盐碱胁迫下‘红地球’葡萄对生化改良的光合与生理响应

王延秀,李飞鸿,武云龙,郭爱霞,胡 亚,朱燕芳,贾旭梅

(甘肃农业大学园艺学院,甘肃 兰州 730070)

葡萄(VitisviniferaLinn.)是世界落叶果树中栽培面积最大、产量最高的树种之一，我国西北地区具有发展葡萄得天独厚的气候条件[1]。然而，该区强烈的地表蒸发及不合理灌溉使得土壤次生盐渍化发展迅速，盐碱地面积日益扩大，严重制约葡萄与葡萄酒产业的发展[2]。

目前，盐碱地主要通过物理、化学和生物措施进行改良[5-9]。客土改良、深松土壤、秸秆覆盖、水旱轮作、上农下渔等物理措施能不同程度地减轻土壤盐害。利用酸碱中和的原理，用磷石膏、脱硫石膏、过磷酸钙、土壤综合改良剂等化学药剂进行盐碱地改良也取得了良好效果[3]。赵秋等用草炭、牛粪堆肥、腐殖酸钠、绿肥、蚯蚓粪和生物与无机物质制成不同有机、无机土壤改良剂改良苜蓿种植地，显著提高了苜蓿产量，且土壤pH值降低[4]。有研究显示，生物措施是改良盐碱地的有效途径，植物的根、茎、叶返回土壤后既能改善土壤结构，增加有机质，又可提高肥力[5]。

植物在盐渍环境中的存活以减小生长量为代价，抑制生长是盐、碱胁迫对植物最明显的效应[6]。目前对植物的耐盐性鉴定有两种方法，一种以形态观察、生长测定为主的直接鉴定方法；另一种是利用生理生化指标为主的间接鉴定法[7]。叶绿素荧光动力学技术由于其快速和非破坏性的优点，成为研究植物光合结构功能和逆境胁迫响应的主要工具。叶绿素荧光的变化可以在一定程度上反映逆境胁迫对植物的影响[3]。Hatami等[8]认为高盐胁迫下葡萄叶面积、光合色素和气孔导度明显降低。黄立华等的研究结果表明苏打盐碱胁迫抑制了羔羊草的光合作用[9]。有关葡萄尤其是砧木耐单盐和单碱方面的研究较多[10]，但对于改良剂对栽培品种葡萄盐碱胁迫的影响及改良效果却鲜见报道。

本试验以‘红地球’葡萄为材料，在盆栽条件下研究不同生物、化学改良剂对其生长、光合与叶绿素荧光动力学的影响，探讨盐碱胁迫下葡萄的生理响应，以期为盐渍土地改良和本品种的推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在甘肃农业大学塑料温室中进行。2013年11月采集‘红地球’葡萄冬剪时的枝条，在地面50 cm以下埋土处理。2014年3月20日将枝条取出，选择健壮枝条剪成15～20 cm长的插穗，并抠芽(只保留顶部一个芽)，在100 mg·L-1IBA中浸泡10 h，扦插在盛装有250 g基质和牛粪(20%蛭石，20%珍珠岩，60%泥炭)的育苗盆(内径10 cm，深18 cm)中育苗，每盆1株，统一管理。植株具10片真叶时，选择长势一致的幼苗70盆，进行盐碱胁迫处理。试验设计如下：10盆‘红地球’葡萄苗为一个处理，处理组每隔3天浇灌盐碱土淋溶液(表1)150 ml 1次，共3次，之后每7 d向各盆中浇灌盐碱土淋溶液和改良剂一次，各处理改良剂为：处理1(GG)2.5 g碾碎的新鲜牧草，处理2(DG)2.5g碾碎的枯草，处理3(PS)硫酸钾1.74 g，处理4(CS)过磷酸钙2.52 g，处理5(FS)硫酸亚铁1.52 g；对照组(CK1)各盆相应浇灌150 ml清水，对照组(CK2)各盆相应浇灌150 ml盐碱土淋溶液，在改良处理后7、14、21、28、35 d进行采样测定各项指标，各处理重复3次。

