盐碱胁迫对榉树幼苗生长期生理特性的影响

韩浩章，王晓立，张丽华，李素华，王 芳，张 颖，刘 宇

(宿迁学院，江苏 宿迁，223800)

榉树(Zelkovaserrata(Thunb.) Makino)多分布于我国湖南、湖北、安徽、江苏、浙江等地，其根系发达，树形优美，叶色丰富，是我国优良的彩叶树种，在园林绿化中的应用量越来越大[1-2]。目前我国榉树成年苗木数量较少，除播种萌芽率极低外，也与干旱、盐碱等土壤环境对榉树幼苗生长发育的影响较大有关[3-5]。研究认为，榉树在种子萌发阶段对NaCl胁迫敏感，0.10%的NaCl浓度处理即可显著降低榉树种子发芽率、发芽指数和活力指数，当NaCl浓度高于0.20%时，萌发后的榉树幼苗生长缓慢、叶片卷曲[6]，生长季榉树幼苗在0.30% NaCl土壤中生长，会陆续出现死亡现象[4]。有报道认为，实生选育的榉树品种‘恨天高’属于中等耐盐碱品种，其幼苗对NaCl的忍受浓度为200～400 mmol·L-1[7]，对NaHCO3的忍受浓度为100～200 mmol·L-1，高浓度NaHCO3胁迫下则出现叶片卷曲、失绿、焦枯、整株死亡等现象[3]。目前，我国园林绿化中大量应用的仍是普通榉树，研究重点主要集中在繁殖技术[8-9]、生长特性[10]、叶色变化[1]、耐盐性[4,7]等方面。我国苏北地区土壤多为盐碱土，土壤中除了以NaCl与Na2SO4为主的中性盐外，还包括以Na2CO3和NaHCO3为主的碱性盐，榉树幼苗在生长季栽培仍会因土壤水分运移导致的土壤表土盐碱化而出现明显黄化和叶片卷曲现象[11]。目前关于榉树耐碱性盐胁迫及其机理研究较少。基于此，本研究以普通榉树幼苗为材料，检测碱性盐环境条件对其生理特性的影响，以期为榉树在苏北地区种苗繁殖和榉树耐盐碱机理研究提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选自宿迁学院榉属植物基地实生繁殖、生长正常的1 a生榉树幼苗，2019年3月10日移入盆中栽培，盆高24 cm，上口直径28 cm，每盆3株，分5个处理，每处理15盆，共75盆。栽培土壤pH 8.06、电导率(EC)1078 μS·cm-1、有机质含量11.49 g·kg-1、有效钾含量17.59 μg·g-1、有效铁含量11.97 μg·g-1、NH4+-N含量62.39 μg·g-1、NO3--N含量277.29 μg·g-1、有效磷含量34.07 μg·g-1，可溶性盐含量15.86 mg·g-1。60 d后，以蒸馏水为对照，分别施用50 mmol·L-1、100 mmol·L-1、150 mmol·L-1、200 mmol·L-1的Na2CO3和NaHCO3(物质的量比Na2CO3：NaHCO3=1：1)混合溶液各1 L，pH分别为6.75、8.19、8.77、9.46、9.78。继续培养21 d后植物生长状况稳定，此时检测各处理侧枝平均生长量、茎粗、根冠比、根系活力、光合色素含量、游离脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活力、过氧化物酶(Peroxidase,POD)活力、过氧化氢(Catalase,CAT)活力和总抗氧化能力，5次重复，取平均值进行统计分析。

1.2 试验方法

侧枝平均生长量采用直尺法，检测榉树幼苗侧枝在21 d内的平均增长量；茎粗采用游标卡尺法，检测榉树幼苗地上部2 cm处茎干粗度；根冠比采用烘干法[12]，根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[12]，叶绿素含量采用乙醇法测定[12]，可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[12]，可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝染色法[12]，游离脯氨酸含量采用磺基水杨酸法[12]，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法[12]，SOD采用氮蓝四唑法[12]，POD采用愈创木酚法[12]，CAT活性测定采用紫外分光光度计法[12]，总抗氧化能力采用铁离子还原/抗氧化能力(FRAP)法[13]。抗盐碱能力综合评价采用隶属函数法[14]，在所有测定指标中，侧枝平均生长量、茎粗、根冠比、根系活力、光合色素含量、游离脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、SOD、POD、CAT、总抗氧化能力与抗盐碱能力成正相关，采用隶属函数公式：U(Xab)=(Xab-Xamin)/(Xamax- Xamin)，而MDA含量与抗盐碱能力呈负相关，采用反隶属函数：U(Xab)=1-(Xab-Xamin)/(Xamax- Xamin)，式中U(Xab)为测定指标的隶属函数值，Xab为各处理的指标测定值，Xamin为各处理指标测定的最小值，Xamax为各处理指标测定的最大值。

1.3 数据统计与分析

采用Excel 2007进行制表，采用SPSS 21.0进行数据分析，采用最小显著差异法(LSD)进行数据显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对榉树幼苗生长发育的影响

