鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓生理特征影響的實驗研究

谷月,宋盈穎,方敬雯,周曼舒,姬芬,張雨婷,張飲江,*

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鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓生理特征影響的實驗研究

谷月1, 宋盈穎1,方敬雯2, 周曼舒2, 姬芬2, 張雨婷2,張飲江1, *

1. 上海海洋大學水產與生命學院, 上海 201306 2. 水域環境生態上海高校工程研究中心, 上海 201306

在NaCl鹽脅迫環境下, 以50 mmol·L–1為濃度梯度, NaCl濃度分別為0、50、100、150、200 mmol·L–1, 研究紅葉石楠‘紅羅賓’葉片含水量、葉綠素含量、質膜相對透性、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、過氧化物酶(POD)活性變化以及抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性變化等生理特征。結果表明: 葉片含水量、丙二醛含量、可溶性糖含量、抗壞血酸過氧化物酶活性均隨NaCl濃度的升高先增大, 后降低; 葉綠素含量、可溶性蛋白含量隨NaCl濃度的升高先降低后升高又降低; 膜相對透性隨NaCl濃度的升高持續增大, 而過氧化物酶(POD)活性隨NaCl濃度的升高則先升高后降低, 超過一定濃度后又升高。根據結果顯示, 紅葉石楠‘紅羅賓’具有一定耐鹽性, 可在適當鹽堿地地區的環境綠化建設中推廣應用。

紅葉石楠‘紅羅賓’; 鹽脅迫; 生理特征

1 引言

當前, 全球鹽堿化面積達9.5438億hm2[1], 我國鹽堿化面積占全球鹽堿化面積約十分之一。我國大面積鹽堿地中, 以東部沿海地區尤為突出, 這對許多城市及地區綠化建設造成很大困擾, 并影響生態環境與人們健康生活。石楠原產我國, 其育種和品種改造由國外完成。1996年前后, 紅葉石楠由多個國內研究機構和園藝企業從國外引入(如浙江、上海等), 并推廣應用[2,3]。紅葉石楠紅羅賓(Red Robin ) 因其葉色鮮艷奪目, 極具觀賞性, 近年來在城市綠化中應用廣泛[4]。

紅葉石楠紅羅賓屬薔薇科常綠小喬木, 葉革質, 本身含水量偏低, 正常情況下葉片含水量在50%左右, 在一定濃度鹽脅迫條件下, 促進其葉片對水分的吸收, 有利于增強鮮艷度, 提高觀賞性。鹽脅迫對植物影響的研究主要集中在光合、生長、抗氧化酶系統、離子分布和顯微結構等方面。大部分植物對鹽脅迫有一定的適應范圍, 但不同植物種類和品種鹽脅迫后的生長生理反應存在著較大的差異。2009年申亞梅等[5]曾對紅葉石楠紅羅賓在海水脅迫條件下的生理響應進行了探討, 結果顯示紅葉石楠具有良好的抗鹽能力, 可以作為鹽土植物栽培應用。2010年馬妮娜[9]等研究了石楠屬3個品種的耐鹽性, 得出結論是耐鹽性的大小順序為: 紅羅賓>魯賓斯>石楠。2011年趙秀娟[6]等通過對擬南芥、玉米、馬鈴薯、水稻、香蕉、黃瓜、花生和韭菜等植物的相關的研究, 綜述了鹽脅迫對植物丙二醛含量、游離脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性以及可溶性蛋白質6項指標的影響, 旨在為總結植物的耐鹽機制提供科學依據。2012年劉志高[7]等試驗研究了鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓植株葉片的光合作用參數、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)、鈉離子(Na+) 含量的影響, 其中結果表明隨著土壤含鹽量的增加和脅迫時間的延長, MDA 的含量并未呈現出規律性變化。2014年項錫娜[8]研究了不同濃度NaCl脅迫下, 紅葉石楠魯班生長、生理生化指標和葉片顯微結構的變化, 結果表明, 紅葉石楠魯班在NaCl濃度不高于0.6%的基質中能生長。

