盐胁迫对不同品系萱草光合特性的影响

梁 峥，宋卓琴，贾民隆，段九菊，曹冬梅

（山西农业大学 园艺学院，山西 太原 030031）

我国约有盐渍化土地3 600 万hm2，约占全国可利用土地面积的4.88%，是土壤盐渍化较为严重的国家之一[1-2]。国内外在植物耐盐性方面的研究多集中于小麦、玉米、棉花等农作物、牧草及盐生植物方面[3-6]，在有一定景观效果的园林植物方面则十分有限[7]，这严重制约了盐碱地区城市的生态文明建设和可持续发展。萱草（Hemerocallis fulva）别名忘忧，百合科多年生宿根草本，是造园绿化、切花观赏的良好材料，兼具药用食用价值，具有较大的开发潜力。同时，大部分萱草属植物具有很强的抗逆性，抗寒、抗旱、耐高温、耐盐碱，栽培管理容易，是优异的应用和研究素材[8]。邱收等[9]对4 个萱草材料萱草细胞膜透性和渗透调节物质进行研究发现，较小的质膜透性和钠离子含量、较高的可溶性糖和脯氨酸含量是萱草4 个重要的抗盐生理指标。曹辉等[10]用水培方法对4 个萱草品种进行了叶片结构、根系活力等形态变化的研究，以伤害指数和新根数量衡量萱草的耐受能力，从大到小依次为重瓣大花萱草、大花萱草、黄花菜、玫瑰红萱。王汉海等[11]利用组培方法筛选出了大花萱草抗性植株，并初步确定了其适宜的耐盐浓度。王艺程等[12]利用海水胁迫的方法，以萱草秋红为材料，得到19 个与海水胁迫高度相关WRKY 转录因子。刘寅等[13]对滨海地区耐盐碱植物调查，研究认为萱草可作为滨海盐碱地绿化的植株材料。目前，针对不同萱草品系的光合系统耐盐性研究还鲜有报道。植物的耐盐机理是多策略、多层次的复杂机制[14]。作为与植物生长直接相关的重要生理过程，光合作用对盐胁迫的反应极为敏感[15]，也是近年来耐盐性相关研究的热点。

本研究2022 年以9 份萱草种质为试材，探讨盐胁迫下不同品种（系）对光合生理特征的响应规律，并对不同材料的光合耐盐差异进行分析和评价，以期丰富萱草的耐盐机制研究，为优良观赏植物的抗性育种和推广应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试萱草品种（系）材料9 份，均来自山西农业大学园艺学院花卉基地萱草资源圃，其中8 个采自山西不同生境，1 个为引进品种（表1）。

表1 供试材料编号及来源Tab.1 Numbers and origins of the test materials

1.2 试验方法

2022 年6 月上旬，将进入旺盛生长期、状态整齐的试验苗种植于水培槽内，每槽6 株，注Hoagland营养液，通增氧泵，日光温室常规管理，1 个月左右待试验苗均抽出白色新根后，进行胁迫处理。试验配制包含0（CK）、50（T1）、100（T2）、150（T3）、200（T4）mmol/L NaCl 的Hoagland 盐分营养液，分别处理不同品种（系）萱草植株。为了防止盐激效应对植株造成的伤害，盐施加方式为多次添加、逐级递增，采用每天增加50 mmol/L 渐增的方式达到预设浓度，第4 天各处理均达到预设浓度时记为胁迫开始第1 天，每个处理6 个重复。前期通过预试验发现，各处理在20 d 左右，品种（系）间光合特征即出现显著差异，故确定本试验在胁迫处理第20 天时，选取植株新展开的第3～4 片功能叶片进行各指标测定。为了保证盐胁迫浓度的恒定及防止植株营养亏缺，每5 d 更换一次水培槽内的盐营养液。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶绿素含量 称取新鲜叶片0.05 g，洗净、剪碎放入离心管中，加入10 mL 体积比为1∶1 的90%丙酮和90%乙醇混合提取液，及时用保鲜膜封口并置于暗处，在室温下提取48 h 至叶片完全变白。取上清液2 mL 于波长645、663 nm 下分别进行比色，测定其吸光值A645、A663。

