混合鹽堿脅迫對柳樹幼苗生理指標的影響1)

李子英 李佳迪 劉鐸 叢日春

(中國林業科學研究院荒漠化研究所，北京，100091) (中國農業科學院農田灌溉研究所) (中國林業科學研究院荒漠化研究所)

土壤鹽堿化是導致生態環境惡化，限制農業發展的重要因素[1]，我國的鹽堿土分布廣泛，總面積約3 600萬hm2，是重要的土地資源之一，具有廣闊的治理與應用前景[2-3]，在東北、華北、華東、西北四大區域皆有分布[4-5]，在一些地區，鹽化與堿化往往同時發生，如東北松嫩平原鹽堿地中，以Na2CO3和NaHCO3為主，同時又伴有NaCl和Na2SO4危害[6-7]，對植物的影響遠高于單一鹽堿的脅迫[8]。因此，對于混合鹽堿脅迫下的植物生理響應的研究具有現實意義，更能真實反應植物耐鹽堿機制。

柳樹在我國廣泛分布，種類繁多，耐水濕，抗逆性強，作為我國重要的闊葉樹種，具有較高的生態和經濟價值[9]。近年來，對于柳樹耐鹽堿的研究逐漸增多，但是多集中于單一鹽或堿脅迫的研究[10-11]，對于混合鹽堿脅迫下柳樹光合色素及抗氧化酶等方面的研究較少。本研究以耐鹽柳樹新品系鹽柳1號為研究材料，以不同比例混合的NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3模擬出12種不同濃度和組成的鹽堿情況，對鹽柳1號幼苗的葉片含水量、光合色素含量及抗氧化酶活性進行測定，為柳樹耐鹽堿的生理機制的深入研究及耐鹽堿品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料培養

試驗材料于中國林業科學研究院科研溫室中進行培養，選取粗細一致、健壯的鹽柳1號插條定植于裝有栽培基質(洗凈的河沙混合少量珍珠巖)的花盆中，每盆1株，定期澆灌1/2霍格蘭營養液進行培養，待幼苗培養45 d左右，選取長勢良好、大小相同的鹽柳1號幼苗進行脅迫處理[12-13]。

1.2 模擬鹽堿設計

將NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3按不同比例混合以模擬混合鹽堿脅迫。混合鹽堿脅迫分為3組，每組設置50、100、150、200 mmol/L 4個濃度梯度。A組各中性鹽與堿性鹽的物質的量比為n(NaCl)∶n(Na2SO4)∶n(NaHCO3)∶n(Na2CO3)=1∶2∶1∶0，pH值分別為7.91、8.01、8.09、8.16；B組各中性鹽與堿性鹽的物質的量比為n(NaCl)∶n(Na2SO4)∶n(NaHCO3)∶n(Na2CO3)=1∶9∶9∶1，pH值分別為8.47、8.62、8.71、8.84；C組各中性鹽與堿性鹽的物質的量比為n(NaCl)∶n(Na2SO4)∶n(NaHCO3)∶n(Na2CO3)=1∶1∶1∶1，pH值分別為9.33、9.47、9.51、9.56。

1.3 混合鹽堿脅迫處理

將選取的鹽柳1號幼苗隨機分為13組，每組3次生物學重復。其中，一組作為對照，澆灌1/2霍格蘭營養液，其余12組按照A1-A4、B1-B4、C1-C4的順序進行編號，每隔3 d澆灌100 mL上述相對應的混合鹽堿溶液進行脅迫處理，脅迫處理14 d。然后采集對照和各處理組幼苗相同部位的功能葉片，帶回實驗室進行各指標的測定。

1.4 指標測定及數據處理

采用烘干法測定鹽柳1號幼苗的葉片含水量；使用直接浸提法[14]提取鹽柳1號幼苗的葉片葉綠素，然后用紫外分光光度計測定葉綠素含量；分別采用愈創木酚法、過氧化氫還原法[15]、氮藍四唑法[16]測定鹽柳1號幼苗的葉片過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性及超氧化物歧化酶(SOD)活性。所測得的數據使用Excel 2016、SPSS 19.0進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗葉片含水量的影響

