刺槐幼苗非結構性碳水化合物對NaCl脅迫的動態響應*

祁 琳 郭龍梅 劉尤德 曹幫華 毛培利 李澤秀

(山東農業大學林學院 黃河下游森林培育國家林業和草原局重點實驗室 泰安 271018)

非結構性碳水化合物(non-structural carbohydrate,NSC)是樹木生長和代謝的重要物質，主要包括可溶性糖和淀粉，是參與樹木能量代謝的主要物質和維持生長發育的重要因子(周馳燕等，2021)，其特征既能反映樹木整體的碳收支平衡關系，也能反映植物對環境變化的響應策略(杜建會等，2020)。持續強烈的逆境脅迫會顯著降低植物內NSC含量(Zhangetal.，2015；張蕓香等，2019)，樹木NSC儲存的多少，與其自身的生長機制有關，并在樹木適應環境變化等方面至關重要(O’Brienetal.,2014)。“碳饑餓”假說認為，逆境下植物體內的NSC不能滿足植物自身的消耗會最終導致植物因碳供給不足而死亡(McDowelletal.,2008)。不同時空尺度和逆境下樹木NSC含量的變化特征研究表明，時空尺度和脅迫方式均影響著NSC的適應機制(杜建會等，2020；Cuietal.,2019)。

植物不同器官間NSC濃度存在差異。通常葉片是碳水化合物的源，制造的碳水化合物通過樹干的韌皮部運輸，儲存于根系和樹干形成淀粉，其中一用于部分呼吸消耗產生能量以維持生長(王曉雨等，2019)。逆境下樹木會通過重新調用儲存在木質部中的非結構性碳水化合物(Dietzeetal.,2014)，釋放能量、形成可溶性糖和衍生代謝物等參與植物細胞的滲透調節，進而通過植物形態和生理變化緩解鹽堿或干旱等脅迫壓力(張婷等，2016；Hartmannetal.，2016)。

刺槐(Robiniapseudoacacia)具有生長快、萌蘗能力強、適應性強、根瘤固氮等優點，是黃河三角洲地區的主要造林樹種。對該地區刺槐林來說，鹽脅迫是最普遍的自然脅迫逆境，嚴重影響著其生長發育。為了研究刺槐對鹽脅迫的適應機制，研究者已從滲透脅迫、離子毒害、生長、光合生理等諸方面(曹幫華等，2008；Maoetal.，2016；孟凡娟等，2010)進行了系統研究，但NSC含量與分配作為樹木適應能力的重要體現，相關研究很少(杜建會等，2020)。基于此，本研究以1年生刺槐苗為研究對象，研究了不同鹽脅迫下刺槐苗木生長、NSC變化及其相互關系，揭示NSC在刺槐適應鹽脅迫過程中的變化規律，以期為濱海鹽堿地刺槐人工林管理和幼苗抗逆性培育提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年3月在山東農業大學試驗溫室進行。選用25 cm×20 cm×20 cm(上口直徑×下口直徑×高)的塑料花盆，土壤取自山東農業大學林學試驗站，裝盆前采取了過篩除雜和均勻化處理，每盆裝土約10 kg，土壤有機質(16.27±2.39)g·kg-1、全氮(1.27 ± 0.14)g·kg-1、水解性氮(94.36±13.89)mg·kg-1、有效磷(32.01±4.10)mg·kg-1、速效鉀(56.72±7.83)mg·kg-1、pH值7.54±0.03。用于盆栽試驗的刺槐苗為山東農業大學林學試驗站種植的1年生實生苗，2018年5月播種，2019年3月26日截干后栽于容器(盆)中，每盆種植1株。盆栽苗置于溫室中，大棚每日通風保持與室外環境同步。試驗期間輪換調整各花盆的擺放位置，以消除位置效應引起的生長量差異問題。2019年6月1日選擇生長勢均一、地徑(4.98 ± 0.34)mm及苗高(77.50 ± 4.52)cm的健康苗木進行NaCl脅迫處理，向土壤中澆灌NaCl稀溶液，使其土壤NaCl含量分別為：0、1.5‰(1.5 g·kg-1)、3‰(3 g·kg-1)、4.5‰(4.5 g·kg-1)，分別記作CK(對照)、T1、T2、T3，每個處理5次重復，共計20盆。為了防止鹽激反應，避免NaCl處理對刺槐幼苗造成滲透休克，采用漸進施鹽方式，每3天施入最終NaCl濃度的1/4，每次每盆0.8 L，以每3天澆等量自來水1次的苗木作為對照(CK)，2019年6月10日至預定NaCl濃度開始試驗。盆底部配有塑料托盤防止NaCl分流失，試驗期間常規澆水除草管理，利用溫室水簾等調節室內溫濕度。試驗開始之前對花盆及植株編號，從設定濃度之日(2019年6月10日)開始試驗，第0、8、16、24、32、40天分別進行苗高和地徑的測定。第40 天結束試驗，將幼苗分根、莖、葉烘干后分別進行生物量測定，同時測定粗根(直徑>2 mm)、細根(直徑≤2 mm)、莖、葉的非結構性碳水化合物含量。

