鹽脅迫對嫁接西瓜幼苗生長及碳、氮、磷、鉀化學(xué)計(jì)量特征的影響

孫小妹，陳思瑾，楊柳燕，李金霞，周 彬，陳年來

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅蘭州730070)

西瓜(Citrullus lanatus)作為我國重要的園藝產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)面積和產(chǎn)量均居世界首位。由于大規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)，西瓜連作障礙日益突出，枯萎病(Fusarium oxysporum sp.niveum)相應(yīng)成為西瓜生產(chǎn)上最嚴(yán)重的病害之一［1］。在重茬地枯萎病導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降，嚴(yán)重時(shí)甚至絕收。與此同時(shí)，種植過程中由于肥料的不合理施用，使土壤鹽類積聚，土壤鹽漬化日趨嚴(yán)重，西瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)同時(shí)受到枯萎病和鹽脅迫的雙重影響［2］。利用抗枯萎病砧木的根系嫁接栽培，不但能有效控制枯萎病的危害，而且是減緩西瓜遭受鹽分傷害可靠易行的措施［3］。因此，探究嫁接西瓜的鹽適應(yīng)性，獲得抗枯萎病的耐鹽組合，有利于我國西瓜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

N、P、K是植物生長發(fā)育過程中所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，其在植物組織結(jié)構(gòu)、碳代謝過程和細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)過程中起重要作用［4-5］。然而，鹽脅迫會(huì)對植物營養(yǎng)元素的吸收和運(yùn)輸過程產(chǎn)生抑制，造成礦質(zhì)營養(yǎng)元素的失衡，是鹽脅迫主要的影響效應(yīng)之一［6］。例如，鹽脅迫使橄欖和側(cè)柏葉片中N、P、K含量下降［7-8］，而酸橘和番茄葉片中的P、K含量卻隨鹽脅迫而上升［9-10］。鹽脅迫在造成礦質(zhì)營養(yǎng)元素失衡的同時(shí)，必定會(huì)改變營養(yǎng)元素的利用效率［11］。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)提供了一種新的探究植物—土壤間相互作用與C、N、P循環(huán)的研究方法，利用植物的元素計(jì)量比特征反映出有機(jī)體對逆境的響應(yīng)和適應(yīng)能力［12］。例如在干旱生境下，平車前通過改變光合速率、蔗糖合成酶和硝酸還原酶活性等生理反應(yīng)，調(diào)節(jié)C、N、P代謝及循環(huán)，呈現(xiàn)出特定的C∶N∶P計(jì)量比特征［13］。榆樹在重度干旱脅迫下，葉片中C∶N相較對照上升，在輕度和中度水分脅迫下C∶N下降，而C∶P隨水分脅迫加劇而上升，即榆樹通過吸收葉片中營養(yǎng)元素X含量及調(diào)節(jié)C∶X來適應(yīng)干旱生境［14］。由于C∶X能夠反映出植物對營養(yǎng)元素的利用效率［15］，因此，分析植物對環(huán)境響應(yīng)的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征可為揭示植物響應(yīng)逆境的機(jī)制提供新思路［16］。此外，生物量是評價(jià)鹽分傷害的關(guān)鍵指標(biāo)，而光合特性表征植物的碳同化能力［17］。

目前關(guān)于鹽分脅迫對嫁接西瓜組合耐鹽性機(jī)理的研究多集中于抗氧化系統(tǒng)［18］、光合特性和葉綠體超微結(jié)構(gòu)［9］以及 Na+、K+含量與分布等方面［19］，基于鹽分脅迫對嫁接西瓜營養(yǎng)元素積累及利用效率的研究鮮見報(bào)道［20］，因此，探究嫁接西瓜組合的營養(yǎng)元素含量及其利用效率對鹽分脅迫的響應(yīng)，不僅能為鹽脅迫下植物營養(yǎng)元素含量的變化提供更多實(shí)證，而且能揭示嫁接西瓜組合對鹽脅迫的適應(yīng)機(jī)制。

基于N、P、K是植物生長發(fā)育過程中所必需的礦質(zhì)營養(yǎng)元素，本文選取2個(gè)自育抗枯萎病西瓜組合，以京欣二號(hào)為接穗，研究西瓜自根苗和嫁接苗的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征、光合特性和生物量對鹽分脅迫的響應(yīng)，以及西瓜嫁接組合的營養(yǎng)元素含量對鹽脅迫的響應(yīng)，為鹽脅迫下植物營養(yǎng)元素的變化提供實(shí)證;并為探明嫁接西瓜組合的耐鹽機(jī)理，獲得抗枯萎病的耐鹽組合提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

