陳春曉,謝秀華,王宇鵬,李俊朋,信 健,朱婷婷,劉 靜,陳 敏,*
1 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/山東省逆境植物重點實驗室, 濟南 250014 2 山東省東營市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局, 東營 257091 3 山東省濰坊北海中學(xué), 濰坊 261200
非生物脅迫(例如:干旱、鹽堿、極端溫度、氧化脅迫)是限制植物生長的主要因素,非生物脅迫通過影響植物生長、發(fā)育、營養(yǎng)代謝及一系列分子變化,進而影響植物形態(tài)、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量[1]。鹽和干旱是兩種主要的非生物脅迫因子而且二者常常同時發(fā)生,尤其在干旱、半干旱地區(qū),干旱和鹽脅迫共同作用嚴重危害著植物的生長及產(chǎn)量。黃河三角洲是黃河數(shù)百年來沖積而成的一塊年輕的陸地,由于成陸較晚,土地整體質(zhì)量不高,現(xiàn)有的533333 hm2邊際性土地多為鹽堿地,其特點是土壤含鹽量高、有機質(zhì)含量低、營養(yǎng)元素不均衡,地下水位高,春秋季易旱、夏季易澇,不適合于普通農(nóng)作物生長[2]。生長在黃河三角洲地區(qū)的植物在春、秋季常常受到鹽和干旱共同的影響。
正是由于黃河三角洲地區(qū)特殊的土壤情況和氣候特征,黃河三角洲地區(qū)的植物種類少、植被單一,嚴重制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展和生態(tài)改良。所以引種一些適合當(dāng)?shù)厣L的經(jīng)濟和生態(tài)植物迫在眉睫。沙棗(ElaeagnusangustifoliaL.)是胡頹子科Elaeagnaceae)胡頹子屬(ElaeagnusLnn.)的落葉小喬木,主要分布于我國西北五省,在北京、天津和山東等地也開展了引種栽培[3- 4]。沙棗具有一定的耐鹽性,可以在黃河三角洲地區(qū)生長良好[2,5]。但是對于沙棗適應(yīng)黃河三角洲地區(qū)春、秋季的鹽旱共同脅迫的機理是還不清楚。目前單一脅迫因子(鹽脅迫或干旱脅迫)對植物生長的影響研究較多,但對于鹽分和干旱共脅迫的研究相對較少。在已有的研究中發(fā)現(xiàn):許多植物在鹽分或者干旱脅迫時,其生物量是降低的,而在鹽分和干旱共脅迫脅迫時,在一定的條件下,植物會表現(xiàn)出比在單一脅迫下生長更好的現(xiàn)象。例如,2012年朱金方等研究發(fā)現(xiàn),鹽旱脅迫下檉柳表現(xiàn)出一定的交叉適應(yīng)性,適度的干旱脅迫能增強檉柳的耐鹽能力[6];另外2017年翁亞偉等研究發(fā)現(xiàn),鹽旱復(fù)合脅迫可以通過增強根系水分吸收及降低根葉中ABA含量以維持較高光合能力,進而提高小麥適應(yīng)性[7];2017年華智銳等研究也發(fā)現(xiàn),在鹽旱共脅迫下小麥幼苗表現(xiàn)出交叉適應(yīng)性[8]。這些研究都說明了在干旱和鹽分這兩種脅迫因子的共同作用下,植物出現(xiàn)了交叉適應(yīng)現(xiàn)象。
沙棗的生存能力極強,具有抗干旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙、耐貧瘠、根蘗性強的特點,可用于水土保持,還可以調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、改良土壤,并且沙棗根系上有固氮根瘤菌,能提高土壤肥力,改善土壤環(huán)境[9]。沙棗作為耐逆的先鋒樹種是否可以更好的適應(yīng)鹽旱共脅迫?關(guān)于這個問題沒有相關(guān)的報道,所以本實驗?zāi)M黃河三角洲地區(qū)春、秋季的鹽旱共同脅迫,來研究鹽分和干旱共同脅迫對沙棗幼苗生長及生理特性的影響。從而為將沙棗引進黃河三角洲地區(qū)提供理論依據(jù)。
實驗材料為沙棗(ElaeagnusangustifoliaL.)幼苗。本實驗室于2017年從新疆吐魯番購入沙棗果實,將果實去果肉后得到干凈的種子,將種子種植于培養(yǎng)盤中獲得沙棗幼苗備用。
機械方法去除果肉,對種子進行統(tǒng)一的消毒處理,用蒸餾水反復(fù)沖洗,備用。種植前將其置于低溫(0—4℃)下進行冷層積處理(低溫處理采用低溫培養(yǎng)箱,品牌:上海捷呈;型號:LRH- 600F),以打破休眠并軟化種皮以便于種子萌發(fā),10 d后將種子取出(此時種子已經(jīng)露白)。種植于裝有洗凈細沙的塑料盆中,每盆播種20粒種子(種子距沙面約2 cm),然后移至溫室(光強:600 μmol m-2s-1;相對濕度:70%;溫度:24℃;光照:16 h光亮,8 h黑暗)內(nèi)。培養(yǎng)期間每天澆水保持沙子濕潤,待種子萌發(fā)后,停止?jié)菜臑闈?/2 Hoagland營養(yǎng)液。待沙棗幼苗長出2—3片真葉時,進行間苗(保留盆內(nèi)生長較健壯且生長狀況大致相同的7—8株幼苗),待幼苗生長到5—6片真葉時,開始脅迫實驗。
實驗分為6個處理,每個處理5個重復(fù)。處理方法如下:
①對照 (the control,CK):一直澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液。
