王因花,燕麗萍,吳德軍,孔雨光,劉翠蘭,任 飛,李慶華,王開芳
(1.山東省林業(yè)科學(xué)研究院 山東省林木遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濟(jì)南250014; 2.山東省林業(yè)監(jiān)測(cè)規(guī)劃院,山東 濟(jì)南 250014)
中國(guó)鹽堿地面積約占國(guó)土總面積的10%左 右[1],可用耕地日益減少,如何修復(fù)和利用鹽堿地成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。鹽堿地造林綠化能夠改善生態(tài)環(huán)境,維護(hù)生態(tài)穩(wěn)定[2],因此,以造林綠化為主的鹽堿地生物改良措施成為研究重點(diǎn)。而系統(tǒng)開展植物耐鹽性評(píng)價(jià),篩選和培育優(yōu)良耐鹽植物新品種,是提升鹽堿地綠化水平的有效途徑。植物的耐鹽性是一個(gè)極其復(fù)雜的綜合表現(xiàn),目前,人們主要是通過(guò)生長(zhǎng)指標(biāo)和生理指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。如張燕等以葉片相對(duì)含水量、質(zhì)膜透性、SOD 活性、MDA、脯氨酸及光合參數(shù)等指標(biāo)對(duì)3個(gè)居群的草地早熟禾進(jìn)行了耐鹽性比較[3];吉佩佩研究了不同NaCl 濃度脅迫下魯西北10 種園林植物的形態(tài)指標(biāo)及生理指標(biāo)的變化,并用隸屬函數(shù)法對(duì)其耐鹽性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)[4];孫海菁等研究了鹽脅迫對(duì)6個(gè)樹種生長(zhǎng)的影響[5];王改萍等研究了鹽脅迫對(duì)7 種造林樹種的生長(zhǎng)量及生理指標(biāo)的影響,并用坐標(biāo)綜合評(píng)定法進(jìn)行了抗鹽能力比較[6]。
白蠟屬Fraxinus植物是濱海鹽堿地的主要造林綠化樹種,常用來(lái)修復(fù)和改良鹽堿土壤[7],學(xué)者們對(duì)白蠟的抗逆性(低溫、干旱、澇漬等)展開了全面而系統(tǒng)的研究[8-10],在白蠟的耐鹽性方面,也陸續(xù)做出了相關(guān)報(bào)道。劉桂民等研究了6個(gè)白蠟新品種無(wú)性系的耐鹽性[11];陸景星等研究了NaCl 脅迫對(duì)白蠟種子生理特性及萌發(fā)特性的影響[12-13];趙好系統(tǒng)研究了美國(guó)白蠟Fraxinus americana對(duì)NaCl 脅迫的生理生長(zhǎng)響應(yīng)[14];段麗君等則通過(guò)局部鹽脅迫的方式對(duì)絨毛白蠟Fraxinus velutina幼苗的生長(zhǎng)特性、光合特性及根系分布和離子積累等進(jìn)行了研究[15];吳永波等研究了鹽脅迫對(duì)3 種白蠟幼苗的生長(zhǎng)與光合作用的影響[16];常越霞以金葉白蠟為材料,分別研究了其扦插苗、嫁接苗及實(shí)生苗的最大耐鹽濃度[17]。對(duì)白蠟雜交苗耐鹽性方面的研究?jī)H劉翠蘭等做過(guò)報(bào)道[18]。本研究以課題組選育的絨毛白蠟新品種‘青碧’及其與‘魯蠟5 號(hào)’、‘金葉白蠟’及‘華雄’等的雜交子代苗為試驗(yàn)材料,對(duì)其在不同濃度NaCl脅迫下的生長(zhǎng)及生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,并用隸屬函數(shù)法對(duì)其耐鹽性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),以期為選育優(yōu)良的耐鹽白蠟新品種提供理論依據(jù)和種質(zhì)材料。
試驗(yàn)以絨毛白蠟新品種‘青碧’Fraxinus velutina‘qingbi’自然半同胞家系種子苗和3個(gè)不同組合的雜交子代種子苗為材料(68 號(hào)、69 號(hào)、70 號(hào))。3個(gè)不同雜交組合的母本均為‘青碧’,父本分別為‘魯蠟5號(hào)’Fraxinus spennsylvanica‘lulawuhao’、金葉白蠟Fraxinus excelsior‘Aurea’及‘華雄’Fraxinus velutina‘huaxiong’,其中‘魯蠟5 號(hào)’為山東省林業(yè)科學(xué)研究院選育的紅梣新品種,生長(zhǎng)快;‘青碧’、‘華雄’為山東省林業(yè)科學(xué)研究院選育的絨毛白蠟新品種,較耐鹽,‘青碧’原株位于山東省林業(yè)科學(xué)研究院東營(yíng)分院;金葉白蠟為引進(jìn)歐洲白蠟,速生,耐寒性稍差。盆栽土壤由基質(zhì)和大田土按體積比1:1 混合而成,其中基質(zhì)配比(體積比)為:草炭土:珍珠巖:蛭石=10:2:1,并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的多菌靈消毒,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的過(guò)磷酸鈣和硫酸亞鐵及1%的樹脂包衣控釋肥。各雜交組合情況見表1。
