干旱脅迫下文冠果耐鹽生理生化特性研究

張 璐 劉炳響 牟洪香 馬長明 連亞妮 王 曉

（河北農業大學林學院，河北 保定 071000）

植物“交叉適應性”理論認為，當植物遭受某一種逆境時，會提高對另一種逆境的抵抗能力，從而通過某些機制來增強植物的抗性[1]。有研究發現，檉柳（Tamarix chinensis）幼苗在鹽旱脅迫下表現出一定的交叉適應性，適度的干旱脅迫能增強檉柳幼苗對鹽分脅迫的耐受能力，濃度過高則會加劇鹽害[2]；與單一干旱脅迫相比，旱鹽復合脅迫在一定程度上能夠緩解干旱脅迫對側柏（Platycladus orientalis）幼苗生長的影響[3]。鹽漬和干旱是大部分植物所面臨的最嚴重問題之一，已成為限制森林和農作物生長的主要因素[4]。鹽堿化土壤經常會伴隨干旱一起發生，對植物生長及生理代謝方面造成不同程度的影響，因此研究植物在干旱、鹽漬條件下的耐受性及生長適應性對于其在鹽堿地的推廣應用極為重要。

文冠果（Xanthoceras sorbifolium）是我國北方干旱半干旱地區鄉土木本油料樹種，對土壤瘠薄和干旱有較好的耐受性[5]。目前對于文冠果的研究主要集中在繁殖技術、栽培管理、藥用價值、良種選育和抗逆生理等方面，且在抗逆性方面主要集中在水分、鹽分等單一因子對文冠果的脅迫方面[6-11]，而在水分鹽分共同脅迫方面研究較少。聚乙二醇（PEG）是一種滲透調節劑，可用來人為模擬水分滲透脅迫[12]。本研究以2 年生文冠果苗為材料，利用15% PEG 6000 和不同濃度NaCl（0%、0.25%、0.35%、0.45%）分別模擬旱鹽脅迫，通過測定不同脅迫條件下文冠果葉片有機滲透調節系統、無機離子濃度、膜系統等方面的生理指標，研究各生理生化指標在干旱、單鹽、旱鹽交叉脅迫條件下的變化規律，探討在旱鹽交叉脅迫條件下文冠果苗是否具有“交叉適應性”，以期為文冠果在干旱鹽堿地區的推廣應用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2019 年春季，選取生長狀況良好、無病蟲害且長勢基本一致的2 年生苗文冠果營養杯苗，栽植于試驗盆中。盆上口徑44 cm、下口徑25 cm、高30 cm，每盆2 株，每盆裝土20 kg，脅迫前對苗木進行常規管理，保證其能夠正常生長。試驗地位于河北省保定市南市區河北農業大學標本園（115°25′E，38°48′N），屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，年平均氣溫12 ℃，年平均降水529.7 mm，無霜期165～210 d，試驗期間日均最高氣溫為37 ℃，夜均最低氣溫22 ℃。試驗土為壤土，土壤田間持水量為20.95%，土壤的電導率為89.18 μs/cm。為避免雨水對試驗結果產生影響，該試驗在遮雨棚中進行，遮雨棚四面通風。

1.2 試驗方法

采用隨機區組設計，采用PEG 6000 設置2 個干旱（0、15%）水平，利用NaCl 設置4 個鹽分水平（0、0.25%、0.35%、0.45%）進行試驗，共8 個處理，每個處理4 株，進行3 次重復。用水溶解NaCl（以干土質量百分數計）至各脅迫預定濃度。2019 年7 月18 日開始對盆栽苗進行旱鹽脅迫處理，脅迫時間持續22 d。試驗期間，定期稱重澆灌以平衡水分蒸發量。在脅迫處理2 d（7 月19 日）、6 d（7 月23 日）、11 d（7 月28 日）、16 d（8 月2 日）、22 d（8 月8 日）分別取相同方位且大小一致的中部功能葉片，用冰盒保存取回至實驗室，并用液氮處理放入超低溫冰箱內，用于各項生理生化指標的測定，每個指標重復3 次。

