葡萄砧木苗期對混合鹽堿的生理響應及耐鹽堿性評價

白世踐，戶金鴿，李 超，蔡軍社，王 勇，趙榮華，陳 光

(新疆維吾爾自治區葡萄瓜果研究所，新疆鄯善 838200)

0 引 言

【研究意義】我國北方干旱、半干旱和半濕潤地區分布大量鹽堿地，鹽堿土地面積高達3 600×104hm2，其中新疆鹽堿地約占耕地面積的三分之一[1-2]。西北干旱地區土壤富含硫酸鹽，屬硫酸鹽-氯化物鹽土，新疆南疆地區還含碳酸鹽，pH達9.0以上, 主要鹽堿成分有Na2SO4、NaCl、NaHCO3、Na2CO3等[3]。鹽堿化土壤對作物危害不僅有鹽脅迫，還伴隨著高pH堿脅迫。植物在鹽堿化土壤中面臨滲透脅迫、離子毒害和高pH等脅迫[4]。西北地區葡萄生產普遍采用不耐鹽堿的貝達砧木，該砧木受鹽堿脅迫容易產生缺鐵黃化[5]。隨著新疆葡萄種植面積不斷擴大，葡萄生理障礙受鹽堿化土壤影響較突出，研究耐混合鹽堿葡萄砧木選育，對西北干旱地區鹽堿地區葡萄砧木應用與推廣有重要意義。【前人研究進展】堿性鹽(NaHCO3)危害大于中性鹽(NaCl)，堿性鹽NaHCO3更易引起葡萄葉片黃化[6]。鹽脅迫主要造成滲透脅迫和離子毒害[7]，植物根系滲透勢降低，吸水能力下降,葉綠體受損，光合作用減弱，進而抑制植株生長[8]。堿脅迫通過高pH破壞細胞膜通透性，降低植物對Ca2+、Mg2+等離子吸收[9-12]。【本研究切入點】植物對氯化物鹽和硫酸鹽脅迫的生理響應及生理機制存在明顯差異[3]，目前葡萄耐鹽性研究仍以中性氯化鹽(NaCl)為主[13-14]，硫酸鹽方面的研究較少，關于堿性鹽脅迫的研究尚處于起步階段。各地區鹽堿土成分不一，抗鹽堿砧木材料的研究需根據當地鹽堿類型開展，而針對西北鹽堿地特征開展耐混合鹽堿葡萄砧木的篩選鮮有報道。需研究葡萄砧木品種苗期對混合鹽堿脅迫的生理響應。【擬解決的關鍵問題】以SO4、5BB、3309M、110R、101-14 MG、河岸7號、St.George、5C、1103P等9個葡萄砧木品種一年生扦插苗為試材，研究不同葡萄砧木品種對混合鹽堿液(100 mmol/L，NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3=1∶2∶1)脅迫的生理響應，綜合評價9個葡萄砧木的耐鹽堿性，為西北干旱地區鹽堿地葡萄砧木的應用與推廣提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年(3～6月)在新疆維吾爾自治區葡萄瓜果研究所(42°91′N，90°30′E)10號溫室進行。試驗地海拔419 m，年降雨量25.3 mm，年蒸發量2 751 mm；全年日照時數為3 122.8 h，10℃以上有效積溫4 525℃以上，無霜期192 d，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候。試材選用9個一年生葡萄砧木品種扦插苗。表1

表1 供試品種及來源

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

每種類型葡萄精選長勢健壯、整齊一致的40株一年生扦插苗定植于試驗花盆(直徑25.0 cm，高30.0 cm)，每盆定植1株。試驗盆內裝基質(園土∶腐熟羊糞= 3∶1) 15 kg，常規管理。待葡萄幼苗長至8片完全展開葉時，再精選出長勢、葉片數一致的葡萄苗20株試驗。設混合鹽堿脅迫和澆灌等量清水(對照)2個處理，混合鹽堿液為：100 mmol/L(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3=1∶2∶1)，pH值8.03，澆灌量為1 L，對照澆灌等量清水，澆灌周期為5 d，每品種每處理10株。待混合鹽堿脅迫第40 d調查鹽堿脅迫傷害指數，選取代表性植株進行光合指標、植株生長指標及葉片、根系生理指標的測定。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 葉片光合特性指標

