鹽分和干旱對沙棗幼苗生理特性的影響

陳春曉,謝秀華,王宇鵬,李俊朋,信 健,朱婷婷,劉 靜,陳 敏,*

1 山東師范大學生命科學學院/山東省逆境植物重點實驗室, 濟南 250014 2 山東省東營市農業農村局, 東營 257091 3 山東省濰坊北海中學, 濰坊 261200

非生物脅迫(例如：干旱、鹽堿、極端溫度、氧化脅迫)是限制植物生長的主要因素,非生物脅迫通過影響植物生長、發育、營養代謝及一系列分子變化,進而影響植物形態、結構和產量[1]。鹽和干旱是兩種主要的非生物脅迫因子而且二者常常同時發生,尤其在干旱、半干旱地區,干旱和鹽脅迫共同作用嚴重危害著植物的生長及產量。黃河三角洲是黃河數百年來沖積而成的一塊年輕的陸地,由于成陸較晚,土地整體質量不高,現有的533333 hm2邊際性土地多為鹽堿地,其特點是土壤含鹽量高、有機質含量低、營養元素不均衡,地下水位高,春秋季易旱、夏季易澇,不適合于普通農作物生長[2]。生長在黃河三角洲地區的植物在春、秋季常常受到鹽和干旱共同的影響。

正是由于黃河三角洲地區特殊的土壤情況和氣候特征,黃河三角洲地區的植物種類少、植被單一,嚴重制約了當地的經濟發展和生態改良。所以引種一些適合當地生長的經濟和生態植物迫在眉睫。沙棗(ElaeagnusangustifoliaL.)是胡頹子科Elaeagnaceae)胡頹子屬(ElaeagnusLnn.)的落葉小喬木,主要分布于我國西北五省,在北京、天津和山東等地也開展了引種栽培[3- 4]。沙棗具有一定的耐鹽性,可以在黃河三角洲地區生長良好[2,5]。但是對于沙棗適應黃河三角洲地區春、秋季的鹽旱共同脅迫的機理是還不清楚。目前單一脅迫因子(鹽脅迫或干旱脅迫)對植物生長的影響研究較多,但對于鹽分和干旱共脅迫的研究相對較少。在已有的研究中發現：許多植物在鹽分或者干旱脅迫時,其生物量是降低的,而在鹽分和干旱共脅迫脅迫時,在一定的條件下,植物會表現出比在單一脅迫下生長更好的現象。例如,2012年朱金方等研究發現,鹽旱脅迫下檉柳表現出一定的交叉適應性,適度的干旱脅迫能增強檉柳的耐鹽能力[6]；另外2017年翁亞偉等研究發現,鹽旱復合脅迫可以通過增強根系水分吸收及降低根葉中ABA含量以維持較高光合能力,進而提高小麥適應性[7]；2017年華智銳等研究也發現,在鹽旱共脅迫下小麥幼苗表現出交叉適應性[8]。這些研究都說明了在干旱和鹽分這兩種脅迫因子的共同作用下,植物出現了交叉適應現象。

沙棗的生存能力極強,具有抗干旱、耐鹽堿、抗風沙、耐貧瘠、根蘗性強的特點,可用于水土保持,還可以調節氣候、凈化空氣、改良土壤,并且沙棗根系上有固氮根瘤菌,能提高土壤肥力,改善土壤環境[9]。沙棗作為耐逆的先鋒樹種是否可以更好的適應鹽旱共脅迫？關于這個問題沒有相關的報道,所以本實驗模擬黃河三角洲地區春、秋季的鹽旱共同脅迫,來研究鹽分和干旱共同脅迫對沙棗幼苗生長及生理特性的影響。從而為將沙棗引進黃河三角洲地區提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為沙棗(ElaeagnusangustifoliaL.)幼苗。本實驗室于2017年從新疆吐魯番購入沙棗果實,將果實去果肉后得到干凈的種子,將種子種植于培養盤中獲得沙棗幼苗備用。

