7种柽柳属植物对NaCl胁迫的生长生理响应与耐盐性差异

王红宝，郑伶杰，丁丁，丁冯洁，郭艳超

(河北省农林科学院滨海农业研究所/河北省盐碱地绿化工程技术研究中心，河北 唐山 063200)

土壤盐渍化是当前重要的生态环境问题，也是制约农林业发展的重要因素[1，2]。筛选和培育耐盐植物是盐渍化土壤改良的有效生物措施，投入成本低，又能实现盐渍土可持续开发利用。柽柳属(TamarixLinn.)植物作为盐渍化土壤绿化造林的先锋树种，具有抗旱、抗寒、耐盐碱等优良特性[3]，对防风固沙、改善土质等方面有着重要作用，在沿海生态环境建设中占有突出地位[4]。因此，开展柽柳属植物耐盐生理机制方面的研究具有重要意义。

盐胁迫是影响植物生长发育的重要环境因子，对植物造成的伤害主要表现在吸水困难、生物膜破坏、离子毒害、氧化损坏和渗透胁迫等[5－7]。近年来，关于柽柳属植物耐盐相关的研究较多，如:盐碱胁迫对柽柳、杜仲(Eucommia ulmoidesOliver.)和沙枣(Elaeagnus angustifoliaLinn.)等树种叶绿素、丙二醛和总有机酸含量等生理生化指标的影响[8]；盐胁迫下4 个柽柳品系的生理特性以及利用隶属函数法对它们进行的耐盐性评价[9]；一年生柽柳根系生理生态特性对不同盐分条件的响应[10]。

可以看出，以上研究主要集中在柽柳与其它不同树种、柽柳同一树种无性系间的耐盐性比较上，且研究区域主要分布在西北干旱、半干旱地区，而关于滨海地区不同柽柳属植物幼苗对盐胁迫的响应及种间耐盐性差异研究鲜有报道。鉴于此，本研究以7 种柽柳属植物为材料，测定分析其在NaCl 胁迫下的幼苗株高、叶片质膜透性、抗氧化酶活性及K＋、Na＋含量等生长生理指标，采用主成分分析法、隶属函数法及回归分析法进行柽柳属植物苗期耐盐性综合评价，为今后该属植物的耐盐性评价鉴定及耐盐育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为7 种柽柳属植物，分别为长穗柽柳(Tamarix elongataLedeb.)、刚毛柽柳(Tamarix hispidaWilld.)、多枝柽柳(Tamarix ramosissimaLedeb.)、白花柽柳(Tamarix androssowiiLitw.)、甘肃柽柳(Tamarix gansuensisH. Z. Zhang)、甘蒙柽柳(Tamarix austromongolicaNakai)和密花柽柳(Tamarix arceuthoidesBunge)。

1.2 试验方法

本试验于2020年5月在河北省农林科学院滨海农业研究所综合试验站进行。该地日均温(25±3)℃。剪取长度约15 cm、直径约1 cm 的枝条，扦插于装有草炭∶蛭石∶珍珠岩＝1∶2∶1(体积比)基质的无纺布袋中。培养50 d 后，选取长势良好、无病虫害的植株移栽于底部带托盘的塑料花盆(盆高28 cm，上口直径28 cm，下口直径20 cm)中。盆栽基质为蛭石，每盆3 株，然后放置于耐盐鉴定池内进行常规管理。

缓苗后，选择整齐一致、生长健壮的幼苗进行盐胁迫处理。以1/2 Hoagland 营养液为本底，按比例配制成不同梯度的NaCl 溶液，采用过量灌溉盆栽法进行盐胁迫处理。试验共设6 个处理，其NaCl 浓度分别为0(对照)、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%和1.5%。每盆柽柳作为1 个重复，每处理重复3 次。每3 d 浇灌1 次，上午10 时左右进行。

