干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草光合和生理特性的影响

2021-12-09余淑艳周燕飞高雪芹伏兵哲

草地学报 2021年11期

余淑艳，周燕飞，黄薇，王星，高雪芹，伏兵哲，3*

(1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021； 2.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，宁夏银川 750021； 3.宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室，宁夏银川 750021)

干旱和盐害是影响植物生长和生产力的2个主要非生物胁迫因子。尤其在干旱、半干旱地区由于土壤水分蒸发量远大于降水量，造成土壤溶液浓缩盐分浓度升高，形成盐害与干旱双重胁迫[1]，干旱胁迫和盐胁迫不仅影响植物的生长，而且两者互作导致土壤溶液水势下降而使植物细胞失水甚至死亡[2]，对牧草的生长发育造成很大的伤害。沙芦草(Agropyronmongolicum)又称蒙古冰草，为禾本科小麦族冰草属多年生草本植物[3]，有抗旱、耐盐、抗风沙的特性，是重要的牧草资源和抗旱性改良的宝贵基因资源[4]。沙芦草作为冰草属代表植物，具有重要的饲用价值、遗传价值和生态价值[5]，因此鉴定并了解苗期沙芦草在干旱和盐害下的耐受机制对生态系统保护具有重要意义。

干旱和盐害会降低植物吸收水分的能力，造成“生理干旱”，并且迅速导致生长速率降低，以及一系列生理代谢变化，例如渗透胁迫、氧化损伤、气孔封闭、抑制光合作用、降低气体交换率等[6]。但目前旱盐复合胁迫对植物影响的研究大多集中在小麦(TriticumaestivumL.)等大宗作物上，如翁亚伟等研究发现小麦在盐旱复合胁迫下表现出适应性，原因是维持了较高的水分吸收和降低Na+/K+比率[7]。刘建新等[8]研究发现适量的土壤含盐量可缓解轻、中度干旱胁迫对燕麦(AvenasativaL.)幼苗的伤害，而重度盐胁迫会加重干旱对燕麦幼苗的损伤。陈成升等[9]通过研究旱盐复合对冬小麦(T.aestivumL.)生长影响，发现在干旱胁迫条件下，适量盐分能够减轻干旱胁迫对冬小麦造成的伤害。目前对于沙芦草的胁迫研究仅限于干旱[10-13]和盐害[14]，在旱盐复合胁迫方面的研究相对较少。

因此，本研究以‘盐池’沙芦草品种为材料，通过盆栽试验模拟干旱、盐和旱盐复合3种逆境胁迫，分析沙芦草的生长、光合和生理效应等指标对逆境胁迫的响应，为揭示沙芦草抗旱耐盐调控机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年在宁夏大学农科学生实训基地智能温室和草业科学实验室进行。试验开始时将‘盐池’沙芦草种子种植在高15 cm，口径20 cm的圆形花盆中，每盆装土1.0 kg，出苗10 cm高时，每盆定苗5株。试验设置4个处理，分别为：对照CK(正常供水，土壤含水量为田间最大持水量的75%)、干旱D(土壤含水量为田间最大持水量的35%)、盐S(土壤含水量为最大持水量的75%，土壤含盐量0.4%)和旱盐复合DS(土壤含水量为田间最大持水量的35%，土壤含盐量0.4%)，其中干旱胁迫程度参照Hsiao[15]和黎裕[16]的方法进行划分，盐胁迫以NaCl水溶液形式施入土壤，施入量按照每盆土样干重的0.4%计算，每处理设置3次重复，每个重复20盆。苗高15 cm左右，开始胁迫处理，胁迫保持7 d后测定相关指标。

