NaCl脅迫對白術幼苗生長及生理特性的影響

周武先，吳海棠，張雅娟，李大榮，熊琳珂，張美德

（1.湖北省農業科學院中藥材研究所，湖北 恩施 445000；2.恩施土家族苗族自治州農業農村局，湖北 恩施 445000）

土壤鹽漬化是影響作物生長和發育的重要因素［1，2］，也是全球范圍內普遍面臨的難題。有研究表明，我國土壤鹽漬化面積呈逐年上升趨勢，嚴重影響我國農業經濟發展［3］，而全球約有7%的土地不同程度地受到土壤鹽漬化的影響［4］。目前關于鹽脅迫對植物生長影響的研究較多，如：NaCl脅迫對小麥（Triticum aestivum）［5］、豌豆（Pisum sativum）［6］和裸果木（Gymnocarpos przewalskii）［7］等植物的生長均具有一定的抑制作用，且高濃度NaCl處理會破壞植物體內的抗氧化酶系統，影響植物的正常發育。研究表明，NaCl濃度低于0.017 mol／L，對設施櫻桃幼苗生理特性的影響不明顯，而高于此濃度則會抑制設施櫻桃幼苗正常的生理活動，表明櫻桃幼苗的培育基質或土壤中鹽濃度不宜超過0.017 mol／L［2］。趙露等［8］研究鹽脅迫對苦豆子種子萌發及幼苗生理生長的影響后發現，苦豆子如果需要在鹽堿地種植，應以NaCl單鹽為主的土壤為宜，也可在Na2CO3和混合鹽濃度低于0.9%的地塊上種植。由上看出，研究農作物對鹽脅迫的適應能力及生理響應機制，對農作物高效和科學生產具有重要意義。

白術（Atractylodes macrocephala）為菊科蒼術屬多年生草本植物，其藥用部位為根狀莖，是我國常用大宗中藥材，具有健脾益氣、消炎抑菌及抗腫瘤等作用［9，10］，經濟效益良好。然而，我國白術主產區存有較大面積的鹽漬地。由于不清楚白術的耐鹽水平，種植者往往在重度鹽漬化地區盲目擴種，導致白術幼苗存活率較低、生長緩慢，藥材產量和品質下降，影響白術產業健康發展。因此，研究白術對鹽脅迫的忍受范圍和生理響應機制，對提高白術長勢、產量、品質和選育耐鹽白術新品種均有重要意義。據此，本試驗采用水培法，研究不同濃度NaCl溶液對白術幼苗形態特征、光合色素以及抗氧化酶活性等指標的影響，以期探明其耐鹽脅迫范圍及耐鹽機制，為白術耐鹽品種的選育提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試白術種子2019年11月采自湖北省咸豐縣小村鄉李子溪村（東經108°54′51″，北緯29°53′5″，海拔832 m）。氯化鈉（NaCl，分析純）購自國藥集團化學試劑有限公司。32孔穴盤內外徑分別為50 cm×25 cm×6 cm和52 cm×26 cm×8 cm。

1.2 試驗設計

試驗于2020年9月在湖北省農業科學院中藥材研究所的溫室大棚中進行，共設置5個NaCl濃度處理：0、5、10、20 mmol／L和40 mmol／L，用1／4 Hoagland’s營養液配制相應濃度溶液，每處理設置4個重復。

選用壤土和椰糠（體積比為1∶1）作為育苗基質［11］，在穴盤中培育一批白術幼苗。待幼苗長出3片真葉后將大小基本一致的白術幼苗移栽至含不同濃度NaCl溶液（4 L）的32孔穴盤中（帶盛水托盤），每孔放置一株白術幼苗，用海綿固定，并定期補充相應濃度處理溶液，保持溶液體積不變。分別在移栽0、7、14、21、28 d測定白術幼苗葉長、葉寬和株高。培養結束后進行破壞性取樣，拔出幼苗，用蒸餾水沖洗干凈，吸水紙擦干表面水分，從莖基部剪斷，將幼苗分為地上和地下兩部分分別稱重，同時剪取葉片用于各項生理指標的測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 植株形態和生物量測定 使用直尺測量白術幼苗的葉長、葉寬和株高（莖基部到莖尖的長度）。采用千分之一電子天平稱量白術幼苗各部位鮮重，總鮮重＝地上鮮重＋地下鮮重。

1.3.2 光合色素含量測定 采用95%乙醇浸提比色法［12］測定葉片葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）以及類胡蘿卜素（Car）含量。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0對數據進行統計和方差分析（one-way ANOVA），使用新復極差法（Duncan’s）法進行多重比較。采用Canoco 5進行主成分分析（PCA），使用Origin 8.5作圖，圖表中數據均使用平均值±標準偏差（n＝4）表示。

2 結果與分析

2.1 不同濃度NaCl處理對白術幼苗生長的影響

由圖1可以看出，隨著培養時間的延長，不同NaCl處理白術幼苗的葉長、葉寬和株高整體呈現上升趨勢，但不同濃度NaCl處理下白術幼苗的葉長、葉寬、株高和葉長寬比與對照無顯著差異。

圖1 不同濃度NaCl處理下白術幼苗形態隨生長時長的變化

由圖2可以看出，5 mmol／L NaCl處理白術地上部鮮重與對照相比無顯著差異，而10、20 mmol／L和40 mmol／L NaCl處理顯著低于對照，降幅分別為20.9%、29.3%和29.7%，即隨NaCl濃度升高降幅增大。各NaCl處理地下部鮮重與對照無顯著差異。5 mmol／L和10 mmol／L NaCl處理幼苗總鮮重與對照無顯著差異，而20 mmol／L和40 mmol／L NaCl處理分別顯著降低19.3%和18.4%。