1.2 指標與測定方法

1.2.1 苗木高 利用鋼卷尺(精確到0.05 cm)測量苗木高。

1.2.2 苗木地徑 利用游標卡尺(精確到0.05 mm)測量苗木地徑。

1.2.3 可溶性糖和淀粉含量 采用蒽酮比色法(王曉雨等，2019)測定可溶性糖和淀粉含量。因為可溶性糖和淀粉占NSC總量的90%以上，因此，本研究將可溶性糖與淀粉之和定義為非結構性碳水化合物(Zhangetal.,2014)。

1.2.4 生長與形態指標 生長指標計算公式如下：

RGRH=(lnH2-lnH1)/(t2-t1)；

RGRD=(lnD2-lnD1)/(t2-t1)。

式中：RGRH為相對高生長速率(relative height growth rate)；RGRD為相對地徑生長速率(relative ground diameter growth rate)；H1，H2分別為t1、t2時的苗高(cm);D1，D2分別為t1、t2時的地徑(mm);t為培養時間(d)。

形態指標計算公式如下：

RMR =MR/TMind；

SMR =MS/TMind；

LMR =ML/TMind;

R/S =Mbg/Mag。

式中：RMR為根生物量比(root mass ratio);SMR為莖生物量比(stem mass ratio);LMR為葉生物量比(leaf mass ratio);MR、MS、ML分別為表根、莖、葉生物量(g)；TMind為單株生物量(mass for individual plant)(g)；R/S為根冠比(root-shoot ratio)，Mbg、Mag分別為地下、地上生物量(g)。

1.3 數據處理

采用SPSS 17.0統計分析軟件對總生物量、器官生物量、生物量分配數據、形態指標進行單因素方差分析，利用最小顯著差異法LSD進行多重比較；對相對生長速率、可溶性糖、淀粉、NSC數據進行雙因素方差分析，用最小顯著差異法LSD進行多重比較。對相對生長速率、生物量、生物量分配、可溶性糖、淀粉、NSC含量進行Pearson雙變量相關性分析。顯著性檢驗水平設定為P=0.05。采用Microsoft Excel 2010軟件進行繪圖，圖中數據為5次重復的平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 NaCl脅迫下刺槐幼苗相對生長速率

NaCl脅迫對刺槐幼苗相對生長有極顯著影響(圖1)，相對高生長速率和相對地徑生長速率表現出不同的變化規律。隨NaCl濃度和脅迫時間的增加，相對高生長速率和相對地徑生長速率逐漸降低。相對高生長速率在NaCl濃度(F=170.244，P<0.01)、脅迫時間(F=18.014，P<0.01)之間差異極顯著，相對地徑生長速率在NaCl濃度(F=7.337，P<0.01)、脅迫時間(F=7.337，P<0.01)之間也差異極顯著，二者在相對高生長速率方面還存在極顯著的交互作用(F高=10.955，P<0.01)，在相對地徑生長速率方面則差異不顯著(P>0.05)。相對苗高、地徑生長速率均以CK最大，T1、T2次之，T3最小。隨著時間延長，CK相對高生長速率呈現出高-低-高的變化，相對地徑生長呈現出低-高-低-高的變化；而隨著脅迫時間延長，相對高生長速率總體上逐步下降，相對地徑生長速率呈現出低-高-低-高的變化。值得注意的是，處理第20天相對苗高生長速率達到低谷，此時地徑生長最大。

