6種紅樹幼苗對不同鹽度的生理適應性

方發(fā)之 桂慧穎 黎肇家 張曉鳳

（海南省林業(yè)科學研究院，海南省紅樹林研究院，?？?571000）

鹽脅迫作為植物經常遭受的非生物脅迫之一，嚴重影響植株的正常生長，并降低植物的生產力［1］。因此，植物對鹽脅迫的生理適應性和耐鹽機制一直是植物生物學研究的熱點問題［2-4］。植物遭受鹽脅迫的主要原因是環(huán)境中過高的NaCl濃度引起滲透脅迫，植物很難從鹽水環(huán)境中獲取水分以及磷、鉀、鈣等營養(yǎng)元素。此外，植物體內過高的鹽分積累會損傷細胞結構，影響細胞功能，最終抑制植物的生長和發(fā)育［5］。研究表明，鹽脅迫會加劇細胞中的有毒代謝產物積累，抑制光合速率，引起細胞乃至整個植株的死亡［6］。植物對鹽脅迫的生理適應是一個非常復雜的過程，涉及細胞的滲透調節(jié)、離子穩(wěn)態(tài)、活性氧清除以及光合作用等［7］。雖然目前對植物的耐鹽性進行了大量研究，但研究對象多集中于淡土植物，對鹽脅迫的耐受性有限。鹽生植物可以在鹽濃度200 mmol·L-1以上的環(huán)境中生長，部分鹽生植物具有非常高的抗鹽能力［8］。因此，對鹽生植物進行鹽脅迫的生理適應性研究可能更有助于了解植物的耐鹽機制。

紅樹林是生長在熱帶和亞熱帶河口的鹽生熱帶植物群落，由于生境特殊，紅樹植物已演化出適應一定鹽度環(huán)境的生理機制［9］。紅樹林植物沒有耐鹽代謝，但在長期的適應過程中進化出了排鹽和泌鹽的功能［10］。例如，在蒸騰作用的驅動下，根部的超濾作用可以排除海水中的鹽分［11］。通過表皮蒸騰和位于葉片下側的鹽腺進行排鹽，或把鹽積累在葉片細胞中，通過落葉去除植物中的鹽分［12］。紅樹林植物可以在細胞質中積累相應的溶質，確保細胞中滲透壓的平衡［13］。研究表明，海欖雌屬（Avicennia）紅樹植物的樹液中僅有0.5～8.0 的鹽分濃度，遠低于海水鹽度，表明紅樹植物已經在高鹽的海水環(huán)境中產生了一定的適應性［12］。目前越來越多的研究開始聚焦于紅樹樹種的耐鹽性。例如：游惠明［14］表明，秋茄（Kandelia obovata）幼苗隨著鹽度升高，生長量和生物量的積累都降低。唐密等［15］發(fā)現一定范圍內提高鹽度可以促進無瓣海桑（Sonneratia apetala）和灌木桐花樹（Aegiceras corniculatum）的生長，但鹽度過高（≥30%）條件下2 種植物均無法存活，Krauss 等［16］研究發(fā)現，鹽度分別為20%和15%時美洲紅樹（Rhizophora mangle）和海蓮（Bruguiera sexangula）生長最好。但多種紅樹植物對不同鹽度的生理適應和相關性仍有必要進一步探討。