②輕度干旱 (the treatment of mild drought,LS):澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液7 d,之后保持土壤含水量在輕度干旱標(biāo)準(土壤含水量,7%—9%,下同)14 d,每天于早中晚3次測量含水量(Soil water content were determined with an HH2 moisture meter with a WET- 2 sensor (Delta-T, Cambridge, UK)),補澆1/2 Hoagland營養(yǎng)液,使含水量保持不變,下同。
③重度干旱 (the treatment of severe drought,SS):澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液7 d,之后保持土壤含水量在輕度干旱標(biāo)準(土壤含水量3%—5%,下同)14 d,每天于早中晚3次測量含水量,補澆1/2 Hoagland營養(yǎng)液,使含水量保持不變,下同。
④鹽 (the treatment of 100 mmol/L NaCl,100CK):一直澆灌含有100 mmol/L NaCl的1/2 Hoagland營養(yǎng)液。
⑤鹽+輕度干旱 (the treatment of 100 mmol/L NaCl and mild drought,100LS):澆灌含有100 mmol/L NaCl 的1/2 Hoagland營養(yǎng)液7 d,之后保持土壤含水量在輕度干旱標(biāo)準14 d,每天于早中晚三次測量含水量。
⑥鹽+重度干旱 (the treatment of 100 mmol/L NaCl and severe drought,100SS):澆灌含有100 mmol/L NaCl 的1/2 Hoagland營養(yǎng)液7 d,之后保持土壤含水量在重度干旱標(biāo)準14 d,每天于早中晚三次測量含水量。
1.4.1 株高、根長、含水量及根冠比的測定
處理2周后,用刻度尺測量株高(沙面以上為株高),然后小心將整株植物取出,洗凈后用刻度尺測量根長并稱量地上與地下部分的鮮重(fresh mass, FW)。將鮮材料放入105℃的烘箱中殺青10 min后,80℃烘干至恒重,分別稱地上與地下部分干重(dry mass, DW)。根據(jù)下列方式計算組織含水量和幼苗根冠比:
含水量=(鮮重-干重)/鮮重×100%
根冠比=地下干重/地上干重
1.4.2 葉綠素含量的測定
采用高奔等的方法[10]。根據(jù)下式計算組織中葉綠素含量:
葉綠素含量(mg/g FW) =8.02A663+20.21A645
式中,A645為645 nm處的吸光度;A663為663 nm處的吸光度。
1.4.3 光合參數(shù)的測定
采用李艷等的方法[11],使用CIRAS- 2型英國PP.Systems公司便攜式光合作用測定儀對沙棗完全展開的第二葉進行凈光合速率(netphotosynthetic rate,Pn)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,gs)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)等光合參數(shù)的測定。測定過程中光強約為1500 μmol m-2s-1,大氣溫度變化范圍為20—24℃,大氣CO2濃度變化范圍為477—497 μmol/L,測定時間為10:00—11:30。
1.4.4 熒光參數(shù)的測定
采用馮偉等的方法[12],下列方式計算組織含水量和幼苗根冠比(9:30—12:00),用OS5-FL 型調(diào)制式葉綠素?zé)晒夥治鰞x(OPTI-SCI-ENCES,美國)測定光適應(yīng)下的最大光化學(xué)效率(maximum quantumefficiency,Fv/Fm)、光系統(tǒng)II實際光化學(xué)量子效率(quantum efficiency of photosystem II,ΦPSII)以及光化學(xué)猝滅系數(shù)(photochemical quenching coefficient,qP)。取完全展開的同一葉位的沙棗葉片測定,測定時先固定好沙棗葉片,使葉片受光一致,每個處理測定至少20片葉。測定暗適應(yīng)熒光參數(shù)前將葉片充分暗適應(yīng)20 min。
1.4.5 無機離子含量的測定
采用張志良的方法[13],將烘干的沙棗材料分別碾碎后于馬弗爐中550℃灰化,灰分用濃硝酸溶解,定容后用原子吸收光譜儀(日立Z- 8000型)測定Na+含量、K+含量,AgNO3滴定法測定Cl-含量。
1.4.6 脯氨酸含量的測定
采用酸性茚三酮法[14]。根據(jù)下式計算組織中脯氨酸含量:
脯氨酸含量(μg/g FW)=(X×Vt)/(W×Vs×106)×100%
式中,X為從標(biāo)曲中查得的脯氨酸含量(μg);Vt為提取液體積(mL);W為樣品的質(zhì)量(g);Vs為測定時所用樣品的體積。
采用蒽酮法[15],稱取0.2 g沙棗葉片磨細的烘干樣品置10 mL離心管中,用80%乙醇浸提離心后定容至25 mL。準確吸取糖的乙醇提取液2 mL水浴中蒸去乙醇,準確加水10 mL攪拌使糖完全溶解。吸取上清液2 mL加入試管中,記錄 620 nm下的OD值并計算可溶性糖含量。
1.4.8 總酚含量的測定
