盐碱胁迫下文冠果生理响应机制研究

宗建伟，张志龙，薛可欣，王爽爽，杨雨华

(河南牧业经济学院艺术学院，河南 郑州 450046)

中国内陆盐碱地以盐化和碱化混合土壤为主,成分复杂且程度各异, 统称为盐碱地土壤[1]，盐碱化已成为威胁生态环境和农业可持续发展的重要因素之一。我国盐碱地所占面积为9.9 × 107hm2[2]。据全国第二次调查报告显示，我国盐碱地主要分布在东北(黑吉辽)、华北(京津冀)、中北(晋秦陇)、西北(青宁新)等地区[3]，具有分布广、面积大、类型多的特点。河南分布着大面积的盐碱地，这严重制约了河南农林经济和植物景观建设的发展。

开发和利用盐碱地资源是进一步挖掘农业发展潜力、解决人口和环境压力的重要举措，而选用和推广耐盐植物是改良和利用大面积盐碱土壤最经济、最快捷的措施之一[4]；但盐碱地区适生范围的确定，是耐盐碱植物大面积推广亟待解决的关键技术。因此，国内外众多科研工作者对研究盐碱胁迫下植物的生理响应机制愈加重视，主要集中在蔬菜、农作物或特定耐盐模式植物的研究[5-7]。

许多研究表明，盐碱胁迫对植物的生理系统影响十分复杂，植株不仅遭受着盐胁迫引起的渗透伤害和离子毒害，还受到高pH的损害[8]。慈敦伟等[9]通过试验发现，低浓度盐可以促进花生植株的生长，而高浓度的盐则会抑制其生长。张晓燕等[10]研究表明，在一定盐胁迫范围内，文冠果（Xanthoceras sorbifoliaBunge）通过调节体内渗透压变化，而表现出一定的耐盐性；此外，郭瑞等[11]研究证明，碱胁迫的高pH值影响植物对矿质元素的吸收，阻碍离子稳态重建，显著影响植物根系生长发育。因此，盐碱化植物既要通过渗透调节减缓渗透伤害和离子毒害，又要维持体内的pH平衡[12-13]。目前，文冠果多以研究雄性不育、遗传变异、快速繁殖及干旱胁迫等为主，在针对中性盐和碱性盐方面的研究鲜有报道。

文冠果是我国特有的珍稀木本油料树种，被列为制造生物柴油的八大树种之一，素有“北方油茶”的美称[14-15]；其根系发达，萌蘖力强，对环境具有较强的适应性，在我国华北和东北、西北等地区均有分布[16]。为避免盲目引种造成的经济损失，研究盐碱胁迫下文冠果的生理机制显得尤为迫切。本试验选用NaCl和Na2CO3模拟河南省盐碱土壤，研究盐碱胁迫下其质膜透性、渗透调节物质及抗氧化酶活性等的生理指标，对探究文冠果耐盐碱能力及耐盐碱生理响应机制具有重要意义，也为可持续利用盐碱地资源提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验在河南牧业经济学院苗圃（113°65′ E，34°78′ N）进行，2018年1月选用河南济源种源的文冠果种子进行沙藏处理，2018年3月，将露白的种子直播在规格为280 mm × 180 mm的花盆内，基质V草炭土∶V珍珠岩= 5∶1，花盆配置的托盘有效收集其渗出液并及时回浇至盆中，以避免土壤盐分的流失。将种植的幼苗置于3 m × 3 m的避雨棚下，并在花盆底部作垫高处理，所有植株统一管理。

1.2 盐碱处理

2019年7月选取长势良好且基本一致的81株幼苗进行盐碱处理。将试验材料随机分成9份，每份9株，根据河南地区常见中性盐（NaCl）和碱性盐（Na2CO3）以及Na+浓度[17]，设置NaCl浓度分别为：70、140、210、280 mmol·L-1；Na2CO3浓度分别为：35、70、105、140 mmol·L-1，共8个盐处理，以浇等体积的清水为对照（CK），每3株为1组，3次重复。各处理每次浇相应浓度的盐、碱溶液300 mL,为避免盐激发生，盐、碱溶液从低浓度（为最终浓度的1/4）开始加入。每3 d递增1个梯度，4次后累计浇灌盐、碱溶液的总量达到设计各处理的浓度，开始计算处理时间。处理后的7、12、17、22 d时采样进行各生理指标的测定。

