盐胁迫对2个八棱海棠株系生长与光合荧光特性的影响

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（1.河北省农林科学院 a.滨海农业研究所；b.河北省盐碱地绿化技术创新中心，河北 唐山 063299；2.国家林业和草原局盐碱地中心，北京 100091；3.河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071001）

土壤盐渍化已成为全球重要的资源与环境问题，每年造成全球农业减产超过273 亿美元[1]。我国盐渍化土壤面积近1 亿hm2，由于工业污染、不合理的农业灌溉、施肥等原因引起的次生盐渍化土壤面积仍在不断扩大[2]，导致现今人口增长与耕地减少的矛盾日益突出，盐渍土特别是滨海盐渍土作为一种重要的土地后备资源，亟待开发利用[3]。前人研究表明，与工程避盐、化学治盐相比，生物治盐，即利用耐盐植物尤其是耐盐林木，改良盐渍土，具有投资小、适用范围广、可持续性强等优点，已成为盐渍化土壤改良与利用的有效途径，越来越引起人们的重视[4-5]。因此，筛选、培育耐盐林木资源，研究其耐盐机理对于开发利用滨海盐渍土资源、缓解土地资源短缺具有重大理论和现实意义。

八棱海棠Malus robustaRehd.又名怀来海棠，属蔷薇科仁果亚科西府海棠种，是我国栽培历史悠久的树种之一。八棱海棠根系发达，植株强壮，具有抗寒、抗旱、耐盐碱、耐贫瘠等特点，是传统的苹果砧木[6]。另外，八棱海棠树姿优美、开花量大，色彩丰富，观赏价值极高，因此，成为园林绿化、美化的常用树种[7]。前人对八棱海棠进行了大量的研究，大多集中在比较八棱海棠与其他苹果砧木的抗逆性方面[8-10]，均得出八棱海棠相较于其他苹果砧木具有更强的抗逆性。八棱海棠为高度杂合种，在生产上多采用实生繁殖，常会产生广泛的性状分离现象。林冰冰等[11]在对苹果实生砧木种质资源耐缺铁和耐盐碱性评价研究中发现八棱海棠重要抗性的遗传多样性不仅存在于居群间，甚至株系间也存在显著差异。宗鹏鹏等[12]以八棱海棠实生苗材料进行不同浓度的盐碱胁迫，亦得出八棱海棠实生苗中存有广泛的抗性分离现象，存有极强的耐盐植株，是优异的耐盐碱型种质资源。综上所述，八棱海棠是一种抗逆性较强的林木，株系内存有广泛的抗性分离现象，有极强的耐盐植株，但关于极强耐盐株系的耐盐机理的研究尚未见报道。在众多被盐胁迫抑制的细胞机能中，光合作用是植物对盐胁迫响应最敏感的生理过程，在其他植物上已有不少报道[13-14]，关于盐胁迫对八棱海棠株系光合特性的影响的研究却鲜见报道。

本研究分别以耐盐类型的八棱海棠[7]（编号为NY）及普通类型的八棱海棠（编号为PT）植株组培出的无性系苗为试材进行盐胁迫试验，通过研究盐胁迫下2 株系的生长、叶片光合、叶绿素荧光参数的变化情况，确定2 株系的耐盐阈值并揭示2 株系在盐胁迫下光合荧光的变化规律，以期为八棱海棠在盐渍地区的应用提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为同期增殖、生根、炼苗后长势相对一致，已移栽至营养钵中的2月龄八棱海棠耐盐植株（NY）与普通植株（PT）的组培苗。

1.2 试验设计

试验于2019年9—10月在河北省农林科学院滨海农业研究所耐盐鉴定池内进行，采用盆栽过量灌溉盐溶液的方法，将长势相对一致、高12 cm 左右的2 种无性系幼苗移栽至装有蛭石和草炭混合基质（体积比1∶1）的上口径和高分别为28 与30 cm 的聚乙烯塑料花盆内，每盆4 棵，每个株系栽植21 盆，放于遮阳棚内缓苗。每天过量浇灌Hoagland 营养液并进行日常养护管理。缓苗10 d 后，每个株系挑选生长表现良好且相对一致的18 盆幼苗用于盐胁迫试验。试验采用完全随机区组设计，以Hoagland 营养液为基础液配制6 个质量浓度（0、2、4、6、8、10 g/L）的NaCl 溶液，每处理3 盆（即3 个重复，每个处理共计12 株苗），每天过量灌溉相应NaCl 质量浓度的Hoagland 营养液，盐胁迫处理40 d 后结束试验。

1.3 测定方法

1.3.1 生长指标的测定

盐胁迫处理前测量并记录每处理植株的株高H0（用卷尺测量）和地径D0（用数显游标卡尺测量），试验结束后再次测量并记录植株的株高和地径。用电子天平称量植株地上鲜质量。

