刺槐幼苗非结构性碳水化合物对NaCl胁迫的动态响应*

祁 琳 郭龙梅 刘尤德 曹帮华 毛培利 李泽秀

(山东农业大学林学院 黄河下游森林培育国家林业和草原局重点实验室 泰安 271018)

非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate,NSC)是树木生长和代谢的重要物质，主要包括可溶性糖和淀粉，是参与树木能量代谢的主要物质和维持生长发育的重要因子(周驰燕等，2021)，其特征既能反映树木整体的碳收支平衡关系，也能反映植物对环境变化的响应策略(杜建会等，2020)。持续强烈的逆境胁迫会显著降低植物内NSC含量(Zhangetal.，2015；张芸香等，2019)，树木NSC储存的多少，与其自身的生长机制有关，并在树木适应环境变化等方面至关重要(O’Brienetal.,2014)。“碳饥饿”假说认为，逆境下植物体内的NSC不能满足植物自身的消耗会最终导致植物因碳供给不足而死亡(McDowelletal.,2008)。不同时空尺度和逆境下树木NSC含量的变化特征研究表明，时空尺度和胁迫方式均影响着NSC的适应机制(杜建会等，2020；Cuietal.,2019)。

植物不同器官间NSC浓度存在差异。通常叶片是碳水化合物的源，制造的碳水化合物通过树干的韧皮部运输，储存于根系和树干形成淀粉，其中一用于部分呼吸消耗产生能量以维持生长(王晓雨等，2019)。逆境下树木会通过重新调用储存在木质部中的非结构性碳水化合物(Dietzeetal.,2014)，释放能量、形成可溶性糖和衍生代谢物等参与植物细胞的渗透调节，进而通过植物形态和生理变化缓解盐碱或干旱等胁迫压力(张婷等，2016；Hartmannetal.，2016)。

刺槐(Robiniapseudoacacia)具有生长快、萌蘖能力强、适应性强、根瘤固氮等优点，是黄河三角洲地区的主要造林树种。对该地区刺槐林来说，盐胁迫是最普遍的自然胁迫逆境，严重影响着其生长发育。为了研究刺槐对盐胁迫的适应机制，研究者已从渗透胁迫、离子毒害、生长、光合生理等诸方面(曹帮华等，2008；Maoetal.，2016；孟凡娟等，2010)进行了系统研究，但NSC含量与分配作为树木适应能力的重要体现，相关研究很少(杜建会等，2020)。基于此，本研究以1年生刺槐苗为研究对象，研究了不同盐胁迫下刺槐苗木生长、NSC变化及其相互关系，揭示NSC在刺槐适应盐胁迫过程中的变化规律，以期为滨海盐碱地刺槐人工林管理和幼苗抗逆性培育提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年3月在山东农业大学试验温室进行。选用25 cm×20 cm×20 cm(上口直径×下口直径×高)的塑料花盆，土壤取自山东农业大学林学试验站，装盆前采取了过筛除杂和均匀化处理，每盆装土约10 kg，土壤有机质(16.27±2.39)g·kg-1、全氮(1.27 ± 0.14)g·kg-1、水解性氮(94.36±13.89)mg·kg-1、有效磷(32.01±4.10)mg·kg-1、速效钾(56.72±7.83)mg·kg-1、pH值7.54±0.03。用于盆栽试验的刺槐苗为山东农业大学林学试验站种植的1年生实生苗，2018年5月播种，2019年3月26日截干后栽于容器(盆)中，每盆种植1株。盆栽苗置于温室中，大棚每日通风保持与室外环境同步。试验期间轮换调整各花盆的摆放位置，以消除位置效应引起的生长量差异问题。2019年6月1日选择生长势均一、地径(4.98 ± 0.34)mm及苗高(77.50 ± 4.52)cm的健康苗木进行NaCl胁迫处理，向土壤中浇灌NaCl稀溶液，使其土壤NaCl含量分别为：0、1.5‰(1.5 g·kg-1)、3‰(3 g·kg-1)、4.5‰(4.5 g·kg-1)，分别记作CK(对照)、T1、T2、T3，每个处理5次重复，共计20盆。为了防止盐激反应，避免NaCl处理对刺槐幼苗造成渗透休克，采用渐进施盐方式，每3天施入最终NaCl浓度的1/4，每次每盆0.8 L，以每3天浇等量自来水1次的苗木作为对照(CK)，2019年6月10日至预定NaCl浓度开始试验。盆底部配有塑料托盘防止NaCl分流失，试验期间常规浇水除草管理，利用温室水帘等调节室内温湿度。试验开始之前对花盆及植株编号，从设定浓度之日(2019年6月10日)开始试验，第0、8、16、24、32、40天分别进行苗高和地径的测定。第40 天结束试验，将幼苗分根、茎、叶烘干后分别进行生物量测定，同时测定粗根(直径>2 mm)、细根(直径≤2 mm)、茎、叶的非结构性碳水化合物含量。