圖1 NaCl脅迫對刺槐幼苗相對高生長速率和相對地徑生長速率的影響Fig.1 Effects of NaCl stress on RGRH and RGRD of R. pseudoacacia seedlingsCK：對照；T1：NaCl濃度1.5‰；T2：NaCl濃度3‰；T3：NaCl濃度4.5‰。下同。CK：The control;T1：NaCl concentration 1.5‰;T2：NaCl concentration 3‰;T3：NaCl concentration 4.5‰.The same below.

2.2 NaCl脅迫下刺槐幼苗生物量及其分配

2.2.1 幼苗生物量 NaCl脅迫下刺槐不同器官的生物量有著不同的變化格局。NaCl脅迫對根生物量影響不顯著(P>0.05)，隨NaCl濃度增加，莖(F=17.088，P<0.01)、葉(F=35.734，P<0.01)和總生物量(F=21.390，P<0.01)均逐漸降低(圖2)。莖生物量和單株總生物量在T1和T2及T2和T3間差異不顯著(P>0.05)，CK最大(P<0.05)，T1顯著大于T3(P<0.05)；葉生物量以CK最大(P<0.05)，T1和T2間葉生物量差異不顯著(P>0.05)，T3最小(P<0.05)。

圖2 NaCl脅迫對刺槐幼苗生物量的影響Fig.2 Effects of NaCl stress on biomass of R. pseudoacacia seedlings不同小寫字母表示同一器官、不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different small letters mean significant difference among different organs in the same treatment at 0.05 level.The same below.

2.2.2 生物量分配 NaCl脅迫下根生物量比(RMR)、根冠比(R/S)表現出相似變化規律，均呈現高-低-高變化，顯著高于對照(F=7.468，P<0.05；F=6.735，P<0.05)。葉生物量比(LMR)呈現低-高-低變化，顯著低于對照(F=6.309，P<0.05)，而莖生物量比(SMR)差異不顯著(P>0.05)(圖3)。在不同NaCl濃度之間，T1、T2、T3之間RMR的差異不顯著(P>0.05)，顯著大于CK(P<0.05)；CK、T1、T2之間LMR差異不顯著(P>0.05)，顯著大于T3(P<0.05)；CK和T2之間、T1和T2之間、T1和T3之間R/S的差異不顯著(P>0.05)，CK顯著小于T1和T3(P<0.05)，T2顯著小于T3(P<0.05)。

圖3 NaCl脅迫對刺槐幼苗生物量分配的影響Fig.3 Effects of NaCl stress on biomass allocation of R. pseudoacacia seedlings

2.3 NaCl脅迫下刺槐幼苗NSC的變化

2.3.1 可溶性糖含量 NaCl脅迫下刺槐不同器官間可溶性糖含量呈現出不同的規律：根>葉>莖(圖4)。方差分析結果表明，NaCl脅迫對可溶性糖有著極顯著影響(F=9.982，P<0.01)，不同器官之間差異極顯著(F=26.542，P<0.01)，二者之間沒有顯著的交互作用(P>0.05)。在不同NaCl濃度之間，CK、T1、T2之間的差異不顯著(P>0.05)，但均顯著大于T3(P<0.05)；在不同器官之間，粗根和細根之間的差異不顯著(P>0.05)，顯著大于葉(P<0.05)，葉居中(P<0.05)，莖最小(P<0.05)。

圖4 NaCl脅迫對刺槐幼苗各器官可溶性糖含量的影響Fig.4 Effects of NaCl stress on soluble sugar content of different organs in R. pseudoacacia seedlings不同大寫字母表示同一處理、不同器官間差異顯著(P<0.05)，不同小寫字母表示同一器官、不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Different capital letters mean significant difference between different treatments in the same organ，and different small letters mean significant difference among different organs in the same treatment at 0.05 level.The same below.

