不同濃度鹽脅迫對黃瓜幼苗生長和生理代謝的影響

韓 冰， 徐 剛， 郭世榮， 賀超興， 孫艷軍， 高文瑞， 李德翠， 史瓏燕

(1.江蘇省農業科學院蔬菜研究所，江蘇 南京210014;2.南京農業大學園藝學院，農業部南方蔬菜遺傳改良重點開放實驗室，江蘇 南京210095;3.中國農業科學院蔬菜花卉研究所，北京100081)

土壤鹽漬化已成為制約農業生產的全球性問題，嚴重威脅農業的可持續發展。目前，全世界鹽漬化程度不斷加重的農業用地約有20%，預計2050年這個數字將會超過50%［1］。中國設施蔬菜的連年種植，加上生產過程中化肥的不合理施用和設施內封閉或半封閉的特定環境條件，造成設施土壤次生鹽漬化，不利于設施蔬菜的可持續高效生產。

土壤鹽漬化是目前影響作物生長和產量形成的主要限制因素［2］，這可能是因為鹽脅迫影響作物光合作用［3-5］和對水分［6］、養分［7］的吸收，從而影響植物體內氨基酸和蛋白質的合成，使作物生長發育受阻。鹽脅迫會引起滲透脅迫、離子毒害等原初效應以及營養虧缺、氧化脅迫等一系列次生脅迫［8］，造成植物代謝紊亂，增加滲調物質合成和積累及維持滲透勢的能耗，最終加速植物的衰老和死亡。已有研究表明，為了減輕鹽脅迫對植株造成的傷害，植物會合成可溶性蛋白、可溶性糖等滲透調節物質［9-10］，來提高其滲透調節能力;同時植株體內的酶促保護系統SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性升高［11］，以有效清除細胞內過多的活性氧自由基，緩解細胞的膜質過氧化作用，減輕鹽脅迫對植株造成的傷害。本試驗擬采用基質栽培，研究不同濃度NaCl 處理對黃瓜幼苗生長和光合特性、水分吸收和利用、抗氧化酶活性等生理代謝的影響，旨在探明土壤中不同鹽濃度對黃瓜幼苗生長和生理代謝的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗于2009 年9 ～10 月在中國農業科學院蔬菜花卉研究所進行，供試黃瓜(Cucumis sativusL.)品種為抗鹽性黃瓜品種新泰密刺，供試基質為混合基質(泥炭∶蛭石=1 ∶1，質量比)，采用高和直徑均為10 cm 的塑料營養缽進行栽培。試驗共設5 個不同濃度(0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%)的NaCl 脅迫處理。選取飽滿一致的種子浸種催芽，待種子發芽后播于裝有基質的營養缽中育苗，晝溫27 ～30 ℃、夜溫16 ～18 ℃。待幼苗達到兩葉一心后進行NaCl處理，每2 d 澆1 次鹽水，共處理4 次，為保證缽內鹽濃度，缽下放水盤，如有滲漏，將滲出液反倒回去。于處理后第10 d，進行葉片光合作用參數的測定;第12 d 取葉片和根系，進行相關生理指標的測定，每處理分別取5 株，剪取幼苗根組織和生長點下第2片展開真葉測定，重復3 次。第14 d 對各植株株高、莖粗、地上部和地下部干鮮質量等生長指標進行測定，每處理5 株，重復3 次。

1.2 測定方法

測量幼苗從子葉到生長點的高度，記為株高;測量幼苗與子葉展開方向平行的子葉節的粗度，記為莖粗;分別取幼苗地上部和地下部，用清水沖洗表面雜物，再用去離子水沖洗干凈，擦干水分后，稱鮮質量，105 ℃殺青15 min，75 ℃烘至恒重，稱干質量。

質膜透性測定參照李振國［12］的方法，用相對電導率表示，相對電導率=煮前電導率/煮后電導率×100%表示;MDA 含量采用Herth 等［13］硫代巴比妥酸法;O2·-產生速率采用王愛國等［14］的方法測定;SOD活性按Giannopolitis 等［15］的方法測定;POD活性按照曾韶西等［16］的方法測定;CAT活性采用Dhindsa 等［17］的方法測定;可溶性蛋白含量采用Bradford［18］考馬斯亮藍G-250 法測定。

用LI-6400XT 型便攜式光合測定系統于上午9 ∶00 ～11 ∶30 測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。測量時采用開放氣路，CO2采自溫室外相對穩定的3 ～4 m高的空氣中，利用6400 PS 提供光照，光量子通量密度(PFD)設定為1 000 μmol/(m2·s)(人工光源)，葉室溫度控制在(25±1)℃，CO2濃度為(380±10)μmol/mol，相對濕度(RH)為50%。利用公式Ls=1-Ci/Ca(Ca為空氣中CO2濃度)和WUE=Pn/Tr分別計算氣孔限制值(Ls)和水分利用率(WUE)。

