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        6種豇豆屬植物耐鹽性評(píng)價(jià)及光合特性研究

        2018-05-14 14:44:51馮宇周顏楊虎彪陳志堅(jiān)劉攀道
        熱帶作物學(xué)報(bào) 2018年12期
        關(guān)鍵詞:葉綠素?zé)晒?/a>生理特性鹽脅迫

        馮宇 周顏 楊虎彪 陳志堅(jiān) 劉攀道

        摘? 要? 采用沙培方法,研究鹽脅迫(300 mmol/L)對(duì)6種豇豆屬植物幼苗生長及光合特性的影響。結(jié)果表明:① 鹽處理6 d后,賊小豆的葉綠素(Chlorophyll,Chl)含量顯著降低,葉片相對(duì)含水量(Relative Water Content,RWC)、質(zhì)膜透性(Electrolyte Leakage,EL)和枯葉率(Withered Leaf Rate,WLR)顯著增加,而濱豇豆均沒有顯著差異;主成分分析、相關(guān)分析及隸屬函數(shù)分析結(jié)果表明,WLR與EL呈極顯著正相關(guān),RWC、Chl含量呈顯著負(fù)相關(guān);主成分分析得到2個(gè)主成分PC1和PC2,可以解釋總變化的92.75%;隸屬函數(shù)排名表明,濱豇豆的耐鹽能力最好,賊小豆最差。② 濱豇豆的凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和最大熒光產(chǎn)量(Fm)、PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散[Y(NO)]均沒有顯著差異,而賊小豆除Y(NO)顯著增加外,其余均顯著降低。

        關(guān)鍵詞? 鹽脅迫;濱豇豆;生理特性;光合作用;葉綠素?zé)晒?/p>

        DOI10.3969/j.issn.1000-2561.2018.12.013

        鹽堿地在世界范圍分布廣泛,據(jù)聯(lián)合國教科文組織(UNESCO)和聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)的不完全統(tǒng)計(jì),世界鹽漬土面積為9.543 8× 108hm2,并且以每年1.0×106~1.5×106hm2的速度增長[1]。我國鹽漬化土壤面積大,約3.69×107hm2,且分布廣、類型多[2]。隨著世界人口的增加,人類的生產(chǎn)活動(dòng)使土壤鹽堿化日益加重[3]。土壤的鹽漬化嚴(yán)重影響植物正常的生長發(fā)育,會(huì)破壞植物生物膜的功能,影響植物的光合作用,造成植物生理代謝紊亂,加速植物的衰老和死亡,提前結(jié)束植物的生命進(jìn)程[4]。因此,篩選耐鹽材料、研究耐鹽植物的生理機(jī)制對(duì)于促進(jìn)鹽堿地的有效利用具有重要的意義。

        豇豆屬植物約150種,分布于熱帶地區(qū)。我國有16種、3亞種、3變種,產(chǎn)于東南部、南部至西南部[5]。濱豇豆(Vigna marina)是豆科(Leguminosaesp.)豇豆屬(Vigna)的多年生草質(zhì)藤本,主要分布于我國的海南、廣東、香港以及臺(tái)灣。作為一種濱海鹽生植物,濱豇豆耐鹽、抗旱且結(jié)瘤能力強(qiáng),不僅可以改良鹽堿地,還能增強(qiáng)土壤肥力,而且莖葉富含蛋白質(zhì),是優(yōu)質(zhì)的豆科牧草[6]。赤小豆(Vigna umbellata Ohwi et Ohashi)不僅具有良好的藥用效果,而且適應(yīng)能力較強(qiáng),其種植對(duì)環(huán)境條件的要求不高,耐澇、耐旱、耐瘠薄,在黏土、沙土上都能正常生長,晚種早熟,生育期短,可以作為補(bǔ)種作物,栽培技術(shù)也簡(jiǎn)單[7-8]。賊小豆(Vigna minima (Roxb.) Ohwi et Ohashi)具有較高的營養(yǎng)價(jià)值,氨基酸含量高且齊全,含有豐富的微量元素,根部具有大量根瘤菌,能夠改良土壤結(jié)構(gòu),是我國寶貴的種質(zhì)資源[9]。野豇豆(Vigna vexillata Rich.)對(duì)重金屬具有較高的富集能力,可以修復(fù)改良土壤,還能夠作為食物添加劑,并且具有藥用價(jià)值[10]。閩南飼用(印度)豇豆(Vigna uniguiculata‘Minnan)對(duì)紅壤土地的適應(yīng)性強(qiáng),作為一種優(yōu)質(zhì)的豆科牧草,不僅草的產(chǎn)量高、生長速度快,而且還耐旱耐酸和耐貧瘠,在改良土壤結(jié)構(gòu)保持水土的同時(shí),還可以做飼料和綠肥[11]。綠豆(Vigna radiataWilczek)在我國分布廣泛,種植歷史悠久,營養(yǎng)品質(zhì)高,具有藥用價(jià)值[12]