于晴天09: 00～11:00采用CIRAS-2便攜式光合系統(PP-Systems，美國)進行光合指標蒸騰速率(Tr)、凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)的測定。測定對象為葡萄梢尖下第4、5片葉，測定時的光強設為1 200 μmol/(m2·s)。單株樣品為1次重復，3次重復。

1.2.2.2 鹽堿害指數

根據混合鹽堿處理下葉片、莖段的受害程度進行分級：0級：無鹽堿危害癥狀；1級：少量葉片邊緣干枯或黃化；2級：50%的葉片黃化及少量莖段干枯；3級：80%以上葉片黃化，50%以上莖段干枯；4級：葉落、莖段干枯、植株死亡。

鹽堿害指數=∑(代表級數×株數)/(最高級值×總株數)×100%。

1.2.2.3 植株生長量指標

那琉璃世界紅梅嫣然，身邊的同齡女孩非富即貴，她們身著大紅斗篷，映襯著茫茫雪景，個個都美成一幅畫，唯獨自己衣著寒酸，看上去不像一個世界的人。

新梢長度采用卷尺測量，統計植株葉片數，天平稱量測定單葉質量，植株分離地上、地下部分，用紗網袋收集并自然晾干，天平稱重法測定新梢、地下部干物質。根系總根長、總表面積、根體積、平均根直徑指標采用根系圖像分析系統(LA-S型)測定[15]，根系包括上一年根系和當年新生根系。單株樣品為1次重復，重復測定5株。

1.2.2.4 葉片、根系生理指標

葉片相對含水量采用飽和稱重法[16]測定；相對電導率采用DDS-307型電導率儀(雷磁儀器，上海)測定[17]；葉綠素質量分數采用乙醇浸提法[18]測定；葉片丙二醛(MDA)質量摩爾濃度采用硫代巴比妥酸(TBA)法[19]測定；游離脯氨酸(Pro)質量分數采用酸性茚三酮法[20]測定；根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)還原法[20]測定。隨機混合取樣，3次重復。

1.2.3 計算

變化幅度(%)=(對照測量值-脅迫下測量值)/對照測量值×100；

耐混合鹽堿系數=混合鹽堿脅迫處理性狀值/對照性狀值；

對耐混合鹽堿系數進行均衡歸一化處理，即將數據轉變為純量。

Wij=(aij-aijmin)/(aijmax-aijmin).

(1)

(2)

其中：Wij和W'ij分別為正、負指標轉化值；aij指第j個品種第i個指標的耐混合鹽堿系數；aijmin、aijmax分別指品種第i組指標的最小和最大值。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 軟件進行數據整理與分析；采用DPS V7.05 軟件的LSD法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)；主成分分析和聚類分析采用 SPSS 17.0 軟件進行[21]。

2 結果與分析

2.1 混合鹽堿脅迫對葡萄砧木光合特性的影響

研究表明，各葡萄砧木品種經過混合鹽堿脅迫處理后凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度均有不同程度變化。河岸7號和St.George凈光合速率較對照有所增高，且河岸7號與對照差異達顯著水平；其他品種較對照均有所降低， 3309M和SO4降幅較小，與對照差異未達顯著水平；其余品種與對照差異均達顯著水平，以110R降幅最大，達43.33%。SO4和河岸7號蒸騰速率較對照有所升高，河岸7號升幅最大，與對照差異達顯著水平；其他品種蒸騰速率較對照均所有降低，3309M、5C和St.George與對照差異不顯著，其余品種差異均達顯著水平。氣孔是植物葉片與外界進行氣體交換的主要通道，在混合鹽堿脅迫處理后5BB氣孔導度有所升高，且差異達顯著水平，其余品種較對照均降低；3309M和101-14MG與對照差異不顯著，其余品種與對照差異均達顯著水平，以St.George和110R降低幅度較大。胞間CO2濃度除5BB較對照顯著降低外，其余品種較對照均有所升高，除3309M和SO4與對照差異不顯著外，其余品種與對照差異均達顯著水平。表2