接穗為設(shè)施栽培常用西瓜品種京欣二號(hào)，由北京蔬菜研究中心育成。選取2份已鑒定的高抗枯萎病組合，為西瓜屬栽培種與野生材料配置的三交組合:(栽培種×野生種)×(野生種)，代碼為 BJ-6×893和 BJ-9×341。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年4—8月進(jìn)行，于穴盤中播種3個(gè)試驗(yàn)材料，待幼苗長到二葉一心期時(shí)，分別以BJ-6×893和BJ-9×341做砧木，嫁接京欣二號(hào)，以京欣二號(hào)自根苗為對照。待到幼苗長到四葉一心期時(shí)開始處理:對照(澆灌50%濃度的hoagland營養(yǎng)液)和鹽脅迫(澆灌含100 mmol·L-1NaCl的50%hoagland營養(yǎng)液)，3次重復(fù)，每份材料的總株數(shù)為90株。

1.3 測定指標(biāo)及方法

鹽脅迫處理14 d后采摘健康的功能葉，帶回實(shí)驗(yàn)室，于60℃烘至恒重，研磨后過80目篩，用于C、N、P、K含量的測定。全碳測定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)，全氮測定采用凱氏定氮法，全磷測定采用鉬銻抗比色法，全鉀測定采用火焰分光光度法。

選擇在晴天早晨9∶00～11∶30利用CIRAS-2型便攜式光合測定系統(tǒng)(PP-system，英國)同步測定功能葉片氣體交換參數(shù)，選用標(biāo)準(zhǔn)光源，光合有效輻射控制為1 500μmol·m-2·s-1，計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率(water use efficiency，WUE，mmol·mol-1)，WUE=Pn/Tr。每個(gè)處理3次重復(fù)，每次重復(fù)測定5株。

脅迫20 d后，每個(gè)處理取5株，在水中清洗根系，按照地上、地下兩部分分開裝袋。于105℃殺青30 min，80℃烘36 h至恒重，用于計(jì)算生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用IBM SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，Duncan多重比較法進(jìn)行參試材料間各指標(biāo)的差異顯著性分析，配對T檢驗(yàn)用于分析鹽脅迫對營養(yǎng)元素含量及其計(jì)量比特征、光合特性和生物量的影響;在Canoco 4.5中做冗余分析(RDA)。作圖在GraphPad Prism上實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對生物量的影響

嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的整株生物量和根冠比在對照和鹽脅迫處理下顯著大于自根苗京欣二號(hào)(圖1)。鹽脅迫使自根苗的整株生物量和根冠比分別顯著下降和上升，而嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的整株生物量和根冠比在處理間絕對值雖然有所下降和上升，但差異不顯著;3份材料整株生物量和根冠比的降幅和升幅分別為26.7%和14.9%(自根苗京欣二號(hào))、13.3%和11.9%［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］及13.2%和12.2%［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］。

2.2 凈光合速率和瞬時(shí)水分利用效率對鹽分脅迫的響應(yīng)

比較3份參試材料的凈光合速率，在對照和鹽脅迫處理下嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］顯著高于［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］和自根苗 (P＜0.05);鹽脅迫同時(shí)顯著降低3份材料的凈光合速率(圖2a)。3份材料的瞬時(shí)水分利用效率在對照處理下差異不顯著，鹽脅迫下表現(xiàn)為嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］＞［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］＞自根苗(P＜0.05);與對照相比，鹽脅迫顯著降低自根苗的水分利用效率，而顯著提高嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的水分利用效率，分別提高了33.5%和14.3%(圖2b)。

圖1 鹽脅迫對參試材料生物量及根冠比的影響Fig.1 Effects of salt stress on biomass and root∶shoot ratio among materials

2.3 C、N、P、K含量及其計(jì)量比特征對鹽脅迫的響應(yīng)

2.3.1 C、N、P和K含量對鹽脅迫的響應(yīng) 比較自根苗與嫁接苗間的特性，在對照和鹽脅迫條件下，嫁接苗和自根苗間C含量差異不顯著 (P＞0.05)，自根苗的N含量明顯高于嫁接苗(P＜0.05)(表1)。P含量在對照處理下，嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］與自根苗間差異不顯著，卻顯著大于嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］(P＜0.05)。自根苗和嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的K含量在對照條件下差異不顯著，但顯著高于嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］;鹽分脅迫下，K含量表現(xiàn)為自根苗＞嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］＞［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］。

比較對照與鹽脅迫處理發(fā)現(xiàn)，鹽分脅迫對3份材料的C含量影響不顯著(P＞0.05)，但顯著降低自根苗和嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的N(17.9%和22.5%)、P(11.7%和17.3%)含量，而嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的N、P含量受到鹽脅迫的抑制作用不顯著(表1)。對于3份材料葉片中的K含量而言，鹽脅迫顯著增加自根苗、嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］中的K含量 (P＜0.05)，增加量分別為44.7%、27.8%和56.6%(表1)。

