盐胁迫对红叶石楠红罗宾生理特征影响的实验研究

谷月,宋盈颖,方敬雯,周曼舒,姬芬,张雨婷,张饮江,*



盐胁迫对红叶石楠红罗宾生理特征影响的实验研究

谷月1, 宋盈颖1,方敬雯2, 周曼舒2, 姬芬2, 张雨婷2,张饮江1, *

1. 上海海洋大学水产与生命学院, 上海 201306 2. 水域环境生态上海高校工程研究中心, 上海 201306

在NaCl盐胁迫环境下, 以50 mmol·L–1为浓度梯度, NaCl浓度分别为0、50、100、150、200 mmol·L–1, 研究红叶石楠‘红罗宾’叶片含水量、叶绿素含量、质膜相对透性、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、过氧化物酶(POD)活性变化以及抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性变化等生理特征。结果表明: 叶片含水量、丙二醛含量、可溶性糖含量、抗坏血酸过氧化物酶活性均随NaCl浓度的升高先增大, 后降低; 叶绿素含量、可溶性蛋白含量随NaCl浓度的升高先降低后升高又降低; 膜相对透性随NaCl浓度的升高持续增大, 而过氧化物酶(POD)活性随NaCl浓度的升高则先升高后降低, 超过一定浓度后又升高。根据结果显示, 红叶石楠‘红罗宾’具有一定耐盐性, 可在适当盐碱地地区的环境绿化建设中推广应用。

红叶石楠‘红罗宾’; 盐胁迫; 生理特征

1 引言

当前, 全球盐碱化面积达9.5438亿hm2[1], 我国盐碱化面积占全球盐碱化面积约十分之一。我国大面积盐碱地中, 以东部沿海地区尤为突出, 这对许多城市及地区绿化建设造成很大困扰, 并影响生态环境与人们健康生活。石楠原产我国, 其育种和品种改造由国外完成。1996年前后, 红叶石楠由多个国内研究机构和园艺企业从国外引入(如浙江、上海等), 并推广应用[2,3]。红叶石楠红罗宾(Red Robin ) 因其叶色鲜艳夺目, 极具观赏性, 近年来在城市绿化中应用广泛[4]。

红叶石楠红罗宾属蔷薇科常绿小乔木, 叶革质, 本身含水量偏低, 正常情况下叶片含水量在50%左右, 在一定浓度盐胁迫条件下, 促进其叶片对水分的吸收, 有利于增强鲜艳度, 提高观赏性。盐胁迫对植物影响的研究主要集中在光合、生长、抗氧化酶系统、离子分布和显微结构等方面。大部分植物对盐胁迫有一定的适应范围, 但不同植物种类和品种盐胁迫后的生长生理反应存在着较大的差异。2009年申亚梅等[5]曾对红叶石楠红罗宾在海水胁迫条件下的生理响应进行了探讨, 结果显示红叶石楠具有良好的抗盐能力, 可以作为盐土植物栽培应用。2010年马妮娜[9]等研究了石楠属3个品种的耐盐性, 得出结论是耐盐性的大小顺序为: 红罗宾>鲁宾斯>石楠。2011年赵秀娟[6]等通过对拟南芥、玉米、马铃薯、水稻、香蕉、黄瓜、花生和韭菜等植物的相关的研究, 综述了盐胁迫对植物丙二醛含量、游离脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性以及可溶性蛋白质6项指标的影响, 旨在为总结植物的耐盐机制提供科学依据。2012年刘志高[7]等试验研究了盐胁迫对红叶石楠红罗宾植株叶片的光合作用参数、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)、钠离子(Na+) 含量的影响, 其中结果表明随着土壤含盐量的增加和胁迫时间的延长, MDA 的含量并未呈现出规律性变化。2014年项锡娜[8]研究了不同浓度NaCl胁迫下, 红叶石楠鲁班生长、生理生化指标和叶片显微结构的变化, 结果表明, 红叶石楠鲁班在NaCl浓度不高于0.6%的基质中能生长。