表1 试验所用盐碱土壤的化学性质Table 1 Chemical properties of saline-alkaline soil in the test

1.2 测定方法

1.2.1 株高生长量的测定 分别调查加入改良剂前后幼苗的株高H0和H1，计算不同处理的株高绝对生长量ΔH=H1-H0，用钢卷尺和游标卡尺各测定1次，精确到0.1 cm。

1.2.2 光合作用气体交换参数的测定 选取枝条中部5片成熟叶片(做标记)为测定对象，从胁迫处理当天开始，以后每隔7 d上午8∶00进行各项指标测定。用Li-6400光合仪(LI-COR公司，美国)测定Pn、Gs、Tr、Ci，设定CO2浓度为400 μmol·mol-1，环境温度25℃，光强为800 μmol·m-2·s-1。

1.2.3 叶绿素荧光参数的测定 将叶片充分暗适应30 min后，在同一叶片上用Li-6400光合仪(LI-COR公司，美国)测定荧光参数[11]，记录数据，计算Fv/Fm、Fv/Fo、qN、qP；测定重复3次。

1.2.4 生理生化指标的测定 SOD、POD、CAT活性采用李合生[12]的方法测定；REC采用电导率法测定[13]。Pro含量采用酸性茚三酮法测定[14]。叶绿素含量采用分光光度计法测定，提取液为95%乙醇，在黑暗避光处提取24 h后进行测定。

1.3 数据分析

用Microsoft Excel 2010进行试验数据整理，用软件origin 8.0作图，用R语言进行相关性分析，运用SPSS 22.0进行显著性及主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同改良剂对‘红地球’葡萄株高生长量的影响

如图1所示，改良剂处理的株高生长量呈现先降低后升高的趋势，对照CK1的生长量在整个处理周期无显著差异，CK2显著下降，到第35天其生长量仅为0.07 cm，显著低于其他处理。DG、CS、FS处理的株高生长量总体上增加，其中CS处理的增加幅度为151 .11%，高于DG和FS处理。第35天，FS处理与CK1无显著差异，与其它处理差异显著。

注：数据为3次重复的平均值与标准误，不同的字母表示在P<0.05水平上差异显著，下同。Note: The column means the average of the parameters in each line, and the error bars show the standard error of three replicates. Bars superscripted with different letters are significantly different at P<0.05 as determined by Duncan method. The same as below.图1 不同处理对盐碱胁迫下‘红地球’葡萄株高生长量的影响Fig.1 Effect of different treatments on plant height increment under saline-alkaline stress in ‘Red Globe’ grape

2.2 不同改良剂对‘红地球’葡萄叶片光合作用参数的影响

图2A所示，CK1处理的Pn呈上升趋势，上升幅度为50.32%，GG处理的Pn没有明显变化。CK2、DG、PS、CS和FS处理均呈下降趋势，下降幅度分别为63.00%、6.80%、18.90%、5.68%、26.62%。在整个处理时间段内，CS下降幅度小于其它处理。

由图2B可以看出，除CK2外，各处理的Tr先下降后上升，整体呈现下降趋势，其中FS降幅最小，为48.18%；CK2降幅最大，CS次之，分别为90.55%和84.45%。第21天，处理GG、DG、PS、CS、FS的Tr达最低值，显著低于CK1。随后各处理的Tr稍有增加，第35天，CK1的Tr值最高，其次为FS，显著高于其他各处理。

如图2C，CK2处理的Ci先降低后升高，呈下降趋势。处理CK1、GG、DG、PS、CS和FS先上升后下降，在第21天时达到峰值，整体呈上升趋势，上升幅度分别为71.01%、129.55%、110.10%、169.39%、473.29%和32.66%,CS增幅显著高于其他各处理，FS最低。

由图2D可知，各处理Gs呈下降趋势，下降幅度分别为：18.60%、84.62%、65.75%、45.50%、57.26%、15.13%、42.20%，CK2下降幅度最大，CS下降幅度最小。第35天，CS显著高于CK2，显著低于其他处理。

图2 不同处理对盐碱胁迫下‘红地球’葡萄光合特性的影响Fig.2 Effect of different treatments on photosynthetic characteristic under saline-alkaline stress in ‘Red Globe’ grape

