三種桑生理特性對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)

胡博, 閆偉, 劉宇, 郝艷玲

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 呼和浩特 010020)

土壤鹽漬化是世界性生態(tài)環(huán)境問題之一，是影響農(nóng)、林業(yè)生產(chǎn)的主要因素。土壤鹽堿化的地表植被稀疏、肥力較低，在很大程度上限制了植物的生長。目前，我國約有2 000萬hm2的鹽堿地和600萬hm2的鹽漬化土壤，我國的鹽漬土面積占國土面積的1/4，由于灌溉不合理造成的鹽漬化土地面積約達(dá)250萬hm2[1]。西北、華北、東北及沿海地區(qū)是我國鹽堿土的主要集中分布地區(qū)。其中，土壤鹽漬化大量存在于蒸發(fā)量大于降雨量的干旱、半干旱地區(qū)，特別是西部六省區(qū)(陜西、甘肅、寧夏、青海、內(nèi)蒙古、新疆)鹽漬化土地面積占全國的69.03%[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)污染加劇、氣候變化、不合理的灌溉和化肥施用不當(dāng)?shù)仍颍紊}漬化土壤面積仍在逐年增加。

桑樹(MorusablaL.)是多年生木本植物，在我國分布廣泛，具有很高的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值[2-4]。桑樹對(duì)于旱澇[5]、鹽堿、重金屬[6]以及其他逆境脅迫具有很強(qiáng)的耐受性，成為改善脆弱生態(tài)區(qū)植被條件極具潛力的樹種之一。于翠等[5]研究發(fā)現(xiàn)，不同果桑幼苗對(duì)不同濃度鹽分脅迫表現(xiàn)出的酶活性也不同，這與果桑品種耐鹽能力有關(guān)；李衛(wèi)國等[7]研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下桑樹的生長受到了顯著抑制，對(duì)鹽環(huán)境下的響應(yīng)表現(xiàn)出滲透脅迫和離子毒害共同作用的結(jié)果。因此，研究桑樹對(duì)土壤鹽分脅迫的響應(yīng)機(jī)制具有重要意義。

在我國北部地區(qū)，黑龍江龍桑 (Morusalbacv. Tortuosa)、通遼蒙桑(MorusmongolicaSchneid.)、楊凌雞桑(MorusaustralisPoir. var. Australis)表現(xiàn)出良好的抗旱、抗寒能力，葉片長勢(shì)、結(jié)桑率、根系發(fā)達(dá)程度均優(yōu)于其他桑品種，能更好地適應(yīng)我國北部地區(qū)的氣候條件。然而，目前關(guān)于龍桑、蒙桑、雞桑耐鹽能力的相關(guān)報(bào)道較少。本研究以一年生的龍桑、蒙桑、雞桑作為研究對(duì)象,以不同濃度的NaCl溶液作為滲透物質(zhì),比較了不同鹽脅迫條件下3種桑科植物丙二醛(malondialdehyde，MDA)、葉綠素、可溶性糖(soluble sugar，SS)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、超氧化物歧化酶(superoxide，SOD)等耐鹽性相關(guān)生理指標(biāo)的變化，探討這3種桑對(duì)土壤鹽分脅迫的響應(yīng)機(jī)制，以期為西部鹽漬化地區(qū)栽植不同桑品種的耐鹽性能評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年3—8月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)(113°73′29″E，40°83′35″N，海拔1 051 m)氣候室中進(jìn)行，試驗(yàn)期間室內(nèi)溫度為12～25 ℃，相對(duì)濕度為40%～50%，試驗(yàn)材料為生長健壯的一年生桑樹幼苗(黑龍江龍桑、通遼蒙桑、楊凌雞桑，由烏拉特旗東綠生態(tài)科技研究院提供)，供試用鹽為NaCl(分析純)。

1.2 試驗(yàn)方法

選取長勢(shì)基本一致的3種桑樹苗各30株。于2018年10月下旬將種苗移栽至塑料花盆中(30 cm×20 cm×15 cm)。栽培基質(zhì)為黃土、營養(yǎng)土和蛭石(體積比為3∶2∶1)。以鹽濃度水平分別設(shè)置0(CK)、100(T1)、200(T2)、300(T3)、400 mmol·L-1(T4)5個(gè)處理組，每個(gè)處理組設(shè)6個(gè)重復(fù)。苗木在氣候室緩苗2個(gè)月，自試驗(yàn)開始，每隔1 d每盆澆200 mL相應(yīng)濃度的NaCl溶液進(jìn)行鹽脅迫處理。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

