垂絲海棠應對鹽堿復合脅迫的生理響應

賈旭梅,朱燕芳,王 海,吳玉霞,趙 通,程 麗,朱祖雷,王延秀

甘肅農業大學園藝學院, 蘭州 730070

蘋果(MalusdomesticaBorkh.)是世界性果品,也是我國重點果產區的支柱性產業[1]。西北黃土高原是我國最大的蘋果優生區,但該區域70%以上的土壤為含NaCl與NaHCO3的高pH鹽堿土壤,嚴重制約了其蘋果產業的發展[2]。生產中常選用耐鹽堿的優良砧木以緩和鹽堿復合脅迫,因此研究耐鹽堿砧木資源對鹽堿地蘋果產業的發展具有重要意義。

鹽堿逆境對植物光合生理的影響已成為近年國內外專家研究的熱點。許多研究表明,混合鹽堿復合脅迫不是鹽、堿兩種脅迫的簡單疊加,而具有一定的協同效應,植株不僅遭受鹽脅迫產生的滲透傷害和離子毒害,還受堿脅迫引起的高pH影響[3]。Yang等[4]研究證實鹽堿復合脅迫下,凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、葉綠素含量等光合參數隨脅迫強度的增大而顯著下降。孫璐等[5]指出,鹽脅迫破壞了光系統II反應中心,使PSⅡ原初光能轉換效率受到抑制,導致光能過剩,需要通過啟動熱耗散機制保護光合系統。此外,脯氨酸、可溶性糖、有機酸等是植物體內重要的滲透調節劑,李子英等[6]認為,鹽柳幼苗通過大量積累脯氨酸和可溶性糖,加強滲透調節,緩解鹽害。目前,關于植物耐鹽性研究多集中于禾本科植物(玉米、小麥、燕麥),蘋果屬植物多以單一中性鹽或堿性鹽研究為主,鹽堿復合脅迫的研究較少。

垂絲海棠(MalushallianaKoehen)又名倒掛珍珠,原產于甘肅河西走廊干旱、鹽堿生境,具有較強的抗性。但其作為蘋果砧木資源,在國外未見報道,國內僅見幾篇零星生產應用的研究。本試驗以2年生垂絲海棠為研究材料,模擬甘肅黃土高原地區pH 8.0—8.2的鹽堿土,通過盆栽澆灌Hogland營養液的方法,研究混合鹽堿復合脅迫下垂絲海棠葉片光合色素、光合參數、熒光參數以及滲透調節物質的變化,采用相關性和主成分分析綜合評價垂絲海棠的耐鹽性,旨在篩選脅迫的臨界濃度,明確響應鹽堿復合脅迫的生理機制,為垂絲海棠作為鹽堿地優良砧木提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2016年3月將垂絲海棠(MalushallianaKoehne)發芽的種子播種在甘肅靖遠,2017年3月移栽于重量為0.65 kg的花盆(內徑25 cm,深38 cm)中,含3.5 kg基質(蛭石、珍珠巖和泥炭體積比為1∶1∶3),每盆1株,株高80—100 cm。并置于甘肅農業大學園藝學院避雨棚中進行統一管理,定期除草,澆水。

1.2 鹽堿復合處理

于2017年5月20日,選取株高相似、葉片數相近的垂絲海棠50株進行脅迫處理。試驗設計5種處理。分別為0 mmol/L(CK)(pH 6.8)、50 mmol/L(pH 8.2)、100 mmol/L(pH 8.2)、150 mmol/L(pH 8.2)、200 mmol/L(pH 8.2),每處理10株。CK組澆營養液,處理組澆營養液+混合鹽堿(以中性鹽NaCl和酸式鹽NaHCO3按摩爾比1∶1混合)。為避免鹽激反應,處理濃度按50 mmol/L每天遞增,待全部處理達到設定濃度后,開始計算脅迫時間。每隔3 d,17:00—18:00定期澆灌500 mL Hoagland營養液。于脅迫0、20、40 d時選取位于植株中上部的功能葉進行各項指標測定,并在40 d,拍攝照片。

