垂丝海棠应对盐碱复合胁迫的生理响应

贾旭梅,朱燕芳,王 海,吴玉霞,赵 通,程 丽,朱祖雷,王延秀

甘肃农业大学园艺学院, 兰州 730070

苹果(MalusdomesticaBorkh.)是世界性果品,也是我国重点果产区的支柱性产业[1]。西北黄土高原是我国最大的苹果优生区,但该区域70%以上的土壤为含NaCl与NaHCO3的高pH盐碱土壤,严重制约了其苹果产业的发展[2]。生产中常选用耐盐碱的优良砧木以缓和盐碱复合胁迫,因此研究耐盐碱砧木资源对盐碱地苹果产业的发展具有重要意义。

盐碱逆境对植物光合生理的影响已成为近年国内外专家研究的热点。许多研究表明,混合盐碱复合胁迫不是盐、碱两种胁迫的简单叠加,而具有一定的协同效应,植株不仅遭受盐胁迫产生的渗透伤害和离子毒害,还受碱胁迫引起的高pH影响[3]。Yang等[4]研究证实盐碱复合胁迫下,净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、叶绿素含量等光合参数随胁迫强度的增大而显著下降。孙璐等[5]指出,盐胁迫破坏了光系统II反应中心,使PSⅡ原初光能转换效率受到抑制,导致光能过剩,需要通过启动热耗散机制保护光合系统。此外,脯氨酸、可溶性糖、有机酸等是植物体内重要的渗透调节剂,李子英等[6]认为,盐柳幼苗通过大量积累脯氨酸和可溶性糖,加强渗透调节,缓解盐害。目前,关于植物耐盐性研究多集中于禾本科植物(玉米、小麦、燕麦),苹果属植物多以单一中性盐或碱性盐研究为主,盐碱复合胁迫的研究较少。

垂丝海棠(MalushallianaKoehen)又名倒挂珍珠,原产于甘肃河西走廊干旱、盐碱生境,具有较强的抗性。但其作为苹果砧木资源,在国外未见报道,国内仅见几篇零星生产应用的研究。本试验以2年生垂丝海棠为研究材料,模拟甘肃黄土高原地区pH 8.0—8.2的盐碱土,通过盆栽浇灌Hogland营养液的方法,研究混合盐碱复合胁迫下垂丝海棠叶片光合色素、光合参数、荧光参数以及渗透调节物质的变化,采用相关性和主成分分析综合评价垂丝海棠的耐盐性,旨在筛选胁迫的临界浓度,明确响应盐碱复合胁迫的生理机制,为垂丝海棠作为盐碱地优良砧木提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2016年3月将垂丝海棠(MalushallianaKoehne)发芽的种子播种在甘肃靖远,2017年3月移栽于重量为0.65 kg的花盆(内径25 cm,深38 cm)中,含3.5 kg基质(蛭石、珍珠岩和泥炭体积比为1∶1∶3),每盆1株,株高80—100 cm。并置于甘肃农业大学园艺学院避雨棚中进行统一管理,定期除草,浇水。

1.2 盐碱复合处理

于2017年5月20日,选取株高相似、叶片数相近的垂丝海棠50株进行胁迫处理。试验设计5种处理。分别为0 mmol/L(CK)(pH 6.8)、50 mmol/L(pH 8.2)、100 mmol/L(pH 8.2)、150 mmol/L(pH 8.2)、200 mmol/L(pH 8.2),每处理10株。CK组浇营养液,处理组浇营养液+混合盐碱(以中性盐NaCl和酸式盐NaHCO3按摩尔比1∶1混合)。为避免盐激反应,处理浓度按50 mmol/L每天递增,待全部处理达到设定浓度后,开始计算胁迫时间。每隔3 d,17:00—18:00定期浇灌500 mL Hoagland营养液。于胁迫0、20、40 d时选取位于植株中上部的功能叶进行各项指标测定,并在40 d,拍摄照片。

