鹽堿脅迫對(duì)苗期菊芋葉綠素、脯氨酸及Na+、K+含量的影響

張?zhí)炜。邉P，李威，侯美玲

(內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028042)

土壤鹽漬化是導(dǎo)致耕地減少、作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降的主要非生物逆境之一，也是世界性的生態(tài)環(huán)境問題。全球鹽堿地遍及6大洲的30多個(gè)國(guó)家，總面積約9.56億hm2，占全球陸地面積的25%[1]。我國(guó)鹽堿地分布廣泛，約260多萬km2，占國(guó)土面積的1/4[2]，并且土壤次生鹽堿化呈現(xiàn)逐漸加劇的趨勢(shì)[3-4]。鹽堿脅迫是鹽化和堿化相伴發(fā)生，植物在受到鹽脅迫產(chǎn)生的滲透?jìng)碗x子傷害的同時(shí)，還受堿脅迫引起的pH值升高的影響，雙重脅迫的協(xié)同效應(yīng)抑制植物光合作用和生理過程，從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[5]。近年來，培育耐鹽堿植物和提高植物的耐鹽堿能力，已成為治理及改善鹽堿地區(qū)生態(tài)環(huán)境的有效途徑[6]。

菊芋(Helianthustuberosus)又名洋姜、鬼子姜，菊科向日葵屬，多年生草本植物。目前，菊芋廣泛應(yīng)用于食品加工[7]、生物能源[8]和動(dòng)物飼料[9]等方面，是重要的經(jīng)濟(jì)作物。菊芋主要靠塊莖繁殖，具有極強(qiáng)的耐鹽堿能力，可以在不同鹽堿程度的退化草地上自然生長(zhǎng)，能夠改善脆弱的生態(tài)環(huán)境，已成為西部沙荒地區(qū)重要的防風(fēng)固沙作物之一[10]。近年來，科學(xué)工作者關(guān)于菊芋耐鹽堿性的研究主要集中于種質(zhì)資源篩選和生理機(jī)制等方面。李世煜等[11]篩選出了適合西北干旱鹽堿地區(qū)的不同品種；隆小華等[12-13]研究了海水脅迫下菊芋的生理響應(yīng)和耐鹽機(jī)理；吳成龍等[14]對(duì)堿脅迫下不同品種菊芋幼苗生物量分配和可溶性滲透物質(zhì)含量的變化做了相關(guān)研究。但是，在菊芋耐鹽堿生理機(jī)制的相關(guān)研究中，雙重脅迫下的苗期菊芋不同營(yíng)養(yǎng)器官的滲透物質(zhì)及離子代謝研究報(bào)道較少。本研究旨在探討菊芋幼苗各器官葉綠素、脯氨酸及Na+、K+含量對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)，揭示菊芋塊莖幼苗階段適應(yīng)鹽堿脅迫的生長(zhǎng)適應(yīng)策略，為菊芋改良鹽堿化土壤提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試材料為通遼地區(qū)鄉(xiāng)土品種紅皮菊芋，2018年5月6日種植，并于2019年4月28日挖出，種植于育苗基地，出苗30 d后，選取長(zhǎng)勢(shì)均一的菊芋幼苗供試驗(yàn)用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古民族大學(xué)科技園區(qū)遮雨棚(E 122°02′，N 43°36′)進(jìn)行，屬典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫0～7℃，年平均日照時(shí)數(shù)3 000 h，無霜期150 d。將幼苗埋入高30 cm、直徑60 cm、內(nèi)裝7.5 kg細(xì)沙的圓形花盆內(nèi)，待菊芋緩苗成功后分別用不同鹽堿濃度的溶液進(jìn)行澆灌。

NaCl溶液：0、100、200、300 mmol/L

pH值：7、8、9、10

共16個(gè)處理，每個(gè)處理4個(gè)重復(fù)，總計(jì)64盆。每個(gè)營(yíng)養(yǎng)缽一次性澆灌1 000 mL不同鹽堿濃度的溶液，同時(shí)稱重，記錄每個(gè)培養(yǎng)缽的初始重量，每天通過稱重法補(bǔ)充蒸發(fā)失去的蒸餾水。從脅迫后第7 d開始進(jìn)行葉片取樣，共取樣5次，時(shí)間間隔7 d，進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