1.2 测定项目与方法

1.2.1生长指标测定每个处理随机选取10株相同部位的叶片，利用LI-3100C叶面积仪测定叶长(Leaf length，LL)、叶宽(Leaf width，LW)和叶面积(Leaf area，LA)。每个处理随机取20株，将根系在去离子水中冲洗干净，吸水纸吸干根系表面水分，用全自动根系扫描分析仪对各处理下的根系进行扫描，扫描时将根系放入根系扫描仪自带的透明托盘内，加入3～5 mL水以避免根系分支的互相缠绕。扫描后保存图像，采用WinRhizo Pro Vision 5.0a分析软件对图像进行分析，统计根长度、根面积、根表面积及根投影面积等。

1.2.2叶绿素含量与荧光参数测定在早上9∶00-11∶00，每个处理选取20株，植株上部相同部位的叶片，用便携式叶绿素荧光仪PAM-2500测定PS II的最大光化学效率(Maximal photochemical efficiency，Fv/Fm)，每个叶片测定3次。由ImagingWin软件自动完成，记录，存储和呈现Fv/Fm的彩色图像。

1.2.3光合参数测定选择晴朗的早晨9∶00-11∶00，每个处理随机取7株相同部位叶片，利用Li-6400便携式光合仪测定净光合速率(Net photosynthetic rate,Pn)、胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration,Ci)、气孔导度(Stomatal conductance,Gs)和蒸腾速率(Transpiration rate,Tr)。

1.2.4生理特性测定叶片相对含水量采用烘干法[17]，于上午植株露水蒸发后进行取样，取3叶称取鲜重(M1)，浸入去离子水中12 h至恒重称重(M2)，然后置于烘箱中105℃杀青1 h，85℃烘干48 h至恒重(M0)，按照公式计算叶片相对含水量：叶片相对含水量=(M1-M0)/(M2-M0)×100%。

可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[18]；可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定[19]；游离脯氨酸含量采用茚三酮显色法测定[20]；金属离子Na+，K+含量采用比色法测定；叶片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(Thiobarbituric acid,TBA)测定[21]；超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性采用氮蓝四唑光还原法测定[22]，过氧化物酶POD活性采用愈创木酚显色法测定[23]。

1.4 数据处理

试验数据运用Excel 2016进行初步处理，用DPS 7.0软件进行数据统计及方差分析，并用Origin 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草生长指标的影响

由表1可知，沙芦草株高、叶宽、叶面积和根直径在盐胁迫下比对照显著升高(P<0.05)，在干旱胁迫下叶长、根表面积和根投影面积比对照显著降低(P<0.05)；旱盐复合胁迫下，沙芦草根表面积和投影面积均显著低于对照(P<0.05)，叶面积和根直径显著高于对照(P<0.05)；其它各生长指标在3种胁迫处理下，与对照无显著差异；3种胁迫中,干旱胁迫对沙芦草生长指标的影响最明显，旱盐复合胁迫次之，盐胁迫最轻。

2.2 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶绿素含量和荧光参数的影响

由图1所示，与对照相比，沙芦草的叶绿素含量在干旱与旱盐复合胁迫下呈下降趋势；PSII最大光合效率Fv/Fm和PSII实际光合效率Y(II)在干旱和旱盐复合胁迫下比对照显著下降(P<0.05)，Fv/Fm在干旱和旱盐复合胁迫下分别降低了12.62%和9.92%，Y(II)在干旱和旱盐复合胁迫下分别降低了12.08%和9.94%，但干旱胁迫和旱盐复合胁迫之间无显著差异；说明干旱胁迫与复合胁迫造成沙芦草幼苗的光合机构损伤，从而影响叶绿素荧光的变化；盐胁迫下的叶绿素含量、Fv/Fm和Y(II)与对照相比呈上升趋势，进一步说明盐胁迫对沙芦草的光合机构不会造成破坏，沙芦草具有一定的耐盐性。

表1 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草生长指标的影响Table1 Effects of drought,salt and drought-salt combined stress on A. mongolicum growth indexes

