鹽脅迫對不同品系萱草光合特性的影響

梁 崢，宋卓琴，賈民隆，段九菊，曹冬梅

（山西農業(yè)大學 園藝學院，山西 太原 030031）

我國約有鹽漬化土地3 600 萬hm2，約占全國可利用土地面積的4.88%，是土壤鹽漬化較為嚴重的國家之一[1-2]。國內外在植物耐鹽性方面的研究多集中于小麥、玉米、棉花等農作物、牧草及鹽生植物方面[3-6]，在有一定景觀效果的園林植物方面則十分有限[7]，這嚴重制約了鹽堿地區(qū)城市的生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展。萱草（Hemerocallis fulva）別名忘憂，百合科多年生宿根草本，是造園綠化、切花觀賞的良好材料，兼具藥用食用價值，具有較大的開發(fā)潛力。同時，大部分萱草屬植物具有很強的抗逆性，抗寒、抗旱、耐高溫、耐鹽堿，栽培管理容易，是優(yōu)異的應用和研究素材[8]。邱收等[9]對4 個萱草材料萱草細胞膜透性和滲透調節(jié)物質進行研究發(fā)現(xiàn)，較小的質膜透性和鈉離子含量、較高的可溶性糖和脯氨酸含量是萱草4 個重要的抗鹽生理指標。曹輝等[10]用水培方法對4 個萱草品種進行了葉片結構、根系活力等形態(tài)變化的研究，以傷害指數(shù)和新根數(shù)量衡量萱草的耐受能力，從大到小依次為重瓣大花萱草、大花萱草、黃花菜、玫瑰紅萱。王漢海等[11]利用組培方法篩選出了大花萱草抗性植株，并初步確定了其適宜的耐鹽濃度。王藝程等[12]利用海水脅迫的方法，以萱草秋紅為材料，得到19 個與海水脅迫高度相關WRKY 轉錄因子。劉寅等[13]對濱海地區(qū)耐鹽堿植物調查，研究認為萱草可作為濱海鹽堿地綠化的植株材料。目前，針對不同萱草品系的光合系統(tǒng)耐鹽性研究還鮮有報道。植物的耐鹽機理是多策略、多層次的復雜機制[14]。作為與植物生長直接相關的重要生理過程，光合作用對鹽脅迫的反應極為敏感[15]，也是近年來耐鹽性相關研究的熱點。

本研究2022 年以9 份萱草種質為試材，探討鹽脅迫下不同品種（系）對光合生理特征的響應規(guī)律，并對不同材料的光合耐鹽差異進行分析和評價，以期豐富萱草的耐鹽機制研究，為優(yōu)良觀賞植物的抗性育種和推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試萱草品種（系）材料9 份，均來自山西農業(yè)大學園藝學院花卉基地萱草資源圃，其中8 個采自山西不同生境，1 個為引進品種（表1）。

表1 供試材料編號及來源Tab.1 Numbers and origins of the test materials

1.2 試驗方法

2022 年6 月上旬，將進入旺盛生長期、狀態(tài)整齊的試驗苗種植于水培槽內，每槽6 株，注Hoagland營養(yǎng)液，通增氧泵，日光溫室常規(guī)管理，1 個月左右待試驗苗均抽出白色新根后，進行脅迫處理。試驗配制包含0（CK）、50（T1）、100（T2）、150（T3）、200（T4）mmol/L NaCl 的Hoagland 鹽分營養(yǎng)液，分別處理不同品種（系）萱草植株。為了防止鹽激效應對植株造成的傷害，鹽施加方式為多次添加、逐級遞增，采用每天增加50 mmol/L 漸增的方式達到預設濃度，第4 天各處理均達到預設濃度時記為脅迫開始第1 天，每個處理6 個重復。前期通過預試驗發(fā)現(xiàn)，各處理在20 d 左右，品種（系）間光合特征即出現(xiàn)顯著差異，故確定本試驗在脅迫處理第20 天時，選取植株新展開的第3～4 片功能葉片進行各指標測定。為了保證鹽脅迫濃度的恒定及防止植株營養(yǎng)虧缺，每5 d 更換一次水培槽內的鹽營養(yǎng)液。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉綠素含量 稱取新鮮葉片0.05 g，洗凈、剪碎放入離心管中，加入10 mL 體積比為1∶1 的90%丙酮和90%乙醇混合提取液，及時用保鮮膜封口并置于暗處，在室溫下提取48 h 至葉片完全變白。取上清液2 mL 于波長645、663 nm 下分別進行比色，測定其吸光值A645、A663。