1.3 測定指標及方法

1.3.1光合特性指標測定

選取位于第5—6節位(從頂部向下數)功能葉,利用Li- 6400光合儀(LI-COR公司,美國)于晴天9:00—11:00測定凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)及胞間CO2濃度(Ci),重復5次。按公式計算：水分利用效率(WUE)=Pn/Tr。

同上,采用IMAGING-PAM葉綠素熒光儀和Imaging WinGegE軟件(Walz,Effeltrich,德國)測定初始熒光(F0),最大光化學效率(Fv/Fm),表觀光合電子傳遞速率(ETR)、PSII實際化學效率(ΦPSII),調節性能量耗散(Y(NPQ)),非調節性能量耗散(Y(NO)),光化學猝滅系數(qP)和非光化學熒光淬滅系數(qN)。

于光合熒光參數測定后,采集葉片并洗凈擦干其表面污物,并去掉葉脈。稱取0.2 g,剪碎置于玻璃試管中,加入10 mL 80%的丙酮進行24 h避光提取,在波長440、645 nm和663 nm下測定吸光度,根據公式計算：葉綠素a(Chl a)=12.21A663-2.81 A646、葉綠素b(Chl b)=0.13A646-5.03A663、類胡蘿卜素(Car)=(1000A470-3.27Ca-104 Cb)/229的含量。

1.3.2生理指標測定

葉片從植株上用剪刀分離,稱取鮮重后放入牛皮紙袋,再放入烘箱 105℃殺青 1h,在 80℃下烘干至恒重后稱取干重,根據公式計算：葉片含水量 (WC) =(葉片鮮重-葉片干重)÷ 葉片鮮重 ×100%。電解質外滲率采用相對電導率法[7]；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[8]、可溶性糖含量采用蒽酮顯色法[9]。

稱干樣0.1 g,加2 mol/L HNO3和70%乙醇研磨成勻漿,倒入離心管。浸泡15 min,攪拌。離心 10 min 3000 r/min,取上清液。為中和HNO3,加 300 μL 冰醋酸和1 mL 20%醋酸鉛,混勻,放置半個小時,3000 r/min 離心 10 min。保留沉淀,用2.5 mL 70%乙醇沖洗倒入離心管攪拌洗滌沉淀,離心。向沉淀中加入10 mL 1%Na2CO3溶液,攪拌、離心,上清液倒于三角瓶中,并加入3 mL氨緩沖液、5 mL 0.1mol/L EDTA-Na2溶液,用0.01 mol/L MgSO4滴定至藍綠色變為酒紅色為止。用0.01 mol/L MgSO4滴定5 mL 0.1mol/L EDTA-Na2溶液。根據公式計算：有機酸含量(mmol/g DW)=(a-b)×K/DW。式中K：MgSO4當量濃度；DW：干樣重(g)；a：用0.01 mol/L MgSO4滴定5 mL 0.1 mol/L EDTA-Na2所用體積(m L)；b：用0.01 mol/L MgSO4滴定樣品溶液所用體積(mL)。

1.4 數據處理

采用SPSS 22.0軟件進行單因素Duncan檢驗方差分析、相關性分析及主成分分析,使用Origin 9.0軟件制圖,Imaging WinGegE軟件選取熒光圖片。

2 結果與分析

2.1 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片光合色素含量的影響

葉綠素含量的高低在一定程度上反映了植物光合潛力的大小。如圖1所示,隨著鹽堿復合脅迫時間的延長,垂絲海棠葉片的Chl a、Chl b、Chl T含量均呈降低趨勢,而Car升高。其中,脅迫20 d時,除200 mmol/L鹽濃度處理外,其他各濃度處理組的Chl a含量均與CK無顯著差異(P>0.05)；而Chl b和Chl T含量在各處理組下均顯著低于CK(P<0.05),且鹽濃度為150 mmol/L時,葉片Chl b和Chl T含量均達到最大值。脅迫40 d后,Chl a、Chl b、Chl T含量均隨著鹽濃度的增加而降低,且與CK差異顯著(P<0.05),Chl T含量依次比CK降低了34.51%、46.47%、48.12%、53.06% (圖1)；而Car含量隨著鹽濃度的增加而增加,在濃度大于50 mmol/L時,葉片Car含量顯著升高(P<0.05),且三者間無明顯差異(P>0.05)(圖1)。

