劉真華，曹燦景

(1.山東農(nóng)業(yè)工程學院，山東 濟南 250100；2.山東工藝美術學院，山東 濟南 250014)

鹽脅迫對植物的生長發(fā)育有顯著的抑制作用，不僅能夠影響種子的發(fā)芽率、出苗率[1]、光合速率和生物膜透性，還能夠引起細胞代謝紊亂、離子失調、單鹽毒害[2]、破壞活性氧清除系統(tǒng)和植物體內脫落酸(ABA)[3]、赤霉素(GA)和細胞分裂素(CTK)等激素的一系列變化。另外，長期的鹽脅迫會使非鹽生植物因能量代謝失調致使組織和細胞死亡。隨著我國園林綠化事業(yè)的發(fā)展和市民城市宜居觀念的增強，提高城市的綠化質量并豐富其綠化景觀已成為人們的共同期望。彩葉草[Coleusscutellarioides(L.) Benth.]因其色彩鮮艷、觀賞期長等特點對扮靚城市景觀、彌補冬季花色單調具有獨特作用，在園林綠化方面具有廣闊的應用前景。鹽脅迫對植物生長發(fā)育有嚴重的影響，而目前對彩葉草的研究主要集中在無土栽培[4]、低溫脅迫[5]、分子調控[6]、株型矮化[7]、重金屬脅迫[8]等方面，而有關彩葉草在鹽脅迫方面的研究報道則不多見。因此，本研究從彩葉草的種子萌發(fā)、光合特性、葉綠素熒光和無機離子代謝4個方面入手，探究彩葉草對NaCl脅迫的響應，旨在揭示其種子萌發(fā)、光合作用等指標與鹽脅迫之間的關系，為彩葉草的耐鹽機理、品種優(yōu)化、栽培管理及園林綠化應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設計

彩葉草的種子由山東農(nóng)業(yè)工程學院園林科學與工程學院實驗站提供。

1.1.1 種子萌發(fā)試驗設計

2016年7月22日上午9:00，選取大小一致的飽滿的種子，用0.1%的HgCl溶液表面消毒5min，蒸餾水沖洗后播種到培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿內墊2層滅菌紗布，每皿50粒。用濃度分別為0mmol/L、20mmol/L、60mmol/L、100mmol/L、140mmol/L和180mmol/L的NaCl溶液浸種，每天更換1次NaCl溶液以降低水分蒸發(fā)造成的HgCl的濃度變動幅度，每水平設3次重復。浸種后放置于培養(yǎng)箱中催芽，溫度白天22-25℃，夜間17-19℃，記錄每天的發(fā)芽情況，并于2016年7月29日(第8d)測定并計算胚根長度、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，取平均值。發(fā)芽率(%)=種子發(fā)芽粒數(shù)/種子播種粒數(shù)×100；發(fā)芽勢(%)=8d發(fā)芽種子總數(shù)/種子播種粒數(shù)×100；發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt(Gt為t時間種子發(fā)芽數(shù)，Dt為對應的發(fā)芽天數(shù));活力指數(shù)(VI)=GI×S(S為胚根長)。

1.1.2 水培試驗設計

試驗于2016年8-9月在山東農(nóng)業(yè)工程學院的試驗站智能溫室中進行。8月2日進行穴盤播種育苗，9月8日選取長勢一致、無病蟲的幼苗移栽到規(guī)格為490mm×335mm×160mm的塑料箱中。其具體操作為用刀片剪切厚度2cm的泡沫板，使其恰好能夠覆蓋住塑料箱的開口，在泡沫板上打4個孔，其直徑約1.5cm，將彩葉草的幼苗定植于泡沫板孔內，塑料箱中添加21L含NaCl濃度分別為0mmol/L、20mmol/L、60mmol/L、100mmol/L、140mmol/L和180mmol/L的Hoagland營養(yǎng)液，彩葉草的根系浸入營養(yǎng)液中進行鹽脅迫處理，每處理3箱。鹽脅迫10d后對彩葉草幼苗各指標進行測定。