圖2 不同濃度NaCl處理下白術幼苗鮮重

2.2 不同濃度NaCl處理對白術幼苗葉片光合色素含量的影響

由表1可知，不同濃度NaCl處理白術幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量與對照相比差異不顯著，其變化趨勢基本相同。5 mmol／L NaCl處理白術幼苗類胡蘿卜素含量顯著低于對照22.0%。10 mmol／L和20 mmol／L NaCl處理白術幼苗葉片葉綠素a／b與對照相比分別顯著降低4.7%和6.7%。此外，5 mmol／L NaCl處理白術幼苗Chl／Car值（總葉綠素／類胡蘿卜素）顯著高于對照3.5%，而40 mmol／L NaCl處理Chl／Car值顯著低于對照4.6%。

表1 不同濃度NaCl處理下白術幼苗葉片的光合色素含量

2.3 不同濃度NaCl處理對白術幼苗抗氧化酶活性等指標的影響

由圖3可以看出，各NaCl處理白術幼苗葉片的過氧化氫酶（CAT）活性均顯著高于對照，其中40 mmol／L NaCl處理CAT活性最高，比對照增44.3%。10、20 mmol／L和40 mmol／L NaCl處理白術幼苗葉片的過氧化物酶（POD）活性均顯著高于對照，增幅分別為45.8%、58.7%和43.6%。

圖3 不同濃度NaCl處理下白術幼苗的生理生化指標表現

隨著NaCl濃度升高，白術幼苗葉片的SS（可溶性糖）和SP（可溶性蛋白）含量都呈現先升高后降低趨勢。各NaCl處理均顯著提高SS含量，其中20 mmol／L NaCl處理SS含量最高，比對照增加397.8%，5、10、40 mmol／L NaCl處理增幅分別為67.7%、85.8%和132.6%。5、10 mmol／L和20 mmol／L NaCl處理顯著提高白術幼苗葉片的SP含量，與對照相比增幅分別達到22.3%、24.1%和22.2%。

2.4 白術幼苗形態和生理指標的相關性分析和PCA分析

表2 白術幼苗形態和生理指標的相關性

由圖4可以看出，第一排序軸解釋變量的79.13%，第二排序軸解釋變量的8.49%，前兩個排序軸累計解釋變量的87.62%，說明第一主成分和第二主成分可以較好地解釋各項因子的變化。SS、SAR、CAT、POD以及MDA均與第一排序軸顯著相關，表明這些因子均可作為反映白術幼苗生長狀況的重要特征指標。不同NaCl處理投影到PCA二維平面的樣點分散聚集，表明不同NaCl處理下白術幼苗的生長狀況存在明顯差異。

圖4 白術幼苗形態和生理指標的PCA排序

3 討論與結論

生物量和植株形態反映植物的生長狀況，也是實際生產中判斷其遭受鹽堿脅迫程度最直觀的指標［15］。本研究結果顯示，隨著NaCl濃度升高，白術幼苗株高逐漸下降，NaCl濃度超過20 mmol／L后地上部鮮重和總鮮重相比于對照顯著下降，說明超過此濃度白術幼苗生長會受到嚴重抑制。這與NaCl脅迫對辣椒（Capsicum annuum）［16］、銀水牛果（Shepherdia argentea）［17］和百脈根［18］（Lotus corniculatus）生長影響的結果類似，即較高濃度的NaCl會顯著抑制作物的生長發育。有研究表明，濃度相對較低的鹽處理可以促進海濱錦葵（Kosteletzkya virginica）［19］和薊（Cirsium japonicum）［20］的生長，而本研究中較低濃度的NaCl處理并未促進白術幼苗生長，這可能是由于不同植物品種的耐鹽性差異所造成。同時也表明，白術幼苗對鹽脅迫較為敏感。植物葉片中光合色素含量將直接或間接地影響其光合代謝能力，進而影響植物的生長發育［21］。本研究中，隨著NaCl濃度增加，白術幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總葉綠素含量總體呈現下降趨勢。這與王堽等［22］關于NaCl脅迫對甜菜葉綠素含量影響的研究結果類似，表明NaCl脅迫不利于白術幼苗葉片光合色素的合成。其原因可能是，鹽脅迫下高濃度的Na＋會破壞細胞葉綠體結構，對植物葉片造成損傷，從而抑制葉片光合色素的合成［23］，但具體的作用機理還有待進一步研究。

通過主成分分析（PCA）可以篩選出植物響應外部環境變化的主要生長指標，然后進行針對性分析，以達到量化外部環境對植物生長影響的目的［28］。本研究通過PCA分析發現，可溶性糖、超氧陰離子自由基、過氧化氫酶、過氧化物酶和丙二醛等因子可作為反映白術幼苗生長狀況的重要指標。這與王華等［29］的研究結果類似。結合形態和生物量等指標可知，當NaCl濃度低于10 mmol／L［m（Cl－）＝0.355 g／L］時，白術幼苗受脅迫較輕，而當NaCl濃度高于20 mmol／L［m（Cl－）＝0.71 g／L］時，白術幼苗受脅迫較重。

綜上表明，白術幼苗的耐鹽性一般，可以在輕度鹽漬化［m（Cl－）<0.4 g／kg］土壤中生長，但不適合在重度鹽漬化［m（Cl－）≥1.0 g／kg］土壤中種植，20 mmol／L NaCl可作為篩選白術耐鹽品種的重要參考濃度。此外，調控光合色素合成及抗氧化酶活性可能是白術幼苗適應NaCl脅迫的重要途徑。