鹽脅迫對(duì)嫁接西瓜幼苗生長(zhǎng)及碳、氮、磷、鉀化學(xué)計(jì)量特征的影響

孫小妹，陳思瑾，楊柳燕，李金霞，周 彬，陳年來

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅蘭州730070;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅蘭州730070)

西瓜(Citrullus lanatus)作為我國(guó)重要的園藝產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)面積和產(chǎn)量均居世界首位。由于大規(guī)模的專業(yè)生產(chǎn)，西瓜連作障礙日益突出，枯萎病(Fusarium oxysporum sp.niveum)相應(yīng)成為西瓜生產(chǎn)上最嚴(yán)重的病害之一［1］。在重茬地枯萎病導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降，嚴(yán)重時(shí)甚至絕收。與此同時(shí)，種植過程中由于肥料的不合理施用，使土壤鹽類積聚，土壤鹽漬化日趨嚴(yán)重，西瓜的產(chǎn)量和品質(zhì)同時(shí)受到枯萎病和鹽脅迫的雙重影響［2］。利用抗枯萎病砧木的根系嫁接栽培，不但能有效控制枯萎病的危害，而且是減緩西瓜遭受鹽分傷害可靠易行的措施［3］。因此，探究嫁接西瓜的鹽適應(yīng)性，獲得抗枯萎病的耐鹽組合，有利于我國(guó)西瓜產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

N、P、K是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中所必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，其在植物組織結(jié)構(gòu)、碳代謝過程和細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)過程中起重要作用［4-5］。然而，鹽脅迫會(huì)對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和運(yùn)輸過程產(chǎn)生抑制，造成礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的失衡，是鹽脅迫主要的影響效應(yīng)之一［6］。例如，鹽脅迫使橄欖和側(cè)柏葉片中N、P、K含量下降［7-8］，而酸橘和番茄葉片中的P、K含量卻隨鹽脅迫而上升［9-10］。鹽脅迫在造成礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素失衡的同時(shí)，必定會(huì)改變營(yíng)養(yǎng)元素的利用效率［11］。生態(tài)化學(xué)計(jì)量學(xué)提供了一種新的探究植物—土壤間相互作用與C、N、P循環(huán)的研究方法，利用植物的元素計(jì)量比特征反映出有機(jī)體對(duì)逆境的響應(yīng)和適應(yīng)能力［12］。例如在干旱生境下，平車前通過改變光合速率、蔗糖合成酶和硝酸還原酶活性等生理反應(yīng)，調(diào)節(jié)C、N、P代謝及循環(huán)，呈現(xiàn)出特定的C∶N∶P計(jì)量比特征［13］。榆樹在重度干旱脅迫下，葉片中C∶N相較對(duì)照上升，在輕度和中度水分脅迫下C∶N下降，而C∶P隨水分脅迫加劇而上升，即榆樹通過吸收葉片中營(yíng)養(yǎng)元素X含量及調(diào)節(jié)C∶X來適應(yīng)干旱生境［14］。由于C∶X能夠反映出植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的利用效率［15］，因此，分析植物對(duì)環(huán)境響應(yīng)的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征可為揭示植物響應(yīng)逆境的機(jī)制提供新思路［16］。此外，生物量是評(píng)價(jià)鹽分傷害的關(guān)鍵指標(biāo)，而光合特性表征植物的碳同化能力［17］。

目前關(guān)于鹽分脅迫對(duì)嫁接西瓜組合耐鹽性機(jī)理的研究多集中于抗氧化系統(tǒng)［18］、光合特性和葉綠體超微結(jié)構(gòu)［9］以及 Na+、K+含量與分布等方面［19］，基于鹽分脅迫對(duì)嫁接西瓜營(yíng)養(yǎng)元素積累及利用效率的研究鮮見報(bào)道［20］，因此，探究嫁接西瓜組合的營(yíng)養(yǎng)元素含量及其利用效率對(duì)鹽分脅迫的響應(yīng)，不僅能為鹽脅迫下植物營(yíng)養(yǎng)元素含量的變化提供更多實(shí)證，而且能揭示嫁接西瓜組合對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)機(jī)制。

