鹽脅迫對“寶島蕉”光合作用和植株養(yǎng)分分布特征的影響

蘭柳艷,王 蕾,沈 歡,黃虹心,湯狄華,項(xiàng)俊華,羅曉慧,武 鵬

(1 廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué),南寧,530007;2 廣西賀州市檢驗(yàn)檢測中心,廣西賀州,542800;3 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所,南寧,530007)

鹽害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的阻礙植物正常生長的因子。近年來由于不合理的灌溉施肥、鹽堿地種植以及海水澆灌等,使得植物常遭受鹽脅迫。鹽脅迫主要影響光合作用和根部養(yǎng)分吸收兩個(gè)過程,兩個(gè)過程對作物的生長發(fā)育均至為重要[1]。廣西南端具有面向南海的綿長海岸線,是我國唯一沿海的自治區(qū),從北海市到防城港市,廣西海岸線長度1 500 km左右。海岸線上廣泛種植香蕉,海水常倒灌進(jìn)陸地,造成高濃度的鹽脅迫;每年8—9月為臺風(fēng)高發(fā)期,從南海上形成的水汽隨臺風(fēng)進(jìn)入內(nèi)陸,也會(huì)引起低濃度的鹽脅迫[2]。香蕉是著名的熱帶水果,產(chǎn)量僅次于柑桔,居世界第二位[3]。廣西是我國第二大香蕉產(chǎn)區(qū),常年遭受海水倒灌和臺風(fēng),廣西沿海地區(qū)香蕉產(chǎn)業(yè)受到嚴(yán)重影響[4-5]。因此,研究鹽脅迫對香蕉生長的影響、分析其耐鹽機(jī)制對于廣西香蕉產(chǎn)業(yè)具有重要意義。“寶島蕉”是目前我國香蕉主推品種,因其較高的抗枯萎病特性及高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),在我國香蕉枯萎病疫區(qū)種植面積不斷擴(kuò)大。因此,我們以“寶島蕉”幼苗為試材,研究鹽脅迫對其光合作用和植株養(yǎng)分分布特征的影響,分析其耐鹽機(jī)制,助推沿海地區(qū)“寶島蕉”高質(zhì)量發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2020年在廣西北海市合浦縣進(jìn)行試驗(yàn),2020年3月“寶島蕉”香蕉組培營養(yǎng)杯苗移栽大田,株行距2.0 m×2.2 m,種植密度為150株/667 m2,統(tǒng)一常規(guī)管理,選擇植株健康、生長一致的20葉苗供試。海水Na+濃度達(dá)到0.80%[2],故設(shè)置NaCl脅迫濃度(質(zhì)量體積比)梯度為0%(對照)、0.01%、0.05%、0.10%、0.20%、0.40%、0.60%、0.80%,每處理重復(fù)30株,試驗(yàn)當(dāng)天每株澆不同濃度鹽水10 L后,每天滴灌滴水2 L保持土壤濕潤,7 d后測定相關(guān)指標(biāo)。

1.2 測定指標(biāo)與方法

光合指標(biāo)測定。葉片葉綠素含量提取采用混合液浸提法,在波長663、645 nm下測定吸光度,計(jì)算葉綠素總量[6]。9:00選取各處理植株從上往下數(shù)第3、4、5片葉,用暗適應(yīng)夾遮光處理30 min后,10:00用配備 6400-40葉綠素?zé)晒馊~室的便攜式光合測定系統(tǒng)(LI-6400XT,LI-COR)檢測葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間二氧化碳濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv=Fm-Fo)、PSII原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)等參數(shù)。

植株?duì)I養(yǎng)成分測定。采集試驗(yàn)區(qū)域中心長勢基本一致的健康植株,挖取整株,每處理重復(fù)3株,每株分成根、球莖、假莖和葉片等4個(gè)部位,就地稱量各部位鮮質(zhì)量,按照四分法選取各部位具有代表性的植物組織作為分析樣品[7],每部位鮮樣質(zhì)量大于500 g。新鮮樣品洗凈后用吸水紙吸干水分,105 ℃下殺青15 min,70～80 ℃下烘干至恒重,參照鮑士旦的方法[8],全氮采用凱氏定氮法,全磷采用鉬銻抗比色法,全鉀采用火焰光度計(jì)法,鎂、鈣、鈉采用干灰分-原子吸收分光光度計(jì)法,氯采用硝酸銀滴定法測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用SPSS 22.0進(jìn)行差異顯著性分析(Duncan’s,p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 對葉片光合特性的影響