1.2 材料的培養

機械方法去除果肉,對種子進行統一的消毒處理,用蒸餾水反復沖洗,備用。種植前將其置于低溫(0—4℃)下進行冷層積處理(低溫處理采用低溫培養箱,品牌：上海捷呈；型號：LRH- 600F),以打破休眠并軟化種皮以便于種子萌發,10 d后將種子取出(此時種子已經露白)。種植于裝有洗凈細沙的塑料盆中,每盆播種20粒種子(種子距沙面約2 cm),然后移至溫室(光強：600 μmol m-2s-1；相對濕度：70%；溫度：24℃；光照：16 h光亮,8 h黑暗)內。培養期間每天澆水保持沙子濕潤,待種子萌發后,停止澆水改為澆1/2 Hoagland營養液。待沙棗幼苗長出2—3片真葉時,進行間苗(保留盆內生長較健壯且生長狀況大致相同的7—8株幼苗),待幼苗生長到5—6片真葉時,開始脅迫實驗。

1.3 實驗處理

實驗分為6個處理,每個處理5個重復。處理方法如下：

①對照 (the control,CK)：一直澆灌1/2 Hoagland營養液。

②輕度干旱 (the treatment of mild drought,LS)：澆灌1/2 Hoagland營養液7 d,之后保持土壤含水量在輕度干旱標準(土壤含水量,7%—9%,下同)14 d,每天于早中晚3次測量含水量(Soil water content were determined with an HH2 moisture meter with a WET- 2 sensor (Delta-T, Cambridge, UK)),補澆1/2 Hoagland營養液,使含水量保持不變,下同。

③重度干旱 (the treatment of severe drought,SS)：澆灌1/2 Hoagland營養液7 d,之后保持土壤含水量在輕度干旱標準(土壤含水量3%—5%,下同)14 d,每天于早中晚3次測量含水量,補澆1/2 Hoagland營養液,使含水量保持不變,下同。

④鹽 (the treatment of 100 mmol/L NaCl,100CK)：一直澆灌含有100 mmol/L NaCl的1/2 Hoagland營養液。

⑤鹽+輕度干旱 (the treatment of 100 mmol/L NaCl and mild drought,100LS)：澆灌含有100 mmol/L NaCl 的1/2 Hoagland營養液7 d,之后保持土壤含水量在輕度干旱標準14 d,每天于早中晚三次測量含水量。

⑥鹽+重度干旱 (the treatment of 100 mmol/L NaCl and severe drought,100SS)：澆灌含有100 mmol/L NaCl 的1/2 Hoagland營養液7 d,之后保持土壤含水量在重度干旱標準14 d,每天于早中晚三次測量含水量。

1.4 生理指標的測定

1.4.1 株高、根長、含水量及根冠比的測定

處理2周后,用刻度尺測量株高(沙面以上為株高),然后小心將整株植物取出,洗凈后用刻度尺測量根長并稱量地上與地下部分的鮮重(fresh mass, FW)。將鮮材料放入105℃的烘箱中殺青10 min后,80℃烘干至恒重,分別稱地上與地下部分干重(dry mass, DW)。根據下列方式計算組織含水量和幼苗根冠比:

含水量=(鮮重-干重)/鮮重×100%

根冠比=地下干重/地上干重

1.4.2 葉綠素含量的測定

采用高奔等的方法[10]。根據下式計算組織中葉綠素含量：

葉綠素含量(mg/g FW) =8.02A663+20.21A645

式中,A645為645 nm處的吸光度；A663為663 nm處的吸光度。

1.4.3 光合參數的測定

采用李艷等的方法[11],使用CIRAS- 2型英國PP．Systems公司便攜式光合作用測定儀對沙棗完全展開的第二葉進行凈光合速率(netphotosynthetic rate,Pn)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci)、氣孔導度(stomatal conductance,gs)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)等光合參數的測定。測定過程中光強約為1500 μmol m-2s-1,大氣溫度變化范圍為20—24℃,大氣CO2濃度變化范圍為477—497 μmol/L,測定時間為10:00—11:30。

1.4.4 熒光參數的測定

采用馮偉等的方法[12],下列方式計算組織含水量和幼苗根冠比(9:30—12:00),用OS5-FL 型調制式葉綠素熒光分析儀(OPTI-SCI-ENCES,美國)測定光適應下的最大光化學效率(maximum quantumefficiency,Fv/Fm)、光系統II實際光化學量子效率(quantum efficiency of photosystem II,ΦPSII)以及光化學猝滅系數(photochemical quenching coefficient,qP)。取完全展開的同一葉位的沙棗葉片測定,測定時先固定好沙棗葉片,使葉片受光一致,每個處理測定至少20片葉。測定暗適應熒光參數前將葉片充分暗適應20 min。