表1 試驗(yàn)材料Table 1 Experimental materials
2016年春季采用輕基質(zhì)無(wú)紡布容器進(jìn)行播種育苗,2017年3月上旬將苗木移栽至規(guī)格為 20 cm×22 cm 的塑料盆中(1 株/盆),每盆裝土7.5 kg。自然條件下正常管理至6月底。試驗(yàn)開始前對(duì)苗木進(jìn)行充分灌溉,進(jìn)行控水處理后將盆栽苗移至溫室進(jìn)行試驗(yàn)。2017年7月5 日開始分別用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0‰、2‰、4‰、6‰的NaCl 溶液進(jìn)行鹽脅迫處理,每次每盆澆1 L,每隔4 天1 次,共澆4 次。脅迫處理結(jié)束30 d 后采樣,進(jìn)行生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)測(cè)定。脅迫期間定期定量澆水用以補(bǔ)充蒸發(fā)的水分。每個(gè)雜交組合選取80 株長(zhǎng)勢(shì)較為一致的苗木進(jìn)行試驗(yàn),每個(gè)處理20 株,4 次重復(fù),每重復(fù)5 株。
取樣時(shí),每株植株均取中部成熟葉片,將樣品放入自封袋后置于放有冰塊的保溫盒中帶回實(shí)驗(yàn)室立即進(jìn)行處理。首先用超純水迅速將葉片洗凈,吸水紙吸干后剪碎,充分混合,隨機(jī)抽取定量樣品進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定。
2.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定
試驗(yàn)開始時(shí)測(cè)定各植株初始苗高H0和初始地徑B0,30 d 后測(cè)定苗高H1和地徑B1,H1-H0為苗高增長(zhǎng)量,B1-B0為地徑增長(zhǎng)量。用米尺測(cè)量苗高,游標(biāo)卡尺測(cè)量地徑。
2.2.2 生理指標(biāo)測(cè)定
使用DDS-12A 型電導(dǎo)率儀進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè) 定[19],SOD(超氧化物歧化酶)活性[20]、MDA含量[21]、脯氨酸含量[22]及葉綠素含量[19]用紫外分光光度計(jì)測(cè)定。每個(gè)指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定3 次。
用Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖,SPSS20.0進(jìn)行方差分析和多重比較,運(yùn)用隸屬函數(shù)法進(jìn)行白蠟雜交苗的耐鹽性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
隸屬函數(shù)值計(jì)算公式:
反隸屬函數(shù)值計(jì)算公式:
式中:R(Xi)為隸屬函數(shù)值,Xi為指標(biāo)測(cè)定值,Xmin、Xmax為所有參試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。
由圖1 可以看出,隨著NaCl 濃度的增加,各組雜交苗的苗高增長(zhǎng)量均呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。其中,68 號(hào)、70 號(hào)在各個(gè)濃度梯度下的苗高增長(zhǎng)量相對(duì)較大,而69 號(hào)和‘青碧’半同胞家系苗則生長(zhǎng)緩慢,苗高增長(zhǎng)量相對(duì)較小。方差分析表明,同一組雜交苗在不同濃度鹽脅迫條件下的生長(zhǎng)量差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著(P<0.05)。從苗高生長(zhǎng)速率下降的幅度來(lái)看,70 號(hào)雜交苗下降幅度最小,為49.7%,其次為68 號(hào),為57.9%。
圖1 NaCl 濃度對(duì)苗高增長(zhǎng)量的影響Fig.1 Effect of NaCl stress on height increment