圖1 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠幼苗光合色素含量的影響Fig.1 Effects of saline-alkali combined stress on photosynthetic pigment contents of M. halliana leaves 不同小寫字母表示在0.05水平上顯著差異

2.2 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片光合參數的影響

由表1可得,隨著脅迫時間的延長,Pn、Gs、Ci、Tr、WC均降低,而WUE呈升高趨勢。其中,脅迫20 d時,垂絲海棠葉片的Pn、Gs、Ci、Tr均隨著鹽濃度的增加而降低,且與CK差異顯著(P<0.05),并在鹽濃度為200 mmol/L時各指標均降至最低值。脅迫40 d后,光合參數急劇降低,與CK相比,Pn依次降低了22.49%、45.10%、57.29%、62.75%；Gs依次降低了31.44%、59.64%、78.15%、84.95%。WC和WUE隨著鹽濃度的增加先升高后降低,且均在100 mmol/L時達到最大值,與CK相比,WC相對CK僅降低了10.18%,WUE升高了26.39%,且與其他處理組差異達顯著水平(P<0.05)。

表1 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片光合參數的影響

同一列的數據,其后小寫字母不同,表示處理間在0.05水平差異顯著

2.3 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片熒光參數的影響

2.3.1對F0、Fv/Fm、ETR及ΦPSII的影響

如圖2所示,隨著鹽堿復合脅迫時間的延長,垂絲海棠葉片的F0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII均呈降低趨勢。其中,脅迫20 d,F0和ETR在濃度為50 mmol/L時顯著降低,Fv/Fm在鹽濃度大于100 mmol/L時開始顯著降低,而ΦPSII在鹽濃度大于50 mmol/L時開始顯著降低。脅迫40 d后,F0隨著濃度的增加呈先降低后升高的趨勢,在鹽濃度大于100 mmol/L時急劇升高,顯著大于CK(P<0.05),依次增加了20.44%、25.64%。Fv/Fm、ETR和ΦPSII均隨著濃度的增加而降低。與CK相比,各處理組的Fv/Fm依次降低了8.26%、7.78%、11.33%、22.54%,且在濃度50、100、150 mmol/L時,Fv/Fm差異不顯著(P>0.05)(圖2)；ETR依次降低了19.74%、28.5%、33. 18%、40.65%(圖2)；ΦPSII依次降低了20.48%、26.77%、31.84%、32.74%(圖2)。

圖2 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片F0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII含量的影響Fig.2 Effects of saline-alkali combined stress on F0、Fv/Fm、ETR and ΦPSII of M. halliana leaves

2.3.2鹽堿復合脅迫對垂絲海棠Y(NPQ)、Y(NO)、qP及qN的影響

從圖3和圖4可以看出,隨著鹽堿復合脅迫時間的延長,垂絲海棠葉片的Y(NPQ)、Y(NO)、qN總體均呈升高趨勢,而qP呈降低趨勢。其中,脅迫20 d時,Y(NPQ) 和Y(NO) 隨著鹽濃度的增加而升高,2個參數分別在鹽濃度大于50、100 mmol/L時開始顯著升高。qN在鹽濃度為50 mmol/L時顯著低于CK(P<0.05),而濃度大于100 mmol/L時開始顯著升高(圖3-H)。脅迫40 d后,Y(NPQ)和qN隨著鹽濃度的增加先升高后降低,在濃度100 mmol/L時,均達到最大值,相對CK分別增加了63.52%、25.77%(圖3)。Y(NO)隨著鹽濃度的增加而升高,且均顯著高于CK(P<0.05),并在濃度大于100 mmol/L時急劇升高(圖3)。而qP呈降低趨勢,依次比CK降低了10.85%、17.57%、25.19%、40.25%(圖3)。

圖3 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片Y(NO)、Y(NPQ)、qP及qN含量的影響Fig.3 Effects of saline-alkali combined stress on Y(NO)、Y(NPQ)、qP and qN of M. halliana leaves