取樣后將葉片用蒸餾水洗凈，用濾紙擦干表面水分，使用打孔器取0.2 g距植株頂端20 cm處的新鮮

葉片(避開主脈)。

葉綠素含量：使用丙酮乙醇混合法測(cè)定[15]；脯氨酸含量：使用磺基水楊酸方法測(cè)定[15]；鉀離子和鈉離子含量：參照小麥葉片中Na+、K+提取方法測(cè)定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對(duì)菊芋葉片葉綠素含量的影響

在pH值分別為7、8、9、10不同濃度的NaCl溶液處理下，紅皮菊芋葉片的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量含量逐漸下降，葉綠素總量最低值出現(xiàn)在pH10+300 mmol/L NaCl處理下。其中，14 d，pH7+100 mmol/L NaCl處理下，葉綠素a、葉綠素總量有小幅度的升高；21 d，pH7+0 mmol/L NaCl和pH9+0 mmol/L NaCl較其他處理相比，葉綠素b、葉綠素總量有小幅度的升高，pH9+0 mmol/L NaCl處理下，葉綠素b和葉綠素總量出現(xiàn)一次小幅度升高；28 d，pH7+300 mmol/L NaCl處理下，葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量短暫升高(圖1)。

圖1 紅皮菊芋葉綠素含量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 The dynamic changes of chlorophyll content of Helianthus tuberosus

2.2 鹽堿脅迫對(duì)菊芋各器官游離脯氨酸含量的影響

在不同濃度的鹽堿溶液處理下，隨時(shí)間的推移，葉片、莖稈和須根脯氨酸含量主要呈上升趨勢(shì)，主根脯氨酸含量有升有降。其中，pH10+0 mmol/L NaCl、pH10+200 mmol/L NaCl和pH10+300 mmol/L NaCl處理下，脯氨酸含量呈下降趨勢(shì)。葉片脯氨酸含量最高值出現(xiàn)在pH10+300 mmol/L NaCl處理下，莖稈脯氨酸含量最高值出現(xiàn)在pH7+300 mmol/L NaCl處理下，主根和須根脯氨酸含量最高值出現(xiàn)在pH8+300 mmol/L NaCl處理下(圖2)。

圖2 紅皮菊芋脯氨酸含量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 The dynamic changes of proline content of Helianthus tuberosus

2.3 鹽堿脅迫對(duì)菊芋各器官K+含量的影響

K+含量主要呈降低趨勢(shì)，pH7+300 mmol/L NaCl、pH8+100 mmol/L NaCl、pH8+200 mmol/L NaCl、pH8+300 mmol/L NaCl、pH9+200 mmol/L NaCl、pH10+100 mmol/L NaCl和pH10+200 mmol/L NaCl處理下，紅皮菊芋各器官K+含量隨時(shí)間的推移呈下降趨勢(shì)。21 d，pH9+0 mmol/L NaCl和pH9+100 mmol/L NaCl處理下，葉片K+含量出現(xiàn)短暫的升高。葉片K+含量最低值出現(xiàn)在pH7+300 mmol/L NaCl和pH9+300 mmol/L NaCl處理下，莖稈K+含量最低值出現(xiàn)在pH10+300 mmol/L NaCl處理下，主根K+含量最低值出現(xiàn)在pH7+300 mmol/L NaCl處理下，須根K+含量最低值出現(xiàn)在pH10+300 mmol/L NaCl處理下(圖3)。

圖3 紅皮菊芋K+含量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 The dynamic change of K+ content of Helianthus tuberosus

2.4 鹽堿脅迫對(duì)菊芋各器官Na+含量的影響

pH值分別為7、8、9，10的不同濃度的NaCl溶液處理下，紅皮菊芋各器官Na+含量逐漸呈上升趨勢(shì)；28 d，pH7+200 mmol/L NaCl、pH7+300 mmol/L NaCl、pH8+100 mmol/L NaCl、pH8+300 mmol/L NaCl、pH9+100 mmol/L NaCl、pH9+200 mmol/L NaCl和pH9+300 mmol/L NaCl處理下，Na+含量出現(xiàn)一次小幅度升高。葉片Na+含量最高值出現(xiàn)在pH10+300 mmol/L NaCl處理下，莖稈Na+含量最高值出現(xiàn)在pH8+300 mmol/L NaCl處理下，主根Na+含量最高值出現(xiàn)在pH8+300 mmol/L NaCl處理下，須根Na+含量最高值出現(xiàn)在pH7+300 mmol/L NaCl處理下(圖4)。