试验期间，利用便携式土壤三参测试仪(EasyTest)对土壤水分及含盐量进行监控，底部托盘中的渗水及时返还盆中。盐胁迫处理40 d 后采集各植株上部的功能叶片进行相关指标测定。

1.3 测定指标及方法

将选取的叶片用蒸馏水冲洗干净并吸干水分后称取鲜重，105℃下杀青1 h 后80℃烘干至恒重称取干重。株高:于试验结束时用钢卷尺测得。叶片含水量测定采用烘干法[11]，质膜透性测定使用电导率仪[12]，超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑法[13]，过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法[13]，K＋、Na＋含量测定采用原子吸收分光光度法[14]。

1.4 数据处理与分析

数据整理与分析采用Microsoft Excel 2016 进行。采用SPSS 20.0 软件进行主成分分析、隶属函数分析和回归分析。相关指标计算参照文献[15]。

1.4.1 主成分分析 先对各项指标的原始数据进行无纲量化，之后对各项指标进行主成分分析。采用最大方差法，按照累计贡献率大于85%的标准提取主成分，得到各指标的系数及综合评价值。

1.4.2 隶属函数分析 计算公式如下:

式中:Xj表示第j 个因子的得分值，Xmin表示第j个因子得分的最小值，Xmax表示第j 个因子得分的最大值。

1.4.3 权重分析 计算公式如下:

式中:Wj表示第j 个公因子在所有公因子中的重要程度即权重，Pj为各处理组合第j 个公因子的贡献率。

1.4.4 综合评价 计算公式如下:

式中:D 值为耐盐性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物生长的影响

由表1 可知，随着NaCl 浓度升高，密花柽柳株高呈降低趋势，其余材料均呈先上升后下降的变化趋势。在0.3%～0.9% NaCl 胁迫下，这6 种柽柳属植物株高均有不同程度的增长。NaCl 浓度为0.6%时多枝柽柳、白花柽柳和甘蒙柽柳株高达到最大值，NaCl 浓度为0.9%时长穗柽柳、刚毛柽柳和甘肃柽柳株高增至最大值，NaCl 浓度高于1.2%时各材料株高均受到抑制，且低于对照，其中长穗柽柳和刚毛柽柳株高受抑制程度最小，降幅仅为5.56%、9.72%。

表1 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物株高的影响(cm)

由表2～表4 可以看出，随着NaCl 浓度增加，7 种柽柳属植物叶片鲜重、干重及含水量均呈先上升后下降趋势。0.3%、0.6% NaCl 胁迫下，叶片鲜重、干重和含水量均有不同程度的提高；0.9%NaCl 胁迫下，甘蒙柽柳的叶片鲜重和干重均达到最大，分别比对照增加112.15%、58.19%；NaCl 浓度增至1.2%，整体上大多数柽柳属植物的叶片鲜重、干重和含水量未出现显著下降，说明其仍能维持正常生长所需水分；1.5% NaCl 胁迫下，各材料叶片鲜重、干重和含水量出现大幅下降趋势，其中密花柽柳的降幅最大，分别下降53.42%、38.89%和28.02%。可见，低浓度盐胁迫可以促进柽柳属植物幼苗生长和叶片含水量的积累，但随着胁迫强度的增大，植株生长受到明显抑制。

表2 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片鲜重的影响(g/株)

表3 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片干重的影响(g/株)

表4 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片含水量的影响(%)

2.2 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片质膜透性的影响

如图1 所示，随着NaCl 胁迫加重，7 种柽柳属植物叶片质膜透性呈逐渐增加趋势，其中，甘蒙柽柳各处理均与对照差异不显著。0.3%、0.6%NaCl 胁迫下，除密花柽柳外其它6 种柽柳属植物叶片质膜透性变化平稳，与对照差异不显著(P<0.05)；0.9%、1.2% NaCl 胁迫下，长穗柽柳、多枝柽柳和密花柽柳均与对照差异显著(P<0.05)；1.5% NaCl 胁迫下，除甘蒙柽柳外6 种柽柳属植物叶片质膜透性显著提高，分别比对照高出86.96%、57.14%、56.00%、11.69%、32.65% 和86.36%。以上表明甘蒙柽柳的细胞膜受NaCl 胁迫的影响较小，长穗柽柳和密花柽柳受NaCl 胁迫的影响较大。

