盐胁迫与供磷水平对柳枝稷苗期生理特性的影响

麻仲花，吴 娜，陈 娟，赵 匆，闫承宏，刘吉利

(宁夏大学 a. 农学院；b. 生态环境学院；c.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)

盐渍土是世界性的低产土壤，甚至是不毛之地，也是引起生态环境恶化的主要原因之一，我国盐碱土总面积约3 000多万hm，且不断扩大。柳枝稷()作为禾本科黍属多年生草本C4植物，原产北美，为典型的纤维素类能源植物，在贫瘠边际土地上可保持高产，同时柳枝稷具有一定的耐盐碱性，被认为是最具有开发利用前景的能源植物之一，现已引起广泛关注。盐碱作为主要的非生物胁迫因子，不仅抑制植物生长发育，也显著降低了土壤中的有效磷含量，严重者则限制根系对磷素的吸收利用，造成生理性缺磷，在农业生产上通过施磷肥来提高土壤中有效磷的含量。刘吉利等研究表明，柳枝稷在盐胁迫下通过积累渗透调节物含量、提高保护性酶活性等来增强对盐胁迫的适应性，但不同品种表现不同的生理适应性。刘金彪等研究表明，施磷可降低柳枝稷在低磷胁迫环境中为吸收磷素而蒸腾损失的水分，从而提高柳枝稷的生理耐逆性，进一步提高柳枝稷生物量。高珊等研究认为，盐碱胁迫降低植物根区内外土壤有效磷含量，导致土壤缺磷而影响植物正常生长发育。邓力群等研究表明，种植在滨海盐土上的油葵，适当施磷肥可以补充滨海盐土中受盐胁迫流失的有效磷，随着磷肥使用量的增加，高盐土油葵的抗逆性逐渐增强，但施磷过多会使其生长受影响。张蕊等研究表明，磷在逆境胁迫下可增强小麦根系生长，提高根冠比，增强抗逆性。研究表明，柳枝稷苗期对盐胁迫与低磷胁迫比较敏感，并且苗期对盐胁迫与低磷胁迫的抗逆性能够代表植物全生育期耐逆程度，而不同品种生理抗逆性表现不同；目前对柳枝稷盐胁迫和供磷水平两者单独都有研究，但对两因素综合研究鲜见报道，因此，本研究主要采用水培试验研究盐胁迫与供磷水平两因素对苗期不同品种柳枝稷生理特性的影响，揭示盐胁迫与供磷水平对苗期柳枝稷耐逆性的影响机理，为盐碱地柳枝稷品种选择提供重要理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

采用水培试验，设置盐胁迫和供磷水平两个因素，分别用A、B表示；设2个盐胁迫水平，分别为A1盐胁迫(100 mmol·LNaCl溶液)，A2无盐胁迫；设4个供磷水平，分别为B1无磷(记作P0)，B2低磷(5 μmol·LKHPO，记作-P)，B3高磷(200 μmol·LKHPO，记作+P)，B4全磷(2 000 μmol·LKHPO，记作全 P)，共计8个处理，分别为A1B1，A1B2，A1B3，A1B4，A2B1，A2B2，A2B3，A2B4，每个处理重复3次。

1.2 试验材料

试验于北京市农林科学院温室大棚内开展，试验材料为3个品种柳枝稷，品种特性见表1。

表1 柳枝稷材料生态类型、染色体倍性及来源

挑选大小一致饱满的柳枝稷种子，通过沙培在光照培养箱中育苗，培养条件为：室温 35 ℃/20 ℃，光周期14 h/10 h，光照强度400 μmol·m·s，待幼苗长到3 片展开叶，挑选生长一致的幼苗移栽至水培箱(箱体长41 cm，宽30.5 cm，高13.5 cm)中培养。每个水培箱内，幼苗基部用海绵包裹，放入聚乙烯泡沫板预先打好的孔中，然后固定于水培箱上，水培箱体用锡箔纸包裹，以防止光照及避免藻类的繁殖。每个水培箱灌注营养液13.9 L，用气泵进行24 h充气，营养液每3 d更换一次。试验营养液配比采用不同磷浓度的 Hoagland 营养液配方，KHPO为营养液中的磷素来源，为保持钾素的平衡，改变 KHPO的浓度时需调节相应KCl的浓度(表2)。柳枝稷材料先在正常条件下培养至三叶一心时进行不同盐胁迫和供磷水平处理，处理第7天测定植株生理指标。每个处理种植6盆，每盆种植16株。