2.4 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片電解質滲透率及滲透調節物質的影響

葉片電解質滲透率的高低直接反映了細胞膜穩定性的大小。從圖5可以看出,隨著鹽堿復合脅迫時間的延長及濃度的增加,垂絲海棠葉片各處理組的電解質滲透率均呈升高趨勢。其中,脅迫20 d,電解質滲透率在鹽濃度大于50 mmol/L時顯著升高(P<0.05)。脅迫40 d 后,與CK相比,各處理組電解質滲透率顯著升高,且在鹽濃度大于100 mmol/L時急劇升高,依次比CK升高了68.21%、70.93%。同時,鹽堿復合脅迫下垂絲海棠葉片表現出明顯的鹽害,150 mmol/L時,大量葉片變黃,部分葉片開始萎蔫；200 mmol/L時,葉片全部變黃萎蔫(圖6)。

由圖5可知,隨著脅迫時間的延長,垂絲海棠葉片的脯氨酸、可溶性糖、有機酸含量呈升高趨勢。其中,脅迫20 d時,隨著鹽濃度的增加,葉片脯氨酸、可溶性糖、有機酸含量有不同程度的積累。脯氨酸含量在濃度大于100 mmol/L時開始顯著積累,可溶性糖、有機酸含量均在鹽濃度為50 mmol/L時顯著積累(P<0.05)；脅迫40 d后,葉片脯氨酸、可溶性糖、有機酸含量隨濃度的增加呈先升高后降低趨勢,脯氨酸、有機酸含量均在鹽濃度150 mmol/L時達到最大值,相對CK分別增加了41.50%、27.91%,可溶性糖含量在鹽濃度100 mmol/L時達到最大值,相對CK增加了35.35%。

2.5 垂絲海棠耐鹽堿能力評價

2.5.1相關性分析

將垂絲海棠混合鹽堿脅迫后的各項指標進行相關性分析,得到相關系數矩陣。從表2和表3可以看出,植株的Pn與Gs、Ci、ETR、ΦPSII呈極顯著正相關(P<0.01),與Tr、WC、qP、Chl a呈顯著正相關(P<0.05),與電解質滲透率、脯氨酸、Y(NO)呈顯著負相關(P<0.05)。

圖4 鹽堿復合脅迫下垂絲海棠葉片Y(NO)、Y(NPQ)、qN及qP的變化Fig.4 Changes of saline-alkali combined stress on Y(NO)、Y(NPQ)、qN and qP of M. halliana leaves

2.5.2主成分分析

對垂絲海棠鹽堿復合脅迫下的21個指標進行主成分分析,提取特征值>1的3個主成分,其特征值分別為13.648、4.758、1.050,累計方差貢獻率達到97.281%,符合分析要求。表4顯示,第一主成分(PC1)綜合了Pn、Gs、Ci、Tr、WC、電解質滲透率、脯氨酸、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car等指標的信息,第二主成分(PC2)綜合了WUE、可溶性糖、Y(NPQ)、qN指標的信息。綜合得分(F)是每個主成分得分與對應貢獻率乘積之和,即F=F1×68.241%+F2×23.790%+F3×5.250%。由表5可知,垂絲海棠在不同鹽濃度處理下的綜合得分分別為0.603、0.536、0.428、-0.647、-0.921。