1.2 測定指標及方法

采用CIRAS-2便攜式光合儀(美國PP systems公司)測定彩葉草幼苗葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)，每處理重復3次。測定時CO2濃度370±10mmol/L，光照強度為800±10Lx，溫度30±2℃。采用德國WALZ公司生產(chǎn)的PAM-2100便攜式調制熒光儀測定彩葉草葉片初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、光系統(tǒng)Ⅱ的潛在活性(Fv/Fo)和最大光化學效率(Fv/Fm)，其計算公式為：Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo;Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm。采用硫酸-高氯酸消煮法處理材料，利用原子吸收光譜儀測定葉片Na+、K+和Mg2+含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)圖表進行處理，采用DPS 7.02軟件進行單因素方差分析，并對平均數(shù)做Tukey法多重比較。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對彩葉草種子萌發(fā)的影響

不同濃度NaCl脅迫對彩葉草種子萌發(fā)的影響結果見表1。

表1 不同濃度NaCl脅迫對彩葉草種子萌發(fā)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫或大寫字母表示5%或1%顯著水平，下同。

由表1可知，不同NaCl濃度對彩葉草種子萌發(fā)影響程度不同，不同處理間差異顯著。隨著NaCl濃度的升高(0-180mmol/L)，彩葉草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢；NaCl濃度20mmol/L時上述指標與對照差異不明顯，說明低濃度的鹽脅迫對彩葉草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)影響較??；NaCl濃度在60-180mmol/L范圍內，上述指標與對照差異顯著且鹽脅迫程度隨NaCl濃度的增加而加劇，NaCl濃度180mmol/L時較對照分別降低56.73%(發(fā)芽率)、87.37%(發(fā)芽勢)和84.81%(發(fā)芽指數(shù))。低鹽脅迫條件下(NaCl 20mmol/L)，彩葉草的胚根長和活力指數(shù)高于對照，較對照分別增加11.88%和9.67%；而在NaCl濃度60-180mmol/L脅迫下，其胚根長受到明顯抑制，活力指數(shù)顯著降低，較對照分別降低9.90%-27.72%(胚根長)和9.67%-89.09%(活力指數(shù))。

2.2 鹽脅迫對彩葉草光合特性的影響

不同濃度NaCl鹽脅迫對彩葉草光合特性影響結果見圖1。由圖1可知，(1)隨著鹽脅迫強度的增加，彩葉草凈光合速率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(圖1-a)。在20mmol/L NaCl脅迫下，彩葉草凈光合速率雖然低于對照，但降幅較小，二者差異不顯著；其他處理與對照差異顯著。除20mmol/L NaCl處理與60mmol/L NaCl處理、140mmol/L NaCl與180mmol/L NaCl處理差異不顯著外，其他處理間均差異顯著。180mmol/L NaCl脅迫下，彩葉草凈光合速率最小，較對照降低48.08%。(2)鹽脅迫處理下，彩葉草氣孔導度均低于對照，且隨脅迫強度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(圖1-b)，較對照分別降低5.21%、20.85%、28.85%、41.77%和49.36%。除20mmol/L NaCl處理外，其他處理與對照差異顯著，說明鹽濃度較低時對彩葉草氣孔導度限制較小，而鹽濃度較高時對彩葉草氣孔導度影響較大。(3)彩葉草葉片胞間CO2濃度隨NaCl濃度的增加表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(圖1-c)。NaCl濃度20mmol/L彩葉草葉片胞間CO2濃度低于對照，較對照降低10.20%，繼續(xù)增加NaCl濃度至60mmol/L時胞間CO2濃度開始高于對照，至NaCl濃度180mmol/L時胞間CO2濃度達最大值，較對照增加34.87%，與對照差異極顯著。除60mmol/L NaCl處理外，各處理與對照差異顯著。(4)與對照相比，各鹽脅迫處理均使彩葉草蒸騰速率降低，并隨鹽濃度的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(圖1-d)，且這一趨勢與氣孔導度呈現(xiàn)出正相關關系。NaCl濃度20mmol/L蒸騰速率與對照差異不明顯，其他處理與之相反。

2.3 鹽脅迫對彩葉草葉綠素熒光參數(shù)的影響

不同濃度NaCl鹽脅迫對彩葉草葉綠素熒光參數(shù)的影響結果見圖2。

圖1不同濃度NaCl脅迫對彩葉草光合特性的影響

Fig.1 Effects of NaCl stress on photosynthetic characteristics ofColeusscutellarioides