        目前我國對(duì)豇豆屬植物耐鹽性的研究大多集中于對(duì)綠豆的研究[13-14],系統(tǒng)地對(duì)我國豇豆屬植物進(jìn)行耐鹽性綜合評(píng)價(jià)的研究并不多。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果,本研究以300 mmol/L的NaCl模擬鹽脅迫,研究其對(duì)豆科豇豆屬6種植物葉綠素含量、葉片相對(duì)含水量、電導(dǎo)率、枯葉率及光合生理指標(biāo)的影響,初步評(píng)價(jià)豇豆屬植物的耐鹽特性,為豇豆屬種質(zhì)資源耐鹽性鑒定、耐鹽種質(zhì)培育和濱海鹽堿地改良提供依據(jù)。

        1.3? 數(shù)據(jù)分析

        采用Excel 2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理及作圖,利用SPSS軟件Duncan法在0.05水平上進(jìn)行多重比較。用DPS v7.55軟件對(duì)部分指標(biāo)的耐鹽指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析、主成分分析(principal components analysis,PCA)。

        2? 結(jié)果與分析

        2.1? NaCl脅迫對(duì)材料形態(tài)的影響

        圖1為NaCl脅迫6 d后的材料。從圖1中可以明顯看出,鹽脅迫后材料對(duì)照與處理之后的差異,對(duì)照組的植物長勢(shì)良好、葉片較為舒展、葉面積大,而處理組的材料除濱豇豆與閩南飼用(印度)豇豆外,其余材料均表現(xiàn)出不同程度的受脅迫癥狀,尤其是賊小豆,大部分葉片都萎蔫甚至死亡,葉片形態(tài)發(fā)生明顯的變化。

        2.2? NaCl脅迫對(duì)葉綠素含量的影響

        如圖2所示,濱豇豆、綠豆和閩南飼用(印度)豇豆對(duì)照組間的葉綠素含量無顯著差異,且含量較高,與其他幾份材料呈顯著差異。與對(duì)照相比,9份材料處理組的葉綠素含量均降低,但不同材料下降的幅度不同,其中赤小豆2、赤小豆3與賊小豆的下降幅度較大,分別降低了49.0%、65.8%和50.3%,說明NaCl脅迫對(duì)這3份材料的葉綠素含量影響較大。NaCl脅迫6 d后,不同生態(tài)型的野豇豆間的葉綠素含量沒有顯著差異,不同生態(tài)型的赤小豆間的葉綠素含量同樣沒有顯著差異。

        2.3? NaCl脅迫對(duì)葉片相對(duì)含水量的影響

        如圖3所示,9份材料對(duì)照間的相對(duì)含水量不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

        無顯著差異;與對(duì)照相比,處理組的濱豇豆的相對(duì)含水量并沒有顯著差異;而其他材料葉片的相對(duì)含水量均降低,且差異顯著,尤其是綠豆與賊小豆,分別下降了56.0%和59.0%。由此說明,NaCl脅迫對(duì)濱豇豆葉片的相對(duì)含水量影響并不大,對(duì)賊小豆和綠豆的影響較大。NaCl脅迫6 d后,不同生態(tài)型的野豇豆間的相對(duì)含水量沒有顯著差異,不同生態(tài)型的赤小豆間的相對(duì)含水量同樣沒有顯著差異。

