CO2浓度倍增和土壤盐胁迫对藜麦生理特征及产量的影响

杨爱峥，李志磊，付 强※，李全峰，贺昕瑶

（1. 东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；2. 东北农业大学公共管理与法学院，哈尔滨 150030）

0 引 言

随着人类社会经济发展和能源消费的增加，导致温室气体在大气层中不断积累，据政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）统计，二氧化碳（CO2）在大气层中的体积浓度已由工业革命前的310μmol/mol，增加到目前的400μmol/mol，预估21世纪末将达到近800μmol/mol[1-2]。温室效应也随之增强，造成全球气候变暖，影响大气环流，继而改变全球的雨量分布，导致区域性干旱甚至土壤退化和盐碱化[3]。土壤盐碱化对植物造成生理干旱、离子毒害和破坏正常代谢等方面的危害，抑制大多数植物的生长，造成生态系统稳定性和农业综合生产力面临巨大压力[4]。因此，在全球大气CO2浓度不断升高，土壤盐碱化日趋严重的背景下，针对耐盐植物对盐胁迫的生理响应及耐盐调控机制展开研究，就显得十分迫切和重要。

土壤中盐分过高造成土壤渗透势降低，植物细胞渗透势增高，使植物吸收水分和养分困难，严重时导致细胞组织水分外渗[5]。为了减少水分流失，防止脱水，植物关闭气孔，从而降低气孔导度。这将直接导致植物净光合速率的降低，进而减少CO2的固定量，最终导致叶片衰老[6]。此外，在盐胁迫下，脱落酸（Abscisic Acid，ABA）作为主要的植物生长调节剂起着重要的化学信号传递作用。一方面，根、茎的木质部汁液pH值升高，根系ABA含量迅速增加，通过木质部汁液传递到叶片。叶片保卫细胞中不断积累的ABA通过调节压力势和气孔关闭，抑制水分蒸发[7]。另一方面，ABA的信号转导涉及了活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）的生成，大量活性氧急剧增加引起蛋白质、DNA和细胞膜脂的氧化伤害，并最终影响细胞功能和破坏细胞结构[8]。同时，盐碱土壤中大量的Na+和Cl-对植物造成离子毒害作用，引起植物养分不平衡和生理代谢紊乱。高浓度的Na+严重阻碍K+的吸收，扰乱植物体内K+/Na+平衡[9]。此外，高浓度的Cl-抑制植物对NO3-的吸收，从而降低植物体内的氮含量[10]。综上所述，大气中CO2浓度升高引起植物在形态结构和生理上都发生相应的变化，理论上而言，植物净光合速率会显著提升，并伴随着气孔导度和蒸腾速率的降低[11]。但是根据植物光合作用、生长速率和水肥利用效率以及其他特征的差异，不同植物对CO2浓度升高的响应也不同[12]。柴伟玲等[13]研究发现CO2浓度升高能显著提高飞机草总生物量和净光合速率。Perez-Lopez等[14]研究发现，CO2浓度倍增能有效降低植株蒸腾速率、提高植株水势，进而提高植物抗旱性。郑云普等[11]研究表明，不同作物水分利用效率对升高CO2浓度的响应存在明显差异，但大豆等作物在CO2浓度倍增条件下净光合速率没有显著提升。Merilo等[15]发现高浓度CO2诱导植物叶片气孔关闭，造成叶片气孔导度与蒸腾速率显著下降。Zhuang等[16]的研究结果表明CO2浓度升高能改变盐胁迫下植物叶片和根的代谢情况，增加K+吸收，抑制Na+吸收，提高植物耐盐性。然而，迄今为止针对CO2浓度变化对耐盐植物盐胁迫下生长、生理特性的反馈机制研究较少，有必要进行深入的研究。