3 討論與結論

3.1 垂絲海棠響應鹽堿復合脅迫的光合特性

葉綠素是主要的光合色素,對光能的吸收、傳遞及轉化起著重要的作用[4]。本試驗結果表明,隨著脅迫時間的延長及鹽濃度的增大,Chl T含量呈降低趨勢,說明鹽堿復合脅迫抑制了Chl T的合成。這可能是根系中高pH破壞了離子的吸收和轉運,影響了葉片對Mg2+的吸收,使葉綠素的合成受阻,從而打破葉綠素合成與降解的動態平衡[10]。Stepien等[11]對黃瓜的研究發現,一定低濃度的鹽堿復合脅迫能促進葉綠素的合成,而高濃度的鹽堿復合脅迫使葉綠素的合成受阻。可見,鹽堿復合脅迫下葉綠素含量的變化因植物不同而異。此外,Chl b含量在脅迫20 d時顯著降低,而Chl a在脅迫40 d時顯著降低,說明不同色素對鹽堿復合脅迫的敏感性存在差異,Chl b對脅迫的反應更為敏感。前人的研究表明,葉綠素酶催化Chl b的降解,對Chl a的影響較小[12],這也可能是中期脅迫(20 d),Chl b 含量顯著降低的原因。而長期脅迫(40 d)下,Chl a、Chl b含量均顯著下降,這說明葉綠體的結構可能受到了破壞。Jia等[13]研究認為,葉綠素是植物進行光合作用的物質基礎,且其含量的高低能反映植物光合作用的強弱,本試驗相關性分析表明,Pn與Chl T呈顯著正相關,說明垂絲海棠葉綠素含量的降低是光合作用受到抑制的主要原因。曹剛等[14]研究證實,類胡蘿卜素是葉綠體光合天線的輔助色素,能以非輻射的方式耗散光系統Ⅱ(PSⅡ)的過剩能量以保護葉綠素免受破壞。本研究中,鹽堿復合脅迫促進了Car的合成,而相關性分析表明,Car與Pn無顯著相關性,說明垂絲海棠葉片Car的升高可能與過剩光能的熱耗散保護機制有關。

圖5 鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片電導率及滲透調節物質的影響Fig.5 Effects of saline-alkali combined stress on electrolyte leakage and osmolytes of M. halliana

圖6 混合鹽堿復合脅迫對垂絲海棠葉片的影響Fig.6 Effects of saline-alkali combined stress on M. halliana leaves

PnGsCiTrWCWUE電解質滲透率脯氨酸可溶性糖有機酸Pn1Gs1??1Ci0.992??0.989??1Tr0.951?0.949?0.954?1WC0.877?0.887?0.8090.7851WUE0.090.1030.026-0.2110.3391電解質滲透率Electrolyte leakage-0.950?-0.956?-0.91?-0.832-0.956?-0.3641脯氨酸Proline -0.912?-0.91-0.937?-0.824-0.675-0.1610.8561可溶性糖Soluble sugar 0.2840.2960.214-0.0120.5260.977??-0.541-0.31有機酸Organic acids-0.445-0.445-0.498-0.569-0.1430.4420.2950.60.3941PnF0Fv/FmETRΦPSIIY(NPQ)Y(NO)qPqNChl TCarPn1F0-0.5301Fv/Fm0.854-0.6541ETR0.983??-0.4700.899?1ΦPSII0.965??-0.3780.8210.984??1Y(NPQ)0.241-0.949?0.4220.1780.0901Y(NO)-0.883?0.865-0.885?-0.848-0.784-0.6651qP0.938?-0.6790.973??0.946?0.8770.421-0.939?1qN0.482-0.959?0.7070.4710.3870.923?-0.8250.6711Chl T0.950?-0.3230.8260.982??0.996??0.03-0.7480.8700.3441Car-0.8260.552-0.586-0.721-0.664-0.3120.77-0.751-0.355-0.6331

*在0.05水平上顯著相關; **在0.01水平上顯著相關;Pn: 凈光合速率;Gs: 氣孔導度;Ci: 胞間CO2濃度;Tr: 蒸騰速率; WC: 葉片含水量; WUE: 水分利用效率;F0:初始熒光initial fluorescence;Fv/Fm:最大光化學效率maximal photochemical efficiency; ETR:表觀光合電子傳遞速率photosynthetic electron transport rate; ΦPSII:實際化學效率actual photochemical efficiency; Y(NPQ):調節性能量耗散regulatory energy dissipation; Y(NO):非調節性能量耗散non regulatory energy dissipation; qP:光化學猝滅系數photochemical quenching coefficient; qN:非光化學熒光淬滅系數non photochemical quenching coefficient; Chl T:總葉綠素Total chlorophyll;Car: 類胡蘿卜素carotenoids

