不同苹果砧木实生苗对盐碱复合胁迫的生理响应

许盼云，李春兰，宋金迪，王 鑫，程嘉宝，吴玉霞，何天明

(1.新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】苹果(MalusdomestacaBorkh.)是世界温带落叶果树最主要的树种，也是我国北方种植面积最大，产量最高的水果[1-2]。我国西北、华北和东北地区的盐碱地分布较多，使得土地利用率降低[3]。新疆作为我国苹果的主产区之一，也是我国最大的盐渍化地区，有将近1/3的耕地面积受不同程度盐渍化危害，其中南疆分布面积最大，土壤盐渍化严重[4-6]。土壤盐碱化已成为影响苹果生长的主要非生物限制因素[7]。选择耐盐碱砧木是减少苹果生产中受盐碱化影响，提高果实产量和品种的有效措施[8-10]。【前人研究进展】盐碱胁迫对植物的危害既包括盐胁迫引起的渗透效应、离子失衡、营养水分缺乏，导致植物氧化胁迫，也包括碱性盐的存在引起的高pH胁迫[11]。Shi等[12]研究发现，高酸碱度或盐度对向日葵幼苗的胁迫小于盐度与高酸碱度相结合的胁迫。Jia等[1]研究耐盐碱能力较强的MalushallianaKoehne.苹果砧木对盐、碱和盐碱胁迫的适应性，发现该砧木是通过降低叶片含水量、气孔导度和胞间CO2浓度，提高水分利用效率和积累渗透物质来适应3种胁迫。朱燕芳[13]以NaCl、NaHCO3模拟pH 8.0～8.2盐碱土，对垂丝海棠和山定子进行胁迫处理，测定其7项生理指标，垂丝海棠较山定子能更好的通过调节渗透物质、积累有机酸、启动抗氧化酶系统，以缓解胁迫伤害。在盐碱复合胁迫下，紫花苜蓿各光合参数随胁迫强度的增大而显著下降[14]。【本研究切入点】苹果属植物在胁迫耐受性方面具有丰富的种间多样性[15]。目前，关于苹果砧木单一中性盐或碱性盐的研究已有报道，但有关盐碱复合胁迫苹果砧木以筛选出适宜当地栽培的研究较少。研究不同苹果砧木实生苗对盐碱复合胁迫的生理响应。【拟解决的关键问题】以7种4年生苹果砧木为材料，人工模拟新疆南疆地区的盐碱土，采用沙培盆栽浇灌营养液加盐的方法，研究盐碱复合胁迫后各苹果砧木叶片的叶绿素含量、相对电导率、渗透调节物含量等5项生理指标的变化，采用隶属函数法综合评价苹果砧木的耐盐碱能力，筛选出适宜新疆半干旱地区栽培的品种，为培育优良苹果砧穗组合提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验选用4年生的湖北海棠(M.hupehensis(Pamp.)Rehder)、小金海棠(M.xiaojinensisCheng et Jiang)、八棱海棠(M.robusta)、平邑甜茶(M.hupehensis)、野苹果(M.sieversiiRoem)、白海棠(M.Chaenomeles)、山定子(M.baccataBorkh)作为研究材料，均种植于塑料花盆(直径20 cm，深60 cm)，纯净河沙培养，每桶1株。置于新疆农业大学网室统一管理，定期除草，浇水。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

选择2种中性盐NaCl、Na2SO4和2种碱性盐NaHCO3、Na2CO3，按摩尔比1∶9∶9∶1比例混合，用1/2 Hoagland营养液加盐浇灌，设计5个浓度梯度盐碱复合溶液处理：0(对照)、15、30、45、60 mmol/L，对照浇营养液。每处理3次重复，每桶为1次重复。处理浓度按15 mmol/L每天递增，待全部处理达到设定浓度后，计算胁迫时间。每隔3 d，17:00～18:00时浇灌处理液，每次用量1 000 mL，持续处理20 d后，测定各生理指标。表1

1.2.2 指标测定

采用乙醇—分光光度计法测定叶绿素含量[16]；电导法测定相对电导率[16]；茚三酮显色法测定脯氨酸含量[17]；蒽酮比色法测定可溶性总糖含量[17]；考马斯亮蓝G-250染色法测定可溶性蛋白含量[17]。

1.3 数据处理

采用Excel 2016进行数据整理与绘图，SPSS 19.0进行差异显著性分析，结合隶属函数法对7个品种的耐盐碱能力进行综合评价[18]。

当指标与抗性呈正相关时用公式(1)隶属函数计算：

U(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin).