試驗數據采用SAS 軟件Duncan 氏多重比較法進行統計分析。

2 結果

2.1 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗生長的影響

由表1 可以看出，在不同濃度NaCl 處理下，黃瓜植株的株高、莖粗、地上部和地下部干鮮質量均顯著低于對照，降低幅度隨NaCl 濃度的增加而增大。其中，株高和干質量的變化最為明顯，0.3%、0.6%、0.9%和1.2% NaCl 處理下，黃瓜幼苗株高分別比對照降低16.45%、30.28%、51.91%和54.71%，地上地下總干質量比對照降低13.3%、35.01%、45.05%和59.81%，表明隨著鹽脅迫濃度的增加，黃瓜幼苗的生長量顯著降低，生長受到鹽脅迫的抑制程度顯著增大。

表1 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗生長指標的影響Table 1 Effects of different NaCl concentrations on growth indexes of cucumber seedlings

2.2 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗質膜透性的影響

由圖1 可知，各濃度NaCl 處理下黃瓜幼苗葉片和根系相對電導率呈逐漸升高的趨勢，且升高幅度隨NaCl 處理濃度的增加而增大。其中，葉片相對電導率變化尤其明顯，0.3%、0.6%、0.9% 和1.2%NaCl 處理下的黃瓜幼苗葉片相對電導率分別為對照的1.16、1.51、1.77 和1.99 倍。說明葉片受鹽脅迫的影響明顯大于根系。

2.3 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗光合特性和水分利用的影響

由表2 可以看出，在不同濃度NaCl 處理下，黃瓜幼苗Pn、Tr、WUE均顯著降低，且下降幅度隨NaCl 濃 度 增 加 而 增 大。0.3%、0.6%、0.9% 和1.2% NaCl 處理下，黃瓜Pn分別比對照降低13.95%、29.92%、46.41%和64.61%，Tr分別比對照降低12.16%、25.98%、37.30%和46.56%。

由表2 可知，在不同濃度NaCl 處理下黃瓜幼苗Gs、Ls和Ci明 顯 下 降。0.3% 、0.6% 、0.9% 和1.2% NaCl 處理下，黃瓜幼苗Gs分別比對照降低10.30%、23.19%、41.97%和67.35%，Ls分別比對照降低3.20%、9.82%、15.50%和31.13%。表明黃瓜幼苗Gs和Ls下降幅度隨鹽脅迫濃度的增加而增大。鹽脅迫下雖然Ls降低，使得氣孔因素的影響減小，但同時Gs降低使得進入植物細胞的CO2減少。

圖1 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗葉片和根系質膜透性的影響Fig.1 Effects of different NaCl concentration on membrane permeabilitys in leaves and roots of cucumber seedlings

表2 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗光合特性和水分利用的影響Table 2 Effects of different NaCl concentrations on photosynthetic rates and water use of cucumber seedlings

2.4 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗MDA 含量和產生速率的影響

圖2 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗葉片和根系MDA 含量和O2·－產生速率的影響Fig.2 Effects of different NaCl concentrations on MDA contents and O2·－ production rates in the leaves and roots of cucumber seedlings

2.5 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖3 可知，隨著NaCl 脅迫濃度的增加，黃瓜幼苗體內SOD、POD和CAT活性逐漸升高，且葉片SOD和POD活性變化更加明顯，而根系是CAT活性變化更加明顯。在0.3%、0.6%、0.9%和1.2% NaCl 處理下，黃瓜幼苗葉片SOD活性分別為對照的2.04、2.65、3.11 和3.45 倍，根系SOD活性分別為對照的1.30、1.83、1.96 和2.14 倍;黃瓜幼苗葉片POD活性分別為對照的1.51、1.97、2.32 和2.65 倍，根系POD活性分別為對照的1.31、1.66、1.84 和2.02 倍;黃瓜幼苗葉片CAT活性分別為對照的1.18、1.42、1.54 和1.63 倍，根系CAT活性分別為對照的1.72、2.10、2.37 和2.67 倍。表明鹽脅迫下抗氧化酶活性顯著升高，可有效清除黃瓜幼苗體內多余的活性氧，降低膜質過氧化傷害，提高植株對鹽脅迫的抗性。

圖3 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗葉片和根系SOD、POD 和CAT 活性的影響Fig.3 Effects of different NaCl concentrations on SOD，POD and CAT activities in the leaves and roots of cucumber seedlings

2.6 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗體內可溶性蛋白含量的影響

由圖4 可知，在NaCl 處理下黃瓜幼苗葉片和根系可溶性蛋白含量顯著升高，且濃度越大可溶性蛋白含量升高越明顯。在0.3%、0.6%、0.9% 和1.2% NaCl 處理下，黃瓜幼苗葉片可溶性蛋白含量分別 比 對 照 增 加38.86%、83.67%、109.03% 和134.13%，根系可溶性蛋白含量分別比對照增加45.28%、75.05%、133.41%和141.9%。表明可溶性蛋白含量的升高增強了植物在鹽脅迫下的滲透調節能力，有利于增強植株對鹽脅迫的抗性。