圖4 紅皮菊芋Na+含量動(dòng)態(tài)變化Fig.4 The dynamic change of Na+ content of Helianthus tuberosus

3 討論

本研究中，菊芋葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量受鹽堿脅迫影響而降低，隨著鹽濃度增大呈遞減趨勢(shì)。可能由于鹽堿脅迫導(dǎo)致菊芋葉片葉綠體結(jié)構(gòu)受損，打破了葉綠素合成與降解的動(dòng)態(tài)平衡，使葉綠素合成受阻，含量降低。郭瑞等[17]研究發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫抑制了亞麻葉綠素合成的必需元素Mg2+的沉淀，影響了葉片葉綠素的合成，進(jìn)而含量下降。張強(qiáng)等[18]研究中也發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫下草地早熟禾(Poapratensis)的葉綠素含量和光合作用顯著下降。申午艷等[19]研究發(fā)現(xiàn)黑麥草草(Loliumperenne)葉綠素總含量隨著鹽堿脅迫濃度增大而降低，其生長(zhǎng)逐漸受到抑制。

本研究中，菊芋各器官脯氨酸含量受鹽堿脅迫影響主要呈上升趨勢(shì)，pH9+300 mmol/L NaCl和pH10+0 mmol/L NaCl、200 mmol/L NaCl、300 mmol/L NaCl處理下，脯氨酸含量呈下降趨勢(shì)。脯氨酸作為滲透調(diào)節(jié)的主要物質(zhì)，其積累是植物在鹽堿脅迫下出現(xiàn)的一種防御性行為[20]。菊芋在受到外界逆境脅迫下，通過合成脯氨酸，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢(shì)，保護(hù)細(xì)胞的穩(wěn)定與功能的穩(wěn)定，幫助菊芋抵御鹽堿脅迫。郝鳳等[21]也發(fā)現(xiàn)，隨著鹽堿脅迫濃度的增大，紫花苜蓿(Medicagosativa)脯氨酸在不斷積累。可能因?yàn)楦邼舛鹊柠}堿溶液擾亂了細(xì)胞的正常生理功能，導(dǎo)致菊芋脯氨酸含量在高濃度的部分處理中下降。韓麗霞等[22]也發(fā)現(xiàn)流蘇(Chionanthusretusus)幼苗脯氨酸含量在高濃度處理下出現(xiàn)降低。

本研究中，菊芋各器官Na+含量隨著鹽堿濃度增加呈上升趨勢(shì)，K+含量主要呈降低趨勢(shì)，濃度增加時(shí)，下降趨勢(shì)明顯。在鹽堿脅迫下，菊芋根際水勢(shì)降低，需要吸收一定Na+增加細(xì)胞內(nèi)的滲透勢(shì)，其各器官均積累一定量的Na+。Na+是廉價(jià)的滲透溶質(zhì)，積累和吸收均比有機(jī)溶質(zhì)的合成需要更少的能量[23]。K+與Na+的水合半徑相似，在鹽堿脅迫下植物通常吸收Na+的同時(shí)抑制K+吸收[22]。因此，各處理中，菊芋根部的Na+含量較高，葉片Na+含量最低，這與K+的表現(xiàn)正好相反。王英逵等[24]研究發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫會(huì)增加羊草(Leymuschinensis)體內(nèi)Na+含量，減少K+含量，增強(qiáng)地下到地上部分Na+的運(yùn)輸，抑制K+的運(yùn)輸，改變了羊草體內(nèi)地上和地下的離子分配。Li R等[25]研究發(fā)現(xiàn)禾本科鹽生互米花草(Spartinaalterniflora)體內(nèi)Na+含量隨著土壤鹽堿程度的增大顯著增加，而 K+含量則明顯減少。

4 結(jié)論

在鹽堿脅迫條件下，菊芋幼苗葉綠素含量降低，隨著濃度增加呈遞減趨勢(shì)；脯氨酸含量主要呈上升趨勢(shì)，高濃度處理下出現(xiàn)下降；Na+含量隨濃度增大呈上升趨勢(shì)，K+含量則降低。由此可見，菊芋幼苗通過調(diào)節(jié)葉綠素、脯氨酸及Na+、K+含量提高其在鹽堿脅迫下的抗性。