1.3.2 光合色素含量的测定

采集距植株主干顶部第5 ～6 片功能叶片带回实验室，用乙醇提取、分光光度计测定吸光值法[15]，测定各处理叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量和总叶绿素含量。

1.3.3 光合参数的测定

在晴朗无风的09:00—11:00 采用LI-6400 便携式光合仪的标准叶室，设定红蓝LED 光源，光强设为1 000 µmol/(m2·s)，开放式气路，流速设定为500 μmol·s-1。测定距植株主干顶部5 ～6 片功能叶片的净光合速率（Pn）、叶片气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）等光合指标，每处理各测定6个叶片。按下式[16]计算气孔限制值（Ls）：

Ls=(Ca-Ci)×100%/Ca。

式中：Ca为大气CO2浓度。

1.3.4 叶绿素荧光参数的测定

采用LI-6400 便携式光合仪的荧光叶室测定各处理叶片的叶绿素荧光参数，叶片选择同1.3.3。叶片经暗处理30 min 后，测定初始荧光（F0）、最大荧光（Fm）；光活化30 min 后，测定光适应下的最小荧光（F0′）、最大荧光（Fm′）、稳态荧光（Fs）、电子传递效率（ETR），每处理各测定6 个叶片。计算最大光化学效率（Fv/Fm）、实际光化学量子效率（ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）、非光化学淬灭系数（NPQ）。

1.4 数据统计与分析

试验所得数据采用SPSS 19.0 软件进行oneway ANOVA 方差分析，并用Duncan 方法进行多重比较，用Excel 软件作图。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗生长的影响

不同浓度盐胁迫对八棱海棠幼苗生长指标的测定结果见表1。由表1可知，随着NaCl 质量浓度的增加，2 株系的株高增量、地径增量及地上鲜质量均呈现下降的趋势。当NaCl 质量浓度为4 g/L时，与对照相比，2 株系的株高增量、地径增量及地上鲜质量均显著下降。随着NaCl 质量浓度的继续增加，各生长指标值进一步减少，当NaCl 质量浓度为8 g/L 时，NY 株系的上述生长指标比对照分别减少59.38%、55.62%、70.36%，PT 株系上述生长指标较对照分别减少83.72%、83.33%、84.01%。当NaCl 质量浓度为10 g/L 时，PT 株系各幼苗全部胁迫致死。高盐（8 g/L）胁迫条件下，2 株系幼苗生长均受到较严重的抑制，PT 株系受抑制程度高于NY 株系。

表1 不同浓度盐胁迫对八棱海棠幼苗生长的影响†Table1 Effects of salt stress at different concentrations on the growth of two strains of Malus robusta Rehd.

耐盐阈值是指植株生长量为对照植株生长量1/2 时的盐浓度，以植株地上鲜质量为因变量（y），以NaCl 质量浓度为自变量（x），通过曲线估计，建立两种海棠的回归方程，结果表明，耐盐海棠植株鲜质量与NaCl 质量浓度符合线性模型，方程为：y=-1.794x+20.883，R2=0.983。普通海棠植株鲜质量与NaCl 质量浓度也符合线性模型，方程为：y=-2.347x+20.513，R2=0.966。以植株鲜质量较对照下降50%为准，算得NY 株系的耐盐阈值为6.0 g/L，PT 株系的耐盐阈值为4.1 g/L，说明NY 株系的耐盐性强于PT 株系。

2.2 盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗光合色素含量的影响

不同浓度盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗光合色素含量的影响情况见表2。由表2可知，随着NaCl 质量浓度的增加，2 株系叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素以及总叶绿素的含量均呈现下降的趋势。在NaCl 质量浓度低于6 g/L时，各处理的上述指标与对照差异均不显著，说明中低浓度对2 株系叶绿素的影响均不大；NaCl质量浓度为8 g/L 时，NY 株系的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素含量较对照分别下降了15.56%、42.22%、14.41%、26.72%。PT 株系的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、总叶绿素含量比对照则分别下降了30.85%、40.00%、17.94%、32.88%，除了叶绿素b 含量，NY 株系其他各指标值的下降幅度均小于PT 株系，说明在高盐胁迫下NY 株系具有更强的保持叶绿素相对稳定的能力。

表2 不同浓度盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗光合色素含量的影响Table2 Effects of salt stress at different concentrations on chlorophyll content of two strains of M.robusta Rehd．