1.3 测定指标及方法

1.3.1光合特性指标测定

选取位于第5—6节位(从顶部向下数)功能叶,利用Li- 6400光合仪(LI-COR公司,美国)于晴天9:00—11:00测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)及胞间CO2浓度(Ci),重复5次。按公式计算：水分利用效率(WUE)=Pn/Tr。

同上,采用IMAGING-PAM叶绿素荧光仪和Imaging WinGegE软件(Walz,Effeltrich,德国)测定初始荧光(F0),最大光化学效率(Fv/Fm),表观光合电子传递速率(ETR)、PSII实际化学效率(ΦPSII),调节性能量耗散(Y(NPQ)),非调节性能量耗散(Y(NO)),光化学猝灭系数(qP)和非光化学荧光淬灭系数(qN)。

于光合荧光参数测定后,采集叶片并洗净擦干其表面污物,并去掉叶脉。称取0.2 g,剪碎置于玻璃试管中,加入10 mL 80%的丙酮进行24 h避光提取,在波长440、645 nm和663 nm下测定吸光度,根据公式计算：叶绿素a(Chl a)=12.21A663-2.81 A646、叶绿素b(Chl b)=0.13A646-5.03A663、类胡萝卜素(Car)=(1000A470-3.27Ca-104 Cb)/229的含量。

1.3.2生理指标测定

叶片从植株上用剪刀分离,称取鲜重后放入牛皮纸袋,再放入烘箱 105℃杀青 1h,在 80℃下烘干至恒重后称取干重,根据公式计算：叶片含水量 (WC) =(叶片鲜重-叶片干重)÷ 叶片鲜重 ×100%。电解质外渗率采用相对电导率法[7]；游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮法[8]、可溶性糖含量采用蒽酮显色法[9]。

称干样0.1 g,加2 mol/L HNO3和70%乙醇研磨成匀浆,倒入离心管。浸泡15 min,搅拌。离心 10 min 3000 r/min,取上清液。为中和HNO3,加 300 μL 冰醋酸和1 mL 20%醋酸铅,混匀,放置半个小时,3000 r/min 离心 10 min。保留沉淀,用2.5 mL 70%乙醇冲洗倒入离心管搅拌洗涤沉淀,离心。向沉淀中加入10 mL 1%Na2CO3溶液,搅拌、离心,上清液倒于三角瓶中,并加入3 mL氨缓冲液、5 mL 0.1mol/L EDTA-Na2溶液,用0.01 mol/L MgSO4滴定至蓝绿色变为酒红色为止。用0.01 mol/L MgSO4滴定5 mL 0.1mol/L EDTA-Na2溶液。根据公式计算：有机酸含量(mmol/g DW)=(a-b)×K/DW。式中K：MgSO4当量浓度；DW：干样重(g)；a：用0.01 mol/L MgSO4滴定5 mL 0.1 mol/L EDTA-Na2所用体积(m L)；b：用0.01 mol/L MgSO4滴定样品溶液所用体积(mL)。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0软件进行单因素Duncan检验方差分析、相关性分析及主成分分析,使用Origin 9.0软件制图,Imaging WinGegE软件选取荧光图片。

2 结果与分析

2.1 盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片光合色素含量的影响

叶绿素含量的高低在一定程度上反映了植物光合潜力的大小。如图1所示,随着盐碱复合胁迫时间的延长,垂丝海棠叶片的Chl a、Chl b、Chl T含量均呈降低趋势,而Car升高。其中,胁迫20 d时,除200 mmol/L盐浓度处理外,其他各浓度处理组的Chl a含量均与CK无显著差异(P>0.05)；而Chl b和Chl T含量在各处理组下均显著低于CK(P<0.05),且盐浓度为150 mmol/L时,叶片Chl b和Chl T含量均达到最大值。胁迫40 d后,Chl a、Chl b、Chl T含量均随着盐浓度的增加而降低,且与CK差异显著(P<0.05),Chl T含量依次比CK降低了34.51%、46.47%、48.12%、53.06% (图1)；而Car含量随着盐浓度的增加而增加,在浓度大于50 mmol/L时,叶片Car含量显著升高(P<0.05),且三者间无明显差异(P>0.05)(图1)。

