王紅寶,鄭伶杰,丁丁,丁馮潔,郭艷超
(河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所/河北省鹽堿地綠化工程技術(shù)研究中心,河北 唐山 063200)
土壤鹽漬化是當(dāng)前重要的生態(tài)環(huán)境問題,也是制約農(nóng)林業(yè)發(fā)展的重要因素[1,2]。篩選和培育耐鹽植物是鹽漬化土壤改良的有效生物措施,投入成本低,又能實(shí)現(xiàn)鹽漬土可持續(xù)開發(fā)利用。檉柳屬(TamarixLinn.)植物作為鹽漬化土壤綠化造林的先鋒樹種,具有抗旱、抗寒、耐鹽堿等優(yōu)良特性[3],對(duì)防風(fēng)固沙、改善土質(zhì)等方面有著重要作用,在沿海生態(tài)環(huán)境建設(shè)中占有突出地位[4]。因此,開展檉柳屬植物耐鹽生理機(jī)制方面的研究具有重要意義。
鹽脅迫是影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子,對(duì)植物造成的傷害主要表現(xiàn)在吸水困難、生物膜破壞、離子毒害、氧化損壞和滲透脅迫等[5-7]。近年來,關(guān)于檉柳屬植物耐鹽相關(guān)的研究較多,如:鹽堿脅迫對(duì)檉柳、杜仲(Eucommia ulmoidesOliver.)和沙棗(Elaeagnus angustifoliaLinn.)等樹種葉綠素、丙二醛和總有機(jī)酸含量等生理生化指標(biāo)的影響[8];鹽脅迫下4 個(gè)檉柳品系的生理特性以及利用隸屬函數(shù)法對(duì)它們進(jìn)行的耐鹽性評(píng)價(jià)[9];一年生檉柳根系生理生態(tài)特性對(duì)不同鹽分條件的響應(yīng)[10]。
可以看出,以上研究主要集中在檉柳與其它不同樹種、檉柳同一樹種無性系間的耐鹽性比較上,且研究區(qū)域主要分布在西北干旱、半干旱地區(qū),而關(guān)于濱海地區(qū)不同檉柳屬植物幼苗對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)及種間耐鹽性差異研究鮮有報(bào)道。鑒于此,本研究以7 種檉柳屬植物為材料,測(cè)定分析其在NaCl 脅迫下的幼苗株高、葉片質(zhì)膜透性、抗氧化酶活性及K+、Na+含量等生長(zhǎng)生理指標(biāo),采用主成分分析法、隸屬函數(shù)法及回歸分析法進(jìn)行檉柳屬植物苗期耐鹽性綜合評(píng)價(jià),為今后該屬植物的耐鹽性評(píng)價(jià)鑒定及耐鹽育種提供理論依據(jù)。
供試材料為7 種檉柳屬植物,分別為長(zhǎng)穗檉柳(Tamarix elongataLedeb.)、剛毛檉柳(Tamarix hispidaWilld.)、多枝檉柳(Tamarix ramosissimaLedeb.)、白花檉柳(Tamarix androssowiiLitw.)、甘肅檉柳(Tamarix gansuensisH. Z. Zhang)、甘蒙檉柳(Tamarix austromongolicaNakai)和密花檉柳(Tamarix arceuthoidesBunge)。
本試驗(yàn)于2020年5月在河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所綜合試驗(yàn)站進(jìn)行。該地日均溫(25±3)℃。剪取長(zhǎng)度約15 cm、直徑約1 cm 的枝條,扦插于裝有草炭∶蛭石∶珍珠巖=1∶2∶1(體積比)基質(zhì)的無紡布袋中。培養(yǎng)50 d 后,選取長(zhǎng)勢(shì)良好、無病蟲害的植株移栽于底部帶托盤的塑料花盆(盆高28 cm,上口直徑28 cm,下口直徑20 cm)中。盆栽基質(zhì)為蛭石,每盆3 株,然后放置于耐鹽鑒定池內(nèi)進(jìn)行常規(guī)管理。
緩苗后,選擇整齊一致、生長(zhǎng)健壯的幼苗進(jìn)行鹽脅迫處理。以1/2 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液為本底,按比例配制成不同梯度的NaCl 溶液,采用過量灌溉盆栽法進(jìn)行鹽脅迫處理。試驗(yàn)共設(shè)6 個(gè)處理,其NaCl 濃度分別為0(對(duì)照)、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%。每盆檉柳作為1 個(gè)重復(fù),每處理重復(fù)3 次。每3 d 澆灌1 次,上午10 時(shí)左右進(jìn)行。
試驗(yàn)期間,利用便攜式土壤三參測(cè)試儀(EasyTest)對(duì)土壤水分及含鹽量進(jìn)行監(jiān)控,底部托盤中的滲水及時(shí)返還盆中。鹽脅迫處理40 d 后采集各植株上部的功能葉片進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。
將選取的葉片用蒸餾水沖洗干凈并吸干水分后稱取鮮重,105℃下殺青1 h 后80℃烘干至恒重稱取干重。株高:于試驗(yàn)結(jié)束時(shí)用鋼卷尺測(cè)得。葉片含水量測(cè)定采用烘干法[11],質(zhì)膜透性測(cè)定使用電導(dǎo)率儀[12],超氧化物歧化酶(SOD)活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法[13],過氧化氫酶(CAT)活性測(cè)定采用紫外吸收法[13],K+、Na+含量測(cè)定采用原子吸收分光光度法[14]。
數(shù)據(jù)整理與分析采用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行。采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行主成分分析、隸屬函數(shù)分析和回歸分析。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算參照文獻(xiàn)[15]。
1.4.1 主成分分析 先對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無綱量化,之后對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。采用最大方差法,按照累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的標(biāo)準(zhǔn)提取主成分,得到各指標(biāo)的系數(shù)及綜合評(píng)價(jià)值。
1.4.2 隸屬函數(shù)分析 計(jì)算公式如下:

