不同鹽堿脅迫下小黑麥幼苗的生理生化響應

孫業奇 魏進華

1.貴州省林業科學研究院，貴州 貴陽 550002；2.北華大學林學院，吉林 吉林 132013

0 引言

鹽堿地是在某種特定的自然條件或者人為條件下形成的［1］。作為世界上鹽堿地較多的國家之一［2］，我國的鹽漬化土地面積約為9.913×107hm2，作為農業用地的鹽堿地面積高達8.913×106hm2［3］。隨著人口增多，糧食安全壓力增大，人與土地矛盾日益突出，鹽漬化土地已成為我國重要的后備土地資源［4］。小黑麥是人工培育的一個新物種，不僅營養價值較高，還具有較強的抗逆性。小黑麥不僅可用作高質量的飼料，也可以作為糧食供人們食用。不論從經濟價值還是從生態價值上講，小黑麥都有很大應用優勢。因此，研究鹽堿地小黑麥的種植對糧食產業的發展，飼料、保健食品的生產都具有重要意義，不僅可以提高土地利用率，還能增加糧食產量［5］。

有學者為篩選出最優耐鹽堿品種，研究了混合鹽堿脅迫下不同品種小黑麥種子及其幼苗的耐鹽堿特性。而關于同種小黑麥對于不同種類、不同濃度的鹽堿脅迫的研究還沒有相關報道。篩選出適應性強、耐鹽堿的農作物種類及品種是合理利用鹽堿地的有效途徑［6］。因此，研究小黑麥對不同種類的鹽堿地的適應性生長顯得格外重要。

筆者通過對比試驗，研究鹽堿脅迫下小黑麥幼苗的生理生化響應，探究在中性鹽、堿性鹽及鹽堿混合不同種類、不同濃度溶液處理下小黑麥幼苗的適應能力，綜合評定其耐鹽堿能力，為日后鹽堿地的小黑麥種植提供基礎數據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

2019 年5 月中旬，在北華大學東校區林學院園林試驗田，選擇無遮光、通風良好的試驗地進行試驗研究。試驗培養基質為砂壤土，小黑麥品種為冬牧70。盆土pH 值在6.67～6.80，每盆播50粒小黑麥種子。對小黑麥幼苗進行正常養護，當幼苗長出三葉一心時，取生長良好、大小相同的幼苗作為試驗材料進行處理。

1.2 試驗設計

試驗設計中性鹽（NaCl）、堿性鹽（Na2CO3）、混合鹽（NaCl/Na2CO3）3 組不同脅迫處理，每組設置4 個濃度梯度，分別為50、100、150、200 mmol/L，對照為蒸餾水（CK），每個處理設5 個重復。為了使幼苗對高濃度的鹽堿脅迫有緩沖時間，所有處理全部先用低濃度梯度鹽溶液培養，逐漸增高鹽溶液濃度，最終達到最高設置濃度。

使用pH計分別測定鹽堿溶液pH值和土壤pH值，測定結果如表1 所示。先對盆土進行灌溉試驗，觀測對同規格盆土澆透又不外流的最佳溶液量，保證在處理各組幼苗的時候鹽溶液不會外流。在所有處理達到鹽溶液最高濃度的21 d 后，取各組中長勢相同的各個植株的相同部位功能葉開始測定相關生化指標。

表1 處理液和土壤pH值測定結果

1.3 測定指標與方法

1.3.1 生化指標的測定。用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量，用茚三酮沸水浴加熱法測定脯氨酸含量，用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量，用丙酮浸提法測定葉綠素含量。生化指標的測定均采用劉萍等［7］的試驗方法，每個指標隨機取各處理組植物同部位葉片，每盆取0.1 g葉片測定各生化指標。

1.3.2 生理指標的測定。9 月下旬到10 月上旬，選擇晴天將規格相近、生長健康的3 盆植株，應用Li6400 型便攜式光合測定儀測定小黑麥光合作用、蒸騰作用等生理指標。測定時需要利用大氣CO2濃度，并將光照強度設定為2 200、2 000、1 800、1 600、1 400、1 200、1 000、800、600、400、200、100、80、60、40、20 μmol（/m2·s）及0 μmol（/m2·s）等17 個 梯 度。Li6400型便攜式光合測定儀會自動記錄植株凈光合速率、蒸騰速率等光合生理參數。上述試驗均重復3 次，計算平均值。