1.2 指标与测定方法

1.2.1 苗木高 利用钢卷尺(精确到0.05 cm)测量苗木高。

1.2.2 苗木地径 利用游标卡尺(精确到0.05 mm)测量苗木地径。

1.2.3 可溶性糖和淀粉含量 采用蒽酮比色法(王晓雨等，2019)测定可溶性糖和淀粉含量。因为可溶性糖和淀粉占NSC总量的90%以上，因此，本研究将可溶性糖与淀粉之和定义为非结构性碳水化合物(Zhangetal.,2014)。

1.2.4 生长与形态指标 生长指标计算公式如下：

RGRH=(lnH2-lnH1)/(t2-t1)；

RGRD=(lnD2-lnD1)/(t2-t1)。

式中：RGRH为相对高生长速率(relative height growth rate)；RGRD为相对地径生长速率(relative ground diameter growth rate)；H1，H2分别为t1、t2时的苗高(cm);D1，D2分别为t1、t2时的地径(mm);t为培养时间(d)。

形态指标计算公式如下：

RMR =MR/TMind；

SMR =MS/TMind；

LMR =ML/TMind;

R/S =Mbg/Mag。

式中：RMR为根生物量比(root mass ratio);SMR为茎生物量比(stem mass ratio);LMR为叶生物量比(leaf mass ratio);MR、MS、ML分别为表根、茎、叶生物量(g)；TMind为单株生物量(mass for individual plant)(g)；R/S为根冠比(root-shoot ratio)，Mbg、Mag分别为地下、地上生物量(g)。

1.3 数据处理

采用SPSS 17.0统计分析软件对总生物量、器官生物量、生物量分配数据、形态指标进行单因素方差分析，利用最小显著差异法LSD进行多重比较；对相对生长速率、可溶性糖、淀粉、NSC数据进行双因素方差分析，用最小显著差异法LSD进行多重比较。对相对生长速率、生物量、生物量分配、可溶性糖、淀粉、NSC含量进行Pearson双变量相关性分析。显著性检验水平设定为P=0.05。采用Microsoft Excel 2010软件进行绘图，图中数据为5次重复的平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 NaCl胁迫下刺槐幼苗相对生长速率

NaCl胁迫对刺槐幼苗相对生长有极显著影响(图1)，相对高生长速率和相对地径生长速率表现出不同的变化规律。随NaCl浓度和胁迫时间的增加，相对高生长速率和相对地径生长速率逐渐降低。相对高生长速率在NaCl浓度(F=170.244，P<0.01)、胁迫时间(F=18.014，P<0.01)之间差异极显著，相对地径生长速率在NaCl浓度(F=7.337，P<0.01)、胁迫时间(F=7.337，P<0.01)之间也差异极显著，二者在相对高生长速率方面还存在极显著的交互作用(F高=10.955，P<0.01)，在相对地径生长速率方面则差异不显著(P>0.05)。相对苗高、地径生长速率均以CK最大，T1、T2次之，T3最小。随着时间延长，CK相对高生长速率呈现出高-低-高的变化，相对地径生长呈现出低-高-低-高的变化；而随着胁迫时间延长，相对高生长速率总体上逐步下降，相对地径生长速率呈现出低-高-低-高的变化。值得注意的是，处理第20天相对苗高生长速率达到低谷，此时地径生长最大。