圖2 鹽脅迫對參試材料凈光合速率和瞬時(shí)水分利用效率的影響Fig.2 Effects of salt stress on photosynthesis and instantaneous water use efficiency among materials

表1 鹽脅迫對參試材料C、N、P和K含量的影響/(mg·g-1)Table 1 Effects of salt stress on the concentration of C，N，P and K among materials

2.3.2 C∶N、C∶P和C∶K對鹽分脅迫的響應(yīng)

比較參試材料的礦質(zhì)元素計(jì)量比特征，NaCl處理下嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的C∶N顯著高于嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和自根苗 (P＜0.05)(圖3a)。C∶P在對照處理下表現(xiàn)為嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］＞［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］≥自根苗，在NaCl處理下嫁接苗的C∶P顯著高于自根苗(圖3b)。在對照和NaCl處理下，嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的C∶K分別比嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和自根苗顯著高71.5%、63.7% 和72.3%、55.8%(P＜0.05)(圖3c)。

鹽脅迫使嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的C∶N與C∶P顯著增大 (P＜0.05)，而對嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］影響不顯著。鹽脅迫顯著降低自根苗、嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的C∶K，降幅分別為48.2%、35.2%和59.4%。

2.4 生物量與葉片性狀間的關(guān)聯(lián)性

圖3 鹽脅迫對參試材料C∶N、C∶P和C∶K的影響Fig.3 Effects of salt stress on C ∶N，C ∶P and C∶K among materials

RDA分析表明自根苗單株生物量高時(shí)對應(yīng)著高的葉片N含量、C∶K、Pn、WUE和低的葉片K含量(圖4a)。即鹽脅迫阻礙了自根苗葉片N含量的累積，使Pn和葉片瞬時(shí)WUE下降，通過滲透調(diào)節(jié)(葉片K含量增加)減緩鹽脅迫的傷害。嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的單株生物量與葉片N、C∶K、Pn正相關(guān)，而與 K含量和WUE負(fù)相關(guān)(圖4b)。嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］則表現(xiàn)為單株生物量與P、C∶K、Pn正相關(guān)，與K含量和WUE負(fù)相關(guān)(圖4c)。

3 討論與結(jié)論

3.1 鹽脅迫對C、N、P、K含量的影響

圖4 基于RDA分析的生物量與葉片性狀關(guān)聯(lián)性Fig.4 The relationship between biomass and leaf traits based on redundancy analysis(RDA)

鹽脅迫對自根苗和嫁接苗葉片C含量的影響不顯著，但對照條件下C含量絕對值要高于鹽脅迫處理(表1)。由于鹽脅迫造成土壤中低的水勢使葉片水勢［21］和氣孔導(dǎo)度降低［22］，減少氣孔中 CO2的進(jìn)入，抑制光合作用，從而降低了碳固定，使生物量積累減少［23-24］。此外，植物需要消耗額外的能量去應(yīng)對鹽脅迫，從而導(dǎo)致代謝損耗的增加［25］。鹽脅迫顯著降低自根苗和嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的N、P含量;而嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的N、P含量受到鹽脅迫的抑制作用不顯著，但絕對值有所下降，表明嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的耐鹽性要強(qiáng)于其他兩份材料(表1)。可能是由于Cl-的富集減少了對N和P的吸收［26-27］，阻礙了N、P的代謝過程［28］。N、P為構(gòu)成葉綠體結(jié)構(gòu)中葉綠素、蛋白質(zhì)和片層膜的主要元素，對光合作用和葉綠體中各類酶的形成起關(guān)鍵作用［29］。因此，鹽脅迫阻礙了N、P代謝，使光合機(jī)構(gòu)發(fā)育受損，對光合作用的抑制效應(yīng)加劇，使西瓜材料的耐鹽性減弱［23］。

植物原生質(zhì)體持K+的能力已被認(rèn)為是植物抗鹽的重要標(biāo)志［24］。現(xiàn)有研究表明鹽脅迫對K含量的影響規(guī)律不一致:唐曉倩等［8］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫使側(cè)柏葉片K元素含量下降，而有些植物葉片中K含量隨鹽脅迫而上升［9-10］，嫁接柑橘葉片K含量則在低鹽脅迫下顯著提高，而在高鹽脅迫下有所下降［17］。本研究中，與對照相比100 mmol·L-1NaCl添加條件下自根苗和嫁接苗葉片中K含量顯著增加(表1)。西瓜材料通過增加K元素含量，調(diào)節(jié)滲透勢緩解鹽害［30-31］。如果鹽脅迫濃度繼續(xù)增大，可能會(huì)導(dǎo)致K含量的下降。因?yàn)镹a+與K+間存在競爭同一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合位的關(guān)系，高濃度的NaCl脅迫最終會(huì)使植物體內(nèi) K+含量下降［32］。