采用Folin-Ciocalteu 比色法[16]。根據(jù)下式計算組織中總酚含量:
總酚含量(μg/g FW)=X×V/m
式中,X為由吸光度按標(biāo)準曲線查的結(jié)果;V為粗提液總體積(mL);m為稱樣質(zhì)量(g)。
1.4.9 類黃酮含量的測定
采用亞硝酸鈉-硝酸鋁比色法[17]。根據(jù)下式計算組織中類黃酮含量:
類黃酮含量(μg/g FW)=X×V/m
式中,X為由吸光度按標(biāo)準曲線查的結(jié)果;V為粗提液總體積(mL);m為稱樣質(zhì)量(g)。
1.4.10 丙二醛(MDA)含量的測定
紫外-可見分光光度計法[18]。根據(jù)下式計算組織中MDA的含量:
MDA含量(mmol/gFW)= △A×N/(155 ×W)
式中,△A為A532和A600的差;N為上清液總體積;155為1 mmol 為反應(yīng)產(chǎn)物在532 nm處的吸收系數(shù);W為稱取植物材料的鮮重(g)。
上述各處理5個重復(fù),所得數(shù)據(jù)用SigmaPlot 10.0 作圖,用IBM SPSS Statistics 19軟件進行顯著性分析,同一種處理的各參數(shù)以平均值加減標(biāo)準差的形式表示(mean±SD),同時采用字母標(biāo)注法(P<0.05表示存在顯著性差異)。
輕度干旱除了降低了沙棗的株高和根長外,對沙棗的生物量和含水量沒有影響,但是重度干旱卻明顯降低了沙棗的各生長指標(biāo)(圖1, 表1)。除了含水量以外,100 mmol/L NaCl明顯降低了沙棗的各生長指標(biāo)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項生理指標(biāo)相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫對沙棗的生長沒有顯著影響,但是重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫卻明顯降低了沙棗的生長。
圖1 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗生長的影響Fig.1 The effects of salt and drought co-stress on the growth of E. angustifolia seedlingsCK:對照,the control;LS:輕度干旱,mild drought;SS:重度干旱,severe drought;100CK:鹽,100 mmol/L NaCl;100LS:鹽+輕度干旱,100 mmol/L NaCl and mild drought co-stress;100SS:鹽+重度干旱,100 mmol/L NaCl and severe drought co-stress
參量Parameters處理TreatmentCKLSSS100+CK100+LS100+SS地上鮮重 Shoot fresh weight1.11±0.29a 1.11±0.30a0.92±0.17b0.88±0.31b0.70±0.22bc 0.59±0.13c地上干重Shoot dry weight0.23±0.06a 0.25±0.05a0.23±0.04b0.20±0.06b0.19±0.05bc 0.17±0.04c地下鮮重 Root fresh weight0.73±0.03a 0.65±0.04ab0.51±0.02bc0.40±0.02cd0.35±0.02d0.30±0.02de地下干重Root dry weight0.12±0.04a0.11±0.04ab0.07±0.02b 0.07±0.06b0.07±0.03b 0.07±0.02b株高Plant length11.06±0.98a 9.40±1.00b6.87±0.58d9.68±0.75b8.31±0.58c 6.77±0.80d根長Root length8.77±0.76a 7.36±0.55b6.04±0.62de6.92±0.63bc6.46±0.83cd 5.69±0.69e地上含水量Shoot water content78.73±2.40a 77.72±3.14a74.42±4.40b76.82±3.07a72.40±2.30c 71.47±2.53c根冠比Root shoot ratio0.16±0.04a 0.14±0.03ab0.11±0.03e0.13±0.04bc0.12±0.03cd 0.09±0.02d
表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準差(n=5); 不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05); CK:對照,the control;LS:輕度干旱,mild drought;SS:重度干旱,severe drought;100+CK:鹽,100 mmol/L NaCl;100+LS:鹽+輕度干旱,100 mmol/L NaCl and mild drought co-stress;100+SS:鹽+重度干旱,100 mmol/L NaCl and severe drought co-stress