目前国内盐胁迫对红叶石楠生理特征影响的研究仅限于光合作用指标, 为了更好掌握红叶石楠红罗宾抗盐作用机理, 增强其抗盐机制, 深入研究其膜组织及多种生物酶的特性具有重要的学术价值与实用意义。因此本文针对盐胁迫对红叶石楠8项生理特征的影响, 深入研究盐胁迫对其生长影响的作用机制, 以有利于红叶石楠在环境与绿化建设中发挥更好的作用, 为盐植物栽培应用提供科技支撑。

2 材料与方法

2.1 实验材料

2014年8月在上海海洋大学栽培基地种植红叶石楠红罗宾种子, 待其生根发芽, 10月份挑选外形相似且生长状况良好的生根幼苗, 将它们转移到花盆中栽种, 每个浓度各3盆, 每盆3株, 设立3组五个梯度实验各15盆, 共计45盆。

2.2 实验仪器和试剂

仪器: 电子天平、容量瓶、电导率仪、试管等; 研钵、烘箱、紫外分光光度计等。

主要试剂: NaCl、磷酸缓冲液、石英砂、碳酸钙粉、乙醇等。

2.3 材料处理

以红叶石楠红罗宾生根幼苗移栽后1个月的植株为材料, 对其进行盐胁迫处理。设立NaCl溶液浓度为0、50、100、150、200 mmol·L–1五个梯度, 浇灌红叶石楠红罗宾幼苗。每天上午浇1次NaCl溶液, 每次每盆浇1 L。浇灌过程中盐浓度逐步由低到高, 避免用高浓度盐溶液直接浇灌, 让植株慢慢适应盐环境, 同时每周给土壤松土, 使盐分在浇灌中不受损失, 保持土壤中盐分浓度的相对稳定, 以免影响实验结果。培养四周后, 测定其生理指标。

2.4 测定方法

采用高温杀青称重比价法测定植株叶片含水量; 采用研磨法测定叶片叶绿素;

叶片质膜相对透性的测定采用相对电导率的大小来表示叶片质膜相对透性的高低, 其中相对电导率(%) =原电导率/总电导率×100%; 叶片丙二醛(MDA)含量的测定参考李合生(2000)的硫代巴比妥酸法并适当做出修改; 叶片可溶性蛋白含量的测定参考李合生(2000)考马斯亮蓝G250染色法; 叶片可溶性糖含量的测定参考李合生(2000)蒽酮比色法测定可溶性糖; 叶片过氧化物酶(POD)活性变化的测定参考李合生(2000)愈创木酚法测定; 叶片抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性变化的测定: 参考文献[10]的方法并适当修正。

3 结果与分析

3.1 盐胁迫对红叶石楠红罗宾叶片含水量的影响

不同浓度盐胁迫下, 叶片含水量呈现先增加后下降的变化趋势, 在100 mmol·L–1时达到最高值58.61%, 跟对照组相比, 叶片含水量变化在10%左右(<0.05)。这表明, 一定浓度的盐胁迫可以促进红叶石楠红罗宾叶片对水分的吸收, 有利于其生长。当浓度超过一定限度时, 反而抑制叶片对水分的吸收, 不利于其生长(见图1)。

3.2 盐胁迫对红叶石楠红罗宾叶片叶绿素含量的影响

叶绿素是植物光合作用中的重要物质, 其含量的多少将直接促进或抑制植物光合作用过程, 进而促进或抑制植物的生长发育。叶绿素代谢为一种动态的平衡过程, 但这种状态在一定范围内会被盐胁迫所破坏, 从而致使叶绿素的含量值产生波动[11]。从图2 表明, 与对照组相比, 在NaCl浓度为50 mmol·L–1时, 叶绿素含量有所降低; 在NaCl浓度为150 mmol·L–1时, 叶片叶绿素b含量有所升高; 在NaCl浓度为100 mmol·L–1和200 mmol·L–1时, 叶绿素a含量有所降低, 而对叶绿素b含量影响不大(<0.05)。