图1 盐碱复合胁迫对垂丝海棠幼苗光合色素含量的影响Fig.1 Effects of saline-alkali combined stress on photosynthetic pigment contents of M. halliana leaves 不同小写字母表示在0.05水平上显著差异

2.2 盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片光合参数的影响

由表1可得,随着胁迫时间的延长,Pn、Gs、Ci、Tr、WC均降低,而WUE呈升高趋势。其中,胁迫20 d时,垂丝海棠叶片的Pn、Gs、Ci、Tr均随着盐浓度的增加而降低,且与CK差异显著(P<0.05),并在盐浓度为200 mmol/L时各指标均降至最低值。胁迫40 d后,光合参数急剧降低,与CK相比,Pn依次降低了22.49%、45.10%、57.29%、62.75%；Gs依次降低了31.44%、59.64%、78.15%、84.95%。WC和WUE随着盐浓度的增加先升高后降低,且均在100 mmol/L时达到最大值,与CK相比,WC相对CK仅降低了10.18%,WUE升高了26.39%,且与其他处理组差异达显著水平(P<0.05)。

表1 盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片光合参数的影响

同一列的数据,其后小写字母不同,表示处理间在0.05水平差异显著

2.3 盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片荧光参数的影响

2.3.1对F0、Fv/Fm、ETR及ΦPSII的影响

如图2所示,随着盐碱复合胁迫时间的延长,垂丝海棠叶片的F0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII均呈降低趋势。其中,胁迫20 d,F0和ETR在浓度为50 mmol/L时显著降低,Fv/Fm在盐浓度大于100 mmol/L时开始显著降低,而ΦPSII在盐浓度大于50 mmol/L时开始显著降低。胁迫40 d后,F0随着浓度的增加呈先降低后升高的趋势,在盐浓度大于100 mmol/L时急剧升高,显著大于CK(P<0.05),依次增加了20.44%、25.64%。Fv/Fm、ETR和ΦPSII均随着浓度的增加而降低。与CK相比,各处理组的Fv/Fm依次降低了8.26%、7.78%、11.33%、22.54%,且在浓度50、100、150 mmol/L时,Fv/Fm差异不显著(P>0.05)(图2)；ETR依次降低了19.74%、28.5%、33. 18%、40.65%(图2)；ΦPSII依次降低了20.48%、26.77%、31.84%、32.74%(图2)。

图2 盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片F0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII含量的影响Fig.2 Effects of saline-alkali combined stress on F0、Fv/Fm、ETR and ΦPSII of M. halliana leaves

2.3.2盐碱复合胁迫对垂丝海棠Y(NPQ)、Y(NO)、qP及qN的影响

从图3和图4可以看出,随着盐碱复合胁迫时间的延长,垂丝海棠叶片的Y(NPQ)、Y(NO)、qN总体均呈升高趋势,而qP呈降低趋势。其中,胁迫20 d时,Y(NPQ) 和Y(NO) 随着盐浓度的增加而升高,2个参数分别在盐浓度大于50、100 mmol/L时开始显著升高。qN在盐浓度为50 mmol/L时显著低于CK(P<0.05),而浓度大于100 mmol/L时开始显著升高(图3-H)。胁迫40 d后,Y(NPQ)和qN随着盐浓度的增加先升高后降低,在浓度100 mmol/L时,均达到最大值,相对CK分别增加了63.52%、25.77%(图3)。Y(NO)随着盐浓度的增加而升高,且均显著高于CK(P<0.05),并在浓度大于100 mmol/L时急剧升高(图3)。而qP呈降低趋势,依次比CK降低了10.85%、17.57%、25.19%、40.25%(图3)。

图3 盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片Y(NO)、Y(NPQ)、qP及qN含量的影响Fig.3 Effects of saline-alkali combined stress on Y(NO)、Y(NPQ)、qP and qN of M. halliana leaves