2.3 不同改良剂对‘红地球’葡萄叶片叶绿素荧光参数的影响

从图3A可以看出，各处理下，Fv/Fm逐渐降低，PS处理下降最快，CK1下降最慢，第35天时，PS处理显著低于其它各处理，与CK2差异不显著。

由图3B可以看出，各处理的Fv/Fo随改良处理后时间的推移呈下降趋势，CS处理下降幅度最小，FS次之。第21天时，除CS、DG以外的其他各处理与CK1差异达显著水平，均低于CK1；第35天，CS显著高于CK2、DG和PS。

如图3C，随着改良处理时间的延长，两对照的qN逐渐增加，各改良处理的qN先降低后升高，整体呈升高趋势，其中CS处理较其他处理上升幅度大，其次为DG和FS处理。

由图3D可知，各处理qP随着处理时间的延长呈下降趋势，其中DG、GG和CK1下降幅度为41.83%、48.00%和49.33%,较其他处理小，其次为CS，下降幅度为57.7%。

2.4 不同改良剂对‘红地球’葡萄叶片抗氧化酶活性的影响

由图4A可知，随着处理时间的延长，两个对照的SOD呈上升趋势，而不同改良剂处理的SOD逐渐下降，其中FS下降幅度最大，DG和CS次之。在第35天时，FS的SOD显著低于其他改良处理。

如图4B，CK1和CK2的POD随着处理时间的持续逐渐上升，其它处理逐渐下降，其中PS下降幅度最大，FS次之。第35天，PS和FS处理值达到最低，显著低于DG和CS。

如图4C，各处理CAT均呈上升趋势，上升幅度分别为34.88%、202.33%、50.00%、57.14%、67.44%、56.82%、42.22% ，除CK外FS上升幅度最小。

2.5 不同改良剂对‘红地球’葡萄叶片渗透胁迫物质的影响

由图5A可得，随着改良处理时间的延长，脯氨酸含量CK1基本不变，CK2逐渐增大，改良剂处理呈现先升高后降低，在第14天出现峰值，整体呈下降趋势，其中FS处理的Pro降幅最大，达30.63%，第35天时，FS显著低于其他处理。

从图5B中可以看出，CK1和CK2处理的REC逐渐增大，改良剂处理的REC先增大后降低，在第14天达到峰值。 其中FS降低了7.57%。第35天时，FS处理的REC降到最低，仅比对照CK1高2.75%，与CK1无显著差异，与其他处理差异显著。而其他改良处理整体呈上升趋势，CS上升了17.95%，较其他处理小。

图3 不同处理对盐碱胁迫下‘红地球’葡萄叶绿素荧光参数的影响Fig.3 Effect of different treatments on chlorophyll fluorescence parameter under saline-alkaline stress in ‘Red Globe’ grape

图4 不同处理对盐碱胁迫下‘红地球’葡萄抗氧化酶活性的影响Fig.4 Effect of different treatments on antioxidant enzymes activity under saline-alkaline stress in ‘Red Globe’ grape

图5 不同处理对盐碱胁迫下‘红地球’葡萄渗透胁迫物质的影响Fig.5 Effect of different treatments on osmotic stress substance under saline-alkaline stress in ‘Red Globe’ grape

2.6 不同改良剂对‘红地球’葡萄叶片叶绿素含量的影响

从图6中可以看出，CK1处理的叶绿素含量逐渐增加，CK2逐渐下降，改良剂处理的叶绿素含量呈先降低后升高的趋势，从第14天开始升高，其中FS处理的叶绿素含量升高幅度最大，到35 d时，FS处理值高于其它处理，且差异显著。而CS的叶绿素含量变化不明显。

图6 不同处理对盐碱胁迫下‘红地球’葡萄叶绿素含量的影响Fig.6 Effect of different treatments on chlorophyll content under saline-alkaline stress in ‘Red Globe’ grape