藜麦是1年生藜科双子叶植物，原产于南美安第斯山脉[17-18]。藜麦是无麸质谷物，富含人体所需的必需氨基酸、矿物质、多不饱和脂肪酸和碳水化合物，其营养和食用价值超过很多谷物，被国际营养学家们称为“营养黄金”[19]。藜麦的营养和经济价值受到世界范围内的关注，越来越多的国家开始种植藜麦，联合国粮农组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO）推荐藜麦为解决世界粮食安全问题最具潜力的农作物[20]。作为耐盐植物，藜麦对盐胁迫的适应能力很强，甚至可以在土壤溶质浓度高达400 mmol/L（相当于海水的浓度）的条件下正常生长。中国于20世纪90年代初就已经引进种植藜麦，但仍对其缺乏深入系统的研究。本研究探讨了盐胁迫下藜麦关键生理参数对CO2浓度倍增的响应，对于科学应对土壤环境变化，提高保障粮食安全能力具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

人工气候室CO2浓度设定分别为400μmol/mol（CO2常规组）和800μmol/mol（CO2倍增组）。前者模拟目前状况，后者模拟21世纪末状况。

土壤盐胁迫设计2个处理：NaCl浓度为0和400 mmol/L，前者模拟无盐分胁迫状况，后者模拟藜麦能忍耐的强盐分胁迫状况（藜麦耐盐阈值，相当于海水的浓度）。

试验于2018年4—9月在东北农业大学大学水利与土木工程学院人工气候室进行。播种前对藜麦（Chenopodium quinoaWilld.，TiTiCaCa）进行表面消毒，然后放入育苗盆中，每穴5粒种子。四周后将藜麦幼苗移植到花盆中（盆直径20 cm、高25 cm），栽培基质为营养土。移植1周后定苗，每盆保留1株藜麦幼苗。随即将花盆分别放入2间人工气候室，其中1间人工气候室CO2浓度为400μmol/mol，另一间人工气候室CO2浓度为800μmol/mol。

每间人工气候室内，放置12盆，其中6盆为对照组，即无盐分胁迫，NaCl浓度为0，另6盆为盐分胁迫组，土壤NaCl浓度为400 mmol/L。

对于盐胁迫组，当藜麦幼苗长出第5片叶子时（34 d），每天浇NaCl溶液50 mL，浓度每次增加80 mmol/L直至达到设定的400 mmol/L浓度，此后每7 d 分别浇400 mmol/L NaCl溶液1 次（48、55和62 d）。对于对照组，在盐胁迫组浇NaCl时，对照组浇NaCl浓度为0的自来水。

人工气候室的温度白天25 ℃、夜晚18 ℃、光照强度560～680μmol/(m2·s)、光照周期为08:00—20:00、相对湿度40%±5%。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 叶片生理指标测定

测定指标取样方法相同：初始采样时间为定苗后1周，即播种后42 d，此后分别在拔节期（49 d）取样1次，花期（56、63 d）取样1次，试验期间共取样4次，每次组内随机选择4盆植株取样。

在取样当日10:00—13:00，选取藜麦植株自上而下第3片完全展开的成熟叶片，利用Li-6400 便携式光合测定系统（LI-COR Inc. Lincoln，Nebraska，USA）测定植物叶片的光合速率和气孔导度，测定前使藜麦叶片处于饱和的光合光量子通量密度（1200μmol/(m2·s)），叶室气温25 ℃，叶室CO2浓度为相应气候室CO2浓度。基于光合速率和气孔导度计算内禀水分利用效率为

式中iWUE为内禀水分利用效率，μmol/mol；Pn为叶片光合速率，μmol/(m2·s)；Gs为叶片气孔导度，mmol/(m2·s)。选取藜麦植株自上而下第3片完全展开的成熟叶片，采用植物水分仪（3000 Series Plant Water Status Consoles，Soil Moisture Equipment Corp.，Santa Barbara，CA，USA）测定叶片水势。然后，将取下的叶片用铝箔纸包好放入液氮中，储存在-80℃冰箱中，待进一步测定叶片渗透势和离子含量。将叶片取出解冻15 min后，用植物压汁器直接压榨藜麦叶片汁液到滤纸片上，然后再将滤纸片放到C-52植物渗透压仪（C-52 sample chambers，Wescor Inc.，Logan，UT，USA）中用来测定叶片渗透势，并计算压力势。

