CO2濃度倍增和土壤鹽脅迫對藜麥生理特征及產量的影響

楊愛崢，李志磊，付 強※，李全峰，賀昕瑤

（1. 東北農業大學水利與土木工程學院，哈爾濱 150030；2. 東北農業大學公共管理與法學院，哈爾濱 150030）

0 引 言

隨著人類社會經濟發展和能源消費的增加，導致溫室氣體在大氣層中不斷積累，據政府間氣候變化專業委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）統計，二氧化碳（CO2）在大氣層中的體積濃度已由工業革命前的310μmol/mol，增加到目前的400μmol/mol，預估21世紀末將達到近800μmol/mol[1-2]。溫室效應也隨之增強，造成全球氣候變暖，影響大氣環流，繼而改變全球的雨量分布，導致區域性干旱甚至土壤退化和鹽堿化[3]。土壤鹽堿化對植物造成生理干旱、離子毒害和破壞正常代謝等方面的危害，抑制大多數植物的生長，造成生態系統穩定性和農業綜合生產力面臨巨大壓力[4]。因此，在全球大氣CO2濃度不斷升高，土壤鹽堿化日趨嚴重的背景下，針對耐鹽植物對鹽脅迫的生理響應及耐鹽調控機制展開研究，就顯得十分迫切和重要。

土壤中鹽分過高造成土壤滲透勢降低，植物細胞滲透勢增高，使植物吸收水分和養分困難，嚴重時導致細胞組織水分外滲[5]。為了減少水分流失，防止脫水，植物關閉氣孔，從而降低氣孔導度。這將直接導致植物凈光合速率的降低，進而減少CO2的固定量，最終導致葉片衰老[6]。此外，在鹽脅迫下，脫落酸（Abscisic Acid，ABA）作為主要的植物生長調節劑起著重要的化學信號傳遞作用。一方面，根、莖的木質部汁液pH值升高，根系ABA含量迅速增加，通過木質部汁液傳遞到葉片。葉片保衛細胞中不斷積累的ABA通過調節壓力勢和氣孔關閉，抑制水分蒸發[7]。另一方面，ABA的信號轉導涉及了活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的生成，大量活性氧急劇增加引起蛋白質、DNA和細胞膜脂的氧化傷害，并最終影響細胞功能和破壞細胞結構[8]。同時，鹽堿土壤中大量的Na+和Cl-對植物造成離子毒害作用，引起植物養分不平衡和生理代謝紊亂。高濃度的Na+嚴重阻礙K+的吸收，擾亂植物體內K+/Na+平衡[9]。此外，高濃度的Cl-抑制植物對NO3-的吸收，從而降低植物體內的氮含量[10]。綜上所述，大氣中CO2濃度升高引起植物在形態結構和生理上都發生相應的變化，理論上而言，植物凈光合速率會顯著提升，并伴隨著氣孔導度和蒸騰速率的降低[11]。但是根據植物光合作用、生長速率和水肥利用效率以及其他特征的差異，不同植物對CO2濃度升高的響應也不同[12]。柴偉玲等[13]研究發現CO2濃度升高能顯著提高飛機草總生物量和凈光合速率。Perez-Lopez等[14]研究發現，CO2濃度倍增能有效降低植株蒸騰速率、提高植株水勢，進而提高植物抗旱性。鄭云普等[11]研究表明，不同作物水分利用效率對升高CO2濃度的響應存在明顯差異，但大豆等作物在CO2濃度倍增條件下凈光合速率沒有顯著提升。Merilo等[15]發現高濃度CO2誘導植物葉片氣孔關閉，造成葉片氣孔導度與蒸騰速率顯著下降。Zhuang等[16]的研究結果表明CO2濃度升高能改變鹽脅迫下植物葉片和根的代謝情況，增加K+吸收，抑制Na+吸收，提高植物耐鹽性。然而，迄今為止針對CO2濃度變化對耐鹽植物鹽脅迫下生長、生理特性的反饋機制研究較少，有必要進行深入的研究。

