谷月,宋盈穎,方敬雯,周曼舒,姬芬,張雨婷,張飲江,*

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鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓生理特征影響的實(shí)驗(yàn)研究

谷月1, 宋盈穎1,方敬雯2, 周曼舒2, 姬芬2, 張雨婷2,張飲江1, *

1. 上海海洋大學(xué)水產(chǎn)與生命學(xué)院, 上海 201306 2. 水域環(huán)境生態(tài)上海高校工程研究中心, 上海 201306

在NaCl鹽脅迫環(huán)境下, 以50 mmol·L–1為濃度梯度, NaCl濃度分別為0、50、100、150、200 mmol·L–1, 研究紅葉石楠‘紅羅賓’葉片含水量、葉綠素含量、質(zhì)膜相對透性、丙二醛(MDA)含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、過氧化物酶(POD)活性變化以及抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性變化等生理特征。結(jié)果表明: 葉片含水量、丙二醛含量、可溶性糖含量、抗壞血酸過氧化物酶活性均隨NaCl濃度的升高先增大, 后降低; 葉綠素含量、可溶性蛋白含量隨NaCl濃度的升高先降低后升高又降低; 膜相對透性隨NaCl濃度的升高持續(xù)增大, 而過氧化物酶(POD)活性隨NaCl濃度的升高則先升高后降低, 超過一定濃度后又升高。根據(jù)結(jié)果顯示, 紅葉石楠‘紅羅賓’具有一定耐鹽性, 可在適當(dāng)鹽堿地地區(qū)的環(huán)境綠化建設(shè)中推廣應(yīng)用。

紅葉石楠‘紅羅賓’; 鹽脅迫; 生理特征

1 引言

當(dāng)前, 全球鹽堿化面積達(dá)9.5438億hm2[1], 我國鹽堿化面積占全球鹽堿化面積約十分之一。我國大面積鹽堿地中, 以東部沿海地區(qū)尤為突出, 這對許多城市及地區(qū)綠化建設(shè)造成很大困擾, 并影響生態(tài)環(huán)境與人們健康生活。石楠原產(chǎn)我國, 其育種和品種改造由國外完成。1996年前后, 紅葉石楠由多個國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和園藝企業(yè)從國外引入(如浙江、上海等), 并推廣應(yīng)用[2,3]。紅葉石楠紅羅賓(Red Robin ) 因其葉色鮮艷奪目, 極具觀賞性, 近年來在城市綠化中應(yīng)用廣泛[4]。

紅葉石楠紅羅賓屬薔薇科常綠小喬木, 葉革質(zhì), 本身含水量偏低, 正常情況下葉片含水量在50%左右, 在一定濃度鹽脅迫條件下, 促進(jìn)其葉片對水分的吸收, 有利于增強(qiáng)鮮艷度, 提高觀賞性。鹽脅迫對植物影響的研究主要集中在光合、生長、抗氧化酶系統(tǒng)、離子分布和顯微結(jié)構(gòu)等方面。大部分植物對鹽脅迫有一定的適應(yīng)范圍, 但不同植物種類和品種鹽脅迫后的生長生理反應(yīng)存在著較大的差異。2009年申亞梅等[5]曾對紅葉石楠紅羅賓在海水脅迫條件下的生理響應(yīng)進(jìn)行了探討, 結(jié)果顯示紅葉石楠具有良好的抗鹽能力, 可以作為鹽土植物栽培應(yīng)用。2010年馬妮娜[9]等研究了石楠屬3個品種的耐鹽性, 得出結(jié)論是耐鹽性的大小順序?yàn)? 紅羅賓>魯賓斯>石楠。2011年趙秀娟[6]等通過對擬南芥、玉米、馬鈴薯、水稻、香蕉、黃瓜、花生和韭菜等植物的相關(guān)的研究, 綜述了鹽脅迫對植物丙二醛含量、游離脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性以及可溶性蛋白質(zhì)6項(xiàng)指標(biāo)的影響, 旨在為總結(jié)植物的耐鹽機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。2012年劉志高[7]等試驗(yàn)研究了鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓植株葉片的光合作用參數(shù)、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)、鈉離子(Na+) 含量的影響, 其中結(jié)果表明隨著土壤含鹽量的增加和脅迫時間的延長, MDA 的含量并未呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。2014年項(xiàng)錫娜[8]研究了不同濃度NaCl脅迫下, 紅葉石楠魯班生長、生理生化指標(biāo)和葉片顯微結(jié)構(gòu)的變化, 結(jié)果表明, 紅葉石楠魯班在NaCl濃度不高于0.6%的基質(zhì)中能生長。