1.3 指标测定及方法

采用刘正祥等[18]的方法进行生物量和根冠比的测定；质膜透性的测定采用电导仪[19]测定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[20]测定；脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[20]测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法[21]测定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光化学还原法[21]测定。

1.4 数据分析及统计

采用SPSS24.0进行数据分析，并用WPS 2019整理以及绘制图表，进行双因素方差分析(Twoway ANOVA)检验不同浓度、时间和二者交互作用的影响以及单因素方差分析(One-way ANOVA)检验不同处理间的差异，LSD法进行多重比较，并对各指标进行相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 盐碱处理对文冠果生物量的影响

图1表明：不同盐浓度下植株的总生物量、根冠比存在差异，随着盐碱胁迫加剧，文冠果总生物量呈降低趋势，而根冠比呈上升趋势；不同浓度的中性盐和碱性盐对植株生长影响不同，280 mmol·L-1的中性盐和140 mmol·L-1碱性盐处理下，植株的总生物量最低，根冠比最高。此外，280 mmol·L-1中性盐和140 mmol·L-1碱性盐处理比CK的总生物量分别显著降低79.9%、73.9%（P＜0.05），而根冠比比CK分别显著增加48.5%、55.4%（P＜ 0.05）。

图1 盐碱处理对文冠果幼苗总生物量和根冠比的影响Fig.1 The effect of saline-alkali treatment on biomass production and root-shoot ratio of Xanthoceras sorbifolia seedlings

2.2 盐碱处理对文冠果幼苗细胞膜系统的影响

由图2可知：盐碱处理浓度较低且处理时间较短时，文冠果叶片相对电导率、丙二醛含量均呈上升趋势，相对电导率显著高于对照组，在碱胁迫22 d、140 mmol·L-1时，相对电导率开始降低；在NaCl浓度为210 mmol·L-1、Na2CO3浓度为70 mmol·L-1胁迫12 d时丙二醛含量比CK显著增多，且在NaCl浓度为280 mmol·L-1、Na2CO3浓度为105 mmol·L-1时达最高值；此外，高浓度（NaCl 210、280 mmol·L-1和Na2CO3105、140 mmol·L-1）长时间（17、22 d）的处理下，丙二醛含量呈下降趋势。说明文冠果具有一定的抗盐能力，且在高浓度盐碱胁迫下植物细胞抵御外界逆境的能力增强，但胁迫后期幼苗叶片依旧受害严重，甚至使植株死亡。

图2 盐碱处理对文冠果幼苗叶片相对电导率和丙二醛的影响Fig.2 The effect of saline-alkali treatment on relative electrical conductivity and Malondialdehyde in the leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings

2.3 盐碱处理对文冠果幼苗渗透调节物质的影响

图3表明：随着NaCl处理浓度的增加及处理时间的延长，文冠果幼苗叶片脯氨酸及可溶性蛋白含量均呈上升趋势，在浓度为280 mmol·L-1、处理22 d时达到峰值，分别为30.35 μg·g-1、3.724 mg·g-1，与对照（CK）相比分别增加了211.70%、647.80%。在高浓度（105、140 mmol·L-1）Na2CO3胁迫下，脯氨酸含量随着时间的延长呈先升后降趋势，两浓度处理间差异不显著（P＞ 0.05），在140 mmol·L-1，处理17 d时达到最大值（26.97 μg·g-1）；可溶性蛋白含量随处理时间的延长呈上升趋势，在高浓度（140 mmol·L-1）长时间（22 d）处理下达到峰值（3.765 mg·g-1）。由此说明，盐碱的类型、浓度及处理时间均对文冠果的生理状况有一定影响，随着处理浓度的增加及处理时间的延长，幼苗被破坏程度逐步加深，最终导致植株死亡。

