NaCl脅迫對黃花菜生長和生理特性的影響

韓志平，張海霞，劉 沖，張 巽，石福臣

(1 山西大同大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心，山西大同 037009；2 南開大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，天津 300071；3 山西大同大學(xué) 后勤管理處，山西大同 037009)

黃花菜(HemerocalliscitrinaBar.)又名金針菜、忘憂草，屬百合科萱草屬多年生草本植物。由于對環(huán)境條件的適應(yīng)性較強(qiáng)、栽培技術(shù)相對簡單，加上經(jīng)濟(jì)效益較高，在中國各地均有栽培[1-2]。山西大同是著名的“黃花之鄉(xiāng)”，與甘肅慶陽、湖南祁東、陜西大荔、江蘇宿遷、浙江縉云并稱為中國六大黃花菜產(chǎn)區(qū)[3]。大同黃花菜生長在大同火山群下，地理、氣候和土壤條件優(yōu)越，形成了顏色鮮黃、角長肉厚、脆嫩爽口、營養(yǎng)豐富的優(yōu)良品質(zhì)，是山西省名優(yōu)農(nóng)產(chǎn)品，也是大同市首個中國地理標(biāo)志證明商標(biāo)[4-5]。然而，由于長期以來品種單一、生產(chǎn)經(jīng)營方式粗放，加上產(chǎn)品加工包裝和市場宣傳力度不夠等，近年來其種植面積、產(chǎn)量和銷售市場均受到制約[6]。

大同盆地是山西省最大的盆地，大同市是山西省發(fā)展特色農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)區(qū)域，但也是山西省鹽堿地面積最大的地區(qū)，擁有全省21%的鹽堿土地，嚴(yán)重限制了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其可持續(xù)發(fā)展[7]。盡管大同市政府近年來采取了不少措施對鹽堿地進(jìn)行了治理，但效果并不理想。黃花菜具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐旱、耐寒、耐瘠薄等特性，是一種優(yōu)良的水土保持植物[8]。研究表明，黃花菜具有較強(qiáng)的耐鹽性，在鹽堿地種植不僅可以獲得較高的產(chǎn)量，而且有明顯的脫鹽改土效果[9]。但黃花菜的耐鹽性能夠達(dá)到何種程度，其抗鹽的生理和分子機(jī)制如何，至今尚未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以大同黃花菜為材料，采用砂培法，研究了不同濃度NaCl脅迫對黃花菜植株生長和一些生理指標(biāo)的影響，旨在探究黃花菜的耐鹽性，并初步闡明其適應(yīng)鹽脅迫的生理機(jī)制，為今后在鹽堿地的推廣種植和促進(jìn)大同黃花菜的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年9～10月和2017年5～7月在山西大同大學(xué)生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的塑料大棚內(nèi)進(jìn)行2次，規(guī)律基本一致，本試驗(yàn)為2017年數(shù)據(jù)。大同黃花菜種苗由大同縣紫峰黃花專業(yè)合作社提供。

1.2 試驗(yàn)方法

從田間選取長勢一致的黃花菜植株移栽到裝有砂子蛭石混合基質(zhì)(按體積比5∶1配比)的塑料盆中，栽培盆上口直徑和深度均為25 cm，每盆5株。每2 d澆1次1/2 Hoagland配方營養(yǎng)液，每盆澆500 mL，保持晝溫20～30 ℃，夜溫15～22 ℃，自然光照。緩苗1周后，澆灌含有不同濃度NaCl的1/2 Hoagland配方營養(yǎng)液進(jìn)行鹽脅迫處理，澆灌溶液用量和頻率同緩苗期。試驗(yàn)共設(shè)6個處理：以正常營養(yǎng)液為對照，并設(shè)50、100、150、200和250 mmol·L-1NaCl等5個鹽濃度處理。完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每處理重復(fù)3次。處理后每5 d于早7：30每重復(fù)選3個植株，取由內(nèi)向外第3層完全展開葉測定生理指標(biāo)，處理后25 d時取所有植株測定生長指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1生長指標(biāo)測量植株基部到生長點(diǎn)的長度為株高，以完全展開且葉長超過10 cm為標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)葉片數(shù)，用葉面積儀測定最大葉的葉面積，測量根莖基部到最長根的尖端為根長，統(tǒng)計(jì)長度超過1 cm以上的新生根數(shù)。植株洗凈吸干表面水分后，從根莖基部剪斷分為地上部和根系，分別稱得鮮質(zhì)量；在烘箱中105 ℃下殺青30 min后，降溫到75 ℃下烘干至恒重，分別稱得干質(zhì)量。