式中，Vt为提取液总体积（mL）；W为样品鲜质量（g）。

1.3.2 光合气体交换参数 光合特性的测量采用美国LICOR 公司生产的LI-6400 便携式光合仪，叶室装配LED 红/蓝光源，光照强度设定为前期试验得到的饱和光强（800±10）μmol/（m2·s），在测量日10：00 左右取新展开第3～4 叶片中间部位，测定植株叶片的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）。每处理重复3 次。

1.3.3 叶绿素荧光参数 采用英国Technologica公司生产的CFI 叶绿素荧光成像系统，测定叶绿素荧光参数。选择新展开第3～4 片叶片的中间部位，充分暗适应30 min 后，测定PSⅡ最大光化学量子产量（Fv/Fm），光适应30 min 后测定PSⅡ实际光化学量子产量（ΦPSⅡ）、光化学淬灭系数（qP）和非光化学淬灭系数（NPQ）。

1.4 数据分析

数据采用Excel 2010 进行整理，用SPSS 26.0对试验数据进行方差分析、相关分析、主成分分析及隶属函数值分析。

式中，U表示隶属函数值，Xi,j表示第j个品种第i个主成分值，Xi，min表示第i个主成分的最小值，Xi，max表示第i个主成分的最大值；其中，i=1，2，…，n。

式中，wi表示第i个主成分的重要程度即权重，pi代表第i个主成分的贡献率。

式中，D值为第j个萱草品种（系）在盐胁迫条件下的耐盐性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对萱草叶绿素含量的影响

从图1 可以看出，JC-1、LS-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 这5 个品系的叶绿素含量均随着胁迫浓度的增加呈现先增大后减小的趋势。其中，JC-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 品种（系）的叶绿素含量最高值出现在50 mmol/L（T1）NaCl 浓度，分别为对照的1.59 倍、1.63 倍、1.31 倍和1.65 倍；LS-1 叶绿素含量最高值出现在100 mmol/L（T2）NaCl 浓度，为对照的1.75 倍。这5 个品系的最高值与对照相比均达到显著差异（P＜0.05）。WT-2、YC-1、ZZ-1、金娃娃4 个品种（系）的叶绿素含量随着胁迫浓度的增加而逐渐降低。

图1 盐胁迫对萱草叶绿素含量的影响Fig.1 Effect of salt stress on chlorophyll content of Hemerocallis fulva

2.2 盐胁迫对萱草光合气体交换参数的影响

2.2.1 净光合速率 由图2 可知，JC-1、LS-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 这5 个品系的净光合速率均随胁迫浓度增加呈现先增大后减小的趋势。其中，JC-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 的净光合速率最高值均出现在50 mmol/L（T1）NaCl 浓度，分别为对照的1.23 倍、1.26 倍、1.57 倍和1.11 倍；LS-1 净光合速率最高值出现在100 mmol/L（T2）NaCl 浓度，为对照的1.13 倍。在5 个最高值中，JC-1 和TY-1 与对照相比达到了显著差异（P＜0.05）。WT-2、YC-1、ZZ-1 和金娃娃4 个品种（系）的净光合速率随胁迫浓度增加而逐渐降低。

图2 盐胁迫对萱草光合气体交换参数的影响Fig.2 Effect of salt stress on photosynthetic gas exchange parameters of Hemerocallis fulva

2.2.2 气孔导度 从图2 可以看出，JC-1、LS-1、TG-1、WT-2、YC-1、ZZ-1 和金娃娃7 个品种（系）的气孔导度均随胁迫浓度增加而逐渐降低。TY-1和ZZ-2 这2 个品系的气孔导度随胁迫浓度增加呈现先增大后减小的趋势，二者最高值均出现在50 mmol/L（T1）NaCl 浓度，分别为对照值的1.39 倍和1.07 倍，其中，TY-1 的最高值与对照相比达到显著差异（P＜0.05）。