表2 混合鹽堿脅迫下葡萄砧木光合特性變化

2.2 混合鹽堿脅迫對葡萄砧木葉綠素質量分數的影響

研究表明，各葡萄砧木品種經混合鹽堿脅迫處理后，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素(a+b)較對照均顯著降低。葉綠素a降幅以110R、St.George較大，分別為47.99%和44.62%，以河岸7號降低幅度最小，僅12.18%；葉綠素b降低幅度以110R、5BB降幅較大，河岸7號降低幅度最小；葉綠素(a+b)降幅以110R、St.George較大，河岸7號降幅最小。各葡萄品種葉綠素a/b值對混合鹽堿脅迫反應不同，3309M、5BB、110R、河岸7號較對照均有所增加，且5BB與對照差異達顯著水平；其他5個品種葉綠素a/b值較對照均顯著降低。表3

表3 混合鹽堿脅迫下葡萄砧木葉綠素質量分數變化

2.3 混合鹽堿脅迫對葡萄砧木新梢生長的影響

研究表明，各葡萄砧木品種經混合鹽堿脅迫處理后除新梢粗度外其他生長指標均較對照有所降低。新梢長度以5BB降低幅度最小，與對照差異不顯著；其余品種與對照差異均達顯著水平，以110R、101-14MG、1103P降幅較大，均在50%以上。3309M新梢粗度較對照有所增加，但差異未達顯著水平；SO4、5C、河岸7號、St.George降幅較小，與對照差異均未達顯著水平；其余品種相比對照均顯著減小，以1103P降幅最大。葉片數以St.George降幅最小，與對照差異未達顯著水平；其余品種均與對照差異顯著，1103P、110R、河岸7號降幅較大。9個砧木品種經混合鹽堿脅迫處理后單葉質量與對照差異均達顯著水平；3309M、SO4、101-14MG、St.George降幅較大。各葡萄砧木經混合鹽堿脅迫處理后新梢干物質較對照均顯著減小，以1103P、110R、SO4降幅較大，5BB降幅最小。表4

表4 混合鹽堿脅迫下葡萄砧木新梢生長變化

2.4 混合鹽堿處理對葡萄砧木根系生長的影響

研究表明，各葡萄砧木品種經混合鹽堿處理后，總根長、總表面積、根體積、地下部干物質等4個指標值較對照均有所降低；除101-14MG根體積與對照差異未達顯著水平外，所有品種總根長、總表面積、根體積與對照差異均達顯著水平；總根長以3309M、河岸7號降幅較小；總表面積以河岸7號、3309M、101-14MG降幅較小；根體積以101-14MG降幅最小，河岸7號降幅較小；總根長、總表面積、根體積都以S04、110R、1103P降幅較大。101-14MG和河岸7號經混合鹽堿處理后平均根直徑較對照有所增大，但與對照差異未達顯著水平；其他品種平均根直徑較對照均有所減小，其中5BB、SO4、110R、5C、1103P、St.George降幅較大，與對照差異達顯著水平；地下部干物質除河岸7號、101-14MG 與對照差異不顯著外，其余品種與對照差異均達顯著水平，110R、5C、1103P降幅較大。表5