基于N、P、K是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中所必需的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素，本文選取2個(gè)自育抗枯萎病西瓜組合，以京欣二號(hào)為接穗，研究西瓜自根苗和嫁接苗的生態(tài)化學(xué)計(jì)量比特征、光合特性和生物量對(duì)鹽分脅迫的響應(yīng)，以及西瓜嫁接組合的營(yíng)養(yǎng)元素含量對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)，為鹽脅迫下植物營(yíng)養(yǎng)元素的變化提供實(shí)證;并為探明嫁接西瓜組合的耐鹽機(jī)理，獲得抗枯萎病的耐鹽組合提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

接穗為設(shè)施栽培常用西瓜品種京欣二號(hào)，由北京蔬菜研究中心育成。選取2份已鑒定的高抗枯萎病組合，為西瓜屬栽培種與野生材料配置的三交組合:(栽培種×野生種)×(野生種)，代碼為 BJ-6×893和 BJ-9×341。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年4—8月進(jìn)行，于穴盤中播種3個(gè)試驗(yàn)材料，待幼苗長(zhǎng)到二葉一心期時(shí)，分別以BJ-6×893和BJ-9×341做砧木，嫁接京欣二號(hào)，以京欣二號(hào)自根苗為對(duì)照。待到幼苗長(zhǎng)到四葉一心期時(shí)開始處理:對(duì)照(澆灌50%濃度的hoagland營(yíng)養(yǎng)液)和鹽脅迫(澆灌含100 mmol·L-1NaCl的50%hoagland營(yíng)養(yǎng)液)，3次重復(fù)，每份材料的總株數(shù)為90株。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

鹽脅迫處理14 d后采摘健康的功能葉，帶回實(shí)驗(yàn)室，于60℃烘至恒重，研磨后過80目篩，用于C、N、P、K含量的測(cè)定。全碳測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法(外加熱法)，全氮測(cè)定采用凱氏定氮法，全磷測(cè)定采用鉬銻抗比色法，全鉀測(cè)定采用火焰分光光度法。

選擇在晴天早晨9∶00～11∶30利用CIRAS-2型便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)(PP-system，英國(guó))同步測(cè)定功能葉片氣體交換參數(shù)，選用標(biāo)準(zhǔn)光源，光合有效輻射控制為1 500μmol·m-2·s-1，計(jì)算瞬時(shí)水分利用效率(water use efficiency，WUE，mmol·mol-1)，WUE=Pn/Tr。每個(gè)處理3次重復(fù)，每次重復(fù)測(cè)定5株。

脅迫20 d后，每個(gè)處理取5株，在水中清洗根系，按照地上、地下兩部分分開裝袋。于105℃殺青30 min，80℃烘36 h至恒重，用于計(jì)算生物量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用IBM SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析，Duncan多重比較法進(jìn)行參試材料間各指標(biāo)的差異顯著性分析，配對(duì)T檢驗(yàn)用于分析鹽脅迫對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素含量及其計(jì)量比特征、光合特性和生物量的影響;在Canoco 4.5中做冗余分析(RDA)。作圖在GraphPad Prism上實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對(duì)生物量的影響

嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的整株生物量和根冠比在對(duì)照和鹽脅迫處理下顯著大于自根苗京欣二號(hào)(圖1)。鹽脅迫使自根苗的整株生物量和根冠比分別顯著下降和上升，而嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的整株生物量和根冠比在處理間絕對(duì)值雖然有所下降和上升，但差異不顯著;3份材料整株生物量和根冠比的降幅和升幅分別為26.7%和14.9%(自根苗京欣二號(hào))、13.3%和11.9%［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］及13.2%和12.2%［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］。

2.2 凈光合速率和瞬時(shí)水分利用效率對(duì)鹽分脅迫的響應(yīng)