        2.4? NaCl脅迫對(duì)質(zhì)膜透性的影響

        如圖4所示,9份材料對(duì)照間的相對(duì)電導(dǎo)率無顯著差異;與對(duì)照相比,9份材料的相對(duì)電導(dǎo)率均升高,濱豇豆的電導(dǎo)率雖然有所升高,但沒有顯著性差異;其他材料的電導(dǎo)率均升高,且差異顯著。由此說明,NaCl脅迫對(duì)濱豇豆并沒有太不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

        大的影響,而對(duì)賊小豆的影響最大。NaCl脅迫6 d后,不同生態(tài)型的野豇豆間的相對(duì)電導(dǎo)率沒有顯著差異,不同生態(tài)型的赤小豆間的相對(duì)電導(dǎo)率同樣沒有顯著差異。

        2.5? NaCl脅迫對(duì)枯葉率的影響

        如圖5所示,NaCl脅迫6 d后,所有材料對(duì)照組長勢(shì)良好,幾乎無枯葉產(chǎn)生,而處理組如圖5所示,濱豇豆并沒有枯葉的產(chǎn)生,閩南飼用(印度)豇豆有極少的枯葉,賊小豆的枯葉率最高。濱豇豆和閩南飼用(印度)豇豆的枯葉率與其他材料呈顯著差異。

        2.6? 相關(guān)分析及主成分分析

        通過對(duì)上述4項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽指數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明,WLR與EL呈極顯著正相關(guān),與RWC、葉綠素含量呈顯著負(fù)相關(guān),與RWC的相關(guān)性最高,達(dá)0.92。RWC與EL間呈顯著負(fù)相關(guān),與葉綠素含量呈顯著正相關(guān)(表2)。

        對(duì)各指標(biāo)的耐鹽指數(shù)進(jìn)行的主成分分析(PCA)表明,影響9份材料耐鹽性的所有因子被主要分成2個(gè)主成分。這2個(gè)成分可以表示總變化的92.75%(表3)。2個(gè)主成分公式如下:

        PC1=0.4926EL–0.5317RWC–0.4318Chlorophyll+0.5368WLR

        PC2=0.4613EL–0.1674RWC+0.8648Chlorophyll+0.1065WLR

        2.7? 耐鹽能力綜合評(píng)價(jià)

        利用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法將這9份材料的耐鹽能力按順序排列出來。結(jié)果表明,耐鹽能力最好的為濱豇豆,其次是閩南飼用(印度)豇豆,耐鹽能力最差的為賊小豆(表4)。

        2.8? NaCl脅迫對(duì)凈光合速率的影響

        如圖6所示,9份材料對(duì)照組的凈光合速率無顯著差異。NaCl脅迫6 d后,9份材料的凈光合速率均降低,濱豇豆的凈光合速率雖然降低,但與對(duì)照相比并沒有顯著性差異,其他材料差異顯著。其中,賊小豆的凈光合速率下降了92.4%,差異極顯著。NaCl脅迫對(duì)賊小豆凈光合速率的影響最大,對(duì)濱豇豆的影響最小。不同生態(tài)型的野豇豆間的凈光合速率沒有顯著差異,不同生態(tài)型的赤小豆間的凈光合速率同樣沒有顯著差異。

        2.9? NaCl脅迫對(duì)胞間CO2濃度的影響

        如圖7所示,NaCl脅迫6 d后,只有賊小豆的胞間CO2對(duì)照與處理間存在顯著的差異,與對(duì)照相比降低了15.4%,其余材料對(duì)照與處理見并沒有顯著的差異。由此可見,NaCl脅迫對(duì)賊小豆胞間CO2的影響較大,對(duì)其他幾種材料的影響較小。不同生態(tài)型的野豇豆間的胞間CO2濃度沒有顯著差異,不同生態(tài)型的赤小豆間的胞間CO2濃度同樣沒有顯著差異。

