魏 磊 龐秋穎 張愛(ài)琴 國(guó) 靜 閻秀峰

(東北油田鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

人類(lèi)不斷開(kāi)發(fā)和不合理利用土地，使土壤鹽堿化程度不斷加重，并成為威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要逆境脅迫之一［1］。土壤中的致害鹽類(lèi)除了以NaCl為主的中性鹽以外，還有以Na2CO3和NaHCO3為主的堿性鹽［2］。堿性鹽對(duì)植物不僅有與中性鹽類(lèi)似的離子毒害和滲透脅迫作用，還有高pH值及顯著降低礦質(zhì)元素的利用率等危害［3］。鹽害對(duì)光合作用的抑制是限制植物生長(zhǎng)的主要因素［4－5］。已有研究表明［6］，NaCl脅迫通過(guò)多個(gè)方面抑制植物的光合作用，包括影響植物對(duì)CO2的吸收、運(yùn)輸及固定，影響植物對(duì)光能的吸收、轉(zhuǎn)化和電子傳遞以及抑制原初產(chǎn)物的利用、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配。然而，到目前為止，堿性鹽對(duì)植物光合作用影響的研究相對(duì)較少［7－9］。

堿蓬屬(SuaedaForsk.ex Scop.)植物為高耐鹽真鹽生植物，是研究植物耐鹽堿機(jī)制的良好材料。目前對(duì)堿蓬屬耐鹽堿機(jī)制的研究多以鹽地堿蓬(S.salsa)為材料［10－11］。角果堿蓬(S.corniculata)為堿蓬屬1年生草本，主要生長(zhǎng)在我國(guó)東北的松嫩鹽堿荒地，具有很強(qiáng)的耐鹽堿能力，卻一直被人們忽視。本文選取角果堿蓬為材料，利用中性鹽(NaCl)和堿性鹽(NaHCO3)對(duì)角果堿蓬幼苗進(jìn)行脅迫處理，分析比較不同鹽濃度下兩種鹽對(duì)其光合生理特性和葉綠素?zé)晒獾挠绊懀瑸檫M(jìn)一步研究角果堿蓬響應(yīng)鹽堿脅迫的生理機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

角果堿蓬種子采集自黑龍江省肇東市周邊鹽堿地區(qū)，挑選籽粒飽滿的角果堿蓬黑色種子，在水中浸泡2 h，播種于盛有洗凈河沙的塑料盆中，溫室培養(yǎng)，每天澆灌適量的1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(蒸餾水配制，pH=6.2±0.1)。待長(zhǎng)至4周后，將幼苗轉(zhuǎn)移至水培盆中，每天更換1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，培養(yǎng)1周后分別用含有 100、200、300、400 mmol·L－1NaCl和 50、100、150、200 mmol·L－1NaHCO3的 1/2Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液處理3 d，以1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液正常培養(yǎng)生長(zhǎng)的幼苗作為對(duì)照。

2 試驗(yàn)方法

植株鮮質(zhì)量及干質(zhì)量的測(cè)定 將脅迫處理后的植株用去離子水沖洗干凈，吸干表面水分，稱(chēng)量全株鮮質(zhì)量。然后放入烘箱中105℃殺青10 min，再以80℃烘至恒定質(zhì)量，稱(chēng)干質(zhì)量。處理和對(duì)照每組5個(gè)重復(fù)。

光合參數(shù)測(cè)定 選擇9:00—11:00時(shí)段進(jìn)行光合參數(shù)測(cè)定，使用LI—6400便攜式光合儀(LI－Cor，Inc，美國(guó))測(cè)定角果堿蓬幼苗在光強(qiáng)1 000 μmol·m－2·s－1下的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)等指標(biāo)。對(duì)照和處理每組各測(cè)定5株幼苗。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測(cè)定 葉綠素?zé)晒鈪?shù)用英國(guó)Hansatech公司生產(chǎn)的FMS—2便攜式脈沖調(diào)制熒光儀進(jìn)行測(cè)定。先將葉片用暗適應(yīng)夾進(jìn)行30 min的暗適應(yīng)，然后測(cè)定初始熒光(F0)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和電子傳遞速率(RE，T)等。每組進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)量。

數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel和SPSS PASW Statistics v18.0軟件進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，并利用單因素方差分析(one－way ANOVA)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗鮮質(zhì)量及干質(zhì)量的影響