1.3.2生理指標(biāo)葉片光合色素提取液配制采用沈偉其方法[10]，打孔取葉圓片置于乙醇丙酮混合提取液中，暗提取48 h后測定。丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[11]，抗壞血酸(Vc) 含量測定采用紅菲羅啉法[12]。SOD活性測定采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法[13]，以抑制NBT光化學(xué)還原的50%酶量為1個酶活性單位(U)；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法[13]測定，以每分鐘內(nèi)吸光度OD470變化0.01為1個酶活性單位(U)。脯氨酸含量采用水浴浸提法測定，可溶性糖含量采用蒽銅比色法[14]測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法[15]測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用DPS 7.05軟件進(jìn)行方差分析，用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較，用Excel 2003軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl脅迫對黃花菜植株生長的影響

2.1.1形態(tài)指標(biāo)表1表明，鹽脅迫25 d后，隨NaCl處理濃度的提高，黃花菜植株的根長表現(xiàn)先增長后縮短的規(guī)律，而其他形態(tài)指標(biāo)均逐漸顯著降低。其中，在200和250 mmol·L-1NaCl脅迫下，株高、葉片數(shù)、最大葉面積、新生根數(shù)分別比CK降低27.49%、47.17%、39.02%、60.16%和37.05%、56.33%、47.82%、77.84%，但各處理均無死苗現(xiàn)象。說明鹽脅迫嚴(yán)重抑制了黃花菜植株的形態(tài)生長，且NaCl濃度越高，抑制程度越大，但本試驗(yàn)設(shè)置的NaCl濃度并未達(dá)到黃花菜的致死濃度。

2.1.2生物量和含水量由表2可知，黃花菜植株地上部鮮質(zhì)量隨NaCl濃度提高而逐漸降低，且均與CK差異顯著；根系鮮質(zhì)量則表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，并在100 mmol·L-1NaCl下達(dá)到最大值，但僅250 mmol·L-1濃度處理顯著低于CK，其余處理均與CK無顯著差異；250 mmol·L-1NaCl脅迫下，地上部和根系鮮質(zhì)量分別比CK顯著降低64.36%和15.40%。同時，隨NaCl濃度提高，各處理黃花菜植株地上部和根系干質(zhì)量均逐漸降低，且與CK差異大多達(dá)到顯著水平；250 mmol·L-1NaCl脅迫下，地上部和根系干質(zhì)量分別比CK顯著降低65.50%、51.67%。另外，隨NaCl濃度提高，各處理黃花菜植株地上部含水量變化幅度較小，與CK均無顯著差異；而根系含水量則表現(xiàn)出逐漸增加趨勢，且在較低濃度下增加幅度較大，而在150 mmol·L-1濃度以上基本保持穩(wěn)定，但各處理均顯著高于CK。以上結(jié)果說明，NaCl脅迫顯著抑制了黃花菜地上部的生物量積累，且隨脅迫濃度增加抑制程度增大，但鹽脅迫可以刺激根系吸收水分，導(dǎo)致低濃度NaCl下根系鮮質(zhì)量增加而干質(zhì)量降低。

2.2 NaCl脅迫對黃花菜葉片光合色素含量的影響

隨NaCl濃度的提高，黃花菜葉片各光合色素含量在鹽脅迫5 d時先增加后降低，而在脅迫10～25 d時均表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，且脅迫時間越長處理間差異越大(圖1)。其中，鹽脅迫5 d時，各光合色素含量均在150 mmol·L-1NaCl下達(dá)到最大值，但各處理與CK差異大多不顯著；在處理后10 d時，各光合色素含量除50 mmol·L-1NaCl處理外均顯著低于CK，而其余處理間差異不顯著；250 mmol·L-1NaCl脅迫處理的葉片葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量在鹽脅迫后15 d時分別比CK顯著降低32.77%、25.98%、28.48%，在處理后20 d時分別顯著降低28.12%、22.62%、21.50%，在處理后25 d時分別顯著降低30.92%、23.23%、23.03%。說明100 mmol·L-1濃度以下 NaCl脅迫處理對黃花菜葉片光合色素代謝影響不大，150 mmol·L-1濃度以上高鹽脅迫則會嚴(yán)重?cái)_亂光合色素的代謝，使其含量顯著降低。

表1 NaCl脅迫下黃花菜植株形態(tài)指標(biāo)的變化

注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異達(dá)到5%顯著水平。下同

Note: The different normal letters after data within same column indicate significant difference among treatments at 5% level. The same as below

