6种豇豆属植物耐盐性评价及光合特性研究

冯宇 周颜 杨虎彪 陈志坚 刘攀道

摘  要  采用沙培方法，研究盐胁迫（300 mmol/L）对6种豇豆属植物幼苗生长及光合特性的影响。结果表明：① 盐处理6 d后，贼小豆的叶绿素（Chlorophyll，Chl）含量显著降低，叶片相对含水量（Relative Water Content，RWC）、质膜透性（Electrolyte Leakage，EL）和枯叶率（Withered Leaf Rate，WLR）显著增加，而滨豇豆均没有显著差异;主成分分析、相关分析及隶属函数分析结果表明，WLR与EL呈极显著正相关，RWC、Chl含量呈显著负相关;主成分分析得到2个主成分PC1和PC2，可以解释总变化的92.75%;隶属函数排名表明，滨豇豆的耐盐能力最好，贼小豆最差。② 滨豇豆的净光合速率（Pn）、胞间CO₂浓度（Ci）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、PSⅡ最大光化学效率（F_v/F_m）和最大荧光产量（F_m）、PSⅡ非调节性能量耗散[Y（NO）]均没有显著差异，而贼小豆除Y（NO）显著增加外，其余均显著降低。

关键词  盐胁迫;滨豇豆;生理特性;光合作用;叶绿素荧光

DOI10.3969/j.issn.1000-2561.2018.12.013

盐碱地在世界范围分布广泛，据联合国教科文组织（UNESCO）和联合国糧食及农业组织（FAO）的不完全统计，世界盐渍土面积为9.543 8× 10⁸hm²，并且以每年1.0×10⁶～1.5×10⁶hm²的速度增长^[1]。我国盐渍化土壤面积大，约3.69×10⁷hm²，且分布广、类型多^[2]。随着世界人口的增加，人类的生产活动使土壤盐碱化日益加重^[3]。土壤的盐渍化严重影响植物正常的生长发育，会破坏植物生物膜的功能，影响植物的光合作用，造成植物生理代谢紊乱，加速植物的衰老和死亡，提前结束植物的生命进程^[4]。因此，筛选耐盐材料、研究耐盐植物的生理机制对于促进盐碱地的有效利用具有重要的意义。

豇豆属植物约150种，分布于热带地区。我国有16种、3亚种、3变种，产于东南部、南部至西南部^[5]。滨豇豆（Vigna marina）是豆科（Leguminosaesp.）豇豆属（Vigna）的多年生草质藤本，主要分布于我国的海南、广东、香港以及台湾。作为一种滨海盐生植物，滨豇豆耐盐、抗旱且结瘤能力强，不仅可以改良盐碱地，还能增强土壤肥力，而且茎叶富含蛋白质，是优质的豆科牧草^[6]。赤小豆（Vigna umbellata Ohwi et Ohashi）不仅具有良好的药用效果，而且适应能力较强，其种植对环境条件的要求不高，耐涝、耐旱、耐瘠薄，在黏土、沙土上都能正常生长，晚种早熟，生育期短，可以作为补种作物，栽培技术也简单^[7-8]。贼小豆（Vigna minima （Roxb.） Ohwi et Ohashi）具有较高的营养价值，氨基酸含量高且齐全，含有丰富的微量元素，根部具有大量根瘤菌，能够改良土壤结构，是我国宝贵的种质资源^[9]。野豇豆（Vigna vexillata Rich.）对重金属具有较高的富集能力，可以修复改良土壤，还能够作为食物添加剂，并且具有药用价值^[10]。闽南饲用（印度）豇豆（Vigna uniguiculata‘Minnan）对红壤土地的适应性强，作为一种优质的豆科牧草，不仅草的产量高、生长速度快，而且还耐旱耐酸和耐贫瘠，在改良土壤结构保持水土的同时，还可以做饲料和绿肥^[11]。绿豆（Vigna radiataWilczek）在我国分布广泛，种植历史悠久，营养品质高，具有药用价值^[12]。

