鹽脅迫下櫻桃砧木的光合響應(yīng)和光譜特性

田翁由， 劉昊， 甘超林， 伍柳芬， 李愛， 楊麗芳， 高英*

（1.天津農(nóng)學(xué)院園藝園林學(xué)院，天津 300392；2.天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院林業(yè)果樹研究所，天津 300384）

隨著化肥和農(nóng)藥廣泛而大量施用、栽培管理措施不當(dāng)，土壤鹽漬化問題日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了全球的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，特別是干旱和半干旱地區(qū)[1]。目前，土壤鹽漬化也嚴(yán)重影響了園藝植物的生產(chǎn)和發(fā)展，因而受到了人們的廣泛關(guān)注。但生產(chǎn)上尚未有實用、有效且經(jīng)濟(jì)的方法治理鹽害，最為可行的途徑是增強(qiáng)植物自身的耐鹽性[2]。因此，除了減少化肥、農(nóng)藥的施用，選育耐鹽性良好的砧木品種也是應(yīng)對土壤鹽漬化的有效方法。

鹽脅迫影響植物的生長、光合及對水分的利用，并且造成植物生理干旱和離子毒害，影響其生產(chǎn)力[3-5]。葉綠素是吸收和轉(zhuǎn)化光能的重要色素，因此，其含量的變化影響著光合作用的強(qiáng)弱。研究表明，葉綠素含量隨鹽濃度的增加呈降解的趨勢，且不同植物種類表現(xiàn)出不同的耐鹽性[5-7]。鹽脅迫下光合作用的強(qiáng)弱直接體現(xiàn)了植物的耐鹽性，因此，研究櫻桃砧木在鹽脅迫下的生理變化規(guī)律是探索櫻桃抵抗鹽害的重要內(nèi)容，在生產(chǎn)上減輕鹽漬脅迫對櫻桃的傷害具有重要意義。近年來，光譜技術(shù)已成為大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中監(jiān)測植株生長狀況的重要方式[8-9]，其主要通過建立植物的反射光譜與生理指標(biāo)及生長指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行監(jiān)測，如葉綠素含量、產(chǎn)量、電解質(zhì)滲透率等[9-12]。目前，在大田農(nóng)作物中該技術(shù)應(yīng)用較為普遍，在木本植物中仍處于研究階段，而在櫻桃鹽脅迫研究中的應(yīng)用尚未見報道。

在甜櫻桃種植過程中，大青葉因具有良好的生長特性而被廣泛應(yīng)用。為了獲得生長健壯、根系發(fā)達(dá)、抗性良好的甜櫻桃，常選用大青葉作為砧木來改善櫻桃的適應(yīng)性[13]。因此，研究大青葉的耐鹽性對櫻桃栽培與育種具有極其重要的意義。本研究選用大青葉幼苗為試驗材料，設(shè)置不同濃度NaCl處理，研究大青葉在不同鹽脅迫下的光合特性和反射光譜特性，為大青葉耐鹽機(jī)制的研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取無病蟲害且生長勢較為一致、70～80 cm高的2 a生櫻桃砧木幼苗為試驗材料。采用盆栽的方式，將蛭石、草炭土、珍珠巖按體積比1∶1∶0.4混合均勻后作為栽培基質(zhì)，種植于天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院的溫室大棚內(nèi)。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。設(shè)置4種NaCl處理水平，分別為：0（CK）、75、150和300 mmol·L-1。每個處理4株，4次重復(fù)。于2020年6月至8月進(jìn)行鹽脅迫處理，每盆澆入2 L對應(yīng)含量的鹽溶液。之后根據(jù)植物需水情況適當(dāng)補(bǔ)水，于脅迫第30天分別測定光合指標(biāo)、葉綠素含量及反射光譜。

1.3 試驗方法

1.3.1 光合指標(biāo)的測定 于鹽脅迫處理30 d后，選取各重復(fù)植株中上部長勢較為一致的葉片，采用CI-340-便攜式光合測定儀[14]測定葉片凈光合速 率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸 騰 速 率（transpiration rate，Tr）、氣 孔 導(dǎo) 度（stomatal conductance，Gs）、胞間二氧化碳濃度（intercellular CO2concentration，Ci）等光合參數(shù)。選擇晴朗無云的天氣，于9：00—11：00進(jìn)行測定，在光合有效輻射（photosynthetically active radiation，PAR）1 200 μmol·m-2·s-1，CO2含量 0.05%，相對濕度(relative humidity，RH)60%以下進(jìn)行。

1.3.2 葉綠素含量的測定 選擇櫻桃植株中上部新鮮的葉片，提取葉綠體色素，參照蔡慶生[15]的方法進(jìn)行測定。將葉綠素提取液放置于分光光度計的玻璃比色皿中，以95%的乙醇為對照調(diào)零，分別在649和665 nm處測定其吸光度值（D649和D665），并按照下列公式計算葉綠素a（chlorophyll a，Chl a）、葉綠素b（chlorophyll b，Chl b）和葉綠素a+b（chlorophyll a+b，Chl a+b）含量。

