盐分胁迫对紫穗槐幼苗生理生化特性的影响

邹丽娜,周志宇,颜淑云,秦彧

(兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020)

紫穗槐(Amorpha f ruticosa)是豆科紫穗槐属的一种多年生丛生小灌木,原产于美国东北部和东南部,现我国东北、华北、西北及山东、安徽、江苏、河南、湖北、广西、四川等省均有栽培。紫穗槐生长快,根系发达,具有很强的防风固沙、保持水土、改良土壤等生态作用,并且茎叶量大,营养丰富,粗蛋白的含量在20%以上[1]。新鲜饲料虽有涩味,但对牛羊的适食性很好,是畜牧业发展的高效饲用植物。紫穗槐系多年生优良绿肥[2],蜜源植物,是耐寒、耐旱、耐湿、耐盐碱、抗风沙、抗逆性极强的灌木,它可以在含盐量很高的土壤中正常生长,具有很强的抗盐能力,同时还能显著降低土壤的盐渍化程度。利用紫穗槐这种特性,可以在改良盐渍化土壤中发挥作用。

目前,关于紫穗槐的研究主要集中在其育苗繁殖及栽培技术[3-5]、防护效益[6,7]、光合和蒸腾特性的动态研究[8,9]及营养化学成分的提取[10-12]等方面,对其耗水性方面也有少量研究,主要是针对苗木[13,14],对盐渍地紫穗槐生理生态的研究还比较少。生长于盐渍环境下紫穗槐养分特征的研究报道也很少。仅见王印川[15]报道,在盐渍地中种植紫穗槐,1年后土壤表层0～20 cm的含盐量降低12%～41%,3～4年后土壤中有机质的含量可以增加4倍左右,土壤表层含盐量可减少50%～60%,此时的土壤可供大多数植物正常生长。本研究采用盆栽试验,通过人为控制土壤盐分,测定紫穗槐幼苗叶片细胞质膜相对透性、丙二醛(MDA)、游离脯氨酸含量、可溶性糖含量、POD及SOD活性等,全面研究不同盐分条件下其叶片生理特性变化,掌握其生长特性,旨在揭示紫穗槐幼苗在盐分胁迫下的生理生态特性和适应特点,同时探讨不同盐分胁迫下影响其生长的限制因素,为其在盐渍地区的推广应用提供参考,也为盐渍地区植被优化提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

紫穗槐种子于2007年11月采于陕西省靖边县。取大田土壤(非盐碱地)过筛,用塑料花盆(高12.5 cm,底径12.0 cm,口径15.5 cm),每盆装大田土1.5 kg,装土时,取样测定含水率以确定实际装入干土重。

1.2 胁迫处理

根据种子发芽率每盆播种20～30粒种子,出苗后间苗,2叶期之前定苗,每盆留生长整齐一致、分布均匀的10棵苗。分别以土壤干重的0.1%,0.2%,0.3%,0.5%,0.6%Na2SO4溶液处理,将盐溶解在一定量的蒸馏水中,加等量的蒸馏水作对照,试验共设5个处理,1个对照,每个处理6个重复。出苗10 d后开始胁迫处理,盐溶液浓度逐步提高,每12 h递增0.1%,达到预定浓度为止。自然光照,遮雨棚防雨。盐处理后及时补充所蒸发的水分,使土壤含水量保持不变,保证土壤含水率为17%～18%。记录幼苗生长变化,盐害表现。盐处理后30 d进行各项生理生化指标的测定。

1.3 测定项目及方法

光合指标测定采用Li-6400便携式光合测定系统分析仪(USA,LI-COR)测定苗木在不同干旱胁迫条件下的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)等光合特性指标。测定时间为9:30-11:30。丙二醛(MDA)及可溶性糖含量采用硫代巴比妥酸比色法测定[16]。细胞质膜透性用电导法测定,细胞膜相对透性=L1/L2×100%,式中,L1表示叶片杀死前外渗液的电导值;L2表示叶片杀死后外渗液的电导值。叶绿素含量采用丙酮法测定。游离脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取茚三酮显色法测定。采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定SOD活性,以抑制50%NBT反应为1个酶活性单位;采用愈创木酚显色法测定POD活性,以1 min内A470变化0.01为1个酶活性单位,K+、Na+含量采用火焰光度法,各指标测定方法详细步骤见《植物生理学实验指导》[17]。

1.4 统计分析

所有数据利用统计软件SPSS 13.0和Excel进行显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 盐分胁迫对紫穗槐叶片中SOD、POD活性的影响