目前我国对豇豆属植物耐盐性的研究大多集中于对绿豆的研究^[13-14]，系统地对我国豇豆属植物进行耐盐性综合评价的研究并不多。根据预试验的结果，本研究以300 mmol/L的NaCl模拟盐胁迫，研究其对豆科豇豆属6种植物叶绿素含量、叶片相对含水量、电导率、枯叶率及光合生理指标的影响，初步评价豇豆属植物的耐盐特性，为豇豆属种质资源耐盐性鉴定、耐盐种质培育和滨海盐碱地改良提供依据。

1.3  数据分析

采用Excel 2010软件对数据进行初步整理及作图，利用SPSS软件Duncan法在0.05水平上进行多重比较。用DPS v7.55软件对部分指标的耐盐指数进行相关分析、主成分分析（principal components analysis，PCA）。

2  结果与分析

2.1  NaCl胁迫对材料形态的影响

图1为NaCl胁迫6 d后的材料。从图1中可以明显看出，盐胁迫后材料对照与处理之后的差异，对照组的植物长势良好、叶片较为舒展、叶面积大，而处理组的材料除滨豇豆与闽南饲用（印度）豇豆外，其余材料均表现出不同程度的受胁迫症状，尤其是贼小豆，大部分叶片都萎蔫甚至死亡，叶片形态发生明显的变化。

2.2  NaCl胁迫对叶绿素含量的影响

如图2所示，滨豇豆、绿豆和闽南饲用（印度）豇豆对照组间的叶绿素含量无显著差异，且含量较高，与其他几份材料呈显著差异。与对照相比，9份材料处理组的叶绿素含量均降低，但不同材料下降的幅度不同，其中赤小豆2、赤小豆3与贼小豆的下降幅度较大，分别降低了49.0%、65.8%和50.3%，说明NaCl胁迫对这3份材料的叶绿素含量影响较大。NaCl胁迫6 d后，不同生态型的野豇豆间的叶绿素含量没有显著差异，不同生态型的赤小豆间的叶绿素含量同样没有显著差异。

2.3  NaCl胁迫对叶片相对含水量的影响

如图3所示，9份材料对照间的相对含水量不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

无显著差异;与对照相比，处理组的滨豇豆的相对含水量并没有显著差异;而其他材料叶片的相对含水量均降低，且差异显著，尤其是绿豆与贼小豆，分别下降了56.0%和59.0%。由此说明，NaCl胁迫对滨豇豆叶片的相对含水量影响并不大，对贼小豆和绿豆的影响较大。NaCl胁迫6 d后，不同生态型的野豇豆间的相对含水量没有显著差异，不同生态型的赤小豆间的相对含水量同样没有显著差异。

2.4  NaCl脅迫对质膜透性的影响

如图4所示，9份材料对照间的相对电导率无显著差异;与对照相比，9份材料的相对电导率均升高，滨豇豆的电导率虽然有所升高，但没有显著性差异;其他材料的电导率均升高，且差异显著。由此说明，NaCl胁迫对滨豇豆并没有太不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

大的影响，而对贼小豆的影响最大。NaCl胁迫6 d后，不同生态型的野豇豆间的相对电导率没有显著差异，不同生态型的赤小豆间的相对电导率同样没有显著差异。

2.5  NaCl胁迫对枯叶率的影响

如图5所示，NaCl胁迫6 d后，所有材料对照组长势良好，几乎无枯叶产生，而处理组如图5所示，滨豇豆并没有枯叶的产生，闽南饲用（印度）豇豆有极少的枯叶，贼小豆的枯叶率最高。滨豇豆和闽南饲用（印度）豇豆的枯叶率与其他材料呈显著差异。

2.6  相关分析及主成分分析

通过对上述4项指标的耐盐指数进行相关分析。结果表明，WLR与EL呈极显著正相关，与RWC、叶绿素含量呈显著负相关，与RWC的相关性最高，达0.92。RWC与EL间呈显著负相关，与叶绿素含量呈显著正相关（表2）。

对各指标的耐盐指数进行的主成分分析（PCA）表明，影响9份材料耐盐性的所有因子被主要分成2个主成分。这2个成分可以表示总变化的92.75%（表3）。2个主成分公式如下：