表5 混合鹽堿脅迫下葡萄砧木根系生長變化

2.5 混合鹽堿脅迫對葡萄砧木葉片生理特性和根系活力的影響

研究表明，各葡萄砧木品種葉片生理特性指標對混合鹽堿脅迫反應不同。經混合鹽堿脅迫處理后，SO4、5C、101-14MG等3個砧木品種葉片相對含水量較對照有所降低，且101-14MG與對照差異達顯著水平；其他品種則較對照有所升高，其中3309M、1103P升幅較大，與對照差異達顯著水平。除河岸7號外其余品種經混合鹽堿脅迫后葉片相對電導率均升高，3309M、5BB、SO4、110R、101-14MG等5個品種與對照差異達顯著水平，其中以3309M、101-14MG升幅較大，其他品種與對照差異均不顯著。5BB、101-14MG游離脯氨酸質量分數較對照有所降低，且5BB與對照差異達顯著水平；其他品種較對照均有所升高，以SO4、110R、5C、3309M、1103P升幅較大；河岸7號、St.George與對照差異未達顯著水平。3309M、5BB、SO4、101-14MG、河岸7號 5個品種丙二醛質量摩爾濃度較對照有所升高，且309M、SO4、101-14MG與對照差異達顯著水平；5C、St.George 丙二醛質量摩爾濃度顯著低于對照。各砧木品種經混合鹽堿處理后，根系活力較對照均顯著降低，其中5C、St.George降副較大，河岸7號、101-14MG降幅較小。表6

表6 混合鹽堿脅迫下葡萄砧木葉片生理特性和根系活力變化

2.6 不同葡萄砧木品種各單項指標的耐混合鹽堿系數

研究表明，在各單項指標的耐混合鹽堿系數中，脯氨酸質量分數變異系數最大，高達63.90%，均值達1.74，根系活力、根系總表面積、丙二醛質量摩爾濃度、新梢干物質、新梢長度、凈光合速率6項指標的變異系數較大，在20.04%～30.86%，混合鹽堿脅迫對葡萄砧木這些指標的影響較大。不同葡萄砧木品種經混合鹽堿處理后，單葉質量、葉綠素質量分數、新梢長度、葉片數、新梢干物質、根系活力、根系總表面積7個指標較對照均有所降低，其他指標各砧木品種間表現不盡相同。表7

表7 不同葡萄砧木品種各單項指標的耐混合鹽堿系數

2.7 各性狀主成分的特征向量及貢獻率

研究表明，主成分1基本反映根系總表面積指標信息；主成分2基本反映相對含水量、新梢長度等指標信息；主成分3基本反映相對丙二醛、葉片數、根系活力等指標信息；主成分4基本反映單葉質量、新梢干物質、凈光合速率等指標信息；主成分5基本反映相相對電導率、葉綠素質量分數等指標信息。前5個主成分的累計貢獻率已達93.315%，權重系數分別為3.060、2.599、2.226、1.231、1.148。表8

表8 各性狀主成分的特征向量及貢獻率

2.8 各葡萄砧木品種的綜合指標值、權重、D值

研究表明，以各主成分特征值占所提取主成分特征值之和的比例作為權重(5個綜合指標對應特征值為0.298、0.253、0.217、0.120、0.112)，建立主成分綜合模型(D值=0.298×CI1+0.253×CI2+0.217×CI3+0.120×CI4+0.112×CI5)。D值越大該品種耐鹽堿性越強，D值越小該品種耐鹽堿性越弱，10個葡萄砧木品種D值在0.120～0.570；河岸7號D值(0.570)最大，耐鹽堿性最強；5BB、5C、St.George和3309M的D值較大，在0.374～0.455，耐鹽堿性較強；SO4、1103P、101-14MG、110R等4個品種D值較小，均在3.0以下，耐混合鹽堿性較弱。表9

表9 各葡萄砧木的綜合指標值、權重、D值

2.9 各葡萄品種耐鹽堿性綜合評價

研究表明，河岸7號的D值最大，且鹽堿害指數為0；5BB、5C、St.George、3309M等4個品種D值次之，且5BB、3309M鹽堿害指數較低；其余4個品種的D值均較低，鹽堿害指數均較高。以各葡萄砧木品種D值進行聚類分析(歐式距離離差平方和法)，在歐式距離0.201 5處，可將10個葡萄砧木品種劃分為3類：河岸7號為第一類，屬于強耐鹽堿類型；5BB、5C、St.George、3309M為第二類，屬于中度耐鹽堿類型；SO4、1103P、101-14MG、110R為第三類，屬于不耐鹽堿類型。表10，圖1