據調查，海南島是中國紅樹植物種類分布最多的地方，是我國紅樹林的重要分布區(qū)［14，17］。以前，紅樹林在海南島的河口港灣地帶廣泛分布，但是因為近幾年人為過度影響，加上氣候變化，導致紅樹林破壞嚴重，物種多樣性降低，資源減少，生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)也遭到破壞，致使保留下來的紅樹林面積減少且多為灌木或小喬木。因此，重建已遭破壞的紅樹林迫在眉睫，而對紅樹植物在不同鹽度條件下的生理生長適應性研究對了解鹽生植物的耐鹽機制、群落保護和恢復都具有重要的現實意義和科學價值。本研究選取海南6 種典型紅樹植物幼苗：海蓮、木欖（Bruguiera gymnorhiza）、角果木（Ceriops tagal）、紅海欖（Rhizophora stylosa）、秋茄、桐花樹為研究對象，通過控制8 個梯度的鹽度環(huán)境因子，探討6種紅樹植物幼苗生長生理適應性差異，揭示紅樹植物幼苗對鹽度環(huán)境因素變化做出的響應規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗在海南省臨高縣海南省林業(yè)科學研究院（海南省紅樹林研究院）馬裊紅樹林苗圃進行（19°54′45″N，109°50′58″E；圖1），選用人工培育的紅樹植物幼苗為試驗材料。6 種紅樹植物幼苗均選取1 年生，植株大小基本一致，長勢良好且健康的幼苗。盆栽選用規(guī)格為30 cm×30 cm×80 cm的白色塑料桶，桶底盛有15 cm 高的砂質作為底質，水淹高度為50 cm。人工海水由自來水和進口海鹽配制，并用WYY35T型鹽度計標定鹽度。6種植物分別進行0、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%共計8 個鹽度處理，每個處理3 個重復（共計24 桶），每個桶放3 株植物。2022 年4 月1 日，將盆栽放置在取苗地附近的空地，讓其接近自然生長的條件，同時配備相應的遮雨設施，進行各項指標檢測，并于6個月后（2022年10月1日）進行第2次指標檢測。

1.2 試驗方法

1.2.1 生態(tài)指標測定方法

1.2.1.1 幼苗生長指標測量

在幼苗種植前，使用精度為1 mm 的卷尺測量每一株幼苗的高度，并使用精度為0.01 mm的游標卡尺測量每一株幼苗的基徑。種植的同時掛牌標記。在試驗6個月后，采用同樣的方法再次測量每一株幼苗的高度和基徑。

1.2.1.2 幼苗生物量測量

試驗結束后，將收集的每一株幼苗放入烘箱中110 ℃殺青2 h，而后將溫度調節(jié)至80 ℃烘干幼苗直至恒質量，再使用精度為0.01 g的電子天平稱量干物質質量。

1.2.2 生理指標測定方法

1.2.2.1 光合作用測定

利用便攜式光合作用測量系統(tǒng)（LI-6400XT，美國）進行光合參數測定，測定時間選擇在晴天的09：00—11：00，測定光強為1 200 μmol·m-2·s-1。每株幼苗選擇3 片健康葉片，重復測量3 次，記錄凈光合速率［18］。

1.2.2.2 光合色素含量測定

光合色素測定采用分光光度法［19］，采集新鮮植物葉片洗凈后稱取0.1 g，用蒸餾水和丙酮按1∶4 體積比配制的混合提取液直接提取，使用分光光度計測量在波長663 nm 和645 nm 處的吸光值。

式中：A663為波長663 nm 時的吸光值；A645為波長645 nm 時的吸光值；V為提取液體積，10 mL；D為稀釋倍數；m為樣本鮮質量，0.1 g。

1.2.2.3 超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）測定

SOD 活性采用氮藍四唑（NBT）法進行測定，以鮮質量計算（U·g-1）；Pro含量采用茚三酮比色法進行測定，以鮮質量計算（μg·g-1）；MDA 含量采用硫代巴比妥酸氧化法進行測定，以鮮質量計算（nmol·g-1）。3 種酶活性均使用蘇州科銘生物技術有限公司酶試劑盒（超氧化物歧化酶試劑盒、脯氨酸含量測定試劑盒、丙二醛含量試劑盒），并參照試劑盒說明進行試驗操作，以上指標參照李玲［20］的方法并略加調整。