图1 NaCl胁迫对刺槐幼苗相对高生长速率和相对地径生长速率的影响Fig.1 Effects of NaCl stress on RGRH and RGRD of R. pseudoacacia seedlingsCK：对照；T1：NaCl浓度1.5‰；T2：NaCl浓度3‰；T3：NaCl浓度4.5‰。下同。CK：The control;T1：NaCl concentration 1.5‰;T2：NaCl concentration 3‰;T3：NaCl concentration 4.5‰.The same below.

2.2 NaCl胁迫下刺槐幼苗生物量及其分配

2.2.1 幼苗生物量 NaCl胁迫下刺槐不同器官的生物量有着不同的变化格局。NaCl胁迫对根生物量影响不显著(P>0.05)，随NaCl浓度增加，茎(F=17.088，P<0.01)、叶(F=35.734，P<0.01)和总生物量(F=21.390，P<0.01)均逐渐降低(图2)。茎生物量和单株总生物量在T1和T2及T2和T3间差异不显著(P>0.05)，CK最大(P<0.05)，T1显著大于T3(P<0.05)；叶生物量以CK最大(P<0.05)，T1和T2间叶生物量差异不显著(P>0.05)，T3最小(P<0.05)。

图2 NaCl胁迫对刺槐幼苗生物量的影响Fig.2 Effects of NaCl stress on biomass of R. pseudoacacia seedlings不同小写字母表示同一器官、不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different small letters mean significant difference among different organs in the same treatment at 0.05 level.The same below.

2.2.2 生物量分配 NaCl胁迫下根生物量比(RMR)、根冠比(R/S)表现出相似变化规律，均呈现高-低-高变化，显著高于对照(F=7.468，P<0.05；F=6.735，P<0.05)。叶生物量比(LMR)呈现低-高-低变化，显著低于对照(F=6.309，P<0.05)，而茎生物量比(SMR)差异不显著(P>0.05)(图3)。在不同NaCl浓度之间，T1、T2、T3之间RMR的差异不显著(P>0.05)，显著大于CK(P<0.05)；CK、T1、T2之间LMR差异不显著(P>0.05)，显著大于T3(P<0.05)；CK和T2之间、T1和T2之间、T1和T3之间R/S的差异不显著(P>0.05)，CK显著小于T1和T3(P<0.05)，T2显著小于T3(P<0.05)。

图3 NaCl胁迫对刺槐幼苗生物量分配的影响Fig.3 Effects of NaCl stress on biomass allocation of R. pseudoacacia seedlings

2.3 NaCl胁迫下刺槐幼苗NSC的变化

2.3.1 可溶性糖含量 NaCl胁迫下刺槐不同器官间可溶性糖含量呈现出不同的规律：根>叶>茎(图4)。方差分析结果表明，NaCl胁迫对可溶性糖有着极显著影响(F=9.982，P<0.01)，不同器官之间差异极显著(F=26.542，P<0.01)，二者之间没有显著的交互作用(P>0.05)。在不同NaCl浓度之间，CK、T1、T2之间的差异不显著(P>0.05)，但均显著大于T3(P<0.05)；在不同器官之间，粗根和细根之间的差异不显著(P>0.05)，显著大于叶(P<0.05)，叶居中(P<0.05)，茎最小(P<0.05)。

图4 NaCl胁迫对刺槐幼苗各器官可溶性糖含量的影响Fig.4 Effects of NaCl stress on soluble sugar content of different organs in R. pseudoacacia seedlings不同大写字母表示同一处理、不同器官间差异显著(P<0.05)，不同小写字母表示同一器官、不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Different capital letters mean significant difference between different treatments in the same organ，and different small letters mean significant difference among different organs in the same treatment at 0.05 level.The same below.