表2 NaCl脅迫下黃花菜植株生物量和含水量的變化

圖1 NaCl脅迫下黃花菜葉片光合色素含量的變化Fig.1 The photosynthetic pigment contents in leaves of daylily under NaCl stress

2.3 NaCl脅迫對黃花菜葉片膜脂過氧化、抗氧化酶和抗氧化物質(zhì)的影響

圖2顯示，隨著NaCl脅迫濃度的增加，黃花菜植株葉片在處理5和10 d時的SOD活性，以及處理25 d時的抗壞血酸含量和POD活性均表現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，且抗壞血酸含量在150 mmol·L-1NaCl下達(dá)到最大值，SOD和POD活性在200 mmol·L-1NaCl下達(dá)到最大值，而其余處理時間黃花菜葉片中MDA含量、抗壞血酸含量及SOD和POD活性均基本呈逐漸增加趨勢，且處理20 d后，MDA和抗壞血酸含量的變化幅度明顯下降；在相同時間內(nèi)，各鹽脅迫處理的各指標(biāo)值都不同程度地高于CK；同時，隨著處理時間的延長，各鹽脅迫處理黃花菜葉片中MDA含量、抗壞血酸含量及SOD活性均在處理15 d時達(dá)到最大值，POD活性則在處理25 d時達(dá)到最大值。其中，在200和250 mmol·L-1NaCl脅迫下，黃花菜葉片中MDA含量、抗壞血酸含量及SOD活性在處理后15 d時分別比CK顯著增加21.86%、22.73%、105.81%和37.28%、25.69%、114.69%，POD活性在處理后25 d時分別比CK顯著增加227.71%和175.90%。說明NaCl脅迫造成黃花菜細(xì)胞的膜脂過氧化，且脅迫濃度越大膜脂過氧化程度就越重，同時黃花菜植株可通過提高抗壞血酸含量和抗氧化酶活性來清除部分自由基，從而減輕細(xì)胞膜的過氧化傷害程度，以維持植株的生理代謝和生長發(fā)育。

2.4 NaCl脅迫對黃花菜葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由圖3可知，隨NaCl濃度提高，各處理時期黃花菜植株葉片脯氨酸含量均逐漸增加，且在150、200和250 mmol·L-1NaCl脅迫下均顯著高于CK；隨著處理時間的延長，50～200 mmol·L-1NaCl脅迫處理的葉片脯氨酸含量基本呈先增加后降低的趨勢，并在處理15 d時達(dá)到最大值，而250 mmol·L-1NaCl脅迫處理呈持續(xù)增加趨勢。其中，200和250 mmol·L-1脅迫處理15 d時脯氨酸含量分別比CK顯著增加50.86%和65.18%，處理25 d時分別顯著增加68.96%和166.57%。同時，黃花菜葉片可溶性糖含量除50和100 mmol·L-1NaCl處理在5 d時比CK顯著增加外，其余濃度及處理時間均隨NaCl濃度提高而逐漸降低，且均不同程度低于CK；在200和250 mmol·L-1脅迫下，葉片可溶性糖含量在處理后15、20、25 d時分別比CK顯著降低21.23%、16.13%、26.54%和24.14%、22.39%、29.71%。

圖2 NaCl脅迫下黃花菜葉片中丙二醛、抗壞血酸含量及SOD和POD活性的變化Fig.2 The MDA, AsA contents and SOD and POD activities in leaves of daylily under NaCl stress

圖3 NaCl脅迫下黃花菜葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化Fig.3 The osmotic substance contents in leaves of daylily under NaCl stress

另外，隨NaCl濃度提高，葉片可溶性蛋白含量在處理后5和10 d呈逐漸增加趨勢，而在處理15、20、25 d時表現(xiàn)先增加后降低的規(guī)律，并均在150 mmol·L-1NaCl下出現(xiàn)最大值；與CK相比較，各濃度脅迫處理可溶性蛋白含量在各時期均不同程度增加，但在5～15 d時100～250 mmol·L-1NaCl處理增幅均達(dá)到顯著水平，在20 d時僅150 mmol·L-1NaCl處理達(dá)到顯著水平，在25 d時也僅在100和150 mmol·L-1NaCl處理增幅顯著?？梢?，黃花菜植株通過大量合成、積累脯氨酸和可溶性蛋白而使細(xì)胞滲透勢降低，增強(qiáng)植株抗鹽性，從而適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境，但較長期高濃度NaCl脅迫下可溶性蛋白積累較少，對滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)很?。煌瑫r，可溶性糖含量在鹽脅迫下含量降低，說明其在黃花菜抵抗鹽脅迫的滲透調(diào)節(jié)中不起作用。