SOD活性随盐胁迫浓度的增加迅速增高,在0.5%浓度下达到最大值之后,随盐浓度的增大,酶活性有下降趋势(图1)。说明在0.5%盐浓度胁迫下,紫穗槐叶片中可诱导产生SOD,使叶片中SOD活性增强。当盐浓度超过0.5%时,超过了其自身的忍耐程度,导致SOD合成下降。

盐胁迫后,紫穗槐叶片中POD变化随盐分浓度的升高而增大,但在0.1%浓度时有所降低,之后盐分浓度越大,变化越平缓,且差异不显著(图1)。盐分胁迫下,紫穗槐叶片中SOD、POD这2种自由基清除酶活性均随盐浓度的升高而增强,且SOD活性相对POD较高,其在防止膜脂过氧化方面起着主要作用。

图1 盐分胁迫对紫穗槐叶片中SOD、POD活性的影响Fig.1 Effect of salt stress on SOD and POD enzyme activity of A.fruticosa leaf

2.2 盐分胁迫对紫穗槐可溶性糖与游离脯氨酸含量的影响

紫穗槐叶片可溶性糖含量随浓度增大而增加(图2),在浓度0.6%盐分处理下达到最大值。叶片中可溶性糖升高的原因可能主要在于有机物的运输减慢,大量可溶性糖在叶绿体中积累。紫穗槐叶片中脯氨酸含量随盐分浓度的升高而增加(图2),盐分浓度在0.5%时达到最大值,是对照的7.8倍,差异显著,随后在0.6%浓度时开始下降,但差异不显著。表明在0.5%盐分胁迫下紫穗槐叶片通过积累脯氨酸维持渗透调节而有利于减轻盐胁迫伤害,0.6%盐分浓度则抑制了脯氨酸合成而促进了其降解,反映出紫穗槐对盐渍环境有一定的适应性。

2.3 盐分胁迫对紫穗槐叶片MDA含量与质膜透性的影响

MDA含量随着盐分浓度的升高而增加(图3),在盐分浓度0.5%与0.6%时差异不显著,但与其他处理差异显著。随着盐分浓度的升高,紫穗槐幼苗细胞质膜透性也增大,由此可见,较低浓度的盐分对膜伤害不大,而随着盐胁迫时间的延长和盐浓度的升高,对紫穗槐叶片膜造成较严重的伤害。盐胁迫破坏了紫穗槐幼苗细胞膜的稳定性,使膜结构遭到损伤,造成细胞内电解质渗漏加剧,且随盐胁迫增强,对叶片细胞膜的伤害增大。

图2 盐分胁迫对紫穗槐叶片中可溶性糖与游离脯氨酸含量的影响Fig.2 Effect of salt stress on the contents of soluble sugar and free proline in A.f ruticosa leaf

图3 盐分胁迫对紫穗槐叶片中MDA含量和细胞质膜透性的影响Fig.3 Effect of salt stress on MDA content and membrane permeability of A.fruticosa leaf

2.4 盐分胁迫对紫穗槐幼苗光合、蒸腾、气体交换特性的影响

在盐胁迫下,紫穗槐植株的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均随着盐浓度的增加而降低(表1),但胞间CO2浓度则随着盐浓度的增加呈上升趋势。且在0.5%～0.6%时,净光合速率、蒸腾速率和气孔导度与其他处理差异显著,但胞间CO2浓度各处理间差异不显著。

表1 盐胁迫对紫穗槐光合性能的影响Table 1 Effect of salt stress on photosynthetic characteristics of A.fruticosa

2.5 盐分胁迫对紫穗槐幼苗叶片光合色素含量的影响

紫穗槐单位叶面积光合色素含量随盐浓度的增加而升高,在0.5%浓度时达到最大值,随之开始降低。当土壤盐分浓度为0～0.5%时,差异达显著水平,0.5%～0.6%时,差异不显著,而叶绿素a与叶绿素b含量之比无显著变化(表2)。结果表明,0.5%浓度盐胁迫能够刺激叶片光合色素的合成,0.6%胁迫则提高了叶绿素酶的活性,使光合色素合成减少、分解增加,叶绿素含量明显降低。据此可以推测,盐不仅抑制叶绿素的合成,而且还有可能加速叶绿素的分解。

表2 盐胁迫对紫穗槐叶片中光合色素含量的影响Table 2 Effect of salt stress on photosynthetic pigment content of A.fruticosa leaf

