盐胁迫下樱桃砧木的光合响应和光谱特性

田翁由， 刘昊， 甘超林， 伍柳芬， 李爱， 杨丽芳， 高英*

（1.天津农学院园艺园林学院，天津 300392；2.天津市农业科学院林业果树研究所，天津 300384）

随着化肥和农药广泛而大量施用、栽培管理措施不当，土壤盐渍化问题日益严重，严重影响了全球的生态环境和农业的可持续发展，特别是干旱和半干旱地区[1]。目前，土壤盐渍化也严重影响了园艺植物的生产和发展，因而受到了人们的广泛关注。但生产上尚未有实用、有效且经济的方法治理盐害，最为可行的途径是增强植物自身的耐盐性[2]。因此，除了减少化肥、农药的施用，选育耐盐性良好的砧木品种也是应对土壤盐渍化的有效方法。

盐胁迫影响植物的生长、光合及对水分的利用，并且造成植物生理干旱和离子毒害，影响其生产力[3-5]。叶绿素是吸收和转化光能的重要色素，因此，其含量的变化影响着光合作用的强弱。研究表明，叶绿素含量随盐浓度的增加呈降解的趋势，且不同植物种类表现出不同的耐盐性[5-7]。盐胁迫下光合作用的强弱直接体现了植物的耐盐性，因此，研究樱桃砧木在盐胁迫下的生理变化规律是探索樱桃抵抗盐害的重要内容，在生产上减轻盐渍胁迫对樱桃的伤害具有重要意义。近年来，光谱技术已成为大规模农业生产中监测植株生长状况的重要方式[8-9]，其主要通过建立植物的反射光谱与生理指标及生长指标的相关性进行监测，如叶绿素含量、产量、电解质渗透率等[9-12]。目前，在大田农作物中该技术应用较为普遍，在木本植物中仍处于研究阶段，而在樱桃盐胁迫研究中的应用尚未见报道。

在甜樱桃种植过程中，大青叶因具有良好的生长特性而被广泛应用。为了获得生长健壮、根系发达、抗性良好的甜樱桃，常选用大青叶作为砧木来改善樱桃的适应性[13]。因此，研究大青叶的耐盐性对樱桃栽培与育种具有极其重要的意义。本研究选用大青叶幼苗为试验材料，设置不同浓度NaCl处理，研究大青叶在不同盐胁迫下的光合特性和反射光谱特性，为大青叶耐盐机制的研究奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取无病虫害且生长势较为一致、70～80 cm高的2 a生樱桃砧木幼苗为试验材料。采用盆栽的方式，将蛭石、草炭土、珍珠岩按体积比1∶1∶0.4混合均匀后作为栽培基质，种植于天津市农业科学院的温室大棚内。

1.2 试验设计

试验采用完全随机区组设计。设置4种NaCl处理水平，分别为：0（CK）、75、150和300 mmol·L-1。每个处理4株，4次重复。于2020年6月至8月进行盐胁迫处理，每盆浇入2 L对应含量的盐溶液。之后根据植物需水情况适当补水，于胁迫第30天分别测定光合指标、叶绿素含量及反射光谱。

1.3 试验方法

1.3.1 光合指标的测定 于盐胁迫处理30 d后，选取各重复植株中上部长势较为一致的叶片，采用CI-340-便携式光合测定仪[14]测定叶片净光合速 率（net photosynthetic rate，Pn）、蒸 腾 速 率（transpiration rate，Tr）、气 孔 导 度（stomatal conductance，Gs）、胞间二氧化碳浓度（intercellular CO2concentration，Ci）等光合参数。选择晴朗无云的天气，于9：00—11：00进行测定，在光合有效辐射（photosynthetically active radiation，PAR）1 200 μmol·m-2·s-1，CO2含量 0.05%，相对湿度(relative humidity，RH)60%以下进行。

1.3.2 叶绿素含量的测定 选择樱桃植株中上部新鲜的叶片，提取叶绿体色素，参照蔡庆生[15]的方法进行测定。将叶绿素提取液放置于分光光度计的玻璃比色皿中，以95%的乙醇为对照调零，分别在649和665 nm处测定其吸光度值（D649和D665），并按照下列公式计算叶绿素a（chlorophyll a，Chl a）、叶绿素b（chlorophyll b，Chl b）和叶绿素a+b（chlorophyll a+b，Chl a+b）含量。