目前國內(nèi)鹽脅迫對紅葉石楠生理特征影響的研究僅限于光合作用指標(biāo), 為了更好掌握紅葉石楠紅羅賓抗鹽作用機(jī)理, 增強(qiáng)其抗鹽機(jī)制, 深入研究其膜組織及多種生物酶的特性具有重要的學(xué)術(shù)價值與實(shí)用意義。因此本文針對鹽脅迫對紅葉石楠8項(xiàng)生理特征的影響, 深入研究鹽脅迫對其生長影響的作用機(jī)制, 以有利于紅葉石楠在環(huán)境與綠化建設(shè)中發(fā)揮更好的作用, 為鹽植物栽培應(yīng)用提供科技支撐。

2 材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2014年8月在上海海洋大學(xué)栽培基地種植紅葉石楠紅羅賓種子, 待其生根發(fā)芽, 10月份挑選外形相似且生長狀況良好的生根幼苗, 將它們轉(zhuǎn)移到花盆中栽種, 每個濃度各3盆, 每盆3株, 設(shè)立3組五個梯度實(shí)驗(yàn)各15盆, 共計(jì)45盆。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器和試劑

儀器: 電子天平、容量瓶、電導(dǎo)率儀、試管等; 研缽、烘箱、紫外分光光度計(jì)等。

主要試劑: NaCl、磷酸緩沖液、石英砂、碳酸鈣粉、乙醇等。

2.3 材料處理

以紅葉石楠紅羅賓生根幼苗移栽后1個月的植株為材料, 對其進(jìn)行鹽脅迫處理。設(shè)立NaCl溶液濃度為0、50、100、150、200 mmol·L–1五個梯度, 澆灌紅葉石楠紅羅賓幼苗。每天上午澆1次NaCl溶液, 每次每盆澆1 L。澆灌過程中鹽濃度逐步由低到高, 避免用高濃度鹽溶液直接澆灌, 讓植株慢慢適應(yīng)鹽環(huán)境, 同時每周給土壤松土, 使鹽分在澆灌中不受損失, 保持土壤中鹽分濃度的相對穩(wěn)定, 以免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。培養(yǎng)四周后, 測定其生理指標(biāo)。

2.4 測定方法

采用高溫殺青稱重比價法測定植株葉片含水量; 采用研磨法測定葉片葉綠素;

葉片質(zhì)膜相對透性的測定采用相對電導(dǎo)率的大小來表示葉片質(zhì)膜相對透性的高低, 其中相對電導(dǎo)率(%) =原電導(dǎo)率/總電導(dǎo)率×100%; 葉片丙二醛(MDA)含量的測定參考李合生(2000)的硫代巴比妥酸法并適當(dāng)做出修改; 葉片可溶性蛋白含量的測定參考李合生(2000)考馬斯亮藍(lán)G250染色法; 葉片可溶性糖含量的測定參考李合生(2000)蒽酮比色法測定可溶性糖; 葉片過氧化物酶(POD)活性變化的測定參考李合生(2000)愈創(chuàng)木酚法測定; 葉片抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性變化的測定: 參考文獻(xiàn)[10]的方法并適當(dāng)修正。

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片含水量的影響

不同濃度鹽脅迫下, 葉片含水量呈現(xiàn)先增加后下降的變化趨勢, 在100 mmol·L–1時達(dá)到最高值58.61%, 跟對照組相比, 葉片含水量變化在10%左右(<0.05)。這表明, 一定濃度的鹽脅迫可以促進(jìn)紅葉石楠紅羅賓葉片對水分的吸收, 有利于其生長。當(dāng)濃度超過一定限度時, 反而抑制葉片對水分的吸收, 不利于其生長(見圖1)。

3.2 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片葉綠素含量的影響

葉綠素是植物光合作用中的重要物質(zhì), 其含量的多少將直接促進(jìn)或抑制植物光合作用過程, 進(jìn)而促進(jìn)或抑制植物的生長發(fā)育。葉綠素代謝為一種動態(tài)的平衡過程, 但這種狀態(tài)在一定范圍內(nèi)會被鹽脅迫所破壞, 從而致使葉綠素的含量值產(chǎn)生波動[11]。從圖2 表明, 與對照組相比, 在NaCl濃度為50 mmol·L–1時, 葉綠素含量有所降低; 在NaCl濃度為150 mmol·L–1時, 葉片葉綠素b含量有所升高; 在NaCl濃度為100 mmol·L–1和200 mmol·L–1時, 葉綠素a含量有所降低, 而對葉綠素b含量影響不大(<0.05)。

