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        NaCl脅迫對白術(shù)幼苗生長及生理特性的影響

        2022-07-09 04:01:04周武先吳海棠張雅娟李大榮熊琳珂張美德
        山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:生長影響

        周武先,吳海棠,張雅娟,李大榮,熊琳珂,張美德

        (1.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所,湖北 恩施 445000;2.恩施土家族苗族自治州農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,湖北 恩施 445000)

        土壤鹽漬化是影響作物生長和發(fā)育的重要因素[1,2],也是全球范圍內(nèi)普遍面臨的難題。有研究表明,我國土壤鹽漬化面積呈逐年上升趨勢,嚴(yán)重影響我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[3],而全球約有7%的土地不同程度地受到土壤鹽漬化的影響[4]。目前關(guān)于鹽脅迫對植物生長影響的研究較多,如:NaCl脅迫對小麥(Triticum aestivum)[5]、豌豆(Pisum sativum)[6]和裸果木(Gymnocarpos przewalskii)[7]等植物的生長均具有一定的抑制作用,且高濃度NaCl處理會破壞植物體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng),影響植物的正常發(fā)育。研究表明,NaCl濃度低于0.017 mol/L,對設(shè)施櫻桃幼苗生理特性的影響不明顯,而高于此濃度則會抑制設(shè)施櫻桃幼苗正常的生理活動,表明櫻桃幼苗的培育基質(zhì)或土壤中鹽濃度不宜超過0.017 mol/L[2]。趙露等[8]研究鹽脅迫對苦豆子種子萌發(fā)及幼苗生理生長的影響后發(fā)現(xiàn),苦豆子如果需要在鹽堿地種植,應(yīng)以NaCl單鹽為主的土壤為宜,也可在Na2CO3和混合鹽濃度低于0.9%的地塊上種植。由上看出,研究農(nóng)作物對鹽脅迫的適應(yīng)能力及生理響應(yīng)機(jī)制,對農(nóng)作物高效和科學(xué)生產(chǎn)具有重要意義。

        白術(shù)(Atractylodes macrocephala)為菊科蒼術(shù)屬多年生草本植物,其藥用部位為根狀莖,是我國常用大宗中藥材,具有健脾益氣、消炎抑菌及抗腫瘤等作用[9,10],經(jīng)濟(jì)效益良好。然而,我國白術(shù)主產(chǎn)區(qū)存有較大面積的鹽漬地。由于不清楚白術(shù)的耐鹽水平,種植者往往在重度鹽漬化地區(qū)盲目擴(kuò)種,導(dǎo)致白術(shù)幼苗存活率較低、生長緩慢,藥材產(chǎn)量和品質(zhì)下降,影響白術(shù)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。因此,研究白術(shù)對鹽脅迫的忍受范圍和生理響應(yīng)機(jī)制,對提高白術(shù)長勢、產(chǎn)量、品質(zhì)和選育耐鹽白術(shù)新品種均有重要意義。據(jù)此,本試驗采用水培法,研究不同濃度NaCl溶液對白術(shù)幼苗形態(tài)特征、光合色素以及抗氧化酶活性等指標(biāo)的影響,以期探明其耐鹽脅迫范圍及耐鹽機(jī)制,為白術(shù)耐鹽品種的選育提供一定的理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 試驗材料

        供試白術(shù)種子2019年11月采自湖北省咸豐縣小村鄉(xiāng)李子溪村(東經(jīng)108°54′51″,北緯29°53′5″,海拔832 m)。氯化鈉(NaCl,分析純)購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。32孔穴盤內(nèi)外徑分別為50 cm×25 cm×6 cm和52 cm×26 cm×8 cm。

        1.2 試驗設(shè)計

        試驗于2020年9月在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中藥材研究所的溫室大棚中進(jìn)行,共設(shè)置5個NaCl濃度處理:0、5、10、20 mmol/L和40 mmol/L,用1/4 Hoagland’s營養(yǎng)液配制相應(yīng)濃度溶液,每處理設(shè)置4個重復(fù)。