图1 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶绿素含量与荧光参数的影响Fig.1 Effects of drought,salt and drought-salt combined stress on chlorophyll content and fluorescence parameters of A. mongolicum注：图A,叶绿素含量；图B,PSII最大光合效率Fv/Fm；图C,PSII实际光合效率Y(II)；CK,对照；D,干旱胁迫；S,盐胁迫；DS,旱盐复合胁迫，下同Note:Fig. A,Chlorophyll content;Fig. B,PSII maximum photosynthetic efficiency Fv/Fm;Fig. C,PSII actual photosynthetic efficiency Y(II);CK,Control;D,Drought stress;S,Salt stress;DS,Drought-salt Combined stress,the same as below

2.3 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草幼苗光合特性的影响

如图2所示，沙芦草气孔导度和蒸腾速率在盐胁迫下比对照分别显著升高了59.27%和33.24%(P<0.05)，干旱胁迫和旱盐复合胁迫下无显著变化；3种胁迫处理下，净光合速率与对照之间均存在显著差异(P<0.05)；胞间CO2浓度在干旱与旱盐复合胁迫下显著低于对照(P<0.05)，盐胁迫下无显著差异；由此可见，3种逆境胁迫下，干旱胁迫对沙芦草的净光合速率和胞间CO2浓度的影响最大，旱盐复合胁迫次之，盐胁迫最小。

图2 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片光合作用的影响Fig.2 Effects of drought,salt and drought-salt combined stress on photosynthesis in the leaves of A. mongolicum

2.4 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片相对含水量的影响

逆境胁迫下，叶片相对含水量可以反映植物抗逆性。不同胁迫处理对沙芦草叶片相对含水量的影响如图3所示。干旱胁迫和旱盐复合胁迫下，沙芦草叶片相对含水量比对照减少了13.10%和13.33%(P<0.05)，干旱胁迫和旱盐复合胁迫之间无显著差异；在盐胁迫下，叶片相对含水量较高，但与对照之间无显著差异，由此可见一定浓度的盐分有利于维护沙芦草叶片的生长，表明沙芦草具有一定的耐盐性。

图3 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片相对含水量的影响Fig.3 Effects of drought,salt and drought-salt combined stress on relative water content in leaves of A. mongolicum

2.5 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片抗氧化酶活性的影响

植物主要通过抗氧化性酶来消除活性氧对植物的破坏。3种胁迫下，沙芦草叶片SOD活性变化与对照无显著差异；POD活性比对照显著升高(P<0.05)，其中盐胁迫POD活性>干旱胁迫>旱盐复合胁迫(图4)。

图4 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片抗氧化酶活性的影响Fig.4 Effects of drought,salt and drought-salt combined stress on antioxidant enzyme activities in leaves of A. mongolicum

2.6 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片丙二醛(MDA)含量的影响

沙芦草叶片MDA含量在干旱胁迫与旱盐复合胁迫下比对照显著增加(P<0.05)，但在盐胁迫下，与对照无显著变化。其中旱盐复合胁迫下的MDA含量>干旱胁迫>盐胁迫。说明旱盐复合胁迫显著加重了沙芦草的膜脂过氧化作用(图5)。

2.7 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片渗透调节物质含量的影响

如图6所示，在盐胁迫下，与对照相比，沙芦草叶片可溶性蛋白质含量和游离脯氨酸含量显著升高(P<0.05)，分别提高了40.14%和25.33%，可溶性糖含量在盐胁迫下与对照相比显著降低(P<0.05)，下降了36.62%；干旱胁迫与旱盐复合胁迫下，沙芦草可溶性蛋白质含量、游离脯氨酸含量和可溶性糖含量与对照相比明显升高但无显著差异；3种胁迫处理对叶片渗透调节物质的影响为：干旱胁迫>旱盐复合胁迫>盐胁迫。

图5 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片丙二醛(MDA) 含量的影响Fig.5 Effects of drought,salt and drought-salt combined stress on MDA content in leaves of A. mongolicum