2.6 盐分胁迫对紫穗槐叶片K+、Na+含量的影响

K+、Na+含量在不同浓度盐分下表现出不同的分布规律。随处理浓度的增加,紫穗槐叶片中的Na+含量明显增加,在盐分浓度为0.5%时,差异较显著;而K+的含量随处理盐浓度的升高而下降,在盐浓度为0.3%时,K+含量明显降低,并且在高浓度时下降趋势平缓。

图4 盐分胁迫对紫穗槐叶片中K+和Na+含量的影响Fig.4 Effect of salt stress on contents of K+and Na+in A.f ruticosa leaf

3 讨论

生物机体的代谢是和机体的内外环境分不开的,当内外条件改变时,机体能调整和改变其体内的代谢过程,建立新的代谢平衡,以适应变化了的环境。在机体进行代谢过程的调节控制中,最原始也是最基本的代谢调节就是酶含量和酶活性的调节。植物耐盐是受多基因控制的,因此,盐对蛋白质合成的诱导和调控非常复杂[18]。盐能够调节蛋白质的表达,盐胁迫下大多数蛋白质合成受阻,但有些蛋白质合成不受影响,而另一些蛋白质合成被促进[19]。本研究发现在处理30 d之内,酶活性发生如此大的波动,说明紫穗槐细胞基因表达对盐胁迫反应是一种短期、可逆的调控方式,有可能盐调节蛋白质的表达是先促进后抑制。

SOD和POD属于保护酶系统,具有清除生物自由基的功能。这2种酶在盐胁迫条件下活性增强,使细胞组织内自由基的产生与清除之间能保持平衡状态,不会造成由于自由基积累导致膜脂过氧化,膜差别透性丧失,代谢紊乱,致使细胞组织受害[20]。已有研究表明,SOD在植物抵抗盐害的过程中起防止、中断膜脂过氧化、保护细胞膜系统不受损伤的作用,其酶活力与植物抗逆性关系密切[21]。通过酶来进行代谢调控的另一种方式是酶活性的调节。SOD是一切需氧有机体中普遍存在的一种起保护作用的酶。POD也是植物体内的一种保护酶类,它与植物体内的多种代谢有关,可以分解一些由于盐分胁迫产生的过氧化物,盐胁迫下常常依靠其活性的增强来清除或分解植物体内自由基和H2O2,从而起到对生物体的保护作用[22]。POD能清除植物组织内的过氧化物,脂质过氧化作用则是指在不饱和脂肪酶中发生的一系列自由基反应[23],这些自由基反应能使细胞膜系统产生变性,最终导致细胞损伤甚至死亡,因此,高活性的SOD能减少这种损伤作用。随着盐胁迫时间的延长,SOD、POD本身受到一定程度的损害,保护膜的作用必然降低。因此,紫穗槐体内的SOD、POD在经历一个活性升高的过程后迅速下降,清除自由基和过氧化物的能力也就降低,这样盐离子的毒害作用便无法控制。

在盐逆境中可溶性糖既是渗透调节剂,也是合成其他有机溶质的碳架能量的来源,还可在细胞内无机离子浓度高时起保护酶类的作用[24]。淀粉发生水解,转化为糖类物质,参与细胞的渗透调节。游离脯氨酸作为渗透调节物质,使植物保持一定的含水量与膨压势,以维持细胞的正常功能;同时游离脯氨酸还作为一种贮藏形式的氮源,待植物逆境胁迫解除后用来参与叶绿素等物质的合成。本试验中,在Na2SO4胁迫下,紫穗槐叶片脯氨酸和可溶性糖含量随盐浓度增加而增大,表明紫穗槐可通过增加体内脯氨酸和可溶性糖含量,来维持渗透平衡,具有一定的耐盐性。可溶性糖是植物体内重要的渗透调节物质,在干旱、低温、高温、盐渍等逆境下都会造成植物体内可溶性糖含量的增加,是植物对逆境胁迫的一种生理生化反应[25]。

植物在逆境下往往发生膜脂过氧化作用,破坏膜的结构,积累许多有害的过氧化物。作为细胞膜损伤程度大小的生理指标MDA,其含量的多少可代表膜损伤的严重程度[26]。本研究中盐胁迫下,MDA含量随盐浓度的增大而升高,植株叶片也随之表现出萎蔫发黄甚至枯萎的现象。