1.3.3 反射光谱的测定 选取各处理植株中上部的成熟叶片，挂牌并做好标记。在盐胁迫处理30 d时采用CI-710光纤光谱仪进行反射光谱的测定，每株重复测定5片叶[12]。测定时间均为上午10：00—11：00。

1.4 数据统计与分析

利用Microsoft Excel 2010整理原始数据及作图，采用SPSS 20.0进行方差分析，运用Duncan法对各参数进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 樱桃叶片叶绿素含量在盐胁迫下的变化

随NaCl处理水平的增加，大青叶樱桃幼苗叶片的叶绿素a含量先升高后降低；叶绿素b含量逐渐下降；叶绿素a+b含量先升高后降低（图1）。叶绿素a含量在75 mmol·L-1NaCl处理时达到最高，显著高于CK；而在150和300 mmol·L-1NaCl处理时，叶绿素a含量显著低于CK。不同含量NaCl处理下叶绿素b含量均存在显著差异，CK处理的叶绿素b含量显著高于NaCl处理。 75 mmol·L-1NaCl处理的叶绿素a+b含量显著高于CK；而150和300 mmol·L-1NaCl处理的叶绿素a+b含量显著低于CK。综上所述，相较于CK，叶绿素a含量和叶绿素a+b含量在75 mmol·L-1NaCl处理均表现为上升趋势；叶绿素b含量虽然呈现下降趋势，但在75 mmol·L-1NaCl处理时其含量依然较高。由此表明，在75 mmol·L-1NaCl处理下，大青叶樱桃幼苗的生长状态良好；而在150和300 mmol·L-1NaCl处理下，3种叶绿素含量均呈下降趋势，且在盐胁迫下的叶绿素含量均低于CK，表明在该浓度NaCl处理下，大青叶樱桃砧木幼苗的生长受到了抑制。

图1 不同盐处理下樱桃叶片中叶绿素的含量Fig.1 Chlorophyll contents of cherry leaves under different salt treatments

2.2 樱桃砧木光合作用在盐胁迫下的变化

随着NaCl浓度的增加，大青叶樱桃砧木幼苗叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）均呈先升高后降低的变化规律，且不同处理间均存在显著差异（图 2）。Pn、Tr、Gs、Ci在75 mmol·L-1NaCl处理下均达到最高，较CK分别显著增加了12.13%、15.03%、36.57%、6.81%。当NaCl浓度高于75 mmol·L-1时，Pn、Tr、Gs、Ci呈下降趋势，且显著低于CK；其中，在150和300 mmol·L-1NaCl处理下，Pn较CK分别显著降低了43.33%、54.48%，Tr较CK分别显著降低了17.57%、56.99%，Gs较CK分别显著降低了44.46%、61.10%，Ci较CK分别显著降低了13.79%、26.04%。由此表明，75 mmol·L-1NaCl处理能够促进大青叶樱桃砧木幼苗的生长，而高于该浓度时，则会对樱桃大青叶的生长起抑制作用。

图2 不同浓度NaCl处理下樱桃叶片的光合指标Fig.2 Photosynthetic indexes of cherry leaves under different concentrations of NaCl treatment

2.3 不同盐处理对樱桃叶片光谱反射率的影响

光谱反射率在不同浓度NaCl处理下曲线相似，均表现为明显的“绿峰”“红谷”和“近红外平台”，但各个波段在不同盐处理的光谱反射率存在一定差异（图3）。可见光波段（400～700 nm），大青叶樱桃砧木幼苗叶片的光谱反射率在400～500 nm的蓝紫光区波段中无明显变化，不形成明显的峰或谷，但各NaCl处理的光谱曲线在反射率的大小方面区别较为明显：150 mmol·L-1NaCl处理的反射率最大，而300 mmol·L-1NaCl处理的反射率最小。500～600 nm存在1个明显的反射峰，峰值位于550 nm处，即“绿峰”，形成该峰的原因是在此波段范围内，植物叶片的光合作用较弱，吸收能力低，故而反射率高。不同处理的反射率表现为：150 mmol·L-1NaCl处理最低；300 mmol·L-1NaCl处理和对照居中，两处理间差异不显著；75 mmol·L-1NaCl处理最高，显著高于其余处理。在可见光红光区（650～690 nm）的680 nm处有1个反射谷，即“红谷”，在此波段的光谱带具有对叶绿素最强的吸收能力和光合活性，对光的吸收转化能力强，故而反射率弱。各处理的光谱曲线反射率表现为：150 mmol·L-1NaCl处理的反射率最大，而300 mmol·L-1NaCl处理的反射率最小，与叶片在蓝紫光区的反射率规律一致。在近红外光区（690～760 nm），由于叶片内部组织构造（叶肉细胞等）的反射作用，反射率呈指数状脊背上升，在750 nm处曲线升至最高点；在750～950 nm处形成1个反射平台，在反射平台中，各处理的反射率表现与在绿光区的规律一致。