式中，Vt為提取液總體積（mL）；W為樣品鮮質量（g）。

1.3.2 光合氣體交換參數(shù) 光合特性的測量采用美國LICOR 公司生產的LI-6400 便攜式光合儀，葉室裝配LED 紅/藍光源，光照強度設定為前期試驗得到的飽和光強（800±10）μmol/（m2·s），在測量日10：00 左右取新展開第3～4 葉片中間部位，測定植株葉片的凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。每處理重復3 次。

1.3.3 葉綠素熒光參數(shù) 采用英國Technologica公司生產的CFI 葉綠素熒光成像系統(tǒng)，測定葉綠素熒光參數(shù)。選擇新展開第3～4 片葉片的中間部位，充分暗適應30 min 后，測定PSⅡ最大光化學量子產量（Fv/Fm），光適應30 min 后測定PSⅡ實際光化學量子產量（ΦPSⅡ）、光化學淬滅系數(shù)（qP）和非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010 進行整理，用SPSS 26.0對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析、相關分析、主成分分析及隸屬函數(shù)值分析。

式中，U表示隸屬函數(shù)值，Xi,j表示第j個品種第i個主成分值，Xi，min表示第i個主成分的最小值，Xi，max表示第i個主成分的最大值；其中，i=1，2，…，n。

式中，wi表示第i個主成分的重要程度即權重，pi代表第i個主成分的貢獻率。

式中，D值為第j個萱草品種（系）在鹽脅迫條件下的耐鹽性綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對萱草葉綠素含量的影響

從圖1 可以看出，JC-1、LS-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 這5 個品系的葉綠素含量均隨著脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其中，JC-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 品種（系）的葉綠素含量最高值出現(xiàn)在50 mmol/L（T1）NaCl 濃度，分別為對照的1.59 倍、1.63 倍、1.31 倍和1.65 倍；LS-1 葉綠素含量最高值出現(xiàn)在100 mmol/L（T2）NaCl 濃度，為對照的1.75 倍。這5 個品系的最高值與對照相比均達到顯著差異（P＜0.05）。WT-2、YC-1、ZZ-1、金娃娃4 個品種（系）的葉綠素含量隨著脅迫濃度的增加而逐漸降低。

圖1 鹽脅迫對萱草葉綠素含量的影響Fig.1 Effect of salt stress on chlorophyll content of Hemerocallis fulva

2.2 鹽脅迫對萱草光合氣體交換參數(shù)的影響

2.2.1 凈光合速率 由圖2 可知，JC-1、LS-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 這5 個品系的凈光合速率均隨脅迫濃度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。其中，JC-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 的凈光合速率最高值均出現(xiàn)在50 mmol/L（T1）NaCl 濃度，分別為對照的1.23 倍、1.26 倍、1.57 倍和1.11 倍；LS-1 凈光合速率最高值出現(xiàn)在100 mmol/L（T2）NaCl 濃度，為對照的1.13 倍。在5 個最高值中，JC-1 和TY-1 與對照相比達到了顯著差異（P＜0.05）。WT-2、YC-1、ZZ-1 和金娃娃4 個品種（系）的凈光合速率隨脅迫濃度增加而逐漸降低。

圖2 鹽脅迫對萱草光合氣體交換參數(shù)的影響Fig.2 Effect of salt stress on photosynthetic gas exchange parameters of Hemerocallis fulva

2.2.2 氣孔導度 從圖2 可以看出，JC-1、LS-1、TG-1、WT-2、YC-1、ZZ-1 和金娃娃7 個品種（系）的氣孔導度均隨脅迫濃度增加而逐漸降低。TY-1和ZZ-2 這2 個品系的氣孔導度隨脅迫濃度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，二者最高值均出現(xiàn)在50 mmol/L（T1）NaCl 濃度，分別為對照值的1.39 倍和1.07 倍，其中，TY-1 的最高值與對照相比達到顯著差異（P＜0.05）。

