NaCl脅迫對紫穗槐幼苗生長及生理特性的影響

王 濤，蒙仲舉*，張佳鵬，雷虹娟，張 格

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.包頭市達茂旗民安鎮綜合保障和技術推廣中心，內蒙古 達茂旗 014500；3.中國林業科學研究院 沙漠林業實驗中心，內蒙古 磴口 015200)

土壤鹽漬化會減緩植物的生長，抑制植物的代謝過程，甚至會導致植物出現萎蔫死亡的狀況[1]。不同物種有著不同的耐鹽能力，這主要取決于該物種的遺傳和生理生化特性。紫穗槐(Amorphafruticosa)又名棉槐、棉條、紫槐，屬豆科(Leguminosae)多年生小灌木[2]，原產于美國的東北部和東南部，后被我國引入，主要分布于我國的西北地區、長江、淮河流域的平原和四川盆地[3]。其還是優良的綠肥和蜜源植物，具有耐鹽、固氮等特性[4-5]，在北方邊坡防護工程中被廣泛應用[6-7]，被譽為水土保持的“優良樹種”[8]。鄒麗娜等[9]發現，隨著Na2SO4溶液濃度的增加，紫穗槐幼苗的光合參數、抗逆性酶活性及滲透調節物質顯著增加。江遠芳等[6]利用不同濃度的Na2CO3、NaHCO3及二者混合鹽對紫穗槐幼苗進行試驗，發現單鹽Na2CO3對植株的傷害程度相比NaHCO3和混合鹽處理嚴重。趙建誠等[10]利用不同濃度的NaCl對紫穗槐種子進行處理，研究發現，隨脅迫強度的增加，種子的發芽率、發芽勢、活力指數均呈現下降趨勢。目前，針對紫穗槐幼苗鹽脅迫的研究主要集中于Na2SO4、Na2CO3及NaHCO3脅迫對紫穗槐幼苗的影響，而有關NaCl脅迫對紫穗槐幼苗影響的研究較少。本試驗通過研究紫穗槐幼苗在NaCl脅迫生境中的適應性表現，探究紫穗槐幼苗在NaCl單鹽脅迫下的耐鹽機制，為紫穗槐幼苗的栽植提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

選取健壯、長勢均勻、大小一致的1年生紫穗槐幼苗，于2019年4月中旬將供試幼苗移栽于內蒙古農業大學沙生植物重點實驗室內進行盆栽試驗，實驗室光照時間10 h，晝夜溫度為26℃/19℃，相對濕度為50%～60%。選用自然晾干并過4 mm篩的土和營養土按照2∶1配比均勻，后裝入上口徑25 cm、下口徑20 cm、高度為20 cm的底部有孔花盆，每盆移植苗木1株。

1.2 試驗設計

本試驗依據土壤干質量施鹽[11-12]，試驗共設計4個NaCl濃度梯度，NaCl含量分別達到土壤干質量的0.1%、0.3%、0.5%和0.7%，以不作任何處理為對照(CK)，每組處理設置3個重復。根據生長特點，2019年4-7月為緩苗期，2019年7月10日開始采用灌澆鹽水控制土壤鹽含量的方式進行施鹽，為避免鹽激反應，每個處理按照其預設鹽含量呈等差數列灌溉施入，每2 d澆灌1次，每次每盆定量3 L，對照(CK)采用等量清水灌溉。試驗期間，為防止鹽分損失及保證鹽分滲透均勻，每天稱重補水，從而平衡蒸發量，在花盆下放置托盤，每天將滲漏出的溶液返還回花盆中。同時為避免邊際效應，每10 d輪換1次盆缽擺放位置。2019年8月中旬開始選取植株中上部發育完全且生長健康的新鮮葉片作為生理試驗待測樣品。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 鹽害等級觀測 為較好地反映苗木的受害情況，在孫晶等[13]研究基礎上結合實際情況稍加改動，將鹽脅迫對紫穗槐幼苗的危害程度分為以下5個等級，0級：植物無明顯鹽脅迫危害癥狀；1級：植物約1/4的葉尖、葉緣變黃；2級：植物約有1/2的葉尖、葉緣焦枯；3級：植物約1/2～3/4的葉尖、葉緣焦枯并且伴隨有大量落葉現象；4級：植物葉片全部落下，枝條干枯。在鹽脅迫處理后的第10、20天觀察和記錄紫穗槐幼苗葉片的顏色及形態變化。