如表1所示，用NaCl和NaHCO3分別處理角果堿蓬幼苗時(shí)，隨著中性鹽(NaCl)和堿性鹽(NaHCO3)處理濃度的增大，角果堿蓬幼苗的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量與鹽濃度總體上均成負(fù)相關(guān)。

NaCl處理下，當(dāng)其濃度為 100 mmol·L－1時(shí)，處理組的鮮質(zhì)量與對(duì)照組的鮮質(zhì)量差異不顯著，但當(dāng)NaCl≥200 mmol·L－1后，隨著鹽濃度的增大，處理組鮮質(zhì)量值明顯減小。當(dāng)400 mmol·L－1NaCl的高鹽處理時(shí)，處理組的鮮質(zhì)量值比對(duì)照組減少了55.7%，植株出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。而當(dāng)NaHCO3處理時(shí)，在50～150 mmol·L－1濃度范圍內(nèi)，處理組的鮮質(zhì)量與對(duì)照組相比有所減小，但差異不顯著，而用200 mmol·L－1NaHCO3處理時(shí)，處理組植株的平均鮮質(zhì)量減少了61.7%，植株生長(zhǎng)出現(xiàn)嚴(yán)重萎蔫，趨于死亡。

與鮮質(zhì)量的變化情況相比，在NaCl、NaHCO3分別處理后，幼苗的干質(zhì)量變化均不明顯。與對(duì)照相比，當(dāng) NaCl≤300 mmol·L－1或 NaHCO3≤150 mmol·L－1時(shí)，處理組的干質(zhì)量值均逐漸減小，但下降幅度較小，在最高濃度 400 mmol·L－1NaCl或 200 mmol·L－1NaHCO3時(shí)，此兩種高濃度處理組的干質(zhì)量分別下降了39.1%和31.9%。

可見(jiàn)，角果堿蓬有一定的耐鹽堿能力，當(dāng)鹽堿脅迫濃度在 NaCl≤300 mmol·L－1或 NaHCO3≤150 mmol·L－1范圍時(shí)，植株可維持相對(duì)正常生長(zhǎng)，而當(dāng)鹽堿濃度達(dá)到 400 mmol·L－1NaCl或 200 mmol·L－1NaHCO3時(shí)，對(duì)植株的傷害較大，影響了角果堿蓬幼苗的正常生長(zhǎng)。

表1 鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗鮮質(zhì)量及干質(zhì)量的影響

3.2 鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗光合參數(shù)的影響

3.2.1 鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗凈光合速率、蒸騰速率的影響

如表2所示，當(dāng)鹽堿處理濃度分別在NaCl≤200 mmol·L－1或 NaHCO3≤100 mmol·L－1范圍時(shí)，角果堿蓬幼苗凈光合速率變化均不顯著，但隨著鹽堿濃度的增大，幼苗的凈光合速率均迅速下降，當(dāng)達(dá)到最大鹽堿處理濃度 400 mmol·L－1NaCl或 200 mmol·L－1NaHCO3時(shí)，與對(duì)照組相比，處理組的凈光合速率值分別減少了73.7%和76%。兩種鹽處理對(duì)蒸騰速率的影響規(guī)律差異較大。與對(duì)照相比，在NaCl處理組中，蒸騰速率隨鹽濃度的增大出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，而NaHCO3處理組中，隨著NaHCO3濃度的增大，蒸騰速率出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且在低濃度 NaHCO3處理(50、100 mmol·L－1)條件下，此兩種濃度的處理組蒸騰速率與對(duì)照組相比分別升高 56.5%和 13.6%，而當(dāng) NaHCO3≥150 mmol·L－1后，處理組的蒸騰速率顯著低于對(duì)照組。表明角果堿蓬的光合作用效率易受到鹽堿脅迫的影響，并且在有堿性鹽(NaHCO3)的脅迫下，其光合作用受影響程度更大。

3.2.2 鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗氣孔導(dǎo)度、胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)的影響

從表2中可以看出，在NaCl、NaHCO3分別處理幼苗后，與對(duì)照相比，隨著鹽堿濃度的增大，此兩種鹽處理下的幼苗氣孔導(dǎo)度均顯著下降。400 mmol·L－1NaCl或 200 mmol·L－1NaHCO3脅迫時(shí)，這兩個(gè)處理組的氣孔導(dǎo)度分別下降了88.7%和89%。而NaCl、NaHCO3分別處理后，幼苗的胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)與對(duì)照相比，隨鹽堿濃度的增大均有輕微上升趨勢(shì)，但變化并不顯著。表明鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗的氣孔傷害較為嚴(yán)重，隨著濃度的增大，氣孔開(kāi)度減小，進(jìn)而限制了蒸騰作用，使得蒸騰速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在重度鹽堿逆境下，葉肉細(xì)胞可能受到傷害，碳同化受到抑制，氣孔與外界交換氣體的作用受限，外界CO2進(jìn)入量減少，使得胞間存留了一定量的CO2，因此鹽堿脅迫后期胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)微升高。