2.7 不同改良剂处理盐碱胁迫下‘红地球’葡萄的各生理指标相关性分析

从图7可知，株高生长量与Pn、Tr、Gs、Fv/Fm、Fv/F0呈显著正相关，与叶绿素含量呈极显著相关，相关系数分别为：0.803*、0.795*、0.793*、0.766*、0.773*、0.876**，与SOD、CAT、Pro、REC呈极显著负相关，与POD呈显著负相关，相关系数分别为-0.908**、-0.897**、-0.910**、-0.932**、-0.862*；Pn与叶绿素含量、Fv/Fm、qP呈显著正相关，相关系数为0.755*、0.758*、0.851*，与SOD、POD、CAT、Pro呈显著负相关，相关系数为-0.819*、-0.788*、-0.859*、-0.759*；Tr与Gs呈极显著正相关，与Pro呈极显著负相关，与REC呈显著负相关，相关系数分别为0.905**、-0.957**、-0.790*；Gs与Pro呈极显著负相关，与qN、REC呈显著负相关，相关系数分别为-0.902**、-0.759*、-0.873*；Fv/Fm与Fv/Fo呈极显著正相关、与qP显著正相关，相关系数为0.975**、0.819*。

注：F1～F15分别代表株高生长量、净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度、最大光化学效率、潜在光化学活性、非光化学淬灭系数、光化学淬灭系数、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性、过氧化氢酶活性、脯氨酸含量、相对电导率和叶绿素含量。Note: F1～F15 represent height growth, Pn, Tr, Ci, Gs,Fv/Fm, Fv/F0, qN, qP, SOD, POD, CAT, Pro, REC and chlorophyll content respectively.图7 各指标间的相关系数Fig.7 The correlation coefficient between the indices

2.8 不同改良剂对盐碱胁迫下‘红地球’葡萄的改良效果综合评价

单个指标之间差异较大，以不同的指标作为评价标准其结果不同，植物对土壤的改良是一个复杂的数量性状，仅凭一个性状或一项指标的测定结果难以反映改良效果，因此应用较多的指标进行综合评定，才能得到相对准确的结果[15]。

对测定指标用SPSS 22.0进行主成分分析，提取特征根大于1的两个主成分，由表3可知，第一、第二、第三主成分的方差贡献率分别为63.783%、13.676%和11.684%，累积方差贡献率达到89.144%(大于85%)，表明前3个成分包含了测定指标的大部分信息，可反映盐碱胁迫下不同改良剂对‘红地球’葡萄的改良效果。

第一主成分反映的信息量占总信息量的68.657%，株高生长量对它有较大的正向载荷(表3)，FS综合得分最高(表4)，CS次之。

3 讨 论

盐碱胁迫会对植物造成损伤，抑制植物的营养生长与生殖生长，使植株生长量下降，甚至会导致植株死亡[16]。J. Y. Yang[17]等认为，随着盐碱度的增加，枝条和根的相对生长速率呈现下降的趋势。刘倩[18]等对盐碱胁迫的研究认为，盐碱胁迫下，植物株高、叶片数、茎长等均有所下降。本试验中改良初期株高生长量下降，改良后胁迫减轻，后期植株生长量升高，表明改良剂具有逐渐缓解盐碱胁迫的效应。这与李学孚等的研究结果一致[19]。

表2 主成分列表及方差贡献率Table 2 List of principle components, percentage of variance,cumulative percentage

表3 因子负荷矩阵和得分系数矩阵Table 3 Component matrix and score coefficient matrix

表4 不同改良剂改良效果综合分析Table 4 Comprehensive analysis of effect of different ameliorants

Pn是光合系统功能的直接体现，也是植株光合系统正常与否的重要指标[20]。盐胁迫导致植物叶片Pn降低的主要因素有气孔限制和非气孔限制两类。若Pn的降低伴随着Ci的提高，则光合作用的主要限制因素是非气孔因素；若Ci和Gs同时下降，则主要限制因子为气孔因素[20]。王素平[21]等认为，盐胁迫下，黄瓜(CucumissativusLinn.)叶片光合速率的下降，短期盐胁迫以气孔限制因素为主，随着胁迫时间延长逐渐转为以非气孔因素为主。气孔导度的大小与植物的光合速率密切相关。在大多数情况下，气孔导度的下降会造成CO2供应受阻进而造成光合速率的下降[22]。J. Y. Yang[17]等对苜蓿的研究表明，净光合速率、气孔导度和细胞间CO2浓度随着盐度和pH值的增加而降低。本试验结果表明 ，Pn、Tr和Gs均随着胁迫时间的推移而逐渐降低，Ci先增大后降低，所以试验前期为非气孔因素，后期为气孔因素。这与房玉林对8804品系葡萄盐胁迫的研究结果一致，即随胁迫加剧，葡萄光合的影响逐渐从非气孔限制转变为气孔限制[23]。