比較3份參試材料的凈光合速率，在對(duì)照和鹽脅迫處理下嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］顯著高于［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］和自根苗 (P＜0.05);鹽脅迫同時(shí)顯著降低3份材料的凈光合速率(圖2a)。3份材料的瞬時(shí)水分利用效率在對(duì)照處理下差異不顯著，鹽脅迫下表現(xiàn)為嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］＞［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］＞自根苗(P＜0.05);與對(duì)照相比，鹽脅迫顯著降低自根苗的水分利用效率，而顯著提高嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的水分利用效率，分別提高了33.5%和14.3%(圖2b)。

圖1 鹽脅迫對(duì)參試材料生物量及根冠比的影響Fig.1 Effects of salt stress on biomass and root∶shoot ratio among materials

2.3 C、N、P、K含量及其計(jì)量比特征對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)

2.3.1 C、N、P和K含量對(duì)鹽脅迫的響應(yīng) 比較自根苗與嫁接苗間的特性，在對(duì)照和鹽脅迫條件下，嫁接苗和自根苗間C含量差異不顯著 (P＞0.05)，自根苗的N含量明顯高于嫁接苗(P＜0.05)(表1)。P含量在對(duì)照處理下，嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］與自根苗間差異不顯著，卻顯著大于嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］(P＜0.05)。自根苗和嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的K含量在對(duì)照條件下差異不顯著，但顯著高于嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］;鹽分脅迫下，K含量表現(xiàn)為自根苗＞嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］＞［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］。

比較對(duì)照與鹽脅迫處理發(fā)現(xiàn)，鹽分脅迫對(duì)3份材料的C含量影響不顯著(P＞0.05)，但顯著降低自根苗和嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的N(17.9%和22.5%)、P(11.7%和17.3%)含量，而嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的N、P含量受到鹽脅迫的抑制作用不顯著(表1)。對(duì)于3份材料葉片中的K含量而言，鹽脅迫顯著增加自根苗、嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］中的K含量 (P＜0.05)，增加量分別為44.7%、27.8%和56.6%(表1)。

圖2 鹽脅迫對(duì)參試材料凈光合速率和瞬時(shí)水分利用效率的影響Fig.2 Effects of salt stress on photosynthesis and instantaneous water use efficiency among materials

表1 鹽脅迫對(duì)參試材料C、N、P和K含量的影響/(mg·g-1)Table 1 Effects of salt stress on the concentration of C，N，P and K among materials

2.3.2 C∶N、C∶P和C∶K對(duì)鹽分脅迫的響應(yīng)

比較參試材料的礦質(zhì)元素計(jì)量比特征，NaCl處理下嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的C∶N顯著高于嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和自根苗 (P＜0.05)(圖3a)。C∶P在對(duì)照處理下表現(xiàn)為嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］＞［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］≥自根苗，在NaCl處理下嫁接苗的C∶P顯著高于自根苗(圖3b)。在對(duì)照和NaCl處理下，嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的C∶K分別比嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和自根苗顯著高71.5%、63.7% 和72.3%、55.8%(P＜0.05)(圖3c)。

鹽脅迫使嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的C∶N與C∶P顯著增大 (P＜0.05)，而對(duì)嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］影響不顯著。鹽脅迫顯著降低自根苗、嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］和嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的C∶K，降幅分別為48.2%、35.2%和59.4%。

2.4 生物量與葉片性狀間的關(guān)聯(lián)性

圖3 鹽脅迫對(duì)參試材料C∶N、C∶P和C∶K的影響Fig.3 Effects of salt stress on C ∶N，C ∶P and C∶K among materials

RDA分析表明自根苗單株生物量高時(shí)對(duì)應(yīng)著高的葉片N含量、C∶K、Pn、WUE和低的葉片K含量(圖4a)。即鹽脅迫阻礙了自根苗葉片N含量的累積，使Pn和葉片瞬時(shí)WUE下降，通過滲透調(diào)節(jié)(葉片K含量增加)減緩鹽脅迫的傷害。嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的單株生物量與葉片N、C∶K、Pn正相關(guān)，而與 K含量和WUE負(fù)相關(guān)(圖4b)。嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］則表現(xiàn)為單株生物量與P、C∶K、Pn正相關(guān)，與K含量和WUE負(fù)相關(guān)(圖4c)。