表2 不同磷浓度的Hoagland营养液配置表

1.3 测定指标及方法

可溶性糖(SS)含量采用蒽酮法测定；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定；脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮比色法测定。过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法测定；过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件对试验数据进行初步处理和图表制作；采用SPSS 25统计软件进行方差分析；Origin2020进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫与供磷水平对柳枝稷苗期渗透调节物质含量的影响

2.1.1 可溶性糖含量的影响

由图1可知，盐胁迫条件下Alamo 加倍体、Alamo和 Pathfinder可溶性糖含量随着磷浓度增加均呈现降低的趋势，全磷处理较无磷处理可溶性糖分别降低 40.80%、26.47%、13.82%。无盐胁迫条件下Alamo 加倍体和 Pathfinder 的可溶性糖含量随磷含量增加呈现波动变化，而Alamo 可溶性糖含量总体随磷含量增加表现出先升高后下降的趋势，但3个品种的可溶性糖含量均在高磷处理上达到最大值。

同一品种同一盐水平处理柱上无相同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

由表3可知，盐胁迫显著增加了Alamo 加倍体和Pathfinder可溶性糖含量(<0.05)，但对Alamo可溶性糖含量影响不显著(>0.05)。供磷水平对3个柳枝稷品种可溶性糖含量影响均不显著(>0.05)。但供磷水平与盐胁迫两因素交互作用影响显著，盐胁迫和低磷胁迫显著增加了3个柳枝稷品种可溶性糖含量(<0.05)。

表3 可溶性糖含量方差分析表

2.1.2 丙二醛含量的影响

由图2可知，盐胁迫条件下Alamo 加倍体、Alamo 和 Pathfinder 3个品种的丙二醛含量随着磷浓度的增加均呈现出先升高后降低的趋势，均在高磷处理下达到最大值。无盐胁迫条件下Alamo 的丙二醛含量随着磷浓度的增加而增大，而Alamo加倍体和Pathfinder呈现出先降低后升高的趋势。

图2 盐胁迫与供磷水平对3个柳枝稷品种丙二醛含量的影响

由表4可知，盐胁迫对Alamo 加倍体、Alamo 和 Pathfinder 3个品种的丙二醛含量影响均不显著(>0.05)。供磷水平对3个品种柳枝稷丙二醛含量影响也不显著(>0.05)。但盐胁迫与供磷水平两因素交互作用影响显著，盐胁迫与低磷胁迫显著增加了3个柳枝稷品种丙二醛含量(<0.05)。

表4 丙二醛含量方差分析表

2.1.3 脯氨酸含量的影响

由图3可知，盐胁迫条件下Alamo加倍体、Alamo 和Pathfinder 3个品种脯氨酸含量均随着磷浓度的增加而增大，全磷处理较无磷处理脯氨酸含量分别升高288.16%、544.21%、330.49%。无盐胁迫条件下Alamo加倍体、Alamo 和Pathfinder 3个品种脯氨酸含量也随着磷浓度的增加而增大，全磷处理较无磷处理脯氨酸含量分别升高 136.79%、193.85%、61.09%。

图3 盐胁迫与供磷水平对3个柳枝稷品种脯氨酸含量的影响

由表5可知，盐胁迫对Alamo加倍体、Alamo脯氨酸含量影响均不显著(>0.05)，但显著增加了Pathfinder脯氨酸含量(<0.05)。供磷水平对3个品种柳枝稷脯氨酸含量的影响均不显著(>0.05)。但盐胁迫与供磷水平两因素交互作用明显，盐胁迫与低磷胁迫显著增加了3个柳枝稷品种脯氨酸含量(<0.05)。