2.4 盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片电解质渗透率及渗透调节物质的影响

叶片电解质渗透率的高低直接反映了细胞膜稳定性的大小。从图5可以看出,随着盐碱复合胁迫时间的延长及浓度的增加,垂丝海棠叶片各处理组的电解质渗透率均呈升高趋势。其中,胁迫20 d,电解质渗透率在盐浓度大于50 mmol/L时显著升高(P<0.05)。胁迫40 d 后,与CK相比,各处理组电解质渗透率显著升高,且在盐浓度大于100 mmol/L时急剧升高,依次比CK升高了68.21%、70.93%。同时,盐碱复合胁迫下垂丝海棠叶片表现出明显的盐害,150 mmol/L时,大量叶片变黄,部分叶片开始萎蔫；200 mmol/L时,叶片全部变黄萎蔫(图6)。

由图5可知,随着胁迫时间的延长,垂丝海棠叶片的脯氨酸、可溶性糖、有机酸含量呈升高趋势。其中,胁迫20 d时,随着盐浓度的增加,叶片脯氨酸、可溶性糖、有机酸含量有不同程度的积累。脯氨酸含量在浓度大于100 mmol/L时开始显著积累,可溶性糖、有机酸含量均在盐浓度为50 mmol/L时显著积累(P<0.05)；胁迫40 d后,叶片脯氨酸、可溶性糖、有机酸含量随浓度的增加呈先升高后降低趋势,脯氨酸、有机酸含量均在盐浓度150 mmol/L时达到最大值,相对CK分别增加了41.50%、27.91%,可溶性糖含量在盐浓度100 mmol/L时达到最大值,相对CK增加了35.35%。

2.5 垂丝海棠耐盐碱能力评价

2.5.1相关性分析

将垂丝海棠混合盐碱胁迫后的各项指标进行相关性分析,得到相关系数矩阵。从表2和表3可以看出,植株的Pn与Gs、Ci、ETR、ΦPSII呈极显著正相关(P<0.01),与Tr、WC、qP、Chl a呈显著正相关(P<0.05),与电解质渗透率、脯氨酸、Y(NO)呈显著负相关(P<0.05)。

图4 盐碱复合胁迫下垂丝海棠叶片Y(NO)、Y(NPQ)、qN及qP的变化Fig.4 Changes of saline-alkali combined stress on Y(NO)、Y(NPQ)、qN and qP of M. halliana leaves

2.5.2主成分分析

对垂丝海棠盐碱复合胁迫下的21个指标进行主成分分析,提取特征值>1的3个主成分,其特征值分别为13.648、4.758、1.050,累计方差贡献率达到97.281%,符合分析要求。表4显示,第一主成分(PC1)综合了Pn、Gs、Ci、Tr、WC、电解质渗透率、脯氨酸、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car等指标的信息,第二主成分(PC2)综合了WUE、可溶性糖、Y(NPQ)、qN指标的信息。综合得分(F)是每个主成分得分与对应贡献率乘积之和,即F=F1×68.241%+F2×23.790%+F3×5.250%。由表5可知,垂丝海棠在不同盐浓度处理下的综合得分分别为0.603、0.536、0.428、-0.647、-0.921。