目前國內鹽脅迫對紅葉石楠生理特征影響的研究僅限于光合作用指標, 為了更好掌握紅葉石楠紅羅賓抗鹽作用機理, 增強其抗鹽機制, 深入研究其膜組織及多種生物酶的特性具有重要的學術價值與實用意義。因此本文針對鹽脅迫對紅葉石楠8項生理特征的影響, 深入研究鹽脅迫對其生長影響的作用機制, 以有利于紅葉石楠在環境與綠化建設中發揮更好的作用, 為鹽植物栽培應用提供科技支撐。

2 材料與方法

2.1 實驗材料

2014年8月在上海海洋大學栽培基地種植紅葉石楠紅羅賓種子, 待其生根發芽, 10月份挑選外形相似且生長狀況良好的生根幼苗, 將它們轉移到花盆中栽種, 每個濃度各3盆, 每盆3株, 設立3組五個梯度實驗各15盆, 共計45盆。

2.2 實驗儀器和試劑

儀器: 電子天平、容量瓶、電導率儀、試管等; 研缽、烘箱、紫外分光光度計等。

主要試劑: NaCl、磷酸緩沖液、石英砂、碳酸鈣粉、乙醇等。

2.3 材料處理

以紅葉石楠紅羅賓生根幼苗移栽后1個月的植株為材料, 對其進行鹽脅迫處理。設立NaCl溶液濃度為0、50、100、150、200 mmol·L–1五個梯度, 澆灌紅葉石楠紅羅賓幼苗。每天上午澆1次NaCl溶液, 每次每盆澆1 L。澆灌過程中鹽濃度逐步由低到高, 避免用高濃度鹽溶液直接澆灌, 讓植株慢慢適應鹽環境, 同時每周給土壤松土, 使鹽分在澆灌中不受損失, 保持土壤中鹽分濃度的相對穩定, 以免影響實驗結果。培養四周后, 測定其生理指標。

2.4 測定方法

采用高溫殺青稱重比價法測定植株葉片含水量; 采用研磨法測定葉片葉綠素;

葉片質膜相對透性的測定采用相對電導率的大小來表示葉片質膜相對透性的高低, 其中相對電導率(%) =原電導率/總電導率×100%; 葉片丙二醛(MDA)含量的測定參考李合生(2000)的硫代巴比妥酸法并適當做出修改; 葉片可溶性蛋白含量的測定參考李合生(2000)考馬斯亮藍G250染色法; 葉片可溶性糖含量的測定參考李合生(2000)蒽酮比色法測定可溶性糖; 葉片過氧化物酶(POD)活性變化的測定參考李合生(2000)愈創木酚法測定; 葉片抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性變化的測定: 參考文獻[10]的方法并適當修正。

3 結果與分析

3.1 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片含水量的影響

不同濃度鹽脅迫下, 葉片含水量呈現先增加后下降的變化趨勢, 在100 mmol·L–1時達到最高值58.61%, 跟對照組相比, 葉片含水量變化在10%左右(<0.05)。這表明, 一定濃度的鹽脅迫可以促進紅葉石楠紅羅賓葉片對水分的吸收, 有利于其生長。當濃度超過一定限度時, 反而抑制葉片對水分的吸收, 不利于其生長(見圖1)。

3.2 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片葉綠素含量的影響

葉綠素是植物光合作用中的重要物質, 其含量的多少將直接促進或抑制植物光合作用過程, 進而促進或抑制植物的生長發育。葉綠素代謝為一種動態的平衡過程, 但這種狀態在一定范圍內會被鹽脅迫所破壞, 從而致使葉綠素的含量值產生波動[11]。從圖2 表明, 與對照組相比, 在NaCl濃度為50 mmol·L–1時, 葉綠素含量有所降低; 在NaCl濃度為150 mmol·L–1時, 葉片葉綠素b含量有所升高; 在NaCl濃度為100 mmol·L–1和200 mmol·L–1時, 葉綠素a含量有所降低, 而對葉綠素b含量影響不大(<0.05)。