式中Ψp为植物压力势，MPa；Ψπ为叶片渗透势，MPa；Ψl为叶片水势，MPa。

取出冷冻的叶片，采用离子色谱法测定叶片中Na+、K+浓度[21]。

1.2.2 产量及其构成因素测定

作物成熟后，测量每盆藜麦植株的株高，同时测其单株百粒质量，最后考种测产量。另外，将每盆植株茎和根在85 ℃下烘干测定干物质量。

1.3 数据统计与分析

采用R version 3.6.3（R Development Core Team，2012）分别进行方差分析和主成分分析，其中方差分析为多因素方差（Multi-way ANOVA），显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 CO2浓度倍增和土壤盐胁迫对藜麦叶片光合参数的影响

多因素方差分析结果显示，播种后天数、盐胁迫和CO2浓度对叶片Pn、Gs和iWUE均产生显著影响，其中3个因素对Pn产生显著交互作用（表1）。如图1所示，在对照和盐胁迫组中叶片Pn和Gs均随藜麦生长而持续提高，但叶片Pn和Gs增加幅度逐步降低，且这种趋势在CO2浓度为400μmol/mol（常规组）时更加明显。此外，与常规组相比，CO2浓度倍增处理显著提高藜麦叶片Pn，降低叶片Gs。特别是在盐胁迫组中，CO2浓度倍增组叶片Pn比常规组分别高30%（42 d）、22.9%（49 d）、31.6%（56 d）和39.4%（63 d），可见，Pn增加幅度呈现先增加后减少再增加的趋势，但CO2浓度倍增组各取样阶段叶片Pn绝对增加量逐渐降低；与此同时，在盐胁迫组中，与CO2浓度常规组相比，CO2浓度倍增组叶片Gs分别降低27.2%、18.3%、13.2%和11.5%，表现出降低幅度减少趋势。值得注意的是，播种后天数和CO2浓度对藜麦叶片Gs和iWUE均未产生交互作用。此外，盐胁迫显著增加叶片iWUE。特别是盐胁迫下CO2浓度倍增组在播后42 d iWUE较CO2浓度常规组显著提高59%，达到0.26μmol/mol，此后CO2浓度倍增组iWUE趋于稳定，维持在0.3μmol/mol左右。

表1 不同CO2浓度下不同盐胁迫处理藜麦叶片各指标多因素方差分析结果Table 1 Output of multi-way ANOVA for indices of quinoa leaves under treatments of CO2 concentration and salt stress

2.2 CO2浓度倍增和土壤盐胁迫对藜麦叶片Na+、K+浓度的影响

由表1可知，播种后天数、盐胁迫和CO2浓度均显著影响叶片Na+且产生显著交互作用。在对照组和盐胁迫组中，随着藜麦生长，CO2浓度常规组与倍增组叶片Na+、K+浓度均显著提高，但差异逐渐缩小（图2）。此外，在无盐胁迫（对照组）中，同一播种后天数CO2浓度对叶片Na+、K+浓度影响不显著。但在盐胁迫组中，CO2浓度对同一播种后天数叶片Na+、K+浓度影响显著并且差异逐渐增大。盐胁迫下，相对于CO2浓度常规组，CO2浓度倍增组在63 d叶片Na+浓度降低42%，相反，在63 d时CO2浓度倍增组叶片K+浓度比常规组高26%。此外，在盐胁迫组中，CO2浓度倍增组叶片K+-Na+比随着植株生长显著增加，最高提升K+-Na+比达80%。

2.3 CO2浓度倍增和土壤盐胁迫对藜麦叶片水分运动的影响

播种后天数、盐胁迫和CO2浓度对叶片Ψl和Ψπ影响显著且均产生显著交互作用（表1）。在对照组和盐胁迫组中，不同CO2浓度处理的叶片Ψl和Ψπ均随藜麦生长呈现上升趋势（图3）。在对照组中，CO2浓度对同一播种后天数叶片Ψl和Ψπ影响均不显著。但在盐胁迫组中，与CO2浓度常规组相比，CO2浓度倍增组在49 d后叶片Ψl和Ψπ显著降低，在63 d降幅分别为39%和36%。此外，CO2浓度倍增提高叶片Ψp（对照组49和63 d，盐胁迫组49 d及以后），而盐胁迫显著降低叶片Ψp，随着藜麦生长，在对照组中叶片Ψp逐渐增加，而在盐胁迫组中叶片Ψp逐渐降低。在盐胁迫组中，CO2浓度常规组与倍增组叶片Ψp最大差值出现在56 d ，差值达到0.034 MPa。

