鹽環(huán)境對雜交樹種密胡楊生長和光合特性的影響

孫 陽，韓占江，師建銀，唐宏宥，李 康

(1.塔里木大學生命科學學院/新疆生產(chǎn)建設兵團塔里木盆地生物資源保護利用重點實驗室，新疆阿拉爾 843300；2.新疆生產(chǎn)建設兵團林業(yè)工作管理總站，烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】新疆鹽堿土分布面積較大[1]，土壤次生鹽堿化程度仍在加重[2]，鹽堿地面積不斷擴增[3]。光合作用是植物最重要的生理過程，對外界環(huán)境的變化極其敏感[4]，土壤鹽堿化是影響植物光合作用最嚴重的環(huán)境因素之一[5]，對植物的正常生理代謝和生長發(fā)育造成嚴重影響。研究鹽脅迫對植物光合作用的影響，對于闡明植物耐鹽機理、培育種植耐鹽植物有重要意義。【前人研究進展】密胡楊(Populustalassica×P.euphratica)又被稱為胡雜[6]，是以密葉楊(P.talassica)為母本、胡楊(P.euphratica)為父本雜交選育獲得的雜交種，除具有胡楊耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風沙的優(yōu)良特性外，還具有密葉楊無性繁殖能力強、生長速度快、材質(zhì)好等特性[7]，且外觀整齊、景觀效果好[8]，是干旱、鹽堿條件下沙荒地區(qū)控制風沙的良好樹種[9]。【本研究切入點】前人研究主要集中在品種選育[10]、扦插繁育等[11,12]。作為胡楊雜交后代，目前相關研究報道還較少，研究密胡楊的葉片形態(tài)及光合特性變化特征，評價密胡楊對鹽環(huán)境的適應性。【擬解決的關鍵問題】以密胡楊作為研究對象，設置不同濃度NaCl處理，分析密胡楊葉片形態(tài)及光合特性變化，研究鹽環(huán)境下密胡楊葉片形態(tài)和光合特性的變化，為密胡楊大面積推廣種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料為2年生密胡楊，株高75～127 cm，地徑1.5 cm，冠幅50～60 cm。

1.2 方 法

1.2.1 前期處理

試驗于2019年5月16日～8月22日在新疆生產(chǎn)建設兵團第一師10團苗木基地(81°15'32.64″E、40°34'6.14″N，海拔1 014 m)進行。采用盆栽的方法，塑料盆規(guī)格為上口徑35 cm、下口徑19 cm、高26 cm，苗圃熟土5 kg。將長勢一致的密胡楊幼苗分成7組，每組10株，進行NaCl處理，設置7個濃度梯度0、200、250、300、350、400、450 mmol/L，每5 d處理1次，共處理6次。處理后定期觀察密胡楊幼苗的生長情況，保持2個月相同條件生長后進行相關形態(tài)和光合生理指標測定，3次重復。

1.2.2 指標測定

生長指標：MRS-9600TFU2 掃描儀對葉片進行掃描，采用LA-S 植物圖像分析軟件對葉片的寬度、長度、葉面積進行測量并計算葉形指數(shù)、比葉重。比葉重：形態(tài)指標測定后的葉片用蒸餾水清洗，晾干后用烘箱105℃殺青15～30 min，65℃烘干至恒重，稱重，計算比葉重。

葉形指數(shù)=葉片長度/葉片寬度；

葉片比葉重=葉干重/葉面積。

光合指標：采用LI-6400便攜式光合作用系統(tǒng)，選擇晴朗無云的天氣，測定時段為09:00～11:00，植株中部葉片：凈光合速率(Pn)，蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度值(Ci)及氣孔導度(Gs)并計算氣孔限制值(Ls)、蒸騰比率(TR)和葉片瞬時水分利用效率(WUE)。測定時光強為1 100 μmol/(m2·s)，溫度為25℃左右，大氣CO2濃度(Ca)為390 μmol/mol左右，重復3次。Ls=1-Ci/Ca，TR=Tr/Pn，WUE=Pn/Tr。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010軟件進行作圖，采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進行偏相關分析，用Duncan法對各參數(shù)進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 鹽處理對密胡楊葉片形態(tài)的影響

