鹽脅迫對8 種草本植物幼苗生長和生理特性的影響

梁鵬飛，郭全恩，魏少萍，陳潔，李景峰，劉鑫，南麗麗

（1. 甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅省草業工程實驗室，中?美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅蘭州 730070；2. 甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所，甘肅 蘭州 730070）

鹽漬土綠化是風景園林與生態修復領域的重要難題。我國鹽堿土地面積約3.6×108hm2，占全國可利用土地面積的4.9%［1］，鹽漬土是重要的土地后備資源［2］，亦是獨具特色的景觀要素，亟待保護和開發利用。

鹽漬土中以中性鹽NaCl 為主，中高濃度的Na+和Cl-對植物生長有嚴重影響［2］。鹽脅迫下，植物的形態特征和生理特性等會發生一系列變化。研究表明，植物在萌發［3］和幼苗階段［4］的耐鹽能力較弱，是進行植物耐鹽性篩選的關鍵時期。根系是最早感受脅迫信號的器官和受危害最直接的部位［5］。根長、根體積、根尖數、平均根直徑等根系性狀越發達的品種耐鹽性越強［6］。鹽脅迫會抑制根系呼吸，影響其代謝，導致根系吸收、運輸水分和養分等功能紊亂［7］?？扇苄蕴?、可溶性蛋白、脯氨酸、丙二醛含量及超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性等作為耐逆相關指標，逆境脅迫下其活性高低可衡量植物對脅迫的耐受性［8］。研究表明，北美豆梨（Pyrus calleryana）丙二醛、脯氨酸和可溶性糖含量隨NaCl 濃度增加均逐漸升高［9］；抗鹽鍛煉后鹽堿地種植的櫻桃（Cerasus pseudocerasus）、番茄（Lycopersicon esculentum）幼苗超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性高于不抗鹽鍛煉［10］。

鹽漬土是制約蘭州新區綠化建設的瓶頸，新區建設的目標是“特色鮮明、宜居宜業的生態綠城、多湖水城、現代新城”［11］。然而，蘭州新區的土壤含鹽量較高，屬于典型的土壤原生鹽漬土，營養物質少，威脅著植物的生長，且綠化植物種類以喬木和灌木占絕對優勢，草本植物次之，研究鹽脅迫下綠化草本植物幼苗生長與生理特性，對于闡明草本植物耐鹽機制、選育及栽培適宜蘭州新區耐鹽綠化草本植物、提高土地利用率具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為蘭州地區主栽綠化草種瑞文德白三葉（Trifolium repens‘Rivendel’，TR）、岷 山 紅 三 葉（Trifolium pretense‘Minshan’，TP）、伯樂一年生黑麥草（Lolium multiflorum‘Bole’，LM）、綠寶石多年生黑麥草（Lolium perenne‘Emerald’，LP）、正義高羊茅（Festuca arundinacea‘Justice’，FA）、優 異 早 熟 禾（Poa annua‘Excellent’，PA）、派尼紫羊茅（Festuca rubra‘Penny’，FR）、大花波斯菊（Cosmos bipinnata‘Grandiflorus’，CB），其種子由甘肅農業大學草業學院提供。

1.2 試驗設計

選用消毒后的細沙（121 ℃，高溫滅菌8 h）1 000 g裝入花盆中（外口徑、內口徑、高和底徑分別為13.2、12.0、14.0 和9.2 cm），用0.1% HgCl2溶液對種子進行消毒并清洗干凈后均勻撒播在花盆中，其中TR、TP、PA、FR 播深為1~2 cm，LM、LP、FA、CB 播深為3~4 cm，每個植物播種12 盆；出苗后間苗，每盆保留生長一致、分布均勻的幼苗20 株，每隔2 d 澆灌100 mL Hoagland營養液。待其生長42 d后，進行NaCl處理，其鹽溶液設為0（CK）、0.4%、0.8%和1.2%共4 個梯度，每個梯度重復3 盆。每隔2 天每盆澆灌100 mL 不同鹽濃度的Hoagland 營養液，連續脅迫處理30 d 后采集各植物的葉片和根系分別測定其形態、生理指標。