3.3 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片質(zhì)膜相對透性的影響

植物中的膜系統(tǒng)參與細(xì)胞與外界環(huán)境的物質(zhì)交流、能量和信息傳遞, 維持植物體內(nèi)微環(huán)境的相對穩(wěn)定, 因此膜系統(tǒng)的完整性及穩(wěn)定性是保證植物正常生理活動的基礎(chǔ)。電導(dǎo)率值能夠反映膜透性的大小, 因此可以利用電導(dǎo)率值來檢測植物細(xì)胞質(zhì)膜受到損害的程度。從圖3可看出, 隨著NaCl濃度的升高, 紅葉石楠‘紅羅賓’葉片質(zhì)膜相對電導(dǎo)率升高, 但在濃度不高于150 mmol·L–1時, 相對電導(dǎo)率變化不大, 從150 mmol·L–1到200 mmol·L–1, 相對電導(dǎo)率呈指數(shù)型增長, 這表明當(dāng)濃度高于150 mmol·L–1時, 葉片質(zhì)膜受到嚴(yán)重?fù)p害(<0.05)。

3.4 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片MDA含量的影響

丙二醛(MDA)是膜脂質(zhì)受到過氧化的重要產(chǎn)物, 體現(xiàn)了膜脂質(zhì)過氧化水平, 它含量的變化在一定程度上能夠反映植物膜系統(tǒng)受損傷程度和植物的抗逆性[12]。從圖4可看出, 隨著NaCl濃度的升高, 紅葉石楠紅羅賓葉片中MDA的含量先增加后降低, 在NaCl濃度為150mmol·L–1時達(dá)到最高值, 此時膜脂質(zhì)過氧化程度最高, 細(xì)胞膜受損傷嚴(yán)重(<0.05)。

3.5 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片可溶性蛋白含量的影響

植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)大多數(shù)是參與各種代謝的酶類, 測定其含量是了解植物體總代謝情況的一個重要指標(biāo)[13]。因此, 測定植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)是研究酶活性的一個重要項(xiàng)目, 也是間接測定植物體內(nèi)代謝強(qiáng)度的一個指標(biāo)[18–22]。從圖5可看出, 葉片中可溶性蛋白的含量隨著NaCl濃度的升高呈‘降低—上升—降低’的趨勢, NaCl濃度在100 mmol·L–1—150 mmol·L–1之間時達(dá)到最高值, 此時植物體內(nèi)代謝強(qiáng)度最高(<0.05)。

3.6 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片可溶性糖含量的影響

糖類物質(zhì)是構(gòu)成植物體的重要組成成分之一, 也是新陳代謝的主要原料和貯存物質(zhì)。測定紅葉石楠葉片中可溶性糖的含量, 可以判斷植株新陳代謝情況的快慢。從圖6可看出, 葉片中可溶性糖的含量隨NaCl濃度的升高先升高后降低, 在濃度為150 mmol·L–1左右時達(dá)到最高值, 表明此時植株新陳代謝情況最好(<0.05)。

3.7 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片POD活性的影響

POD 廣泛存在于植物體中, 是活性較強(qiáng)的一種酶。它與呼吸作用、光合作用及生長素的氧化等有關(guān)[14]。從圖7可看出, 隨著NaCl濃度的升高, 紅葉石楠紅羅賓葉片中POD含量呈‘上升—下降—上升’趨勢, 且隨著反應(yīng)時間的增加, POD活性降低, 在NaCl濃度為150 mmol·L–1時達(dá)到最低值, 表明此時木質(zhì)化程度較低, 老化程度也最低(<0.05)。

3.8 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓葉片APX活性的影響

APX 作為清除葉綠體中 H2O2的毒害作用、維持植物正常光合作用的關(guān)鍵酶, 其活性受到多種環(huán)境因素的影響[15-16]。從圖8可看出, 隨著NaCl濃度的升高, 紅葉石楠紅羅賓葉片APX活性先升高后降低, 在NaCl濃度為150 mmol·L–1時, APX活性最高, 表明此時對降低 H2O2對植物細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷的作用效果最好(<0.05)。