3 讨论与结论

3.1 垂丝海棠响应盐碱复合胁迫的光合特性

叶绿素是主要的光合色素,对光能的吸收、传递及转化起着重要的作用[4]。本试验结果表明,随着胁迫时间的延长及盐浓度的增大,Chl T含量呈降低趋势,说明盐碱复合胁迫抑制了Chl T的合成。这可能是根系中高pH破坏了离子的吸收和转运,影响了叶片对Mg2+的吸收,使叶绿素的合成受阻,从而打破叶绿素合成与降解的动态平衡[10]。Stepien等[11]对黄瓜的研究发现,一定低浓度的盐碱复合胁迫能促进叶绿素的合成,而高浓度的盐碱复合胁迫使叶绿素的合成受阻。可见,盐碱复合胁迫下叶绿素含量的变化因植物不同而异。此外,Chl b含量在胁迫20 d时显著降低,而Chl a在胁迫40 d时显著降低,说明不同色素对盐碱复合胁迫的敏感性存在差异,Chl b对胁迫的反应更为敏感。前人的研究表明,叶绿素酶催化Chl b的降解,对Chl a的影响较小[12],这也可能是中期胁迫(20 d),Chl b 含量显著降低的原因。而长期胁迫(40 d)下,Chl a、Chl b含量均显著下降,这说明叶绿体的结构可能受到了破坏。Jia等[13]研究认为,叶绿素是植物进行光合作用的物质基础,且其含量的高低能反映植物光合作用的强弱,本试验相关性分析表明,Pn与Chl T呈显著正相关,说明垂丝海棠叶绿素含量的降低是光合作用受到抑制的主要原因。曹刚等[14]研究证实,类胡萝卜素是叶绿体光合天线的辅助色素,能以非辐射的方式耗散光系统Ⅱ(PSⅡ)的过剩能量以保护叶绿素免受破坏。本研究中,盐碱复合胁迫促进了Car的合成,而相关性分析表明,Car与Pn无显著相关性,说明垂丝海棠叶片Car的升高可能与过剩光能的热耗散保护机制有关。

图5 盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片电导率及渗透调节物质的影响Fig.5 Effects of saline-alkali combined stress on electrolyte leakage and osmolytes of M. halliana

图6 混合盐碱复合胁迫对垂丝海棠叶片的影响Fig.6 Effects of saline-alkali combined stress on M. halliana leaves

PnGsCiTrWCWUE电解质渗透率脯氨酸可溶性糖有机酸Pn1Gs1∗∗1Ci0.992∗∗0.989∗∗1Tr0.951∗0.949∗0.954∗1WC0.877∗0.887∗0.8090.7851WUE0.090.1030.026-0.2110.3391电解质渗透率Electrolyte leakage-0.950∗-0.956∗-0.91∗-0.832-0.956∗-0.3641脯氨酸Proline -0.912∗-0.91-0.937∗-0.824-0.675-0.1610.8561可溶性糖Soluble sugar 0.2840.2960.214-0.0120.5260.977∗∗-0.541-0.31有机酸Organic acids-0.445-0.445-0.498-0.569-0.1430.4420.2950.60.3941PnF0Fv/FmETRΦPSIIY(NPQ)Y(NO)qPqNChl TCarPn1F0-0.5301Fv/Fm0.854-0.6541ETR0.983∗∗-0.4700.899∗1ΦPSII0.965∗∗-0.3780.8210.984∗∗1Y(NPQ)0.241-0.949∗0.4220.1780.0901Y(NO)-0.883∗0.865-0.885∗-0.848-0.784-0.6651qP0.938∗-0.6790.973∗∗0.946∗0.8770.421-0.939∗1qN0.482-0.959∗0.7070.4710.3870.923∗-0.8250.6711Chl T0.950∗-0.3230.8260.982∗∗0.996∗∗0.03-0.7480.8700.3441Car-0.8260.552-0.586-0.721-0.664-0.3120.77-0.751-0.355-0.6331

*在0.05水平上显著相关; **在0.01水平上显著相关;Pn: 净光合速率;Gs: 气孔导度;Ci: 胞间CO2浓度;Tr: 蒸腾速率; WC: 叶片含水量; WUE: 水分利用效率;F0:初始荧光initial fluorescence;Fv/Fm:最大光化学效率maximal photochemical efficiency; ETR:表观光合电子传递速率photosynthetic electron transport rate; ΦPSII:实际化学效率actual photochemical efficiency; Y(NPQ):调节性能量耗散regulatory energy dissipation; Y(NO):非调节性能量耗散non regulatory energy dissipation; qP:光化学猝灭系数photochemical quenching coefficient; qN:非光化学荧光淬灭系数non photochemical quenching coefficient; Chl T:总叶绿素Total chlorophyll;Car: 类胡萝卜素carotenoids