3 討 論

植物對環(huán)境作出的反應(yīng)既受基因的控制，又受個體所處的生存條件和生長生理狀況的制約[16]。由于碳同化量減少、滲透調(diào)節(jié)能耗和維持生長能耗增加等原因，多數(shù)植物在鹽脅迫下生長發(fā)育會受到顯著抑制[17]。本研究中，黃花菜植株各形態(tài)指標(biāo)和生物量在NaCl脅迫下均明顯降低，說明鹽脅迫抑制了黃花菜植株的生長，但是與鹽敏感植物[18-19]不同，黃花菜能夠通過促進(jìn)根系吸收水分而保持較高的根系生物量，使其植株在250 mmol·L-1NaCl脅迫下仍沒有死亡。

葉片光合色素含量直接反映了植物的光合能力[20]。研究發(fā)現(xiàn)，許多植物在鹽脅迫下光合色素含量降低，是由于葉綠素酶活性提高，促進(jìn)了葉綠素的降解[21]。但也有鹽脅迫下植物光合色素含量增加的報(bào)道[22]，這可能與植物種類、耐鹽性、鹽處理方法、濃度及其時間等有關(guān)[23]。本研究中，黃花菜葉片光合色素含量在150和200 mmol·L-1NaCl處理5 d時略有增加，在較長期鹽脅迫下則隨鹽濃度提高而降低，但100 mmol·L-1濃度以下NaCl處理的各光合色素含量與CK差異并不顯著，說明黃花菜葉片的光合色素代謝在較低濃度鹽處理下基本沒有受到影響，而高鹽脅迫(≥150 mmol·L-1)則會顯著抑制其光合色素的合成而促進(jìn)其降解，導(dǎo)致其含量顯著降低。

鹽脅迫除造成離子毒害、過氧化傷害、 礦質(zhì)營養(yǎng)缺乏外，還會導(dǎo)致體內(nèi)水分虧缺，產(chǎn)生滲透脅迫[24, 29]。植物可通過吸收外界Na+、K+、Cl-等無機(jī)離子，或在體內(nèi)合成脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、甜菜堿等小分子有機(jī)溶質(zhì)，降低細(xì)胞滲透勢，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透平衡，減輕體內(nèi)的水分虧缺[30-31]。本研究中，隨NaCl濃度提高，黃花菜葉片脯氨酸含量顯著增加，可溶性蛋白含量在處理后10 d內(nèi)顯著增加，在200 mmol·L-1濃度以上NaCl處理15 d后開始降低，且相鄰處理間差異也不顯著。說明較短期鹽脅迫下黃花菜可通過大量積累脯氨酸和可溶性蛋白而提高滲透調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)對鹽脅迫的適應(yīng)性，但較長期高濃度NaCl脅迫下主要依靠脯氨酸進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，可溶性蛋白的滲透調(diào)節(jié)作用很小。但是，黃花菜葉片可溶性糖含量隨NaCl濃度提高而顯著降低，這與鹽敏感植物的研究結(jié)果[17, 31]不同，但與堿茅[32]、冰葉日中花[33]等鹽生植物的研究結(jié)果一致，可能是黃花菜在抵抗鹽脅迫的過程中，作為光合產(chǎn)物和呼吸底物、植物的碳骨架和能量來源[34]，可溶性糖運(yùn)輸?shù)綆炱鞴倩蜣D(zhuǎn)化為淀粉，加上由于光合減弱而呼吸增強(qiáng)，植株為了維持生理機(jī)能而大量消耗[35]，使其含量顯著降低。這種變化對于黃花菜適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境有利，但對滲透調(diào)節(jié)沒有貢獻(xiàn)，具體原因有待進(jìn)一步研究。

綜上所述，鹽脅迫下黃花菜植株的生長被顯著降低，但是鹽脅迫下根系吸收水分增加，使根系生長所受影響較小。同時，在鹽脅迫下，黃花菜能通過促進(jìn)自身抗氧化物質(zhì)和有機(jī)滲調(diào)物質(zhì)的合成，從而提高了其抗氧化能力和滲透調(diào)節(jié)能力，一定程度上緩解了鹽脅迫對其植株的傷害。但在長時間高鹽脅迫下，黃花菜植株的自我調(diào)節(jié)無法抵抗脅迫造成的傷害，加上碳水化合物大量消耗，使其傷害進(jìn)一步加重，生長不斷受到抑制。本研究證明，黃花菜對NaCl脅迫的耐性較強(qiáng)，植株在250 mmol·L-1的高鹽脅迫下仍能存活，其耐鹽的生理和分子機(jī)制，特別是糖類物質(zhì)代謝在其中所起的作用。