鹽柳1號幼苗的葉片含水量隨著鹽濃度的增大表現出降低的趨勢，且堿性鹽比例越大的組合降幅越大。A處理組的葉片含水量在鹽濃度100 mmol/L時有最小值，與對照相比降低了6.62%；B、C處理組的葉片含水量在鹽濃度200 mmol/L時降至最低，與對照相比分別顯著降低了48.40%和73.03%(P<0.05)。鹽濃度為50 mmol/L時，隨著pH值的增大，葉片含水量無顯著變化，此時各混合鹽堿脅迫組合對葉片含水量的影響較小；在鹽濃度100 mmol/L、150 mmol/L時，隨著pH值的增大，C處理組的葉片含水量相對于A、B處理組顯著下降；在鹽濃度200 mmol/L時，A、B、C處理組的葉片含水量均表現出顯著差異(P<0.05)，下降趨勢隨鹽濃度的增大而加劇，在pH值為9.56時降至最低，此時葉片含水量僅為21.13%(表1)。

表1 不同濃度鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗葉片含水量的影響

2.2 鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗葉片光合色素含量的影響

A處理組鹽柳1號幼苗的葉片葉綠素a和葉綠素b質量分數均未有顯著變化(P>0.05)，呈先降低后升高又降低的趨勢；B處理組的葉綠素a和葉綠素b質量分數在200 mmol/L時均降至最低，葉綠素a質量分數相對于對照顯著降低了19.14%(P<0.05)，葉綠素b質量分數相較于對照變化不顯著(P>0.05)；C處理組的葉綠素a和葉綠素b質量分數隨鹽濃度的增大上升，但未表現出顯著差異(P>0.05)。在低鹽濃度條件下(50、100 mmol/L)，隨著pH值的增高，葉綠素a和葉綠素b質量分數變化不明顯，相對于對照略有上升；在高鹽濃度條件下(150、200 mmol/L)，隨著pH值的增高，葉綠素a質量分數顯著降低(P<0.05)，葉綠素b質量分數仍未有明顯變化(p>0.05)，說明混合鹽堿脅迫對葉綠素b質量分數的影響小于葉綠素a(表2、表3)。

表2 不同濃度鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗葉片葉綠素a質量分數的影響

2.3 鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗抗氧化酶活性的影響

2.3.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性的變化

A、B處理組的鹽柳1號幼苗的葉片SOD活性隨著鹽濃度的增大呈現出先升高后降低的趨勢，在鹽濃度150 mmol/L時升至最高，分別相對于對照顯著增加了110.72%、123.78%(P<0.05)，隨后下降；C處理組的葉片SOD活性呈升高的趨勢，在鹽濃度100 mmol/L時達到最大值，相對于對照顯著增加了130.62%(P<0.05)。在鹽濃度50、100 mmol/L的脅迫條件下，隨著pH值的增高，鹽柳1號幼苗的葉片SOD活性不斷增加；在150 mmol/L鹽濃度條件下，B處理組的葉片SOD活性仍大于A處理組，說明在鹽濃度低于150 mmol/L，pH值<9.51范圍內，鹽柳1號幼苗能表現出較好的適應性；在鹽濃度200 mmol/L時，鹽柳1號幼苗的葉片SOD活性不斷降低(表4)。

表3 不同濃度鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗葉片葉綠素b質量分數的影響

表4 不同濃度鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗葉片SOD活性的影響

2.3.2 過氧化物酶(POD)活性的變化

同葉片SOD活性的變化趨勢類似，A、B處理組的鹽柳1號幼苗的葉片POD活性隨著鹽濃度的增大呈現出先升高后降低的趨勢，在鹽濃度150 mmol/L時升至最高，分別相對于對照增加或顯著增加了31.31%、71.73%(P<0.05)，隨后下降；C處理組的葉片POD活性呈升高的趨勢，在鹽濃度100 mmol/L時達到最大值，相對于對照顯著增加了22.16%(P<0.05)。在低鹽濃度條件下(50、100 mmol/L)，隨著pH值的增高，鹽柳1號幼苗的葉片POD活性變化不明顯；在鹽濃度150、200 mmol/L時，鹽柳1號幼苗的葉片POD活性升高(表5)。