1.3 指標測定及方法

株高（Plant height，PH）；采用臺式掃描儀對根系進行掃描并將圖像存入電腦，用WinRHIZO 根系分析系統軟件獲得根系總長度（Root length，RL）、根系總表面積（Root surface area，RSA）、根系平均直徑（Average root diameter，ARD）、根體積（Root volume，RV）和根尖數（Root tip number，RTN）等根系形態指標。

生理指標參考鄒琦［12］的方法進行，采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定根系活力（Root activity，RA），采用飽和稱重法測定葉片相對含水量（Relative water content，RWC），采用分光光度法測定葉綠素a（chloro?phyll a，chl a）、葉綠素b（chlorophyll b，chl b）、葉綠素a+b（chlorophyll a+b，chl a+b）、葉綠體色素（Chloro?plast pigment，CP）含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖（Soluble sugar，SS）含量，采用考馬斯亮藍G-250染色法測定可溶性蛋白（Soluble protein，SP）含量，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量，采用酸性茚三酮比色法測定脯氨酸（Pro?line，Pro）含量，采用愈創木酚法測定過氧化物酶（per?oxidase，POD）活性，采用氮藍四唑（NBT）光化還原法測定超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性，采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性。

1.4 數據分析

采用Excel 2019 處理數據，用SPSS 16.0 進行方差分析、聚類分析和主成分分析。

1.4.1 綜合指標

式中：F（Xj）為第j個綜合指標值；aij為各單一指標的特征值所對應的特征向量；Xij為各單一指標的標準化處理值。

1.4.2 各綜合指標的權重

式中：Wj表示第j個綜合指標的權重；Pj表示各植物第j個綜合指標的方差貢獻率。

1.4.3 綜合評價值

式中：D值為各植物耐鹽能力的綜合評價值。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對幼苗形態指標的影響

除TR 外，各供試植物的株高隨鹽濃度的升高呈先減少后增加的變化趨勢，且在鹽濃度為0.4%時株高最低；鹽濃度為1.20%時，LP 的株高最高，FR 和CB 的最矮。根直徑隨鹽脅迫濃度增加逐漸降低，并在鹽濃度為1.20%時降至最低，且FA 的最大，TR 的最小，各供試植物間差異顯著（P<0.05）。與CK 相比，隨鹽脅迫濃度增加，根尖數、根體積、根表面積、根長均顯著增加（P<0.05），并在鹽濃度為1.20%時達到最大，其中TR 的根尖數較CK 增幅最大，TP 的根表面積和根長較CK 增幅最大（表1）。

表1 鹽脅迫下供試植物形態指標Table 1 Effects of salt stress on morphological indices of tested plants

2.2 鹽脅迫對幼苗葉片相對含水量、根系活力及葉綠素含量的影響

供試植物葉片相對含水量除TR、TP 隨鹽脅迫濃度增加呈先增加后減少的變化趨勢外，其余植物的葉片相對含水量均呈降低趨勢，鹽濃度為1.2%時降至最低，其中LP、LM、PA、FA、FR、CB 較CK 分別降低了0.31、0.11、0.24、0.26、0.14 倍；隨鹽濃度的升高根系活力顯著減?。≒<0.05），鹽濃度為1.2%時降至最低，TR、TP、LP、LM、PA、FA 和FR 較CK 分別降低54.89%、 64.68%、 48.20%、 75.63%、 63.13%、34.06%、58.95%；葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、葉綠體色素含量均隨著鹽濃度增加呈先降低后升高趨勢（P<0.05），當鹽濃度為0.80%時降至低谷，各供試植物間差異顯著（P<0.05）；TP 的葉綠體色素均最大，PA 的均最小（表2）。

表2 鹽脅迫下供試植物葉片相對含水量、根系活力、葉綠素含量Table 2 Effects of salt stress on leaf relative water content，root activity and chlorophyll contents of tested plants