由圖2 可以看出,鹽脅迫對(duì)各組白蠟雜交苗的地徑增長(zhǎng)量也起到了明顯的抑制作用,隨著NaCl 濃度的升高,各組雜交苗的地徑增長(zhǎng)量均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。在4 組雜交苗中,68 號(hào)、70 號(hào)在各個(gè)濃度梯度下均表現(xiàn)出了較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)。從下降幅度來(lái)看,68 號(hào)下降幅度最?。?1.8%),其次為70 號(hào)(35.0%)。通過(guò)方差分析可以看出,69 號(hào)雜交苗在各個(gè)濃度下的地徑增長(zhǎng)量差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著,而68 號(hào)、70 號(hào)及對(duì)照在4‰和6‰濃度下的地徑增長(zhǎng)量無(wú)顯著差異(P<0.05)。
由表2 可以看出,隨著NaCl 濃度的升高,各組雜交苗的質(zhì)膜透性均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。但68 號(hào)雜交苗在4個(gè)濃度梯度下的質(zhì)膜透性的差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上差異不顯著,70 號(hào)雜交苗的對(duì)照與其它3個(gè)濃度之間的質(zhì)膜透性差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著,但2‰~6‰濃度下的質(zhì)膜透性差異不明顯,說(shuō)明在2‰~6‰濃度范圍內(nèi),NaCl 脅迫對(duì)68 號(hào)、70 號(hào)雜交苗的質(zhì)膜透性未造成嚴(yán)重傷害。
圖2 NaCl 脅迫對(duì)地徑增長(zhǎng)量的影響Table 2 Effect of NaCl stress on basal diameter increment
表2 NaCl 脅迫對(duì)細(xì)胞膜透性的影響?Table 2 Effect of NaCl stress on membrane permeability
由圖3 可以看出,在不同濃度NaCl 脅迫下,4 組雜交苗呈現(xiàn)出2 種不同的變化趨勢(shì)。其中68號(hào)、70 號(hào)、‘青碧’的SOD 活性呈現(xiàn)出持續(xù)升高的趨勢(shì),而69 號(hào)的SOD 活性則是先升高后降低的趨勢(shì)。從增長(zhǎng)幅度來(lái)看,70 號(hào)雜交苗的增長(zhǎng)幅度最大,為124.6%,其次為68 號(hào),其增長(zhǎng)幅度為60.3%,69 號(hào)增長(zhǎng)幅度最小,僅為35.9%。方差分析表明,除68 號(hào)雜交苗在2‰和4‰濃度下的SOD 活性無(wú)明顯差異外,其余3 組雜交苗在不同NaCl 脅迫濃度下的SOD 活性差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著(P<0.05)。
隨著NaCl 濃度的增加,4 組雜交苗的脯氨酸含量均持續(xù)升高(圖4),其中增長(zhǎng)幅度最大的為70 號(hào)(77.5%),其次為68 號(hào)(72.2%),增長(zhǎng)幅度最小的為‘青碧’(30.3%)。由圖4 可以看出,68 號(hào)、69 號(hào)、70 號(hào)雜交苗的脯氨酸含量在各個(gè)濃度梯度下均高于對(duì)照‘青碧’。方差分析表明,同一組合雜交苗在不同NaCl 脅迫濃度下的脯氨酸含量差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著(P<0.05)。
由圖5 可以看出,隨著NaCl 濃度的增加,4組雜交苗的MDA 含量變化呈現(xiàn)出2 種不同的趨勢(shì)。69 號(hào)雜交苗的MDA 含量呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),68 號(hào)、70 號(hào)、‘青碧’的MDA 含量則呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢(shì)。從MDA 增加幅度來(lái)看,68 號(hào)雜交苗的增加幅度最小,為44.3%。方差分析表明,除對(duì)照‘青碧’外,其余3 組雜交苗在不同濃度的NaCl 的MDA 含量則呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢(shì)。從MDA 增加幅度來(lái)看,68 號(hào)雜交苗的增加幅度最小,為44.3%。方差分析表明,除對(duì)照‘青碧’外,其余3 組雜交苗在不同濃度的NaCl 處理下,體內(nèi)的MDA 含量差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著(P<0.05)。
圖3 NaCl 濃度對(duì)SOD 活性的影響Fig.3 Effect of NaCl stress on SOD activity
圖4 NaCl 濃度對(duì)脯氨酸含量的影響Fig.4 Effect of NaCl stress on proline content