2.3.2 淀粉含量 不同器官間淀粉含量為粗根大于細根、莖、葉(圖5)。方差分析結果表明，NaCl脅迫對淀粉的影響不顯著(P>0.05)，不同器官之間差異極顯著(F=13.149，P<0.01)，二者之間沒有顯著的交互作用(P>0.05)。不同器官之間，粗根顯著大于細根、莖、葉(P<0.05)，而細根、莖、葉之間的差異不顯著(P>0.05)。

圖5 NaCl脅迫對刺槐幼苗各器官淀粉含量的影響Fig.5 Effects of NaCl stress on starch content of different organs in R. pseudoacacia seedlings

2.3.3 NSC含量 隨NaCl濃度增加，根和莖的NSC先略有增加再降低，葉的NSC逐漸降低；不同器官間NSC含量排序為：粗根>細根>葉>莖(圖6)。方差分析結果表明，NaCl脅迫對NSC含量有著極顯著影響(F=5.679，P<0.01)，不同器官之間差異極顯著(F=19.720，P<0.01)，二者之間沒有顯著的交互作用(P>0.05)。在不同NaCl濃度之間，CK、T1、T2之間的差異不顯著(P>0.05)，但均顯著大于T3(P<0.05)；在不同器官之間，粗根最大(P<0.05)，細根和葉之間的差異不顯著(P>0.05)，莖和葉之間的差異不顯著(P>0.05)，其他器官之間的差異均顯著(P<0.05)。

圖6 NaCl脅迫對刺槐幼苗各器官NSC含量的影響Fig.6 Effects of NaCl stress on NSC content of different organs in R. pseudoacacia seedlings

2.4 指標之間的相關分析

由表1可知，相對地徑生長速率與相對高生長速率、莖生物量、葉生物量、單株總生物量呈極顯著正相關(P<0.01)，與LMR、粗根可溶性糖、葉可溶性糖、葉NSC呈顯著正相關(P<0.05)，與RMR、R/S呈極顯著負相關(P<0.01)。相對高生長速率與莖生物量、葉生物量、單株總生物量呈極顯著正相關(P<0.01)，與LMR、粗根可溶性糖呈顯著正相關(P<0.05)，與RMR、根冠比呈極顯著負相關(P<0.01)。這表明刺槐生長與生物量分配、粗根可溶性糖、葉可溶性糖、葉NSC密切相關。

表1 NaCl脅迫對刺槐苗木生長、生物量分配和NSC的相關性分析①Tab.1 Correlation analysis of growth,biomass allocation,and NSC of R. pseudoacacia seedlings under NaCl stress

RMR與LMR、粗根可溶性糖、葉可溶性糖、葉NSC含量呈極顯著負相關(P<0.01)，與葉淀粉呈顯著負相關(P<0.05)。LMR與葉可溶性糖、葉NSC含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與粗根可溶性糖、葉淀粉呈顯著正相關(P<0.05)，與R/S呈極顯著負相關(P<0.01)。R/S與粗根可溶性糖、葉可溶性糖、葉NSC呈極顯著負相關(P<0.01)，與葉淀粉呈顯著負相關(P<0.05)。以上結果表明鹽脅迫使植株在生物量分配上存在著權衡。

粗根可溶性糖與葉淀粉、粗根NSC、葉NSC含量呈顯著正相關(P<0.05)。細根可溶性糖與粗根淀粉、粗根NSC含量呈顯著正相關(P<0.05)。莖可溶性糖與莖淀粉、莖NSC呈極顯著正相關(P<0.01)，與粗根淀粉、粗根NSC呈顯著正相關(P<0.05)。葉可溶性糖與葉NSC含量呈極顯著正相關(P<0.01)，與葉淀粉呈顯著正相關(P<0.05)。

