細穗檉柳對3種單鹽脅迫的生理響應

李星, 胡楊, 馬媛, 賈守義, 李鋼鐵*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院， 呼和浩特 010010；2.中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心， 內(nèi)蒙古 磴口 015200；3.巴彥淖爾市林業(yè)研究所， 內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

土壤鹽漬化已成為全球性的環(huán)境問題和限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的主要因素之一[1]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全世界范圍內(nèi)約有10億 hm2的土地受到鹽堿化危害[2]，預計到2050年全球耕地面積的50%以上將會被鹽漬化[3]。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織的第2次全國普查資料報道，中國的鹽漬土總面積占全國可利用土地面積的4.88%，其中耕地中鹽漬化面積達到920.9×104hm2，占全國耕地面積的6.62%[4]。河套灌區(qū)是我國三大灌區(qū)之一，也是內(nèi)蒙古自治區(qū)主要的糧油生產(chǎn)基地，氣候干旱少雨，蒸發(fā)強烈，蒸降比在10:1以上，農(nóng)業(yè)發(fā)展嚴重依賴灌溉，而灌溉水主要是平均礦化度為0.65 g·L-1的黃河水，長期大水漫灌導致地下水位居高不下，在強烈的植物蒸騰與地面蒸發(fā)下，地下水攜帶水溶性鹽分沿土壤毛細管到達土壤表層造成地表積鹽，致使灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境較為脆弱，輕、中度鹽堿地上尚有植物可以生長，但是在占地約2×104hm2的重度鹽堿耕地上，大部分植物都不能正常生長。因此荒廢了大量土地資源，制約了當?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

一個多世紀以來，國內(nèi)外學者嘗試用各種方法進行鹽堿地改良。植被恢復是鹽堿地改良的主要措施，樹種選擇是鹽堿地植被恢復的根本。細穗檉柳為檉柳科(Tamaricaceae)檉柳屬(Tamarix)泌鹽性鹽生灌木，枝葉繁茂，春夏兩季青蔥翠綠，秋季變紅，總狀花序細長，紫紅色或粉色，花期6—7月，具有很高的觀賞價值[6]。其廣泛分布于我國西北干旱、鹽堿地區(qū)，是鹽堿地造林的優(yōu)良樹種。目前，關于細穗檉柳的研究主要集中在黃酮類化合物的提取、播種育苗技術、低溫脅迫、萌發(fā)特性與嫩枝扦插技術、通過田間生長量比較耐鹽性等方面[7-11]。關于其抗鹽性的研究主要局限于種子萌發(fā)層面，苗木抗鹽性的研究非常少，而植苗是造林及城市綠化的主要方法。

已有研究表明，鹽堿土的一個重要屬性即為土壤水溶性鹽，它是限制作物生長的障礙因素。目前所知土壤鹽分中 Na2CO3對植物的危害最大，NaCl次之[12]。研究表明，鹽分中NaCl脅迫影響植物光合作用和蒸騰作用，Na2CO3脅迫削弱光合能力并抑制呼吸作用，土壤中的 Na2CO3和 NaHCO3易產(chǎn)生高pH脅迫，而高pH環(huán)境使鈣、錳、磷、鐵等元素被土壤固結，不易被植物吸收[13-17]。高pH環(huán)境破壞作物根部的各種酸，影響植物新陳代謝，特別對幼嫩植物的芽和根直接產(chǎn)生腐蝕作用[18]。研究表明，鹽脅迫對植物光合作用的影響直接體現(xiàn)在植物體內(nèi)葉綠素含量的變化上[19]。丙二醛 (malondialdehyde, MDA) 含量的高低明顯體現(xiàn)植物的受害程度。過氧化物酶 (peroxidase, POD)、過氧化氫酶 (catalase, CAT)能夠反映出植物體內(nèi)代謝狀況和對外界環(huán)境適應性，逆境能夠促使POD、CAT活性增高。逆境會加快植物根系衰老氧化，因此植物的根系活力大小將反映植物根系受損情況。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