图1 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片质膜透性的影响

2.3 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片Na＋和K＋含量的影响

由表5 可知，随着NaCl 浓度升高，7 种柽柳属植物叶片Na＋含量均出现不同程度的上升趋势，说明各材料间的耐盐能力存在差异。除长穗柽柳外，其它柽柳属植物在0.9%～1.5% NaCl 处理下均与对照差异显著(P<0.05)，1.5% NaCl 胁迫下甘肃柽柳叶片Na＋含量比对照增加1.05 倍，而甘蒙柽柳叶片Na＋含量增加60.41%。

表5 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片Na＋含量的影响(mg/g)

由表6 可知，叶片K＋含量随着NaCl 浓度升高而逐渐降低，在0.3%～0.9% NaCl 胁迫下，各柽柳属植物叶片K＋含量下降比较缓慢，除多枝柽柳外降幅均无显著差异；当NaCl 浓度增至1.5%时叶片K＋含量大幅下降，与对照相比，多枝柽柳和甘蒙柽柳叶片K＋含量分别下降61. 12% 和62.78%，表明两者受高浓度NaCl 胁迫影响较大。

表6 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片K＋含量的影响(mg/g)

由表7 可知，随着NaCl 胁迫增强，7 种柽柳属植物叶片的Na＋/K＋值整体呈上升趋势。其中，除长穗柽柳外，其它材料叶片的Na＋/K＋值均与对照存在显著差异，1.5% NaCl 胁迫下各柽柳属植物叶片的Na＋/K＋值达到最高，其增幅由高到低依次为多枝柽柳、甘蒙柽柳、白花柽柳、刚毛柽柳、甘肃柽柳、密花柽柳和长穗柽柳，分别比对照增3.82、2.83、2.48、2.22、1.68、1.00 倍和91%。

表7 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片Na＋/K＋的影响

2.4 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片抗氧化酶活性的影响

由图2 可知，随着NaCl 胁迫程度的加剧，7种柽柳属植物叶片SOD、CAT 活性的变化趋势一致，均呈先升高后下降趋势。其中，长穗柽柳和刚毛柽柳在0.6% NaCl 处理下SOD、CAT 活性达到峰值；多枝柽柳、白花柽柳、甘肃柽柳和甘蒙柽柳在0.9% NaCl 处理下SOD、CAT 活性增至最高值，且与对照差异显著(P<0.05)，表明在此NaCl 浓度处理下这些柽柳属植物SOD、CAT 活性达到最大耐受值；密花柽柳SOD、CAT 活性则分别在1.2%、0.9% NaCl 处理下达到峰值。除密花柽柳外，其它柽柳属植物1.2%、1.5% NaCl 处理下SOD、CAT 活性与最高值时相比显著下降(P<0.05)，且1.5% NaCl 处理下均降至最低，其中SOD、CAT 活性降幅最小的是长穗柽柳和刚毛柽柳，降幅分别为75.28%、32.81%。以上说明柽柳属植物幼苗受到低浓度盐胁迫时，细胞能迅速启动抗氧化保护酶系统，但在高浓度盐胁迫下，抗氧化保护酶活性虽在增加，但较轻度胁迫增幅下降。