1.3.3 反射光譜的測定 選取各處理植株中上部的成熟葉片，掛牌并做好標(biāo)記。在鹽脅迫處理30 d時采用CI-710光纖光譜儀進(jìn)行反射光譜的測定，每株重復(fù)測定5片葉[12]。測定時間均為上午10：00—11：00。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用Microsoft Excel 2010整理原始數(shù)據(jù)及作圖，采用SPSS 20.0進(jìn)行方差分析，運用Duncan法對各參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 櫻桃葉片葉綠素含量在鹽脅迫下的變化

隨NaCl處理水平的增加，大青葉櫻桃幼苗葉片的葉綠素a含量先升高后降低；葉綠素b含量逐漸下降；葉綠素a+b含量先升高后降低（圖1）。葉綠素a含量在75 mmol·L-1NaCl處理時達(dá)到最高，顯著高于CK；而在150和300 mmol·L-1NaCl處理時，葉綠素a含量顯著低于CK。不同含量NaCl處理下葉綠素b含量均存在顯著差異，CK處理的葉綠素b含量顯著高于NaCl處理。 75 mmol·L-1NaCl處理的葉綠素a+b含量顯著高于CK；而150和300 mmol·L-1NaCl處理的葉綠素a+b含量顯著低于CK。綜上所述，相較于CK，葉綠素a含量和葉綠素a+b含量在75 mmol·L-1NaCl處理均表現(xiàn)為上升趨勢；葉綠素b含量雖然呈現(xiàn)下降趨勢，但在75 mmol·L-1NaCl處理時其含量依然較高。由此表明，在75 mmol·L-1NaCl處理下，大青葉櫻桃幼苗的生長狀態(tài)良好；而在150和300 mmol·L-1NaCl處理下，3種葉綠素含量均呈下降趨勢，且在鹽脅迫下的葉綠素含量均低于CK，表明在該濃度NaCl處理下，大青葉櫻桃砧木幼苗的生長受到了抑制。

圖1 不同鹽處理下櫻桃葉片中葉綠素的含量Fig.1 Chlorophyll contents of cherry leaves under different salt treatments

2.2 櫻桃砧木光合作用在鹽脅迫下的變化

隨著NaCl濃度的增加，大青葉櫻桃砧木幼苗葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）均呈先升高后降低的變化規(guī)律，且不同處理間均存在顯著差異（圖 2）。Pn、Tr、Gs、Ci在75 mmol·L-1NaCl處理下均達(dá)到最高，較CK分別顯著增加了12.13%、15.03%、36.57%、6.81%。當(dāng)NaCl濃度高于75 mmol·L-1時，Pn、Tr、Gs、Ci呈下降趨勢，且顯著低于CK；其中，在150和300 mmol·L-1NaCl處理下，Pn較CK分別顯著降低了43.33%、54.48%，Tr較CK分別顯著降低了17.57%、56.99%，Gs較CK分別顯著降低了44.46%、61.10%，Ci較CK分別顯著降低了13.79%、26.04%。由此表明，75 mmol·L-1NaCl處理能夠促進(jìn)大青葉櫻桃砧木幼苗的生長，而高于該濃度時，則會對櫻桃大青葉的生長起抑制作用。

圖2 不同濃度NaCl處理下櫻桃葉片的光合指標(biāo)Fig.2 Photosynthetic indexes of cherry leaves under different concentrations of NaCl treatment

2.3 不同鹽處理對櫻桃葉片光譜反射率的影響

光譜反射率在不同濃度NaCl處理下曲線相似，均表現(xiàn)為明顯的“綠峰”“紅谷”和“近紅外平臺”，但各個波段在不同鹽處理的光譜反射率存在一定差異（圖3）。可見光波段（400～700 nm），大青葉櫻桃砧木幼苗葉片的光譜反射率在400～500 nm的藍(lán)紫光區(qū)波段中無明顯變化，不形成明顯的峰或谷，但各NaCl處理的光譜曲線在反射率的大小方面區(qū)別較為明顯：150 mmol·L-1NaCl處理的反射率最大，而300 mmol·L-1NaCl處理的反射率最小。500～600 nm存在1個明顯的反射峰，峰值位于550 nm處，即“綠峰”，形成該峰的原因是在此波段范圍內(nèi)，植物葉片的光合作用較弱，吸收能力低，故而反射率高。不同處理的反射率表現(xiàn)為：150 mmol·L-1NaCl處理最低；300 mmol·L-1NaCl處理和對照居中，兩處理間差異不顯著；75 mmol·L-1NaCl處理最高，顯著高于其余處理。在可見光紅光區(qū)（650～690 nm）的680 nm處有1個反射谷，即“紅谷”，在此波段的光譜帶具有對葉綠素最強(qiáng)的吸收能力和光合活性，對光的吸收轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)，故而反射率弱。各處理的光譜曲線反射率表現(xiàn)為：150 mmol·L-1NaCl處理的反射率最大，而300 mmol·L-1NaCl處理的反射率最小，與葉片在藍(lán)紫光區(qū)的反射率規(guī)律一致。在近紅外光區(qū)（690～760 nm），由于葉片內(nèi)部組織構(gòu)造（葉肉細(xì)胞等）的反射作用，反射率呈指數(shù)狀脊背上升，在750 nm處曲線升至最高點；在750～950 nm處形成1個反射平臺，在反射平臺中，各處理的反射率表現(xiàn)與在綠光區(qū)的規(guī)律一致。