圖2 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗葉綠素含量的影響 Fig.2 The effects of salt and drought co-stress on the chlorophyll content of E. angustifolia seedlings圖中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準差(n=5);不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)
輕度干旱對沙棗幼苗葉綠素含量沒有影響,但是重度干旱卻明顯降低了沙棗幼苗的葉綠素含量。100 mmol/L NaCl顯著降低了沙棗幼苗的葉綠素含量(P<0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項生理指標(biāo)相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫對其沒有顯著影響(P>0.05),但是重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫卻明顯降低了沙棗幼苗的葉綠素含量(P< 0.05) (圖2)。
輕度干旱除了降低了沙棗葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度外,對沙棗的胞間CO2濃度和蒸騰速率沒有影響(P>0.05),但是重度干旱卻明顯降低了除胞間CO2濃度外的各光合參數(shù)(P<0.05)。除了凈光合速率(降低)和胞間CO2濃度(升高)外,100 mmol/L NaCl對沙棗的各光合參數(shù)沒有影響(P>0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項光合參數(shù)相比,除凈光合速合以及氣孔導(dǎo)度外,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫對沙棗的光合參數(shù)沒有顯著影響(P>0.05),但是重度干旱和100 mmol/LNaCl共脅迫卻明顯降低了沙棗的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率且明顯增加了胞間CO2濃度(P<0.05) (圖3)。
圖3 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗光合參數(shù)的影響Fig.3 The effects of salt and drought co-stress on photosynthesis of E. angustifolia seedlings
輕度干旱或100 mmol/L NaCl降低了沙棗的最大光化學(xué)效率和光化學(xué)猝滅系數(shù)外,但對沙棗的實際光化學(xué)效率沒有影響(P>0.05),但是重度干旱卻明顯降低了沙棗的各熒光參數(shù)(P<0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各熒光參數(shù)相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫對沙棗的熒光參數(shù)沒有顯著影響(P>0.05),但是重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫卻明顯降低了沙棗的熒光參數(shù)(P<0.05) (圖4)。
圖4 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗熒光參數(shù)的影響Fig.4 The effects of salt and drought co-stress on fluorescence parameters of E. angustifolia seedlings
輕度干旱和重度干旱均顯著降低了沙棗的地上和地下的K+含量,顯著增加了沙棗地上、地下的Na+含量(P<0.05)。100 mmol/L NaCl極顯著降低了沙棗的地上和地下的K+含量,極顯著增加了沙棗地上、地下的Na+含量(P<0.01)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的沙棗離子含量相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫以及重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫都顯著降低了地上和地下的K+含量,顯著增加了沙棗地上、地下的Na+含量(P<0.05) (圖5)。
圖5 鹽旱共脅迫對沙棗幼苗離子含量的影響Fig.5 The effects of salt and drought co-stress on ionic content of E. angustifolia seedlings
輕度干旱除了對沙棗葉片中可溶性糖、脯氨酸和總酚含量沒有影響外(P>0.05),顯著提高了沙棗幼苗其他有機物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物含量(P<0.05),但是重度干旱顯著提高了各指標(biāo)含量(P<0.05)。除脯氨酸含量外,100 mmol/L NaCl明顯提高了沙棗幼苗的有機物質(zhì)及次生代謝產(chǎn)物含量(P<0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項指標(biāo)相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫以及重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫都顯著增加了各指標(biāo)含量(P<0.05) (圖6)。