1.3.2 生長指標測定 在脅迫處理前測定株高(H0)、分枝長度(h0)及基徑(D0)，在脅迫處理后的第20天再次測定株高(H1)、分枝長度(h1)及基徑(D1)，測量植株基部/分枝基部到植株生長點/分枝生長點的長度為植株的株高(H)及分枝長度(h)，植株基部基徑為植株基徑(D)。然后計算脅迫前/后的株高生長量ΔH(ΔH=H1-H0)、分支長度生長量Δh(Δh=h1-h0)和基徑生長量ΔD(ΔD=D1-D0)。

1.3.3 生理指標測定 參照文獻[14]，在脅迫后的第20天測定相關生理指標，其中葉片相對含水量用烘干稱重法測定，計算公式：

葉片相對含水量(RWC)/%=(自然鮮重-干重)/(飽和鮮重-干重)

(1)

葉綠素含量用80%的丙酮浸提法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮藍四唑(NBT)法測定，過氧化物酶(POD)活性用愈創木酚顯色法測定，丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸(TBA)法測定，可溶性蛋白質含量用考馬斯亮藍法測定。

1.4 數據分析

利用Excel 2010對數據進行整理，使用SPSS 25軟件對試驗數據進行單因素方差分析，使用Origin 2017軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 紫穗槐幼苗的脅迫狀況等級

紫穗槐受不同的濃度NaCl脅迫的癥狀見表1，伴隨著土壤鹽含量的增大及脅迫時間延長，紫穗槐幼苗的鹽害癥狀逐步加重。0.3%土壤鹽含量脅迫第20天，紫穗槐幼苗葉片葉尖、葉緣開始變黃，鹽害葉片占整株植物葉片的1/4；0.5%土壤鹽含量脅迫第10天，紫穗槐幼苗已經出現葉片的葉尖、葉緣變黃，當脅迫第20天，紫穗槐幼苗1/2的葉片的葉尖、葉緣焦枯及發生卷曲。0.7%土壤鹽含量脅迫第20天，紫穗槐幼苗1/2～3/4的葉尖、葉緣焦枯并且伴隨有大量落葉(表1、圖1)。

表1 NaCl脅迫下紫穗槐幼苗的脅迫狀況等級Table 1 Stress status of A.fruticosa seedlings under NaCl stress

圖1 NaCl脅迫對紫穗槐幼苗的葉片顏色及形態的影響(20 d)Fig.1 Effects of NaCl stress on leaf color and morphology of A.fruticosa seedlings(20 d)

2.2 NaCl脅迫對紫穗槐幼苗生長特征的影響

由表2可知，隨著土壤鹽含量的遞增，紫穗槐幼苗株高生長量、分枝長度生長量、基徑的生長量均顯著低于對照(P<0.05)。0.1%、0.3%、0.5%、0.7%鹽脅迫下，紫穗槐幼苗株高生長量分別比對照降低了20.69%、86.21%、81.59%和83.93%；幼苗分枝長度生長量分別降低了10.72%、75.03%、71.81%、78.56%；基徑生長量分別降低了26.58%、40.27%、39.73%和44.38%。

表2 NaCl脅迫對紫穗槐幼苗生長指標的影響Table 2 Effects of NaCl stress on the growth indexes of A.fruticosa seedlings

2.3 NaCl脅迫對紫穗槐幼苗生理特征的影響

2.3.1 對葉片葉綠素含量及相對含水量的影響 隨著土壤鹽含量的增加，紫穗槐幼苗葉片相對含水量呈現下降趨勢(圖2)，土壤鹽含量為0.3%、0.5%、0.7%的脅迫處理的葉片相對含水量顯著低于對照(P<0.05)。可見低濃度的鹽溶液對紫穗槐幼苗的水分代謝影響較小，而高濃度的鹽溶液則會抑制紫穗槐幼苗的水分代謝過程。

由表3可知，隨著土壤鹽含量增加，紫穗槐幼苗葉片光合色素除葉綠素a/b(Chla/b)外，葉綠素a(Chla)、葉綠素b(Chlb)、類胡蘿卜素(Chlx)、和葉綠素總量(Chla+b)等均呈現先增大后減小的趨勢。當土壤鹽含量<0.1%時，鹽脅迫對紫穗槐幼苗葉片葉綠素含量起到一定的促進作用；當土壤鹽含量>0.1%時，紫穗槐幼苗葉片葉綠素含量顯著減少；當土壤鹽含量為0.1%時，紫穗槐幼苗葉片的Chla、Chlb、Chlx、Chla+b含量，分別比對照增加了4.6%、39.81%、3.08%和10.89%。當土壤鹽含量為0.5%和0.7%時，紫穗槐幼苗葉片的Chla、Chlx、Chla/b、Chla+b含量顯著降低。