利用紫外分光光度計(jì)[UV-2800H，尤尼柯(上海)儀器有限公司]在鹽脅迫的第7 d和第14 d進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。其中，MDA含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法，葉綠素含量測(cè)定采用丙酮法,POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法，SOD活性采用氮藍(lán)四唑法，SS含量的測(cè)定采用蒽酮比色法[8]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件整理數(shù)據(jù)，采用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用 Origin 8.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽分脅迫對(duì)3種桑MDA含量的影響

MDA是膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一，能直接反映膜受損程度。由圖1可以看出，在不同濃度NaCl脅迫下，3種桑MDA含量均隨著鹽脅迫程度加劇呈上升趨勢(shì)。其中，在T4處理(鹽濃度400 mmol·L-1)時(shí)，3種桑MDA含量上升幅度最大。T4處理下，在鹽脅迫第7 d時(shí)，龍桑、雞桑、蒙桑分別比CK增加了73.89%、57.18%、125.56%；在鹽脅迫第14 d，龍桑、雞桑、蒙桑分別比CK增加了89.44%、80.16%、148.38%。其中，蒙桑的漲幅最大，雞桑漲幅最小。方差分析表明，在鹽脅迫第7 d與第14 d，同一濃度不同桑種和不同濃度同一桑種均呈現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。雞桑在受鹽脅迫時(shí)，MDA含量顯著低于其他2個(gè)桑種。

注：不同希臘字母表示同一處理不同品種間差異在P <0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，不同英文字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different Greek letters of different species under the same treatment indicate significant difference at P< 0.05 level, different English letters of the same species under different treatments indicate significant difference at P< 0.05 level.圖1 鹽分脅迫對(duì)3種桑MDA含量的影響Fig.1 Effect of salt stress on MDA content of three kinds of mulberry

2.2 鹽分脅迫對(duì)3種桑葉綠素含量的影響

圖2顯示，隨著脅迫時(shí)間的延長和鹽濃度的增加，3種桑葉綠素含量均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，這說明3種桑科植物的葉綠素對(duì)鹽漬較為敏感。在鹽脅迫的第7 d和第14 d，雞桑對(duì)照組(CK)葉綠素含量最高，分別為23.11、23.74 mg·g-1。在鹽脅迫第14 d、鹽濃度為400 mmol·L-1時(shí)，3種桑的葉綠素含量降幅最大，龍桑、雞桑、蒙桑葉綠素含量均達(dá)到最小值，分別為6.75、12.61、8.93 mg·g-1。鹽脅迫的第7 d，龍桑、雞桑、蒙桑葉綠素含量分別比CK降低了42.59%、29.80%、30.59%；鹽脅迫的第14 d，3種桑葉綠素含量繼續(xù)下降，分別比CK下降了66.50%、47.38%、58.94%。其中，龍桑葉綠素含量降幅在同組中最大，雞桑葉綠素含量在同組中降幅最小。方差分析表明，在鹽脅迫的第7 d，龍桑葉綠素含量顯著低于其他2品種(P<0.05)，雞桑和蒙桑葉綠素含量差異不顯著(P>0.05)；在鹽脅迫的第14 d，雞桑葉綠素含量顯著高于其他2個(gè)品種(P<0.05)。

注：不同希臘字母表示同一處理不同品種間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，不同英文字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different Greek letters of different species under the same treatment indicate significant difference at P<0.05 level, different English letters of the same species under different treatments indicate significant difference at P<0.05 level.圖2 鹽分脅迫對(duì)3種桑葉綠素含量的影響Fig.2 Effect of salt stress on chlorophyll content of three kinds of mulberry

2.3 鹽分脅迫對(duì)3種桑POD含量的影響

從圖3可以看出，隨鹽分脅迫的增強(qiáng)，蒙桑、雞桑、龍桑POD活性總體趨勢(shì)是先升高后降低。龍桑在鹽脅迫的第7 d，鹽濃度為300 mmol·L-1時(shí)，POD活性出現(xiàn)最大值，比CK顯著增加了45.44%；在鹽脅迫的第14 d鹽濃度為200 mmol·L-1時(shí)，POD活性出現(xiàn)最大值，比CK顯著性增加了27.56%。雞桑在鹽脅迫的第7 d和第14 d，鹽濃度為300 mmol·L-1時(shí)，POD活性出現(xiàn)了最大值，分別比CK增加了31.29%、12.45%。蒙桑在鹽脅迫的第7 d和第14 d，鹽濃度為200 mmol·L-1時(shí)，POD活性出現(xiàn)最大值，分別比CK顯著增加了35.44%、19.51%。龍桑、雞桑、蒙桑POD活性最大值分別為23.9、39.64、33.07 U·g-1。方差分析表明，鹽濃度200 mmol·L-1時(shí)，鹽脅迫的第7 d和第14 d，雞桑與蒙桑POD活性無顯著差異(P>0.05)。而龍桑POD活性顯著低于其他2品種(P<0.05)。