3 討論與結(jié)論

3.1 鹽脅迫對(duì)C、N、P、K含量的影響

圖4 基于RDA分析的生物量與葉片性狀關(guān)聯(lián)性Fig.4 The relationship between biomass and leaf traits based on redundancy analysis(RDA)

鹽脅迫對(duì)自根苗和嫁接苗葉片C含量的影響不顯著，但對(duì)照條件下C含量絕對(duì)值要高于鹽脅迫處理(表1)。由于鹽脅迫造成土壤中低的水勢(shì)使葉片水勢(shì)［21］和氣孔導(dǎo)度降低［22］，減少氣孔中 CO2的進(jìn)入，抑制光合作用，從而降低了碳固定，使生物量積累減少［23-24］。此外，植物需要消耗額外的能量去應(yīng)對(duì)鹽脅迫，從而導(dǎo)致代謝損耗的增加［25］。鹽脅迫顯著降低自根苗和嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的N、P含量;而嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的N、P含量受到鹽脅迫的抑制作用不顯著，但絕對(duì)值有所下降，表明嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的耐鹽性要強(qiáng)于其他兩份材料(表1)?？赡苁怯捎贑l-的富集減少了對(duì)N和P的吸收［26-27］，阻礙了N、P的代謝過程［28］。N、P為構(gòu)成葉綠體結(jié)構(gòu)中葉綠素、蛋白質(zhì)和片層膜的主要元素，對(duì)光合作用和葉綠體中各類酶的形成起關(guān)鍵作用［29］。因此，鹽脅迫阻礙了N、P代謝，使光合機(jī)構(gòu)發(fā)育受損，對(duì)光合作用的抑制效應(yīng)加劇，使西瓜材料的耐鹽性減弱［23］。

植物原生質(zhì)體持K+的能力已被認(rèn)為是植物抗鹽的重要標(biāo)志［24］?，F(xiàn)有研究表明鹽脅迫對(duì)K含量的影響規(guī)律不一致:唐曉倩等［8］發(fā)現(xiàn)鹽脅迫使側(cè)柏葉片K元素含量下降，而有些植物葉片中K含量隨鹽脅迫而上升［9-10］，嫁接柑橘葉片K含量則在低鹽脅迫下顯著提高，而在高鹽脅迫下有所下降［17］。本研究中，與對(duì)照相比100 mmol·L-1NaCl添加條件下自根苗和嫁接苗葉片中K含量顯著增加(表1)。西瓜材料通過增加K元素含量，調(diào)節(jié)滲透勢(shì)緩解鹽害［30-31］。如果鹽脅迫濃度繼續(xù)增大，可能會(huì)導(dǎo)致K含量的下降。因?yàn)镹a+與K+間存在競(jìng)爭(zhēng)同一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)合位的關(guān)系，高濃度的NaCl脅迫最終會(huì)使植物體內(nèi) K+含量下降［32］。