PC1=0.4926EL–0.5317RWC–0.4318Chlorophyll+0.5368WLR

PC2=0.4613EL–0.1674RWC+0.8648Chlorophyll+0.1065WLR

2.7  耐盐能力综合评价

利用模糊数学中的隶属函数法将这9份材料的耐盐能力按顺序排列出来。结果表明，耐盐能力最好的为滨豇豆，其次是闽南饲用（印度）豇豆，耐盐能力最差的为贼小豆（表4）。

2.8  NaCl胁迫对净光合速率的影响

如图6所示，9份材料对照组的净光合速率无显著差异。NaCl胁迫6 d后，9份材料的净光合速率均降低，滨豇豆的净光合速率虽然降低，但与对照相比并没有显著性差异，其他材料差异显著。其中，贼小豆的净光合速率下降了92.4%，差异极显著。NaCl胁迫对贼小豆净光合速率的影响最大，对滨豇豆的影响最小。不同生态型的野豇豆间的净光合速率没有显著差异，不同生态型的赤小豆间的净光合速率同样没有显著差异。

2.9  NaCl胁迫对胞间CO₂浓度的影响

如图7所示，NaCl胁迫6 d后，只有贼小豆的胞间CO₂对照与处理间存在显著的差异，与对照相比降低了15.4%，其余材料对照与处理见并没有显著的差异。由此可见，NaCl胁迫对贼小豆胞间CO₂的影响较大，对其他几种材料的影响较小。不同生态型的野豇豆间的胞间CO₂浓度没有显著差异，不同生态型的赤小豆间的胞间CO₂浓度同样没有显著差异。

2.10  NaCl胁迫对气孔导度的影响

如图8所示，9份材料对照组的气孔导度无显著差异。NaCl胁迫6 d后，9份材料的气孔导度均降低;滨豇豆的气孔导度虽然降低，但与对照相比并没有显著性差异，其他材料差异显著。其中，贼小豆的气孔导度下降了90.8%，差异极显著。NaCl胁迫对滨豇豆的气孔导度影响最小，其次是闽南饲用（印度）豇豆，影响最大的是贼小豆。不同生态型的野豇豆间的气孔导度没有显著差异，不同生态型的赤小豆间的气孔导度同样没有显著差异。

2.11  NaCl胁迫对蒸腾速率的影响

如图9所示，滨豇豆、闽南饲用（印度）豇豆、绿豆与贼小豆对照组的蒸腾速率无显著差异，且显著高于其他材料。NaCl胁迫6 d后，9份材料的蒸腾速率均降低，滨豇豆的蒸腾速率虽然降低，但与对照相比并没有显著性差异，其他材料差异显著。其中，贼小豆的气孔导度下降了97.3%，差异极显著。NaCl胁迫对贼小豆的蒸腾速率影响最大，对滨豇豆的影响最小。不同生态型的野豇豆间的蒸腾速率没有显著差异，不同生态型的赤小豆间的叶绿素含量同样没有显著差异。

2.12  NaCl胁迫对PSⅡ最大光化学效率的影响

如图10所示，9份材料对照组的最大光化学速率无显著差异。与对照相比，除滨豇豆与闽南饲用（印度）豇豆外，其余材料与对照相比均具有显著的差异，F_v/F_m均显著降低，尤其是贼小豆，其F_v/F_m为0。由此说明，NaCl胁迫对滨豇豆和闽南饲用（印度）豇豆的F_v/F_m并没有较大的影响，但对贼小豆的影响巨大。如图11也可明显看出，与对照相比，对滨豇豆F_v/F_m的影响最小，对贼小豆的影响最大。NaCl胁迫6 d后，野豇豆1的最大光化学效率显著高于野豇豆2，不同生态型赤小豆的最大光化学效率无显著差异。

2.13  NaCl胁迫对最大荧光产量的影响

如图12所示，与对照相比，9份材料的F_m

均降低，而除滨豇豆外，其他几种材料与对照相比均显著降低。由此说明，NaCl脅迫对滨豇豆F_m的影响较小，而对其他几种材料的影响较大。NaCl胁迫6 d后，不同生态型的野豇豆间的最大荧光产量没有显著差异，不同生态型的赤小豆间不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