2.4 CO2浓度倍增和土壤盐胁迫对藜麦生长参数的影响

如表2所示，CO2浓度和盐胁迫对藜麦生长参数均产生显著影响，其中盐胁迫显著降低各生长参数，而CO2浓度显著提升各生长参数。在盐胁迫组中，相对于CO2浓度常规组，CO2浓度倍增条件下，藜麦株高、茎干物质量、根干物质量、百粒质量、产量分别提高8%、20%、82%、19%和34%。值得注意的是，CO2浓度倍增显著增加藜麦根茎干物质量比，提升幅度达5%。

表2 不同CO2浓度和盐胁迫处理下藜麦生长参数Table 2 Growth parameters of quinoa under different treatments of CO2 concentration and salt stress

2.5 不同CO2浓度和土壤盐胁迫处理主成分分析

如图4所示，通过主成分分析（Principal component analysis，PCA）将藜麦各取样阶段不同CO2浓度处理的多个指标进行综合性分析，主成分1和主成分2累计贡献率达到92.7%，具有代表性。相同散点各自聚集成团分散排布，说明藜麦各取样阶段不同CO2浓度处理差异显著。藜麦iWUE向量与Ψl、Ψπ、Pn和K+浓度向量均成锐角，因此，藜麦iWUE与这4个指标成正相关，与其他指标成负相关。

3 讨 论

叶片气孔是植物与外界环境进行水气交换的重要通道。大量研究表明，盐胁迫和CO2浓度升高都会使气孔开度迅速缩小，甚至造成气孔密度降低，导致叶片Gs下降、水分蒸腾变弱、植物失水减少、水分利用效率和干物质的积累增加[22]。此外，高CO2浓度不仅使Rubisco羧化反应速率升高，而且促进细胞分裂素等重要植物激素的合成，从而显著提高植物的光合速率[23-24]。然而，长期处于高CO2浓度环境植物光合速率增幅会逐渐缩小，甚至低于正常大气CO2浓度水平，即“光合适应现象”[25]。以往对此现象的研究多基于CO2浓度单一因素的影响，并且对其发生机理尚未达成共识。本研究发现，在盐胁迫条件下，虽然CO2浓度倍增使藜麦Pn显著提高、Gs显著降低，但随着藜麦生长，不仅藜麦叶片中Na+浓度增加（图2a），Ψπ降低（图3b），而且藜麦Pn和Gs波动幅度逐渐减小（图1a，1b），同样产生光合适应现象。这可能是由于CO2浓度倍增不仅提高促进植株生长的激素生长素和细胞分裂素的合成，而且降低抑制植株生长的激素ABA和乙烯含量，这样极大缓解了盐胁迫下植株产生大量ABA和乙烯对其早期生长的抑制作用[24,26]。此外，随着植株的生长，CO2浓度倍增显著促进根系发育，大幅提高植株根茎干物质量比，有助于植株吸收更多水分和养分的同时，也导致了Na+积累和Ψπ降低，对植株生长起到一定的抑制作用[12]。在植物激素水平、离子含量以及水势调节的动态平衡过程中引起的光合适应现象。大量研究证实，高CO2浓度不仅抑制气孔发育而且诱导气孔关闭，因此植物蒸腾失水量减少，水分利用效率显著增加。本试验结果表明，在Pn和Gs共同作用下，盐胁迫下在藜麦生长关键的49～63 d期间，与常规组相比，CO2倍增组叶片iWUE都维持较高水平，促进藜麦干物质积累，显著提高了藜麦产量。此外，高CO2浓度可以上调抗氧化酶基因表达，提高抗氧化酶的活性，清除藜麦体内产生的自由基，抑制ROS的积累，提高藜麦耐盐性，促进藜麦生长[27]。