河套灌區(qū)地處干旱、半草原地帶，極少降雨，但蒸發(fā)強烈，區(qū)域耕地經(jīng)常受到鹽漬化和荒漠化的威脅，嚴重影響了土地可持續(xù)發(fā)展。該灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，是主要的糧、油生產(chǎn)基地，地理坐標為N 40°19′—41°18′，E 106°20′—109°19′。東西長250 km，南北寬達50 km，海拔1 007—1 050 m，總面積105.33×104hm2。灌區(qū)屬黃河沖積平原，土壤母質(zhì)為含鹽的黃河沖積物，以鹽漬化淺色草甸土和鹽土為主，該區(qū)域熱量充足，年降水量僅130～250 mm，而年蒸發(fā)量達2 000～2 400 mm。在該區(qū)域約2×104hm2的重度鹽堿化耕地上，大多數(shù)植物都不能正常生長。

1.2 試驗材料

試驗選擇的植物材料為2年生細穗檉柳容器苗，由內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市磴口縣細穗檉柳育苗基地提供，運輸至內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學溫室，進行盆栽試驗。

1.3 試驗設計

試驗于2018年8月2日在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學溫室進行，將2年生細穗檉柳容器苗栽入19 cm×23 cm的塑料花盆中，并在花盆底部襯上托盤，防止鹽堿脅迫過程中鹽分流失，澆透水，進行緩苗，將苗木修剪至30 cm高，從而達到快速緩苗的目的。并于8月12日，前往河套灌區(qū)鹽堿地進行土壤采樣，選取三塊樣地，用隨機采樣的方法分別采取0—10、10—20、20—30 cm土層土樣，并用四分法分別保留約1 kg土樣裝入密封袋中帶回實驗室。用自然風干法進行晾土，晾干后過2 mm篩，進行土壤鹽離子的測定。

1.4 測定指標與方法

1.4.2生理指標的測定葉綠素含量的測定用比色法；POD活性的測定用愈創(chuàng)木酚法；CAT活性的測定用紫外吸收法；丙二醛含量的測定用硫代巴比妥酸顯色法；根系相對含水量的測定用稱重法；根系活力的測定用α-萘胺法，均參照史樹德等[20]方法。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用 Microsoft Excel 2007 進行數(shù)據(jù)的整理與繪圖，使用 SAS 9.0 軟件對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，并用最小顯著性差異法(LSD)檢驗不同處理之間的顯著性。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對細穗檉柳葉片葉綠素含量的影響

由圖1可知，隨著脅迫時間的延長，葉綠素a含量在 Na2CO3-T3、NaCl-T3處理下出現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢，Na2CO3-T3和NaCl-T3處理40 d的葉綠素a含量相對于0 d分別顯著降低了65%、47% (P<0.05)；而CK處理40 d的葉綠素a含量較0 d無顯著變化 (P>0.05)。隨著脅迫時間的延長，所有處理的葉綠素b含量均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。已有研究表明，絕大多數(shù)葉綠素a和全部的葉綠素b均具有吸收和傳遞光能的作用，極少數(shù)特殊狀態(tài)的葉綠素a參加光化學反應[21]。由此可知，Na2CO3-T3和NaCl-T3處理阻礙了葉綠素的光化學反應，從而影響了細穗檉柳的光合作用。不同梯度鹽脅迫分析表明，T1梯度處理下，葉綠素總含量由降低轉(zhuǎn)為升高的變化拐點首先出現(xiàn)；其次是T2梯度處理；T3梯度處理下，葉綠素總含量由降低轉(zhuǎn)為升高的變化拐點最后出現(xiàn)。表明脅迫程度越強，細穗檉柳自我調(diào)節(jié)所需時間越長。Na2CO3-T3和NaCl-T3處理下，葉綠素總含量呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，較相應處理0 d分別顯著下降53%、36% (P<0.05)；CK處理40 d的葉綠素總含量較 0 d無顯著變化 (P>0.05)。由此可知，細穗檉柳在T3梯度鹽脅迫下，正常生理機能受到嚴重破壞；在T2、T1梯度鹽脅迫處理下，具備較強的適應性。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05 水平具有顯著性。