图6 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草叶片中渗透调节物质含量的影响Fig.6 Effects of drought,salt and drought-salt combined stress on the content of osmotic adjustment substances in the leaves of A. mongolicum

2.8 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草根系和叶片的Na+，K+以及Na+/K+之比的影响

由表2可知，3种逆境胁迫下，沙芦草根系Na+和K+含量与对照之间无显著差异，Na+/K+比值均显著高于对照(P<0.05)，各处理之间无显著差异；3种胁迫下，与对照相比，沙芦草叶片中Na+含量和Na+/K+比显著增加(P<0.05)，而K+含量与对照相比无显著变化；3种逆境胁迫对沙芦草叶片中Na+，K+含量以及Na+/K+比的影响大于根系。

表2 干旱、盐及旱盐复合胁迫对沙芦草幼苗根系与叶片的Na+，K+离子及Na+/K+离子比的影响Table 2 Effects of drought,salt and drought-salt combined stress on the ratio of Na+，K+and Na+/K+ratio in roots and leaves of A. mongolicum seedlings

3 讨论

干旱环境导致植物吸水困难，造成生理性缺水，使植物生长受到抑制[24]。本试验结果表明，干旱、盐以及旱盐复合胁迫下，沙芦草部分生长指标较对照均有显著差异，其中干旱胁迫影响最明显，旱盐复合胁迫影响次之，盐胁迫影响最小(表1)；盐胁迫下，沙芦草株高、叶宽、叶面积和根直径较对照显著升高，说明沙芦草具有一定的耐盐性；干旱胁迫下，沙芦草叶长、根表面积和根投影面积等指标与对照相比均显著降低(表1)，表明干旱抑制沙芦草幼苗生长，在干旱胁迫下沙芦草通过根系变化来适应胁迫环境，这与马艳红等[25]在干旱胁迫下对沙芦草苗期的研究和刘凯强等[26]在干旱胁迫下对燕麦器官生长的研究结果一致，在旱盐复合胁迫处理后明显增加，可见，旱盐复合胁迫下沙芦草幼苗表现出一定的交叉适应性，这与陈春晓等[27]对盐分和干旱下沙枣(ElaeagnusangustifoliaL.)幼苗生理特性的影响的研究结果相似。

旱盐复合胁迫对植物的光合作用具有重要影响，而叶绿素含量则是决定光合作用强弱的重要因素之一，PSⅡ最大光合效率(Fv/Fm)和实际光合效率Y(II)是衡量植物光合作用受抑制程度的重要指标[28-29]，净光合速率、气孔导度、气孔蒸腾速率和胞间CO2浓度是衡量光合作用的重要参数。本试验结果表明，干旱胁迫下，沙芦草净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度均呈下降趋势(图2)，说明叶片在逆境胁迫条件下保持自身正常的生理代谢，通常通过降低气孔导度的方式来减少叶片中蒸腾作用和水分散失，在水分散失的同时气孔导度的降低也限制了CO2的吸收，间接导致净光合速率的降低，这与魏清江等[30]在干旱复水对柑橘(CitrusreticulataBlanco)幼苗叶片光合作用的研究相似。周朝彬等[31]通过研究干旱胁迫下胡杨(Populuseuphratica)光合和叶绿素荧光参数的影响中发现，干旱胁迫使胡杨PSII反应中心出现了可逆的失活或不可逆的破坏。在本研究中，干旱胁迫下沙芦草的Y(II)和Fv/Fm下降，表明其PSII机构被干旱破坏，降低了对光能的利用率和转化率，严重抑制植物光合作用。另外，旱盐复合胁迫下净光合速率、胞间CO2浓度、Fv/Fm和Y(II)也呈现下降趋势，但旱盐复合胁迫对沙芦草叶片光合作用的影响小于干旱胁迫(图1和图2)，说明旱盐复合胁迫对沙芦草幼苗的伤害小；盐胁迫后沙芦草幼苗净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、Y(II)与对照相比均升高，这与张冠初等[32]在干旱和盐胁迫下对花生(ArachishypogaeaLinn.)干物质和光合特性的研究结果不同，说明沙芦草能够适应盐胁迫环境，其本身具有一定耐盐性。