2.3 盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗光合气体交换参数的影响

光合作用为植物体内重要的代谢过程，是植物生长的物质和能量来源。不同浓度的盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗光合参数的影响如图1所示。由图1可知，随着NaCl 质量浓度的增加，2 株系幼苗的Pn、Gs、Tr均呈现逐渐下降的趋势。在NaCl 质量浓度低于4 g/L 时，NY 株系的上述各指标均迅速下降；当NaCl 质量浓度高于4 g/L 时，其各指标值均在较低水平上缓慢变化；当NaCl 质量浓度为8 g/L 时，Pn、Gs、Tr较对照分别下降了59.92%、77.85%、68.04%。随着NaCl 质量浓度的升高，PT 株系的Pn、Gs、Tr均迅速下降；当NaCl质量浓度为8 g/L 时，Pn、Gs、Tr较对照分别下降了94.64%、67.22%、61.25%。在高于4 g/L 的NaCl 质量浓度的盐胁迫下，NY 株系能够维持相对较低的Pn缓慢变化，这应该是NY 株系在高盐胁迫下仍能存活的原因之一。

影响Pn大小的因素除了Gs、Tr外，还有Ci和Ls等，这些指标在植物光合作用过程中协同作用，使得光合作用能够顺利进行。随着NaCl 质量浓度的增加，2 株系的Ci和Ls呈现出不同的变化趋势。随着NaCl 质量浓度的增加，NY 株系的Ci呈现下降的趋势，Ls呈现升高的趋势；PT 株系则相反，随着NaCl 质量浓度的增加，Ci呈现升高的趋势，而Ls呈现下降的趋势。这一结果说明，盐胁迫引起2 株系Pn下降的主要限制因素不同。

2.4 盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗叶绿素荧光参数的影响

叶绿素荧光参数可以准确反映PS Ⅱ的状态。不同浓度盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗叶绿素荧光参数的影响情况见表3。由表3可知，当NaCl质量浓度低于4 g/L 时，2 株系各荧光参数的变化均不显著，说明低于4 g/L 的NaCl 胁迫对2 株系叶片的ΦPSⅡ的影响均不大；随着NaCl 质量浓度的进一步增加，2 株系叶片的最大光化学效率（Fv/Fm）、实际光能转换效率（ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）、电子传递效率（ETR）均逐渐降低，非光化学淬灭系数（NPQ）呈现升高的趋势。当NaCl 质量浓度为8 g/L 时，NY 株系叶片的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP、ETR 较对照分别下降了9.21%、24.01%、12.79%、24.17%，NPQ 增加了47.76%；PT 株系叶片的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP、ETR 较对照分别下降了12.16%、39.13%、34.04%、39.10%，NPQ 增加了25.14%。NY 株系叶片的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP的下降幅度均小于PT 株系，说明盐胁迫对NY 株系叶片的PSII的影响相对较小。

图1 不同浓度的盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗光合参数的影响Fig.1 Effects of salt stress at different concentrations on photosynthetic parameters of two strains of M.robusta Rehd．

3 结论与讨论

植株生长指标和生物量的变化是植物对盐胁迫的综合体现，也是判断植物耐盐性最直观的指标[10,15-16]。对于盐生植物来说，较低浓度的盐处理不仅不会对植物造成抑制，甚至会促进植物的生长[17]，如在研究盐胁迫对盐地碱蓬[18]、白刺[19]的影响中就表现出上述现象。本研究结果表明，盐胁迫抑制了2 株系八棱海棠的生长，低浓度（2 g/L）盐胁迫虽对2 株系的影响均不显著，但起到了一定的抑制作用，4 g/L 的盐胁迫显著抑制了2 株系的生长，说明八棱海棠相比于盐生植物对盐胁迫更为敏感，这与慕德宇等[20]对白榆，马剑等[21]对文冠果的耐盐研究结论一致。可能是由于盐胁迫程度的增强，植株营养组织器官不仅不能正常维持原有生理活动，还需要消耗更多的能量、有机物质和水分来维持其抗逆生理，进而抑制植株生长[14]。高盐胁迫下，PT 株系各生长指标值的下降比例高于NY 株系，且求得的NY 株系的耐盐阈值为6.0 g/L，PT 株系的耐盐阈值为4.1 g/L，这进一步证明了NY 株系的耐盐性强于PT 株系。

表3 不同浓度盐胁迫对八棱海棠2 株系幼苗叶绿素荧光参数的影响Table3 Effects of Salt Stress at different concentrations on Chlorophyll Fluorescence parameters of two strains of M.robusta Rehd.