藜麥是1年生藜科雙子葉植物，原產于南美安第斯山脈[17-18]。藜麥是無麩質谷物，富含人體所需的必需氨基酸、礦物質、多不飽和脂肪酸和碳水化合物，其營養和食用價值超過很多谷物，被國際營養學家們稱為“營養黃金”[19]。藜麥的營養和經濟價值受到世界范圍內的關注，越來越多的國家開始種植藜麥，聯合國糧農組織（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）推薦藜麥為解決世界糧食安全問題最具潛力的農作物[20]。作為耐鹽植物，藜麥對鹽脅迫的適應能力很強，甚至可以在土壤溶質濃度高達400 mmol/L（相當于海水的濃度）的條件下正常生長。中國于20世紀90年代初就已經引進種植藜麥，但仍對其缺乏深入系統的研究。本研究探討了鹽脅迫下藜麥關鍵生理參數對CO2濃度倍增的響應，對于科學應對土壤環境變化，提高保障糧食安全能力具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

人工氣候室CO2濃度設定分別為400μmol/mol（CO2常規組）和800μmol/mol（CO2倍增組）。前者模擬目前狀況，后者模擬21世紀末狀況。

土壤鹽脅迫設計2個處理：NaCl濃度為0和400 mmol/L，前者模擬無鹽分脅迫狀況，后者模擬藜麥能忍耐的強鹽分脅迫狀況（藜麥耐鹽閾值，相當于海水的濃度）。

試驗于2018年4—9月在東北農業大學大學水利與土木工程學院人工氣候室進行。播種前對藜麥（Chenopodium quinoaWilld.，TiTiCaCa）進行表面消毒，然后放入育苗盆中，每穴5粒種子。四周后將藜麥幼苗移植到花盆中（盆直徑20 cm、高25 cm），栽培基質為營養土。移植1周后定苗，每盆保留1株藜麥幼苗。隨即將花盆分別放入2間人工氣候室，其中1間人工氣候室CO2濃度為400μmol/mol，另一間人工氣候室CO2濃度為800μmol/mol。

每間人工氣候室內，放置12盆，其中6盆為對照組，即無鹽分脅迫，NaCl濃度為0，另6盆為鹽分脅迫組，土壤NaCl濃度為400 mmol/L。

對于鹽脅迫組，當藜麥幼苗長出第5片葉子時（34 d），每天澆NaCl溶液50 mL，濃度每次增加80 mmol/L直至達到設定的400 mmol/L濃度，此后每7 d 分別澆400 mmol/L NaCl溶液1 次（48、55和62 d）。對于對照組，在鹽脅迫組澆NaCl時，對照組澆NaCl濃度為0的自來水。

人工氣候室的溫度白天25 ℃、夜晚18 ℃、光照強度560～680μmol/(m2·s)、光照周期為08:00—20:00、相對濕度40%±5%。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 葉片生理指標測定

測定指標取樣方法相同：初始采樣時間為定苗后1周，即播種后42 d，此后分別在拔節期（49 d）取樣1次，花期（56、63 d）取樣1次，試驗期間共取樣4次，每次組內隨機選擇4盆植株取樣。

在取樣當日10:00—13:00，選取藜麥植株自上而下第3片完全展開的成熟葉片，利用Li-6400 便攜式光合測定系統（LI-COR Inc. Lincoln，Nebraska，USA）測定植物葉片的光合速率和氣孔導度，測定前使藜麥葉片處于飽和的光合光量子通量密度（1200μmol/(m2·s)），葉室氣溫25 ℃，葉室CO2濃度為相應氣候室CO2濃度。基于光合速率和氣孔導度計算內稟水分利用效率為

式中iWUE為內稟水分利用效率，μmol/mol；Pn為葉片光合速率，μmol/(m2·s)；Gs為葉片氣孔導度，mmol/(m2·s)。選取藜麥植株自上而下第3片完全展開的成熟葉片，采用植物水分儀（3000 Series Plant Water Status Consoles，Soil Moisture Equipment Corp.，Santa Barbara，CA，USA）測定葉片水勢。然后，將取下的葉片用鋁箔紙包好放入液氮中，儲存在-80℃冰箱中，待進一步測定葉片滲透勢和離子含量。將葉片取出解凍15 min后，用植物壓汁器直接壓榨藜麥葉片汁液到濾紙片上，然后再將濾紙片放到C-52植物滲透壓儀（C-52 sample chambers，Wescor Inc.，Logan，UT，USA）中用來測定葉片滲透勢，并計算壓力勢。