2.2 鹽脅迫對細穗檉柳葉片MDA含量的影響

植物在逆境中遭受傷害，普遍會發(fā)生膜脂過氧化作用生成MDA[20]。因此，MDA含量在一定程度上反映了植物的受傷害程度。由圖2可知，隨著脅迫時間的延長，各處理的MDA含量均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。同一種鹽分不同鹽脅迫梯度間比較發(fā)現(xiàn)，Na2CO3鹽脅迫下，Na2CO3-T1、Na2CO3-T2、Na2CO3-T3處理40 d MDA含量的峰值相對于0 d分別增長了93%、115%、146%，呈現(xiàn)遞增趨勢；NaCl鹽脅迫下，NaCl-T1、NaCl-T2、NaCl-T3處理40 d MDA含量的峰值相對于0 d分別增長了143%、167%、191%，也呈現(xiàn)遞增趨勢，表明脅迫程度越強，MDA含量越高；然而NaHCO3鹽脅迫下不同處理間MDA含量的峰值差異不顯著。從鹽分組成的角度分析，T3處理下，NaHCO3-T3、Na2CO3-T3、NaCl-T3 處理組40 d MDA含量的峰值相對于0 d分別增長了71%、146%、191%；T2梯度下，NaHCO3-T2、Na2CO3-T2、NaCl-T2處理組40 d MDA含量的峰值相對于0 d分別增長了111%、115%、167%；T1梯度下，NaHCO3-T1、Na2CO3-T1、NaCl-T1處理組40 d MDA含量的峰值相對于0 d分別增長了114%、93%、143%，均呈現(xiàn)遞增趨勢?？梢?，NaCl 脅迫在各梯度下的MDA含量均最高，表明 NaCl 脅迫對細穗檉柳的危害比 NaHCO3和 Na2CO3脅迫更加嚴重。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05 水平具有顯著性。

2.3 鹽脅迫對細穗檉柳葉片POD和CAT活性的影響

由圖3可知，隨著脅迫時間的延長，各處理POD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。同一種鹽分不同梯度，NaHCO3-T1、NaHCO3-T2、NaHCO3-T3處理40 d的POD活性測定值相對于0 d分別增長了32%、77%、49%；Na2CO3-T1、Na2CO3-T2、Na2CO3-T3處理40 d的POD活性測定值相對于0 d分別增長了21%、71%、66%；NaCl-T1、NaCl-T2、NaCl-T3處理40 d的POD活性測定值相對于0 d分別增長了61%、76%、21%；而CK處理40 d的POD活性測定值相對于0 d無顯著變化(P>0.05)。3種鹽脅迫比較而言，T1脅迫處理下，NaHCO3-T1、Na2CO3-T1、NaCl-T1 處理40 d的POD活性測定值相對于0 d分別顯著增長了32%、21%、61%；T2脅迫梯度下，NaHCO3-T2、Na2CO3-T2、NaCl-T2處理40 d的POD活性測定值相對于0 d分別顯著增長了77%、71%、76%；T3脅迫梯度下，NaHCO3-T3、Na2CO3-T3、NaCl-T3處理40 d的POD活性較CK分別顯著增長了49%、66%、21%(P<0.05)。對比增長率發(fā)現(xiàn)，T2梯度鹽脅迫處理組的POD活性增長率高于T1梯度鹽脅迫處理組，但T3梯度鹽脅迫處理組POD活性增長率明顯下降，表明T3梯度鹽脅迫處理已經(jīng)破壞了細穗檉柳的保護酶系統(tǒng)。

隨著脅迫時間的延長，細穗檉柳葉片CAT活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。同一種鹽分不同脅迫梯度結果顯示，NaHCO3-T3、Na2CO3-T3、NaCl-T3梯度處理下40 d CAT活性的峰值相對于0 d分別增長了18%、32%、45%，呈現(xiàn)遞增趨勢；NaCl-T1、NaCl-T2、NaCl-T3處理下40 d CAT活性的峰值相對于0 d分別增長了31%、21%、16%，呈現(xiàn)遞減趨勢，說明 NaHCO3鹽脅迫處理激發(fā)了CAT的保護作用，而NaCl鹽脅迫處理下，隨著脅迫梯度的增加，CAT的保護作用受到抑制。

注：不同小寫字母表示同一時期不同處理間差異在P<0.05 水平具有顯著性。

2.4 鹽脅迫對細穗檉柳根系活力的影響

不同鹽脅迫處理的細穗檉柳根系活力結果(圖4)顯示，在NaHCO3-T2、NaHCO3-T3、Na2CO3-T1、Na2CO3-T2、Na2CO3-T3、NaCl-T1、NaCl-T2、NaCl-T3鹽脅迫處理下，細穗檉柳的根系活力分別較CK降低了32%、46%、29%、43%、73%、21%、32%和78%，其中 NaCl-T3 處理的根系活力降幅最大，即NaCl-T3處理嚴重破壞了細穗檉柳的根系活力， Na2CO3-T3 處理次之；NaHCO3-T1根系活力與CK無顯著差異 (P>0.05)。同種鹽脅迫下，均出現(xiàn)隨脅迫梯度增強，根系活力逐漸下降的變化趨勢，而 NaHCO3、Na2CO3、NaCl 3種鹽脅迫之間，無明顯變化規(guī)律。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異在P<0.05 水平具有顯著性。