式中:Xj表示第j 個(gè)因子的得分值,Xmin表示第j個(gè)因子得分的最小值,Xmax表示第j 個(gè)因子得分的最大值。
1.4.3 權(quán)重分析 計(jì)算公式如下:

式中:Wj表示第j 個(gè)公因子在所有公因子中的重要程度即權(quán)重,Pj為各處理組合第j 個(gè)公因子的貢獻(xiàn)率。
1.4.4 綜合評(píng)價(jià) 計(jì)算公式如下:

式中:D 值為耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值。
由表1 可知,隨著NaCl 濃度升高,密花檉柳株高呈降低趨勢(shì),其余材料均呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。在0.3%~0.9% NaCl 脅迫下,這6 種檉柳屬植物株高均有不同程度的增長(zhǎng)。NaCl 濃度為0.6%時(shí)多枝檉柳、白花檉柳和甘蒙檉柳株高達(dá)到最大值,NaCl 濃度為0.9%時(shí)長(zhǎng)穗檉柳、剛毛檉柳和甘肅檉柳株高增至最大值,NaCl 濃度高于1.2%時(shí)各材料株高均受到抑制,且低于對(duì)照,其中長(zhǎng)穗檉柳和剛毛檉柳株高受抑制程度最小,降幅僅為5.56%、9.72%。

