高 昆,李曉紅,劉 超,安水銀
(1.山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,山西 大同 037009;2.山西大同大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心,山西 大同 037009;3.大同鄉(xiāng)村振興研究院,山西 大同 037009)
土壤鹽漬化已經(jīng)成為影響生態(tài)和農(nóng)業(yè)良性發(fā)展的主要問題,中國人口不斷增加使可耕種的土地資源日漸緊缺,因而開發(fā)利用鹽堿土這一寶貴的土地資源,對于緩解我國人地矛盾問題具有重要意義。我國鹽堿地類型復(fù)雜,有的含有NaCl和NaSO等中性鹽,有的含有NaHCO和NaCO等堿性鹽。鹽脅迫可以影響植物的光合作用,使有機(jī)物質(zhì)合成受阻,光合速率下降,嚴(yán)重時植物出現(xiàn)萎蔫,甚至死亡。紫背天葵(Begonia fimbristipula Hance),別名散血子、觀音菜,是秋海棠科(Begoniaceae)的草本植物。其莖呈綠色,葉片正反面顏色不同,葉片正面為深綠色,背面呈現(xiàn)紫紅色。紫背天葵對土壤的要求不高,其抗性較強,能夠在鹽漬化土壤中生長。近幾年來,許多學(xué)者對紫背天葵的研究主要集中在組織培養(yǎng)、開發(fā)利用、化學(xué)成分以及叢枝菌根多樣性等方面,而對其抗鹽能力的研究還鮮見報道。本研究選擇NaCl、NaSO以及2種鹽混合形成的復(fù)合鹽對紫背天葵幼苗進(jìn)行脅迫,分析不同濃度、不同類型鈉鹽對其生長狀況和光合特性的影響,以期為紫背天葵栽培選擇適宜的鹽環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。
紫背天葵幼苗,采購于壽光市福慶種業(yè)公司。
挑選生長良好、無病蟲害的紫背天葵幼苗,沖洗干凈后置于燒杯中水培緩苗,待長出6~8片新葉后,用鹽溶液進(jìn)行脅迫。
選擇NaCl、NaSO單鹽、NaCl∶NaSO(摩爾比1∶1)復(fù)合鹽3種類型鹽對紫背天葵進(jìn)行脅迫處理。首先將3種鹽分別配制成濃度為0.02,0.04,0.06,0.08,0.10 mol·L的溶液,分別記為NaCl:T1~T5,NaSO:N1~N5,NaCl與NaSO復(fù)合鹽:K1~K5。分別取上述溶液150 mL加入到組培瓶中,每個濃度設(shè)置3個重復(fù),以蒸餾水作為對照(CK),每瓶放2株幼苗,共48瓶。稱量并記錄每瓶的初始質(zhì)量,當(dāng)溶液減少時,稱質(zhì)量后補充蒸餾水至初始質(zhì)量,以保持各瓶鹽溶液濃度恒定。從處理后第1天開始觀察并記錄紫背天葵幼苗的生長狀況和形態(tài)特征,第5天測定紫背天葵幼苗葉片的葉綠素含量和光合指標(biāo)。
1.3.1 形態(tài)特征 植株形態(tài)特征及耐鹽等級標(biāo)準(zhǔn)見表1。
表1 植株耐鹽等級與相應(yīng)形態(tài)標(biāo)準(zhǔn)
1.3.2 光合指標(biāo)測定 使用SPAD-502Plus便攜式葉綠素測定儀測定葉片葉綠素含量。使用Yaxin-1102便攜式光合蒸騰儀測定光合指標(biāo),包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、細(xì)胞間CO濃度(Ci)。