表5 脯氨酸含量方差分析表

2.2 盐胁迫与供磷水平对柳枝稷苗期保护性酶活性的影响

2.2.1 过氧化物酶活性的影响

由图4可知，在盐胁迫条件下Alamo加倍体和Alamo的POD活性在全磷处理下达到最大值，而Pathfinder的POD活性在低磷处理下达到最大值。无盐胁迫下Alamo加倍体和Alamo的POD活性在无磷处理下达到最大值，而Pathfinder的POD活性在低磷处理下达到最大值。

图4 盐胁迫与供磷水平对3个柳枝稷品种过氧化物酶活性的影响

由表6可知，盐胁迫对Alamo加倍体和 Alamo的POD活性影响不显著(>0.05)，但显著增强了Pathfinder的POD活性(<0.05)。供磷水平对3个品种柳枝稷POD活性影响均不显著(>0.05)。盐胁迫与供磷水平两因素交互作用影响下，两因素交互下显著增强了Alamo 加倍体和Alamo的POD活性(<0.05)，但对Pathfinder的POD活性影响不显著(>0.05)。

表6 POD活性方差分析表

2.2.2 超氧化物歧化酶活性的影响

由图5可知，盐胁迫条件下Alamo加倍体的SOD活性在高磷处理下达到最大值，而Alamo和Pathfinder的SOD活性在低磷处理下达到最大值；无盐胁迫条件下Alamo加倍体、Alamo和Pathfinder 3个品种的SOD活性均在低磷处理下达到最大值。

图5 盐胁迫与供磷水平对3个柳枝稷品种超氧化物歧化酶活性的影响

由表7可知，盐胁迫显著增强了Alamo加倍体的SOD活性(<0.05)，但对Alamo和Pathfinder的SOD活性影响均不显著(>0.05)。供磷水平显著增强了Alamo加倍体和Alamo的SOD活性(<0.05)，但对Pathfinder的SOD活性影响不显著(>0.05)。盐胁迫与供磷水平两因素交互作用影响下，对Alamo加倍体和 Alamo的SOD活性影响均不显著(>0.05)，但显著增强了Pathfinder的SOD活性(<0.05)。

表7 SOD活性方差分析表

2.2.3 过氧化氢酶活性的影响

由图6可知，盐胁迫条件下Alamo 加倍体、Alamo和 Pathfinder的CAT活性随着磷含量的增加而降低，全磷处理较无磷处理分别降低 65.81%、37.41%、90.66%。无盐胁迫条件下Alamo 加倍体、Alamo和 Pathfinder 3个品种高磷处理较无磷处理CAT活性显著降低 96.75%、58.31%、113.69%。

图6 盐胁迫供磷水平对3个柳枝稷品种过氧化氢酶活性的影响

由表8可知，盐胁迫下显著增强了Alamo加倍体、Alamo和Pathfinder的CAT活性(<0.05)，供磷水平显著增强了Alamo加倍体和Alamo的CAT活性(<0.05)，但对Pathfinder的CAT活性影响不显著(>0.05)。盐胁迫与供磷水平两因素交互作用影响下，两因素交互作用下对Alamo加倍体、Alamo和Pathfinder的CAT活性影响均不显著(>0.05)。

表8 CAT活性方差分析表

2.3 生理指标主成分分析

为探究3个品种柳枝稷在盐胁迫与供磷水平上的综合耐逆性，对其进行主成分分析。由表9得出各主成分的特征值、方差贡献率和累计方差贡献率。其中特征值表述对应主成分能够描述原有信息的多少，前3个主成分特征值均大于1，其中第一主成分的方差贡献率为37.88%，第二主成分的方差贡献率为23.80%，第三主成分的方差贡献率为20.16%，累计方差贡献率为81.84%，即这3个主成分涵盖了柳枝稷6个评价指标中80%以上的信息。

表9 各成分的特征值、方差及累计贡献率

表10反映了各个指标在每个主成分上的载荷，即这些指标对主成分的影响程度。第1主成分特征值为2.27，可溶性糖和脯氨酸含量在第1主成分上有较高的载荷，表明第1主成分主要由可溶性糖、脯氨酸含量所决定；第2主成分特征值为1.43，过氧化氢酶活性在第2主成分上有较高的载荷，表明第2主成分主要由过氧化氢酶活性决定；第3主成分特征值为1.21，超氧化物歧化酶在第3主成分上有较高的载荷，表明第3主成分主要由超氧化物歧化酶决定。因此，3个柳枝稷品种在盐胁迫与供磷水平上综合生理特性评定时可溶性糖、脯氨酸是主要的评定指标，过氧化氢酶是二级评定指标，超氧化物歧化酶是三级评定指标。