可溶性糖含量采用蒽酮比色法，脯氨酸含量采用李合生的方法，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法，相對電導率測定采用電導儀法，丙二醛含量（MDA）采用硫代巴比妥酸法[13-14]，鈉離子（Na+）含量、鉀離子（K+）含量用原子吸收法測定[15]。

1.3 數據分析

采用Excel 2010 進行數據統計，表中數據以平均值±標準誤（SE）表示；用SPSS 21.0 進行顯著性分析，運用One-way ANOVA 方法進行Duncan 檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 旱鹽脅迫對文冠果有機滲透調節物質的影響

2.1.1 旱鹽脅迫對文冠果葉片可溶性糖的影響

由表1 可知，在無鹽脅迫下，經15% PEG 6000 處理6 d 后，文冠果葉片可溶性糖含量均顯著高于不經PEG 6000 處理（P<0.05）。在單鹽脅迫下，各處理可溶性糖含量在同一時間內均隨鹽分濃度的升高而升高，不同鹽分濃度間差異顯著（P<0.05）。在旱鹽交叉脅迫條件下，相同時間內葉片可溶性糖含量隨鹽濃度提高而升高，各處理間差異顯著（P<0.05）。在0.25% NaCl 處理下，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片可溶性糖含量均顯著低于未經PEG 6000 處理的（P<0.05）；但當NaCl 濃度達到0.45% 時，經15%PEG 6000 處理的文冠果葉片可溶性糖含量高于不經PEG 6000 處理的含量。經單旱脅迫、單鹽脅迫及旱鹽交叉脅迫各處理可溶性糖含量均隨脅迫時間延長出現先上升后下降的趨勢，各處理均在16 d 后達到最大值，不同脅迫天數間差異極顯著（P<0.01）。

表1 不同旱鹽交叉脅迫下文冠果葉片可溶性糖含量變化Table 1 Changes of soluble sugar content in X.sorbifolium leaves under drought and salt cross stress

2.1.2 旱鹽脅迫對文冠果葉片脯氨酸含量的影響

由表2 可知，在無鹽條件下，經15% PEG 6000 處理6 d 后，文冠果葉片脯氨酸含量均顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。在單鹽脅迫下，各處理葉片脯氨酸含量在同一時間內均隨鹽分梯度的升高而升高，0.45% NaCl 處理的顯著高于0.25% NaCl 處理的（P<0.05）。在旱鹽交叉脅迫下，相同時間內葉片脯氨酸含量隨鹽濃度升高而升高，且差異顯著（P<0.05）；低鹽濃度（0.25% NaCl 和0.35% NaCl）處理下，除個別差異不顯著 外（0.35% NaCl 脅 迫16 d），經15%PEG 6000 處理的文冠果葉片脯氨酸含量均顯著低于未經PEG 6000 處理的（P<0.05）。當NaCl 濃度達到0.45% 時，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片脯氨酸含量均顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。單旱脅迫、單鹽脅迫及旱鹽交叉脅迫各處理葉片脯氨酸含量均隨脅迫時間延長呈上升趨勢，不同脅迫天數間差異極顯著（P<0.01）。

表2 不同旱鹽交叉脅迫下文冠果葉片脯氨酸含量變化Table 2 Changes of proline content in X.sorbifolium leaves under drought and salt cross stress