采用SPSS 24.0和Excel 2016軟件對數(shù)據(jù)作統(tǒng)計分析。
不同濃度NaCl、NaSO和復(fù)合鈉鹽脅迫下紫背天葵幼苗的生長情況見表2—4。觀察分析可知,3種類型的鈉鹽脅迫后,都對幼苗生長形態(tài)產(chǎn)生影響,而且鹽濃度越高,時間越長,對幼苗的傷害越大。隨著鹽濃度的升高,相繼出現(xiàn)葉片下垂、邊緣卷曲、變黃,甚至脫落,根系發(fā)黑變軟或腐爛等現(xiàn)象。三者的區(qū)別在于,當(dāng)鹽濃度≤0.04mol·L時,復(fù)合鹽對紫背天葵幼苗的傷害程度為1級或2級,其傷害程度要小于NaCl和NaSO。
表2 不同濃度NaCl處理后紫背天葵幼苗形態(tài)
表3 不同濃度Na2SO4處理后紫背天葵幼苗形態(tài)
表4 不同濃度復(fù)合鈉鹽處理后紫背天葵幼苗形態(tài)
本研究葉綠素的相對含量是用SPAD值來表示的。由圖1可知,紫背天葵幼苗經(jīng)NaCl、NaSO及復(fù)合鹽處理后,葉片SPAD值變化趨勢有差異。隨著NaCl和NaSO濃度的升高,SPAD值呈下降趨勢,NaCl處理T1~T5組分別較CK降低6.7%,12.8%,26.5%,41.7%,49.2%,且各組與CK之間差異顯著(P<0.05)。NaSO處理N1~N5組分別較CK降低7.4%,9.8%,19.6%,41.3%,52.1%,除N1組外,其余組與CK之間均差異顯著(P<0.05)。隨著復(fù)合鹽濃度的升高,SPAD值呈先升后降趨勢,K2組達(dá)到最大。K1~K5組均與CK差異顯著(P<0.05)。由表5可知,鹽類型、濃度及鹽類型*濃度的概率值(Sig.)都為0,小于0.05,說明鹽類型和濃度的作用效果都十分顯著,且鹽類型和濃度之間存在互作。在鹽濃度相同時,K1~K5組的SPAD值都高于T1~T5組和N1~N5組。這說明復(fù)合鹽對紫背天葵幼苗葉綠素含量的影響小于NaSO和NaCl 2種單鹽。
圖1 第5天時3種鈉鹽脅迫下紫背天葵幼苗葉片SPAD值比較
表5 主體間效應(yīng)的檢驗
2.3.1 凈光合速率(Pn) 鈉鹽脅迫影響到紫背天葵幼苗的光合作用,不同濃度NaCl、NaSO及復(fù)合鹽脅迫下葉片Pn值比較如圖2所示。隨著NaCl和NaSO濃度的升高,Pn值依次遞減,T1~T5組分別較CK減少了7.1%,17.8%,21.4%,50%,75%。除T1外,其余各組與CK均差異顯著(P<0.05)。N1~N5組分別較CK減少了71%,78.9%,85%,88.6%,91.4%,且均與CK有顯著差異(P<0.05)。復(fù)合鹽隨著其濃度的升高,Pn值先升高后降低,K2組達(dá)到最大,K5組最小,K1~K5組均與CK存在顯著差異(P<0.05)。由表6可知,鹽類型和濃度之間存在互作,且作用效果極顯著(Sig.<0.01),說明鹽類型和濃度顯著影響紫背天葵幼苗的凈光合速率。相同濃度下,Pn值大小依次為:復(fù)合鹽>NaCl>NaSO。由以上分析得出,適當(dāng)濃度的復(fù)合鹽脅迫能增加紫背天葵幼苗Pn值,而NaCl和NaSO則使Pn值降低,并且濃度越高,降幅越大,同時NaSO的作用要強于NaCl。