表3 NaCl脅迫對紫穗槐幼苗葉片光合色素含量的影響Table 3 Effects of NaCl stress on photosynthetic pigment concentration in the leaves of A.fruticosa seedlings

注：圖中不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。圖2 NaCl脅迫對紫穗槐幼苗葉片相對含水量的影響Fig.2 Effects of NaCl stress on RWC of A.fruticosa seedlings

2.3.2 對葉片抗逆性酶的影響 超氧化物歧化酶(SOD)與過氧化物酶(POD)等酶協同防御來自外界不良環境對細胞膜系統的傷害，故其活性的高低表征著植被對外界不良環境的抵抗性強弱[15-16]。由圖3可知，NaCl脅迫下紫穗槐葉片的SOD及POD活性隨著土壤鹽含量的增加均呈現先增大后減小的趨勢。當土壤鹽含量為0.3%時，SOD活性達到峰值，較對照增加15.92%(圖3A)。當土壤鹽含量為0.5%時，POD活性達到峰值，較對照增加22.51%(圖3B)。

2.3.3 對葉片丙二醛(MDA)含量的影響 MDA含量的大小反映著植物膜系統受害的程度，植物體內的MDA含量越高，表示植物組織的保護能力越弱[17]。如圖4所示，隨著土壤鹽含量增加，MDA含量呈現增加趨勢，4種梯度下MDA含量較對照分別增加了15.14%、24.35%、21.81%及29.71%。

圖4 NaCl脅迫對紫穗槐幼苗葉片丙二醛含量的影響Fig.4 Effects of NaCl stress on MDA concentration in the leaves of A.fruticosa seedlings

2.3.4 對葉片可溶性蛋白質含量的影響 李婷婷[18]的研究表明，在逆境作用下，植物體內滲透壓的高低與其誘導合成新的可溶性蛋白質的能力有關。由圖5可見，隨著土壤鹽含量增加，可溶性蛋白質含量呈現先增高后降低的趨勢。當土壤鹽含量在0.1%、0.3%時，可溶性蛋白質含量分別比對照增加3.39%、15.87%；當土壤鹽含量為0.5%、0.7%時，可溶性蛋白質含量分別較對照降低28.30%、68.39%。

圖5 NaCl脅迫對紫穗槐幼苗葉片可溶性蛋白質含量的影響Fig.5 Effects of NaCl stress on the soluble protein content in the leaves of A.fruticosa seedlings

3 結論與討論

通過對紫穗槐幼苗在NaCl脅迫生境的適應性表現觀察及相應的生長和生理指標測定發現，紫穗槐幼苗具有一定的耐鹽性。在0.1%、0.3%土壤鹽濃度下，紫穗槐幼苗可以通過其自身的抗逆性機制來抵抗鹽脅迫，如提高葉綠素含量、抗逆性酶活性、MDA含量及滲透調節物質含量等。在0.5%土壤鹽濃度下，紫穗槐幼苗已受到一定程度的鹽害，其將根部吸收的鹽分轉移到葉片中，通過落葉將體內的鹽分排出。在0.7%土壤鹽濃度下，紫穗槐幼苗體內的穩態環境已經完全被打亂，各項指標均變化顯著，葉片大量落下，枝條枯萎，生長受到了顯著的抑制。綜上所述，紫穗槐幼苗在以NaCl為主的鹽漬土中的生存閾值為0.3%。

在逆境條件下，植物會通過形態特征與生長狀態的改變來適應逆境條件，通過調整生物量等的方式來維持逆境下植株的生長，而其主要方式為減少碳同化量和調節滲透能耗等[19]。本研究發現，NaCl脅迫下的紫穗槐幼苗株高生長量、分枝長度生長量及基徑生長量在土壤鹽含量>0.3%時，生長量較對照減少明顯，這與閆永慶等[20]、韓志平等[21]、D.Wang et al[22]的研究結果相似，低濃度的鹽分含量對植被的影響較小，而高濃度的鹽分含量則會明顯抑制植物的生長。這可能是在高濃度的鹽分條件下，植物會重新調整資源分配格局來適應逆境條件，維持自身的正常生長。