2.2.3 胞間二氧化碳濃度 由圖2 可知，9 個品種（系）胞間二氧化碳濃度均隨脅迫濃度增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。其中，TG-1、WT-2 和YC-1這3 個品系的最低值均出現(xiàn)在50 mmol/L（T1）NaCl濃度，分別為對照的69.9%、70.7%和67.2%；JC-1、LS-1、TY-1 和ZZ-2 這4 個品系的最低值均出現(xiàn)在100 mmol/L（T2）NaCl 濃度，分別為對照的59.6%、48.4%、62.4%、51.0%；ZZ-1 和金娃娃2 個品種（系）的最低值均出現(xiàn)在150 mmol/L（T3）NaCl 濃度，分別為對照的70.4%和48.0%。9 個品種（系）的胞間二氧化碳濃度最低值與對照相比均達到了顯著差異（P＜0.05）。

2.2.4 蒸騰速率 從圖2 可以看出，LS-1、WT-2、YC-1、ZZ-1 和金娃娃5 個品種（系）的蒸騰速率均隨脅迫濃度增加而逐漸降低。JC-1、TG-1、TY-1和ZZ-2 這4 個品系的蒸騰速率均隨脅迫濃度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其最高值均出現(xiàn)在50 mmol/L（T1）NaCl 濃度，分別為對照的1.15 倍、1.11 倍、1.58 倍和1.29 倍，其中，TY-1 和ZZ-2 的最高值與對照相比達到顯著差異（P＜0.05）。

2.3 鹽脅迫對萱草葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.3.1 PSⅡ最大量子產量 由圖3 可知，鹽脅迫條件下9 個品種（系）萱草的PSⅡ最大量子產量總體變化不大，為0.751～0.806。JC-1、WT-2、ZZ-1、ZZ-2 和金娃娃5 個品種（系）的PSⅡ最大量子產量均隨脅迫濃度增加呈先增大后減小的趨勢。其中，WT-2 和ZZ-1 的最高值與對照相比達到顯著差異（P＜0.05）。JC-1、WT-2、ZZ-1 和ZZ-2 的PSⅡ最大量子產量最高值出現(xiàn)在50 mmol/L（T1）NaCl濃度，分別比對照增加了0.5%、2.4%、2.3%和0.3%；金娃娃的最高值出現(xiàn)在100 mmol/L（T2）NaCl 濃度，只比對照增加了0.8%。LS-1、TG-1、TY-1 和YC-1 這4 個品系的PSⅡ最大量子產量均隨脅迫濃度增加而逐漸降低。

圖3 鹽脅迫對萱草葉綠素熒光參數(shù)的影響Fig.3 Effect of salt stress on Chlorophyll fluorescence parameters of Hemerocallis fulva leaves

2.3.2 PSⅡ實際量子產量 從圖3可以看出，JC-1、LS-1、TG-1、TY-1、YC-1、金娃娃這6 個品種（系）的PSⅡ實際量子產量均隨脅迫濃度增加而逐漸降低。WT-2、ZZ-1、ZZ-2這3個品系的PSⅡ實際量子產量均隨脅迫濃度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其最高值均出現(xiàn)在50 mmol/L（T1）NaCl濃度，分別為對照的1.17倍、1.12倍、1.08倍。WT-2和ZZ-1的最高值與對照相比達到了顯著差異（P＜0.05）。

2.3.3 光化學淬滅系數(shù) 由圖3 可知，JC-1、TG-1、TY-1、YC-1 和金娃娃5 個品種（系）的光化學淬滅系數(shù)均隨脅迫濃度增加而逐漸降低。LS-1、WT-2、ZZ-1 和ZZ-2 這4 個品系的光化學淬滅系數(shù)均隨脅迫濃度增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢；其最高值均出現(xiàn)在50 mmol/L（T1）NaCl 濃度，分別為對照的1.15 倍、1.17 倍、1.19 倍、1.03 倍；除ZZ-2 外，其余3 個品系的光化學淬滅系數(shù)最高值與對照相比達到顯著差異（P＜0.05）。

2.3.4 非光化學淬滅系數(shù) 由圖3 可知，TG-1、WT-2、YC-1、ZZ-1 和ZZ-2 這5 個品系的非光化學淬滅系數(shù)均隨脅迫濃度增加呈逐漸上升趨勢。JC-1、LS-1、TY-1 和金娃娃4 個品種（系）的非光化學淬滅系數(shù)隨脅迫濃度增加呈現(xiàn)先升高后又小幅下降的趨勢。其中LS-1 和TY-1 的最高值出現(xiàn)在100 mmol/L（T2）NaCl 濃度，分別為對照的1.35 倍、1.41 倍，JC-1 和金娃娃的最高值出現(xiàn)在150 mmol/L（T3）NaCl 濃度，分別為對照的1.51 倍、1.60 倍，4 個最高值與對照相比均達到顯著差異（P＜0.05）。