表2 鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗光合參數(shù)的影響

3.3 鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?/h3>

葉綠素?zé)晒飧黜?xiàng)參數(shù)被稱(chēng)為研究光合作用的重要探針，反映光能的利用情況。初始熒光(F0)是在已經(jīng)暗適應(yīng)的條件下，檢測(cè)光系統(tǒng)Ⅱ(PSII)反應(yīng)中心處于完全開(kāi)放時(shí)的熒光產(chǎn)量，與葉綠素濃度有關(guān)［12］。從表3中可以看出，與對(duì)照相比，隨著鹽堿脅迫濃度的增大，NaCl或NaHCO3處理的F0逐漸增大。與NaCl脅迫相比，NaHCO3脅迫下F0值升高趨勢(shì)更明顯，這表明，在鹽堿脅迫下，PSII反應(yīng)中心受到了嚴(yán)重破壞，且堿性鹽(NaHCO3)脅迫對(duì)于角果堿蓬幼苗PSII的傷害更為嚴(yán)重。

Fv/Fm是可變熒光與最大熒光的比值，表示PSII最大光化學(xué)量子產(chǎn)量。與對(duì)照相比，各處理組的Fv/Fm變化趨勢(shì)與鹽堿濃度成負(fù)相關(guān)，其變化幅度較小，最高濃度處理組(400 mmol·L－1NaCl或200 mmol·L－1NaHCO3)均下降了 10%左右(表 3)，表明在鹽堿逆境脅迫的條件下，光合作用的PSII反應(yīng)中心受到強(qiáng)光的影響，并發(fā)生光抑制現(xiàn)象。

光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)反映PSII吸收的光能在光化學(xué)反應(yīng)電子傳遞中的份額，并在一定程度上反映PSII反應(yīng)中心的開(kāi)放程度。與對(duì)照相比，隨鹽堿濃度的增大，各處理的qP值逐漸減小(表3)，表明用于光化學(xué)反應(yīng)的光能逐漸減少，并且PSII反應(yīng)中心的電子傳遞受到了抑制。

PSII非循環(huán)光合電子傳遞速率(RE，T)是反映實(shí)際光強(qiáng)條件下的表觀電子傳遞效率，體現(xiàn)PSII反應(yīng)中心電子傳遞情況，用單位時(shí)間電子傳遞過(guò)程所吸收光量子數(shù)目來(lái)表示［13］。與對(duì)照相比，隨著鹽堿濃度的增大，各處理的RE，T逐漸減小。與NaCl處理比，NaHCO3堿性鹽脅迫的各處理RE，T受影響更大(表3)，表明鹽堿脅迫影響了PSII反應(yīng)中心電子傳遞效率，降低了光合電子的傳遞能力，且NaHCO3脅迫對(duì)植株的影響更顯著。

表3 鹽堿脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

4 討論

植物鮮質(zhì)量值及干質(zhì)量值的變化能較好地反映植物在受到逆境脅迫時(shí)生物量的變化情況，盡管生物量是一個(gè)綜合指標(biāo)，受到多種因素的影響［14］，不能完全反映植物受逆境脅迫的情況，但鹽脅迫下生物量的變化可作為評(píng)估鹽脅迫程度和植物抗鹽能力的指標(biāo)之一。本研究表明，在NaCl或NaHCO3脅迫下，低濃度鹽堿處理時(shí)，角果堿蓬幼苗的地上部分鮮質(zhì)量下降均比較緩慢，但高濃度鹽堿脅迫下，鮮質(zhì)量值降低的幅度均明顯增大。表明角果堿蓬具有一定的耐鹽能力，但 400 mmol·L－1NaCl或 200 mmol·L－1NaHCO3分別作用時(shí)，均能夠破壞幼苗的正常生理代謝活動(dòng)，對(duì)植株的傷害較大。