2.1.3 旱鹽脅迫對文冠果葉片可溶性蛋白含量的影響

由表3 可知，在無鹽脅迫下，經15% PEG 6000 處理6 d 后，文冠果葉片可溶性蛋白含量均顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。在單鹽脅迫下，各處理葉片可溶性蛋白含量在同一時間內均隨鹽分梯度的升高而升高，0.45% NaCl 處理的顯著高于0.25% NaCl 處理的（P<0.05）。在旱鹽交叉脅迫條件下，相同時間內葉片可溶性蛋白含量隨鹽濃度升高而升高，且差異顯著（P<0.05）；在0.25% NaCl 處理下，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片可溶性蛋白含量顯著低于未經PEG 6000 處理的（P<0.05）；在0.35% NaCl 處理下，經15% PEG 6000 處理脅迫11 d 后，文冠果葉片可溶性蛋白含量顯著低于未經PEG 6000 處理（P<0.05）；而當NaCl 濃度達到0.45% 時，經15% PEG 6000 處理6 d 后，可溶性蛋白含量顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。隨脅迫時間的延長，各處理葉片可溶性蛋白含量呈先上升后下降的趨勢，16 d 后達到最大值，不同脅迫天數間差異顯著（P<0.05）。

表3 不同旱鹽交叉脅迫下文冠果葉片可溶性蛋白含量變化Table 3 Changes of soluble protein content in X.sorbifolium leaves under drought and salt cross stress

2.2 旱鹽脅迫對文冠果無機離子濃度的影響

2.2.1 旱鹽脅迫對文冠果葉片Na+含量的影響

由表4 可知，在無鹽脅迫下，經15% PEG 6000 處理6 d 后，文冠果葉片Na+含量均顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。在單鹽脅迫下，在同一時間內各處理葉片Na+含量均隨鹽分濃度的升高而升高，0.45% NaCl 處理的顯著高于0.25% NaCl處理的（P<0.05）。在旱鹽交叉脅迫條件下，相同時間內葉片Na+含量隨鹽濃度升高而升高，且差異顯著（P<0.05）；在0.25% NaCl處理下，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片Na+含量顯著低于未經PEG 6000 處理的（P<0.05）；在0.35% NaCl 處理下，經15% PEG 6000 處理脅迫11 d 后，文冠果葉片Na+含量顯著低于未經PEG 6000 處理（P<0.05）；而當NaCl 濃度達到0.45%時，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片Na+含量均顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。隨脅迫時間延長各處理Na+含量呈上升趨勢，且鹽濃度越高，增幅越大，不同脅迫天數間差異極顯著（P<0.01）。

表4 不同旱鹽交叉脅迫下文冠果葉片Na+含量變化Table 4 Changes of Na+ ion content in X.sorbifolium leaves under drought and salt cross stress

2.2.2 旱鹽脅迫對文冠果葉片K+含量的影響

由表5 可知，在無鹽脅迫下，相同時間內，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片K+含量顯著低于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。在單鹽脅迫下，在同一時間內各處理葉片K+含量隨鹽分梯度的升高而降低。在旱鹽交叉脅迫條件下，相同時間內葉片K+含量隨鹽濃度提高而降低，且差異顯著（P<0.05）；低濃度NaCl 處理（0.25% 和0.35%），經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片K+含量顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。當NaCl 濃度達到0.45% 時，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片K+含量均顯著低于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。隨脅迫時間延長，各處理K+含量呈下降趨勢，各處理前16 d 變化幅度較大，之后變化較小趨于穩定，不同脅迫天數間差異顯著（P<0.05）。

表5 不同旱鹽交叉脅迫下文冠果葉片K+含量變化Table 5 Changes of K+ ion content in X.sorbifolium leaves under drought and salt cross stress

2.3 旱鹽脅迫對文冠果細胞膜透性、膜脂過氧化程度的影響

2.3.1 旱鹽脅迫對文冠果葉片細胞膜透性的影響

由表6 可知，在無鹽脅迫下，同一時間內經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片相對電導率均顯著高于不經15% PEG 6000 處理的（P<0.05）。在單鹽脅迫下，各處理葉片相對電導率在同一時間內均隨鹽分梯度的升高而升高，0.25% NaCl 處理的顯著低于0.45% NaCl 處理的（P<0.05）。在旱鹽交叉脅迫條件下，相同時間內葉片相對電導率隨鹽濃度提高而增大，且差異顯著（P<0.05）；低鹽濃度范圍內（0.25% NaCl 和0.35% NaCl）經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片相對電導率顯著低于未經15% PEG 6000 處理的（P<0.05），而當NaCl 濃度達到0.45% 時，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片相對電導率顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。各處理葉片相對電導率均隨脅迫時間的延長呈上升趨勢，鹽濃度越高，增幅越大，不同脅迫天數間差異極顯著（P<0.01）。