表3 主成分分析旋轉后的成分載荷矩陣

表4 垂絲海棠不同鹽堿復合處理的綜合得分及其排名

一般認為,Pn降低主要受氣孔和非氣孔因素的影響[15]。大量的研究表明,限制光合作用的因素隨著鹽堿濃度的變化而動態變化,氣孔導度是限制低鹽脅迫下Pn降低的主導因素,而非氣孔因素是影響高鹽脅迫下Pn降低的主導因素[16- 17]。鹽堿復合脅迫下,隨著脅迫時間的延長及鹽濃度的增大,垂絲海棠葉片Pn、Gs、Ci、Tr均呈降低趨勢。根據Farquhar和Sharkey[18]的觀點Ci、Gs同時降低表示Pn降低是由氣孔因素引起,這說明氣孔導度可能是限制垂絲海棠葉片Pn降低的主要原因。本研究認為,氣孔導度的變化可能是堿性鹽引起的高pH刺激垂絲海棠根系產生物理或化學信號,從而影響了葉片氣孔導度和氣體交換,這與Liu和Shi[19]研究結果一致。而Yang等[4]人的研究證實,Gs降低是鹽堿復合脅迫下植物對葉片WC降低的一種適應性響應,Gs降低可以減少水分的散失,Tr降低有助于植物體維持水分平衡,減少鹽分的運輸,降低鹽分對葉片的毒害作用[20]。相關性分析表明,Pn與Gs呈極顯著正相關(P<0.01),與Tr、WC呈顯著正相關(P<0.05),這表明Gs和Tr的降低是垂絲海棠適應鹽堿復合脅迫的重要機制,且WC的降低也是影響垂絲海棠Pn降低的原因。此外,隨著脅迫時間的延長,垂絲海棠葉片WC逐漸降低,而WUE逐漸升高,這表明植物可能通過降低WC,提高WUE來抵抗脅迫,WUE增加可能是植物響應葉片含水量降低一種適應性反應,對植物長期存活在脅迫環境下有重要意義。這與前人的研究結果一致[21]。本研究中,隨著鹽濃度的增加,WC、WUE均在鹽濃度100 mmol/L時,達到最大值,這與主成分研究結果不一致,說明100 mmol/L鹽堿處理是垂絲海棠適應脅迫的臨界點,也說明耐鹽堿能力不能憑單個指標判斷,而應對多個指標進行綜合評價。

3.2 垂絲海棠響應鹽堿復合脅迫葉綠素熒光特性

葉綠素熒光參數可直接反映脅迫對光合作用的內在影響,F0、Fv/Fm的變化可推斷反應中心的變化情況和可能的光保護機制[22]。本試驗表明,隨著脅迫時間的延長及鹽濃度的增大,垂絲海棠葉片的F0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII均逐漸降低,且顯著低于CK,說明鹽堿復合脅迫破壞了光合系統,減弱了光能利用率,抑制了光合電子傳遞活性。有研究表明,PSⅡ天線色素的熱耗散常導致F0降低,PSⅡ反應中心的破壞或可逆失活則引起F0的增加,Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要指標,可作為反映PSⅡ活性中心光能轉換效率的參數,Fv/Fm降低表明葉片的PSII反應發生光抑制,導致光能的利用能力減弱[23- 24]。垂絲海棠在脅迫20 d,鹽濃度大于100 mmol/L時,Fv/Fm、F0顯著降低,說明此時發生了明顯的光抑制,但PSⅡ反應中心未受損傷；而脅迫40 d后,鹽濃度大于100 mmol/L時,F0顯著增加,說明此時類囊體膜結構發生變化,PSⅡ反應中心遭受破壞[25]。這可能是脅迫中期垂絲海棠通過增加熱耗散來保護PSⅡ反應系統,而脅迫后期,失去了自我保護能力,導致F0急劇增加,且100 mmol/L鹽堿處理可能是PSⅡ反應中心通過熱耗散進行自我保護的臨界點。本試驗發現,垂絲海棠葉片qP、ETR和ΦPSII均顯著降低,說明鹽堿復合脅迫抑制PSII光合活力,使光合電子傳遞受阻,葉片光化學效率降低,從而影響了光合作用[26]。相關性分析表明,ETR、ΦPSII與Pn呈極顯著正相關,qP與Pn呈顯著正相關,說明ETR、ΦPSII、qP與光合作用密切相關,其活性的大小是判斷植物耐鹽堿能力的重要指標。