由表1可以看出,鹽濃度≤0.2%時(shí),不同處理的葉綠素含量與對照差異不顯著;當(dāng)鹽濃度≥0.4%時(shí),隨著鹽濃度增大,葉綠素含量呈逐漸下降趨勢,各處理間差異顯著。鹽濃度≤0.05%時(shí),不同處理的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率與對照差異不顯著;當(dāng)鹽濃度≥0.05%時(shí),不同處理氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率呈逐漸下降的趨勢,各處理間差異顯著。鹽濃度≤0.05%時(shí),不同處理的胞間CO2濃度與對照差異不顯著;當(dāng)0.05%<鹽濃度<0.4%時(shí),胞間CO2濃度逐漸下降;當(dāng)鹽濃度>0.4%時(shí),胞間CO2濃度逐漸上升。Fv/Fm為PSII系統(tǒng)的原初光能轉(zhuǎn)換效率[9],不同鹽濃度處理的Fv/Fm與對照差異不顯著,說明經(jīng)受鹽脅迫時(shí),“寶島蕉”對鹽脅迫具有一定程度的耐受力,不同鹽濃度脅迫均未對“寶島蕉”光能轉(zhuǎn)化系統(tǒng)造成顯著性影響。

表1 不同鹽濃度脅迫對“寶島蕉”20葉幼苗葉片葉綠素含量和光合參數(shù)的影響

2.2 對植株各部位營養(yǎng)元素含量的影響

由表2可以看出,相同鹽濃度脅迫下各部位全氮含量以葉片全氮含量最高,全氮含量從高到低依次為葉片>球莖>假莖>根。鹽濃度0.01%處理的各部位全氮含量與對照差異不顯著;鹽濃度0.01%～0.20%處理時(shí),各部位全氮含量隨著鹽濃度的升高緩慢下降;鹽濃度0.2%～0.8%處理時(shí),各部位全氮含量迅速下降,各處理間差異顯著。與全氮含量不同,相同鹽濃度脅迫下假莖的全磷、全鉀含量高于其他部位,全磷含量從高到低依次為假莖>葉片>球莖>根,全鉀含量從高到低依次為假莖>根>球莖>葉片;鹽濃度0.01%處理的各部位全磷、全鉀含量與對照差異不顯著;鹽濃度0.01%～0.20%處理時(shí),各部位的全磷、全鉀含量隨著鹽濃度升高緩慢下降;其中鹽濃度0.05%處理葉片全磷、全鉀含量與對照差異不顯著;鹽濃度0.2%～0.8%處理時(shí),各部位全磷、全鉀含量隨著鹽濃度的升高而快速下降。

表2 不同鹽濃度脅迫的“寶島蕉”20葉幼苗植株各部位全氮、全磷和全鉀含量變化

2.3 對各部位全鎂、全鈣含量的影響

由表3可以看出,葉片的全鎂、全鈣含量高于其他部位,相同鹽濃度處理的全鎂含量從高到低依為葉片>假莖>球莖>根;在鹽濃度0.01%處理時(shí),各部位的全鎂、全鈣含量與對照差異不顯著;鹽濃度0.01%～0.20%處理時(shí),各部位的全鎂、全鈣含量隨著鹽濃度的升高緩慢下降;鹽濃度0.2%～0.8%處理時(shí),各部位全鎂、全鈣含量隨著鹽濃度的升高而快速下降;鹽濃度0.01%處理時(shí),葉片的全鎂含量與對照差異不顯著,之后開始緩慢下降,沒有快速下降的趨勢;鹽濃度≤0.20%時(shí),葉片的全鈣含量與對照差異都不顯著;鹽濃度0.2%～0.8%處理時(shí),葉片全鈣含量開始緩慢下降,沒有快速下降的趨勢;葉片的全鎂、全鈣含量在各鹽濃度的下降比例均小于其他部位。