2.1.1 鹽處理對密胡楊葉長、葉寬及葉形指數(shù)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉長分別為5.26、5.77、4.96、4.69、5.58、5.21 cm，密胡楊對照葉長為7.02 cm，與對照葉長相比，NaCl處理后的密胡楊葉長均顯著降低。在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉寬分別為1.18、1.20、1.11、1.09、1.12、0.86 cm，對照葉寬為1.26 cm，與對照相比，除450 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉寬顯著降低，其他濃度NaCl處理的密胡楊葉寬均無顯著變化。密胡楊葉形指數(shù)對照值為5.56，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉形指數(shù)分別為4.47、4.81、4.49、4.31、4.98、6.46，與對照相比，NaCl處理的密胡楊葉形指數(shù)均無顯著變化。圖1～3

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different letter mean significant difference among the treatments at the 5% level,The same as below圖1 不同NaCl處理下密胡楊葉長變化Fig.1 Effect of NaCl treatment on leaf length of P. talassica × P. euphratica

圖2 不同NaCl處理下密胡楊葉寬變化Fig.2 Effect of NaCl treatment on leaf width of P. talassica × P. euphratica

圖3 不同NaCl處理下密胡楊葉形指數(shù)變化Fig.3 Effect of NaCl treatment on leaf shape index of P. talassica × P. euphraticaa

2.1.2 鹽處理對密胡楊葉面積、比葉重的影響

研究表明，NaCl處理密胡楊葉面積變化趨勢與葉長變化基本相似，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉面積分別為5.27、5.50、4.12、4.00、5.03、4.51 cm2，密胡楊對照葉面積為7.04 cm2，與對照相比，NaCl處理的密胡楊葉面積均顯著降低。在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊比葉重分別為0.006、0.009、0.005、0.007、0.007、0.007，密胡楊對照比葉重值為0.007，與對照相比，NaCl處理的密胡楊比葉重均無顯著變化。圖4，圖5

圖4 不同NaCl處理下密胡楊葉面積變化Fig.4 Effect of NaCl treatment on leaf area of P. talassica × P. euphratica

圖5 不同NaCl處理下密胡楊比葉重變化Fig.5 Effect of NaCl treatment on leaf mass of P. talassica × P. euphratica

2.2 鹽處理對密胡楊葉片光合特性的影響

2.2.1 鹽處理對密胡楊葉片凈光合速率(Pn)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～350 mmol/L時，密胡楊葉片Pn分別為12.81、19.87、13.20、10.25 μmol/(m2·s)，在濃度為250 mmol/L時達到最大值為19.87 μmol/(m2·s)，但與對照相比，均未達到顯著水平，在NaCl為400～450 mmol/L時，密胡楊葉片Pn分別為5.97、5.64 μmol/(m2·s)，與對照相比，差異達到顯著水平。說明中低濃度的鹽環(huán)境對密胡楊凈光合速率無顯著影響，高濃度的鹽環(huán)境降低了密胡楊的凈光合速率，造成了抑制。圖6

圖6 不同NaCl處理下密胡楊凈光合速率變化Fig.6 Effect of NaCl treatment on net photosynthetic rate of P.talassica × P.euphratica

2.2.2 鹽處理對密胡楊葉片氣孔導度(Gs)和氣孔限制值(Ls)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉片Gs分別為0.15、0.20、0.37、0.10、0.05、0.04 mol/(m2·s)，在NaCl濃度為300 mmol/L時，密胡楊Gs有最大值為0.37 mol/(m2·s)，密胡楊對照Gs為0.12 mol/(m2·s)，與對照相比，NaCl處理的密胡楊葉片Gs差異均未達到顯著水平。在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉片Ls分別為0.43、0.46、0.42、0.34、0.44、0.60，密胡楊對照Ls為0.59，與對照相比，450 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉片Ls無顯著變化，其他NaCl濃度處理的密胡楊葉片Ls顯著下降。圖7，圖8

2.2.3 鹽處理對密胡楊葉片蒸騰速率(Tr)和蒸騰比率(TR)的影響

研究表明，在NaCl濃度為300 mmol/L 時密胡楊葉片Tr為2.37 mmol/(m2·s)，與對照相比顯著升高，其他濃度處理的密胡楊葉片Tr與對照相比，差異均不顯著。NaCl處理后密胡楊葉片TR與Tr變化基本相同，與對照相比，300 mmol/L NaCl處理的的密胡楊葉片TR為0.21 mmol/μmol，與對照相比，差異達到顯著水平，其他濃度NaCl處理的密胡楊葉片TR差異未達到顯著水平。圖9，圖10