4 討論

本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 在鹽脅迫條件下, 紅葉石楠紅羅賓葉綠素a/b值增大, 由于葉綠素a呈藍(lán)綠色, 葉綠素b呈黃綠色, 所以葉綠素a/b值越大, 葉片顏色越鮮綠。紅葉石楠紅羅賓葉片生物膜基本成分是蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和糖, 低濃度鹽脅迫條件下, 可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖含量增加, 脂溶性物質(zhì)透性降低, 但含水量增加的速度快, 膜對水的透性最大, 水可以自由通過, 所以膜透性會升高; 王樹鳳[23]等研究了鹽脅迫對2種櫟樹苗生長和根系生長發(fā)育的影響, 同樣發(fā)現(xiàn)石南葉白千層在鹽脅迫下增加了生物量在根系的分配, 其積極意義在于增加了根對水分和營養(yǎng)的吸收, 從而增強(qiáng)了植物體的生長能力, 稀釋細(xì)胞內(nèi)鹽分。當(dāng)鹽脅迫濃度超過150 mmol·L–1時, 可溶性蛋白和可溶性糖含量降低, 水溶性物質(zhì)和脂溶性物質(zhì)透性都會升高, 所以膜透性會呈指數(shù)型升高, 此時, 生物膜的結(jié)構(gòu)受到嚴(yán)重?fù)p傷, 跨膜運(yùn)輸失去平衡, 對植物生長不利。同時, 當(dāng)NaCl濃度過高時, 膜脂質(zhì)可氧化底物減少, 因此MDA含量減少。POD活性越高, 植物體的抗逆性越高[17], 鹽脅迫濃度為150 mmol·L–1時, POD活性降到最低值, 此時紅葉石楠紅羅賓的抗鹽能力最弱, 不利于植株的生長。APX活性越高, 清除葉綠體中 H2O2的毒害作用、維持植物正常光合作用的能力越強(qiáng), 要使APX發(fā)揮正常催化功能, 必須有抗壞血酸存在, 當(dāng)鹽脅迫超過一定濃度時, 會通過降低抗壞血酸的含量來降低APX活性, 以此破壞植株的酶系統(tǒng), 影響植株的正常生長發(fā)育。

因此, 從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察與分析, 一定濃度的鹽脅迫有利于紅葉石楠紅羅賓的代謝生長, 且適宜濃度在100 mmol·L–1—150 mmol·L–1之間, NaCl濃度超過150 mmol·L–1則會抑制其生長。

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Experimental study on effect of salt stress to the physiological charac-teristics ofRed Robin

GU Yue1, SONG Yingying1, FANG Jingwen2, ZHOU Manshu2, JI Fen2, ZHANG Yinjiang1,2

1. College of Fisheries and Life Science of Shanghai Ocean Univercity, Shanghai 201306 China 2. Engineering Research Center for Water Environment Ecology in Shanghai, Shanghai 201306 China

The effect of salt stress to the physiological characteristics ofRed Robin was investigated when exposed to 0, 50, 100, 150 and 200 mmol·L–1of NaCl by determining leaf water content, chlorophyll content, membrane permeability, malondialdehyde (MDA) content, soluble protein content, soluble sugar content, and the changes of peroxidase (POD) activity and ascorbate peroxidase (APX) activity . It was found that with the increase of NaCl concentration, leaf water content, MDA content, soluble sugar content, and APX activity increased first and then decreased. Chlorophyll content and soluble protein content both had a variation tendency from decrease to increase and then increase to decrease, while the change of POD activity had a reverse variation. Membrane permeability continued increasing, which illustrated thatRed Robin had a certain tolerance for salt and could be applied in the garden construction in saline area.

Red Robin; salt stress; physiological characteristics

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.022

S688.3

A

1008-8873(2017)02-152-06

2016-03-25;

2016-07-03

國家水專項(xiàng)(08ZX07101-005, 2013ZX07101014-004); 上海市重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(Y1110, S30701)

谷月(1991—), 女, 山東萊蕪, 碩士研究生, 研究方向?yàn)樗颦h(huán)境生態(tài)學(xué), E-mail: 18717836191@163.com

張飲江, E-mail: yjzhang@shou.edu.cn

谷月, 宋盈穎,方敬雯, 等. 鹽脅迫對紅葉石楠紅羅賓生理特征影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(2): 152-157.

GU Yue, SONG Yingying, FANG Jingwen, et al. Experimental study on effect of salt stress to the physiological characteristics ofRed Robin[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 152-157.