(1)

当指标与抗性呈负相关用公式(2)反隶属函数计算：

U(X)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin).

(2)

公式中，U(Xij)表示i品种j指标的隶属函数值，Xij表示i品种j指标的测定值，Xjmax和Xjmin分别表示品种中j指标的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 盐碱复合胁迫对不同苹果砧木叶片叶绿素含量的影响

研究表明，随着胁迫浓度的增加，7种苹果砧木叶片叶绿素含量总体呈下降趋势，且下降幅度不同。湖北海棠和白海棠各处理浓度下的叶绿素含量与前一浓度处理下的相比，均达到显著性差异水平(P<0.05)。15 mmol/L处理下，各品种叶片的叶绿素含量与对照相比均显著下降(P<0.05)，除了平邑甜茶、小金海棠和八棱海棠的叶绿素含量增大，并且八棱海棠的叶绿素含量与对照相比显著增大。与0 mmol/L相比，八棱海棠和平邑甜茶在60 mmol/L下的叶绿素含量下降幅度最小，分别下降了49.4%和56.9%；湖北海棠的下降幅度最大，下降了83.2%。图1

2.2 盐碱复合胁迫对不同苹果砧木叶片相对电导率的影响

研究表明，7种苹果砧木在盐碱复合胁迫下相对电导率的变化趋势相同，即随着胁迫浓度的增加均呈持续上升的趋势。各苹果砧木叶片的细胞膜透性增加，膜系统受到破坏。湖北海棠和白海棠的相对电导率在胁迫初期(15 mmol/L)显著增大，小金海棠、野苹果和山定子的在30 mmol/L处理下显著增大，平邑甜茶和八棱海棠的在45 mmol/L时显著增大；八棱海棠、平邑甜茶和小金海棠的膜系统受胁迫的伤害较轻，与对照相比60 mmol/L下的相对电导率增幅较小，分别增加了33%、38.8%和40.4%；湖北海棠的相对电导率上升幅度最大，增加了66.6%，并且盐浓度在30 mmol/L之后呈不显著增大(P>0.05)，在此浓度以上的胁迫处理使湖北海棠的细胞膜严重被破坏，相对电导率几乎不再改变。图2

图2 不同盐碱复合胁迫下7个苹果砧木叶片相对电导率变化Fig.2 Effects of salt-alkali complex stress on relative electrical conductivity of seven apple rootstock leaves

2.3 盐碱复合胁迫对不同苹果砧木叶片渗透调节物质的影响

研究表明，随着盐碱复合胁迫盐浓度的增加，各苹果砧木叶片脯氨酸含量总体呈增大趋势，且各苹果砧木叶片脯氨酸含量的增幅存在差异。湖北海棠和白海棠分别在30和45 mmol/L下脯氨酸含量达到最大，其余品种的脯氨酸含量在60 mmol/L时最大。与0 mmol/L下的脯氨酸含量相比，八棱海棠、平邑甜茶和小金海棠在60 mmol/L处理下脯氨酸积累最多，分别增加了23.58、23.91和16.71 μg/g，这几个品种通过积累脯氨酸以适应混合盐碱胁迫的能力最强；山定子、野苹果和白海棠的脯氨酸积累较少；湖北海棠积累最少，为6.88 μg/g。图3

图3 不同盐碱复合胁迫下7个苹果砧木叶片脯氨酸含量变化Fig.3 Effects of salt-alkali complex stress on proline content in leaves of seven apple rootstocks