        2.10? NaCl脅迫對(duì)氣孔導(dǎo)度的影響

        如圖8所示,9份材料對(duì)照組的氣孔導(dǎo)度無顯著差異。NaCl脅迫6 d后,9份材料的氣孔導(dǎo)度均降低;濱豇豆的氣孔導(dǎo)度雖然降低,但與對(duì)照相比并沒有顯著性差異,其他材料差異顯著。其中,賊小豆的氣孔導(dǎo)度下降了90.8%,差異極顯著。NaCl脅迫對(duì)濱豇豆的氣孔導(dǎo)度影響最小,其次是閩南飼用(印度)豇豆,影響最大的是賊小豆。不同生態(tài)型的野豇豆間的氣孔導(dǎo)度沒有顯著差異,不同生態(tài)型的赤小豆間的氣孔導(dǎo)度同樣沒有顯著差異。

        2.11? NaCl脅迫對(duì)蒸騰速率的影響

        如圖9所示,濱豇豆、閩南飼用(印度)豇豆、綠豆與賊小豆對(duì)照組的蒸騰速率無顯著差異,且顯著高于其他材料。NaCl脅迫6 d后,9份材料的蒸騰速率均降低,濱豇豆的蒸騰速率雖然降低,但與對(duì)照相比并沒有顯著性差異,其他材料差異顯著。其中,賊小豆的氣孔導(dǎo)度下降了97.3%,差異極顯著。NaCl脅迫對(duì)賊小豆的蒸騰速率影響最大,對(duì)濱豇豆的影響最小。不同生態(tài)型的野豇豆間的蒸騰速率沒有顯著差異,不同生態(tài)型的赤小豆間的葉綠素含量同樣沒有顯著差異。

        2.12? NaCl脅迫對(duì)PSⅡ最大光化學(xué)效率的影響

        如圖10所示,9份材料對(duì)照組的最大光化學(xué)速率無顯著差異。與對(duì)照相比,除濱豇豆與閩南飼用(印度)豇豆外,其余材料與對(duì)照相比均具有顯著的差異,Fv/Fm均顯著降低,尤其是賊小豆,其Fv/Fm為0。由此說明,NaCl脅迫對(duì)濱豇豆和閩南飼用(印度)豇豆的Fv/Fm并沒有較大的影響,但對(duì)賊小豆的影響巨大。如圖11也可明顯看出,與對(duì)照相比,對(duì)濱豇豆Fv/Fm的影響最小,對(duì)賊小豆的影響最大。NaCl脅迫6 d后,野豇豆1的最大光化學(xué)效率顯著高于野豇豆2,不同生態(tài)型赤小豆的最大光化學(xué)效率無顯著差異。

        2.13? NaCl脅迫對(duì)最大熒光產(chǎn)量的影響

        如圖12所示,與對(duì)照相比,9份材料的Fm

        均降低,而除濱豇豆外,其他幾種材料與對(duì)照相比均顯著降低。由此說明,NaCl脅迫對(duì)濱豇豆Fm的影響較小,而對(duì)其他幾種材料的影響較大。NaCl脅迫6 d后,不同生態(tài)型的野豇豆間的最大熒光產(chǎn)量沒有顯著差異,不同生態(tài)型的赤小豆間不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。

        2.14? NaCl脅迫對(duì)初始熒光的影響

        如圖13所示,綠豆對(duì)照組的初始熒光較低,與其他材料對(duì)照組呈顯著差異。只有野豇豆和赤小豆3的對(duì)照和處理間存在顯著性差異,野豇豆2和赤小豆3的初始熒光顯著升高,其他材料均無顯著性差異。說明NaCl脅迫對(duì)野豇豆和赤小豆的初始熒光影響較大,對(duì)其他幾種材料的影響較小。

        2.15? NaCl脅迫對(duì)PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散的影響

        如圖14所示,9份材料對(duì)照組的Y(NO)間無顯著差異。與對(duì)照相比,9份材料的Y(NO)均升高,濱豇豆和閩南飼用(印度)豇豆對(duì)照與處理間并沒有大的變化,而其余幾分材料均呈現(xiàn)顯著差異,說明NaCl脅迫對(duì)濱豇豆和閩南飼用(印度)豇豆的Y(NO)影響不大,對(duì)其余7份材料的影響巨大,且差異顯著。NaCl脅迫6 d后,野豇豆2的Y(NO)顯著高于野豇豆1,不同生態(tài)型赤小豆的Y(NO)無顯著差異。