圖4 不同濃度NaCl 對黃瓜幼苗葉片和根系可溶性蛋白含量的影響Fig.4 Effects of different NaCl concentrations on soluble protein contents in the leaves and roots of cucumber seedlings

3 討論

鹽脅迫下，土壤溶液濃度增大，導致根際滲透壓加大和水分外流，影響作物對水分、養分的吸收，并產生相應的生理反應影響地上部生長。已有研究表明，黃瓜［19］、高羊茅［20］、番茄［11］等作物在鹽脅迫下幼苗株高和生長量減少，生長受到明顯抑制，這與本試驗研究結果一致。同時還發現鹽脅迫對植株生長的抑制作用隨鹽濃度的增加而增大，1.2% NaCl 處理對植株的生長影響很大，植株很難進行正常的生長，甚至產生死亡現象。

鹽脅迫通過影響CO2擴散到結合部位，改變負責光反應的細胞器的結構和功能，以及改變暗反應的化學過程和抑制同化產物轉移等途徑引起植物光合作用的降低［21］。本試驗結果表明，鹽脅迫會導致黃瓜幼苗葉片Gs和Tr下降，有利于減少植株體內水分的散失，增強其對鹽脅迫的抗性，這與王素平等［22］的研究結果是一致的。Gs的降低會造成光合作用所需的CO2向葉肉細胞運輸受阻，但由于鹽脅迫引起植物Pn減小，所以光合作用所需的CO2也減少，使CO2在植物細胞中積累，Ci值增大。Ls的減小則說明氣孔限制已經不是鹽脅迫下影響植物光合作用的主要因素。鹽脅迫下供試材料光合作用的減弱，可能造成碳水化合物減少，導致植物生長受到抑制。

在正常情況下，植物體內活性氧產生與清除處于平衡狀態，不會導致細胞受到傷害。一旦植物受到環境脅迫，這種平衡體系就會遭到破壞，自由基積累，膜通透性增加，代謝紊亂，致使植物受傷害［23］。積累的氧自由基首先攻擊膜系統，膜脂肪酸中的不飽和鍵被過氧化，最終形成MDA［24］。MDA 能強烈地與細胞內各種成分發生反應，引起酶和膜的損傷，并導致膜結構和生理機能的破壞，其含量是反映細胞膜脂過氧化作用強弱和質膜破壞程度的重要指標［25］。本研究結果表明，鹽脅迫處理下，相對電導率、MDA 含量和O2·-產生速率均隨鹽脅迫濃度的升高而增大。說明鹽脅迫會引起細胞膜脂的過氧化，使細胞膜正常結構遭到破壞，相對電導率增大，細胞內物質外滲，對植物產生傷害。

植物體內清除氧自由基的酶促系統包括SOD、POD和CAT。當植物受到逆境脅迫時，其體內會產生大量的氧自由基，于是體內清除過剩自由基的保護酶系統會啟動，活性提高。SOD能催化超氧陰離子自由基的歧化反應而形成氧分子和過氧化氫，CAT和POD則進一步分解過氧化氫形成水，三者協同作用，降低植株體內自由基的水平，從而防止自由基對植物造成傷害［26］。NaCl 脅迫對番茄［11］和柑橘［27］的研究結果與本研究結果是一致的，即植物SOD、POD和CAT活性在鹽脅迫下顯著提升，說明植物可以通過提高自身的抗氧化酶活性來減少活性氧，降低膜脂過氧化作用，減輕鹽脅迫造成的傷害。

植物受到鹽脅迫逆境時，通過滲透調節降低滲透勢，維持細胞膨壓是保證體內正常生理功能的重要調節方式。植物體內的可溶性蛋白大多是參與各種代謝的酶類，其含量是植物體總代謝水平的一個重要指標［28］。本試驗結果表明，隨著鹽脅迫濃度的增加，黃瓜幼苗中可溶性蛋白含量呈上升趨勢，說明鹽脅迫會誘導產生可溶性蛋白，進行滲透調節，從而減少細胞失水，降低鹽脅迫給細胞帶來的傷害。

綜上所述，鹽脅迫下，黃瓜幼苗體內光合作用和水分吸收減少，導致了植株生長受到抑制。活性氧和MDA 增多，使細胞膜受到更多的傷害，相對電導率升高，細胞內物質外滲，水分流失，這時可溶性蛋白的含量增加，加強了植株體內的滲透調節作用，有利于植物吸水，同時各種保護酶的活性提高，減輕了膜質過氧化作用對細胞膜的傷害，從而緩解了鹽脅迫對植株的傷害。本試驗結果表明0.3% NaCl 處理對鹽脅迫下黃瓜幼苗生長和各項生理指標影響較小，0.6%和0.9% NaCl 處理下，黃瓜幼苗生物量顯著下降，1.2%則達到了黃瓜幼苗生長的極限鹽濃度。

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