图2 NaCl 胁迫对不同柽柳属植物叶片SOD和CAT 活性的影响

2.5 主成分分析

对7 种柽柳属植物10 个单项指标进行主成分分析，结果见表8。根据累计贡献率大于85%标准，提取了3 个主成分，其贡献率分别为55.776%、24.842%和12.130%，累计贡献率达92.748%，表明这3 个综合指标代表供试材料10个单项指标的大部分信息。另外，SOD 活性、Na＋含量、CAT 活性的系数较高，分别为0.949、－0.984和0.824，表明这3 个单项指标为各主成分的主要作用因子。

表8 各综合指标的系数及贡献率

2.6 耐盐性综合评价

根据主成分分析结果，计算NaCl 胁迫下7 种柽柳属植物的综合指标值CI(x)和隶属函数值U(X)，并运用3 个综合指标的权重(分别为0.601、0.268 和0.131)和隶属函数值计算得到各材料的耐盐性综合评价值(D)，结果见表9。D 值的大小反映不同柽柳耐盐能力的强弱，D 值越大，耐盐能力越强。该方法能较为客观地反映7 种柽柳属植物的耐盐性强弱。根据综合评价值排序，得出7 种柽柳属植物的耐盐能力由强到弱依次为:甘蒙柽柳、多枝柽柳、白花柽柳、甘肃柽柳、长穗柽柳、密花柽柳和刚毛柽柳。其中甘蒙柽柳的耐盐能力最强，其次是多枝柽柳，刚毛柽柳的耐盐能力最弱。

表9 各材料的综合指标值CI(x)、隶属函数值U(X)、综合评价值D 和预测值VP

将综合评价D 值及各单项指标的相对值进行逐步回归分析，获得最优回归方程为Y ＝0.572X6－0.366X7＋0.098X10－0.103(R2＝0.998，F＝430.252)，式中，X6、X7、X10分别代表Na＋含量、K＋含量和CAT 活性，表明X6、X7和X10这3 个指标对7 种柽柳属植物耐盐性有显著影响。根据上述回归方程计算得到的耐盐性预测值(VP)，与综合评价值(D)得到的结果基本一致，两者差值为－0.023～0.019。这说明在与本研究相同的试验条件下，可通过测定这3 项指标预测柽柳属植物的耐盐能力。

3 讨论与结论

植株的生长状况可直观体现出植物的盐害程度，叶片含水量能真实地反映植物体内水分亏缺情况。本研究显示，7 种柽柳属植物株高及叶片的鲜干重、含水量均随NaCl 胁迫增强呈先上升后下降的变化趋势。这说明低盐胁迫对植株生长和叶片含水量的积累有一定的促进作用，但随着NaCl 胁迫强度的增大，植株能通过减缓生长等来应对逆境，也可能是持续的盐胁迫使柽柳体内产生离子毒害，造成叶片鲜干重和含水量降低，进而抑制植株生长[16]。

逆境胁迫下，植物的细胞膜最先受到伤害，质膜透性可以反映细胞膜的受损程度[17]。本研究表明，7 种柽柳属植物质膜透性随NaCl 胁迫的增强而增加。0.3%、0.6% NaCl 胁迫下，总体上质膜透性基本趋于平稳，与对照差异不显著；当NaCl浓度增至1.5%时，除甘蒙柽柳外，6 种柽柳属植物叶片质膜透性显著增加，说明高浓度盐胁迫导致质膜损伤程度加大，渗透物质外流，从而质膜透性增大。这与盐胁迫下3 个越橘(Vaccinum corymbosum)品种叶片细胞膜透性生理响应结果一致[18]。

作为泌盐型植物，柽柳在盐胁迫环境下会吸收大量的Na＋作为其主要的渗透调节物质[6]，同时通过盐腺选择性吸收和转运体内K＋，维持体内离子平衡与渗透稳定[19]。本研究中，随着NaCl胁迫强度增大，Na＋含量及Na＋/K＋值均呈上升趋势，K＋含量却逐渐降低，说明当柽柳受到NaCl 胁迫时，大量Na＋进入植物体内，造成植物对K＋的选择性吸收降低。可见，维持合理的Na＋/K＋值是植物的一种抗盐机制，叶片中较低的Na＋/K＋值可以减少过量Na＋造成的伤害，促进植物生长发育[20]，而Na＋/K＋值过高会产生离子毒害，威胁植物正常生长。