叶绿体在正常情况下吸收的光能主要通过光合电子传递、叶绿素荧光和热耗散三种途径来消耗，这三种途径间存在着此消彼长的关系[24]。在葡萄逆境方面的研究中，郑秋玲认为，高温胁迫主要伤害类囊体上的光化学反应中心，使得光系统PSⅡ功能下降甚至完全丧失[25]。范苓研究表明，高温胁迫能够显著降低葡萄光适应PSⅡ最大光化学效率、光合电子传递量子效率PSⅡ和光化学猝灭系数qP，并使非光化学猝灭系数qN升高[22]。光合速率下降，必然会影响植物对光能的吸收、传递和转化，最主要的表现是光化学活性下降[26]。本研究结果表明，各处理的潜在光化学活性Fv/Fo、最大光化学效率Fv/Fm和光化学猝灭系数qP均下降，说明葡萄叶片发生了光抑制，盐碱胁迫会改变葡萄叶片PSⅡ的激发能分配方式，通过提高热耗散消耗过多激发能来适应盐碱胁迫环境。

盐碱胁迫使土壤渗透势下降，植物根系吸收水分能力下降，而植物体通过增加渗透调节物质来平衡渗透势以缓解胁迫伤害，脯氨酸是植物应对胁迫时有效的渗透调节物质[29]，脯氨酸含量越高意味着渗透调节能力越强，对逆境有更强的抵抗性[30]。雷成军等研究表明叶片中的游离脯氨酸含量随着胁迫浓度的增大而升高[31]。Butt,Madiha1[32]等对辣椒耐盐性的研究表明盐碱胁迫下，叶片施用Pro刺激茎和根的生长，可提高植物的干鲜重、光合速率和抗氧化酶活性，以此适应逆境胁迫。Gao Z W[33]等对盐碱胁迫的研究认为，燕麦的脯氨酸含量随着盐碱度的增加而增加。本试验中，改良剂处理的脯氨酸呈现先增大后降低的趋势，说明不同的改良剂均可以减少植物组织中的Pro含量，从而能提高植物的渗透调节能力，减轻胁迫伤害，其中FS处理的Pro降幅最大，改良作用最显著。结果与前人研究一致。在盐碱胁迫条件下，植物组织细胞的膜结构和功能易遭到破坏，导致细胞膜透性增大，增加了离子外渗，使得细胞外渗透液的电导值增大，因而可以通过测定外渗液电导值的大小来判断细胞膜的破坏程度，进而判断盐碱胁迫对植物的伤害大小[31]。本试验结果表明改良剂处理的REC在初期逐渐增大，改良后期逐渐降低，FS处理的REC降到最低，与其它处理差异显著。说明各改良剂对盐碱胁迫下REC的稳定具有显著效果，且FS效果最佳。这与雷成军在‘红地球’葡萄‘贝达’嫁接苗上的研究结果一致[31]。

Mg2+是叶绿素合成的必需元素，盐碱胁迫使Mg2+沉淀，叶绿素合成受阻[34]；朱新广等认为盐胁迫使叶片叶绿素含量降低[35]。本试验结果表明，CK1的叶绿素含量逐渐增加，CK2逐渐降低，改良剂处理下叶绿素含量呈现先降低后升高的趋势，说明植物叶绿素含量在盐碱胁迫下降低，施加改良剂后，叶绿素含量开始上升，说明改良剂减轻了胁迫危害，植株功能逐渐恢复。

4 结 论

综上所述，各改良剂处理均可对葡萄叶片光合、生理产生显著影响，但不同改良剂在各个指标上的反映效果不同，通过主成分分析综合比较得出硫酸亚铁改良效果最佳。