2.5 主成分分析

對刺槐幼苗的生長、生物量、生物量分配和非結構性碳水化合物的指標進行主成分分析，共提取5個主成分，貢獻率從主成分1至5分別為：43.05%、15.99%、14.65%、9.69%和8.03%，累積貢獻率為91.41%(表2)。第1主成分主要由葉生物量、RMR、R/S、LMR、莖生物量、葉NSC含量、總生物量、葉可溶性糖、相對地徑生長速率、相對苗高生長速率、葉淀粉和粗根可溶性糖組成，主要反映的是生長，命名為生長綜合指標，貢獻率為43.05%；第2主成分主要由粗根淀粉、粗根NSC含量、根生物量和細根可溶性糖，主要反映的是與粗根NSC含量相關指標，命名為粗根NSC綜合指標，貢獻率為15.99%；第3主成分主要由莖淀粉、莖NSC、莖可溶性糖，反映的是莖的NSC特征，命名為莖NSC特征，貢獻率為14.65%；第4主成分主要由細根淀粉、細根NSC組成，反映的是細根的NSC特征，命名為細根NSC特征，貢獻率為9.69%；第5主成分主要由SMR組成，反映的是莖生物量投入，命名為莖生物量特征，貢獻率為8.03%。由于主成分1、2和3的累計貢獻率為73.69%，因此生長綜合指標、粗根NSC綜合指標和莖NSC綜合指標基本反映了刺槐幼苗在NaCl脅迫下的適應特征。

表2 主成分的相關系數、特征值、貢獻率和累積貢獻率Tab.2 Coefficient,eigenvalue,variance contribution rate and accumulated contribution rate of principal components

3 討論

3.1 刺槐幼苗生長對NaCl脅迫的響應

鹽脅迫下幼苗的生長情況最能反映植物對鹽的耐受程度，生長是體現植物適應鹽脅迫的綜合與關鍵指標，鹽脅迫下植物生長能力普遍下降(王樹鳳等，2014；趙春橋等，2015；Pushpalathaetal.,2013)。本研究發現，NaCl脅迫下刺槐苗的地徑和苗高相對生長速率顯著降低表明其對鹽脅迫敏感。隨著處理時間延長，各個鹽分梯度下地徑和苗高相對生長速率變化規律表現出相似性，但與對照明顯不同，處理第20天高相對生長速率達到低谷，此時相對地徑生長速率卻最大，二者表現出高峰交錯出現的現象，類似于播種苗高生長暫緩現象時的生長中心的轉移。相關分析表明，地徑和苗高相對生長速率均與總生物量、LMR、粗根可溶性糖呈顯著正相關，與RMR、R/S呈極顯著負相關；而地徑相對生長速率與葉可溶性糖和NSC呈顯著正相關；上述結果是生物量分配和NSC利用的綜合體現。

3.2 刺槐幼苗生物量分配對NaCl脅迫的響應

生物量分配是植物適應逆境的重要方式。逆境下樹木減少生物量積累，降低生長量，個體相對矮小，進而減少能耗來適應逆境脅迫。隨鹽脅迫時間的延長，地上和地下部分生物量不斷降低(Pariharetal.,2015；Vicenteetal.,2003；劉正祥等，2014)，本研究印證了這一規律。樹木在鹽脅迫下會改變生物量的分配策略，通常改變R/S以適應逆境，有的樹種增加(羅達等，2019；王樹鳳等，2014；岳小紅等，2018；Cimatoetal.,2010)，有的樹種變化不顯著(Lietal.,2016)。通常耐鹽性樹木增加根系生物量以儲存較多的 Na+，減少運輸到葉片的 Na+；敏感性樹木則通過減少根的分布，以減少 Na+的吸收，大部分非鹽生樹木都是 Na+敏感樹木(Koyro,2006)。本研究表明隨NaCl脅迫增加R/S增加，從另一方面證明了刺槐有較強的抗鹽性，也符合逆境下最受限制器官將得到資源最優先配置的最優分配理論(Maggioetal.,2007)。研究還發現LMR與苗高、地徑生長速率呈顯著正相關，說明高的葉投入有利于植物的快速生長，這與Zheng等(2012)的研究結論一致，鹽脅迫下對根系投入的增加導致了對葉片投入的減少，是造成刺槐苗生長速率降低的重要原因。