2.2.3 胞间二氧化碳浓度 由图2 可知，9 个品种（系）胞间二氧化碳浓度均随胁迫浓度增加呈现先减小后增大的趋势。其中，TG-1、WT-2 和YC-1这3 个品系的最低值均出现在50 mmol/L（T1）NaCl浓度，分别为对照的69.9%、70.7%和67.2%；JC-1、LS-1、TY-1 和ZZ-2 这4 个品系的最低值均出现在100 mmol/L（T2）NaCl 浓度，分别为对照的59.6%、48.4%、62.4%、51.0%；ZZ-1 和金娃娃2 个品种（系）的最低值均出现在150 mmol/L（T3）NaCl 浓度，分别为对照的70.4%和48.0%。9 个品种（系）的胞间二氧化碳浓度最低值与对照相比均达到了显著差异（P＜0.05）。

2.2.4 蒸腾速率 从图2 可以看出，LS-1、WT-2、YC-1、ZZ-1 和金娃娃5 个品种（系）的蒸腾速率均随胁迫浓度增加而逐渐降低。JC-1、TG-1、TY-1和ZZ-2 这4 个品系的蒸腾速率均随胁迫浓度增加呈现先增大后减小的趋势，其最高值均出现在50 mmol/L（T1）NaCl 浓度，分别为对照的1.15 倍、1.11 倍、1.58 倍和1.29 倍，其中，TY-1 和ZZ-2 的最高值与对照相比达到显著差异（P＜0.05）。

2.3 盐胁迫对萱草叶绿素荧光参数的影响

2.3.1 PSⅡ最大量子产量 由图3 可知，盐胁迫条件下9 个品种（系）萱草的PSⅡ最大量子产量总体变化不大，为0.751～0.806。JC-1、WT-2、ZZ-1、ZZ-2 和金娃娃5 个品种（系）的PSⅡ最大量子产量均随胁迫浓度增加呈先增大后减小的趋势。其中，WT-2 和ZZ-1 的最高值与对照相比达到显著差异（P＜0.05）。JC-1、WT-2、ZZ-1 和ZZ-2 的PSⅡ最大量子产量最高值出现在50 mmol/L（T1）NaCl浓度，分别比对照增加了0.5%、2.4%、2.3%和0.3%；金娃娃的最高值出现在100 mmol/L（T2）NaCl 浓度，只比对照增加了0.8%。LS-1、TG-1、TY-1 和YC-1 这4 个品系的PSⅡ最大量子产量均随胁迫浓度增加而逐渐降低。

图3 盐胁迫对萱草叶绿素荧光参数的影响Fig.3 Effect of salt stress on Chlorophyll fluorescence parameters of Hemerocallis fulva leaves

2.3.2 PSⅡ实际量子产量 从图3可以看出，JC-1、LS-1、TG-1、TY-1、YC-1、金娃娃这6 个品种（系）的PSⅡ实际量子产量均随胁迫浓度增加而逐渐降低。WT-2、ZZ-1、ZZ-2这3个品系的PSⅡ实际量子产量均随胁迫浓度增加呈现先增大后减小的趋势，其最高值均出现在50 mmol/L（T1）NaCl浓度，分别为对照的1.17倍、1.12倍、1.08倍。WT-2和ZZ-1的最高值与对照相比达到了显著差异（P＜0.05）。

2.3.3 光化学淬灭系数 由图3 可知，JC-1、TG-1、TY-1、YC-1 和金娃娃5 个品种（系）的光化学淬灭系数均随胁迫浓度增加而逐渐降低。LS-1、WT-2、ZZ-1 和ZZ-2 这4 个品系的光化学淬灭系数均随胁迫浓度增加呈现先增大后减小的趋势；其最高值均出现在50 mmol/L（T1）NaCl 浓度，分别为对照的1.15 倍、1.17 倍、1.19 倍、1.03 倍；除ZZ-2 外，其余3 个品系的光化学淬灭系数最高值与对照相比达到显著差异（P＜0.05）。

2.3.4 非光化学淬灭系数 由图3 可知，TG-1、WT-2、YC-1、ZZ-1 和ZZ-2 这5 个品系的非光化学淬灭系数均随胁迫浓度增加呈逐渐上升趋势。JC-1、LS-1、TY-1 和金娃娃4 个品种（系）的非光化学淬灭系数随胁迫浓度增加呈现先升高后又小幅下降的趋势。其中LS-1 和TY-1 的最高值出现在100 mmol/L（T2）NaCl 浓度，分别为对照的1.35 倍、1.41 倍，JC-1 和金娃娃的最高值出现在150 mmol/L（T3）NaCl 浓度，分别为对照的1.51 倍、1.60 倍，4 个最高值与对照相比均达到显著差异（P＜0.05）。