3.3 盐胁迫对红叶石楠红罗宾叶片质膜相对透性的影响

植物中的膜系统参与细胞与外界环境的物质交流、能量和信息传递, 维持植物体内微环境的相对稳定, 因此膜系统的完整性及稳定性是保证植物正常生理活动的基础。电导率值能够反映膜透性的大小, 因此可以利用电导率值来检测植物细胞质膜受到损害的程度。从图3可看出, 随着NaCl浓度的升高, 红叶石楠‘红罗宾’叶片质膜相对电导率升高, 但在浓度不高于150 mmol·L–1时, 相对电导率变化不大, 从150 mmol·L–1到200 mmol·L–1, 相对电导率呈指数型增长, 这表明当浓度高于150 mmol·L–1时, 叶片质膜受到严重损害(<0.05)。

3.4 盐胁迫对红叶石楠红罗宾叶片MDA含量的影响

丙二醛(MDA)是膜脂质受到过氧化的重要产物, 体现了膜脂质过氧化水平, 它含量的变化在一定程度上能够反映植物膜系统受损伤程度和植物的抗逆性[12]。从图4可看出, 随着NaCl浓度的升高, 红叶石楠红罗宾叶片中MDA的含量先增加后降低, 在NaCl浓度为150mmol·L–1时达到最高值, 此时膜脂质过氧化程度最高, 细胞膜受损伤严重(<0.05)。

3.5 盐胁迫对红叶石楠红罗宾叶片可溶性蛋白含量的影响

植物体内的可溶性蛋白质大多数是参与各种代谢的酶类, 测定其含量是了解植物体总代谢情况的一个重要指标[13]。因此, 测定植物体内可溶性蛋白质是研究酶活性的一个重要项目, 也是间接测定植物体内代谢强度的一个指标[18–22]。从图5可看出, 叶片中可溶性蛋白的含量随着NaCl浓度的升高呈‘降低—上升—降低’的趋势, NaCl浓度在100 mmol·L–1—150 mmol·L–1之间时达到最高值, 此时植物体内代谢强度最高(<0.05)。

3.6 盐胁迫对红叶石楠红罗宾叶片可溶性糖含量的影响

糖类物质是构成植物体的重要组成成分之一, 也是新陈代谢的主要原料和贮存物质。测定红叶石楠叶片中可溶性糖的含量, 可以判断植株新陈代谢情况的快慢。从图6可看出, 叶片中可溶性糖的含量随NaCl浓度的升高先升高后降低, 在浓度为150 mmol·L–1左右时达到最高值, 表明此时植株新陈代谢情况最好(<0.05)。

3.7 盐胁迫对红叶石楠红罗宾叶片POD活性的影响

POD 广泛存在于植物体中, 是活性较强的一种酶。它与呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等有关[14]。从图7可看出, 随着NaCl浓度的升高, 红叶石楠红罗宾叶片中POD含量呈‘上升—下降—上升’趋势, 且随着反应时间的增加, POD活性降低, 在NaCl浓度为150 mmol·L–1时达到最低值, 表明此时木质化程度较低, 老化程度也最低(<0.05)。

3.8 盐胁迫对红叶石楠红罗宾叶片APX活性的影响

APX 作为清除叶绿体中 H2O2的毒害作用、维持植物正常光合作用的关键酶, 其活性受到多种环境因素的影响[15-16]。从图8可看出, 随着NaCl浓度的升高, 红叶石楠红罗宾叶片APX活性先升高后降低, 在NaCl浓度为150 mmol·L–1时, APX活性最高, 表明此时对降低 H2O2对植物细胞产生氧化损伤的作用效果最好(<0.05)。