圖7 不同NaCl處理下密胡楊氣孔導度變化Fig.7 Effect of NaCl treatment on porosity of dense P. talassica× P. euphratica

圖8 不同NaCl處理下密胡楊氣孔限制值變化Fig.8 Effect of NaCl treatment on stomatal limit of P. talassica × P. euphratica

圖9 不同NaCl處理下密胡楊蒸騰速率變化Fig.9 Effect of NaCl treatment on transpiration rate of P. talassica × P. euphratica

圖10 不同NaCl處理下密胡楊蒸騰比率變化Fig.10 Effect of NaCl treatment on transpiration ratio of P.talassica × P.euphratica

2.2.4 鹽處理對密胡楊葉片胞間CO2濃度(Ci)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉片Ci分別為223.00、212.33、225.33、259.00、217.37、157.67 μmol/mol，密胡楊對照Ci為161.00 μmol/mol，與對照相比，在NaCl濃度為450 mmol/L時的密胡楊葉片Ci差異不顯著，其他濃度處理的密胡楊葉片Ci顯著升高。圖11

圖11 不同NaCl處理下密胡楊胞間CO2濃度變化Fig.11 Effect of NaCl treatment on intercellular CO2 concentration in P.talassica × P.euphratica

2.2.5 鹽處理對密胡楊葉片瞬時水分利用效率(WUE)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉片WUE分別為6.81、8.65、5.57、6.80、8.21、8.27 μmol/mmol，在NaCl濃度為300 mmol/L NaCl處理的的密胡楊葉片WUE有最小值為5.57 μmol/mmol，密胡楊對照WUE為10.45 μmol/mmol，與對照相比，差異達到顯著水平，其他濃度處理的密胡楊葉片WUE差異未達到顯著水平。圖12

圖12 不同NaCl處理下密胡楊瞬時水分利用效率變化Fig.12 Effect of NaCl treatment on instantaneous water use efficiency of P. talassica × P. euphratica

2.3 密胡楊光合生理指標與葉形態(tài)指標間偏相關性

研究表明，NaCl處理的密胡楊葉片Pn與葉寬呈顯著正相關(P<0.05)，Ci與葉面積呈極顯著負相關(P<0.01)，TR與葉長、葉形指數(shù)、比葉重呈顯著負相關(P<0.05)，Ls與葉面積呈極顯著正相關(P<0.01)，WUE與葉長、葉形指數(shù)呈極顯著正相關(P<0.01)。經(jīng)過NaCl處理后，密胡楊Pn隨葉寬減少而下降，Ci隨葉面積減少而增大，Ls隨著葉面積減少而下降，WUE隨著葉長減少而下降。表1

表1 光合生理指標與形態(tài)指標的偏相關性Table 1 Partial correlation analysis between photosynthetic physiological indexes and morphological indexes

3 討 論

鹽脅迫對植株造成的影響有：滲透脅迫、氧化脅迫、離子失調(diào)、光合作用受阻和有毒物質(zhì)積累[13,14]，導致植物生長速率受到抑制[15]和生物量積累降低[16]。葉片是植物進行光合作用的重要器官，葉性狀可以反映植物本身的生長狀況以及對生存環(huán)境的適應性，是植物生理生態(tài)特性以及對環(huán)境變化適應性的重要指標[17]，在一定濃度的NaCl環(huán)境下，密胡楊葉片表現(xiàn)出鹽害癥狀如葉片變黃、脫落等。研究發(fā)現(xiàn)，密胡楊在NaCl處理后葉長顯著降低，在NaCl濃度450 mmol/L時密胡楊葉寬顯著降低，這與姚俠妹等[5]研究結果相似。基于密胡楊葉長、葉寬數(shù)據(jù)的變化情況，葉面積降低的主要原因在于鹽環(huán)境中葉長生長受抑制程度大于葉寬生長受抑制程度，因此，密胡楊葉片在高濃度鹽環(huán)境中呈現(xiàn)葉形窄小，但尚未造成葉形的變化。植物葉片發(fā)育的過程是植物內(nèi)部因素和外部因素共同作用的結果，植物葉片大小與細胞增值和擴大的能力有很大的相關性，影響細胞增值和擴大的因子也影響植物葉片的發(fā)育[18]。密胡楊葉片大小與內(nèi)源激素、遺傳調(diào)控等的關系有待進一步研究。密胡楊葉片的生長隨著NaCl濃度的增大受到影響，高濃度NaCl處理抑制密胡楊葉片生長，進而影響其形態(tài)和光合作用。