表5 不同濃度鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗葉片POD活性的影響

2.3.3 過氧化氫酶(CAT)活性的變化

A、B處理組的鹽柳1號幼苗的葉片CAT活性隨著鹽濃度的增大呈現出先升高后降低的趨勢，A、B處理組的葉片CAT活性分別在150、100 mmol/L時達到最高，分別相對于對照顯著增加了110.61%和75.84%(P<0.05)；C處理組的葉片CAT活性不斷升高，在鹽濃度100 mmol/L時急劇增高，相對于對照顯著增加了142.62%(P<0.05)。鹽濃度100 mmol/L以下的混合鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗的葉片CAT活性有一定的促進作用，而在鹽濃度150 mmol/L、200 mmol/L脅迫條件下，葉片CAT活性隨著pH值的增大而降低(表6)，說明隨著鹽濃度的增大，鹽柳1號對pH值的耐受性下降。

表6 不同濃度鹽堿脅迫對鹽柳1號幼苗CAT活性的影響

3 結論與討論

相對含水量是反應鹽脅迫下植物水分狀況的指標[17]。在混合鹽堿脅迫下，油用向日葵[18]地上部分含水量和堿地膚[19]葉片含水量均隨著鹽濃度的增大和pH值的升高表現出降低的趨勢。本研究中，在50 mmol/L時A、B、C 3組以及在100、150 mmol/L時A、B兩組鹽柳1號幼苗的葉片含水量未出現顯著下降，說明鹽柳1號在低鹽濃度和低pH值下，仍能保持較高的相對含水量以維持各項生命活動。隨著pH值的增高以及鹽濃度的增大，葉片含水量下降趨勢明顯加劇。由此可見，鹽濃度和pH值的協同作用對鹽柳1號葉片含水量的影響大于鹽濃度和pH值的單獨作用。

光合色素是植物利用光能的主要載體，是進行光合作用的物質基礎，在植物光合作用中發揮著重要的作用[20]。本研究中，在鹽濃度和堿性鹽含量較低時，鹽柳1號幼苗的葉片葉綠素a、葉綠素b質量分數變化不大，大致呈升高趨勢，而隨著堿性鹽含量和鹽濃度的增大，混合鹽堿脅迫對葉綠素a合成影響增大，表現出下降的趨勢，葉綠素b質量分數的變化小于葉綠素a。除B處理組的鹽柳1號幼苗的葉片葉綠素a質量分數在鹽濃度高于150 mmol/L時顯著下降，其他處理組的葉綠素a、葉綠素b質量分數均無顯著變化。郭金博[21]等在對混合鹽堿脅迫下‘中山杉406’葉綠素含量的研究中也曾得出類似的結論，鹽堿混合脅迫并未對‘中山杉406’的葉綠素a和葉綠素b 2種光合色素的含量造成顯著影響。同樣，在對耐鹽植物鹽地堿蓬[22]和耐鹽棉花品種[23]的研究中，其在高鹽脅迫下葉綠素含量也未發生明顯變化，這在一定程度上體現了鹽柳1號的耐鹽堿能力，保護葉片中的光合色素不被降解。

鹽堿脅迫下，植物體內的活性氧代謝平衡被破壞，植物體內SOD、POD、CAT等保護酶類的活性大幅升高清除細胞內過量的活性氧，維持活性氧的代謝平衡，在一定程度上減緩鹽堿脅迫對植物的傷害，保護膜結構，當超過植物抗氧化酶系統的清除能力時，致使活性氧大量積累，抗氧化酶活性下降[24]。本研究中，在鹽濃度小于150 mmol/L，pH值低于9.51的混合鹽堿脅迫下，隨著鹽濃度的增高，各處理組的葉片SOD、POD、CAT活性都增強或顯著增強。說明鹽柳1號幼苗體內的抗氧化酶系統的活性不斷提高，有效的清除了多余的活性氧，對鹽柳1號的膜系統起到了一定的保護作用。這與前人在芍藥[25]、巨菌草[26]等植物的研究結果一致。而超過這一限度后，在高鹽堿濃度下，幼苗體內的活性氧平衡被破壞，抗氧化酶活性下降，膜脂過氧化程度加重，細胞膜受到傷害。