表6 主體間效應(yīng)的檢驗
圖2 3種鈉鹽脅迫下紫背天葵幼苗葉片Pn值比較
2.3.2 蒸騰速率(Tr) 不同鈉鹽對紫背天葵幼苗Tr的影響見圖3。由圖3可知,不同濃度NaCl、NaSO和復(fù)合鹽脅迫下,葉片Tr值均呈降低趨勢,T1~T5組的Tr值分別較CK減少了10.7%,16%,21.3%,38.7%,65.3%,T1~T5組與CK間差異顯著(P<0.05)。N1~N5組的Tr值分別較CK減少了29.3%,33.3%,46.7%,64%,73.3%,且與CK有顯著差異(P<0.05)。K1~K5組的Tr值,分別較CK降低了18.7%,20%,32%,42.7%,49.3%,除K1和K2組外,其余各組均與CK間差異顯著(P<0.05)。由表7可知,鹽類型和濃度之間存在互作,且作用效果極顯著(Sig.<0.01),說明鹽類型和濃度顯著影響紫背天葵幼苗的蒸騰速率。相同濃度下,NaSO使Tr值的降幅均為最大。在鹽濃度≤0.08 mol·L時,復(fù)合鹽使Tr值的降幅大于NaCl;在鹽濃度為0.10 mol·L時,復(fù)合鹽使Tr值的降幅小于NaCl,說明在高濃度鹽脅迫下,復(fù)合鹽導(dǎo)致紫背天葵幼苗蒸騰損失最小,抗性最強。
圖3 3種鈉鹽脅迫下紫背天葵幼苗葉片Tr值比較
表7 主體間效應(yīng)的檢驗
圖4 3種鈉鹽脅迫下紫背天葵幼苗葉片Gs值比較
表8 主體間效應(yīng)的檢驗
2.3.4 胞間CO濃度(Ci) 由圖5知,經(jīng)不同濃度NaCl處理下紫背天葵幼苗Ci值呈先下降后上升的趨勢,當(dāng)濃度為0.06 mol·L時,Ci值達(dá)到最低。T1~T3組依次較CK組降低了4.5%,8.1%,15.7%;T4、T5組依次較CK組升高了5%,11%。T1~T5各組與CK組間均存在著顯著差異(P<0.05),說明低、中、高濃度NaCl都對紫背天葵幼苗Ci值有顯著影響。
圖5 3種鈉鹽脅迫下紫背天葵幼苗葉片Ci值比較
經(jīng)不同濃度NaSO處理下,紫背天葵幼苗Ci值呈持續(xù)上升趨勢,變化范圍為:381~682 umol·m·s,N1~N5組分別較CK組增加了12.3%,25.4%,37.5%,58.5%,78.5%。各組與CK之間以及各組之間均有明顯差異(P<0.05),說明NaSO脅迫能顯著影響紫背天葵幼苗的Ci值,而且濃度越高,Ci值增加越多。
經(jīng)不同濃度復(fù)合鹽處理的紫背天葵幼苗Ci值呈持續(xù)上升的趨勢,但與NaSO處理不同的是,K1、K2、K3組低于CK組,而K4和K5組高于CK組。相同濃度下,復(fù)合鹽Ci值都低于NaSO。K1~K5各組間差異顯著(P<0.05)。由表9可知,鹽類型和濃度之間存在互作,且作用效果極顯著(Sig.<0.01),說明同一鹽濃度下,紫背天葵幼苗葉片的胞間CO濃度最低為復(fù)合鹽,其次是NaCl和NaSO。這可能是在復(fù)合鹽脅迫下,葉片氣孔導(dǎo)度降幅最大導(dǎo)致的。
表9 主體間效應(yīng)的檢驗