        3? 討論

        3.1? 6種豇豆屬植物的耐鹽性評(píng)價(jià)

        植物的耐鹽性往往受到多種因素的影響、多種基因的控制,不同種之間的耐鹽性差異較大,并且耐鹽機(jī)制也各不相同,單一的指標(biāo)都只能反映植物耐鹽性的某一方面,因此可通過隸屬函數(shù)將多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),來全面反映植物的耐鹽性強(qiáng)弱[21]。葉綠素含量、枯葉率、質(zhì)膜透性和相對(duì)含水量等是評(píng)價(jià)植物耐鹽性強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[22]

        本研究表明,鹽處理6 d后,賊小豆的葉綠素(Chl)含量顯著降低,葉片相對(duì)含水量(RWC)、質(zhì)膜透性(EL)和枯葉率(WLR)顯著增加,而濱豇豆均沒有顯著差異;主成分分析、相關(guān)分析及隸屬函數(shù)分析的結(jié)果表明,WLR與EL呈極顯著正相關(guān),RWC、Chl含量呈顯著負(fù)相關(guān),枯葉率和相對(duì)含水量的相關(guān)性最高,可以作為豇豆植物耐鹽能力的篩選指標(biāo);主成分分析得到的2個(gè)主成分PC1和PC2,可以解釋總變化的92.75%;隸屬函數(shù)排名表明,耐鹽能力最好的為濱豇豆,其次為閩南飼用(印度)豇豆,耐鹽性最差的為賊小豆。6種豇豆屬植物耐鹽性評(píng)價(jià)的結(jié)果較為可靠。

        3.2? 鹽脅迫對(duì)6種豇豆屬植物光合特性的影響

        光合作用是植物生長和能量產(chǎn)生的基礎(chǔ),植物的光合生理對(duì)環(huán)境的反應(yīng)在一定程度上可以反映植物對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)能力[23]。光合作用通過光系統(tǒng)Ⅰ(PSⅠ)和光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能,其中PSⅡ?qū)}脅迫尤其敏感,在植物響應(yīng)鹽脅迫的過程中發(fā)揮重要作用[24]。利用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可以快速、方便地了解鹽脅迫對(duì)植物PSⅡ的傷害程度[25]。本研究中,NaCl脅迫6 d后,9份材料的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均降低,這與Kurban等[26]、Parida等[27]、姚佳等[28]的研究結(jié)果相一致。本研究中,除濱豇豆外,9份材料的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率對(duì)照與處理間存在顯著的差異,其中賊小豆均下降了90%以上。NaCl脅迫對(duì)9份材料Fv/Fm、Fm和PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)這3種指標(biāo)的影響中,與對(duì)照相比,處理組的Fv/FmFm均降低,PSⅡ非調(diào)節(jié)性能量耗散Y(NO)增加,這與前人結(jié)果研究一致[29-30],即高鹽濃度下,試驗(yàn)材料葉片的PSⅡ反應(yīng)中心原初光能轉(zhuǎn)換效率降低,PSⅡ光化學(xué)活性和電子傳遞受到抑制,光化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和保護(hù)性的調(diào)節(jié)機(jī)制(如熱耗散)不足以將植物吸收的光能完全消耗掉,導(dǎo)致植物受到傷害[31-33]。而鹽脅迫對(duì)F0的影響中,有些材料增加,有些降低,這與前人研究結(jié)果相異,有待進(jìn)一步探討。濱豇豆對(duì)照與處理之間均沒有顯著性差異,說明6 d時(shí)高鹽濃度對(duì)濱豇豆葉片的光抑制作用較小。野豇豆1與野豇豆2間最大光化學(xué)效率與非調(diào)節(jié)性能量耗散的差異可能與生態(tài)型間基因差異有關(guān)。綜上所述,NaCl脅迫6 d后,濱豇豆的光合系統(tǒng)幾乎沒有損傷,賊小豆的光合系統(tǒng)遭到極大的破壞。

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