表3 不同鹽濃度脅迫的“寶島蕉”20葉幼苗植株各部位全鈣、全鎂、Cl-和Na+含量的變化

2.4 對各部位Cl-、Na+含量的影響

由表3可以看出,相同鹽脅迫處理的植株根系的Cl-、Na+含量均高于其他部位,Cl-、Na+含量從高到低依次為根>假莖>葉片>球莖;鹽濃度0.01%處理時(shí),各部位Cl-、Na+含量與對照差異不顯著;鹽濃度>0.01%處理時(shí),葉片和球莖的Cl-、Na+含量隨著鹽濃度的升高而緩慢升高,根和假莖的Cl-、Na+含量隨著鹽濃度的升高而快速升高;根和假莖的升高幅度遠(yuǎn)大于葉片和球莖,說明“寶島蕉”的根和假莖部位具有較高聚集Na+的作用。

3 結(jié)論與討論

葉綠素含量直接決定植物光合作用的潛力[10]。鹽脅迫下植物葉片中葉綠素含量下降的主要原因是鹽脅迫提高了葉綠素酶的活性,促進(jìn)了葉綠素降解[11]。本研究中,一定濃度鹽脅迫并沒有造成葉片葉綠素含量顯著變化;鹽濃度>0.20%時(shí),葉片葉綠素含量才逐漸降低,與對照差異顯著。這與菠菜、銀杏等[12-13]植物面臨鹽脅迫時(shí),葉綠素含量變化相似。

氣孔是植物與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道,葉片通過氣孔吸收CO2,氣孔導(dǎo)度的高低決定了葉片吸收CO2的能力,一般認(rèn)為鹽脅迫引起葉片水勢及氣孔導(dǎo)度降低,限制了CO2到達(dá)光合機(jī)構(gòu),從而抑制光合作用和蒸騰作用[14]。本研究中,低濃度鹽(鹽濃度≤0.05%)脅迫并沒有造成氣孔導(dǎo)度的變化,當(dāng)鹽濃度>0.05%時(shí),氣孔導(dǎo)度才逐漸下降,說明“寶島蕉”有一定的抗鹽能力。當(dāng)氣孔導(dǎo)度逐漸下降時(shí),葉片的凈光合速率、蒸騰速率都隨之逐漸減小。這與菜豆、小麥等植物相似,氣孔因素是影響光合作用的主因[15-16]。雖然鹽濃度升高,胞間CO2濃度呈先下降后升高的趨勢,這可能是高濃度鹽脅迫下凈光合速率持續(xù)降低,對CO2利用減少,導(dǎo)致CO2過剩;這和鹽脅迫時(shí)黃瓜的表現(xiàn)一致,均呈現(xiàn)出高濃度鹽脅迫下胞間CO2過剩的情況[17]。

光合作用有光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)過程。葉綠體上有兩套光合作用系統(tǒng),即光合作用系統(tǒng)一(PSI)和光合作用系統(tǒng)二PSII,在光照條件下,兩個(gè)系統(tǒng)分別吸收700 nm和680 nm波長的光子作為能量,將從水分子在光解過程中得到的電子不斷傳遞[9]。Fv/Fm代表PSII系統(tǒng)的原初光能轉(zhuǎn)換效率。本研究中,任何濃度的鹽脅迫7 d后,其Fv/Fm與對照無顯著性差異,說明一定范圍鹽脅迫并沒有造成“寶島蕉”光反應(yīng)階段PSII系統(tǒng)的破壞。