1.3 數據處理

原始數據采用Excel 進行整理、并制作圖表，采用SPSS 軟件單因素方差分析計算各組間的差異顯著性，R（ggcorrplot）計算不同參數之間的相關性。

2 結果與分析

2.1 6種紅樹植物幼苗在不同鹽度下生長特征的變化

6種紅樹植物幼苗的株高增量、基徑增量和生物量隨著鹽度的升高均呈現先上升后下降的趨勢（圖2）。整體而言，株高增量、基徑增量和生物量最高值均出現在鹽度5%～20%，鹽度過高或過低3種指標均會下降。其中，在生物量積累中以秋茄的最適宜鹽度最低（5%），桐花樹的最高（20%）；生物量的最高值由大到小依次為紅海欖、角果木、桐花樹、海蓮、木欖、秋茄；適宜紅樹植物幼苗株高生長的鹽度范圍以木欖和海蓮最大，為5%～20%，秋茄和紅海欖其次，分別為5%～15%和10%～20%，角果木株高只在15%的鹽水中生長最好；適宜紅樹植物幼苗基徑生長的鹽度范圍以木欖最大，為10%～20%，角果木、海蓮、桐花樹、秋茄其次，分別為10%～15%、10%～15%、15%～20%、5%～10%，紅海欖基徑只在20%的鹽水中生長最好。整體而言紅樹植物幼苗株高生長所需的鹽水鹽度范圍比基徑生長所需的鹽度范圍更大。

圖2 6種紅樹植物幼苗在不同鹽度下的株高增量、基徑增量和生物量不同小寫字母代表同物種在不同鹽度下的差異顯著（P＜0.05）；下同Fig.2 Plant height increment，base diameter increment and biomass of six mangrove seedlings under different salinity The different lowercase letters represented the significant differences of the same species under different salinit（yP＜0.05）；the same as below

2.2 鹽度對6種紅樹植物幼苗凈光合速率和葉綠素含量的影響

試驗過程中，木欖、角果木、海蓮和秋茄4種紅樹植物幼苗的凈光合速率均隨著鹽度的升高逐漸降低，最高值出現在淡水條件中，紅海欖和桐花樹2 種紅樹植物幼苗的凈光合速率隨著鹽度的升高呈現先升高后降低的趨勢，最高值分別出現在鹽度20%和25%。6 種紅樹植物幼苗的最高凈光合速率以紅海欖最大，桐花樹其次，角果木最?。▓D3）。

圖3 不同鹽度對紅樹幼苗葉片凈光合速率的影響Fig.3 The effects of different salinity on net photosynthetic rate of mangrove leaves

6種紅樹植物幼苗的葉綠素質量分數（葉綠素a、葉綠素b 和總葉綠素），最低值出現在鹽度5%～20%，鹽水鹽度超過20%或低于5%均會引起紅樹植物幼苗的葉綠素質量分數升高，相比低鹽度鹽水，高鹽度的鹽水會引起葉綠素質量分數大量增加，6種紅樹植物幼苗的葉綠素質量分數最高值均出現在鹽度30%或35%的鹽水中，分別高出最低值的0.45～1.86 倍，以葉綠素b 的質量分數升高最多，高出最低值的0.85～1.86倍（圖4）。

圖4 鹽度對紅樹幼苗葉綠素質量分數的影響Fig.4 The effect of different salinity on chlorophyll content of mangrove seedlings

2.3 鹽度對6種紅樹植物幼苗葉片內抗逆性生理指標的影響

6 種紅樹植物幼苗的MDA 質量摩爾濃度、SOD 活性、Pro 質量分數呈現在低鹽度保持相對穩(wěn)定，后期隨鹽度升高而逐漸升高，最低值均出現在鹽度5%～20%，最高值均在鹽度35%處出現（圖5）。

圖5 鹽度對紅樹幼苗SOD活性、Pro質量分數和MDA質量摩爾濃度的影響Fig.5 The effects of different salinity on SOD activity，proline content and MDA content of mangrove seedlings

2.4 不同鹽度下紅樹幼苗生物量、葉綠素與抗逆性生理指標之間的相關性

不同鹽度下，紅樹幼苗的葉綠素質量分數（葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素）與MDA 質量摩爾濃度、SOD 活性、Pro 質量分數之間呈正相關，生物量僅與凈光合速率呈正相關，生物量、凈光合速率與葉綠素質量分數、抗逆性生理指標之間均呈負相關（圖6）。

圖6 不同鹽度下紅樹幼苗生物量、葉綠素與抗逆性生理指標之間的相關性星號表示顯著相關（**P＜0.01）Fig.6 The correlation of biomass，chlorophyll content and physiological indexes of stress resistance of mangrove seedlings under different salinity The asterisk indicated significant correlations（**P＜0.01）