式中Ψp為植物壓力勢，MPa；Ψπ為葉片滲透勢，MPa；Ψl為葉片水勢，MPa。

取出冷凍的葉片，采用離子色譜法測定葉片中Na+、K+濃度[21]。

1.2.2 產量及其構成因素測定

作物成熟后，測量每盆藜麥植株的株高，同時測其單株百粒質量，最后考種測產量。另外，將每盆植株莖和根在85 ℃下烘干測定干物質量。

1.3 數據統計與分析

采用R version 3.6.3（R Development Core Team，2012）分別進行方差分析和主成分分析，其中方差分析為多因素方差（Multi-way ANOVA），顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 CO2濃度倍增和土壤鹽脅迫對藜麥葉片光合參數的影響

多因素方差分析結果顯示，播種后天數、鹽脅迫和CO2濃度對葉片Pn、Gs和iWUE均產生顯著影響，其中3個因素對Pn產生顯著交互作用（表1）。如圖1所示，在對照和鹽脅迫組中葉片Pn和Gs均隨藜麥生長而持續提高，但葉片Pn和Gs增加幅度逐步降低，且這種趨勢在CO2濃度為400μmol/mol（常規組）時更加明顯。此外，與常規組相比，CO2濃度倍增處理顯著提高藜麥葉片Pn，降低葉片Gs。特別是在鹽脅迫組中，CO2濃度倍增組葉片Pn比常規組分別高30%（42 d）、22.9%（49 d）、31.6%（56 d）和39.4%（63 d），可見，Pn增加幅度呈現先增加后減少再增加的趨勢，但CO2濃度倍增組各取樣階段葉片Pn絕對增加量逐漸降低；與此同時，在鹽脅迫組中，與CO2濃度常規組相比，CO2濃度倍增組葉片Gs分別降低27.2%、18.3%、13.2%和11.5%，表現出降低幅度減少趨勢。值得注意的是，播種后天數和CO2濃度對藜麥葉片Gs和iWUE均未產生交互作用。此外，鹽脅迫顯著增加葉片iWUE。特別是鹽脅迫下CO2濃度倍增組在播后42 d iWUE較CO2濃度常規組顯著提高59%，達到0.26μmol/mol，此后CO2濃度倍增組iWUE趨于穩定，維持在0.3μmol/mol左右。

表1 不同CO2濃度下不同鹽脅迫處理藜麥葉片各指標多因素方差分析結果Table 1 Output of multi-way ANOVA for indices of quinoa leaves under treatments of CO2 concentration and salt stress

2.2 CO2濃度倍增和土壤鹽脅迫對藜麥葉片Na+、K+濃度的影響

由表1可知，播種后天數、鹽脅迫和CO2濃度均顯著影響葉片Na+且產生顯著交互作用。在對照組和鹽脅迫組中，隨著藜麥生長，CO2濃度常規組與倍增組葉片Na+、K+濃度均顯著提高，但差異逐漸縮小（圖2）。此外，在無鹽脅迫（對照組）中，同一播種后天數CO2濃度對葉片Na+、K+濃度影響不顯著。但在鹽脅迫組中，CO2濃度對同一播種后天數葉片Na+、K+濃度影響顯著并且差異逐漸增大。鹽脅迫下，相對于CO2濃度常規組，CO2濃度倍增組在63 d葉片Na+濃度降低42%，相反，在63 d時CO2濃度倍增組葉片K+濃度比常規組高26%。此外，在鹽脅迫組中，CO2濃度倍增組葉片K+-Na+比隨著植株生長顯著增加，最高提升K+-Na+比達80%。