2.4 盐胁迫下萱草光合生理指标的相关性分析

以品种（系）为控制变量，对所测的9 个光合指标进行偏相关分析，以探讨萱草光合生理指标间的相关关系。由表2 可知，各光合指标间存在广泛而紧密的联系。净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、PSⅡ最大量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ实际量子产量（ΦPSⅡ）和光化学淬灭系数（qP）间两两呈极显著正相关关系；非光化学淬灭系数（NPQ）与净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）、PSⅡ最大量子产量（Fv/Fm）、PSⅡ实际量子产量（ΦPSⅡ）和光化学淬灭系数（qP）呈极显著负相关；叶绿素含量（Chl）与净光合速率（Pn）呈显著正相关，而与胞间CO2浓度（Ci）呈显著负相关。

表2 萱草光合生理指标的相关系数矩阵Tab.2 Correlation coefficient matrix of photosynthetic physiological indexes of Hemerocallis fulva

2.5 不同品种（系）萱草光合系统的耐盐性综合评价

对200 mmol/L（T4）NaCl 浓度下的各品种（系）指标进行公式（2）处理，得到耐盐系数后进行主成分分析，以降低数据的冗余性。各主成分因子的特征值，对原始指标的载荷矩阵和对光合指标的贡献率如表3 所示。根据特征值大于1 的原则，选取了前3 个主成分因子，各因子的贡献率分别为34.23%、31.72% 和14.44%，累计贡献率达到80.39%，可代表9 个单一指标的绝大部分信息。主成分因子F1 与PSⅡ实际量子产量（ΦPSⅡ）、非光化学淬灭系数（NPQ）和胞间CO2浓度（Ci）密切相关，主成分因子F2 与蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和净光合速率（Pn）密切相关，主成分因子F3 主要与PSⅡ最大量子产量（Fv/Fm）和叶绿素含量（Chl）有较大相关关系。根据主成分特征向量计算不同品种（系）萱草的主成分值，利用公式（3）计算隶属函数值，利用公式（4）计算主成分综合指标的权重，利用公式（5）计算不同品种（系）萱草的光合系统耐盐性综合评价值（D 值）。依据D 值大小，对9 份萱草种质光合系统的耐盐性大小进行排序（表4）为WT-2＞LS-1＞ZZ-2＞TG-1＞ZZ-1＞金娃娃＞JC-1＞YC-1＞TY-1。

表3 主成分特征值及特征向量描述Tab.3 Eigenvalues and eigenvectors of principal component

表4 不同品种（系）萱草的光合耐盐性评价D 值Tab.4 D-value of photosynthetic salt tolerance evaluation of different varieties（strains） of Hemerocallis fulva

3 结论与讨论

叶绿素作为植物进行光能聚集和传递的重要载体，常作为胁迫条件下衡量植株抗性的重要生理指标之一[16]。叶绿素含量测试结果显示，9 份材料中，除YC-1 和ZZ-1 外，其余7 份萱草能够承受150～200 mmol/L 的NaCl 胁迫，仅通过自身调节使叶绿素含量维持在无明显降低的水平。同时，结果显示有JC-1、LS-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 这5 份萱草材料在50～100 mmol/L 的NaCl 条件下，表现出明显的叶绿素含量上升，另外4 份材料表现为逐渐下降趋势。在多种植物的盐胁迫研究中，叶绿素含量一般会随着盐浓度升高和胁迫时间的延长而逐渐降低[17]，但近年来也有报道一些植物在低浓度或短时盐胁迫条件内显示叶绿素含量呈上升趋势[15]。PARIDA 等[18]研究认为，盐胁迫能够促进叶绿素酶的活性，SANTOS[19]研究认为，盐胁迫下叶绿素含量的下降与其合成前体5-氨基酮戊酸（ALA）的合成受限有关。GARCÍA-VALENZUELA 等[20]研究认为，渗透刺激可使叶绿体发育改变导致叶绿素含量增加。对于叶绿素含量阶段性变化的原因，目前没有比较明确的解释，而本研究中不同品种（系）萱草表现出的差异性可作为进一步研究的有益材料。