3 討論

3.1 6種紅樹幼苗的適宜生長鹽度

紅樹林作為熱帶沿?；虺毕偷氐貐^(qū)的一種特殊群落，顯著的特征是可以耐受海水中一定的鹽度水平［21］。但是過高或過低的鹽度均會嚴重影響紅樹植物的生長，導致植株的外觀形態(tài)發(fā)生變化，嚴重的可能會引起植株死亡［22］。本研究中，6 種紅樹植物幼苗在鹽度5%～20%具有最高的株高增量、基徑增量和生物量，表明6 種紅樹植物幼苗適宜生活在5%～20%的鹽水中，與前期研究的統(tǒng)計結果［23］類似。相關研究表明，海水的鹽度一般在30%以上［24］，遠高于適宜6 種紅樹植物生長的最高鹽度（20%），可能的原因是紅樹林主要生長于河口和海岸線等海陸交匯處，水文條件復雜，包括海水、河水、地下水和雨水等多種水源均在此處匯聚，并在潮汐的影響下相互作用，海水的鹽度被稀釋所導致［25］。6種紅樹植物幼苗中，僅桐花樹在高鹽度的海水中（20%）具有最高的株高增量、基徑增量和生物量，耐鹽性最高，可能與植物中具有典型的鹽腺進行泌鹽有關［26］。

3.2 6種紅樹幼苗的光合作用與鹽適應性

紅樹樹種雖然可以在具有一定鹽度的海水中生長，但鹽度過高會對紅樹樹種產生脅迫作用，影響植物正常的生理狀態(tài)。研究表明，葉綠體中過高的Na+和Cl－含量，會抑制光系統(tǒng)Ⅱ功能和光合電子傳遞，降低核酮糖二磷酸羧化加氧酶活性，紅樹的光合作用能力與物種控制共質體中鹽濃度的能力有關［21］。逆境環(huán)境中，鹽脅迫影響滲透脅迫，Na+和Cl-過度積累會破壞細胞中的離子平衡，減少其他離子吸收，引起細胞脫水和澎壓減?。?7］。此外，鹽脅迫還會破壞葉綠體膜或細胞中其他細胞器的結構，降低植物氣孔導度，減少CO2吸收，降低光合作用速率［28-30］。6 種紅樹樹種中，木欖、角果木、秋茄3種紅樹植物幼苗的凈光合速率均隨著鹽度的升高而逐漸降低。木欖、角果木和秋茄均屬于常見的拒鹽紅樹樹種，根部結構可以阻止多余的鹽分進入植物體，保持細胞中較低鹽分濃度，光合作用的下降可能是因為根系在高鹽度環(huán)境中受到鹽脅迫加劇。比較有趣的是紅海欖，同樣屬于拒鹽紅樹樹種，卻在20%鹽度下有較高的凈光合速率，這可能與紅海欖特殊的次生木質部結構有關，紅海欖的次生木質部具有大量纖維狀導管、環(huán)管管胞、螺旋雕紋與附物、生長輪和薄壁細胞（含淀粉粒）等結構，可以加強導管在高負壓下對水分的聚合力，提高水分輸導過程中的安全性與有效性，減少栓塞發(fā)生，適應高鹽環(huán)境［31］。6種樹種中，桐花樹可以在25%鹽度下有效率的進行光合作用，耐鹽能力最強。桐花樹屬于泌鹽植物，除根系拒鹽之外，植物體中還有特殊的鹽腺，可以把積累的多余鹽分排出，具有較高的耐鹽能力［26］。植物的光合作用速率與葉綠素含量直接相關，葉綠素a與葉綠素b是高等植物進行光合作用的主要色素，其含量變化在一定程度上可以反應光合作用的高低［32-33］。鹽脅迫條件下，一些植物的葉綠體類囊體膜會被破壞，葉綠素合成減少，光合作用速率下降［34-35］。但是，本研究發(fā)現6 種紅樹樹種在受到鹽脅迫時，葉綠素含量逐漸升高。同時，在相關性分析中，葉綠素含量與抗逆性生理指標呈正相關，表明鹽脅迫可能會導致葉綠素含量上升。6 種紅樹植物在鹽脅迫條件下葉綠素含量上升可能是一種抗性反應，目的是為了在逆境中通過提高葉綠素含量盡量維持植物的光合作用［36］；而相關性分析顯示，葉綠素含量與生物量和凈光合速率呈負相關，表明由于隨著鹽脅迫的加劇，葉綠素含量的增加并不能彌補鹽脅迫造成的光合速率損失。