研究中，湖北海棠、小金海棠、山定子和白海棠的可溶性总糖含量随着胁迫强度的增大呈先增加后减少的变化趋势，其中除了小金海棠叶片的可溶性总糖含量在45 mmol/L时达到峰值，剩下的均在15 mmol/L时最大；平邑甜茶、八棱海棠、野苹果的可溶性总糖含量呈波动式变化，最大盐浓度处理下的可溶性总糖含量均显著高于对照下的；较0和60 mmol/L处理下的可溶性总糖含量八棱海棠积累的最多(10.95 mg/g)，增加了1.23倍，湖北海棠积累的最少(1.19 mg/g)，增加了1.04倍。图4

图4 不同盐碱复合胁迫下7个苹果砧木叶片可溶性总糖含量变化Fig.4 Effects of salt-alkali complex stress on total soluble sugar content in leaves of seven apple rootstocks

在整个盐碱复合胁迫过程中，除了湖北海棠和八棱海棠可溶性蛋白含量呈先升后降趋势，其余品种叶片可溶性蛋白含量呈波动式变化，总体呈增大的趋势。其中，八棱海棠和小金海棠叶片中可溶性蛋白含量在45 mmol/L下达到峰值，随后呈无显著性下降，且60 mmol/L下的可溶性蛋白含量较对照分别增加了6.70和5.93 mg/g，积累最多；湖北海棠在15 mmol/L时可溶性蛋白含量显著增大且达到峰值，达到峰值后在45 mmol/L时大幅下降，60 mmol/L下可溶性蛋白含量较对照只增加3.43 mg/g，积累最少。图5

图5 不同盐碱复合胁迫下7个苹果砧木叶片可溶性蛋白含量变化Fig.5 Effects of salt-alkali complex stress on the soluble protein content in leaves of seven apple rootstocks

2.4 不同苹果砧木耐盐碱能力综合评价

隶属函数平均值越大，该品种耐盐碱性就越强。研究表明，7个苹果砧木品种的耐盐碱能力由强到弱依次为八棱海棠>野苹果>平邑甜茶>小金海棠>山定子>白海棠>湖北海棠。表2

表2 不同苹果砧木耐盐碱能力综合评价Table 2 Comprehensive evaluation of salt-tolerant ability of different apple rootstocks

3 讨 论

3.1 叶绿素对盐碱复合胁迫的响应

叶绿素含量可以反映植物的光合能力，其浓度被用作代表细胞代谢状态的敏感指标[19-20]。在盐胁迫下，由于水分不足、矿物质营养缺乏和能量不足，植物的生理机能会受到干扰[21]。试验中湖北海棠、野苹果、山定子、白海棠的叶绿素含量随胁迫强度的增加始终低于对照，盐碱复合胁迫破坏了叶绿体结构，细胞中大量的Na+取代了质膜和被细胞内系统结合的Ca2+，与光合作用有关的细胞膜系统和膜结构受到伤害，直接或间接影响叶绿素含量的正常合成[2,22]。此外，造成叶绿素含量降低的原因还可能是由于随着胁迫强度的增大pH升高导致合成叶绿素必要元素Mg2+的沉淀，导致叶绿素合成受阻，含量减少[23]。在盐生植物紫穗槐中发现叶片的Ca2+和Mg2+的浓度随着盐度的增加而降低[24]。由于各苹果砧木的耐盐碱性能力不同，导致盐碱复合胁迫对叶绿体的破坏程度也不同。平邑甜茶、小金海棠和八棱海棠在低浓度的盐碱复合胁迫(15 mmol/L)下，叶绿素含量升高，这与Stepien[25]、刘晓涵[26]、谢阳娇[27]的研究结果相同，这3种砧木的耐盐碱能力较强，盐碱复合胁迫在一定程度上可以促进叶绿素的合成。