3.3 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片質膜相對透性的影響

植物中的膜系統參與細胞與外界環境的物質交流、能量和信息傳遞, 維持植物體內微環境的相對穩定, 因此膜系統的完整性及穩定性是保證植物正常生理活動的基礎。電導率值能夠反映膜透性的大小, 因此可以利用電導率值來檢測植物細胞質膜受到損害的程度。從圖3可看出, 隨著NaCl濃度的升高, 紅葉石楠‘紅羅賓’葉片質膜相對電導率升高, 但在濃度不高于150 mmol·L–1時, 相對電導率變化不大, 從150 mmol·L–1到200 mmol·L–1, 相對電導率呈指數型增長, 這表明當濃度高于150 mmol·L–1時, 葉片質膜受到嚴重損害(<0.05)。

3.4 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片MDA含量的影響

丙二醛(MDA)是膜脂質受到過氧化的重要產物, 體現了膜脂質過氧化水平, 它含量的變化在一定程度上能夠反映植物膜系統受損傷程度和植物的抗逆性[12]。從圖4可看出, 隨著NaCl濃度的升高, 紅葉石楠紅羅賓葉片中MDA的含量先增加后降低, 在NaCl濃度為150mmol·L–1時達到最高值, 此時膜脂質過氧化程度最高, 細胞膜受損傷嚴重(<0.05)。

3.5 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片可溶性蛋白含量的影響

植物體內的可溶性蛋白質大多數是參與各種代謝的酶類, 測定其含量是了解植物體總代謝情況的一個重要指標[13]。因此, 測定植物體內可溶性蛋白質是研究酶活性的一個重要項目, 也是間接測定植物體內代謝強度的一個指標[18–22]。從圖5可看出, 葉片中可溶性蛋白的含量隨著NaCl濃度的升高呈‘降低—上升—降低’的趨勢, NaCl濃度在100 mmol·L–1—150 mmol·L–1之間時達到最高值, 此時植物體內代謝強度最高(<0.05)。

3.6 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片可溶性糖含量的影響

糖類物質是構成植物體的重要組成成分之一, 也是新陳代謝的主要原料和貯存物質。測定紅葉石楠葉片中可溶性糖的含量, 可以判斷植株新陳代謝情況的快慢。從圖6可看出, 葉片中可溶性糖的含量隨NaCl濃度的升高先升高后降低, 在濃度為150 mmol·L–1左右時達到最高值, 表明此時植株新陳代謝情況最好(<0.05)。

3.7 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片POD活性的影響

POD 廣泛存在于植物體中, 是活性較強的一種酶。它與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等有關[14]。從圖7可看出, 隨著NaCl濃度的升高, 紅葉石楠紅羅賓葉片中POD含量呈‘上升—下降—上升’趨勢, 且隨著反應時間的增加, POD活性降低, 在NaCl濃度為150 mmol·L–1時達到最低值, 表明此時木質化程度較低, 老化程度也最低(<0.05)。

3.8 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片APX活性的影響

APX 作為清除葉綠體中 H2O2的毒害作用、維持植物正常光合作用的關鍵酶, 其活性受到多種環境因素的影響[15-16]。從圖8可看出, 隨著NaCl濃度的升高, 紅葉石楠紅羅賓葉片APX活性先升高后降低, 在NaCl濃度為150 mmol·L–1時, APX活性最高, 表明此時對降低 H2O2對植物細胞產生氧化損傷的作用效果最好(<0.05)。