表3 主成分分析旋转后的成分载荷矩阵

表4 垂丝海棠不同盐碱复合处理的综合得分及其排名

一般认为,Pn降低主要受气孔和非气孔因素的影响[15]。大量的研究表明,限制光合作用的因素随着盐碱浓度的变化而动态变化,气孔导度是限制低盐胁迫下Pn降低的主导因素,而非气孔因素是影响高盐胁迫下Pn降低的主导因素[16- 17]。盐碱复合胁迫下,随着胁迫时间的延长及盐浓度的增大,垂丝海棠叶片Pn、Gs、Ci、Tr均呈降低趋势。根据Farquhar和Sharkey[18]的观点Ci、Gs同时降低表示Pn降低是由气孔因素引起,这说明气孔导度可能是限制垂丝海棠叶片Pn降低的主要原因。本研究认为,气孔导度的变化可能是碱性盐引起的高pH刺激垂丝海棠根系产生物理或化学信号,从而影响了叶片气孔导度和气体交换,这与Liu和Shi[19]研究结果一致。而Yang等[4]人的研究证实,Gs降低是盐碱复合胁迫下植物对叶片WC降低的一种适应性响应,Gs降低可以减少水分的散失,Tr降低有助于植物体维持水分平衡,减少盐分的运输,降低盐分对叶片的毒害作用[20]。相关性分析表明,Pn与Gs呈极显著正相关(P<0.01),与Tr、WC呈显著正相关(P<0.05),这表明Gs和Tr的降低是垂丝海棠适应盐碱复合胁迫的重要机制,且WC的降低也是影响垂丝海棠Pn降低的原因。此外,随着胁迫时间的延长,垂丝海棠叶片WC逐渐降低,而WUE逐渐升高,这表明植物可能通过降低WC,提高WUE来抵抗胁迫,WUE增加可能是植物响应叶片含水量降低一种适应性反应,对植物长期存活在胁迫环境下有重要意义。这与前人的研究结果一致[21]。本研究中,随着盐浓度的增加,WC、WUE均在盐浓度100 mmol/L时,达到最大值,这与主成分研究结果不一致,说明100 mmol/L盐碱处理是垂丝海棠适应胁迫的临界点,也说明耐盐碱能力不能凭单个指标判断,而应对多个指标进行综合评价。

3.2 垂丝海棠响应盐碱复合胁迫叶绿素荧光特性

叶绿素荧光参数可直接反映胁迫对光合作用的内在影响,F0、Fv/Fm的变化可推断反应中心的变化情况和可能的光保护机制[22]。本试验表明,随着胁迫时间的延长及盐浓度的增大,垂丝海棠叶片的F0、Fv/Fm、ETR和ΦPSII均逐渐降低,且显著低于CK,说明盐碱复合胁迫破坏了光合系统,减弱了光能利用率,抑制了光合电子传递活性。有研究表明,PSⅡ天线色素的热耗散常导致F0降低,PSⅡ反应中心的破坏或可逆失活则引起F0的增加,Fv/Fm是衡量光抑制程度的重要指标,可作为反映PSⅡ活性中心光能转换效率的参数,Fv/Fm降低表明叶片的PSII反应发生光抑制,导致光能的利用能力减弱[23- 24]。垂丝海棠在胁迫20 d,盐浓度大于100 mmol/L时,Fv/Fm、F0显著降低,说明此时发生了明显的光抑制,但PSⅡ反应中心未受损伤；而胁迫40 d后,盐浓度大于100 mmol/L时,F0显著增加,说明此时类囊体膜结构发生变化,PSⅡ反应中心遭受破坏[25]。这可能是胁迫中期垂丝海棠通过增加热耗散来保护PSⅡ反应系统,而胁迫后期,失去了自我保护能力,导致F0急剧增加,且100 mmol/L盐碱处理可能是PSⅡ反应中心通过热耗散进行自我保护的临界点。本试验发现,垂丝海棠叶片qP、ETR和ΦPSII均显著降低,说明盐碱复合胁迫抑制PSII光合活力,使光合电子传递受阻,叶片光化学效率降低,从而影响了光合作用[26]。相关性分析表明,ETR、ΦPSII与Pn呈极显著正相关,qP与Pn呈显著正相关,说明ETR、ΦPSII、qP与光合作用密切相关,其活性的大小是判断植物耐盐碱能力的重要指标。