2.4 盐碱处理对文冠果幼苗SOD活性的影响

由图4可见：NaCl和Na2CO3处理下的文冠果超氧化物歧化酶（SOD）活性变化规律基本一致，随浓度的增大均呈先升后降的趋势，且表现为碱胁迫＞盐胁迫；在NaCl浓度为140 mmol·L-1、Na2CO3浓度为105 mmol·L-1处理17 d时SOD活性均达到峰值，比CK分别增加了5.81%、11.95%。

图4 盐碱处理对文冠果幼苗叶片SOD活性的影响Fig.4 The effect of saline-alkali treatment on SOD activity in the leaves of Xanthoceras sorbifolia seedlings

2.5 盐碱胁迫下文冠果幼苗叶片各生理指标的双因素方差分析

由表1可知：时间和浓度对盐碱胁迫下的文冠果相对电导率、脯氨酸均有极显著交互效应(P＜0.01)，而可溶性蛋白仅在盐胁迫下受到时间和浓度交互作用的影响(P＜ 0.01)。盐碱胁迫的时间和浓度双因素对丙二醛和SOD均无显著的交互作用（P＞ 0.05）。

表1 盐碱处理下各生理指标的双因素方差分析Table 1 Two-way ANOVA of various physiological indexes under saline-alkali treatment

2.6 盐碱处理下文冠果幼苗叶片各生理指标的相关性分析

由表2可知：NaCl处理下，丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白与相对电导率及丙二醛与脯氨酸、可溶性蛋白、SOD均呈极显著正相关（P＜0.01）；可溶性蛋白与SOD、脯氨酸均呈极显著正相关（P＜ 0.01）；SOD与相对电导率、脯氨酸无显著相关(P＞ 0.05）。Na2CO3处理下，丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白与相对电导率及丙二醛与脯氨酸、可溶性蛋白均呈极显著正相关（P＜ 0.01）；SOD仅与丙二醛呈显著正相关（P＜ 0.05），SOD与相对电导率、脯氨酸、可溶性蛋白无显著相关(P＞ 0.05）。

表2 盐碱处理下各生理指标的相关性分析Table 2 Correlation analysis of various physiological indexes under saline-alkali treatment

2.7 盐碱胁迫处理下文冠果幼苗叶片各生理指标的主成分分析

由表3可看出：NaCl处理下特征值为4.121，累计贡献率为82.423%，综合了丙二醛、可溶性蛋白、相对电导率、脯氨酸和超氧化物歧化酶的信息；Na2CO3处理下特征值为3.886，累计贡献率为77.725%，主要综合了丙二醛、可溶性蛋白、相对电导率、脯氨酸的信息，具有较好的代表性。因此，可用此5个指标评价文冠果耐盐性能力[22]。

表3 主成分分析旋转后的成分载荷矩阵Table 3 Principal component analysis rotated component loading matrix

由表4综合得分[23]可看出：不同浓度NaCl处理对文冠果生理指标的影响由大到小依次为：280、210、140、70、0 mmol·L-1；不同浓度Na2CO3处理对文冠果生理指标的影响由大到小依次为：105、140、70、35、0 mmol·L-1。

表4 NaCl、Na2CO3胁迫下文冠果的综合得分及排名Table 4 NaCl、Na2CO3 processing the comprehensive score and ranking of the following