圖6 鹽旱共脅迫對沙棗有機物質(zhì)及次生代謝產(chǎn)物含量的影響Fig.6 The effects of salt and drought co-stress on organic matter content and secondary metabolites content of E. angustifolia seedlings
復(fù)水一周后,輕度干旱除了降低了沙棗幼苗的地下鮮重和干重外,對沙棗的地上鮮重、地上鮮重增加百分比、地上干重、地上干重增加百分比、地下鮮重增加百分比、地下干重增加百分比沒有影響(P>0.05),但是重度干旱卻顯著降低了復(fù)水后沙棗的生物量指標(biāo)(P<0.05)。100 mmol/L NaCl顯著降低了復(fù)水后沙棗幼苗的各生物量指標(biāo)(P<0.05)。和100 mmol/L NaCl處理條件下的各項生物量指標(biāo)相比,輕度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫除地上鮮重以及地上鮮重增加百分比外的其他生物量指標(biāo)沒有影響(P>0.05),但是重度干旱和100 mmol/L NaCl共脅迫卻明顯降低了復(fù)水后沙棗的生長(P<0.05) (表2)。
表2 復(fù)水一周后鹽旱共脅迫對沙棗生物量的影響
表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準差(n=5);不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)
生物量是植物遭遇脅迫的綜合反應(yīng),干旱脅迫和鹽分脅迫抑制植物的生長,且脅迫程度越高抑制程度越明顯[19]。對于本研究的沙棗幼苗干旱脅迫及鹽脅迫均可抑制沙棗幼苗的生長、降低植物組織含水量和生物量,尤其是重度干旱更為明顯。干旱或鹽處理降低沙棗幼苗的根冠比,沙棗在輕度干旱和鹽共脅迫下表現(xiàn)出一定的交叉適應(yīng)性。
處于逆境條件下的植物,為減少蒸騰作用關(guān)閉氣孔,同時也阻礙了CO2進入葉片,影響了CO2參與羧化作用,降低了植物的凈光合速率[20- 21];CO2同化量降低、吸收的過剩光能會引起光抑制,嚴重時還會破壞光合結(jié)構(gòu),從而使植物光合作用下降[22]。本研究發(fā)現(xiàn):隨著干旱程度增加,除胞間CO2濃度外,沙棗幼苗的其他光合參數(shù)和各熒光參數(shù)均呈現(xiàn)降低的趨勢;鹽旱共脅迫條件下,各光合參數(shù)及熒光參數(shù)除胞間CO2濃度外其他參數(shù)也呈現(xiàn)降低趨勢。從這些結(jié)果可以看出輕度干旱和鹽共脅迫下,沙棗幼苗在一定程度上通過減少光捕獲、熱耗散和酶活性調(diào)節(jié)穩(wěn)定光合機構(gòu)功能,阻止光合速率的下降;重度鹽旱脅迫下光系統(tǒng)Ⅱ和抗氧化酶系統(tǒng)損傷,光合速率下降更加顯著,這種非氣孔限制因素與已有的研究相一致[23]。
滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物適應(yīng)鹽旱脅迫環(huán)境中也發(fā)揮著重要作用[24]。在鹽、旱等逆境條件下,植物為了保持水分以適應(yīng)鹽旱脅迫環(huán)境,常常通過生理代謝活動增加無機離子以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的方式來提高細胞液濃度、降低滲透勢,從而維持正常的細胞膨壓進而使植物體內(nèi)與之相關(guān)的生理活動正常進行,提高植物的抗逆適應(yīng)性[25- 26]。本研究也表明沙棗幼苗在干旱、鹽分以及干旱和鹽分共脅迫下,通過積累無機離子(主要是Na+)和有機溶質(zhì)來保持較低的滲透勢,以增加保水能力。這與沙棘植物在鹽堿脅迫下的結(jié)果一致[27]。對于沙棗植物,積累的有機溶質(zhì)主要是脯氨酸,脯氨酸作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在植物的耐逆過程中發(fā)揮重要的作用,大量研究表明脯氨酸的增加明顯了提高了植物的耐逆性[28-29]。逆境條件下,植物除了積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外,植物還會積累次生代謝產(chǎn)物以抵御逆境,有利于植物體適應(yīng)逆境環(huán)境[30]。本研究的沙棗幼苗在逆境條件下通過大量積累類黃酮和總酚含量來提高沙棗幼苗的耐逆性。這與蔡娜等[31]、Wang等[32]的研究結(jié)果一致。
總之,鹽分和干旱處理明顯抑制了沙棗幼苗的生長,輕度干旱和鹽分共脅迫條件下,沙棗幼苗表現(xiàn)出一定的交叉適應(yīng)現(xiàn)象。沙棗幼苗通過降低生長、積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、積累次生代謝產(chǎn)物來抵抗逆境。