2.3 鹽脅迫對幼苗滲透調節物質及MDA 含量的影響

供試植物葉片、根系可溶性糖和丙二醛含量隨鹽梯度的增加顯著增加（P<0.05），當鹽濃度為1.2%時升至最高，各供試植物間差異顯著（P<0.05），其中TP 的葉片、FR 的根系可溶性糖含量較CK 增幅最大，FR 的葉片、LP 的根系較CK 增幅最低；FA 的葉片、LP的根系丙二醛較CK 增幅最小，CB 的葉片、TR 的根系增幅最大。葉片、根系可溶性蛋白含量隨鹽梯度的增加顯著降低（P<0.05），當鹽濃度為1.2%時降至最低，各供試植物間差異顯著（P<0.05），其中TP 的葉片、PA 的根系可溶性蛋白含量較CK 降幅最大，CB 的葉片和根系較CK 降幅最小。除TR、TP 的葉片和根系脯氨酸含量隨鹽濃度增加呈先升高后降低（P<0.05）外，其余植物葉片和根系脯氨酸含量均顯著增加（P<0.05），當鹽濃度為1.2%時增至最大，且CB的葉片、LP 的根系脯氨酸含量較CK 增幅最大。同一鹽濃度下，供試植物葉片可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸和丙二醛含量大多高于根系（表3）。

表3 鹽脅迫下供試植物滲透調節物質及丙二醛含量Table 3 Effects of salt stress on osmoregulation substances and MDA content of tested plants

2.4 鹽脅迫對幼苗抗氧化物酶活性的影響

供試植物葉片和根系SOD 活性隨鹽梯度的增加顯著增加（P<0.05），鹽濃度為1.2%時增至最高，各供試植物間差異顯著（P<0.05），且CB 的葉片、PA 的根系SOD 活性較CK 增幅最大，TR 的葉片、TP 的 根系SOD 活性較CK 增幅最小；除TP 外，其余植物葉片SOD 活性均高于根系。葉片和根系POD 和CAT 活性均隨著鹽濃度的增加先升高后降低（P<0.05），在鹽濃度為0.80%時達到峰值，各供試植物間差異顯著（P<0.05），其中LM 的葉片、CB 的根系POD 活性較CK 增幅最大，PA 的葉片和根系較CK 增幅均最??；CB 的葉片、FA 的根 系CAT 活性較CK 增幅 最高，FA的葉片、CB 的根系增幅最低。同一鹽濃度下，葉片POD 活性均大于根系，而葉片和根系CAT 活性無明顯變化規律（表4）。

表4 鹽脅迫下供試植物抗氧化物酶活性Table 4 Effects of salt stress on antioxidant enzyme activities of tested plants U/g

2.5 主成分分析

前5 個主成分的貢獻率分別為26.14%、25.16 %、14.26%、8.08 %、7.45 %，累計貢獻率為81.08%。其中第1、2、3、4、5 主成分各自的特征值分別為4.966、4.780、2.708、1.535、1.415，對應較大的特征向量分別是根系活力、葉綠體色素、過氧化物酶，過氧氫化酶葉片相對含水量，因此這5 個指標可作為供試植物耐鹽性篩選與評價的重要指標（表5）。

表5 各綜合指標特征值及貢獻率Table 5 The eigenvalue and contribution of each comprehensive index

2.6 綜合評價和聚類分析

通過主成分分析，提取出5 個主成分，計算其權重Wj，5 個主成分的權重分別為0.322、0.310、0.176、0.100、0.092（表6）。計算耐鹽綜合評價值D值，并根據D值大小對其耐鹽性進行排序，其耐鹽性強弱順序為：TR>LP>FA>FR>CB>TP>LM>PA。采用歐式距離平方及系統聚類法對D 值進行系統聚類分析（圖1），將8 種植物劃分為3 類。第1 類為FA、TR和LP，屬于耐鹽型植物；第2 類為TP、FR 和CB，屬于中等耐鹽型植物；第3 類為LM 和PA，屬于鹽敏感型植物。

表6 供試植物的綜合指標值、權重、D值及排序Table 6 Comprehensive value，weight，Dvalue and order of tested plants