圖5 NaCl 濃度對(duì)MDA 含量的影響Fig.5 Effect of NaCl stress on MDA content
由圖6 可以看出,在不同濃度NaCl 脅迫下,各組雜交苗的葉綠素含量呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。68 號(hào)雜交苗呈現(xiàn)出升高-降低-升高的趨勢(shì),在6‰濃度下葉綠素含量達(dá)到最高值;69 號(hào)雜交苗呈現(xiàn)出降低-升高-降低的趨勢(shì);70 號(hào)雜交苗與對(duì)照‘青碧’變化趨勢(shì)一致,呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),69 號(hào)、70 號(hào)及‘青碧’的葉綠素含量峰值均出現(xiàn)在4‰濃度下。在6‰濃度下,68 號(hào)雜交苗的葉綠素含量最高。方差分析表明,每組雜交苗的葉綠素含量在不同NaCl 濃度的差異在統(tǒng)計(jì)學(xué)上顯著 (P<0.05)。
圖6 NaCl 濃度對(duì)葉綠素含量的影響Fig.6 Effect of NaCl stress on chorophyll content
由于各組雜交苗在各個(gè)指標(biāo)下的表現(xiàn)并非完全一致,且各指標(biāo)的作用機(jī)理不同,因此不能簡(jiǎn)單利用某個(gè)單一指標(biāo)來(lái)判斷白蠟雜交苗的耐鹽性強(qiáng)弱,否則會(huì)失去評(píng)價(jià)的科學(xué)性,故采用隸屬函數(shù)法對(duì)4 組雜交苗的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)(電導(dǎo)率與MDA 為反隸屬函數(shù)值),最終取7個(gè)指標(biāo)隸屬函數(shù)值的平均值作為參考標(biāo)準(zhǔn),隸屬函數(shù)值越大,說(shuō)明雜交苗的耐鹽性越強(qiáng)(表3)。由表可知,通過(guò)隸屬函數(shù)綜合分析評(píng)價(jià),各組雜交苗耐鹽能力由大到小的順序?yàn)椋?8 號(hào)>70 號(hào)>69 號(hào)>‘青碧’,這與前面的研究結(jié)果基本一致。
表3 各指標(biāo)隸屬函數(shù)值Table 3 Subordinative function of various indexes
鹽脅迫對(duì)植物的傷害最直觀的表現(xiàn)是對(duì)其形態(tài)發(fā)育的影響[23]。眾多研究表明,鹽脅迫可明顯抑制植物的生長(zhǎng):楊升等對(duì)檉柳、白刺等進(jìn)行鹽脅迫處理后發(fā)現(xiàn),隨著NaCl 濃度的增加,各樹種的株高生長(zhǎng)量及生物量均下降[24];趙好用不同濃度NaCl 處理美國(guó)白蠟,各處理植株的苗高及地徑生長(zhǎng)量較對(duì)照均有所下降[14];馬劍等用不同濃度NaCl 處理一年生文冠果幼苗,其苗高生長(zhǎng)量和地徑生長(zhǎng)量均明顯下降[25]。當(dāng)然,不同的樹種對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)并不完全相同,張麗研究3 種白刺對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)及耐鹽機(jī)理后發(fā)現(xiàn),在較低鹽濃度下,白刺的苗高和地徑增長(zhǎng)量是增加的,只有在鹽濃度較高時(shí)才會(huì)下降[26]。在本研究中,各組雜交苗的苗高增長(zhǎng)量、地徑增長(zhǎng)量均隨鹽脅迫濃度的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì),這與楊傳寶對(duì)楊樹無(wú)性系耐鹽性的研究結(jié)果相一致[27]。NaCl 對(duì)各組雜交苗生長(zhǎng)量的抑制作用非常明顯,其中苗高增長(zhǎng)量和地徑增長(zhǎng)量下降幅度較小的是68 號(hào)和70 號(hào),說(shuō)明這2 組雜交苗對(duì)NaCl 脅迫的耐受力較強(qiáng),生長(zhǎng)性狀受鹽脅迫的影響相對(duì)較小。
植物主要通過(guò)滲透調(diào)節(jié)從環(huán)境中獲得有效水分,對(duì)非鹽生植物來(lái)說(shuō),主要通過(guò)有機(jī)小分子物質(zhì)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)[23]。目前在植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的有機(jī)親和物質(zhì)主要包括脯氨酸、甜菜堿、四銨化合物及多元醇類,但不同的植物體內(nèi)合成的有機(jī)親和物質(zhì)并不同[23]。