4 讨论

本研究的实验结果显示, 在盐胁迫条件下, 红叶石楠红罗宾叶绿素a/b值增大, 由于叶绿素a呈蓝绿色, 叶绿素b呈黄绿色, 所以叶绿素a/b值越大, 叶片颜色越鲜绿。红叶石楠红罗宾叶片生物膜基本成分是蛋白质、脂质和糖, 低浓度盐胁迫条件下, 可溶性蛋白质和可溶性糖含量增加, 脂溶性物质透性降低, 但含水量增加的速度快, 膜对水的透性最大, 水可以自由通过, 所以膜透性会升高; 王树凤[23]等研究了盐胁迫对2种栎树苗生长和根系生长发育的影响, 同样发现石南叶白千层在盐胁迫下增加了生物量在根系的分配, 其积极意义在于增加了根对水分和营养的吸收, 从而增强了植物体的生长能力, 稀释细胞内盐分。当盐胁迫浓度超过150 mmol·L–1时, 可溶性蛋白和可溶性糖含量降低, 水溶性物质和脂溶性物质透性都会升高, 所以膜透性会呈指数型升高, 此时, 生物膜的结构受到严重损伤, 跨膜运输失去平衡, 对植物生长不利。同时, 当NaCl浓度过高时, 膜脂质可氧化底物减少, 因此MDA含量减少。POD活性越高, 植物体的抗逆性越高[17], 盐胁迫浓度为150 mmol·L–1时, POD活性降到最低值, 此时红叶石楠红罗宾的抗盐能力最弱, 不利于植株的生长。APX活性越高, 清除叶绿体中 H2O2的毒害作用、维持植物正常光合作用的能力越强, 要使APX发挥正常催化功能, 必须有抗坏血酸存在, 当盐胁迫超过一定浓度时, 会通过降低抗坏血酸的含量来降低APX活性, 以此破坏植株的酶系统, 影响植株的正常生长发育。

因此, 从本实验结果观察与分析, 一定浓度的盐胁迫有利于红叶石楠红罗宾的代谢生长, 且适宜浓度在100 mmol·L–1—150 mmol·L–1之间, NaCl浓度超过150 mmol·L–1则会抑制其生长。

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Experimental study on effect of salt stress to the physiological charac­teristics ofRed Robin

GU Yue1, SONG Yingying1, FANG Jingwen2, ZHOU Manshu2, JI Fen2, ZHANG Yinjiang1,2

1. College of Fisheries and Life Science of Shanghai Ocean Univercity, Shanghai 201306 China 2. Engineering Research Center for Water Environment Ecology in Shanghai, Shanghai 201306 China

The effect of salt stress to the physiological characteristics ofRed Robin was investigated when exposed to 0, 50, 100, 150 and 200 mmol·L–1of NaCl by determining leaf water content, chlorophyll content, membrane permeability, malondialdehyde (MDA) content, soluble protein content, soluble sugar content, and the changes of peroxidase (POD) activity and ascorbate peroxidase (APX) activity . It was found that with the increase of NaCl concentration, leaf water content, MDA content, soluble sugar content, and APX activity increased first and then decreased. Chlorophyll content and soluble protein content both had a variation tendency from decrease to increase and then increase to decrease, while the change of POD activity had a reverse variation. Membrane permeability continued increasing, which illustrated thatRed Robin had a certain tolerance for salt and could be applied in the garden construction in saline area.

Red Robin; salt stress; physiological characteristics

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.022

S688.3

A

1008-8873(2017)02-152-06

2016-03-25;

2016-07-03

国家水专项(08ZX07101-005, 2013ZX07101014-004); 上海市重点学科建设项目(Y1110, S30701)

谷月(1991—), 女, 山东莱芜, 硕士研究生, 研究方向为水域环境生态学, E-mail: 18717836191@163.com

张饮江, E-mail: yjzhang@shou.edu.cn

谷月, 宋盈颖,方敬雯, 等. 盐胁迫对红叶石楠红罗宾生理特征影响的实验研究[J]. 生态科学, 2017, 36(2): 152-157.

GU Yue, SONG Yingying, FANG Jingwen, et al. Experimental study on effect of salt stress to the physiological characteristics ofRed Robin[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 152-157.