表1 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物株高的影響(cm)
由表2~表4 可以看出,隨著NaCl 濃度增加,7 種檉柳屬植物葉片鮮重、干重及含水量均呈先上升后下降趨勢(shì)。0.3%、0.6% NaCl 脅迫下,葉片鮮重、干重和含水量均有不同程度的提高;0.9%NaCl 脅迫下,甘蒙檉柳的葉片鮮重和干重均達(dá)到最大,分別比對(duì)照增加112.15%、58.19%;NaCl 濃度增至1.2%,整體上大多數(shù)檉柳屬植物的葉片鮮重、干重和含水量未出現(xiàn)顯著下降,說明其仍能維持正常生長(zhǎng)所需水分;1.5% NaCl 脅迫下,各材料葉片鮮重、干重和含水量出現(xiàn)大幅下降趨勢(shì),其中密花檉柳的降幅最大,分別下降53.42%、38.89%和28.02%。可見,低濃度鹽脅迫可以促進(jìn)檉柳屬植物幼苗生長(zhǎng)和葉片含水量的積累,但隨著脅迫強(qiáng)度的增大,植株生長(zhǎng)受到明顯抑制。

表2 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物葉片鮮重的影響(g/株)

表3 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物葉片干重的影響(g/株)

表4 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物葉片含水量的影響(%)
如圖1 所示,隨著NaCl 脅迫加重,7 種檉柳屬植物葉片質(zhì)膜透性呈逐漸增加趨勢(shì),其中,甘蒙檉柳各處理均與對(duì)照差異不顯著。0.3%、0.6%NaCl 脅迫下,除密花檉柳外其它6 種檉柳屬植物葉片質(zhì)膜透性變化平穩(wěn),與對(duì)照差異不顯著(P<0.05);0.9%、1.2% NaCl 脅迫下,長(zhǎng)穗檉柳、多枝檉柳和密花檉柳均與對(duì)照差異顯著(P<0.05);1.5% NaCl 脅迫下,除甘蒙檉柳外6 種檉柳屬植物葉片質(zhì)膜透性顯著提高,分別比對(duì)照高出86.96%、57.14%、56.00%、11.69%、32.65% 和86.36%。以上表明甘蒙檉柳的細(xì)胞膜受NaCl 脅迫的影響較小,長(zhǎng)穗檉柳和密花檉柳受NaCl 脅迫的影響較大。

圖1 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物葉片質(zhì)膜透性的影響
由表5 可知,隨著NaCl 濃度升高,7 種檉柳屬植物葉片Na+含量均出現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì),說明各材料間的耐鹽能力存在差異。除長(zhǎng)穗檉柳外,其它檉柳屬植物在0.9%~1.5% NaCl 處理下均與對(duì)照差異顯著(P<0.05),1.5% NaCl 脅迫下甘肅檉柳葉片Na+含量比對(duì)照增加1.05 倍,而甘蒙檉柳葉片Na+含量增加60.41%。

表5 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物葉片Na+含量的影響(mg/g)
由表6 可知,葉片K+含量隨著NaCl 濃度升高而逐漸降低,在0.3%~0.9% NaCl 脅迫下,各檉柳屬植物葉片K+含量下降比較緩慢,除多枝檉柳外降幅均無顯著差異;當(dāng)NaCl 濃度增至1.5%時(shí)葉片K+含量大幅下降,與對(duì)照相比,多枝檉柳和甘蒙檉柳葉片K+含量分別下降61. 12% 和62.78%,表明兩者受高濃度NaCl 脅迫影響較大。

表6 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物葉片K+含量的影響(mg/g)
由表7 可知,隨著NaCl 脅迫增強(qiáng),7 種檉柳屬植物葉片的Na+/K+值整體呈上升趨勢(shì)。其中,除長(zhǎng)穗檉柳外,其它材料葉片的Na+/K+值均與對(duì)照存在顯著差異,1.5% NaCl 脅迫下各檉柳屬植物葉片的Na+/K+值達(dá)到最高,其增幅由高到低依次為多枝檉柳、甘蒙檉柳、白花檉柳、剛毛檉柳、甘肅檉柳、密花檉柳和長(zhǎng)穗檉柳,分別比對(duì)照增3.82、2.83、2.48、2.22、1.68、1.00 倍和91%。

