、200 mmol/L）單一鹽堿脅迫處理組差異不顯著。兩種單一鹽溶液濃度在150 mmol/L時，小黑麥葉片中的丙二醛含量達(dá)到最高；溶液濃度升高至200 mmol/L 時，小黑麥葉片丙二醛含量有所降低，可能是因?yàn)樵诟邼舛认滦『邴溈赡苓m應(yīng)了鹽堿環(huán)境，也可能是植物不再適宜在此環(huán)境下生存，膜脂被徹底破壞?；旌消}溶液濃度在50～150 mmol/L 時，各處理差異不顯著；溶液濃度升至200 mmol/L 時，丙二醛含量繼續(xù)升高且與前3 種低濃度處理差異顯著。這說明在鹽堿雙重脅迫下，小黑麥葉片細(xì)胞膜過氧化嚴(yán)重，積累了大量的丙二醛，不管是低濃度還是高濃度下，對小黑麥幼苗傷害都非常嚴(yán)重，且隨著濃度的增加而增加。

表5 3種鹽堿脅迫下小黑麥葉片丙二醛含量

2.5 不同鹽堿脅迫對小黑麥光合速率的影響

由圖1、2、3 可知，在鹽堿脅迫下，小黑麥的光合速率整體呈增大趨勢。其原因可能是小黑麥通過增強(qiáng)光合速率積累更多的有機(jī)物，以抵抗鹽堿脅迫。其中，在中性鹽150 mmol/L 濃度處理下，小黑麥的光合速率低于對照，可能是在此種濃度下，小黑麥生理功能受到嚴(yán)重的損害，無法再通過提高光合速率來對抗脅迫；在混合鹽50～100 mmol/L 低濃度處理下，小黑麥的光合速率低于對照。在溶液濃度為200 mmol/L 時，3 組鹽堿脅迫處理組在一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)光合速率又開始高于對照，可能是在繼續(xù)升高溶液濃度時，小黑麥開始逐步適應(yīng)鹽堿環(huán)境，恢復(fù)了光合作用。

圖1 中性鹽處理對小黑麥葉光合速率的影響

圖2 堿性鹽處理對小黑麥葉光合速率的影響

圖3 混合鹽處理對小黑麥葉光合速率的影響

2.6 不同鹽堿脅迫對小黑麥蒸騰速率的影響

由圖4、5、6 可知，在不同光照強(qiáng)度下，不同脅迫處理組的小黑麥蒸騰速率存在差異。其中，在高濃度混合鹽處理下，小黑麥幼苗幾乎停止了蒸騰作用（以減少水分蒸發(fā)，緩解脅迫帶來的影響）；而在低濃度中性鹽處理下，個別光照強(qiáng)度區(qū)間蒸騰速率要高于對照組；在堿性鹽脅迫下，小黑麥幼苗蒸騰作用的減弱程度要大于中性鹽脅迫，而混合鹽脅迫處理的減弱程度最大。這說明小黑麥在鹽堿脅迫下關(guān)閉氣孔，減少水分的蒸發(fā)，以緩解脅迫的危害。與對照相比，小黑麥幼苗的光合速率隨著鹽堿溶液濃度的增加有增強(qiáng)的趨勢，原因可能是小黑麥為了應(yīng)對鹽堿脅迫而提高光合速率，以積累有機(jī)物，緩解脅迫造成的傷害。從以上試驗(yàn)結(jié)果來看，在鹽堿脅迫時，小黑麥一方面提高光合速率來積累有機(jī)物，另一方面降低蒸騰速率，減少水分蒸發(fā)，以抵抗脅迫造成的影響。

圖4 堿性鹽處理對小黑麥葉蒸騰速率的影響

圖5 中性鹽處理對小黑麥葉蒸騰速率的影響

圖6 混合鹽處理對小黑麥葉蒸騰速率的影響

3 結(jié)論與討論

在鹽堿脅迫下，植物抗鹽堿的生理反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，并不是采用單一方式來適應(yīng)或者抵抗脅迫，而是多種生理生化反應(yīng)變化互相協(xié)調(diào)、互相作用來適應(yīng)環(huán)境的脅迫［11］。

在鹽堿脅迫下，小黑麥幼苗細(xì)胞內(nèi)滲透壓失衡，細(xì)胞膜被破壞，導(dǎo)致細(xì)胞膜的選擇透過性喪失。為了應(yīng)對這種滲透壓的失衡，植物開始生成滲透壓調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸和可溶性蛋白。與中性鹽相比，堿性鹽作用下的小黑麥葉片脯氨酸和可溶性蛋白含量積累地更多。在3 種鹽脅迫下，小黑麥細(xì)胞膜質(zhì)都會遭到破壞，脅迫處理組丙二醛含量均高于對照組；而高濃度處理下的丙二醛濃度有所降低，可能是因?yàn)橹参镌诼m應(yīng)鹽堿環(huán)境，細(xì)胞膜脂的氧化程度降低，也可能是植物不再適宜在此環(huán)境下生存，膜脂被徹底破壞。在混合鹽脅迫下，小黑麥葉片葉綠素含量與對照相比顯著降低，且不同溶液濃度處理之間差異顯著，說明在混合鹽的脅迫下，葉綠素含量隨著脅迫的加重而產(chǎn)生較大變化，最高濃度脅迫下葉綠素相比對照下降54%。在鹽堿脅迫下，小黑麥的光合速率整體呈上升趨勢，光合速率增強(qiáng)積累有機(jī)物，以抵抗脅迫的威脅；而脅迫處理組蒸騰速率整體呈下降趨勢，說明小黑麥在鹽堿脅迫下關(guān)閉氣孔，減少水分的蒸發(fā)，以緩解脅迫帶來的危害。