3 討論

研究表明，隨著鹽脅迫的增強，堿蓬(SuaedaglaucaBunge)、荻(Miscanthussacchariflorus)幼苗的葉綠素總含量呈下降趨勢。而本研究中，隨著鹽脅迫的增強，NaHCO3-T1[19,22]、NaHCO3-T2、NaHCO3-T3、Na2CO3-T1、Na2CO3-T2、NaCl-T1和NaCl-T2處理的葉綠素總含量均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，僅有Na2CO3-T3和NaCl-T3處理的葉綠素總含量呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。表明極重度鹽脅迫下，細穗檉柳的光合作用受到較大影響，而在中、重度鹽脅迫下則其表現(xiàn)出較強的耐受性。杜中軍等[23]研究發(fā)現(xiàn)，平邑甜茶(Malushupenensis)和小金海棠(Malusxiaojinensis)葉片中葉綠素a、葉綠素b含量隨鹽脅迫增強，呈現(xiàn)下降趨勢。本研究中，隨著脅迫時間的延長，細穗檉柳葉片葉綠素b含量呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，隨著脅迫程度的加劇，葉綠素a含量在 Na2CO3-T3和NaCl-T3處理下呈現(xiàn)持續(xù)降低的趨勢，表明 Na2CO3-T3和NaCl-T3 脅迫不同程度地影響了細穗檉柳的光化學反應，進而影響光合作用。

植物在逆境中受到脅迫，普遍會發(fā)生膜脂過氧化作用，膜脂被氧化產(chǎn)生MDA，膜受傷害又產(chǎn)生大量自由基，此時保護酶系統(tǒng)被激活。POD和CAT是植物體內(nèi)重要的保護酶，它們共同保護植物膜系統(tǒng)。本研究結果表明，隨著脅迫時間的延長，MDA含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，POD和CAT活性也呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，反映出保護酶對植物膜系統(tǒng)受到破壞的積極響應，表明細穗檉柳具有較強的自我調(diào)節(jié)能力，對鹽脅迫有較強的耐受性。李永濤等[24]和魯艷等[25]對鹽脅迫下甘蒙檉柳(Tamarixaustromongolica)、中國檉柳(Tamarixchinensis)、多枝檉柳(Tamarixrampsissima)葉片過氧化酶活性響應的研究發(fā)現(xiàn)，POD和CAT活性也隨著鹽脅迫程度增強呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢[25-26]，與本研究結果一致。周芬等[26]研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽脅迫時間的延長，擬南芥中MDA含量呈現(xiàn)上升趨勢，而本研究中，MDA含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，再次表明細穗檉柳對鹽脅迫有較強的耐受性。

根系活力的大小在很大程度上反映出根系生命活動的強弱。鹽脅迫會影響植物的根系活力，降低其活力，從而影響植物的呼吸作用和光合作用等生理活動，以致使植物的生長發(fā)育受阻[20]。郭淑華等[27]研究發(fā)現(xiàn)，堿性鹽會降低葡萄的根系活力。本研究結果顯示，NaHCO3、Na2CO3和 NaCl 鹽脅迫下細穗檉柳根系活力均有所下降，NaCl-T3 處理下根系活力降幅最大。表明極重度鹽脅迫下細穗檉柳的根系受損最嚴重。

綜上所述，在中、重度鹽脅迫下，細穗檉柳表現(xiàn)出較強的自我調(diào)節(jié)能力，具有較強的耐受性；在極重度鹽脅迫下，尤其在206.46 g·kg-1NaCl 脅迫下，細穗檉柳的各項生理指標與對照組均出現(xiàn)顯著差異；2.05 g·kg-1Na2CO3與 206.46 g·kg-1NaCl處理則對光合作用有抑制作用。因此，在極重度鹽堿地選擇細穗檉柳造林尚需進一步研究與實踐。