2.3.2 淀粉含量 不同器官间淀粉含量为粗根大于细根、茎、叶(图5)。方差分析结果表明，NaCl胁迫对淀粉的影响不显著(P>0.05)，不同器官之间差异极显著(F=13.149，P<0.01)，二者之间没有显著的交互作用(P>0.05)。不同器官之间，粗根显著大于细根、茎、叶(P<0.05)，而细根、茎、叶之间的差异不显著(P>0.05)。

图5 NaCl胁迫对刺槐幼苗各器官淀粉含量的影响Fig.5 Effects of NaCl stress on starch content of different organs in R. pseudoacacia seedlings

2.3.3 NSC含量 随NaCl浓度增加，根和茎的NSC先略有增加再降低，叶的NSC逐渐降低；不同器官间NSC含量排序为：粗根>细根>叶>茎(图6)。方差分析结果表明，NaCl胁迫对NSC含量有着极显著影响(F=5.679，P<0.01)，不同器官之间差异极显著(F=19.720，P<0.01)，二者之间没有显著的交互作用(P>0.05)。在不同NaCl浓度之间，CK、T1、T2之间的差异不显著(P>0.05)，但均显著大于T3(P<0.05)；在不同器官之间，粗根最大(P<0.05)，细根和叶之间的差异不显著(P>0.05)，茎和叶之间的差异不显著(P>0.05)，其他器官之间的差异均显著(P<0.05)。

图6 NaCl胁迫对刺槐幼苗各器官NSC含量的影响Fig.6 Effects of NaCl stress on NSC content of different organs in R. pseudoacacia seedlings

2.4 指标之间的相关分析

由表1可知，相对地径生长速率与相对高生长速率、茎生物量、叶生物量、单株总生物量呈极显著正相关(P<0.01)，与LMR、粗根可溶性糖、叶可溶性糖、叶NSC呈显著正相关(P<0.05)，与RMR、R/S呈极显著负相关(P<0.01)。相对高生长速率与茎生物量、叶生物量、单株总生物量呈极显著正相关(P<0.01)，与LMR、粗根可溶性糖呈显著正相关(P<0.05)，与RMR、根冠比呈极显著负相关(P<0.01)。这表明刺槐生长与生物量分配、粗根可溶性糖、叶可溶性糖、叶NSC密切相关。

表1 NaCl胁迫对刺槐苗木生长、生物量分配和NSC的相关性分析①Tab.1 Correlation analysis of growth,biomass allocation,and NSC of R. pseudoacacia seedlings under NaCl stress

RMR与LMR、粗根可溶性糖、叶可溶性糖、叶NSC含量呈极显著负相关(P<0.01)，与叶淀粉呈显著负相关(P<0.05)。LMR与叶可溶性糖、叶NSC含量呈极显著正相关(P<0.01)，与粗根可溶性糖、叶淀粉呈显著正相关(P<0.05)，与R/S呈极显著负相关(P<0.01)。R/S与粗根可溶性糖、叶可溶性糖、叶NSC呈极显著负相关(P<0.01)，与叶淀粉呈显著负相关(P<0.05)。以上结果表明盐胁迫使植株在生物量分配上存在着权衡。

粗根可溶性糖与叶淀粉、粗根NSC、叶NSC含量呈显著正相关(P<0.05)。细根可溶性糖与粗根淀粉、粗根NSC含量呈显著正相关(P<0.05)。茎可溶性糖与茎淀粉、茎NSC呈极显著正相关(P<0.01)，与粗根淀粉、粗根NSC呈显著正相关(P<0.05)。叶可溶性糖与叶NSC含量呈极显著正相关(P<0.01)，与叶淀粉呈显著正相关(P<0.05)。