光合色素含量与植物光合作用密切相关，是衡量植物抗逆性的重要生理指标之一[14,22]。试验结果表明，随着NaCl 质量浓度的增加，八棱海棠2 株系的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素以及总叶绿素的含量均呈现减少的趋势，在NaCl 质量浓度低于6 g/L 时，各处理指标与对照的差异均不显著，说明低盐胁迫对2 株系八棱海棠的光合色素的影响均较小，高盐（8 g/L）胁迫时，PT 株系的各光合色素指标均显著低于对照水平，NY 株系仅有叶绿素b 和总叶绿素含量显著低于对照，说明高盐胁迫下NY 株系比PT 株系具有更强保持光合色素稳定的能力。光合色素含量下降的原因可能为，盐胁迫对叶绿体结构造成了一定的破坏，增加了叶绿素酶的活性，促进了光合色素的分解[23]。分析2 株系各色素的变化规律可发现，盐胁迫下叶绿素b 的变化幅度大于其他光合色素，可见2株系的叶绿素b对盐胁迫更为敏感，这与张瑞等[24]、卢艳等[25]在研究盐胁迫对苹果不同砧穗组合影响时的结果一致。

光合作用是一个复杂的生理过程，Pn直接反映了植物单位叶面积的同化能力，是衡量植物光合能力的重要指标。本试验结果表明，盐胁迫显著抑制了2 株系八棱海棠的Pn、Gs和Tr，与前人对盐胁迫下的金银花[17]和‘吉美’海棠[13]的研究结果一致。高盐胁迫下，NY 株系的净光合速率下降幅度小于PT 株系，说明高盐胁迫下，NY 株系具有更强制造有机物的能力。一般认为，引起植物叶片Pn下降的因素主要分为两类：若伴随着Pn的下降，Ci下降、Ls升高，为气孔限制（气孔部分关闭）；若伴随着Pn的下降，Ci升高、Ls下降，则为非气孔限制[26]。非气孔限制主要是指由于RuBP 羧化酶效率降低和光合作用表观量子效率下降导致光合速率下降[27]。试验结果表明，随着NaCl 质量浓度的升高，NY 株系的Pn逐渐下降，同时伴随着Ci下降、Ls升高，说明NY 株系Pn下降的主要因素是气孔限制，由此可以推知，由于盐胁迫引起了渗透胁迫，使得气孔导度下降，CO2由外界向细胞内扩散的阻力增强，最终导致光合作用受阻。PT 株系的Pn逐渐下降的同时伴随着Ci升高、Ls下降，说明PT 株系Pn下降的主要因素为非气孔限制，由此可以推知，由于高盐胁迫下细胞呼吸作用短暂加强，从而细胞中积累了过量盐离子，破坏了叶绿体结构和叶片光合器官，造成叶绿素含量降低、叶片光合活性下降。

叶绿素荧光是光合作用的探针，任何环境因子对光合作用的影响都可以通过叶绿素荧光参数的变化反应出来[28]。Fv/Fm是用来反映PS Ⅱ是否受到光抑制或者光破坏的参数；qP指由于光化学反应引起的荧光产量降低，一定程度上代表反应中心的开放程度；NPQ 指因非光化学反应引起荧光产量降低，一般用于表示热耗散的多少[28-29]。试验结果表明，当NaCl 质量浓度低于4 g/L 时，各荧光参数变化不显著，高浓度（8 g/L）盐胁迫下，Fv/Fm、ΦPSⅡ显著下降，且PT 株系Fv/Fm、ΦPSⅡ下降幅度高于NY 株系，说明高盐胁迫使2 株系发生了光抑制现象，并且PT 株系对高盐胁迫更为敏感。随着盐浓度不断升高，qP和ETR 均呈现下降趋势，NPQ 呈现升高的趋势，NY 株系NPQ 升高幅度远大于PT 株系，说明盐胁迫降低了2 株系的光合活性，增加了2 株系叶片的电子传递阻力，改变了2 株系叶片PS Ⅱ激发能的分配方式，2 株系通过增加热耗散来消耗过多激发能，从而缓解盐胁迫对PS Ⅱ造成的伤害。在高盐胁迫下，NY株系具有更强的耗散过剩激发能的能力，从而实现更好的自我保护。

本试验虽然明确了盐胁迫对八棱海棠幼苗生长和光合生理特性的影响，但八棱海棠对盐胁迫更深层次的光合响应机理尚不清楚，今后应从基因、蛋白、代谢等多方面更深入地研究八棱海棠的耐盐机理，从而明确盐胁迫下，植株是通过调节哪些光合系统相关基因、蛋白和代谢产物来提高其耐受性，为盐渍地区的八棱海棠应用提供更强有力的理论依据。

综合上述研究，可以归纳出如下两点结论：1）盐胁迫抑制了2 株系八棱海棠的生长，降低了叶绿素含量、光合速率，使PSⅡ发生了光抑制现象；将2 个株系进行比较，盐胁迫对NY 株系的抑制影响相对较小，NY 株系的耐盐阈值为6.0 g/L，PT株系的耐盐阈值为4.1 g/L，进一步明确了NY 株系的耐盐性强于PT 株系。2）推测NY 株系具有更强耐盐性的光合生理的原因为：高盐胁迫下，NY 株系具有更强的保持光合色素稳定、调节过剩激发能转化为热耗散的能力，从而减轻盐胁迫对其造成的伤害。