由表1可以看出，随盐碱处理浓度的提高，榉树幼苗的侧枝平均生长量、茎粗、根冠比和根系活力呈先上升后下降趋势。侧枝平均生长量在100 mmol·L-1的盐碱处理时达最高值，茎粗在150 mmol·L-1的盐碱处理时达最高值，根冠比和根系活力在50 mmol·L-1的盐碱处理时达最高值；200 mmol·L-1的盐碱胁迫显著降低了榉树幼苗的侧枝平均生长量、根冠比和根系活力(P<0.05)，茎粗与对照差异不显著，且少部分植株开始出现叶片卷曲、失绿、焦枯甚至死亡等现象。

表1 不同浓度盐碱处理条件下榉树幼苗生长发育指标变化Table 1 Growth indexes of beech seedling under different concentration of saline-alkali treatment

2.2 盐碱胁迫对榉树幼苗光合色素的影响

由表2可以看出，随盐碱处理浓度的提高，榉树幼苗的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和总叶绿素含量呈先上升后下降趋势，叶绿素a/b值基本呈下降趋势。在100 mmol·L-1的盐碱处理条件下，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和总叶绿素含量达最高点；200 mmol·L-1盐碱处理的叶绿素a、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量和叶绿素a/b值显著低于对照(P<0.05)，叶绿素b含量与对照差异不明显。

2.3 盐碱胁迫对榉树幼苗渗透调节的影响

由表3可以看出，随盐碱处理浓度的提高，榉树幼苗的MDA含量不断提高，其中200 mmol·L-1盐碱处理的显著高于对照(P<0.05)。榉树幼苗的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和脯氨酸含量呈先上升后下降趋势，150 mmol·L-1的盐碱处理时榉树幼苗的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和脯氨酸含量达最高值，200 mmol·L-1的盐碱处理提高了榉树幼苗的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和脯氨酸含量，其中脯氨酸含量显著高于对照(P<0.05)。

表2 不同浓度盐碱处理条件下榉树幼苗的光合色素含量Table 2 Photosynthetic pigment content of beech seedling under different concentration of saline-alkali treatment

表3 不同浓度盐碱处理条件下榉树幼苗的渗透调节物质和MDA含量Table 3 Osmotic adjustment substances and MDA content of beech seedling under different concentration of saline-alkali treatment

2.4 盐碱胁迫对榉树幼苗抗氧化能力的影响

由表4可以看出，随盐碱处理浓度的提高，SOD、POD、CAT和总抗氧化能力呈先上升后下降趋势，其中SOD和总抗氧化能力的最高值出现在150 mmol·L-1的盐碱处理时，POD、CAT的最高值出现在50 mmol·L-1的盐碱处理时。200 mmol·L-1的盐碱处理时榉树幼苗的SOD和总抗氧化能力高于对照，其中SOD显著高于对照(P<0.05)，而POD和CAT显著低于对照(P<0.05)。

2.5 榉树幼苗耐盐碱能力综合评价

综合评价值D表示抗盐碱能力大小，D在0～1之间，D值越接近1表示抗盐碱能力越强，反之则抗盐碱能力越弱[14]。由图1可以看出，随着盐碱胁迫程度的增加，榉树的耐盐碱能力综合评价值D呈先增加后降低的趋势，在150 mmol·L-1盐碱处理条件下达最大值0.771，在200 mmol·L-1盐碱处理时迅速下降并远低于对照，榉树幼苗的抗盐碱能力大大降低，生长发育和相关生理过程受到抑制。

表4 不同浓度盐碱处理条件下榉树幼苗的抗氧化酶活性Table 4 Antioxidant enzyme activities of beech seedling under different concentration of saline-alkali treatment

图1 榉树幼苗耐盐碱能力综合评价值Fig.1 Comprehensive evaluation of salt-alkali tolerance of beech seedling

3 结论与讨论

研究表明，盐碱胁迫能够抑制植物养分吸收和地上部生长发育，降低光合色素含量[14]，严重者引起植物根系发育停止、腐烂，叶片干枯，直至整株死亡[15]。在本实验中，随盐碱处理浓度的提高，榉树幼苗的侧枝平均生长量、茎粗、根冠比、根系活力、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和总叶绿素含量呈先上升后下降趋势，叶绿素a/b值基本呈下降趋势，且在50 mmol·L-1的盐碱处理时根冠比、根系活力达最高值，在100 mmol·L-1的盐碱处理时侧枝平均生长量、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和总叶绿素含量达最高值，在150 mmol·L-1的盐碱处理时茎粗达最高值，说明低浓度盐碱处理能够促进榉树幼苗生长发育和光合色素合成，从而保持自身较强的蒸腾作用和光合作用[16]，一方面能提高根部吸收水分的能力，另一方面通过提高植物光合作用合成更多的碳水化合物向根系输送，促进根系生长和渗透调节物质的合成，用以维系根系对矿质元素及水分的吸收，适应盐碱土壤环境[17]。而在高浓度盐碱胁迫下，根际环境中盐分积聚所造成的高渗透势以及高pH所造成的营养亏缺首先影响根系的生长和生理代谢，使蔗糖向根系运输受到抑制，根系渗透调节、养分吸收和物质合成能力下降，进而抑制地上部生长发育和光合作用[18-19]，与张晓磊等[17]在紫花苜蓿上、丁俊男等[20]在桑树上及张丽华等[21]在猴樟上的研究结果一致。