2.4 鹽脅迫下萱草光合生理指標的相關性分析

以品種（系）為控制變量，對所測的9 個光合指標進行偏相關分析，以探討萱草光合生理指標間的相關關系。由表2 可知，各光合指標間存在廣泛而緊密的聯(lián)系。凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、PSⅡ最大量子產量（Fv/Fm）、PSⅡ實際量子產量（ΦPSⅡ）和光化學淬滅系數(shù)（qP）間兩兩呈極顯著正相關關系；非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）與凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、PSⅡ最大量子產量（Fv/Fm）、PSⅡ實際量子產量（ΦPSⅡ）和光化學淬滅系數(shù)（qP）呈極顯著負相關；葉綠素含量（Chl）與凈光合速率（Pn）呈顯著正相關，而與胞間CO2濃度（Ci）呈顯著負相關。

表2 萱草光合生理指標的相關系數(shù)矩陣Tab.2 Correlation coefficient matrix of photosynthetic physiological indexes of Hemerocallis fulva

2.5 不同品種（系）萱草光合系統(tǒng)的耐鹽性綜合評價

對200 mmol/L（T4）NaCl 濃度下的各品種（系）指標進行公式（2）處理，得到耐鹽系數(shù)后進行主成分分析，以降低數(shù)據(jù)的冗余性。各主成分因子的特征值，對原始指標的載荷矩陣和對光合指標的貢獻率如表3 所示。根據(jù)特征值大于1 的原則，選取了前3 個主成分因子，各因子的貢獻率分別為34.23%、31.72% 和14.44%，累計貢獻率達到80.39%，可代表9 個單一指標的絕大部分信息。主成分因子F1 與PSⅡ實際量子產量（ΦPSⅡ）、非光化學淬滅系數(shù)（NPQ）和胞間CO2濃度（Ci）密切相關，主成分因子F2 與蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和凈光合速率（Pn）密切相關，主成分因子F3 主要與PSⅡ最大量子產量（Fv/Fm）和葉綠素含量（Chl）有較大相關關系。根據(jù)主成分特征向量計算不同品種（系）萱草的主成分值，利用公式（3）計算隸屬函數(shù)值，利用公式（4）計算主成分綜合指標的權重，利用公式（5）計算不同品種（系）萱草的光合系統(tǒng)耐鹽性綜合評價值（D 值）。依據(jù)D 值大小，對9 份萱草種質光合系統(tǒng)的耐鹽性大小進行排序（表4）為WT-2＞LS-1＞ZZ-2＞TG-1＞ZZ-1＞金娃娃＞JC-1＞YC-1＞TY-1。

表3 主成分特征值及特征向量描述Tab.3 Eigenvalues and eigenvectors of principal component

表4 不同品種（系）萱草的光合耐鹽性評價D 值Tab.4 D-value of photosynthetic salt tolerance evaluation of different varieties（strains） of Hemerocallis fulva

3 結論與討論

葉綠素作為植物進行光能聚集和傳遞的重要載體，常作為脅迫條件下衡量植株抗性的重要生理指標之一[16]。葉綠素含量測試結果顯示，9 份材料中，除YC-1 和ZZ-1 外，其余7 份萱草能夠承受150～200 mmol/L 的NaCl 脅迫，僅通過自身調節(jié)使葉綠素含量維持在無明顯降低的水平。同時，結果顯示有JC-1、LS-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 這5 份萱草材料在50～100 mmol/L 的NaCl 條件下，表現(xiàn)出明顯的葉綠素含量上升，另外4 份材料表現(xiàn)為逐漸下降趨勢。在多種植物的鹽脅迫研究中，葉綠素含量一般會隨著鹽濃度升高和脅迫時間的延長而逐漸降低[17]，但近年來也有報道一些植物在低濃度或短時鹽脅迫條件內顯示葉綠素含量呈上升趨勢[15]。PARIDA 等[18]研究認為，鹽脅迫能夠促進葉綠素酶的活性，SANTOS[19]研究認為，鹽脅迫下葉綠素含量的下降與其合成前體5-氨基酮戊酸（ALA）的合成受限有關。GARCíA-VALENZUELA 等[20]研究認為，滲透刺激可使葉綠體發(fā)育改變導致葉綠素含量增加。對于葉綠素含量階段性變化的原因，目前沒有比較明確的解釋，而本研究中不同品種（系）萱草表現(xiàn)出的差異性可作為進一步研究的有益材料。