3.2 鹽脅迫對(duì)C∶N、C∶P和C∶K計(jì)量比的影響

植物組織中養(yǎng)分含量的差異反映出植物特征和生理機(jī)制的差異，植物的C∶N、C∶P和C∶K表征植物所吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)碳的同化能力，不僅能夠反映出植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素N、P和K的利用效率，同時(shí)有效反映植物對(duì)逆境的適應(yīng)策略［15］。研究表明鹽脅迫造成礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素失衡的同時(shí)，改變了對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的利用效率［6］。本研究中，在鹽脅迫條件下，嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］顯著提高C∶N與C∶P，即提高對(duì)N和P的利用效率，而嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的C∶N與C∶P絕對(duì)值也是增大的(圖 3a，圖 3b)。這與 Vitousek 等［15］的研究結(jié)果一致，營(yíng)養(yǎng)資源匱乏的生境中，植物體內(nèi)的C∶X(營(yíng)養(yǎng)元素)增大，植物會(huì)提高對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素X的利用效率。對(duì)于西瓜材料，Cl-的富集減少了對(duì)N和P的吸收［28］。為了使N、P含量滿足其自身代謝的需求，西瓜嫁接材料利用保守型的策略，顯著提高對(duì)N、P的利用效率。對(duì)于K的利用效率，3份材料均表現(xiàn)為在鹽脅迫條件下有所下降(圖3c)。鹽脅迫使3份西瓜材料K含量顯著上升，由于在資源充裕的狀況下，植物通常會(huì)呈現(xiàn)低的C∶X，采取奢侈的利用策略，對(duì)充裕資源的利用效率降低［33］，故而呈現(xiàn)出3份西瓜材料C∶K降低，即對(duì)K采取奢侈利用的策略。

3.3 嫁接組合耐鹽性比較

生物量是衡量鹽分傷害的關(guān)鍵指標(biāo)，而光合特性表征植物的碳同化能力。在對(duì)照與鹽脅迫條件下，2份嫁接材料較自根苗具有高的生物量和Pn(圖2)，其中嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的整株生物量和Pn值要大于嫁接苗［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］，即嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的耐鹽性要強(qiáng)于［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］。由于砧木材料龐大的根系系統(tǒng)受鹽脅迫的傷害較小，生長(zhǎng)勢(shì)更強(qiáng)［34］，表現(xiàn)出高的凈光合速率和生物量［18］。本研究中根冠比的變化也證實(shí)了這種推測(cè)(圖1b)。基于RDA的分析表明，鹽脅迫阻礙了西瓜材料對(duì)葉片N、P含量的積累，使Pn降低;通過增加自根苗的葉片K含量來減緩鹽脅迫傷害，而嫁接苗通過增加對(duì)K的積累和提高WUE兩條途徑來應(yīng)對(duì)鹽脅迫。這與其他研究結(jié)果一致，植物通過增加對(duì)K+的吸收調(diào)節(jié)滲透勢(shì)和WUE來應(yīng)對(duì)鹽脅迫［30-31，35］。關(guān)于鹽脅迫使瞬時(shí)WUE提高，可能是由于氣孔導(dǎo)度的下降使氣孔阻力增加，蒸騰速率的降幅相較于凈光合速率的降幅要大，故而使WUE增大［12］。雖然2份嫁接苗均采取了增加葉片K含量積累和提高WUE來應(yīng)對(duì)鹽脅迫，但是嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的WUE對(duì)鹽脅迫響應(yīng)的增幅比［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］高19.2%(圖2b)，這也可能是嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］耐鹽性強(qiáng)于［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］的原因之一。當(dāng)然，嫁接苗利用WUE提高應(yīng)對(duì)鹽脅迫的策略不是無限的。因?yàn)殡S著NaCl溶液濃度的增大，植株葉片的膨壓逐漸下降，葉片含水量繼續(xù)降低，光合能力持續(xù)減弱，從而導(dǎo)致WUE的降低［35］。

綜上所述，嫁接苗較自根苗在生物量積累、根冠比、凈光合速率、瞬時(shí)WUE和N、P、K利用效率方面占優(yōu)勢(shì)。鹽脅迫顯著提高了3份材料的葉片K含量，降低了整株生物量、凈光合速率、N、P含量和C∶K?；赗DA分析獲得3份材料的耐鹽性機(jī)理:自根苗主要通過調(diào)節(jié)葉片K含量來緩解鹽分脅迫，嫁接苗則通過提高葉片K含量和WUE來增強(qiáng)耐鹽性。其中嫁接苗［(Bj-6×893)+京欣二號(hào)］的耐鹽性強(qiáng)于［(Bj-9×341)+京欣二號(hào)］，與其相對(duì)高的WUE相關(guān)。