3.2 相对电导率对盐碱复合胁迫的响应

叶片相对电导率是反映植物细胞对细胞内环境的稳定性和对细胞外环境变化的适应性和抵抗能力，以及反映盐碱胁迫对植物伤害程度的良好生理指标[21]。叶片相对电导率越高，植物受到的伤害越严重。研究表明，7种供试苹果叶片的相对电导率随着盐浓度的增大而显著增大，盐碱复合胁迫破坏了7种供试苹果叶片的细胞膜结构和功能，导致细胞内大量离子和有机物质外渗，造成细胞膜透性逐渐增大，造成相对电导率增大。在15 mmol/L胁迫初期，湖北海棠和白海棠的相对电导率与对照相比显著增大(P<0.05)，在此浓度下细胞膜已受到严重伤害，这2个品种的耐盐碱能力较弱，并且当盐浓度达到30 mmol/L时，湖北海棠的相对电导率无显著性增大，表明30 mmol/L以上的盐浓度已完全破坏了植物的细胞膜，导致相对电导率几乎不再改变。

3.3 渗透调节物质对盐碱复合胁迫的响应

逆境条件会促进植物细胞积累各种极性的或不带电荷的相容性溶质或渗透物以应对胁迫环境，这些物质(脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白)在高浓度下不会影响细胞的生化过程[28-29]。目前,对这些溶质的作用方式的理解为通过持续的水流入、稳定蛋白质和细胞结构以及在盐胁迫下清除活性氧来提供渗透调节[30]。脯氨酸作为一种重要的渗透调节物质，以游离状态存在于植物细胞中，在生理酸碱度范围内具有低分子量、高水溶性和不带电荷[31]。研究表明，脯氨酸对植物抗盐胁迫具有保护作用，它作为亚细胞结构的相容渗透压、酶保护剂、自由基清除剂、细胞氧化还原平衡器、细胞溶质pH缓冲液和稳定剂来提高植物的耐盐性[32-33]。可溶性糖主要包括葡萄糖、蔗糖、海藻糖等，可以稳定细胞膜和原生质体[34]，保护可溶性酶免受细胞内高浓度无机离子的影响[35]，并且它们还是碳架和能量的来源[36-37]。研究结果显示，在整个混合盐碱胁迫过程中，除湖北海棠和白海棠外各品种的叶片脯氨酸含量随着盐浓度的升高而升高；可溶性总糖含量总体呈先升后降趋势；可溶性蛋白含量随着胁迫强度的增大呈先升后降和先升后降再上升的变化特点。湖北海棠和白海棠叶片脯氨酸含量分别在30、45 mmol/L处理下达到峰值，随后含量降低。这是由于盐碱作用下植物的光合能力受到抑制，碳水化合物减少，从而造成通过碳水化合物氧化磷酸化作用为脯氨酸的合成提供必须的还原力减少，导致脯氨酸含量开始下降[38]。试验中不同品种苹果砧木叶片中可溶性糖和可溶性蛋白质含量均比对照有不同程度的增加，增加幅度与品种耐盐碱能力密切相关。研究结果显示,八棱海棠叶片的可溶性糖和可溶性蛋白质含量增幅最大，湖北海棠增幅最小，单从渗透调节物质来分析7个苹果砧木的耐盐碱能力，其中八棱海棠耐盐碱能力最强，湖北海棠最弱。并且在整个胁迫过程中，由于品种特性的不同，各品种叶片渗透调节物含量达到峰值的盐浓度也不同。湖北海棠、山定子和白海棠叶片的可溶性糖和可溶性蛋白质含量均在15 mmol/L下达到最大值，超出该浓度的盐碱复合胁迫会破坏这3个品种的渗透物质代谢系统，导致渗透调节物质含量降低。

4 结 论

随着胁迫强度的增大，各砧木叶片叶绿素含量不断减小，相对电导率和脯氨酸含量总体呈上升趋势，可溶性总糖含量总体呈先上升后下降，可溶性蛋白含量呈先上升后下降和“升高—降低—升高”2种变化趋势。八棱海棠、野苹果、平邑甜茶、小金海棠耐盐碱能力强，其中八棱海棠位次第1，白海棠和山定子耐盐碱能力中等，湖北海棠受胁迫的影响最大，其隶属函数值最小。各砧木品种的耐盐碱能力由强到弱依次为八棱海棠>野苹果>平邑甜茶>小金海棠>山定子>白海棠>湖北海棠。