2.14  NaCl胁迫对初始荧光的影响

如图13所示，绿豆对照组的初始荧光较低，与其他材料对照组呈显著差异。只有野豇豆和赤小豆3的对照和处理间存在显著性差异，野豇豆2和赤小豆3的初始荧光显著升高，其他材料均无显著性差异。说明NaCl胁迫对野豇豆和赤小豆的初始荧光影响较大，对其他几种材料的影响较小。

2.15  NaCl胁迫对PSⅡ非调节性能量耗散的影响

如图14所示，9份材料对照组的Y（NO）间无显著差异。与对照相比，9份材料的Y（NO）均升高，滨豇豆和闽南饲用（印度）豇豆对照与处理间并没有大的变化，而其余几分材料均呈现显著差异，说明NaCl胁迫对滨豇豆和闽南饲用（印度）豇豆的Y（NO）影响不大，对其余7份材料的影响巨大，且差异显著。NaCl胁迫6 d后，野豇豆2的Y（NO）显著高于野豇豆1，不同生态型赤小豆的Y（NO）无显著差异。

3  讨论

3.1  6种豇豆属植物的耐盐性评价

植物的耐盐性往往受到多种因素的影响、多种基因的控制，不同种之间的耐盐性差异较大，并且耐盐机制也各不相同，单一的指标都只能反映植物耐盐性的某一方面，因此可通过隶属函数将多个指标进行综合评价，来全面反映植物的耐盐性强弱^[21]。叶绿素含量、枯叶率、质膜透性和相对含水量等是评价植物耐盐性强弱的重要指标^[22]。

本研究表明，盐处理6 d后，贼小豆的叶绿素（Chl）含量显著降低，叶片相对含水量（RWC）、质膜透性（EL）和枯叶率（WLR）显著增加，而滨豇豆均没有显著差异;主成分分析、相关分析及隶属函数分析的结果表明，WLR与EL呈极显著正相关，RWC、Chl含量呈显著负相关，枯叶率和相对含水量的相关性最高，可以作为豇豆植物耐盐能力的筛选指标;主成分分析得到的2个主成分PC1和PC2，可以解释总变化的92.75%;隶属函数排名表明，耐盐能力最好的为滨豇豆，其次为闽南饲用（印度）豇豆，耐盐性最差的为贼小豆。6种豇豆属植物耐盐性评价的结果较为可靠。

3.2  盐胁迫对6种豇豆属植物光合特性的影响

光合作用是植物生长和能量产生的基础，植物的光合生理对环境的反应在一定程度上可以反映植物对盐胁迫的适应能力^[23]。光合作用通过光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ）将光能转化为化学能，其中PSⅡ对盐胁迫尤其敏感，在植物响应盐胁迫的过程中发挥重要作用^[24]。利用叶绿素荧光技术可以快速、方便地了解盐胁迫对植物PSⅡ的伤害程度^[25]。本研究中，NaCl胁迫6 d后，9份材料的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均降低，这与Kurban等^[26]、Parida等^[27]、姚佳等^[28]的研究結果相一致。本研究中，除滨豇豆外，9份材料的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率对照与处理间存在显著的差异，其中贼小豆均下降了90%以上。NaCl胁迫对9份材料F_v/F_m、F_m和PSⅡ非调节性能量耗散Y（NO）这3种指标的影响中，与对照相比，处理组的F_v/F_m和F_m均降低，PSⅡ非调节性能量耗散Y（NO）增加，这与前人结果研究一致^[29-30]，即高盐浓度下，试验材料叶片的PSⅡ反应中心原初光能转换效率降低，PSⅡ光化学活性和电子传递受到抑制，光化学能量转换和保护性的调节机制（如热耗散）不足以将植物吸收的光能完全消耗掉，导致植物受到伤害^[31-33]。而盐胁迫对F₀的影响中，有些材料增加，有些降低，这与前人研究结果相异，有待进一步探讨。滨豇豆对照与处理之间均没有显著性差异，说明6 d时高盐浓度对滨豇豆叶片的光抑制作用较小。野豇豆1与野豇豆2间最大光化学效率与非调节性能量耗散的差异可能与生态型间基因差异有关。综上所述，NaCl胁迫6 d后，滨豇豆的光合系统几乎没有损伤，贼小豆的光合系统遭到极大的破坏。

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