净光合速率（Pn）是综合反映植株光合效率的指标，受到多种因素的影响。本研究表明，随着盐胁迫浓度的增加，各品种（系）萱草的Pn、Gs 和Tr总体呈下降趋势，而Ci 呈先下降再上升的趋势。可认为在NaCl 胁迫浓度为50～100 mmol/L 时，Pn主要受到气孔因素影响，Gs 的降低限制了CO2的输送，导致光合作用受阻；在NaCl 胁迫浓度上升至150～200 mmol/L 时，RuBP 羧化酶活性降低、光合作用反应位点同化能力下降等非气孔限制成为主要因素，使Pn 进一步下降[21]。JC-1、LS-1、TG-1、TY-1 和ZZ-2 这5 个品系在较低浓度胁迫时，出现了Pn 值的升高，应与其同期叶绿素含量的升高有密切关系。TY-1 在胁迫浓度为50 mmol/L 时，Gs和Tr 也出现了较明显的增大，这可能是由于盐分离子和可溶性渗透物质的增加使细胞渗透压升高，在一定范围内提高了植株吸水能力。张超等[22]报道TY-1 在低温胁迫下具有较强的光合能力，TY-1可能更加适应50 mmol/L 左右的盐胁迫条件。

盐胁迫对植株叶绿素荧光的影响一般表现为Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP 等指标的下降和NPQ 的上升[23]，这与本研究中JC-1、TG-1、TY-1、YC-1、ZZ-2 和金娃娃6 个品种（系）的总体表现一致。Fv/Fm的下降表明PSⅡ系统受到了损伤，ΦPSⅡ的下降表明ATP和NADPH 等同化力的形成受阻，qP 的降低表明通向PS Ⅱ反应中心的电子传递受到了抑制，而NPQ 的上升则显示植株正在积极提高热耗散的能力，以消耗过多的激发能，减轻盐胁迫带来的伤害[24]。在50 mmol/L 的NaCl 胁迫条件下，LS-1 表现出明显的qP 值升高，显示其PSⅡ电子传递活性得到增强，这与徐建伟等[25]在葡萄的水分胁迫研究中观察到的现象类似。WT-2和ZZ-1在50 mmol/L的NaCl 胁迫条件下，显示出明显的Fv/Fm、ΦPSⅡ和qP 值升高，说明其PSⅡ反应中心得到了活化，光能转化效率和电子传递活性均得到了提高，这代表WT-2 和ZZ-1 的PSⅡ系统在低浓度盐胁迫条件下具有正向调节的能力。PSⅡ光合活性升高的现象在盐胁迫研究中并不常见，但是依然能够从甘草、忽地笑和沙枣幼苗其他类型的胁迫研究中找到类似的描述[26-28]。

综上所述，在50 mmol/L NaCl 胁迫条件下，各品种（系）萱草均表现出较强的自我调节能力，随着胁迫浓度的增加，总体光合能力呈逐步下降趋势。净光合作用在NaCl 胁迫浓度50～100 mmol/L 时主要受到气孔限制的影响，在150～200 mmol/L 时非气孔限制转变为主要因素。7 份萱草材料能够在150～200 mmol/L 的NaCl 胁迫条件下保持与对照相当的叶绿素含量。6 份萱草材料的叶绿素荧光指标随胁迫浓度升高表现为Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP 的下降和NPQ 的上升。特别的，在50 mmol/L NaCl 胁迫条件下，TY-1 的气孔导度和蒸腾速率有明显的上升，LS-1 的PSⅡ电子传递活性有所增强，WT-2 和ZZ-1 的PSⅡ反应中心得到了活化，光能转化效率和电子传递活性均有提高，这些特征反映出它们适应低浓度盐胁迫条件的不同策略。根据主成分分析和隶属函数综合评价，9 个品种（系）萱草光合系统的耐盐性顺序为WT-2＞LS-1＞ZZ-2＞TG-1＞ZZ-1＞金娃娃＞JC-1＞YC-1＞TY-1。