3.3 6種紅樹幼苗的抗逆反應與鹽適應性

本研究結果顯示，隨著鹽度的上升，6 種紅樹林植物幼苗的SOD 活性、Pro 含量和MDA 含量均呈現低鹽度保持穩(wěn)定（或略降低），后期隨鹽度升高而升高的趨勢。外界脅迫作用會誘導植物體內產生多種活性氧，包括超氧化物、過氧化氫、羥基自由基等［37-39］。SOD 作為抗氧化酶的一種，可以將超氧化物轉化為H2O2和O2，H2O2繼續(xù)被過氧化氫酶和過氧化物酶分解，起到清除活性氧的作用，是反應植物抗逆性的一個重要指標［22］。當植物遇到外界脅迫時，通常會提高SOD 活性以抵御外界不利因素的影響［40］。本研究中，SOD 活性最低值均出現在鹽度5%～20%，與6種紅樹植物幼苗適宜生活的鹽度范圍相同，超過20%鹽度，SOD 活性逐漸上升，最高值均出現在鹽度35%，表明35%鹽度嚴重脅迫了紅樹植物幼苗的生長，與廖寶文等［18］的研究結果類似。丙二醛是膜脂質過氧化的重要產物，是評價膜脂過氧化的一項重要指標。植物在逆境環(huán)境中，細胞膜會受到影響，導致其細胞膜的完整性破壞或喪失，可以體現植物在逆境中受到的脅迫程度［41］。例如，研究發(fā)現，通過低壓貯藏可以減少楊梅（Myrica rubra）果實中MDA 的積累，抑制細胞膜透性增加，延長果實保鮮期［42］；海水稻（Oryza sativa）品種在受到鹽脅迫時，積累的MDA含量少于鹽敏感品種IR29，細胞膜損傷小，表現出非常強的抗逆性［43］；在鹽脅迫時，通過硝普酸鈉處理秋茄，可以降低植物組織中MDA 含量，減輕細胞的氧化損傷［44］。本研究中，6 種紅樹植物幼苗MDA 含量隨鹽度上升顯著上升，表明受到的鹽脅迫越來越嚴重，特別是在鹽度35%的條件下，MDA含量升至最高，表明幼苗細胞膜在高鹽環(huán)境中受到了嚴重的破壞。Pro 作為細胞中重要的滲透調節(jié)物質，當植物受到環(huán)境脅迫時，Pro 含量會大量增加，通過維持細胞滲透壓或提高抗氧化能力，來維持細胞正常的生理功能［45-46］。前期研究表明，小花木欖（Bruguiera parviflora）在生長過程中會通過調節(jié)Pro含量影響細胞中糖類和總氨酸含量，抵御外界環(huán)境脅迫［47］；廖寶文等［18］研究發(fā)現，在高鹽條件下，尖瓣海蓮（Bruguira sexangulavar.rhynchopetala）中Pro 含量是中低鹽條件下的2～3倍，表明在高鹽條件下逆境加劇了對尖瓣海蓮幼苗的傷害；張留恩等［48］的研究也表明，在水淹條件下，老鼠簕（Acanthus ilicifolius）會通過增加Pro 含量來增加細胞抗性，抵御水淹脅迫。本研究中 6 種紅樹植物幼苗中Pro 含量在5%～20%處于較低水平，后隨著鹽度的增加而上升，在35%鹽度下達到最高值，表明隨著鹽度上升，6 種紅樹植物幼苗受到的環(huán)境脅迫逐漸加重。值得注意的是，雖然在低鹽環(huán)境中抗逆性生理指標保持相對的穩(wěn)定，但在無鹽環(huán)境中，6 種紅樹植物幼苗的MDA 含量、SOD 活性和Pro 含量仍略高于在低鹽生長環(huán)境中的MDA含量、SOD 活性和Pro 含量，表明基于紅樹樹種本身的物種特性，無鹽環(huán)境仍不利于紅樹幼苗的生長。因此，本研究顯示，在受到外界脅迫時，6種紅樹植物幼苗會通過增加葉片中SOD 活性、Pro 含量和MDA 含量，提高植物抗逆性，抵御外界不良環(huán)境的影響。