圖2 不同濃度NaCl脅迫對彩葉草葉綠素熒光參數(shù)的影響

由圖2可以看出，NaCl處理下Fo均高于對照，且Fo隨NaCl脅迫強度的增加呈現(xiàn)上升趨勢(圖2-a)。低鹽(NaCl 20mmol/L)脅迫下，F(xiàn)o雖高于對照，但二者差異不顯著，說明低鹽脅迫對彩葉草葉綠素的影響較??；隨著NaCl濃度(60-180mmol/L)的升高，F(xiàn)o逐漸增大，且NaCl濃度180mmol/L時與對照差異極顯著，這表明高鹽脅迫對光系統(tǒng)Ⅱ反應中心(PSⅡ)造成傷害或不可逆失活。Fm為暗適應下最大熒光產(chǎn)量，能夠反映PSⅡ的電子傳遞情況(圖2-b)。由圖2-b可知，NaCl處理下Fm均低于對照，F(xiàn)m隨NaCl脅迫強度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，這說明彩葉草葉片PSⅡ的電子傳遞能力隨NaCl脅迫程度的增強逐漸降低。但在濃度為20mmol/L 、60mmol/L和100mmol/L NaCl處理下，F(xiàn)m與對照差異不顯著；而140mmol/L和180 mmol/LNaCl處理下，F(xiàn)m與對照差異顯著。另外，F(xiàn)m與Fo表現(xiàn)出負相關關系。NaCl處理下彩葉草Fv/Fo和Fv/Fm值均低于對照(圖2-c、圖2-d)，且隨NaCl脅迫強度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，表明NaCl脅迫程度的加強能夠降低彩葉草PSII的原初光能轉化效率和PSII的反應中心的潛在活性，使彩葉草生長所需的化學能減少。另外，F(xiàn)v/Fo、Fv/Fm、Fm與NaCl濃度呈現(xiàn)負相關關系，而Fo表現(xiàn)出正相關關系。

2.4 鹽脅迫對彩葉草無機離子含量的影響

不同濃度NaCl鹽脅迫對彩葉草葉片中無機離子含量的影響結果見表2。

表2 不同濃度NaCl脅迫對彩葉草無機離子含量的影響

由表2可知，彩葉草葉片Na+含量隨NaCl濃度(0-180mmol/L)的升高呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。其中，NaCl濃度20mmol/L、60mmol/L、100mmol/L、140mmol/L和180mmol/L處理其葉片Na+含量較對照分別增加44.88%、77.84%、118.18%、153.98%和175.57%，差異十分顯著。彩葉草葉片K+含量、K+/Na+和Mg2+/Na+隨NaCl濃度(0-180mmol/L)的升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。除180mmol/L NaCl外，其他處理葉片K+含量與對照差異不顯著；各處理K+/Na+和Mg2+/Na+較對照差異顯著。彩葉草葉片Mg2+含量隨NaCl濃度(0-180mmol/L)的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。其中，除NaCl濃度140mmol/L1和180mmol/L處理外，其他處理與對照差異不顯著。另外，由表2還可以看出，彩葉草葉片Na+含量與NaCl脅迫強度呈正相關關系，而K+、K+/Na+和Mg2+/Na+與之呈負相關關系。

3 結論與討論

通過室內培養(yǎng)和無土栽培試驗，設置0mmol/L、20mmol/L、60mmol/L、100mmol/L、140mmol/L和180mmol/L 6個NaCl水平，研究不同脅迫強度的NaCl對彩葉草種子萌發(fā)、光合特性、葉綠素熒光和無機離子代謝的影響。結果表明，隨著NaCl濃度(0-180mmol/L)的增加，彩葉草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)逐漸降低；其胚根長和活力指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在NaCl濃度0-180mmoL/L范圍內，彩葉草葉片的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率隨NaCl脅迫強度的增加呈降低趨勢，至NaCl濃度180mmol/L時較對照分別降低48.08%(Pn)、49.36%(Ci)和73.51%(Tr)；而葉片胞間CO2濃度則表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，NaCl濃度20mmol/L最低，較對照降低10.20%，NaCl濃度180mmol/L時達最大值，較對照增加34.87%。在NaCl濃度0-180mmol/L范圍內，F(xiàn)m、Fv/Fo、Fv/Fm、K+含量、K+/Na+和Mg2+/Na+隨NaCl濃度的增加呈下降趨勢，F(xiàn)o與Na+含量趨勢與之相反;Mg2+含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；NaCl濃度20mmol/L 時，F(xiàn)v/Fo、Fv/Fm、Fm與對照差異不顯著。Fo、Na+含量與NaCl脅迫強度呈正相關關系，而Fv/Fo、Fv/Fm、Fm、K+含量、K+/Na+和Mg2+/Na+與之呈負相關關系。