SOD、CAT 作为酶促防御系统中主要的保护酶，在清除植物体内活性氧自由基中起着重要作用[21]。本研究中7 种柽柳属植物SOD、CAT 活性均呈先升高后降低趋势，说明低浓度NaCl 胁迫下柽柳可以通过提高SOD、CAT 活性有效清除多余活性氧，防止大量电解质外渗，保护质膜透性和植株免受盐害。但高浓度NaCl 胁迫超出幼苗叶片细胞忍耐活性氧的极限，加剧了膜脂过氧化作用，导致酶活性下降[22]。两种酶活表现出一定的协同作用，共同维持细胞内自由基的平衡状态。这与李星等[23]研究盐胁迫对细穗柽柳抗氧化酶活性影响时得出的变化趋势结果一致。

为全面、客观、准确地评价柽柳属植物的耐盐性，应从其形态、生理、生化等多方面指标上进行综合评价。主成分分析、隶属函数法等多种方法相结合的方式已广泛应用于柳树(Salix)[24]、白榆(Ulmus pumilaL.)[25]等植物耐盐性的评价上，成为综合评价植物抗逆性的有效方法。本研究采用主成分分析法，将7 种柽柳属植物苗期10 个指标的相对值转换成3 个彼此独立的综合指标，其累计贡献率达92.748%。基于主成分分析结果，结合隶属函数法得出综合指标值和隶属函数值，进而获得柽柳属植物苗期耐盐性的综合评价值(D值)。D 值是1 个[0，1]闭区间的无量纲系数，增加了样本间耐盐性的可比性及准确性[26]，可直观反映7 种柽柳属植物的耐盐性强弱与排序。本研究综合评价得出，长穗柽柳的综合耐盐能力高于刚毛柽柳，与梁维维等[27]的研究结果不一致。这可能与柽柳属植物的耐盐生理特征与泌盐特征有关，不同种类间及不同浓度的盐生环境均可导致柽柳属植物泌盐量的差异[28]，进而影响其耐盐性强弱。刘咏梅等[28]从株高、叶片相对含水量和离子含量等方面对3 种柽柳属植物耐盐性进行比较，表明多枝柽柳的耐盐能力高于甘肃柽柳，与本研究结果一致。为提高耐盐性综合评价效率，本研究通过逐步回归分析建立了用于柽柳属植物苗期耐盐性的评价模型，发现Na＋含量、K＋含量和CAT 活性对柽柳属植物耐盐性有显著影响，这与在柳树[29]、卫矛(Euonymus alantus)[30]等植物上的耐盐鉴定指标筛选结果一致。

综上，随着NaCl 胁迫强度增大，7 种柽柳属植物叶片的质膜透性、Na＋含量及Na＋/K＋值呈上升趋势；其整体株高及叶片的鲜干重、含水量、SOD 活性和CAT 活性呈先上升后下降趋势，叶片K＋含量呈下降趋势。柽柳可以通过增强体内抗氧化酶活性和选择性吸收积累渗透调节物质来适应低浓度的NaCl 胁迫，当NaCl 浓度超过柽柳属植物的耐受能力，其株高、细胞膜、抗氧化酶系统和渗透调节系统会受到破坏。综合评价得出，7种柽柳属植物的耐盐性强弱依次为:甘蒙柽柳、多枝柽柳、白花柽柳、甘肃柽柳、长穗柽柳、密花柽柳和刚毛柽柳。甘蒙柽柳和多枝柽柳可作为沿海地区盐碱地改良和造林绿化的优势树种。同时筛选出Na＋含量、K＋含量和CAT 活性可以作为评价柽柳苗期耐盐性的主要单项指标。