表7 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物葉片Na+/K+的影響
由圖2 可知,隨著NaCl 脅迫程度的加劇,7種檉柳屬植物葉片SOD、CAT 活性的變化趨勢(shì)一致,均呈先升高后下降趨勢(shì)。其中,長(zhǎng)穗檉柳和剛毛檉柳在0.6% NaCl 處理下SOD、CAT 活性達(dá)到峰值;多枝檉柳、白花檉柳、甘肅檉柳和甘蒙檉柳在0.9% NaCl 處理下SOD、CAT 活性增至最高值,且與對(duì)照差異顯著(P<0.05),表明在此NaCl 濃度處理下這些檉柳屬植物SOD、CAT 活性達(dá)到最大耐受值;密花檉柳SOD、CAT 活性則分別在1.2%、0.9% NaCl 處理下達(dá)到峰值。除密花檉柳外,其它檉柳屬植物1.2%、1.5% NaCl 處理下SOD、CAT 活性與最高值時(shí)相比顯著下降(P<0.05),且1.5% NaCl 處理下均降至最低,其中SOD、CAT 活性降幅最小的是長(zhǎng)穗檉柳和剛毛檉柳,降幅分別為75.28%、32.81%。以上說明檉柳屬植物幼苗受到低濃度鹽脅迫時(shí),細(xì)胞能迅速啟動(dòng)抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng),但在高濃度鹽脅迫下,抗氧化保護(hù)酶活性雖在增加,但較輕度脅迫增幅下降。

圖2 NaCl 脅迫對(duì)不同檉柳屬植物葉片SOD和CAT 活性的影響
對(duì)7 種檉柳屬植物10 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,結(jié)果見表8。根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%標(biāo)準(zhǔn),提取了3 個(gè)主成分,其貢獻(xiàn)率分別為55.776%、24.842%和12.130%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.748%,表明這3 個(gè)綜合指標(biāo)代表供試材料10個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的大部分信息。另外,SOD 活性、Na+含量、CAT 活性的系數(shù)較高,分別為0.949、-0.984和0.824,表明這3 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)為各主成分的主要作用因子。

表8 各綜合指標(biāo)的系數(shù)及貢獻(xiàn)率
根據(jù)主成分分析結(jié)果,計(jì)算NaCl 脅迫下7 種檉柳屬植物的綜合指標(biāo)值CI(x)和隸屬函數(shù)值U(X),并運(yùn)用3 個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重(分別為0.601、0.268 和0.131)和隸屬函數(shù)值計(jì)算得到各材料的耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值(D),結(jié)果見表9。D 值的大小反映不同檉柳耐鹽能力的強(qiáng)弱,D 值越大,耐鹽能力越強(qiáng)。該方法能較為客觀地反映7 種檉柳屬植物的耐鹽性強(qiáng)弱。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)值排序,得出7 種檉柳屬植物的耐鹽能力由強(qiáng)到弱依次為:甘蒙檉柳、多枝檉柳、白花檉柳、甘肅檉柳、長(zhǎng)穗檉柳、密花檉柳和剛毛檉柳。其中甘蒙檉柳的耐鹽能力最強(qiáng),其次是多枝檉柳,剛毛檉柳的耐鹽能力最弱。