表10 主成分载荷矩阵

为了更加直观地评价3个柳枝稷品种在盐胁迫与供磷条件下的适应性，对其主成分值之和(表11)进行综合评价时，可选取3个主成分，以每个主成分的方差贡献率作为权重构建综合评价指数：=0.38+0.24+0.20。

由表11可知，通过对3个柳枝稷品种在各处理下生理指标的主成分值和综合值分析得出： 盐胁迫水平上综合值均高于非盐胁迫水平，在盐胁迫供磷水平下，Alamo加倍体综合值由大到小依次为：无磷>高磷>全磷>低磷，Alamo综合值依次为：全磷>低磷>无磷>高磷，Pathfinder综合值依次为：低磷>高磷>全磷>无磷。非盐胁迫供磷水平下，各处理的综合值均低于盐胁迫供磷水平，第1、2、3主成分也较低，Alamo加倍体和Alamo第3主成分稍高。综合得出，盐胁迫下施磷对柳枝稷生理特性的影响比非盐胁迫下施磷更加显著。Alamo加倍体在盐胁迫无磷处理下综合值最大，Alamo在盐胁迫全磷处理下综合值最大，Pathfinder在盐胁迫低磷处理下综合值最大。3个品种的盐胁迫与供磷水平综合抗逆生理特性表现为：Pathfinder>Alamo加倍体>Alamo。

表11 三个柳枝稷品种在不同处理下各主成分值与综合值

3 讨论

3.1 盐胁迫与供磷水平对柳枝稷渗透调节物质含量的影响

植物的耐逆性是一个综合生理生化过程，在不同处理下耐盐性不同，各项抗逆生理指标的变化也不同。在植物逆境胁迫下渗透调节占主要地位，其中脯氨酸、可溶性糖及MDA是植物体内重要的渗透调节物质，在逆境胁迫下降低其渗透势，增强吸水和持水能力，保持正常生长，进一步提高抗胁迫能力。李孔晨等在不同品种黑麦草耐盐碱性研究中表明，盐胁迫下脯氨酸和MDA含量随着盐浓度的增加而逐渐增加。本研究中在盐胁迫下3个柳枝稷品种的脯氨酸、MDA及可溶性糖含量均高于无盐胁迫，说明柳枝稷与其他禾本科植物一样，也具有通过增加体内脯氨酸和可溶性糖含量的方式来抵御抗盐胁迫的能力，其中MDA含量在盐胁迫下也高于无盐胁迫，表明MDA含量表示盐胁迫下柳枝稷体内细胞膜受到伤害的程度，膜脂发生过氧化反应导致MDA含量积累增加，MDA含量越高表明柳枝稷幼苗受伤害程度越严重。

研究表明，施磷使大麦体内的可溶性糖、脯氨酸及MDA含量在盐胁迫下不断增加。本试验盐胁迫条件下，3个柳枝稷品种可溶性糖与MDA含量均随着供磷水平的增高而逐渐降低，这与前人研究结果不一致，这可能是在盐胁迫下通过增加磷含量可以削弱逆境胁迫对柳枝稷幼苗的伤害，减少了部分渗透调节类物质的生成，降低其含量，从而减弱其伤害。本试验中3个柳枝稷品种脯氨酸含量均随着供磷水平的增加而逐渐增加，说明柳枝稷抗逆性与供磷水平呈正相关，可见生产中增加磷养分供应有利于增强柳枝稷的耐盐碱能力。方差分析结果表明，盐胁迫与供磷水平两因素交互影响下显著增强了3个柳枝稷品种可溶性糖、脯氨酸及MDA含量的积累(<0.05)，说明可溶性糖、脯氨酸及MDA含量的积累受盐胁迫与供磷水平的共同影响，而不是盐胁迫或供磷水平单独作用的结果。