3 讨论

盐胁迫产生离子毒害的同时引起次生作用[24]。在盐碱胁迫下，植物组织离子浓度过高，导致离子失衡，从而引发植物水分缺失[25]。大量Na+的积累会产生离子毒害[26]，引发诸如植株生长、光合反应及渗透物质等一系列的生理生化反应，最终表现在植物的生长和生物量累积[5,27]。本研究表明，在盐碱胁迫下，文冠果总生物量呈降低趋势，根冠比呈上升趋势，胁迫后期叶片失水萎蔫，变黄干枯，甚至死亡。这可能是植株在调节生物量的分配模式[28]来应对胁迫环境。相对电导率和丙二醛含量可反映植物细胞膜在逆境条件的受损伤程度[29-30]。本研究中，中性盐70 mmol·L-1处理17、22 d文冠果幼苗的相对电导率略有下降，这可能是低浓度盐对植物的生长具有促进作用[31]；碱性盐处理下，相对电导率呈显著升高趋势（图2），说明高浓度碱性盐会破坏文冠果的细胞膜系统，影响文冠果的生长，该结果与齐琪[32]的研究结论基本一致。在盐碱胁迫下，时间和浓度2种影响因子对丙二醛无显著的交互作用（P＞ 0.05）；在盐碱胁迫后期，高浓度时丙二醛含量呈下降趋势，这可能与适度胁迫会产生一系列“防卫性”生理反应有关，该反应阻碍了伤害的加深，因此，丙二醛含量较低[33]，但随着胁迫的持续加重，势必引发不可逆的伤害。

脯氨酸、可溶性蛋白的积累是植物在盐碱胁迫下诱发的一种防御行为，也是植物遭受逆境胁迫的信号[34]。随着盐浓度的增大，脯氨酸和可溶性蛋白含量持续上升，这表明植物通过脯氨酸、可溶性蛋白调节细胞渗透势，缓解渗透胁迫对植物生长的抑制作用[35]。在碱胁迫下，脯氨酸含量随碱浓度的增加呈先上升后下降的趋势，说明高浓度的Na2CO3处理会破坏文冠果渗透调节物质的积累。

活性氧（ROS）作为渗透胁迫和离子毒害的副产物，能导致细胞膜功能丧失和细胞的死亡[36]。植物在逆境胁迫下，活性氧代谢加剧体内ROS过度积累[37]。胁迫初期，植物体内的抗氧化酶系统被激活，表现为随处理浓度的增大，文冠果的SOD活性呈先升后降趋势。本研究中，文冠果幼苗在低浓度盐碱胁迫下能够通过提高 SOD 活性增强对活性氧的清除能力；当盐碱含量过高时，SOD活性下降，致使活性氧清除能力受到抑制，这一结果与林雪锋等[38]对海滨植物 SOD 活性的研究结论基本一致。除碱性盐140 mmol·L-1外，随胁迫时间的延长，植物抗氧化酶活性均持续升高。在中性盐处理下，SOD活性升至58 U·g-1·min-1左右保持稳定，而碱性盐SOD活性升至61 U·g-1·min-1左右趋于稳定。碱性盐140 mmol·L-1处理下SOD活性显著下降表明其已达到阈值，植物体的代谢出现紊乱，活性氧清除机制遭到破坏，酶活性降低，SOD不足以清除植物体内产生的活性氧、自由基等[39]。由于华北地区平均土壤含盐量在0.3%左右，最高达到1.39%[40]，因此，在园林绿化中，华北平原轻、中度盐渍化土壤可选择文冠果应用推广。

4 结论

综上所述，盐浓度在70、140 mmol·L-1，碱浓度在35、70 mmol·L-1时文冠果通过调节生物量分配模式，积累渗透调节物质和提高抗氧化酶系统来保护细胞膜系统共同抵御盐碱胁迫。在高浓度盐胁迫（210、280 mmol·L-1）、碱胁迫（105、140 mmol·L-1）下，文冠果主要通过积累渗透调节物质来抵御逆境。此外，与中性盐NaCl相比，高浓度碱性盐Na2CO3对文冠果的伤害更严重。双因素方差分析显示：时间和浓度的交互作用对相对电导率、脯氨酸的影响极显著（P＜ 0.01），且主成分分析和相关性分析表明，丙二醛、可溶性蛋白、相对电导率、脯氨酸、SOD等指标可评价文冠果具有一定的盐碱耐受性。