盐胁迫对铁皮石斛幼苗生长特性的影响

丁久玲, 史俊, 高大响, 郑凯, 席刚俊

(江苏农林职业技术学院, 江苏 句容 212400)

铁皮石斛在我国是非常名贵的中药, 具有生津养胃、滋阴清热等功效[1]。土壤盐渍化已成为困扰其生态环境的难题, 栽种适宜的植物是目前盐碱化土壤治理利用较为有效的方法[2]。铁皮石斛对环境要求更严格, 其中土壤中的盐碱含量是影响铁皮石斛幼苗生长的主要因素之一[3]。目前, 在盐碱地种植中草药逐渐兴起, 但关于铁皮石斛幼苗用于盐碱地的报道较少。筛选出能适应盐渍化、且不影响其生长的药用植物, 不但可以推动铁皮石斛在国内的大范围种植, 还可以利于我国盐碱含量过高的土地的开发利用[4]。

本研究针对铁皮石斛幼苗进行不同盐浓度胁迫, 通过分析铁皮石斛叶片的枯黄率、生长速率、叶绿素含量、果糖1, 6-二磷酸醛缩酶 (FBA) 活性、二磷酸核酮糖羧化酶 (Rubisco) 活性等数据,意在筛选出最适合铁皮石斛生长的盐碱环境, 探索不同浓度的盐胁迫对铁皮石斛生长特性的影响以及铁皮石斛对盐胁迫的耐性, 不仅促进铁皮石斛耐盐种质的鉴定和筛选, 同时为铁皮石斛的快速繁殖以及扩大铁皮石斛种植范围提供技术支持, 也为开发盐碱荒地提供一定的技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料

材料选自江苏农林职业技术学院农博园中草药基地, 生长健壮、生长一致、生长满1 a 的铁皮石斛组培幼苗。

1.2 实验设计

将供试材料按10 cm×10 cm 株行距栽植于装有铁皮石斛专用基质的栽培盘 (长40 cm×宽40 cm×高8 cm) 内, 于采光大棚内集中正常管理。设置5个不同浓度的盐胁迫处理, 分别为0、50、100、150、200 mmol·L-1, 对 应 编 号 分 别 为CK、S1、S2、S3 和S4, 各处理均以Hoagland 营养液为基础配置, 每个处理设3 个重复, 每个重复3 个栽培盘。每周进行一次定时定量喷施, 连续喷洒8 周,采用叶面喷洒方式, 喷至叶片完全湿润且往下滴水为止。期间每周测量倒一叶叶片长度, 2 个月后统计叶片枯黄数, 取铁皮石斛相应盐胁迫下的培养基进行土壤水溶性总盐测定, 并取倒2 ～4 叶测定叶绿素含量、二磷酸核酮糖羧化酶活性、果糖-1, 6-二磷酸醛缩酶活性指标。

1.3 测定项目

1.3.1 土壤水溶性总盐

应用重量分析法测定土壤水溶性总盐[5]。

1.3.2 叶片枯黄率

叶片枯黄标准: 以目测法, 单个叶片上枯黄面积达50%以上者统计为枯黄叶片。叶片枯黄率为枯黄叶片数除以植株总叶片数再乘以100。

1.3.3 叶片生长速率

各栽培盘选取3 株生长一致的铁皮石斛苗, 在倒一叶上做标记, 每周测量倒一叶叶片长度, 计算叶片生长速率。

1.3.4 叶片叶绿素含量

采用分光光度法测定叶片中的叶绿素含量[6]。

1.3.5 二磷酸核酮糖羧化酶活性

运用二磷酸核酮糖羧化酶分光光度计试剂盒测定, 试剂盒由苏州科铭生物技术有限公司提供。

1.3.6 果糖1, 6-二磷酸醛缩酶活性

运用果糖1, 6-二磷酸醛缩酶分光光度计试剂盒测定, 试剂盒由苏州科铭生物技术有限公司提供。

1.4 统计分析

使用Excel 2019 分析数据和制图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度盐胁迫对土壤水溶性总盐含量的影响

盐胁迫处理2 个月后, 测定5 个盐浓度下的栽培盘内培养基的土壤水溶性总盐含量, 结果显示,CK 的土壤中水溶性总盐含量最低, 为3.396 g·kg-1; S1 总盐含量为3.795 g·kg-1; S2 总盐含量为4.687 g·kg-1; S3 总盐含量为5.586 g·kg-1;S4 总盐含量为5.894 g·kg-1。由此可以看出, 盐胁迫浓度升高, 铁皮石斛培养基中总盐含量也增加, 总体呈上升趋势。