3.2 盐胁迫与供磷水平对柳枝稷保护性酶活性的影响

POD、SOD及CAT是植物抗氧化系统重要组成部分，对清除自由基氧化损伤有重要作用。李晓雅等在亚麻荠盐胁迫研究中表明，随着盐浓度的增大，POD、SOD、CAT活性上升。在干旱条件下柳枝稷体内MDA含量增加，诱导POD、SOD、CAT活性显著增强，但在亚麻荠叶片中则随盐浓度的增加而呈先上升后下降的变化趋势。本研究中不同柳枝稷品种POD活性对盐胁迫的响应程度不同， 盐胁迫下显著增加了Alamo 加倍体和 Alamo的POD活性，却降低了Pathfinder的POD活性。Alamo加倍体和Alamo的SOD活性在盐胁迫与非盐胁迫处理间无显著性差异(>0.05)，而盐胁迫条件下Pathfinder的SOD活性显著升高(<0.05)，这与廖岩等研究结果也类似；3个柳枝稷品种的CAT活性在盐胁迫与非盐胁迫间均有显著差异(<0.05)。本研究结果表明，盐胁迫条件下柳枝稷幼苗可通过提高POD、SOD、CAT的活性来增强其抗氧化能力，从而抵御逆境伤害。

卢闯等研究表明，在盐胁迫下增施磷可提高食葵叶中POD、SOD、CAT活性，但磷过量反而会降低其活性。本研究结果表明，在盐胁迫条件下，Alamo加倍体和Alamo的POD活性在全磷(B4)水平上显著高于其他处理(<0.05)，Pathfinder品种的POD活性在无磷(B1)水平上显著高于其他处理(<0.05)，这表明盐胁迫时不同柳枝稷品种POD活性对磷营养的响应不同；盐胁迫下3个柳枝稷品种的SOD活性随着磷浓度的增加均呈先增加后降低的趋势，表明适量的磷素能够增强活性氧清除系统的活性，从而缓解生理代谢的紊乱和提高柳枝稷幼苗的抗逆性。但CAT活性随磷浓度的增加而呈现降低的趋势，与 POD、SOD 表现不一致，这可能是机体的一种补偿机制。

3.3 不同柳枝稷品种生理抗逆特性综合评价

王志恒等在藜麦种子萌发阶段响应干旱和盐胁迫变化的综合评价过程中，通过主成分分析将8个萌发指标分别简化为2个抗旱性和3个抗盐综合评定指标，消除了植物抗旱性与抗盐性综合评价时可能需要通过多个指标进行鉴定的繁琐性。本研究通过主成分分析将3个柳枝稷品种的6个生理指标简化为三级综合评定指标，其中可溶性糖、脯氨酸是主要的综合评定指标，过氧化氢酶是二级综合评定指标，超氧化物歧化酶是三级综合评定指标。Pathfinder、Alamo加倍体、Alamo 3个品种综合评定最大值分别出现在盐胁迫无磷(A1B1)、盐胁迫全磷(A1B4)、盐胁迫低磷(A1B2)水平上，表明3个品种在盐胁迫不同供磷水平上的综合值高于非盐胁迫不同供磷水平。研究结果表明，通过主成分分析筛选出的三级评价指标可作为盐胁迫与供磷水平对柳枝稷苗期生理特性综合评价的重要依据，能够保证结果的可靠性，并将各指标统一为综合抗逆能力。

综合来看，盐胁迫下磷肥对柳枝稷的抗盐能力有显著提高，表明柳枝稷根系对磷肥的吸收和转化力较强；从而可进一步探究盐碱与低磷胁迫对柳枝稷根际微生物多样性和功能的影响，尤其是对土壤磷素吸收和活化方面的作用。

4 结论

盐胁迫与供磷水平两因素交互作用对柳枝稷苗期可溶性糖、脯氨酸和MDA含量等渗透调节物质以及POD、SOD等保护性酶活性影响显著，降低MDA含量，提高柳枝稷抗逆能力。盐胁迫与供磷水平处理对柳枝稷生理特性影响主成分分析表明，不同的柳枝稷品种的生理抗逆特性存在一定的差异，Pathfinder品种在各处理下综合值之和最高，表明抗逆境能力最强，适宜在低磷盐碱地种植。