表9 各材料的綜合指標(biāo)值CI(x)、隸屬函數(shù)值U(X)、綜合評(píng)價(jià)值D 和預(yù)測(cè)值VP
將綜合評(píng)價(jià)D 值及各單項(xiàng)指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行逐步回歸分析,獲得最優(yōu)回歸方程為Y =0.572X6-0.366X7+0.098X10-0.103(R2=0.998,F(xiàn)=430.252),式中,X6、X7、X10分別代表Na+含量、K+含量和CAT 活性,表明X6、X7和X10這3 個(gè)指標(biāo)對(duì)7 種檉柳屬植物耐鹽性有顯著影響。根據(jù)上述回歸方程計(jì)算得到的耐鹽性預(yù)測(cè)值(VP),與綜合評(píng)價(jià)值(D)得到的結(jié)果基本一致,兩者差值為-0.023~0.019。這說明在與本研究相同的試驗(yàn)條件下,可通過測(cè)定這3 項(xiàng)指標(biāo)預(yù)測(cè)檉柳屬植物的耐鹽能力。
植株的生長(zhǎng)狀況可直觀體現(xiàn)出植物的鹽害程度,葉片含水量能真實(shí)地反映植物體內(nèi)水分虧缺情況。本研究顯示,7 種檉柳屬植物株高及葉片的鮮干重、含水量均隨NaCl 脅迫增強(qiáng)呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。這說明低鹽脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)和葉片含水量的積累有一定的促進(jìn)作用,但隨著NaCl 脅迫強(qiáng)度的增大,植株能通過減緩生長(zhǎng)等來應(yīng)對(duì)逆境,也可能是持續(xù)的鹽脅迫使檉柳體內(nèi)產(chǎn)生離子毒害,造成葉片鮮干重和含水量降低,進(jìn)而抑制植株生長(zhǎng)[16]。
逆境脅迫下,植物的細(xì)胞膜最先受到傷害,質(zhì)膜透性可以反映細(xì)胞膜的受損程度[17]。本研究表明,7 種檉柳屬植物質(zhì)膜透性隨NaCl 脅迫的增強(qiáng)而增加。0.3%、0.6% NaCl 脅迫下,總體上質(zhì)膜透性基本趨于平穩(wěn),與對(duì)照差異不顯著;當(dāng)NaCl濃度增至1.5%時(shí),除甘蒙檉柳外,6 種檉柳屬植物葉片質(zhì)膜透性顯著增加,說明高濃度鹽脅迫導(dǎo)致質(zhì)膜損傷程度加大,滲透物質(zhì)外流,從而質(zhì)膜透性增大。這與鹽脅迫下3 個(gè)越橘(Vaccinum corymbosum)品種葉片細(xì)胞膜透性生理響應(yīng)結(jié)果一致[18]。
作為泌鹽型植物,檉柳在鹽脅迫環(huán)境下會(huì)吸收大量的Na+作為其主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[6],同時(shí)通過鹽腺選擇性吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)體內(nèi)K+,維持體內(nèi)離子平衡與滲透穩(wěn)定[19]。本研究中,隨著NaCl脅迫強(qiáng)度增大,Na+含量及Na+/K+值均呈上升趨勢(shì),K+含量卻逐漸降低,說明當(dāng)檉柳受到NaCl 脅迫時(shí),大量Na+進(jìn)入植物體內(nèi),造成植物對(duì)K+的選擇性吸收降低。可見,維持合理的Na+/K+值是植物的一種抗鹽機(jī)制,葉片中較低的Na+/K+值可以減少過量Na+造成的傷害,促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[20],而Na+/K+值過高會(huì)產(chǎn)生離子毒害,威脅植物正常生長(zhǎng)。