由于葉片蒸騰拉力的作用,水分從土壤經(jīng)過根細(xì)胞吸收,經(jīng)過根和莖的導(dǎo)管最終流入水勢最低的葉片里。在此過程中,土壤中的NO3-、NH4+、H2PO4-、K+、Mg2+、Ca2+等各種離子隨著水分一起進(jìn)入植物體內(nèi)[18]。在鹽脅迫存在的條件下,土壤中由于較高的鹽分而降低了根細(xì)胞的吸水能力,土壤中的NO3-、NH4+、H2PO4-、K+、Mg2+、Ca2+等進(jìn)入植物體內(nèi)的量也隨之減少;另一方面,鹽離子與各種營養(yǎng)元素相互競爭進(jìn)入細(xì)胞也會(huì)造成植物養(yǎng)分離子吸收的減少[19]。本文研究結(jié)果表明,鹽脅迫導(dǎo)致“寶島蕉”植株各部位全氮、全磷、全鉀、全鎂以及全鈣營養(yǎng)元素的降低,這與很多作物相似,如菠菜、巴西蕉等[20-21]。雖然鹽脅迫導(dǎo)致植物對養(yǎng)分離子吸收的普遍降低,但對養(yǎng)分離子吸收量分配比例不同。如耐鹽的菠菜品種葉片選擇性吸收K+、Ca2+、Mg2+,以降低Na+對葉片的影響[20]。本文研究結(jié)果表明,各濃度鹽脅迫下,“寶島蕉”葉片和球莖的K、Ca、Mg元素的下降比例遠(yuǎn)低于其他部位;說明遭受鹽脅迫時(shí),其葉片和球莖可能具有選擇性吸收K+、Ca2+、Mg2+的能力,“巴西蕉”也被證明了這一現(xiàn)象[21]。

為維持細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境的穩(wěn)定,調(diào)節(jié)Na+的分布是高等植物的重要耐鹽機(jī)制之一。植物體除了在細(xì)胞水平上使Na+外排以減少細(xì)胞對Na+的吸收之外,還對Na+在不同部位的分布進(jìn)行調(diào)節(jié)以降低其對植物的傷害。植物體內(nèi)存在明顯的排Na+機(jī)制,主要涉及1個(gè)或者多個(gè)過程[22]。即(1)根細(xì)胞不吸收Na+,即使進(jìn)入根細(xì)胞也通過Na+/H+泵排出;(2)植物將吸收的Na+貯存于根莖基部,從而阻止Na+向葉片運(yùn)輸;(3)植物吸收的Na+在運(yùn)輸過程中,被莖木質(zhì)部或韌皮部傳遞細(xì)胞吸收;(4)植物吸收的Na+向地上部特別是葉片和果實(shí)運(yùn)輸?shù)倪x擇性降低,而K+運(yùn)輸選擇性增加。植物通過這些機(jī)制有效降低體內(nèi)尤其是地上部的Na+含量,緩解鹽脅迫的傷害。本文研究結(jié)果表明,“寶島蕉”在鹽脅迫的過程中,根和假莖部位的Cl-和Na+含量增加量遠(yuǎn)大于葉片和球莖的增加量。這表明“寶島蕉”耐鹽機(jī)制可能是將較多的Na+貯存于根部,從而阻止部分Na+向葉片運(yùn)輸,及Na+在運(yùn)輸過程中被莖木質(zhì)部或韌皮部傳遞細(xì)胞吸收。這與“巴西蕉”的耐鹽機(jī)制相同[22]。耐海水菠菜品種根系和葉柄以及水稻根部和葉鞘具有較高聚集Na+的作用,具有同樣的耐鹽機(jī)制[20,23]。

綜上所述,“寶島蕉”遭受鹽脅迫時(shí),低濃度鹽并未對光合作用造成影響;高濃度時(shí),隨著鹽濃度增加光合效率逐漸降低。“寶島蕉”遭受鹽脅迫時(shí)并沒有使PSII系統(tǒng)的原初光能轉(zhuǎn)換效率降低,而是導(dǎo)致葉綠素含量和氣孔導(dǎo)度降低,說明光合作用降低是由于葉綠素含量下降和氣孔導(dǎo)度較低,從而導(dǎo)致CO2這一原材料不足。遭受鹽脅迫過程中,“寶島蕉”抑制了根部營養(yǎng)元素吸收,導(dǎo)致植株各部位營養(yǎng)元素含量下降;其中各部位的N、P含量下降比例相似,而葉片和球莖K、Mg、Ca含量下降比例遠(yuǎn)低于其他部位,表明遭受鹽脅迫時(shí),“寶島蕉”葉片和球莖可能具有選擇性吸收K+、Ca2+、Mg2+的能力。根和假莖部位的Cl-和Na+含量的增加量遠(yuǎn)大于葉片和球莖的增加量,表明“寶島蕉”耐鹽的機(jī)制可能是通過根和假莖積累較多的Cl-和Na+,從而阻止向葉片運(yùn)輸。