2.2 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛幼苗叶片枯黄率的影响

叶片枯黄率是反映植物生长状态的重要指标之一, 数值越低, 植物生长良好, 数值越高, 植物则生长不良。由图1 可知, 随着盐胁迫浓度的增加,铁皮石斛幼苗叶片枯黄率整体呈现上升趋势。其中处理S1 和S2 的叶片枯黄率与CK 相比差异不明显, 而处理S3 和S4 则明显高于CK; 处理S4 的叶片枯黄程度最高, 达到62.83%。根据以上分析可看出, 盐胁迫均会使铁皮石斛的叶片枯黄率有所增加, 盐胁迫浓度较低 (50 ～100 mmol·L-1) 时其增加不明显; 而当盐胁迫浓度较高时(≥150 mmol·L-1), 其值大幅增加, 严重影响铁皮石斛的生长发育。

图1 不同浓度盐胁迫对叶片枯黄率的影响

2.3 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛幼苗叶片生长速率的影响

植物的叶片生长速率是单位时间内的植物生长量, 以叶片为载体, 通过研究不同盐胁迫下铁皮石斛叶片生长速率的大小, 可反映出铁皮石斛幼苗对于盐胁迫的耐受程度。

由图2 可看出, 铁皮石斛叶片生长速率随着盐胁迫程度的增加而呈下降趋势。与CK 相比, 处理S1 的叶片生长速率最大, 其次是S2, 二者差异不明显, 且稍低于CK; 处理S3 和S4 的叶片生长速率大幅降低, 明显低于CK, 仅为每周0.10 mm 和0.04 mm。据此可认为, 盐胁迫均会使铁皮石斛的叶片生长速率有所减慢, 盐胁迫浓度较低 (50 ～100 mmol·L-1) 时, 其减慢不明显; 而当盐胁迫浓度较高时 (≥150 mmol·L-1), 其值大幅减小,严重抑制铁皮石斛叶片生长。

图2 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛每周生长速率的影响

2.4 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛幼苗叶片叶绿素含量的影响

在光合作用中, 叶绿素是不可或缺的因素, 不仅反映了植物光合作用能力, 还可以体现出植物生长发育营养状况, 其含量的高低与植物的生长息息相关。

据图3 得出, 随盐胁迫处理浓度的提高, 铁皮石斛幼苗叶片叶绿素含量的变化趋势同叶片生长速率, 亦呈现出降低态势。处理S1、S2 和S3 三者的叶片叶绿素含量相差不明显, 均稍低于CK; 处理S4 叶片叶绿素含量最低, 明显低于其他处理和CK。由此可判断, 不同浓度盐胁迫均会不同程度地抑制铁皮石斛的叶片叶绿素含量, 浓度较低时(50 ～150 mmol·L-1), 抑 制 不 明 显; 浓 度≥200 mmol·L-1时, 其值明显下降。

图3 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛叶绿素含量的影响

2.5 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛二磷酸核酮糖羧化酶活性的影响

二磷酸核酮糖羧化酶 (Rubisco) 是光合作用化学反应中主要的羧化酶, 更是光通气中必需的加氧酶, 通过系列化学反应, 能够把CO2转变为磷酸甘油酸的形态, 被一些酶变为蔗糖等有机物质, 既限制着CO2的稳定, 而且又抑制着碳素向卡尔文 (Calvin) 循环和光吸氧循环分流, 其活力的强弱影响着光合速度。同时植物光合能力与其生长发育密切相关, 故二磷酸核酮糖羧化酶活性高低在一定程度上可反映植物生长状况。

由图4 分析可看出, 随着盐胁迫浓度的升高,铁皮石斛的Rubisco 活性呈现先上升后下降的趋势。其中, 处理S1 的Rubisco 活性达到峰值, 明显高于其他处理及CK; 处理S2 和S3 的Rubisco 活性稍低于S1, 三者差异不明显, 与CK 相比较, 稍高于CK, 差异不明显; 处理S4 的Rubisco 活性最低, 明显地低于其他处理。故可知, 适宜浓度的盐胁迫 (50 ～150 mmol·L-1) 利于铁皮石斛Rubisco活性的提高, 而当浓度超过一定值时(≥200 mmol·L-1), 则会大大降低Rubisco 活性。