SOD、CAT 作為酶促防御系統(tǒng)中主要的保護(hù)酶,在清除植物體內(nèi)活性氧自由基中起著重要作用[21]。本研究中7 種檉柳屬植物SOD、CAT 活性均呈先升高后降低趨勢(shì),說明低濃度NaCl 脅迫下檉柳可以通過提高SOD、CAT 活性有效清除多余活性氧,防止大量電解質(zhì)外滲,保護(hù)質(zhì)膜透性和植株免受鹽害。但高濃度NaCl 脅迫超出幼苗葉片細(xì)胞忍耐活性氧的極限,加劇了膜脂過氧化作用,導(dǎo)致酶活性下降[22]。兩種酶活表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用,共同維持細(xì)胞內(nèi)自由基的平衡狀態(tài)。這與李星等[23]研究鹽脅迫對(duì)細(xì)穗檉柳抗氧化酶活性影響時(shí)得出的變化趨勢(shì)結(jié)果一致。
為全面、客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)檉柳屬植物的耐鹽性,應(yīng)從其形態(tài)、生理、生化等多方面指標(biāo)上進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。主成分分析、隸屬函數(shù)法等多種方法相結(jié)合的方式已廣泛應(yīng)用于柳樹(Salix)[24]、白榆(Ulmus pumilaL.)[25]等植物耐鹽性的評(píng)價(jià)上,成為綜合評(píng)價(jià)植物抗逆性的有效方法。本研究采用主成分分析法,將7 種檉柳屬植物苗期10 個(gè)指標(biāo)的相對(duì)值轉(zhuǎn)換成3 個(gè)彼此獨(dú)立的綜合指標(biāo),其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.748%。基于主成分分析結(jié)果,結(jié)合隸屬函數(shù)法得出綜合指標(biāo)值和隸屬函數(shù)值,進(jìn)而獲得檉柳屬植物苗期耐鹽性的綜合評(píng)價(jià)值(D值)。D 值是1 個(gè)[0,1]閉區(qū)間的無量綱系數(shù),增加了樣本間耐鹽性的可比性及準(zhǔn)確性[26],可直觀反映7 種檉柳屬植物的耐鹽性強(qiáng)弱與排序。本研究綜合評(píng)價(jià)得出,長(zhǎng)穗檉柳的綜合耐鹽能力高于剛毛檉柳,與梁維維等[27]的研究結(jié)果不一致。這可能與檉柳屬植物的耐鹽生理特征與泌鹽特征有關(guān),不同種類間及不同濃度的鹽生環(huán)境均可導(dǎo)致檉柳屬植物泌鹽量的差異[28],進(jìn)而影響其耐鹽性強(qiáng)弱。劉詠梅等[28]從株高、葉片相對(duì)含水量和離子含量等方面對(duì)3 種檉柳屬植物耐鹽性進(jìn)行比較,表明多枝檉柳的耐鹽能力高于甘肅檉柳,與本研究結(jié)果一致。為提高耐鹽性綜合評(píng)價(jià)效率,本研究通過逐步回歸分析建立了用于檉柳屬植物苗期耐鹽性的評(píng)價(jià)模型,發(fā)現(xiàn)Na+含量、K+含量和CAT 活性對(duì)檉柳屬植物耐鹽性有顯著影響,這與在柳樹[29]、衛(wèi)矛(Euonymus alantus)[30]等植物上的耐鹽鑒定指標(biāo)篩選結(jié)果一致。
綜上,隨著NaCl 脅迫強(qiáng)度增大,7 種檉柳屬植物葉片的質(zhì)膜透性、Na+含量及Na+/K+值呈上升趨勢(shì);其整體株高及葉片的鮮干重、含水量、SOD 活性和CAT 活性呈先上升后下降趨勢(shì),葉片K+含量呈下降趨勢(shì)。檉柳可以通過增強(qiáng)體內(nèi)抗氧化酶活性和選擇性吸收積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來適應(yīng)低濃度的NaCl 脅迫,當(dāng)NaCl 濃度超過檉柳屬植物的耐受能力,其株高、細(xì)胞膜、抗氧化酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)會(huì)受到破壞。綜合評(píng)價(jià)得出,7種檉柳屬植物的耐鹽性強(qiáng)弱依次為:甘蒙檉柳、多枝檉柳、白花檉柳、甘肅檉柳、長(zhǎng)穗檉柳、密花檉柳和剛毛檉柳。甘蒙檉柳和多枝檉柳可作為沿海地區(qū)鹽堿地改良和造林綠化的優(yōu)勢(shì)樹種。同時(shí)篩選出Na+含量、K+含量和CAT 活性可以作為評(píng)價(jià)檉柳苗期耐鹽性的主要單項(xiàng)指標(biāo)。