植物遭受鹽堿復合脅迫后,光化學能量的轉化受到抑制,使PSII反應中心天線色素吸收的光能不能用于光合電子傳遞,需要通過啟動保護性調節機制(熱耗散)耗散過剩的光能,避免光合器官受到損傷[27]。Y(NPQ)、qN等葉綠素熒光參數可反映植物耗散過剩光能為熱的能力,是一種自我保護機制,對光合機構起一定的保護作用[26]。鹽堿復合脅迫下,隨著脅迫時間的延長及濃度的增大,垂絲海棠葉片的Y(NPQ)、Y(NO)、qN總體升高,而qP降低,說明鹽堿抑制垂絲海棠葉片的光合能力,使其接受的光能過剩,需要通過熱耗散等調節方式來保護自身[28]。本研究發現,脅迫40 d后,Y(NPQ)、qN在鹽濃度100 mmol/L時達到最大值,之后隨鹽濃度增大,而急劇降低,顯著低于CK,說明垂絲海棠在適宜的脅迫時間及鹽濃度下,啟動熱耗散保護機制來抵御鹽堿的危害,超過一定的限度,迅速失去自我保護能力,開始受到損傷；且鹽濃度100 mmol/L是垂絲海棠葉片PSII開始失活或被破壞的臨界點[29],這與F0的變化一致。Y(NO)是植物光損傷的重要指標,其數值升高說明植物光合器官受到了損傷。本試驗中,垂絲海棠葉片在脅迫40 d后,鹽濃度大于100 mmol/L時,數值迅速升高,這說明鹽濃度100 mmol/L為光合系統受到破壞的轉折點,這也證實了前面F0、Y(NPQ)、qN得出的結論。而相關性分析表明,垂絲海棠Pn與Y(NPQ)、qN無相關性。葉黃素循環也是耗散過剩光能的重要途徑,對燕麥[30]研究證實,鹽脅迫下,PSⅡ電子傳遞活性下降,減少了NADPH和ATP的合成和需求,抑制H+的跨類囊體轉運,從而刺激了葉黃素循環保護機制。本研究中,ETR和ΦPSII顯著降低,Car含量升高,說明鹽堿復合脅迫下,垂絲海棠葉片也啟動了葉黃素循環能量耗散機制來保護光合系統。這與張會慧等[31]研究結果一致。

3.3 垂絲海棠響應鹽堿復合脅迫滲透調節特性

細胞膜對于維持胞內代謝環境的穩定具有重要的意義。電解質滲透率可以反應植物細胞在逆境條件下透性變化和細胞膜受損傷的程度,電解質滲透率含量越高,說明植物受傷害的程度越大[32]。本研究表明,垂絲海棠葉片的電解質滲透率隨著脅迫時間的延長及鹽濃度的增大而急劇升高,說明鹽堿復合脅迫破壞了垂絲海棠葉片的細胞膜,導致滲透物質外流,從而引起電導率上升。Dinneny[33]認為,鹽堿復合脅迫下離子吸收平衡受阻,使Na+濃度升高,對細胞產生專性毒害作用,從而引起電解質滲透率升高,而王佺珍等[34]研究證實,電解質滲透率升高是由于鹽堿復合脅迫下,細胞內的滲透勢升高,使各種膜系統產生滲透脅迫,從而破壞了膜結構的穩定性。有研究表明,細胞膜結構的穩定是植物正常進行光合作用的保障。由此可見,鹽堿復合脅迫下,電解質滲透率的大小是判斷垂絲海棠耐鹽堿能力的重要指標,這與相關性研究結果一致。