2.4 鹽分脅迫對(duì)3種桑SOD活性的影響

圖4顯示，3種桑SOD活性總體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。龍桑在鹽脅迫的第7 d和第14 d，鹽濃度為100 mmol·L-1時(shí)，SOD活性處于最大值，分別比CK顯著性升高了31.66%、16.42%。雞桑在不同鹽脅迫處理下，SOD活性均處于3種桑的最大值。在鹽脅迫的第7 d和第14 d，鹽濃度為200 mmol·L-1時(shí)，SOD活性處于最大值，分別比CK顯著增加了38.49%、17.52%。蒙桑在鹽脅迫的第7 d，鹽濃度為100 mmol·L-1時(shí)，SOD活性處于最大值，與對(duì)照組(CK)相比顯著增加了22.97%；在鹽脅迫的第14 d時(shí)，蒙桑SOD活性呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。方差分析表明，雞桑的SOD活性在正常生長情況下顯著高于其他2品種(P<0.05)。在相同鹽濃度和相同脅迫時(shí)間下，3種桑SOD活性均差異顯著(P<0.05)。

2.5 鹽分脅迫對(duì)3種桑可溶性糖含量的影響

從圖5可以看出，3種桑可溶性糖(SS)含量總體呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢(shì)。在鹽脅迫的第7 d和第14 d，鹽濃度為200 mmol·L-1時(shí)，龍桑和雞桑SS含量處于最大值，分別比對(duì)照組(CK)增加52.94%、24.97%和23.74%、21.06%。2種桑SS含量在鹽脅迫的第7 d的增幅均比第14 d大。在鹽脅迫的第7 d和第14 d，鹽濃度為100 mmol·L-1時(shí)，蒙桑SS含量降幅最小，分別比CK降低了4.58%、6.11%。方差分析表明，在鹽濃度100 mmol·L-1時(shí)，鹽脅迫的第7 d和第14 d，雞桑SS含量顯著高于其他2品種(P<0.05)，而蒙桑與龍桑卻無顯著差異(P>0.05)。

注：不同希臘字母表示同一處理不同品種間差異在P <0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，不同英文字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different Greek letters of different species under the same treatment indicate significant difference at P< 0.05 level, different English letters of the same species under different treatments indicate significant difference at P<0.05 level.圖3 鹽分脅迫對(duì)3種桑POD活性的影響Fig.3 Effect of salt stress on POD activity of three kinds of mulberry

注：不同希臘字母表示同一處理不同品種間差異在P <0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，不同英文字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different Greek letters of different species under the same treatment indicate significant difference at P< 0.05 level, different English letters of the same species under different treatments indicate significant difference at P< 0.05 level.圖4 鹽分脅迫對(duì)3種桑SOD活性的影響Fig.4 Effect of salt stress on SOD activity of three kinds of mulberry

注：不同希臘字母表示同一處理不同品種間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，不同英文字母表示同一品種不同處理間差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different Greek letters of different species under the same treatment indicate significant difference at P<0.05 level, different English letters of the same species under different treatments indicate significant difference at P<0.05 level.圖5 鹽分脅迫對(duì)3種桑可溶性糖的影響Fig.5 Effect of salt stress on soluble sugar content of three kinds of mulberry

3 討論

膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物丙二醛(MDA)，可以用來表示細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物對(duì)逆境條件下反應(yīng)的強(qiáng)弱。本研究中，經(jīng)鹽脅迫后，3種桑的膜系統(tǒng)均受到了一定程度損傷，其中蒙桑受損最為嚴(yán)重，膜內(nèi)MDA活性變化顯著大于龍桑與雞桑，這是由于鹽脅迫條件下蒙桑體內(nèi)正常的水分散失更為嚴(yán)重。氣孔關(guān)閉，光合速率下降，植物細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧，使其功能和結(jié)構(gòu)均遭到破壞，細(xì)胞內(nèi)各細(xì)胞器和酶系統(tǒng)無法正常工作[9]，鹽脅迫致使植物體內(nèi)MDA含量顯著上升，細(xì)胞及細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的損壞更為明顯[10]。張曉勉等[11]通過盆栽控鹽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著鹽濃度的增大或處理時(shí)間的延長，沙棗適應(yīng)性防御反應(yīng)能力無法再抵御鹽脅迫的破壞，從而造成細(xì)胞膜受損、細(xì)胞膜透性和MDA濃度大幅增加。該結(jié)論與本研究結(jié)果相同。3種桑MDA顯著差異，這可能是因?yàn)辂}脅迫下桑苗基部葉片的脫落凋零和植物體內(nèi)水分吸收和散失間的不平衡，這種形態(tài)的差異可能是導(dǎo)致雞桑具有較強(qiáng)的耐鹽能力。