图3 不同浓度NaCl处理下的光谱反射率Fig.3 Spectral reflectance under different concentrations of NaCl treatment

2.4 光合色素含量与光谱反射率的相关性

樱桃叶片叶绿素a与光谱反射率在400～503和660～680 nm区域呈负相关；而在504～659和681～950 nm区域呈正相关（图4）。在434和667 nm附近出现2个相关系数的低谷，在517～527、570～587和 900～960 nm 出现高峰区，且在520.9和951.3 nm出现2个峰值，相关系数分别为0.999 924和0.999 979。叶绿素b与光谱反射率在全波长区域均呈正相关；在415和679 nm附近出现2个相关系数的较低谷，在589、694和956 nm附近出现3个较高的峰值，其中，在589.5 nm相关系数最高，达0.941 278。

图4 樱桃叶片光合色素含量与光谱反射率的相关性Fig.4 Correlation of photosynthetic pigment content in cherry leaves with spectral reflections

3 讨论

盐胁迫会使光合系统受到限制，一方面限制了叶绿素的合成或加速其降解，另一方面通过气孔限制或非气孔限制影响光合作用[16-17]。叶绿素是吸收和转化光能的主要色素，其含量是体现植物叶片光合能力强弱的重要指标之一。本研究对大青叶樱桃幼苗进行4种水平NaCl处理，结果表明，较低水平NaCl处理时（75 mmol·L-1），叶绿素a含量高于对照；较高水平NaCl处理时，叶绿素a含量显著降低；而NaCl处理后叶绿素b含量均显著低于对照，且随着NaCl浓度的增加逐渐降低，与尹勇刚等[18]和Zhu等[19]的研究结果相一致，而与王丹丹[20]的研究结果存在一定的差异，可能是由于试验材料的繁殖方式不同所导致[21]。叶绿素b较叶绿素a下降明显，可能是由于其对NaCl胁迫的敏感性更高，叶绿素酶对叶绿素b的降解大于叶绿素a所致[16]。随NaCl处理水平的升高，叶绿素含量明显降低，表明高水平的盐胁迫使叶绿素合成遭到破坏。

净光合速率（Pn）是植物单位时间单位叶面积内所积累有机物的量，能够直接反应植物在受到盐胁迫时产生的生理变化，因此，可以作为植物耐盐性鉴定的有效生理指标[19]。本研究中，NaCl处理为 75 mmol·L-1时，Pn、Tr、Gs和Ci均显著高于CK，且达到最高，与柯裕州等[22]和Parida等[23]的研究结果一致，即低水平NaCl处理下不仅未对植株造成胁迫，还提高了植株叶片的叶绿素含量及对水分的利用，从而促进了植株的光合作用。随着NaCl浓度的升高，樱桃砧木幼苗叶片的光合作用明显下降，同时Gs和Ci呈显著降低，与尹勇刚等[18]研究结果相一致，光合作用的下降可能是由于气孔限制所致。

叶绿体是植物光合作用的场所，而叶绿体中的色素对光能的反射与固定在一定程度上反映了叶片的生理状态与功能。建立光谱反射率与叶绿素含量的相关性是高光谱监测的依据。本研究探讨了樱桃砧木大青叶在盐胁迫下的反射光谱特性及与叶绿素含量的相关性。结果表明，在较低浓度的NaCl胁迫时(75 mmol·L-1)，大青叶樱桃砧木叶片在近红外光区和绿光区的反射率最高，高于CK，与张丽平等[24]的研究结果相似。通过光谱反射率的分析发现，樱桃砧木幼苗叶片的反射光谱曲线在不同水平NaCl处理下的变化波段主要集中在绿光区的550 nm处形成“绿峰”；在680 nm附近形成高斜率的抬升现象；最终在750～950 nm产生1个反射平台，与大多数植物叶片的光谱变化特征相符合[25-26]。光合色素含量与光谱反射率存在较高的相关性[27-29]，为反演色素含量提供了理论依据。