4 討論

本研究的實驗結果顯示, 在鹽脅迫條件下, 紅葉石楠紅羅賓葉綠素a/b值增大, 由于葉綠素a呈藍綠色, 葉綠素b呈黃綠色, 所以葉綠素a/b值越大, 葉片顏色越鮮綠。紅葉石楠紅羅賓葉片生物膜基本成分是蛋白質、脂質和糖, 低濃度鹽脅迫條件下, 可溶性蛋白質和可溶性糖含量增加, 脂溶性物質透性降低, 但含水量增加的速度快, 膜對水的透性最大, 水可以自由通過, 所以膜透性會升高; 王樹鳳[23]等研究了鹽脅迫對2種櫟樹苗生長和根系生長發育的影響, 同樣發現石南葉白千層在鹽脅迫下增加了生物量在根系的分配, 其積極意義在于增加了根對水分和營養的吸收, 從而增強了植物體的生長能力, 稀釋細胞內鹽分。當鹽脅迫濃度超過150 mmol·L–1時, 可溶性蛋白和可溶性糖含量降低, 水溶性物質和脂溶性物質透性都會升高, 所以膜透性會呈指數型升高, 此時, 生物膜的結構受到嚴重損傷, 跨膜運輸失去平衡, 對植物生長不利。同時, 當NaCl濃度過高時, 膜脂質可氧化底物減少, 因此MDA含量減少。POD活性越高, 植物體的抗逆性越高[17], 鹽脅迫濃度為150 mmol·L–1時, POD活性降到最低值, 此時紅葉石楠紅羅賓的抗鹽能力最弱, 不利于植株的生長。APX活性越高, 清除葉綠體中 H2O2的毒害作用、維持植物正常光合作用的能力越強, 要使APX發揮正常催化功能, 必須有抗壞血酸存在, 當鹽脅迫超過一定濃度時, 會通過降低抗壞血酸的含量來降低APX活性, 以此破壞植株的酶系統, 影響植株的正常生長發育。

因此, 從本實驗結果觀察與分析, 一定濃度的鹽脅迫有利于紅葉石楠紅羅賓的代謝生長, 且適宜濃度在100 mmol·L–1—150 mmol·L–1之間, NaCl濃度超過150 mmol·L–1則會抑制其生長。

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Experimental study on effect of salt stress to the physiological charac-teristics ofRed Robin

GU Yue1, SONG Yingying1, FANG Jingwen2, ZHOU Manshu2, JI Fen2, ZHANG Yinjiang1,2

1. College of Fisheries and Life Science of Shanghai Ocean Univercity, Shanghai 201306 China 2. Engineering Research Center for Water Environment Ecology in Shanghai, Shanghai 201306 China

The effect of salt stress to the physiological characteristics ofRed Robin was investigated when exposed to 0, 50, 100, 150 and 200 mmol·L–1of NaCl by determining leaf water content, chlorophyll content, membrane permeability, malondialdehyde (MDA) content, soluble protein content, soluble sugar content, and the changes of peroxidase (POD) activity and ascorbate peroxidase (APX) activity . It was found that with the increase of NaCl concentration, leaf water content, MDA content, soluble sugar content, and APX activity increased first and then decreased. Chlorophyll content and soluble protein content both had a variation tendency from decrease to increase and then increase to decrease, while the change of POD activity had a reverse variation. Membrane permeability continued increasing, which illustrated thatRed Robin had a certain tolerance for salt and could be applied in the garden construction in saline area.

Red Robin; salt stress; physiological characteristics

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.022

S688.3

A

1008-8873(2017)02-152-06

2016-03-25;

2016-07-03

國家水專項(08ZX07101-005, 2013ZX07101014-004); 上海市重點學科建設項目(Y1110, S30701)

谷月(1991—), 女, 山東萊蕪, 碩士研究生, 研究方向為水域環境生態學, E-mail: 18717836191@163.com

張飲江, E-mail: yjzhang@shou.edu.cn

谷月, 宋盈穎,方敬雯, 等. 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓生理特征影響的實驗研究[J]. 生態科學, 2017, 36(2): 152-157.

GU Yue, SONG Yingying, FANG Jingwen, et al. Experimental study on effect of salt stress to the physiological characteristics ofRed Robin[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 152-157.