        選用壤土和椰糠(體積比為1∶1)作為育苗基質(zhì)[11],在穴盤中培育一批白術(shù)幼苗。待幼苗長出3片真葉后將大小基本一致的白術(shù)幼苗移栽至含不同濃度NaCl溶液(4 L)的32孔穴盤中(帶盛水托盤),每孔放置一株白術(shù)幼苗,用海綿固定,并定期補(bǔ)充相應(yīng)濃度處理溶液,保持溶液體積不變。分別在移栽0、7、14、21、28 d測定白術(shù)幼苗葉長、葉寬和株高。培養(yǎng)結(jié)束后進(jìn)行破壞性取樣,拔出幼苗,用蒸餾水沖洗干凈,吸水紙擦干表面水分,從莖基部剪斷,將幼苗分為地上和地下兩部分分別稱重,同時剪取葉片用于各項生理指標(biāo)的測定。

        1.3 測定指標(biāo)及方法

        1.3.1 植株形態(tài)和生物量測定 使用直尺測量白術(shù)幼苗的葉長、葉寬和株高(莖基部到莖尖的長度)。采用千分之一電子天平稱量白術(shù)幼苗各部位鮮重,總鮮重=地上鮮重+地下鮮重。

        1.3.2 光合色素含量測定 采用95%乙醇浸提比色法[12]測定葉片葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)以及類胡蘿卜素(Car)含量。

        1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

        采用Microsoft Excel 2019和SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和方差分析(one-way ANOVA),使用新復(fù)極差法(Duncan’s)法進(jìn)行多重比較。采用Canoco 5進(jìn)行主成分分析(PCA),使用Origin 8.5作圖,圖表中數(shù)據(jù)均使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=4)表示。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同濃度NaCl處理對白術(shù)幼苗生長的影響

        由圖1可以看出,隨著培養(yǎng)時間的延長,不同NaCl處理白術(shù)幼苗的葉長、葉寬和株高整體呈現(xiàn)上升趨勢,但不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗的葉長、葉寬、株高和葉長寬比與對照無顯著差異。

        圖1 不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗形態(tài)隨生長時長的變化

        由圖2可以看出,5 mmol/L NaCl處理白術(shù)地上部鮮重與對照相比無顯著差異,而10、20 mmol/L和40 mmol/L NaCl處理顯著低于對照,降幅分別為20.9%、29.3%和29.7%,即隨NaCl濃度升高降幅增大。各NaCl處理地下部鮮重與對照無顯著差異。5 mmol/L和10 mmol/L NaCl處理幼苗總鮮重與對照無顯著差異,而20 mmol/L和40 mmol/L NaCl處理分別顯著降低19.3%和18.4%。

        圖2 不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗鮮重

        2.2 不同濃度NaCl處理對白術(shù)幼苗葉片光合色素含量的影響

        由表1可知,不同濃度NaCl處理白術(shù)幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量與對照相比差異不顯著,其變化趨勢基本相同。5 mmol/L NaCl處理白術(shù)幼苗類胡蘿卜素含量顯著低于對照22.0%。10 mmol/L和20 mmol/L NaCl處理白術(shù)幼苗葉片葉綠素a/b與對照相比分別顯著降低4.7%和6.7%。此外,5 mmol/L NaCl處理白術(shù)幼苗Chl/Car值(總?cè)~綠素/類胡蘿卜素)顯著高于對照3.5%,而40 mmol/L NaCl處理Chl/Car值顯著低于對照4.6%。

        表1 不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗葉片的光合色素含量

        2.3 不同濃度NaCl處理對白術(shù)幼苗抗氧化酶活性等指標(biāo)的影響

        由圖3可以看出,各NaCl處理白術(shù)幼苗葉片的過氧化氫酶(CAT)活性均顯著高于對照,其中40 mmol/L NaCl處理CAT活性最高,比對照增44.3%。10、20 mmol/L和40 mmol/L NaCl處理白術(shù)幼苗葉片的過氧化物酶(POD)活性均顯著高于對照,增幅分別為45.8%、58.7%和43.6%。

        圖3 不同濃度NaCl處理下白術(shù)幼苗的生理生化指標(biāo)表現(xiàn)

        隨著NaCl濃度升高,白術(shù)幼苗葉片的SS(可溶性糖)和SP(可溶性蛋白)含量都呈現(xiàn)先升高后降低趨勢。各NaCl處理均顯著提高SS含量,其中20 mmol/L NaCl處理SS含量最高,比對照增加397.8%,5、10、40 mmol/L NaCl處理增幅分別為67.7%、85.8%和132.6%。5、10 mmol/L和20 mmol/L NaCl處理顯著提高白術(shù)幼苗葉片的SP含量,與對照相比增幅分別達(dá)到22.3%、24.1%和22.2%。