目前人們研究較多的是脯氨酸,已有大量研究證實(shí)脯氨酸與植物對(duì)逆境的脅迫適應(yīng)性呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系[28-29]。劉強(qiáng)等對(duì)NaHCO3脅迫下枸杞的滲透調(diào)節(jié)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,在輕中度脅迫下,脯氨酸的滲透調(diào)節(jié)作用幾乎可以忽略不計(jì),但在重度脅迫下,脯氨酸的滲透調(diào)節(jié)作用顯著增強(qiáng)[30]。但也有研究報(bào)道脯氨酸的積累與耐鹽性成負(fù)相關(guān)[31]。在本研究中,隨著NaCl濃度的升高,4 組雜交苗體內(nèi)的脯氨酸含量不斷升高,脯氨酸含量增長(zhǎng)幅度排在前兩位的為70 號(hào)和68 號(hào),增長(zhǎng)幅度分別達(dá)到了77.5%和72.2%,均高于對(duì)照,說(shuō)明70 號(hào)和68 號(hào)雜交苗對(duì)鹽脅迫的滲透調(diào)節(jié)能力較高,抗性較強(qiáng)。
膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物的含量及質(zhì)膜相對(duì)透性的大小反映了植物受逆境傷害的程度。在本研究中,68 號(hào)和70 號(hào)雜交苗的膜透性在NaCl 脅迫下并無(wú)顯著變化,說(shuō)明兩者受NaCl 脅迫的影響較小,相對(duì)應(yīng)的,兩者的MDA 增加幅度也相對(duì)較小。SOD是植物體內(nèi)重要的保護(hù)酶,可以清除植物體內(nèi)的活性氧和自由基。在逆境條件下,植物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較多的SOD 來(lái)對(duì)抗逆境的傷害,在植物可以忍受的逆境傷害范圍內(nèi),SOD 活性越高,植物的抗逆性就越強(qiáng)。本研究中,在不同濃度的NaCl脅迫下,除69 號(hào)雜交苗的SOD 活性呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)外,其余3 組雜交苗的SOD 活性均呈現(xiàn)出不斷升高的變化趨勢(shì),而且68 號(hào)和70 號(hào)雜交苗的SOD 活性一直相對(duì)較高,說(shuō)明在試驗(yàn)設(shè)定的濃度范圍內(nèi),NaCl 脅迫還未對(duì)這兩組雜交苗造成實(shí)質(zhì)性的傷害。
鹽脅迫會(huì)影響葉綠素的合成,在鹽脅迫條件下,植物葉片內(nèi)的葉綠素含量一般會(huì)降低[32],但這種情況并不能一概而論,試驗(yàn)條件和作物種類不同,葉綠素含量的變化也會(huì)不同[33]。李海云等認(rèn)為鹽脅迫下植物葉片內(nèi)的葉綠素含量會(huì)升高[34]。在本研究中,隨著NaCl 濃度的升高,雖然各組雜交苗的葉綠素含量變化趨勢(shì)不一致,但均出現(xiàn)了一定的升高趨勢(shì),說(shuō)明在各自適宜的濃度范圍內(nèi),NaCl 脅迫并未影響各組雜交苗葉綠素的合成,各雜交苗葉綠素含量出現(xiàn)峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的NaCl 濃度分別為4‰和6‰,尤其是在6‰濃度下,68 號(hào)雜交苗的葉綠素含量最高,說(shuō)明其葉綠素的合成受NaCl 脅迫的影響較小,表現(xiàn)出較好的耐鹽性。
由研究結(jié)果可知,植物的耐鹽性是一個(gè)非常復(fù)雜的生理過(guò)程,單靠某一個(gè)或幾個(gè)指標(biāo)很難對(duì)其耐鹽性強(qiáng)弱做出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià),故采用隸屬函數(shù)法進(jìn)一步進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得出在4 組供試苗中,耐鹽性較強(qiáng)的為68 號(hào)(青碧×華雄)和70 號(hào)(青碧×金葉白蠟)雜交苗,這2個(gè)雜交組合的親本均為耐鹽性較強(qiáng)的白蠟新品種,進(jìn)一步證實(shí)了雜種優(yōu)勢(shì)利用的可行性,為下一步定向培育優(yōu)良耐鹽品種奠定了基礎(chǔ)。
本研究是以1年生雜交子代盆栽苗為研究對(duì)象,隨著植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及個(gè)體的分化,其耐鹽性可能會(huì)發(fā)生一定的變化,因此,還應(yīng)對(duì)不同發(fā)育階段雜交苗及其個(gè)體的耐鹽性進(jìn)行持續(xù)性的田間試驗(yàn)觀測(cè),才能得出更為科學(xué)、對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有更大指導(dǎo)意義的結(jié)果。