光合作用是生物穩(wěn)定收集可用能量的生產(chǎn)行為。凈光合速率可直接體現(xiàn)光合系統(tǒng)功能，可作為衡量植株系統(tǒng)工作正常與否的重要指標(biāo)［15］。光合速率下降分為氣孔限制和非氣孔限制。采用Farquhar等［16］提出的光合作用氣體交換模型，可判斷氣孔導(dǎo)度是否限制了光合作用速率。吳成龍等［17］在研究菊芋耐堿性時(shí)發(fā)現(xiàn):在堿脅迫下產(chǎn)生的高pH值毒害降低了葉肉細(xì)胞的光合活性，表明非氣孔限制是菊芋光合速率降低的主要原因。崔強(qiáng)等［18］在NaHCO3脅迫金銀忍冬苗木時(shí)發(fā)現(xiàn):在幼苗發(fā)育的不同時(shí)期影響光合作用下降的因素可能不同，在短期輕度脅迫時(shí)導(dǎo)致光合下降的主導(dǎo)因素為氣孔限制，而在長(zhǎng)期輕度脅迫下則開(kāi)始出現(xiàn)非氣孔限制。本研究通過(guò)分析角果堿蓬幼苗在受到鹽堿脅迫時(shí)各光合參數(shù)的變化情況發(fā)現(xiàn):在一定鹽堿濃度下(在200 mmol·L－1NaCl或 100 mmol·L－1NaHCO3分別作用時(shí))，幼苗可維持光合系統(tǒng)功能相對(duì)正常，對(duì)外界離子毒害和堿性環(huán)境有一定的抵抗能力，但隨著脅迫濃度的增大，幼苗受損傷程度加劇，光合能力下降，難以維持正常的生理代謝。并且光合速率的降低并未伴隨有胞間CO2摩爾分?jǐn)?shù)的提高，脅迫很可能損壞了葉肉細(xì)胞，使其光合活性減弱，非氣孔因素的作用可能是限制角果堿蓬幼苗光合作用的重要因素。

葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)技術(shù)是測(cè)定葉片光合功能的快速、無(wú)損傷的重要方法，在測(cè)定葉片光合作用過(guò)程中，光系統(tǒng)對(duì)光能的吸收、傳遞、耗散、分配等方面具有獨(dú)特的作用，與“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比，葉綠素?zé)晒鈪?shù)更能反映“內(nèi)在性”特點(diǎn)［19］。秦紅艷等［20］通過(guò)研究鹽脅迫下不同葡萄品種葉片各項(xiàng)熒光參數(shù)發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫可抑制葡萄葉片PSII的光化學(xué)活性，使PSII的原初光能轉(zhuǎn)化效率、PSII潛在活性、PSII潛在光合作用活力受到抑制，同時(shí)還抑制了光合電子傳遞和光合膜的能量化作用。葛江麗等［21］在研究甜高粱鹽脅迫下的熒光值變化時(shí)發(fā)現(xiàn)，50、100 mmol·L－1NaCl脅迫不會(huì)對(duì)甜高粱 PSII反應(yīng)中心造成損壞，但200 mmol·L－1NaCl處理影響了甜高粱反應(yīng)中心的活性。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著NaCl或NaHCO3濃度的增大，角果堿蓬幼苗F0逐漸增大，F(xiàn)v/Fm、qP、RE，T逐漸減小，表明鹽堿脅迫產(chǎn)生的離子毒害和高pH值對(duì)角果堿蓬幼苗的光合系統(tǒng)PSII反應(yīng)中心造成了損傷，并影響了光合電子的傳遞，抑制了光系統(tǒng)Ⅱ的光合作用活力。

耐鹽植物有較強(qiáng)的區(qū)域化能力，能把進(jìn)入到細(xì)胞的離子積累在液泡中。高濃度的Na+和Cl－對(duì)這類(lèi)植物的影響不大［22］。而當(dāng)NaHCO3脅迫時(shí)，不僅會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生離子毒害，還會(huì)給植物造成堿性的脅迫環(huán)境。在本試驗(yàn)中，當(dāng)脅迫的Na+濃度一致時(shí)，HCO產(chǎn)生的堿性環(huán)境對(duì)角果堿蓬幼苗造成了更嚴(yán)重的影響，凈光合速率、蒸騰速率及各熒光參數(shù)都有顯著變化。HCO產(chǎn)生的高pH值環(huán)境使幼苗氣孔受損，損壞了葉肉細(xì)胞，嚴(yán)重限制了植物的蒸騰作用，并且降低了光合電子的傳遞能力，破壞了PSII反應(yīng)中心。與NaCl相比，NaHCO3脅迫對(duì)角果堿蓬幼苗光合作用的影響更為顯著。

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