1.4.5 無機離子含量的測定

采用張志良的方法[13],將烘干的沙棗材料分別碾碎后于馬弗爐中550℃灰化,灰分用濃硝酸溶解,定容后用原子吸收光譜儀(日立Z- 8000型)測定Na+含量、K+含量,AgNO3滴定法測定Cl-含量。

1.4.6 脯氨酸含量的測定

采用酸性茚三酮法[14]。根據下式計算組織中脯氨酸含量：

脯氨酸含量(μg/g FW)=(X×Vt)/(W×Vs×106)×100%

式中,X為從標曲中查得的脯氨酸含量(μg)；Vt為提取液體積(mL)；W為樣品的質量(g)；Vs為測定時所用樣品的體積。

1.4.7可溶性糖含量的測定

采用蒽酮法[15],稱取0.2 g沙棗葉片磨細的烘干樣品置10 mL離心管中,用80%乙醇浸提離心后定容至25 mL。準確吸取糖的乙醇提取液2 mL水浴中蒸去乙醇,準確加水10 mL攪拌使糖完全溶解。吸取上清液2 mL加入試管中,記錄 620 nm下的OD值并計算可溶性糖含量。

1.4.8 總酚含量的測定

采用Folin-Ciocalteu 比色法[16]。根據下式計算組織中總酚含量：

總酚含量(μg/g FW)=X×V/m

式中,X為由吸光度按標準曲線查的結果；V為粗提液總體積(mL)；m為稱樣質量(g)。

1.4.9 類黃酮含量的測定

采用亞硝酸鈉-硝酸鋁比色法[17]。根據下式計算組織中類黃酮含量：

類黃酮含量(μg/g FW)=X×V/m

式中,X為由吸光度按標準曲線查的結果；V為粗提液總體積(mL)；m為稱樣質量(g)。

1.4.10 丙二醛(MDA)含量的測定

紫外-可見分光光度計法[18]。根據下式計算組織中MDA的含量：

MDA含量(mmol/gFW)= △A×N/(155 ×W)

式中,△A為A532和A600的差；N為上清液總體積；155為1 mmol 為反應產物在532 nm處的吸收系數；W為稱取植物材料的鮮重(g)。

1.5 數據統計分析

上述各處理5個重復,所得數據用SigmaPlot 10.0 作圖,用IBM SPSS Statistics 19軟件進行顯著性分析,同一種處理的各參數以平均值加減標準差的形式表示(mean±SD),同時采用字母標注法(P<0.05表示存在顯著性差異)。

2 結果

2.1 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗生長速率和生物量的影響

輕度干旱除了降低了沙棗的株高和根長外,對沙棗的生物量和含水量沒有影響,但是重度干旱卻明顯降低了沙棗的各生長指標(圖1, 表1)。除了含水量以外,100 mmol/L NaCl明顯降低了沙棗的各生長指標。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項生理指標相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫對沙棗的生長沒有顯著影響,但是重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫卻明顯降低了沙棗的生長。

圖1 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗生長的影響Fig.1 The effects of salt and drought co-stress on the growth of E. angustifolia seedlingsCK：對照,the control；LS：輕度干旱,mild drought；SS：重度干旱,severe drought；100CK：鹽,100 mmol/L NaCl；100LS：鹽+輕度干旱,100 mmol/L NaCl and mild drought co-stress；100SS：鹽+重度干旱,100 mmol/L NaCl and severe drought co-stress

參量Parameters處理TreatmentCKLSSS100+CK100+LS100+SS地上鮮重 Shoot fresh weight1.11±0.29a 1.11±0.30a0.92±0.17b0.88±0.31b0.70±0.22bc 0.59±0.13c地上干重Shoot dry weight0.23±0.06a 0.25±0.05a0.23±0.04b0.20±0.06b0.19±0.05bc 0.17±0.04c地下鮮重 Root fresh weight0.73±0.03a 0.65±0.04ab0.51±0.02bc0.40±0.02cd0.35±0.02d0.30±0.02de地下干重Root dry weight0.12±0.04a0.11±0.04ab0.07±0.02b 0.07±0.06b0.07±0.03b 0.07±0.02b株高Plant length11.06±0.98a 9.40±1.00b6.87±0.58d9.68±0.75b8.31±0.58c 6.77±0.80d根長Root length8.77±0.76a 7.36±0.55b6.04±0.62de6.92±0.63bc6.46±0.83cd 5.69±0.69e地上含水量Shoot water content78.73±2.40a 77.72±3.14a74.42±4.40b76.82±3.07a72.40±2.30c 71.47±2.53c根冠比Root shoot ratio0.16±0.04a 0.14±0.03ab0.11±0.03e0.13±0.04bc0.12±0.03cd 0.09±0.02d