圖1 供試植物D值聚類圖Fig.1 Cluster map of tested plants based onDvalue

3 討論

3.1 供試植物對鹽脅迫的形態響應

根系是吸收與傳送水分和植物營養物質的主要器官，其形態結構可直接反映植物根系的生長狀況［14-15］。陳曉晶等［16］研究表明，在分蘗期、拔節期、抽穗期和灌漿期，耐鹽品種白燕2 號燕麥其地上部及地下部干重、根總長度、根表面積、根體積及根平均直徑均高于鹽敏感品種白燕5 號燕麥。本研究表明，鹽脅迫下，綠寶石多年生黑麥草（LP）的株高和根長及瑞文德、白三葉（TR）的根尖數均高于其他植物，這可能是LR 和TR 耐鹽能力較強的原因之一。

3.2 供試植物對鹽脅迫的生理響應

根系活力是衡量根系功能的主要指標之一，可在一定程度上反映植物對水分和礦物質的代謝能力，廉華等［17］研究認為植物在逆境中會降低根系活力。葉綠體是植物進行光合作用的主要場所，鹽脅迫降低了葉綠素含量，其降低程度與脅迫程度呈正相關［18］，其主要原因是鹽脅迫提高了葉綠素酶活性，促進了葉綠素降解［19］，使葉綠素含量減少進而降低植株光合同化能力。本研究表明，鹽脅迫下岷山紅三葉（TP）葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、葉綠體色素含量均高于其他植物，而優異早熟禾（PA）的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b、葉綠體色素含量均較小，說明植物TP 比PA更有利于光合產物的大量積累，最終提高植株耐鹽能力。

不同植物耐鹽能力取決于其遺傳和生理生化特性及鹽暴露時間［20］。Fu 等［21］研究認為，鹽脅迫會破壞植物細胞膜透性和完整性，引起膜脂過氧化和膜透性增大。本研究中，鹽脅迫下植物FA 的MDA 含量較低，大花波斯菊（CB）的MDA 含量較高，其他植物居中，這與植物在細胞內部積累一些可溶性滲透調節物質（如脯氨酸、可溶性糖）以降低胞內滲透勢，使其在鹽逆境下仍能吸收水分有關［22-23］。本研究中供試植物葉片、根系可溶性糖、脯氨酸含量均隨鹽濃度增加顯著增加，且耐鹽性較強的LP、FR、FA 的脯氨酸含量增幅較大，耐鹽性較弱的LM、CB、PA 的脯氨酸含量增幅較小，表明Pro 含量升高更有助于提高植物的耐鹽性，這與姜瑛等［24］對燕麥耐鹽性的研究結論一致。

逆境條件下，植物體內的防御系統會通過SOD、POD 等抗氧化酶的協同作用清除體內過剩的活性氧來維持平衡［25］。本研究表明，鹽脅迫后各植物葉片、根系SOD、POD 和CAT 活性均高于無鹽對照，一定程度上使得活性氧清除速度快于其產生速度，受損的膜得到修復，緩解了鹽害。逆境條件下葉片相對含水量可反映植物的保水能力。本研究中，鹽脅迫下TR和TP 的葉片含水量基本上高于CK，表明葉片保水能力相對較好。

植物耐鹽性是一個復雜的過程，為避免利用單項指標描述植物耐鹽局限性，本試驗通過主成分分析，將各單項指標劃分為具有代表性的綜合指標，采用5個綜合指標分析不同植物的耐鹽特性，此方法已在植物抗逆性評價中得到廣泛應用［26］，能較全面的反映各植物的耐鹽能力，并對不同植物的耐鹽性有一個正確合理的評價。

4 結論

供試植物耐鹽性與其形態特征和生理生化特性密切相關，綜合評價得出供試植物的耐鹽性強弱順序為：白三葉>多年生黑麥草>高羊茅>紫羊茅>波斯菊>紅三葉>一年生黑麥草>早熟禾，其結果可為鹽漬化地區園林綠化提供一定的技術支持。