2.5 主成分分析

对刺槐幼苗的生长、生物量、生物量分配和非结构性碳水化合物的指标进行主成分分析，共提取5个主成分，贡献率从主成分1至5分别为：43.05%、15.99%、14.65%、9.69%和8.03%，累积贡献率为91.41%(表2)。第1主成分主要由叶生物量、RMR、R/S、LMR、茎生物量、叶NSC含量、总生物量、叶可溶性糖、相对地径生长速率、相对苗高生长速率、叶淀粉和粗根可溶性糖组成，主要反映的是生长，命名为生长综合指标，贡献率为43.05%；第2主成分主要由粗根淀粉、粗根NSC含量、根生物量和细根可溶性糖，主要反映的是与粗根NSC含量相关指标，命名为粗根NSC综合指标，贡献率为15.99%；第3主成分主要由茎淀粉、茎NSC、茎可溶性糖，反映的是茎的NSC特征，命名为茎NSC特征，贡献率为14.65%；第4主成分主要由细根淀粉、细根NSC组成，反映的是细根的NSC特征，命名为细根NSC特征，贡献率为9.69%；第5主成分主要由SMR组成，反映的是茎生物量投入，命名为茎生物量特征，贡献率为8.03%。由于主成分1、2和3的累计贡献率为73.69%，因此生长综合指标、粗根NSC综合指标和茎NSC综合指标基本反映了刺槐幼苗在NaCl胁迫下的适应特征。

表2 主成分的相关系数、特征值、贡献率和累积贡献率Tab.2 Coefficient,eigenvalue,variance contribution rate and accumulated contribution rate of principal components

3 讨论

3.1 刺槐幼苗生长对NaCl胁迫的响应

盐胁迫下幼苗的生长情况最能反映植物对盐的耐受程度，生长是体现植物适应盐胁迫的综合与关键指标，盐胁迫下植物生长能力普遍下降(王树凤等，2014；赵春桥等，2015；Pushpalathaetal.,2013)。本研究发现，NaCl胁迫下刺槐苗的地径和苗高相对生长速率显著降低表明其对盐胁迫敏感。随着处理时间延长，各个盐分梯度下地径和苗高相对生长速率变化规律表现出相似性，但与对照明显不同，处理第20天高相对生长速率达到低谷，此时相对地径生长速率却最大，二者表现出高峰交错出现的现象，类似于播种苗高生长暂缓现象时的生长中心的转移。相关分析表明，地径和苗高相对生长速率均与总生物量、LMR、粗根可溶性糖呈显著正相关，与RMR、R/S呈极显著负相关；而地径相对生长速率与叶可溶性糖和NSC呈显著正相关；上述结果是生物量分配和NSC利用的综合体现。

3.2 刺槐幼苗生物量分配对NaCl胁迫的响应

生物量分配是植物适应逆境的重要方式。逆境下树木减少生物量积累，降低生长量，个体相对矮小，进而减少能耗来适应逆境胁迫。随盐胁迫时间的延长，地上和地下部分生物量不断降低(Pariharetal.,2015；Vicenteetal.,2003；刘正祥等，2014)，本研究印证了这一规律。树木在盐胁迫下会改变生物量的分配策略，通常改变R/S以适应逆境，有的树种增加(罗达等，2019；王树凤等，2014；岳小红等，2018；Cimatoetal.,2010)，有的树种变化不显著(Lietal.,2016)。通常耐盐性树木增加根系生物量以储存较多的 Na+，减少运输到叶片的 Na+；敏感性树木则通过减少根的分布，以减少 Na+的吸收，大部分非盐生树木都是 Na+敏感树木(Koyro,2006)。本研究表明随NaCl胁迫增加R/S增加，从另一方面证明了刺槐有较强的抗盐性，也符合逆境下最受限制器官将得到资源最优先配置的最优分配理论(Maggioetal.,2007)。研究还发现LMR与苗高、地径生长速率呈显著正相关，说明高的叶投入有利于植物的快速生长，这与Zheng等(2012)的研究结论一致，盐胁迫下对根系投入的增加导致了对叶片投入的减少，是造成刺槐苗生长速率降低的重要原因。