在濃度20mmol/LNaCl處理下，彩葉草的凈光合速率均低于對照，而此時氣孔導度和胞間CO2濃度亦低于對照，這說明引起凈光合速率下降的主要因素應該是氣孔限制，因為低濃度的NaCl脅迫對植物細胞產(chǎn)生滲透脅迫，致使氣孔關閉，增加了外界CO2氣體通過氣孔向細胞內擴散的阻力，造成光合作用的底物減少，最終導致光合速率的下降，這與Mlrales F等[9]在大麥(HordeumvulgareL.)上的研究結果類似。在NaCl濃度60-180mmol/L脅迫處理下，彩葉草光合速率均低于對照，此時氣孔導度隨脅迫強度的增加呈現(xiàn)降低趨勢，而胞間CO2濃度表現(xiàn)出與之相反的趨勢，且明顯高于對照，這說明此時光合速率下降的主要因子應該是非氣孔限制，這可能是較強的鹽脅迫導致細胞中積累了大量的鹽離子，對葉綠體結構造成損傷，使光合色素發(fā)生降解，葉綠體精細結構遭到破壞，葉肉細胞光合性能降低[10-11]。張芬等[12]研究認為，NaCl濃度50mmol/L時番茄(Solanumsalicina)幼苗凈光合速率高于對照，而本試驗結果得出20-60mmol/L范圍內彩葉草葉片凈光合速率呈降低趨勢且低于對照，可能與不同植物耐鹽性存在差異有關。

Fo為初始熒光，是光系統(tǒng)II反應中心(PSII)處于完全開放時的熒光水平,主要與葉綠素濃度有關。本試驗條件下，彩葉草葉片的Fo隨NaCl濃度增加而逐漸升高，這可能是因為天線色素(LHC)與PSII分離造成其不可逆升高或者是PSII受到破壞[13-14]，因此，F(xiàn)m在NaCl脅迫下逐漸降低，這可能是因為鹽脅迫對彩葉草葉片產(chǎn)生了光抑制[15]。本試驗結果表明，彩葉草Fv/Fo和Fv/Fm均隨NaCl脅迫強度的增加而逐漸降低，說明彩葉草PSII反應中心的實際光能捕獲效率逐漸降低，所捕獲的用于光化學反應的光能逐漸減少[16]。

植物根系和莖部的耐鹽力較強，但是高鹽條件下的毒性效應和滲透效應改變了植株的營養(yǎng)平衡[17]，葉片則會因鹽分積累過快、過多導致毒害或死亡[18],為此本試驗重點研究了葉片中礦質元素的變化情況。K+是重要的滲透調節(jié)物質,當植物遭受鹽脅迫時體內的K+含量隨之發(fā)生變化。本試驗結果表明，彩葉草葉片中K+含量隨NaCl脅迫的增強逐漸呈降低趨勢，且與細胞中Na+含量呈負相關關系，這應該是細胞中較高的Na+抑制植物細胞通過低親和系統(tǒng)吸收K+所致[19]。本試驗中，NaCl濃度在0-60mmol/L范圍內，彩葉草細胞內Mg2+含量隨NaCl濃度的升高而增加，這可能是低濃度脅迫下植物細胞可通過積累Mg2+等滲透調節(jié)物質來應對滲透脅迫等次生傷害；而NaCl濃度在100-180mmol/L范圍內，彩葉草細胞Mg2+呈下降趨勢，這可能是因為細胞內積累的較高的Na+對Mg2+的吸收產(chǎn)生拮抗作用，破壞了細胞內原有的離子平衡[20]。鹽脅迫對植物產(chǎn)生的另一類鹽害是次生鹽害，即由離子間的競爭導致的植物體內某種元素的缺乏，并對植物的新陳代謝造成干擾[21]。鹽脅迫條件下，Na+會與其它礦物質元素競爭吸收，致使植物對某些元素的產(chǎn)生虧缺[22]。本試驗條件下，隨著鹽脅迫強度的增加，K+/Na+和Mg2+/Na+逐漸降低，這表明除了NaCl產(chǎn)生的滲透脅迫打亂了植物體細胞內的離子動態(tài)平衡之外，還有彩葉草根系表面的K+、Mg2+被Na+置換，從而抑制了其對K+、Mg2+的吸收的原因。