MDA是膜脂过氧化水平的标志,MDA也是植物细胞膜不饱和脂肪酸发生过氧化作用的终产物,其含量的高低可作为植物细胞膜质损伤程度的参数[27]。MDA既是膜脂过氧化的主要产物之一,又可与细胞膜上的蛋白质、酶等结合,引起蛋白质分子内和分子间的交联,从而使蛋白质失活,破坏了生物膜的结构与功能[28]。本试验中,随着盐分浓度的升高,紫穗槐幼苗细胞质膜透性也增大,由此可见,较低浓度的盐分对细胞膜伤害不大,而随着盐胁迫时间的延长和盐浓度的升高,对紫穗槐叶片细胞膜造成较严重的伤害。盐胁迫破坏了紫穗槐幼苗叶片细胞膜的稳定性,使膜结构遭到损伤,造成细胞内电解质渗漏加剧,且随盐胁迫增强,对叶片细胞膜的伤害增大。对盐胁迫下星星草幼苗膜透性变化的研究表明,膜透性与盐胁迫浓度的变化呈正相关,这一点与本研究的论点相一致[29]。

光合作用为植物生长发育提供物质和能量,是植物生长发育的基础。本研究中,在盐胁迫下紫穗槐植株的净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均随着盐浓度的增加而降低,但胞间CO2浓度则随着盐浓度的增加呈上升趋势。盐处理使培养液中可溶性盐含量过多从而对植物产生渗透胁迫,造成生理干旱,导致植物吸水困难,使气孔开度减小或关闭,降低其蒸腾速率,以减少其水分蒸发;盐分过多使PEP羧化酶和RuBP羧化酶活性下降,叶绿素和类胡萝卜素的含量降低,气孔开度减小,气孔阻力增大,导致受胁迫植物的光合速率明显下降。同时光合作用酶活性下降钝化或气孔关闭,造成CO2不能被充分利用,致使胞间CO2浓度升高,胞间CO2浓度升高钝化或使气孔关闭,最终造成CO2供应不足,而使光合速率下降,同化产物形成减少,净光合速率随之降低[30]。研究表明,盐分胁迫影响紫穗槐植株的光合性能,使其光合作用速率下降,减少了同化物与能量的供应,限制植物的生长发育。盐处理后,紫穗槐的含水量和渗透势均呈下降趋势,即紫穗槐在盐分胁迫下引起了渗透胁迫,为了适应盐环境缓解渗透胁迫的伤害,紫穗槐植株可以通过无机和有机渗透调节物质进行渗透调节。

光合色素含量的稳定有利于幼苗在胁迫下维持正常的光合作用,从而增强幼苗对盐胁迫的耐受能力[31]。一些研究表明,盐胁迫下植物叶片中叶绿素含量下降[32],其主要原因是盐胁迫提高了叶绿素酶的活性,促进了叶绿素降解,从而引起叶绿素含量减小[33]。但段九菊和郭世荣[31]及王素平等[34]研究表明,短期盐胁迫处理提高了幼苗叶片叶绿素含量。本研究中较低浓度Na2SO4胁迫(≤0.5%)下,紫穗槐幼苗单位叶面积光合色素含量升高,高浓度盐胁迫则使其含量降低,且随浓度增大有迅速降低的趋势。这一结果表明低浓度盐胁迫能够刺激叶片光合色素的合成,高盐胁迫则提高了叶绿素酶的活性,使光合色素合成减少、分解增加,叶绿素含量明显降低,这与冯志红等[35]、郭文忠等[36]及王宝增和赵可夫[37]的试验结果一致。

植物有体内积累元素的功能,如吸收Na+过多,就抑制了K+的吸收,而耐盐植物具有选择性吸收K+的能力。细胞质中的Na+通过液泡膜的Na+-K+交换排出细胞,耐盐植物可以从根部排斥Na+,而使Na+浓度得以稀释而不致于对植物体造成伤害,或将所吸收的Na+封闭在某些叶片的特殊部位,所以耐盐种叶片中K+/Na+较高[38]。本研究中K+、Na+含量在不同浓度盐分下表现出不同的分布规律。随处理浓度的增加,紫穗槐叶片中的Na+含量明显增加,而K+的含量随处理盐浓度的升高而下降,并且在高浓度时下降趋势平缓。由此可见,在低盐浓度下,K+优先被吸收,并抑制Na+的进入;在高盐浓度下,离子吸收的选择性降低,K+、Na+相互抑制吸收,这与翁森红等[39]的研究一致。

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