滲透調節作用是植物抵御逆境的重要生理機制,植物可通過合成滲透調節物質(脯氨酸、可溶性糖、有機酸等)來調節細胞滲透平衡以增加自身的耐鹽堿性,從而緩解鹽堿復合脅迫對植物造成的傷害[35]。本研究中,隨著脅迫時間的延長,垂絲海棠葉片的脯氨酸、可溶性糖、有機酸含量大體均呈升高趨勢,說明垂絲海棠可通過積累滲透調節物質來抵抗鹽堿復合脅迫,這與前人的研究結果一致。脅迫40 d后,可溶性糖、有機酸含量在高鹽濃度下急劇降低,說明垂絲海棠的滲透物質代謝系統受到破壞。這可能是脅迫后期由于堿性鹽引起的高pH嚴重影響了葉片生理代謝活動,使其相關酶的合成受阻,這與劉鐸等[36]研究結果相似。有研究表明,脯氨酸的積累是植物響應鹽堿復合脅迫的一種信號,也是自身出現的一種防御性行為,本試驗中,垂絲海棠葉片的脯氨酸含量在低鹽濃度下沒有積累,而在高鹽濃度下大量積累,這與Yang等[37]研究結果一致。說明脯氨酸不是滲透脅迫的產物,而是脅迫程度的產物。這可能是垂絲海棠對鹽堿復合脅迫具有一定的耐受性,當超過耐受范圍時大量積累脯氨酸,緩解鹽堿復合脅迫帶來的傷害,直至承受不住高鹽高堿的脅迫作用而死[6]。相關性分析表明,垂絲海棠Pn與脯氨酸呈顯著負相關,與可溶性糖、有機酸無顯著相關性,這說明脯氨酸含量可以評價垂絲海棠的耐鹽堿能力。

3.4 垂絲海棠耐鹽堿能力綜合評價

植物的耐鹽堿性與多個因素相關,指標單一化很難真實準確反映植物耐鹽堿的實質,因此用多個指標進行植物耐鹽堿能力的綜合評價是必要的。本試驗以垂絲海棠的21個相關指標為依據,對其進行相關性及主成分分析。結果表明,植株的Pn與Gs、Ci、ETR、ΦPSII呈極顯著正相關關系(P<0.01),與Tr、WC、qP、Chl T呈顯著正相關關系(P<0.05),與電導率、脯氨酸、Y(NO)呈顯著負相關關系(P<0.05)。因此,可用Gs、Ci、ETR、ΦPSII、Tr、WC、qP、Chl T、電導率、脯氨酸、Y(NO) 等指標來評價垂絲海棠的耐鹽堿能力。主成分研究結果表明,第一主成分(PC1)綜合了Pn、Gs、Ci、Tr、WC、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car、電解質滲透率、脯氨酸等指標的信息,第二主成分(PC2)綜合了WUE、Y(NPQ)、qN、可溶性糖、有機酸指標信息。第一主成分中,Pn、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car、電解質滲透率是損傷的重要指標,Gs、Ci、Tr、WC是調節光合作用的重要指標,脯氨酸是重要的滲透調節指標,這說明垂絲海棠主要通過降低Gs、Ci、Tr、WC和大量積累脯氨酸來適應鹽堿復合脅迫；第二主成分中,WUE是節水指標,可溶性糖、有機酸是滲透調節指標,Y(NPQ)、qN是熱耗散保護指標,這說明垂絲海棠還通過提高WUE、大量積累可溶性糖和有機酸、啟動熱耗散機制來抵御鹽堿危害。此外,從主成分分析結果可得出,垂絲海棠在鹽濃度大于100 mmol/L時,綜合得分顯著下降,說明垂絲海棠具有一定的耐鹽堿性,在50—100 mmol/L混合鹽堿條件下可以正常生長,鹽濃度>150 mmol/L條件不適宜生長(圖6)。

4 結論

低鹽堿復合脅迫下(50、100 mmol/L),垂絲海棠葉片主要通過降低Gs、Ci、Tr、WC,提高WUE、大量積累滲透調節物質、啟動熱耗散機制來保持光合系統傷害與修復的動態平衡。高濃度(150、200 mmol/L)脅迫下動態平衡被打破,光合系統受到破壞,葉片失水萎蔫、干枯變黃,甚至死亡。PCA和相關性分析表明,鹽濃度100 mmol/L為耐鹽堿閾值,Gs、Ci、Tr、WC、Chl T、ETR、ΦPSII、qP、Y(NO)、電解質滲透率、脯氨酸等指標可以評價垂絲海棠的耐鹽堿能力。