图4 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛Rubisco活性的影响

2.6 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛果糖 1, 6-二磷酸醛缩酶活性的影响

植物叶绿体中果糖 1, 6-二磷酸醛缩酶(FBA) 是光合作用中参与卡尔文循环的重要酶。不同浓度的盐胁迫对铁皮石斛FBA 活性的影响表现不同 (图5), 总体呈现先升后降的趋势。处理S2 的FBA 活性最大, 明显高于CK 和处理S4, 与处理S2 和S3 差异不明显; 处理S4 的FBA 活性低于其他处理及CK。说明适宜浓度的盐胁迫 (50 ～150 mmol·L-1) 可促进铁皮石斛FBA 活性增强,而当浓度超过200 mmol·L-1时, 则会大大降低FBA 活性。同时过高浓度的盐胁迫使铁皮石斛幼苗叶片的抽生和扩展受到明显抑制, 叶片枯黄程度加剧, 幼苗生长受到明显抑制, 植株外观长势受抑制严重, FBA 活性达到最低值。

图5 不同浓度盐胁迫对铁皮石斛FBA 活性的影响

3 结论与讨论

植物经过盐胁迫处理后, 生理生化指标均会受到影响[7], 本研究对盐胁迫下铁皮石斛幼苗的叶片枯黄率、叶片生长速率、叶绿素含量、Rubisco活性、FBA 活性进行探讨, 发现在适宜盐浓度下,铁皮石斛幼苗叶片生长速率保持较高的水平、叶片枯黄率相对较低, 反映其生长状况的生理指标—叶绿素含量、Rubisco 活性和FBA 活性保持在较高的水平。

铁皮石斛幼苗的外部形态变化是受到盐胁迫时最直观的反应, 叶片枯黄程度和叶片生长速率反映了铁皮石斛幼苗生长状况。研究表明, 盐胁迫浓度较低 (50 ～100 mmol·L-1) 时, 铁皮石斛幼苗的叶片枯黄率和叶片生长速率受影响不大, 盐胁迫对其生长发育抑制作用不明显; 而当盐胁迫浓度较高时 (≥150 mmol·L-1), 对铁皮石斛幼苗的生长抑制作用大幅度增加。

叶绿素是一类绿色色素, 能进行光合作用的生物体含有的色素, 对植物生长有着直接的影响。金雅琴等[8]研究表明, 植物叶片中叶绿素含量随着盐胁迫浓度的增加而递减, 但在低浓度下的盐胁迫处理并不会对叶绿素含量产生太大影响; 有学者表明[9-10], 低钠盐可以增加植物叶片中叶绿素含量。本研究结果显示, 轻度的盐胁迫 (＜100 mmol·L-1) 对铁皮石斛幼苗叶片叶绿素含量影响较小,与李凤玲等[11]

研究结果相符。Rubisco 活性的大小对光合速率有直接的影响,且会因环境的改变而发生变化[12]。本研究探究了盐胁迫对铁皮石斛Rubisco 活性的影响, 结果发现, 盐胁迫浓度50 mmol·L-1时铁皮石斛的Rubisco 活性达到较高水平, 植物光合速率提高;随着盐胁迫浓度的增加 (100 ～150 mmol·L-1),铁皮石斛Rubisco 活力缓慢降低, 但没有低于对照。说明低盐浓度下, 可以有效促进铁皮石斛的Rubisco 活性增加, 叶肉细胞利用CO2的能力提高, 其光合速率上升, 利于植物良好生长。

FBA 在植物叶绿体中是控制光合碳同化速度的重要酶之一[13], 与叶绿素和Rubisco 协同作用,共同影响着植物的光合作用, 关系着植物生长状况。当铁皮石斛幼苗盐胁迫浓度50 ～150 mmol·L-1时, FBA 活性达到较高的水平, 促使铁皮石斛光合碳同化率提高。

综上所述, 50 ～100 mmol·L-1低浓度的盐胁迫可使铁皮石斛叶片枯黄率处于较低的水平, 叶片生长速率较高, 叶绿素含量、FBA 活性和Rubisco活性均有明显提高, 植物生长良好, 光合系统正常, 说明铁皮石斛对低浓度盐环境具有一定的耐受性。在实际应用中结合铁皮石斛耐盐性的优势将其种植于低盐环境中, 在不影响其生长的情况下, 既对盐渍化土壤起到一定的改良作用, 又可以发挥其药用价值。