植物遭受盐碱复合胁迫后,光化学能量的转化受到抑制,使PSII反应中心天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递,需要通过启动保护性调节机制(热耗散)耗散过剩的光能,避免光合器官受到损伤[27]。Y(NPQ)、qN等叶绿素荧光参数可反映植物耗散过剩光能为热的能力,是一种自我保护机制,对光合机构起一定的保护作用[26]。盐碱复合胁迫下,随着胁迫时间的延长及浓度的增大,垂丝海棠叶片的Y(NPQ)、Y(NO)、qN总体升高,而qP降低,说明盐碱抑制垂丝海棠叶片的光合能力,使其接受的光能过剩,需要通过热耗散等调节方式来保护自身[28]。本研究发现,胁迫40 d后,Y(NPQ)、qN在盐浓度100 mmol/L时达到最大值,之后随盐浓度增大,而急剧降低,显著低于CK,说明垂丝海棠在适宜的胁迫时间及盐浓度下,启动热耗散保护机制来抵御盐碱的危害,超过一定的限度,迅速失去自我保护能力,开始受到损伤；且盐浓度100 mmol/L是垂丝海棠叶片PSII开始失活或被破坏的临界点[29],这与F0的变化一致。Y(NO)是植物光损伤的重要指标,其数值升高说明植物光合器官受到了损伤。本试验中,垂丝海棠叶片在胁迫40 d后,盐浓度大于100 mmol/L时,数值迅速升高,这说明盐浓度100 mmol/L为光合系统受到破坏的转折点,这也证实了前面F0、Y(NPQ)、qN得出的结论。而相关性分析表明,垂丝海棠Pn与Y(NPQ)、qN无相关性。叶黄素循环也是耗散过剩光能的重要途径,对燕麦[30]研究证实,盐胁迫下,PSⅡ电子传递活性下降,减少了NADPH和ATP的合成和需求,抑制H+的跨类囊体转运,从而刺激了叶黄素循环保护机制。本研究中,ETR和ΦPSII显著降低,Car含量升高,说明盐碱复合胁迫下,垂丝海棠叶片也启动了叶黄素循环能量耗散机制来保护光合系统。这与张会慧等[31]研究结果一致。

3.3 垂丝海棠响应盐碱复合胁迫渗透调节特性

细胞膜对于维持胞内代谢环境的稳定具有重要的意义。电解质渗透率可以反应植物细胞在逆境条件下透性变化和细胞膜受损伤的程度,电解质渗透率含量越高,说明植物受伤害的程度越大[32]。本研究表明,垂丝海棠叶片的电解质渗透率随着胁迫时间的延长及盐浓度的增大而急剧升高,说明盐碱复合胁迫破坏了垂丝海棠叶片的细胞膜,导致渗透物质外流,从而引起电导率上升。Dinneny[33]认为,盐碱复合胁迫下离子吸收平衡受阻,使Na+浓度升高,对细胞产生专性毒害作用,从而引起电解质渗透率升高,而王佺珍等[34]研究证实,电解质渗透率升高是由于盐碱复合胁迫下,细胞内的渗透势升高,使各种膜系统产生渗透胁迫,从而破坏了膜结构的稳定性。有研究表明,细胞膜结构的稳定是植物正常进行光合作用的保障。由此可见,盐碱复合胁迫下,电解质渗透率的大小是判断垂丝海棠耐盐碱能力的重要指标,这与相关性研究结果一致。