表10 各葡萄砧木品種耐鹽堿性綜合評價

圖1 不同葡萄砧木品種耐鹽堿性的聚類

3 討 論

鹽堿脅迫下植物離子失衡、生理過程被打亂、葉片細胞結構遭破壞[22]、類囊體腫脹變大，葉綠素質量分數降低[23]，最終影響植物光合作用[24]、植物生長受到抑制，甚至導致死亡，鹽堿脅迫的危害程度大于堿脅迫和鹽脅迫[25-26]。鹽堿脅迫下葡萄葉片光合速率受氣孔和非氣孔限制因素影響[27-28]，研究中110R、5C、1103P等砧木凈光合速率降幅較大，且相應氣孔導度下降幅度亦較大，在混合鹽堿脅迫下氣孔阻力升高，氣孔受到限制，同時植物葉綠體遭受破壞、羧化活性受到抑制、PSⅡ電子傳輸受到阻礙，會使光合系統受損，導致二氧化碳的利用效率降低，胞間CO2濃度升高。

堿脅迫會使植物組織中Mg2+沉淀[29]，鹽脅迫通過影響葉片中葉綠素酶(Chlase)活性和谷氨酸含量導致葉綠素含量的降低[30]。研究中所有砧木在混合鹽堿處理后葉綠素質量分數均有不同程度下降，因耐受性不同變化幅度各異。鹽脅迫對葡萄葉片Chlb 的影響更大，會導致 Chla/b 值顯著升高[30]，而研究中，各砧木品種在鹽堿脅迫下Chla、Chlab、Chla/b變化不一，可能是品種基因型不同導致對鹽堿脅迫敏感度不同。鹽堿脅迫通過破壞植物細胞的離子穩態[21]、生物膜透性和選擇透性致使電導率升高[31]、葉片含水量降低[32]。試驗中，混合鹽堿處理后大部分砧木葉片相對電導率均顯著增大，與前人研究結果一致。相對含水量是反映植物滲透脅迫下葉片水分狀況的敏感指標，SO4、101-14MG 2個耐鹽堿脅迫較差的品種在鹽堿脅迫下葉片質膜受到傷害嚴重，相對透性增加，相對含水量下降。丙二醛是膜脂過氧化最終分解產物，可以反映出膜系統受傷害程度[33]，但丙二醛的變化規律因不同耐受型植物而表現各異[34]。試驗中SO4、101-14MG、33099M等相對電導率較大的品種丙二醛質量摩爾濃度亦相對較高。在鹽堿脅迫逆境下植物細胞做出適應性反應，體內脯氨酸質量分數增加，脅迫過程中脯氨酸變化波動較大[35-37]，張亞冰等[38]研究認為脯氨酸的積累與葡萄砧木耐鹽性沒有明顯相關性，不宜作為耐鹽性指標。試驗中，除了5BB、101-14MG外，其余品種均出現了脯氨酸的積累，其中3309M、5C、SO4、110R、1103P等中度或不耐鹽堿性品種顯著增加，101-14MG積累不明顯的原因可能與鹽堿脅迫過程中脯氨酸波動式變化或品種對該類型鹽堿反應不敏感有關。研究認為逆境會導致植物根系活力下降[39]。研究中所有砧木品種根系活力均明顯下降，與油葵[40]、小麥[41]、葡萄種間雜交砧木[42]研究結果一致，St.George、5C、1103P、SO4、110R等不耐混合鹽堿或中等耐性品種下降幅度較大。植物在堿性鹽(NaHCO3)脅迫下根系受到NaOH腐蝕發黑、腐爛，根系活力及生長受到抑制。研究中所有砧木總根長、總表面積、根體積均有不同程度降低，SO4、110R、1103P等不耐品種這些指標降低幅度較大，基本在50%以上。而平均根直徑因品種基因型不同而不同，但大部分品種呈現減小趨勢，這一研究結果與張曉磊[43]等在紫花苜蓿上的研究結果較相似。