1.4 數據處理與分析

用Excel 2016 對各項生化指標的數據進行處理，用SPSS19.0 進行差異顯著性分析（采用單因素方差分析）。

2 試驗結果與分析

2.1 不同鹽堿脅迫對小黑麥葉片脯氨酸含量的影響

脯氨酸是植物體內主要的滲透壓調節物質，植物的抗逆性與脯氨酸的累積量呈正相關［6］。由表2可知，3 種鹽堿脅迫處理下的小黑麥葉片脯氨酸含量與對照呈顯著差異（P＜0.05），脅迫處理組的脯氨酸含量均高于對照組。中性鹽溶液濃度在50～150 mmol/L 時，不同濃度脅迫處理組間差異不顯著；濃度在200 mmol/L時，與低濃度處理差異顯著。在堿性鹽脅迫處理下，葉片中脯氨酸的含量隨著鹽濃度的升高顯著增加，不同濃度處理之間差異顯著。在混合鹽脅迫下，高濃度與低濃度組處理差異顯著，而低濃度組（50～100 mmol/L）間差異不顯著。根據試驗結果可知，在3 種脅迫處理中，混合鹽處理對于小黑麥的傷害最大。

2.2 不同鹽堿脅迫對小黑麥葉片可溶性蛋白含量的影響

植物在適應鹽漬環境的過程中會產生可溶性蛋白，且可溶性蛋白在細胞中的溶解度較大。在鹽漬情況下，可溶性蛋白含量的增加能夠使細胞質濃度變大，使植物的吸水能力變強，從而增強植物的耐鹽能力［8］。由表3 可知，除鹽堿混合脅迫外，單一鹽堿脅迫下低濃度（50～100 mmol/L）各處理差異不顯著，說明低濃度的鹽堿脅迫不會導致小黑麥幼苗葉片中可溶性蛋白含量增大；但高濃度的鹽堿脅迫則會導致小黑麥葉片可溶性蛋白含量顯著增高。也就是說，在高濃度的鹽堿脅迫下，小黑麥可溶性蛋白含量可以作為評價其耐鹽能力的生化指標之一。但高濃度的不同處理之間（150～200 mmol/L）差異不顯著，說明高濃度的脅迫處理會導致小黑麥可溶性蛋白含量升高，但隨著脅迫的加重，變化差異不大。

表3 3種鹽堿脅迫下小黑麥葉片可溶性蛋白的含量

2.3 不同鹽堿脅迫對小黑麥葉片葉綠素a、b濃度之和的影響

葉綠素是植物光合作用所不可缺少的組分［9］。小黑麥受鹽堿脅迫，葉綠素合成會受到影響，進而影響小黑麥幼苗的正常生長。

由表4 可知，在3 種鹽堿脅迫下，小黑麥葉片葉綠素a、b 濃度之和整體呈下降趨勢，且脅迫處理組與對照相比呈顯著差異。其中，中性鹽和堿性鹽處理下各濃度處理組之間差異不顯著。這說明在單一中性鹽或堿性鹽的脅迫下，葉綠素含量并不隨著脅迫的加重而產生較大的變化。而在混合鹽脅迫下，小黑麥葉片葉綠素含量與對照相比顯著降低，且不同濃度處理之間差異顯著。這說明在混合鹽脅迫下，葉綠素含量隨著脅迫的加重而產生較大的變化，最高濃度脅迫下葉綠素相比對照下降54%。

表4 3種鹽堿脅迫下小黑麥葉片葉綠素a、b濃度之和

2.4 不同鹽堿脅迫對小黑麥葉片丙二醛含量的影響

植物遭受逆境脅迫時，細胞膜會先受到傷害。丙二醛（MDA）是植物膜脂過氧化的產物，丙二醛含量越高，植物受傷害的程度越大［10］。

由表5 可知，小黑麥幼苗在受到3 種鹽堿脅迫時，其葉片中的丙二醛含量均與對照組相比增多且差異顯著。其中，高濃度（150、200 mmol/L）單一鹽堿脅迫處理組差異不顯著。兩種單一鹽溶液濃度在150 mmol/L時，小黑麥葉片中的丙二醛含量達到最高；溶液濃度升高至200 mmol/L 時，小黑麥葉片丙二醛含量有所降低，可能是因為在高濃度下小黑麥可能適應了鹽堿環境，也可能是植物不再適宜在此環境下生存，膜脂被徹底破壞。混合鹽溶液濃度在50～150 mmol/L 時，各處理差異不顯著；溶液濃度升至200 mmol/L 時，丙二醛含量繼續升高且與前3 種低濃度處理差異顯著。這說明在鹽堿雙重脅迫下，小黑麥葉片細胞膜過氧化嚴重，積累了大量的丙二醛，不管是低濃度還是高濃度下，對小黑麥幼苗傷害都非常嚴重，且隨著濃度的增加而增加。