2.3 CO2濃度倍增和土壤鹽脅迫對藜麥葉片水分運動的影響

播種后天數、鹽脅迫和CO2濃度對葉片Ψl和Ψπ影響顯著且均產生顯著交互作用（表1）。在對照組和鹽脅迫組中，不同CO2濃度處理的葉片Ψl和Ψπ均隨藜麥生長呈現上升趨勢（圖3）。在對照組中，CO2濃度對同一播種后天數葉片Ψl和Ψπ影響均不顯著。但在鹽脅迫組中，與CO2濃度常規組相比，CO2濃度倍增組在49 d后葉片Ψl和Ψπ顯著降低，在63 d降幅分別為39%和36%。此外，CO2濃度倍增提高葉片Ψp（對照組49和63 d，鹽脅迫組49 d及以后），而鹽脅迫顯著降低葉片Ψp，隨著藜麥生長，在對照組中葉片Ψp逐漸增加，而在鹽脅迫組中葉片Ψp逐漸降低。在鹽脅迫組中，CO2濃度常規組與倍增組葉片Ψp最大差值出現在56 d ，差值達到0.034 MPa。

2.4 CO2濃度倍增和土壤鹽脅迫對藜麥生長參數的影響

如表2所示，CO2濃度和鹽脅迫對藜麥生長參數均產生顯著影響，其中鹽脅迫顯著降低各生長參數，而CO2濃度顯著提升各生長參數。在鹽脅迫組中，相對于CO2濃度常規組，CO2濃度倍增條件下，藜麥株高、莖干物質量、根干物質量、百粒質量、產量分別提高8%、20%、82%、19%和34%。值得注意的是，CO2濃度倍增顯著增加藜麥根莖干物質量比，提升幅度達5%。

表2 不同CO2濃度和鹽脅迫處理下藜麥生長參數Table 2 Growth parameters of quinoa under different treatments of CO2 concentration and salt stress

2.5 不同CO2濃度和土壤鹽脅迫處理主成分分析

如圖4所示，通過主成分分析（Principal component analysis，PCA）將藜麥各取樣階段不同CO2濃度處理的多個指標進行綜合性分析，主成分1和主成分2累計貢獻率達到92.7%，具有代表性。相同散點各自聚集成團分散排布，說明藜麥各取樣階段不同CO2濃度處理差異顯著。藜麥iWUE向量與Ψl、Ψπ、Pn和K+濃度向量均成銳角，因此，藜麥iWUE與這4個指標成正相關，與其他指標成負相關。

3 討 論

葉片氣孔是植物與外界環境進行水氣交換的重要通道。大量研究表明，鹽脅迫和CO2濃度升高都會使氣孔開度迅速縮小，甚至造成氣孔密度降低，導致葉片Gs下降、水分蒸騰變弱、植物失水減少、水分利用效率和干物質的積累增加[22]。此外，高CO2濃度不僅使Rubisco羧化反應速率升高，而且促進細胞分裂素等重要植物激素的合成，從而顯著提高植物的光合速率[23-24]。然而，長期處于高CO2濃度環境植物光合速率增幅會逐漸縮小，甚至低于正常大氣CO2濃度水平，即“光合適應現象”[25]。以往對此現象的研究多基于CO2濃度單一因素的影響，并且對其發生機理尚未達成共識。本研究發現，在鹽脅迫條件下，雖然CO2濃度倍增使藜麥Pn顯著提高、Gs顯著降低，但隨著藜麥生長，不僅藜麥葉片中Na+濃度增加（圖2a），Ψπ降低（圖3b），而且藜麥Pn和Gs波動幅度逐漸減小（圖1a，1b），同樣產生光合適應現象。這可能是由于CO2濃度倍增不僅提高促進植株生長的激素生長素和細胞分裂素的合成，而且降低抑制植株生長的激素ABA和乙烯含量，這樣極大緩解了鹽脅迫下植株產生大量ABA和乙烯對其早期生長的抑制作用[24,26]。此外，隨著植株的生長，CO2濃度倍增顯著促進根系發育，大幅提高植株根莖干物質量比，有助于植株吸收更多水分和養分的同時，也導致了Na+積累和Ψπ降低，對植株生長起到一定的抑制作用[12]。在植物激素水平、離子含量以及水勢調節的動態平衡過程中引起的光合適應現象。大量研究證實，高CO2濃度不僅抑制氣孔發育而且誘導氣孔關閉，因此植物蒸騰失水量減少，水分利用效率顯著增加。本試驗結果表明，在Pn和Gs共同作用下，鹽脅迫下在藜麥生長關鍵的49～63 d期間，與常規組相比，CO2倍增組葉片iWUE都維持較高水平，促進藜麥干物質積累，顯著提高了藜麥產量。此外，高CO2濃度可以上調抗氧化酶基因表達，提高抗氧化酶的活性，清除藜麥體內產生的自由基，抑制ROS的積累，提高藜麥耐鹽性，促進藜麥生長[27]。