生長特性是評價植物耐鹽堿性的最優指標，生物量降低、植株生長受到抑制是鹽堿脅迫對植物最直觀的影響[44]。在研究中，在100 mmol/L混合鹽堿脅迫下，各葡萄品種新梢長度、葉片數、單葉質量、新梢干物質、地下部干物質等指標均不同程度下降，與高粱[45]、菊芋[46]、山葡萄[47]、葡萄砧木[11]等的研究結果一致，耐混合鹽堿性較差的砧木品種(101-14MG、1103P、110R、SO4)生長量指標降低幅度較大，而耐混合鹽堿性較好的砧木(河岸7號、5BB、5C)生長量指標變化幅度較小。

多元統計分析方法中的主成分分析、隸屬函數分析及聚類分析的方法評價植物抗逆性被廣泛應用[12,44]。試驗評價指標選取方面兼顧微觀的生理指標和宏觀的生長指標，利用主成分分析、隸屬函數分析和聚類分析等多元分析方法對葡萄砧木苗期耐混合鹽堿性進行綜合評價，結合田間調查鹽堿害指數進行驗證性評價，更具科學性。葡萄砧木耐鹽堿的鑒定，由于試驗方法的不同所得結果不盡相同。Carroll[48]研究認為, 冬葡萄耐堿性強于沙地葡萄，而野生河岸葡萄耐堿性較差；袁軍偉等[49]用100 mmol/L Nacl進行鹽脅迫，以鹽害指數為指標評價認為101-14 耐鹽性強，而5BB、1103P、SO4耐鹽性弱，且來自同一種群的品種耐鹽性也不盡相同；吳曉夢等[50]研究認為在中性鹽NaCl脅迫下，101-14、SO4、河岸葡萄、1103P表現為敏感型；沈莉等[51]認為在濃度為20%飽和石灰水進行堿脅迫條件下，5BB高耐堿，3309、SO4、5C、河岸葡萄、1103P耐堿，110R中等耐堿，101-14不耐堿；張星等[52]通過0.5 mol/L的Na2CO3與NaHCO3(1∶1)混合鹽堿脅迫認為5BB屬于高耐堿類型；于昕等[12]研究認為在0.54%復合鹽堿脅脅迫條件下，1103P表現為耐混合鹽堿性弱。研究中河岸7號強耐鹽堿的結論與Carroll[48]、吳曉夢等[50]對鹽敏感的結論不一致，與沈莉等[51]耐堿的結論基本一致；5BB中度耐鹽堿的結論與袁軍偉等[49]耐鹽性弱的結論不一致，與沈莉[51]、張星等[52]耐鹽堿的結論一致；5C、3309M中度耐鹽堿的結論與前人研究結果基本一致；SO4不耐鹽堿與不耐NaCl鹽[49-50]，耐飽和石灰水[51]的結論不盡相同；110R不耐鹽堿與耐飽和石灰水[51]的結論不一致；101-14MG、1103P不耐鹽堿的結論與前人研究結果基本一致。植物的耐鹽堿性評價受多因素共同控制影響，脅迫所用鹽堿成分、試驗材料樹齡及試驗分析方法不同所得評價結果也不盡相同，砧木的評價應用還應結合田間生產表現進一步研究。

4 結 論

在混合鹽堿液(100 mmol/L，NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3=1∶2∶1)脅迫處理下，葡萄砧木葉綠素質量分數、新梢長度、葉片數、單葉質量、新梢干物質、地下干物質、總根長、根系表面積、根體積、根系活力較對照均有所降低，其他指標各品種間表現不同。葉綠素質量分數、新梢長度、新梢干物質、根系活力、根系總表面積5個指標適宜作為葡萄砧木苗期耐鹽堿性的評價指標。河岸7號屬于強耐鹽堿品種，5BB、5C、St.George 3309M屬于中度耐鹽堿品種，SO4、101-14MG、1103P、110R屬于不耐鹽堿品種。