渗透调节作用是植物抵御逆境的重要生理机制,植物可通过合成渗透调节物质(脯氨酸、可溶性糖、有机酸等)来调节细胞渗透平衡以增加自身的耐盐碱性,从而缓解盐碱复合胁迫对植物造成的伤害[35]。本研究中,随着胁迫时间的延长,垂丝海棠叶片的脯氨酸、可溶性糖、有机酸含量大体均呈升高趋势,说明垂丝海棠可通过积累渗透调节物质来抵抗盐碱复合胁迫,这与前人的研究结果一致。胁迫40 d后,可溶性糖、有机酸含量在高盐浓度下急剧降低,说明垂丝海棠的渗透物质代谢系统受到破坏。这可能是胁迫后期由于碱性盐引起的高pH严重影响了叶片生理代谢活动,使其相关酶的合成受阻,这与刘铎等[36]研究结果相似。有研究表明,脯氨酸的积累是植物响应盐碱复合胁迫的一种信号,也是自身出现的一种防御性行为,本试验中,垂丝海棠叶片的脯氨酸含量在低盐浓度下没有积累,而在高盐浓度下大量积累,这与Yang等[37]研究结果一致。说明脯氨酸不是渗透胁迫的产物,而是胁迫程度的产物。这可能是垂丝海棠对盐碱复合胁迫具有一定的耐受性,当超过耐受范围时大量积累脯氨酸,缓解盐碱复合胁迫带来的伤害,直至承受不住高盐高碱的胁迫作用而死[6]。相关性分析表明,垂丝海棠Pn与脯氨酸呈显著负相关,与可溶性糖、有机酸无显著相关性,这说明脯氨酸含量可以评价垂丝海棠的耐盐碱能力。

3.4 垂丝海棠耐盐碱能力综合评价

植物的耐盐碱性与多个因素相关,指标单一化很难真实准确反映植物耐盐碱的实质,因此用多个指标进行植物耐盐碱能力的综合评价是必要的。本试验以垂丝海棠的21个相关指标为依据,对其进行相关性及主成分分析。结果表明,植株的Pn与Gs、Ci、ETR、ΦPSII呈极显著正相关关系(P<0.01),与Tr、WC、qP、Chl T呈显著正相关关系(P<0.05),与电导率、脯氨酸、Y(NO)呈显著负相关关系(P<0.05)。因此,可用Gs、Ci、ETR、ΦPSII、Tr、WC、qP、Chl T、电导率、脯氨酸、Y(NO) 等指标来评价垂丝海棠的耐盐碱能力。主成分研究结果表明,第一主成分(PC1)综合了Pn、Gs、Ci、Tr、WC、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car、电解质渗透率、脯氨酸等指标的信息,第二主成分(PC2)综合了WUE、Y(NPQ)、qN、可溶性糖、有机酸指标信息。第一主成分中,Pn、F0、Fv/Fm、ETR、ΦPSII、Y(NO)、qP、Chl T、Car、电解质渗透率是损伤的重要指标,Gs、Ci、Tr、WC是调节光合作用的重要指标,脯氨酸是重要的渗透调节指标,这说明垂丝海棠主要通过降低Gs、Ci、Tr、WC和大量积累脯氨酸来适应盐碱复合胁迫；第二主成分中,WUE是节水指标,可溶性糖、有机酸是渗透调节指标,Y(NPQ)、qN是热耗散保护指标,这说明垂丝海棠还通过提高WUE、大量积累可溶性糖和有机酸、启动热耗散机制来抵御盐碱危害。此外,从主成分分析结果可得出,垂丝海棠在盐浓度大于100 mmol/L时,综合得分显著下降,说明垂丝海棠具有一定的耐盐碱性,在50—100 mmol/L混合盐碱条件下可以正常生长,盐浓度>150 mmol/L条件不适宜生长(图6)。

4 结论

低盐碱复合胁迫下(50、100 mmol/L),垂丝海棠叶片主要通过降低Gs、Ci、Tr、WC,提高WUE、大量积累渗透调节物质、启动热耗散机制来保持光合系统伤害与修复的动态平衡。高浓度(150、200 mmol/L)胁迫下动态平衡被打破,光合系统受到破坏,叶片失水萎蔫、干枯变黄,甚至死亡。PCA和相关性分析表明,盐浓度100 mmol/L为耐盐碱阈值,Gs、Ci、Tr、WC、Chl T、ETR、ΦPSII、qP、Y(NO)、电解质渗透率、脯氨酸等指标可以评价垂丝海棠的耐盐碱能力。