盐胁迫导致植物细胞严重脱水，因此细胞内离子平衡被打破，造成植物水势和渗透势不断降低，大量Na+积累，导致K+-Na+比值不断降低，严重影响植物生长[28]。本研究结果显示，CO2浓度倍增处理中藜麦表现出明显的吸K+排Na+的现象。结合以往研究结果分析，这种现象一方面是由于高CO2浓度显著降低藜麦叶片中乙烯前体ACC合成酶含量，导致由乙烯诱导合成的Na+转运蛋白减少，进而减少藜麦叶片中Na+积累量，增加K+-Na+的调控能力[26]。另一方面，高CO2浓度可以促进甘氨酸甜菜碱的合成，从而增强盐胁迫下藜麦根系对Na+和K+的选择吸收能力，维持适当的K+-Na+比，促进质膜的主动排Na+，显著降低叶片中Na+的积累，缓解Na+的毒害作用[29]。同时，高CO2浓度促进根系发育、提升根系吸水能力，缓解叶片细胞脱水情况，有效调节植物Ψl和Ψπ，降低细胞内Na+浓度，维持细胞内离子平衡。

在盐胁迫条件下，植物需要不断降低水势才能吸收水分，以维持植物体内水分平衡和正常生理代谢，在水势和渗透势协同作用下细胞压力势逐渐降低，然而，压力势降低造成细胞的原生质体对细胞壁的作用力减弱，直接导致植物萎蔫甚至枯萎[30]。本研究表明，CO2浓度倍增能有效地调节盐胁迫下藜麦水分运动，提升藜麦渗透调节能力。一方面是由于高CO2浓度处理显著降低藜麦叶片Na+含量，而叶片Na+含量与Ψl、Ψπ和Ψp，呈显著负相关的关系（图4），因此盐胁迫下藜麦缺水状况得到缓解，不需要进一步降低Ψl加强对水分的吸收，同时，Ψp升高能稳定叶片细胞形态，保证其正常的生理功能。另一方面，高CO2浓度条件下藜麦根系发育和吸水速率显著增加，进而提高叶片相对含水率，从而促进藜麦渗透调节，提高叶片细胞保水和维持Ψp的能力。

4 结 论

本研究通过人工气候室精准控制CO2浓度，在2个CO2浓度（常规组：400 μmol/mol和倍增组：800 μmol/mol）条件下，探讨在400 mmol/L NaCl盐胁迫下，CO2浓度对耐盐作物藜麦光合、离子吸收和水分运动的影响，得到如下结论：

1）在常规组和盐胁迫组中，CO2浓度对藜麦叶片光合速率、气孔导度和内禀水分利用效率均产生显著影响。在盐胁迫处理下，CO2浓度倍增显著提升藜麦光合速率最高可达39.4%，降低气孔导度最高达11.5%。但随着藜麦生长，叶片Pn和Gs波动幅度逐渐减小，产生“光和适应现象”。同时，CO2浓度倍增处理显著提高叶片内禀水分利用效率和藜麦产量。

2）在常规组中，CO2浓度对藜麦叶片Na+含量、K+含量和K+-Na+比的影响均不显著。在盐胁迫组中， CO2浓度倍增显著降低藜麦叶片Na+含量（49～63 d），增加叶片K+含量（56～63 d），表现出明显的吸K+排Na+的现象，并维持较高的K+/Na+比。

3）在常规组中，CO2浓度对藜麦叶片水势、渗透势和压力势影响均不显著。在盐胁迫组中，CO2浓度倍增能激发藜麦叶片渗透调节能力，有效调控叶片水分运动，降低叶片渗透势和水势（49～63 d），提高压力势，缓解藜麦叶片细胞水分亏缺，维持细胞正常的生理功能。

综上，本研究结果表明CO2浓度升高有效缓解盐胁迫对藜麦生长造成的不利影响。