可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、有机酸和甘露醇等被认为是植物提高自身保持水分的能力、耐受渗透胁迫的主要物质，在盐碱胁迫条件下含量会迅速提高[18,22]。从本实验结果来看，榉树幼苗的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和脯氨酸含量随着盐碱浓度的提高呈先上升后下降趋势，在150 mmol·L-1的盐碱处理时达最高值，此时的MDA含量与对照无显著差异，地上部生长发育和光合能力增强；200 mmol·L-1的盐碱处理时，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量下降，但与对照差异不显著，而MDA和脯氨酸含量显著高于对照，榉树幼苗的地上部生长发育和光合作用受到抑制，说明渗透调节是榉树幼苗适应盐碱胁迫的主要方式之一，而脯氨酸在榉树幼苗抵抗高浓度盐碱胁迫过程中起重要作用[16,23]，其原因可能是脯氨酸除了作为渗透调节物质外，还具有清除活性氧、保护蛋白质结构和保持细胞膜稳定性的功能[18,22,24]，研究也发现脯氨酸通常在碱性盐胁迫下比中性盐胁迫积累的更多[25]，在高浓度盐碱条件下更会大量积累[26-27]，与本研究结果类似。

氧化胁迫是植物受盐碱胁迫伤害的主要特征之一，能使细胞中编码与质膜完整性有关及参与膜转运蛋白的基因表达丰度显著降低[28]，植物光合作用和植物呼吸过程中的电子传递出现异常，植物生长发育受到抑制，MDA含量通常被用以表示植物受到氧化胁迫的伤害程度[19]。在本实验中，200 mmol·L-1的盐碱处理下榉树幼苗MDA含量显著高于对照，氧化胁迫伤害明显。植物通常会依赖SOD、POD、CAT、抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate peroxidase，APX)、谷胱甘肽过氧化物酶(Glutathione peroxidase，GRX)等酶系统和谷胱甘肽(Glutathione，GSH)、抗坏血酸、甘露醇等非酶系统清除活性氧，缓解氧化胁迫[29]，但不同植物的抗氧化酶种类组成有差异。在盐碱胁迫下，转Lc-CDPK的水稻的SOD、POD、CAT基因表达量提高[18]，番茄叶片内SOD、APX 以及参与抗坏血酸-谷胱甘肽循环的抗坏血酸还原酶(Dehydroascorbate reductase,DHAR)、谷胱甘肽还原酶(Glutathione reductase，GR)活性显著升高[30]，而沙棘幼苗则主要依赖POD清除H2O2[31]。在本实验中，随盐碱胁迫浓度的提高，SOD、POD、CAT和总抗氧化能力呈先上升后下降趋势，POD、CAT在50 mmol·L-1的盐碱处理时达最高值，SOD和总抗氧化能力在150 mmol·L-1的盐碱处理时达最高值，SOD和总抗氧化能力在200 mmol·L-1的盐碱处理时下降但仍高于对照，而此时的POD、CAT显著低于对照，说明不同浓度盐碱胁迫下榉树幼苗体内清除活性氧的抗氧化酶系统成员不一致[32]。150 mmol·L-1的盐碱处理抑制POD、CAT活性，可能激活了抗坏血酸、谷胱甘肽等其它成员的活性，从而使总抗氧化能力达最高值；200 mmol·L-1的盐碱处理时，抗氧化系统的所有成员活性被不同程度抑制，植物总抗氧化能力下降，但此时SOD仍显著高于对照，说明SOD在榉树幼苗耐受高浓度盐碱胁迫过程中起重要作用，与董园园等[33]在羊草上，乔枫等[34]在蚕豆上的结果一致。结合隶属函数法对榉树耐盐碱能力的评价结果也可以看出，随着盐碱胁迫浓度的提高，榉树幼苗耐盐碱能力综合评价值D从0.314提高至0.771，而在200 mmol·L-1的盐碱处理时迅速下降，因而榉树幼苗在生长期能耐受的盐碱胁迫阀值可能在150～200 mmol·L-1之间，超过200 mmol·L-1则严重影响榉树幼苗正常生理功能。

综上所述，低浓度盐碱胁迫促进榉树幼苗地上部生长发育和光合作用，提高可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等渗透调节物质含量，提高抗氧化酶活性，从而提高抗盐碱胁迫的能力；在高浓度盐碱胁迫下，榉树幼苗的可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸等渗透调节物质含量下降，抗氧化酶活性下降，地上部生长发育和光合作用受到抑制；榉树幼苗耐受盐碱胁迫依赖于抗氧化系统的综合作用，脯氨酸和SOD与榉树幼苗耐受高浓度盐碱胁迫密切相关；通过隶属函数法计算得到的抗盐碱能力综合评价D值结果表明，榉树幼苗生长期能耐受的盐碱胁迫阀值在150～200 mmol·L-1之间。