3.3 刺槐幼苗NSC对NaCl胁迫的响应

盐胁迫下刺槐苗可溶性糖和淀粉扮演的角色不同。可溶性糖是一种重要的渗透调节物质，逆境胁迫条件下可溶性糖含量增加，细胞液浓度提高，它对细胞膜和原生质体有一定保护作用。研究发现，粗根和叶的可溶性糖含量与苗木相对生长速率和生物量积累显著相关，说明可溶性糖直接参与了代谢过程及维持植物生长(陈春晓等，2019；李子英等，2017；偶春等，2019；张晓晓等，2016；Yietal.,2014；成方妍等，2016)，但淀粉含量与刺槐苗生长没有显著相关性。相关分析表明，粗根淀粉与细根可溶性糖呈显著正相关，表明细根中的可溶性糖有一部分来源于粗根贮藏淀粉的分解，也有研究表明细根中的淀粉在胁迫下直接分解成可溶性糖(冯建新等，2017；史顺增等，2017)，说明粗根和细根中的淀粉是细根可溶性糖的重要来源。本研究表明淀粉作为最主要的贮藏物质，在各器官间差异显著，粗根的淀粉含量最大，是最主要的淀粉贮藏器官，刺槐苗粗根中淀粉和细根中的可溶性糖类似于源和库的关系。

NSC通过在树木不同器官之间的储存、转化和分配，来维持树木渗透调节和生长发育，缓冲树木在逆境下不同器官之间碳供应和碳需求的不同步性(O’Brienetal.,2014；潘庆民等，2002)。研究表明，刺槐苗的相对生长速率和生物量与粗根可溶性糖和叶片的NSC呈显著正相关，而可溶性糖、淀粉和NSC从0到3‰之间变化不显著，相对生长速率却随NaCl浓度增加逐渐降低，表明生长与NSC积累之间存在权衡。4.5‰下NSC显著降低可能与高盐胁迫下NSC合成严重受阻有关，表明超出了刺槐的耐盐能力和调控范围。

盐胁迫下刺槐苗适应性调节是一个复杂的生理过程。主成分分析发现，NaCl胁迫下刺槐适应能力主要取决于生长指标、粗根NSC指标和茎NSC指标。主成分1生长指标的贡献率为43.05%，接近信息量的一半，反映了NaCl胁迫适应的主要内容。在生长指标中，相对生长速率、生物量分配、可溶性糖是其中的主要组成部分，体现了生长的适应调节过程。主成分2粗根NSC指标主要由粗根淀粉相关的指标组成，反映了根系淀粉的贮存能力。主成分3茎NSC指标主要由茎淀粉相关指标组成，反映了茎的淀粉积累。因此，NaCl胁迫下的生长指标、粗根淀粉指标、茎淀粉指标可以较好的反映刺槐幼苗对NaCl胁迫的适应能力。

4 结论

1)随着NaCl胁迫程度的增加，刺槐苗地径和苗高相对生长速率显著降低，生长受到显著抑制；叶生物量逐渐降低，根生物量增加但变化不显著，导致LMR显著降低，RMR和R/S显著增加。

2)低浓度NaCl胁迫下，茎的可溶性糖含量增加，粗根可溶性糖含量逐渐降低，粗根、细根、茎和叶的NSC含量差异不显著，NaCl浓度4.5‰，NSC显著下降，对根系投入增加，地上部分投入减少，表明刺槐通过减少生长而维持体内NSC含量以及调整器官间NSC分配是刺槐苗适应盐胁迫的对策，刺槐是耐盐性较强的树木，NaCl浓度在3‰以下刺槐苗能维持较好的生长。

3)淀粉是刺槐幼苗体内最主要的碳水化合物贮藏形式，主要贮藏于根系。NaCl胁迫下综合评价刺槐苗生长指标、粗根和茎NSC含量等指标变化，可以较好地反映刺槐对NaCl胁迫的适应过程。