表5 3種鹽堿脅迫下小黑麥葉片丙二醛含量

2.5 不同鹽堿脅迫對小黑麥光合速率的影響

由圖1、2、3 可知，在鹽堿脅迫下，小黑麥的光合速率整體呈增大趨勢。其原因可能是小黑麥通過增強光合速率積累更多的有機物，以抵抗鹽堿脅迫。其中，在中性鹽150 mmol/L 濃度處理下，小黑麥的光合速率低于對照，可能是在此種濃度下，小黑麥生理功能受到嚴重的損害，無法再通過提高光合速率來對抗脅迫；在混合鹽50～100 mmol/L 低濃度處理下，小黑麥的光合速率低于對照。在溶液濃度為200 mmol/L 時，3 組鹽堿脅迫處理組在一定光照強度范圍內光合速率又開始高于對照，可能是在繼續升高溶液濃度時，小黑麥開始逐步適應鹽堿環境，恢復了光合作用。

圖1 中性鹽處理對小黑麥葉光合速率的影響

圖2 堿性鹽處理對小黑麥葉光合速率的影響

圖3 混合鹽處理對小黑麥葉光合速率的影響

2.6 不同鹽堿脅迫對小黑麥蒸騰速率的影響

由圖4、5、6 可知，在不同光照強度下，不同脅迫處理組的小黑麥蒸騰速率存在差異。其中，在高濃度混合鹽處理下，小黑麥幼苗幾乎停止了蒸騰作用（以減少水分蒸發，緩解脅迫帶來的影響）；而在低濃度中性鹽處理下，個別光照強度區間蒸騰速率要高于對照組；在堿性鹽脅迫下，小黑麥幼苗蒸騰作用的減弱程度要大于中性鹽脅迫，而混合鹽脅迫處理的減弱程度最大。這說明小黑麥在鹽堿脅迫下關閉氣孔，減少水分的蒸發，以緩解脅迫的危害。與對照相比，小黑麥幼苗的光合速率隨著鹽堿溶液濃度的增加有增強的趨勢，原因可能是小黑麥為了應對鹽堿脅迫而提高光合速率，以積累有機物，緩解脅迫造成的傷害。從以上試驗結果來看，在鹽堿脅迫時，小黑麥一方面提高光合速率來積累有機物，另一方面降低蒸騰速率，減少水分蒸發，以抵抗脅迫造成的影響。

圖4 堿性鹽處理對小黑麥葉蒸騰速率的影響

圖5 中性鹽處理對小黑麥葉蒸騰速率的影響

圖6 混合鹽處理對小黑麥葉蒸騰速率的影響

3 結論與討論

在鹽堿脅迫下，植物抗鹽堿的生理反應機制復雜，并不是采用單一方式來適應或者抵抗脅迫，而是多種生理生化反應變化互相協調、互相作用來適應環境的脅迫［11］。

在鹽堿脅迫下，小黑麥幼苗細胞內滲透壓失衡，細胞膜被破壞，導致細胞膜的選擇透過性喪失。為了應對這種滲透壓的失衡，植物開始生成滲透壓調節物質脯氨酸和可溶性蛋白。與中性鹽相比，堿性鹽作用下的小黑麥葉片脯氨酸和可溶性蛋白含量積累地更多。在3 種鹽脅迫下，小黑麥細胞膜質都會遭到破壞，脅迫處理組丙二醛含量均高于對照組；而高濃度處理下的丙二醛濃度有所降低，可能是因為植物在慢慢適應鹽堿環境，細胞膜脂的氧化程度降低，也可能是植物不再適宜在此環境下生存，膜脂被徹底破壞。在混合鹽脅迫下，小黑麥葉片葉綠素含量與對照相比顯著降低，且不同溶液濃度處理之間差異顯著，說明在混合鹽的脅迫下，葉綠素含量隨著脅迫的加重而產生較大變化，最高濃度脅迫下葉綠素相比對照下降54%。在鹽堿脅迫下，小黑麥的光合速率整體呈上升趨勢，光合速率增強積累有機物，以抵抗脅迫的威脅；而脅迫處理組蒸騰速率整體呈下降趨勢，說明小黑麥在鹽堿脅迫下關閉氣孔，減少水分的蒸發，以緩解脅迫帶來的危害。