        2.4 白術(shù)幼苗形態(tài)和生理指標(biāo)的相關(guān)性分析和PCA分析

        表2 白術(shù)幼苗形態(tài)和生理指標(biāo)的相關(guān)性

        由圖4可以看出,第一排序軸解釋變量的79.13%,第二排序軸解釋變量的8.49%,前兩個排序軸累計解釋變量的87.62%,說明第一主成分和第二主成分可以較好地解釋各項因子的變化。SS、SAR、CAT、POD以及MDA均與第一排序軸顯著相關(guān),表明這些因子均可作為反映白術(shù)幼苗生長狀況的重要特征指標(biāo)。不同NaCl處理投影到PCA二維平面的樣點分散聚集,表明不同NaCl處理下白術(shù)幼苗的生長狀況存在明顯差異。

        圖4 白術(shù)幼苗形態(tài)和生理指標(biāo)的PCA排序

        3 討論與結(jié)論

        生物量和植株形態(tài)反映植物的生長狀況,也是實際生產(chǎn)中判斷其遭受鹽堿脅迫程度最直觀的指標(biāo)[15]。本研究結(jié)果顯示,隨著NaCl濃度升高,白術(shù)幼苗株高逐漸下降,NaCl濃度超過20 mmol/L后地上部鮮重和總鮮重相比于對照顯著下降,說明超過此濃度白術(shù)幼苗生長會受到嚴(yán)重抑制。這與NaCl脅迫對辣椒(Capsicum annuum)[16]、銀水牛果(Shepherdia argentea)[17]和百脈根[18](Lotus corniculatus)生長影響的結(jié)果類似,即較高濃度的NaCl會顯著抑制作物的生長發(fā)育。有研究表明,濃度相對較低的鹽處理可以促進(jìn)海濱錦葵(Kosteletzkya virginica)[19]和薊(Cirsium japonicum)[20]的生長,而本研究中較低濃度的NaCl處理并未促進(jìn)白術(shù)幼苗生長,這可能是由于不同植物品種的耐鹽性差異所造成。同時也表明,白術(shù)幼苗對鹽脅迫較為敏感。植物葉片中光合色素含量將直接或間接地影響其光合代謝能力,進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育[21]。本研究中,隨著NaCl濃度增加,白術(shù)幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和總?cè)~綠素含量總體呈現(xiàn)下降趨勢。這與王堽等[22]關(guān)于NaCl脅迫對甜菜葉綠素含量影響的研究結(jié)果類似,表明NaCl脅迫不利于白術(shù)幼苗葉片光合色素的合成。其原因可能是,鹽脅迫下高濃度的Na+會破壞細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu),對植物葉片造成損傷,從而抑制葉片光合色素的合成[23],但具體的作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

        通過主成分分析(PCA)可以篩選出植物響應(yīng)外部環(huán)境變化的主要生長指標(biāo),然后進(jìn)行針對性分析,以達(dá)到量化外部環(huán)境對植物生長影響的目的[28]。本研究通過PCA分析發(fā)現(xiàn),可溶性糖、超氧陰離子自由基、過氧化氫酶、過氧化物酶和丙二醛等因子可作為反映白術(shù)幼苗生長狀況的重要指標(biāo)。這與王華等[29]的研究結(jié)果類似。結(jié)合形態(tài)和生物量等指標(biāo)可知,當(dāng)NaCl濃度低于10 mmol/L[m(Cl-)=0.355 g/L]時,白術(shù)幼苗受脅迫較輕,而當(dāng)NaCl濃度高于20 mmol/L[m(Cl-)=0.71 g/L]時,白術(shù)幼苗受脅迫較重。

        綜上表明,白術(shù)幼苗的耐鹽性一般,可以在輕度鹽漬化[m(Cl-)<0.4 g/kg]土壤中生長,但不適合在重度鹽漬化[m(Cl-)≥1.0 g/kg]土壤中種植,20 mmol/L NaCl可作為篩選白術(shù)耐鹽品種的重要參考濃度。此外,調(diào)控光合色素合成及抗氧化酶活性可能是白術(shù)幼苗適應(yīng)NaCl脅迫的重要途徑。

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