3.2 鹽脅迫對C∶N、C∶P和C∶K計(jì)量比的影響

植物組織中養(yǎng)分含量的差異反映出植物特征和生理機(jī)制的差異，植物的C∶N、C∶P和C∶K表征植物所吸收礦質(zhì)營養(yǎng)元素對碳的同化能力，不僅能夠反映出植物對營養(yǎng)元素N、P和K的利用效率，同時(shí)有效反映植物對逆境的適應(yīng)策略［15］。研究表明鹽脅迫造成礦質(zhì)營養(yǎng)元素失衡的同時(shí)，改變了對營養(yǎng)元素的利用效率［6］。本研究中，在鹽脅迫條件下，嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］顯著提高C∶N與C∶P，即提高對N和P的利用效率，而嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的C∶N與C∶P絕對值也是增大的(圖 3a，圖 3b)。這與 Vitousek 等［15］的研究結(jié)果一致，營養(yǎng)資源匱乏的生境中，植物體內(nèi)的C∶X(營養(yǎng)元素)增大，植物會(huì)提高對營養(yǎng)元素X的利用效率。對于西瓜材料，Cl-的富集減少了對N和P的吸收［28］。為了使N、P含量滿足其自身代謝的需求，西瓜嫁接材料利用保守型的策略，顯著提高對N、P的利用效率。對于K的利用效率，3份材料均表現(xiàn)為在鹽脅迫條件下有所下降(圖3c)。鹽脅迫使3份西瓜材料K含量顯著上升，由于在資源充裕的狀況下，植物通常會(huì)呈現(xiàn)低的C∶X，采取奢侈的利用策略，對充裕資源的利用效率降低［33］，故而呈現(xiàn)出3份西瓜材料C∶K降低，即對K采取奢侈利用的策略。

3.3 嫁接組合耐鹽性比較

生物量是衡量鹽分傷害的關(guān)鍵指標(biāo)，而光合特性表征植物的碳同化能力。在對照與鹽脅迫條件下，2份嫁接材料較自根苗具有高的生物量和Pn(圖2)，其中嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的整株生物量和Pn值要大于嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］，即嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的耐鹽性要強(qiáng)于［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］。由于砧木材料龐大的根系系統(tǒng)受鹽脅迫的傷害較小，生長勢更強(qiáng)［34］，表現(xiàn)出高的凈光合速率和生物量［18］。本研究中根冠比的變化也證實(shí)了這種推測(圖1b)。基于RDA的分析表明，鹽脅迫阻礙了西瓜材料對葉片N、P含量的積累，使Pn降低;通過增加自根苗的葉片K含量來減緩鹽脅迫傷害，而嫁接苗通過增加對K的積累和提高WUE兩條途徑來應(yīng)對鹽脅迫。這與其他研究結(jié)果一致，植物通過增加對K+的吸收調(diào)節(jié)滲透勢和WUE來應(yīng)對鹽脅迫［30-31，35］。關(guān)于鹽脅迫使瞬時(shí)WUE提高，可能是由于氣孔導(dǎo)度的下降使氣孔阻力增加，蒸騰速率的降幅相較于凈光合速率的降幅要大，故而使WUE增大［12］。雖然2份嫁接苗均采取了增加葉片K含量積累和提高WUE來應(yīng)對鹽脅迫，但是嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的WUE對鹽脅迫響應(yīng)的增幅比［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］高19.2%(圖2b)，這也可能是嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］耐鹽性強(qiáng)于［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的原因之一。當(dāng)然，嫁接苗利用WUE提高應(yīng)對鹽脅迫的策略不是無限的。因?yàn)殡S著NaCl溶液濃度的增大，植株葉片的膨壓逐漸下降，葉片含水量繼續(xù)降低，光合能力持續(xù)減弱，從而導(dǎo)致WUE的降低［35］。

綜上所述，嫁接苗較自根苗在生物量積累、根冠比、凈光合速率、瞬時(shí)WUE和N、P、K利用效率方面占優(yōu)勢。鹽脅迫顯著提高了3份材料的葉片K含量，降低了整株生物量、凈光合速率、N、P含量和C∶K。基于RDA分析獲得3份材料的耐鹽性機(jī)理:自根苗主要通過調(diào)節(jié)葉片K含量來緩解鹽分脅迫，嫁接苗則通過提高葉片K含量和WUE來增強(qiáng)耐鹽性。其中嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的耐鹽性強(qiáng)于［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］，與其相對高的WUE相關(guān)。