3.3 刺槐幼苗NSC對NaCl脅迫的響應

鹽脅迫下刺槐苗可溶性糖和淀粉扮演的角色不同。可溶性糖是一種重要的滲透調節物質，逆境脅迫條件下可溶性糖含量增加，細胞液濃度提高，它對細胞膜和原生質體有一定保護作用。研究發現，粗根和葉的可溶性糖含量與苗木相對生長速率和生物量積累顯著相關，說明可溶性糖直接參與了代謝過程及維持植物生長(陳春曉等，2019；李子英等，2017；偶春等，2019；張曉曉等，2016；Yietal.,2014；成方妍等，2016)，但淀粉含量與刺槐苗生長沒有顯著相關性。相關分析表明，粗根淀粉與細根可溶性糖呈顯著正相關，表明細根中的可溶性糖有一部分來源于粗根貯藏淀粉的分解，也有研究表明細根中的淀粉在脅迫下直接分解成可溶性糖(馮建新等，2017；史順增等，2017)，說明粗根和細根中的淀粉是細根可溶性糖的重要來源。本研究表明淀粉作為最主要的貯藏物質，在各器官間差異顯著，粗根的淀粉含量最大，是最主要的淀粉貯藏器官，刺槐苗粗根中淀粉和細根中的可溶性糖類似于源和庫的關系。

NSC通過在樹木不同器官之間的儲存、轉化和分配，來維持樹木滲透調節和生長發育，緩沖樹木在逆境下不同器官之間碳供應和碳需求的不同步性(O’Brienetal.,2014；潘慶民等，2002)。研究表明，刺槐苗的相對生長速率和生物量與粗根可溶性糖和葉片的NSC呈顯著正相關，而可溶性糖、淀粉和NSC從0到3‰之間變化不顯著，相對生長速率卻隨NaCl濃度增加逐漸降低，表明生長與NSC積累之間存在權衡。4.5‰下NSC顯著降低可能與高鹽脅迫下NSC合成嚴重受阻有關，表明超出了刺槐的耐鹽能力和調控范圍。

鹽脅迫下刺槐苗適應性調節是一個復雜的生理過程。主成分分析發現，NaCl脅迫下刺槐適應能力主要取決于生長指標、粗根NSC指標和莖NSC指標。主成分1生長指標的貢獻率為43.05%，接近信息量的一半，反映了NaCl脅迫適應的主要內容。在生長指標中，相對生長速率、生物量分配、可溶性糖是其中的主要組成部分，體現了生長的適應調節過程。主成分2粗根NSC指標主要由粗根淀粉相關的指標組成，反映了根系淀粉的貯存能力。主成分3莖NSC指標主要由莖淀粉相關指標組成，反映了莖的淀粉積累。因此，NaCl脅迫下的生長指標、粗根淀粉指標、莖淀粉指標可以較好的反映刺槐幼苗對NaCl脅迫的適應能力。

4 結論

1)隨著NaCl脅迫程度的增加，刺槐苗地徑和苗高相對生長速率顯著降低，生長受到顯著抑制；葉生物量逐漸降低，根生物量增加但變化不顯著，導致LMR顯著降低，RMR和R/S顯著增加。

2)低濃度NaCl脅迫下，莖的可溶性糖含量增加，粗根可溶性糖含量逐漸降低，粗根、細根、莖和葉的NSC含量差異不顯著，NaCl濃度4.5‰，NSC顯著下降，對根系投入增加，地上部分投入減少，表明刺槐通過減少生長而維持體內NSC含量以及調整器官間NSC分配是刺槐苗適應鹽脅迫的對策，刺槐是耐鹽性較強的樹木，NaCl濃度在3‰以下刺槐苗能維持較好的生長。

3)淀粉是刺槐幼苗體內最主要的碳水化合物貯藏形式，主要貯藏于根系。NaCl脅迫下綜合評價刺槐苗生長指標、粗根和莖NSC含量等指標變化，可以較好地反映刺槐對NaCl脅迫的適應過程。