表中數據為平均數±標準差(n=5); 不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05); CK：對照,the control；LS：輕度干旱,mild drought；SS：重度干旱,severe drought；100+CK：鹽,100 mmol/L NaCl；100+LS：鹽+輕度干旱,100 mmol/L NaCl and mild drought co-stress；100+SS：鹽+重度干旱,100 mmol/L NaCl and severe drought co-stress

2.2 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗葉綠素含量的影響

圖2 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗葉綠素含量的影響 Fig.2 The effects of salt and drought co-stress on the chlorophyll content of E. angustifolia seedlings圖中數據為平均數±標準差(n=5);不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)

輕度干旱對沙棗幼苗葉綠素含量沒有影響,但是重度干旱卻明顯降低了沙棗幼苗的葉綠素含量。100 mmol/L NaCl顯著降低了沙棗幼苗的葉綠素含量(P<0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項生理指標相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫對其沒有顯著影響(P>0.05),但是重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫卻明顯降低了沙棗幼苗的葉綠素含量(P< 0.05) (圖2)。

2.3 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗光合參數的影響

輕度干旱除了降低了沙棗葉片凈光合速率和氣孔導度外,對沙棗的胞間CO2濃度和蒸騰速率沒有影響(P>0.05),但是重度干旱卻明顯降低了除胞間CO2濃度外的各光合參數(P<0.05)。除了凈光合速率(降低)和胞間CO2濃度(升高)外,100 mmol/L NaCl對沙棗的各光合參數沒有影響(P>0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項光合參數相比,除凈光合速合以及氣孔導度外,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫對沙棗的光合參數沒有顯著影響(P>0.05),但是重度干旱和100 mmol/LNaCl共脅迫卻明顯降低了沙棗的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率且明顯增加了胞間CO2濃度(P<0.05) (圖3)。

圖3 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗光合參數的影響Fig.3 The effects of salt and drought co-stress on photosynthesis of E. angustifolia seedlings

2.4 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗熒光參數的影響

輕度干旱或100 mmol/L NaCl降低了沙棗的最大光化學效率和光化學猝滅系數外,但對沙棗的實際光化學效率沒有影響(P>0.05),但是重度干旱卻明顯降低了沙棗的各熒光參數(P<0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各熒光參數相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫對沙棗的熒光參數沒有顯著影響(P>0.05),但是重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫卻明顯降低了沙棗的熒光參數(P<0.05) (圖4)。

圖4 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗熒光參數的影響Fig.4 The effects of salt and drought co-stress on fluorescence parameters of E. angustifolia seedlings

2.5 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗離子含量的影響

輕度干旱和重度干旱均顯著降低了沙棗的地上和地下的K+含量,顯著增加了沙棗地上、地下的Na+含量(P<0.05)。100 mmol/L NaCl極顯著降低了沙棗的地上和地下的K+含量,極顯著增加了沙棗地上、地下的Na+含量(P<0.01)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的沙棗離子含量相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫以及重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫都顯著降低了地上和地下的K+含量,顯著增加了沙棗地上、地下的Na+含量(P<0.05) (圖5)。

圖5 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗離子含量的影響Fig.5 The effects of salt and drought co-stress on ionic content of E. angustifolia seedlings

2.6 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗有機物質及次生代謝產物的影響

輕度干旱除了對沙棗葉片中可溶性糖、脯氨酸和總酚含量沒有影響外(P>0.05),顯著提高了沙棗幼苗其他有機物質和次生代謝產物含量(P<0.05),但是重度干旱顯著提高了各指標含量(P<0.05)。除脯氨酸含量外,100 mmol/L NaCl明顯提高了沙棗幼苗的有機物質及次生代謝產物含量(P<0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項指標相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫以及重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫都顯著增加了各指標含量(P<0.05) (圖6)。