植物光合作用對鹽脅迫的響應是復雜的[19]，光合速率越大，植物光合作用越強[20]。影響Pn的因素主要有Gs、Ci和Tr，共同作用以保障光合作用的順利進行[21]。馬煥成等[22]研究發(fā)現(xiàn)，用濃度200 mmol/L NaCl處理胡楊和雜種胡楊，從第5 d開始，雜種胡楊Pn一直保持顯著下降，而胡楊Pn至第10 d才顯著下降，隨后進入緩慢的恢復過程，研究中200 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉片Pn無顯著變化。趙靚等[23]、王旭明等[24]認為植株Pn隨著鹽濃度增加而下降，研究發(fā)現(xiàn)200～350 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉片Pn無顯著變化，400～450 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉片Pn呈現(xiàn)顯著降低，這與趙靚、王旭明等[23，24]研究結果基本一致。Farquhar等[25]研究認為，植物葉片Pn降低的同時Gs和Ci降低而Ls增高，葉片氣孔為主要影響因素；植物葉片Pn降低的同時Ci增高，此時葉肉細胞光合活性為主導因素。劉遵春等[26]認為脅迫下金光杏梅光合速率降低Gs減小，而Ci升高，非氣孔因素是脅迫金光杏梅光合速率下降的主要原因。鄭國琦等[27]研究認為，在低濃度NaCl處理條件下Pn下降主要受葉片氣孔制約，在高濃度NaCl環(huán)境條件下Pn下降主要受光合酶活性制約，植物體內(nèi)Na+和Cl-的大量積累，對光合酶產(chǎn)生毒害作用，導致光合酶活性降低，Pn下降。高濃度NaCl環(huán)境會導致PEP羧化酶和RuBP羧化活性降低[28]，葉綠素和類胡蘿卜素含量降低[29]，氣孔開度減少，氣孔阻力增大，光合速率下降[14]。密胡楊光合作用酶、光合色素等與鹽環(huán)境關系還需進一步研究。研究中，與對照相比，在NaCl濃度為200～350 mmol/L時Pn、Gs無顯著變化，Ci升高，在NaCl濃度為400～450 mmol/L時Pn下降伴隨Ci升高，在 NaCl濃度為450 mmol/L時Pn下降伴隨Ci下降和Ls升高。結果表明，密胡楊對于濃度300 mmol/L NaCl環(huán)境會加快Tr、TR升高，WUE降低；密胡楊在NaCl濃度為450 mmol/L時WUE增加。在 NaCl濃度為350～400 mmol/L時影響密胡楊葉片光合速率主要原因是非氣孔因素即葉肉細胞光合活性降低；在NaCl濃度為450 mmol/L時影響密胡楊葉片光合速率主要為氣孔因素。李菊艷等[30]研究認為，在濃度為500 mmol/L NaCl環(huán)境中胡楊幼苗通過氣孔調(diào)節(jié)提高WUE，降低了鹽分對胡楊幼苗的損傷。秦景等[31]研究認為沙棘幼苗能在 NaCl濃度為200～400 mmol/L的條件下保持水分的高效利用。研究認為，在在 NaCl濃度為450 mmol/L環(huán)境時密胡楊通過增大葉片氣孔阻力，阻礙氣孔開放，導致Tr降低，從而提高密胡楊WUE，確保密胡楊在高濃度NaCl條件下正常光合作用，這與李艷菊、秦景等[30，31]研究結果基本一致。密胡楊對鹽環(huán)境有一定抵御能力，表現(xiàn)出較強的耐鹽性。

4 結 論

鹽環(huán)境(200～450 mmol/L NaCl)對密胡楊葉長有顯著抑制作用，高濃度鹽環(huán)境(450 mmol/L NaCl)對密胡楊葉寬有顯著抑制作用，葉形窄小，但葉形尚未改變。密胡楊在中低濃度的鹽環(huán)境下(0～350 mmol/L NaCl)能夠保持正常凈光合速率，在高濃度鹽環(huán)境(400～450 mmol/L NaCl)下仍保持較高凈光合速率。密胡楊對鹽環(huán)境有一定的抵御能力，表現(xiàn)出較強的耐鹽性，可作為新疆鹽堿地區(qū)種植的優(yōu)良樹種。