凈光合速率（Pn）是綜合反映植株光合效率的指標，受到多種因素的影響。本研究表明，隨著鹽脅迫濃度的增加，各品種（系）萱草的Pn、Gs 和Tr總體呈下降趨勢，而Ci 呈先下降再上升的趨勢?？烧J為在NaCl 脅迫濃度為50～100 mmol/L 時，Pn主要受到氣孔因素影響，Gs 的降低限制了CO2的輸送，導致光合作用受阻；在NaCl 脅迫濃度上升至150～200 mmol/L 時，RuBP 羧化酶活性降低、光合作用反應位點同化能力下降等非氣孔限制成為主要因素，使Pn 進一步下降[21]。JC-1、LS-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 這5 個品系在較低濃度脅迫時，出現(xiàn)了Pn 值的升高，應與其同期葉綠素含量的升高有密切關系。TY-1 在脅迫濃度為50 mmol/L 時，Gs和Tr 也出現(xiàn)了較明顯的增大，這可能是由于鹽分離子和可溶性滲透物質的增加使細胞滲透壓升高，在一定范圍內提高了植株吸水能力。張超等[22]報道TY-1 在低溫脅迫下具有較強的光合能力，TY-1可能更加適應50 mmol/L 左右的鹽脅迫條件。

鹽脅迫對植株葉綠素熒光的影響一般表現(xiàn)為Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP 等指標的下降和NPQ 的上升[23]，這與本研究中JC-1、TG-1、TY-1、YC-1、ZZ-2 和金娃娃6 個品種（系）的總體表現(xiàn)一致。Fv/Fm的下降表明PSⅡ系統(tǒng)受到了損傷，ΦPSⅡ的下降表明ATP和NADPH 等同化力的形成受阻，qP 的降低表明通向PS Ⅱ反應中心的電子傳遞受到了抑制，而NPQ 的上升則顯示植株正在積極提高熱耗散的能力，以消耗過多的激發(fā)能，減輕鹽脅迫帶來的傷害[24]。在50 mmol/L 的NaCl 脅迫條件下，LS-1 表現(xiàn)出明顯的qP 值升高，顯示其PSⅡ電子傳遞活性得到增強，這與徐建偉等[25]在葡萄的水分脅迫研究中觀察到的現(xiàn)象類似。WT-2和ZZ-1在50 mmol/L的NaCl 脅迫條件下，顯示出明顯的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP 值升高，說明其PSⅡ反應中心得到了活化，光能轉化效率和電子傳遞活性均得到了提高，這代表WT-2 和ZZ-1 的PSⅡ系統(tǒng)在低濃度鹽脅迫條件下具有正向調節(jié)的能力。PSⅡ光合活性升高的現(xiàn)象在鹽脅迫研究中并不常見，但是依然能夠從甘草、忽地笑和沙棗幼苗其他類型的脅迫研究中找到類似的描述[26-28]。

綜上所述，在50 mmol/L NaCl 脅迫條件下，各品種（系）萱草均表現(xiàn)出較強的自我調節(jié)能力，隨著脅迫濃度的增加，總體光合能力呈逐步下降趨勢。凈光合作用在NaCl 脅迫濃度50～100 mmol/L 時主要受到氣孔限制的影響，在150～200 mmol/L 時非氣孔限制轉變?yōu)橹饕蛩亍? 份萱草材料能夠在150～200 mmol/L 的NaCl 脅迫條件下保持與對照相當?shù)娜~綠素含量。6 份萱草材料的葉綠素熒光指標隨脅迫濃度升高表現(xiàn)為Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP 的下降和NPQ 的上升。特別的，在50 mmol/L NaCl 脅迫條件下，TY-1 的氣孔導度和蒸騰速率有明顯的上升，LS-1 的PSⅡ電子傳遞活性有所增強，WT-2 和ZZ-1 的PSⅡ反應中心得到了活化，光能轉化效率和電子傳遞活性均有提高，這些特征反映出它們適應低濃度鹽脅迫條件的不同策略。根據(jù)主成分分析和隸屬函數(shù)綜合評價，9 個品種（系）萱草光合系統(tǒng)的耐鹽性順序為WT-2＞LS-1＞ZZ-2＞TG-1＞ZZ-1＞金娃娃＞JC-1＞YC-1＞TY-1。