表6 不同旱鹽交叉脅迫下文冠果葉片相對電導率變化Table 6 Changes of relative conductivity in X.sorbifolium leaves under drought and salt cross stress

2.3.2 旱鹽脅迫對文冠果葉片MDA 含量的影響

由表7 可知，在無鹽脅迫下，同一時間內經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片MDA 含量均顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。在單鹽脅迫下，同一時間內各處理葉片MDA 含量均隨鹽分梯度的升高而升高，0.25% NaCl 處理的顯著低于0.45% NaCl 處理的（P<0.05）。在旱鹽交叉脅迫條件下，相同時間內葉片MDA 含量隨鹽濃度升高而增大，且差異顯著（P<0.05）。在0.25% NaCl 處理下，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片MDA含量6 d 后顯著低于未經PEG 6000 處理的（P<0.05）；當NaCl 濃度達到0.45% 時，經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片MDA 含量均顯著高于不經PEG 6000 處理的（P<0.05）。各處理葉片MDA含量隨脅迫時間的延長呈上升趨勢，鹽濃度越高，增幅越大，不同脅迫天數間差異極顯著（P<0.01）。

表7 不同旱鹽交叉脅迫下文冠果葉片MDA 含量變化Table 7 Changes of MDA content in X.sorbifolium leaves under drought and salt cross stress

3 結論與討論

植物在遭受逆境脅迫時，可通過調節體內生理生化物質來增強自身抗逆性，減弱逆境帶來的傷害，這些物質包括滲透調節物質、保護酶等，其中可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白是植物體常見的滲透調節物質[16-19]。本研究發現，在旱鹽脅迫下文冠果葉片脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量隨鹽濃度上升呈上升趨勢，除脯氨酸隨脅迫時間延長呈上升趨勢外，其余兩指標均呈先上升后下降趨勢。脅迫前期，文冠果通過提高可溶性糖、脯氨酸含量等滲透調節物質，去抵御外界脅迫，當脅迫超過一定程度后，文冠果滲透調節系統被破壞，系統發生紊亂。再加之細胞膜破壞受損，細胞內大量物質外滲，從而影響可溶性糖的合成與運輸，可溶性糖含量下降，耿廣琴等[20]、劉炳響[21]在研究中也得到了相同的結論。

交叉適應性理論認為，當植物遭受某一逆境時，會增強對另一種逆境的抵抗力。本研究發現在低鹽濃度下（0.25% NaCl 和0.35% NaCl），經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量均顯著低于未經PEG 6000 處理的，而當NaCl 濃度達到0.45% 時，經15% PEG 6000 處理的均顯著高于不經PEG 6000處理的。這表明與單鹽脅迫相比，旱鹽交叉脅迫并不是簡單的效應累積，存在一定的“交叉適應性”，適當程度干旱可以降低鹽脅迫下文冠果生理代謝系統發生紊亂的幾率，當超過一定范圍后，這種交叉脅迫可加重其傷害，這與偶春的研究結果一致[3]。此外，各滲透調節物質含量隨脅迫時間延長總體呈上升趨勢，但變化并不一致。可溶性糖和可溶性蛋白含量在脅迫16 d 后達到最大值，隨后下降，說明文冠果體內滲透調節物質的調節作用一定程度上存在差異性，這種協同作用和差異性還有待進一步研究。