植物通過光合作用積累有機物質，維持自身的生長，光合色素是光合作用的基礎，光合色素的主要作用是對光能進行吸收、傳遞、轉化，其質量分數在一定程度上反映植物同化物質的能力[23-25]。李學孚等[26]研究發現，低鹽脅迫下，植物葉片葉綠素含量無顯著變化。而本研究發現，在低濃度的鹽分脅迫下，紫穗槐幼苗葉片的葉綠素含量出現了小幅度的上升，但是隨著鹽分濃度的遞增，葉綠素含量卻迅速下降。這可能是由于低濃度的鹽脅迫可以加速葉綠素的合成，而高濃度的鹽脅迫則會抑制PEP羧化酶和RuPEP羧化酶的活性，降低光合色素的合成速率，加速葉綠素分解，使葉綠素含量下降。這與趙佳偉等[27]、袁斌玲等[28]的研究結果相似。這也證明了葉綠體是對鹽脅迫較為敏感的細胞器，NaCl脅迫對紫穗槐幼苗的光合色素含量有低促高抑的作用。本研究中，當土壤鹽含量>0.3%時，紫穗槐幼苗葉片葉綠素含量顯著下降(P<0.05)。

在鹽脅迫條件下，植物細胞內會產生大量的活性氧自由基，使得細胞內的自由基的產生與消除的動態平衡難以繼續維持，導致膜脂雙分子層過氧化，產生大量MDA，破壞細胞膜結構，致使植物的生理失衡[29-32]，MDA也被認為是膜脂過氧化水平的標志。此時，植物可以通過細胞內的抗氧化酶等酶的協同作用，消除細胞內的多余的自由基來維持植物細胞內正常的代謝活動。而細胞體內的多余的自由基則主要依靠SOD和POD來清除[33]。在本研究中，隨著土壤鹽含量增加，紫穗槐幼苗葉片中MDA含量也不斷地增加，說明在NaCl脅迫下紫穗槐幼苗細胞內產生了大量的自由基，已經對紫穗槐幼苗細胞的質膜產生了過氧化傷害。土壤鹽含量為0.7%時，MDA含量較對照顯著增加，說明此時的細胞膜已受到了嚴重的傷害，體內的代謝過程已被打亂。而紫穗槐幼苗葉片的SOD活性和POD活性則呈現先上升后下降的趨勢，這與李宏博等[34]的研究結果相似，說明在低濃度的鹽分脅迫下，SOD和POD可以消除紫穗槐幼苗細胞內的自由基。但是，一旦超過一定的鹽分濃度，就會抑制抗氧化酶的活性，導致植物體內的抗氧化酶活性下降。本研究中，土壤鹽含量為0.5%時，SOD活性開始下降，當土壤鹽含量為0.7%時，POD活性開始下降，這是由于大量的Na+涌入，導致膜質過氧化程度加劇，細胞內多種功能受到破壞，生理代謝紊亂，使得活性氧的增加遠遠超過其正常歧化能力，導致SOD與POD活性下降。

鹽脅迫環境下，土壤的滲透勢較低，會導致植物發生水分虧缺現象，為了應對這種傷害，植物會通過積累一些可溶性物質來降低細胞內的滲透壓，維持植物的正常代謝過程[35]。可溶性蛋白質作為植物體內重要的滲透調節物質，對植物抵抗逆境起著一定的作用。有研究發現[36]，鹽脅迫條件下植物葉片的可溶性蛋白質含量會增加。而本研究中，隨著土壤鹽含量的增加，可溶性蛋白質含量呈先增長后降低的趨勢，0.3%土壤鹽含量下，可溶性蛋白質含量達到最高，這是由于低濃度下的鹽脅迫誘導產生了大量的可溶性蛋白質，植物通過增加滲透調節物質來而減緩因鹽脅迫對植株造成的水分虧缺傷害，這與周瑩等[37]研究結果相似。在高濃度的鹽脅迫下，可溶性蛋白質含量下降，這是由于高濃度的鹽脅迫抑制了可溶性蛋白質的合成，導致其含量下降。

無機鹽中植物對鈉鹽最為敏感，而鈉鹽中對植物危害最大的是NaCl，其也是主要的鹽害類型。與前人的研究相比[2]，本研究也發現紫穗槐幼苗對NaCl的耐鹽性低于其他鹽類。