鹽脅迫導致植物細胞嚴重脫水，因此細胞內離子平衡被打破，造成植物水勢和滲透勢不斷降低，大量Na+積累，導致K+-Na+比值不斷降低，嚴重影響植物生長[28]。本研究結果顯示，CO2濃度倍增處理中藜麥表現出明顯的吸K+排Na+的現象。結合以往研究結果分析，這種現象一方面是由于高CO2濃度顯著降低藜麥葉片中乙烯前體ACC合成酶含量，導致由乙烯誘導合成的Na+轉運蛋白減少，進而減少藜麥葉片中Na+積累量，增加K+-Na+的調控能力[26]。另一方面，高CO2濃度可以促進甘氨酸甜菜堿的合成，從而增強鹽脅迫下藜麥根系對Na+和K+的選擇吸收能力，維持適當的K+-Na+比，促進質膜的主動排Na+，顯著降低葉片中Na+的積累，緩解Na+的毒害作用[29]。同時，高CO2濃度促進根系發育、提升根系吸水能力，緩解葉片細胞脫水情況，有效調節植物Ψl和Ψπ，降低細胞內Na+濃度，維持細胞內離子平衡。

在鹽脅迫條件下，植物需要不斷降低水勢才能吸收水分，以維持植物體內水分平衡和正常生理代謝，在水勢和滲透勢協同作用下細胞壓力勢逐漸降低，然而，壓力勢降低造成細胞的原生質體對細胞壁的作用力減弱，直接導致植物萎蔫甚至枯萎[30]。本研究表明，CO2濃度倍增能有效地調節鹽脅迫下藜麥水分運動，提升藜麥滲透調節能力。一方面是由于高CO2濃度處理顯著降低藜麥葉片Na+含量，而葉片Na+含量與Ψl、Ψπ和Ψp，呈顯著負相關的關系（圖4），因此鹽脅迫下藜麥缺水狀況得到緩解，不需要進一步降低Ψl加強對水分的吸收，同時，Ψp升高能穩定葉片細胞形態，保證其正常的生理功能。另一方面，高CO2濃度條件下藜麥根系發育和吸水速率顯著增加，進而提高葉片相對含水率，從而促進藜麥滲透調節，提高葉片細胞保水和維持Ψp的能力。

4 結 論

本研究通過人工氣候室精準控制CO2濃度，在2個CO2濃度（常規組：400 μmol/mol和倍增組：800 μmol/mol）條件下，探討在400 mmol/L NaCl鹽脅迫下，CO2濃度對耐鹽作物藜麥光合、離子吸收和水分運動的影響，得到如下結論：

1）在常規組和鹽脅迫組中，CO2濃度對藜麥葉片光合速率、氣孔導度和內稟水分利用效率均產生顯著影響。在鹽脅迫處理下，CO2濃度倍增顯著提升藜麥光合速率最高可達39.4%，降低氣孔導度最高達11.5%。但隨著藜麥生長，葉片Pn和Gs波動幅度逐漸減小，產生“光和適應現象”。同時，CO2濃度倍增處理顯著提高葉片內稟水分利用效率和藜麥產量。

2）在常規組中，CO2濃度對藜麥葉片Na+含量、K+含量和K+-Na+比的影響均不顯著。在鹽脅迫組中， CO2濃度倍增顯著降低藜麥葉片Na+含量（49～63 d），增加葉片K+含量（56～63 d），表現出明顯的吸K+排Na+的現象，并維持較高的K+/Na+比。

3）在常規組中，CO2濃度對藜麥葉片水勢、滲透勢和壓力勢影響均不顯著。在鹽脅迫組中，CO2濃度倍增能激發藜麥葉片滲透調節能力，有效調控葉片水分運動，降低葉片滲透勢和水勢（49～63 d），提高壓力勢，緩解藜麥葉片細胞水分虧缺，維持細胞正常的生理功能。

綜上，本研究結果表明CO2濃度升高有效緩解鹽脅迫對藜麥生長造成的不利影響。