MDA是膜脂过氧化作用的产物之一，其含量多少是膜受损伤程度的标志[33]。本研究结果显示，盐胁迫下，沙芦草叶片中的MDA含量增加但无显著变化(图5)，可见沙芦草体内活性氧的积累和清除之间的平衡还未被破坏；在干旱和旱盐复合胁迫下，MDA含量显著增加(图5)，表明这种平衡已经遭到破坏，活性氧在沙芦草体内开始大量积累，而且旱盐复合胁迫下更为严重，说明旱盐复合胁迫对植物膜的伤害存在叠加效应[34]。

POD与SOD均为植物体内清除自由基的重要酶类，共同作用以防御自由基对细胞膜的损害[35]。在正常条件下，植物细胞内活性氧的产生与清除处于动态平衡之中，环境胁迫时活性氧产生与其清除之间的动平衡将被打破，致使活性氧过量积累[36-37]。石新建等[38]研究认为盐旱复合胁迫下的花花柴(Kareliniacaspica)幼苗叶片POD活性、SOD活性和CAT活性随着胁迫时间延长逐渐升高以及张涛[39]在干旱和盐胁迫对花楸幼苗生理生化特性的研究也表明了POD和SOD随着胁迫时间持续而升高；在本研究中，旱、盐、旱盐复合胁迫后沙芦草叶片幼苗的POD活性显著升高(图4)，POD活性的升高有利于活性氧的清除，降低膜脂过氧化水平，从而减轻膜伤害程度，这与王晓雪等[40]和吴淼等[41]等研究结果相符。也有研究表明，植物在水分或盐碱胁迫下，能够通过积累可溶性糖和脯氨酸缓解胁迫产生的伤害[42-43]。在本试验中，3种胁迫下，游离脯氨酸含量升高也是沙芦草适应胁迫环境的一种自我保护机制。3种胁迫处理的影响程度为：干旱胁迫>旱盐复合胁迫>盐胁迫，表明旱盐复合胁迫对沙芦草的伤害小。

胁迫环境影响植物叶片相对含水量，叶片相对含水量越大，植物抵抗逆境的能力就越强[44]，因此，比较不同胁迫下植物叶片的相对含水量，可以看出植物对不同逆境胁迫的适应性。在干旱与旱盐复合胁迫下，沙芦草叶片相对含水量显著下降，在盐胁迫下保持较高的相对含水量(图3)，这是由于干旱和旱盐复合胁迫导致土壤中水分降低，根部严重缺水，植物体内的水分外渗，从而造成植物生理上的干旱。在干旱胁迫下，加入适量的盐分使植株能够吸收盐离子产生膨压，从而降低渗透势[45]，提高根系从外界吸收水分的能力。在Marlinez等[46]研究发现，Na+能够通过改善渗透胁迫下滨藜(Atxiplexpatens(Litv.)Iljin)光合细胞的水分状况而促进光合作用。因此，适量土壤盐分能够改善植物幼苗水分状况并且促进其幼苗生长[47]。前人研究表明植物在盐分胁迫下，Na+浓度的增加和K+吸收的减少打破了离子间平衡[48-50]，可通过降低渗透调节和维持细胞膨大的能力或抑制代谢活性来抑制生长。沙芦草幼苗根系和叶片中Na+/K+比含量在3种胁迫下升高，是因为根系对Na+吸收增加的同时抑制了对K+的吸收，导致植株地上部及根系Na+/K+含量快速上升，从而抑制沙芦草的生长；根系中Na+/K+比含量高于叶片，可见3种胁迫环境对沙芦草叶片影响大于根系，这与刘建新等[8]的研究结果相同。