葉綠素是重要的光合作用物質(zhì),其含量的多少在一定程度上反映了植物光合作用的強(qiáng)弱,從而影響植物的生長,其最直接的反應(yīng)就是生物量積累減少[12]。在鹽脅迫下條件下,植物葉片內(nèi)的葉綠體會(huì)遭到破壞，從而抑制了葉綠素的合成。本研究中，隨著鹽脅迫程度的增加，植物葉片中的葉綠素含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這與張國英等[13]研究的鹽脅迫能影響桑幼苗葉片中葉綠素的合成，隨NaCl濃度升高葉綠素含量逐漸減少的結(jié)果相一致。3種桑葉綠素含量均有不同程度降低，可能是由于鹽分脅迫下植物體內(nèi)活性氧大量產(chǎn)生，葉綠體的結(jié)構(gòu)遭受破壞，合成的葉綠素減少，致使葉綠素含量降低[14]。其中，雞桑與同組其他2種桑相比，葉綠體受損程度較小，高含量的葉綠素能夠促進(jìn)光合作用，從而對(duì)鹽脅迫做出的積極響應(yīng)。

超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)是植物體清除自由基的重要保護(hù)酶。當(dāng)植物受到一定濃度的鹽脅迫時(shí)會(huì)打破自身活性氧代謝的動(dòng)態(tài)平衡，引起SOD和POD活性的變化[15-16]。本研究得出在不同鹽濃度條件下，3種桑SOD與POD活性在NaCl濃度為200～300 mmol·L-1時(shí)達(dá)到峰值，隨后降低。其中，雞桑SOD與POD酶活性均顯著高于蒙桑與龍桑，這是因?yàn)樵邴}濃度為100、200 mmol·L-1時(shí)，雞桑SOD對(duì)鹽脅迫所產(chǎn)生超氧陰離子自由基、POD對(duì)鹽脅迫產(chǎn)生的H2O2發(fā)揮了有效的清除作用，但在高鹽濃度下(300、400 mmol·L-1NaCl)保護(hù)作用受到抑制，導(dǎo)致酶的活性降低，活性氧受到傷害[17]。這與朱金方等[18]研究的檉柳扦插幼苗通過提高超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性，提高耐鹽性的研究結(jié)果相一致。另外，在鹽脅迫的第14 d時(shí)，蒙桑SOD活性在長時(shí)間鹽脅迫影響下，隨鹽脅迫程度的增加呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)殚L時(shí)間鹽分脅迫使得其超出酶活性的耐受范圍，SOD清除活性氧能力受到抑制。

可溶性糖是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在干旱、低溫、高溫、鹽漬等逆境下都會(huì)造成植物體內(nèi)可溶性糖含量的增加，是植物對(duì)逆境脅迫的一種生理生化反應(yīng)[19]。在不同濃度及不同脅迫時(shí)長下，雞桑的可溶性糖均高于其他2個(gè)桑品種，說明在鹽脅迫環(huán)境下雞桑能夠調(diào)節(jié)自身滲透壓，累積滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，維持正常細(xì)胞吸水能力較強(qiáng)，從而增加了自身可溶性糖含量[20]。整體而言，3種桑隨著鹽分的增強(qiáng)可溶性糖含量逐漸減少，主要原因可能是葉綠體受到破壞光合能力減弱，碳和能量代謝產(chǎn)物也隨之減弱[21]。這與李衛(wèi)國等[22]研究的鹽分脅迫對(duì)桑樹葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響中提到的可溶性糖含量變化結(jié)果相一致。而師長海等[23]關(guān)于小麥植物的研究得出：隨著鹽分濃度的升高,植物葉片可溶性糖含量呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)結(jié)果相反。因此，為進(jìn)一步闡明不同鹽濃度脅迫對(duì)桑可溶性糖含量的作用機(jī)理及變化趨勢(shì)，仍需進(jìn)行大量理論研究。

綜上所述，龍桑、雞桑和蒙桑在鹽脅迫后會(huì)有不同程度的生理響應(yīng)。通過對(duì)這3種桑受鹽脅迫后葉綠素、MDA、POD、SOD及可溶性糖等重要指標(biāo)的分析發(fā)現(xiàn)，雞桑在鹽脅迫時(shí)，具有一定的耐鹽性，在不同鹽濃度情況下，均表現(xiàn)出比其他2個(gè)桑品種更好的適應(yīng)性，耐鹽性能更優(yōu)。可見，雞桑能較好地適應(yīng)西部鹽漬化的土地，更適合大面積推廣和種植。