葉綠素是光合作用中最重要的色素分子,起著光能的吸收和轉(zhuǎn)換作用。鹽脅迫下,鹽離子濃度升高,抑制了葉綠素的合成,導(dǎo)致葉綠素含量下降。本研究表明,在不同濃度的NaCl和NaSO處理下,紫背天葵幼苗葉片中葉綠素含量呈下降趨勢。王丹等和謝德意等的研究結(jié)果顯示,甘草和棉花葉片分別受到鹽脅迫時,葉綠素含量均下降,與本研究結(jié)果相一致,主要原因是在逆境脅迫下,葉綠素酶的活性提高,促進(jìn)了葉綠素降解,最終造成葉綠素含量下降。在不同濃度復(fù)合鹽處理下,紫背天葵幼苗葉片中葉綠素含量表現(xiàn)為先升后降,說明紫背天葵幼苗能夠通過自身代謝調(diào)節(jié)應(yīng)對低濃度下(<0.04 mol·L)的復(fù)合鹽,而在高濃度或長時間脅迫下,葉綠素酶活性增強,從而加速葉綠素分解。
光合作用是植物有機(jī)物質(zhì)的主要來源,鹽脅迫會影響植物的光合作用,體現(xiàn)在Pn、Tr、Gs和Ci等光合指標(biāo)的變化上。3種鈉鹽顯著影響紫背天葵幼苗葉片的Pn值,不同濃度的NaCl、NaSO處理下,葉片Pn值隨鹽濃度升高而降低,而且相同濃度下,NaSO處理的Pn值降幅明顯高于NaCl。這與徐心志等的研究鹽脅迫對谷子幼苗光合特性影響的結(jié)果一致。復(fù)合鹽則使Pn值先升高后降低。但在相同濃度下,復(fù)合鹽處理后的Pn值都高于NaCl和NaSO,說明紫背天葵對復(fù)合鹽的抗性明顯高于NaCl和NaSO。
氣孔是植物葉片與外界環(huán)境進(jìn)行氣體交換的大門,O,CO和水蒸氣通過氣孔擴(kuò)散出入葉片,Gs值表示氣孔的開放程度,大小取決于自身條件和環(huán)境因素,它直接影響光合作用、呼吸作用和蒸騰作用。孟詩原等研究表明,不同鹽濃度處理下,西南衛(wèi)矛的Pn、Tr、Gs值顯著降低。本研究中,不同濃度NaCl、NaSO及復(fù)合鹽脅迫均導(dǎo)致紫背天葵幼苗葉片的Tr值和Gs值下降,NaSO對Tr值的影響程度要明顯高于NaCl和復(fù)合鹽,說明NaSO脅迫使紫背天葵根系吸水更加困難,通過減少蒸騰失水來保證其正常生長。復(fù)合鹽對Gs值的降幅明顯高于NaSO和NaCl 2種單鹽。
Ci與植物的光合作用直接相關(guān),鹽脅迫下植物通過調(diào)節(jié)氣孔開度來保證CO的供應(yīng),使光合作用正常進(jìn)行。NaSO處理后紫背天葵幼苗葉片的Ci值上升,Gs值下降,說明Pn值降低是因葉肉細(xì)胞光合能力降低所致。NaCl處理后,Ci值先降低后升高,同時Gs值下降,在濃度≤0.06 mol·L時,Pn值降低是由氣孔因素決定,在濃度>0.06 mol·L時,Pn值降低是因葉肉細(xì)胞光合能力下降導(dǎo)致。復(fù)合鹽處理后,Ci值升高,在濃度≤0.04 mol·L時,Pn值增加是因為葉肉細(xì)胞光合能力增強,而在濃度>0.04 mol·L后,Pn值降低是因為葉肉細(xì)胞受到傷害,光合能力下降。復(fù)合鹽處理后,葉片氣孔開度持續(xù)減小,所以不是氣孔因素引起的光合效率的變化。綜上所述,紫背天葵幼苗對不同的鈉鹽脅迫有不同的應(yīng)對機(jī)制,以保證光合作用正常進(jìn)行。相比較而言,紫背天葵在復(fù)合鹽脅迫下光合能力更強,其耐受性要大于NaSO和NaCl 2種單鹽。
紫背天葵幼苗在NaCl、NaSO和復(fù)合鈉鹽脅迫下,葉片和根系均發(fā)生了形態(tài)變化。3種鈉鹽均對紫背天葵幼苗造成傷害,而且濃度越高,傷害越大。在低濃度下,紫背天葵對復(fù)合鹽的抗性要高于NaCl和NaSO。