在逆境下植物通過吸收和積累無機鹽離子進行滲透調節，增加細胞濃度，降低細胞滲透勢，防止細胞脫水；但在高濃度鹽脅迫下，植物原生質膜被破壞，導致大量Na+涌入細胞內，破壞細胞離子平衡狀態，影響K+胞內分布，對植物造成單鹽毒害、滲透脅迫及養分虧缺，抑制植物生長[22-23]。本研究結果表明，單旱脅迫、單鹽脅迫和旱鹽交叉脅迫文冠果葉片Na+含量均隨鹽分濃度上升和脅迫時間的延長呈上升趨勢，且鹽濃度越高Na+含量增幅越大，而葉片中K+含量表現出相反的規律性。隨脅迫加重葉片Na+含量升高而K+含量下降，這是因為Na+和K+有著相似的離子半徑和水合能，二者會競爭轉運體的同一結合位，Na+的增多加劇了這種競爭，造成了K+的虧缺。這一結果與龐彩菊[24]對腎葉打碗花的研究結果基本一致。此外，脅迫初期，質膜對K+的選擇性降低，導致Na+含量明顯增加，K+含量下降，當其長期處于高鹽環境，植物將會產生一種自我保護機制，維持較高濃度K+含量，增強細胞滲透調節能力，王永慧等[25]也得到了相同的結論。此外，低鹽濃度下（0.25% NaCl 和0.35% NaCl），經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片Na+含量表現出了和上述滲透調節相似的規律性，即顯著低于未經PEG 6000 處理的，而在高濃度鹽分脅迫下，顯著高于不經PEG 6000 處理的，K+含量與之相反。這說明15% PEG 6000 在一定鹽濃度范圍內可以有效減輕鹽脅迫對植物的傷害，這與劉建新等[26]的研究結果一致。

植物在鹽脅迫下生長，吸收的鹽分在植物體內積累，破壞細胞膜透性，細胞內大量元素外流，電導率升高，膜脂過氧化程度升高，MDA 含量顯著增加，這是植物應答逆境的一種自我保護機制[27-28]。有研究表明隨鹽濃度提高和脅迫時間延長可以促進歐李（Cerasus humilis）細胞質相對電導率明顯升高，電解質大量外滲，膜脂過氧化作用加強[29]。劉炳響等[30]對不同生境白榆（Ulmus pumila）生理特性研究發現隨土壤鹽分濃度增加白榆葉片相對電導率上升，葉片受害程度逐漸加重。本試驗研究表明，無論是單旱、單鹽脅迫還是旱鹽脅迫，文冠果葉片相對電導率和MDA含量均隨鹽分濃度上升呈上升趨勢，文冠果在受到外界環境脅迫時，其葉片細胞膜結構受到破壞，膜系統紊亂，生理代謝受到阻礙，細胞內電解質大量滲出，膜脂過氧化程度加重。低鹽濃度下經15% PEG 6000 處理的文冠果葉片相對電導率、MDA 含量均顯著低于未經PEG 6000 處理的，超過一定范圍時，相對電導率顯著高于不經PEG 6000 處理的。這表明在文冠果低鹽環境中，對其進行一定程度的干旱處理可以降低膜結構破壞程度，從而進一步減緩活性氧導致的膜脂過氧化作用。

本研究通過測定干旱脅迫下不同鹽濃度的文冠果葉片有機滲透調節系統、無機離子濃度、膜系統的生理生化指標，得出以下結論：無論是在單旱、單鹽還是旱鹽交叉脅迫下，文冠果生理代謝系統均發生不同程度變化，在一定脅迫范圍內，隨脅迫程度加重，通過提高葉片可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白，降低細胞滲透勢，緩解逆境造成的生理代謝紊亂；Na+、相對電導率、MDA的升高及K+的降低不利于其抵御逆境脅迫。在低鹽濃度范圍內（0.25%～0.35% NaCl），文冠果對旱鹽復合脅迫具有交叉效應。