圖3 不同濃度NaCl處理下的光譜反射率Fig.3 Spectral reflectance under different concentrations of NaCl treatment

2.4 光合色素含量與光譜反射率的相關(guān)性

櫻桃葉片葉綠素a與光譜反射率在400～503和660～680 nm區(qū)域呈負(fù)相關(guān)；而在504～659和681～950 nm區(qū)域呈正相關(guān)（圖4）。在434和667 nm附近出現(xiàn)2個相關(guān)系數(shù)的低谷，在517～527、570～587和 900～960 nm 出現(xiàn)高峰區(qū)，且在520.9和951.3 nm出現(xiàn)2個峰值，相關(guān)系數(shù)分別為0.999 924和0.999 979。葉綠素b與光譜反射率在全波長區(qū)域均呈正相關(guān)；在415和679 nm附近出現(xiàn)2個相關(guān)系數(shù)的較低谷，在589、694和956 nm附近出現(xiàn)3個較高的峰值，其中，在589.5 nm相關(guān)系數(shù)最高，達(dá)0.941 278。

圖4 櫻桃葉片光合色素含量與光譜反射率的相關(guān)性Fig.4 Correlation of photosynthetic pigment content in cherry leaves with spectral reflections

3 討論

鹽脅迫會使光合系統(tǒng)受到限制，一方面限制了葉綠素的合成或加速其降解，另一方面通過氣孔限制或非氣孔限制影響光合作用[16-17]。葉綠素是吸收和轉(zhuǎn)化光能的主要色素，其含量是體現(xiàn)植物葉片光合能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一。本研究對大青葉櫻桃幼苗進(jìn)行4種水平NaCl處理，結(jié)果表明，較低水平NaCl處理時（75 mmol·L-1），葉綠素a含量高于對照；較高水平NaCl處理時，葉綠素a含量顯著降低；而NaCl處理后葉綠素b含量均顯著低于對照，且隨著NaCl濃度的增加逐漸降低，與尹勇剛等[18]和Zhu等[19]的研究結(jié)果相一致，而與王丹丹[20]的研究結(jié)果存在一定的差異，可能是由于試驗材料的繁殖方式不同所導(dǎo)致[21]。葉綠素b較葉綠素a下降明顯，可能是由于其對NaCl脅迫的敏感性更高，葉綠素酶對葉綠素b的降解大于葉綠素a所致[16]。隨NaCl處理水平的升高，葉綠素含量明顯降低，表明高水平的鹽脅迫使葉綠素合成遭到破壞。

凈光合速率（Pn）是植物單位時間單位葉面積內(nèi)所積累有機(jī)物的量，能夠直接反應(yīng)植物在受到鹽脅迫時產(chǎn)生的生理變化，因此，可以作為植物耐鹽性鑒定的有效生理指標(biāo)[19]。本研究中，NaCl處理為 75 mmol·L-1時，Pn、Tr、Gs和Ci均顯著高于CK，且達(dá)到最高，與柯裕州等[22]和Parida等[23]的研究結(jié)果一致，即低水平NaCl處理下不僅未對植株造成脅迫，還提高了植株葉片的葉綠素含量及對水分的利用，從而促進(jìn)了植株的光合作用。隨著NaCl濃度的升高，櫻桃砧木幼苗葉片的光合作用明顯下降，同時Gs和Ci呈顯著降低，與尹勇剛等[18]研究結(jié)果相一致，光合作用的下降可能是由于氣孔限制所致。

葉綠體是植物光合作用的場所，而葉綠體中的色素對光能的反射與固定在一定程度上反映了葉片的生理狀態(tài)與功能。建立光譜反射率與葉綠素含量的相關(guān)性是高光譜監(jiān)測的依據(jù)。本研究探討了櫻桃砧木大青葉在鹽脅迫下的反射光譜特性及與葉綠素含量的相關(guān)性。結(jié)果表明，在較低濃度的NaCl脅迫時(75 mmol·L-1)，大青葉櫻桃砧木葉片在近紅外光區(qū)和綠光區(qū)的反射率最高，高于CK，與張麗平等[24]的研究結(jié)果相似。通過光譜反射率的分析發(fā)現(xiàn)，櫻桃砧木幼苗葉片的反射光譜曲線在不同水平NaCl處理下的變化波段主要集中在綠光區(qū)的550 nm處形成“綠峰”；在680 nm附近形成高斜率的抬升現(xiàn)象；最終在750～950 nm產(chǎn)生1個反射平臺，與大多數(shù)植物葉片的光譜變化特征相符合[25-26]。光合色素含量與光譜反射率存在較高的相關(guān)性[27-29]，為反演色素含量提供了理論依據(jù)。