圖6 鹽旱共脅迫對沙棗有機物質及次生代謝產物含量的影響Fig.6 The effects of salt and drought co-stress on organic matter content and secondary metabolites content of E. angustifolia seedlings

2.7 鹽旱共脅迫對復水后沙棗幼苗生物量的影響

復水一周后,輕度干旱除了降低了沙棗幼苗的地下鮮重和干重外,對沙棗的地上鮮重、地上鮮重增加百分比、地上干重、地上干重增加百分比、地下鮮重增加百分比、地下干重增加百分比沒有影響(P>0.05),但是重度干旱卻顯著降低了復水后沙棗的生物量指標(P<0.05)。100 mmol/L NaCl顯著降低了復水后沙棗幼苗的各生物量指標(P<0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項生物量指標相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫除地上鮮重以及地上鮮重增加百分比外的其他生物量指標沒有影響(P>0.05),但是重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫卻明顯降低了復水后沙棗的生長(P<0.05) (表2)。

表2 復水一周后鹽旱共脅迫對沙棗生物量的影響

表中數據為平均數±標準差(n=5);不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)

3 討論

生物量是植物遭遇脅迫的綜合反應,干旱脅迫和鹽分脅迫抑制植物的生長,且脅迫程度越高抑制程度越明顯[19]。對于本研究的沙棗幼苗干旱脅迫及鹽脅迫均可抑制沙棗幼苗的生長、降低植物組織含水量和生物量,尤其是重度干旱更為明顯。干旱或鹽處理降低沙棗幼苗的根冠比,沙棗在輕度干旱和鹽共脅迫下表現出一定的交叉適應性。

處于逆境條件下的植物,為減少蒸騰作用關閉氣孔,同時也阻礙了CO2進入葉片,影響了CO2參與羧化作用,降低了植物的凈光合速率[20- 21]；CO2同化量降低、吸收的過剩光能會引起光抑制,嚴重時還會破壞光合結構,從而使植物光合作用下降[22]。本研究發現：隨著干旱程度增加,除胞間CO2濃度外,沙棗幼苗的其他光合參數和各熒光參數均呈現降低的趨勢；鹽旱共脅迫條件下,各光合參數及熒光參數除胞間CO2濃度外其他參數也呈現降低趨勢。從這些結果可以看出輕度干旱和鹽共脅迫下,沙棗幼苗在一定程度上通過減少光捕獲、熱耗散和酶活性調節穩定光合機構功能,阻止光合速率的下降；重度鹽旱脅迫下光系統Ⅱ和抗氧化酶系統損傷,光合速率下降更加顯著,這種非氣孔限制因素與已有的研究相一致[23]。

滲透調節物質在植物適應鹽旱脅迫環境中也發揮著重要作用[24]。在鹽、旱等逆境條件下,植物為了保持水分以適應鹽旱脅迫環境,常常通過生理代謝活動增加無機離子以及滲透調節物質的方式來提高細胞液濃度、降低滲透勢,從而維持正常的細胞膨壓進而使植物體內與之相關的生理活動正常進行,提高植物的抗逆適應性[25- 26]。本研究也表明沙棗幼苗在干旱、鹽分以及干旱和鹽分共脅迫下,通過積累無機離子(主要是Na+)和有機溶質來保持較低的滲透勢,以增加保水能力。這與沙棘植物在鹽堿脅迫下的結果一致[27]。對于沙棗植物,積累的有機溶質主要是脯氨酸,脯氨酸作為一種重要的滲透調節物質,在植物的耐逆過程中發揮重要的作用,大量研究表明脯氨酸的增加明顯了提高了植物的耐逆性[28-29]。逆境條件下,植物除了積累滲透調節物質外,植物還會積累次生代謝產物以抵御逆境,有利于植物體適應逆境環境[30]。本研究的沙棗幼苗在逆境條件下通過大量積累類黃酮和總酚含量來提高沙棗幼苗的耐逆性。這與蔡娜等[31]、Wang等[32]的研究結果一致。

總之,鹽分和干旱處理明顯抑制了沙棗幼苗的生長,輕度干旱和鹽分共脅迫條件下,沙棗幼苗表現出一定的交叉適應現象。沙棗幼苗通過降低生長、積累滲透調節物質、積累次生代謝產物來抵抗逆境。