土地盐化是影响林业以及生态环境发展的严重问题[1]。中国盐渍土分布较为广泛,土壤盐化成为中国土地荒漠化的主要原因之一[2]。因此盐化土壤的改良和开发,对提高经济作物产量和优化生态环境意义重大。为了更有效地改良、开发盐化土壤,选择适宜的耐盐植物进行土壤改良是行之有效的手段之一[3]。目前,国内外研究比较多的当属盐胁迫下农作物的生理响应,如红豆[4]、棉花[5,6]、小麦[7]、高粱、玉米[9,10]、水稻[11]等农作物的耐盐性,对耐盐花卉的研究仍不全面[12,13]。耐盐性强的花卉不仅可以改善盐化土壤(尤其是盐碱湿地)的生理机能,还可以优化盐碱湿地的景观效果。

湿生花卉黄菖蒲和溪荪花大而多彩,具有很高的观赏价值,抗逆性强,是景观设计和湿地保护的优秀素材[14,15,16]。本试验选用大庆龙凤湿地自然保护区的湿生花卉黄菖蒲和溪荪为试验材料,分别对2种花卉幼苗进行不同浓度NaCl溶液的胁迫处理,研究NaCl胁迫下2种鸢尾花的生理响应和耐盐性,将为湿地保护区选育抗逆花卉、改良盐化土壤以及营造景观提供有力依据。

1、材料与方法

1.1材料

测试用黄菖蒲和溪荪幼苗取自大庆龙凤湿地自然保护区。龙凤湿地自然保护区位于黑龙江省西南部,为一处城中湿地,地理坐标125°07′～125°15′E,46°28′～46°32′N。

1.2盐胁迫试验设置及方法

选取株高约8cm且长势一致的苗进行胁迫试验。对供试材料进行不同浓度的盐胁迫处理,设定6个NaCl浓度梯度为0%(CK)、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%。试验设黄菖蒲和溪荪2组,每盆6株,每种盐浓度处理各选取黄菖蒲和溪荪24盆,水平重复3次[17]。试验期间维持处理液盐浓度的恒定,花盆下放置托盘用来贮存外渗的处理液,以避免盐分损失。每次选取相同时间段和相同部位取样,选取部位以成熟叶片中上部为宜。取样后快速处理,将其置于-80℃超低温冰箱,以便于进行后续试验。

1.3生理指标测定方法

对于经处理的黄菖蒲、溪荪幼苗,NaCl胁迫第7、14、21及28d分组测定叶片的相对含水量、叶绿素、丙二醛(MDA)、游离脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白含量以及超氧化物歧化酶(SOD)活性。生理指标测定参照戴胜玥等[17]的方法,用分光光度法测定叶绿素含量,硫代巴比妥酸(TBA)法测定丙二醛(MDA)含量,酸性茚三酮法测定游离脯氨酸含量,氮蓝四唑(NBT)法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性,考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白,干燥方法测定叶片的相对含水量。

1.4统计与分析

采用Excel2010进行数据统计和图表制作,采用SPSS19.0对所得数据进行方差分析。

2、结果与分析

2.1盐胁迫对2种湿生花卉叶片叶绿素含量的影响

湿生花卉的生长离不开光合作用,而在维持光合作用方面,叶绿素是及其重要的,光合作用效果大小与所含叶绿素多少直接相关[18],且叶绿素对于盐胁迫最为敏感,将在一定程度上影响鸢尾花的生长。图1和图2显示,黄菖蒲与溪荪叶片的叶绿素含量随着NaCl胁迫时间和胁迫浓度的逐渐增大,呈下降趋势。从图1可知,当1.5%盐浓度下胁迫28d时,溪荪的叶绿素含量是对照(CK)的93.07%,是盐胁迫7d时的94%,叶绿素含量变幅较小。从图2可知,0.3%盐浓度处理下,黄菖蒲叶绿素含量与对照(CK)的差值维持在3%以内,当盐处理浓度达到0.6%时,叶绿素含量显著下降(P<0.05);当在1.5%盐浓度下处理28d时,叶绿素含量仅为对照(CK)的73.17%。这说明高盐胁迫抑制叶绿素合成、低盐胁迫抑制叶绿素的降解。

图1NaCl处理对溪荪叶片叶绿素含量的影响

注:*表明对照与NaCl处理间的差异显著(P<0.05),下同。

图2NaCl处理对黄菖蒲叶片叶绿素含量的影响

2.2盐胁迫对2种湿生花卉叶片相对含水量的影响

从图3和图4可知,随盐胁迫浓度的不断增加以及其胁迫时间的延长,黄菖蒲和溪荪叶片的相对含水量呈下降趋势。

图3NaCl处理对溪荪叶片相对含水量的影响

图4NaCl处理对黄菖蒲叶片相对含水量的影响

从图3可以看出,当溪荪在1.5%盐浓度下处理28d时,相对含水量为对照的90.80%,为盐处理7d时的94.05%,相对含水量没有显著变化。从图4可以看出,当黄菖蒲盐胁迫28d时,0.6%盐浓度的相对含水量为对照的91.86%,0.9%盐浓度的相对含水量降至对照的81.40%,1.5%盐浓度的相对含水量降至对照的63.95%,相对含水量变化显著(P<0.05)。这表明二者相比,溪荪的吸水与保水能力相对较强。

2.3盐胁迫对2种湿生花卉叶片丙二醛含量影响

从图5和图6可以看出,随着盐胁迫时间的延长和胁迫浓度的增大,黄菖蒲和溪荪叶片的丙二醛含量增加,两者均受到损伤。在低浓度盐处理下,两者的丙二醛含量与对照(CK)差异不显著。低盐浓度下,黄菖蒲与溪荪可以迅速适应并提高自身抗盐能力。当1.5%盐胁迫处理28d时,黄菖蒲和溪荪的丙二醛含量保持在较高水平,溪荪为对照的1.44倍,黄菖蒲为对照的2.11倍。这表明在相同的盐浓度下,黄菖蒲丙二醛含量的增幅高于溪荪,其膜过氧化作用更强,细胞膜的氧化损伤程度更高。

图5NaCl处理对溪荪叶片丙二醛含量的影响

图6NaCl处理对黄菖蒲叶片丙二醛含量的影响

2.4盐胁迫对2种湿生花卉叶片游离脯氨酸含量影响

脯氨酸是植物重要的渗透调节物质,在细胞氧化还原调节、生物大分子结构稳定、自由基清除、氨毒解除以及细胞酸性降低等方面具重要作用[19]。图7和图8显示,随盐胁迫浓度的增加和胁迫时间的延长,溪荪和黄菖蒲的游离脯氨酸含量总体呈现上升趋势。在低盐胁迫下,两者叶片游离脯氨酸含量与对照(CK)差异不大,在1.2%、1.5%盐处理浓度时Pro的含量与对照(CK)差异显著(P<0.05)。第28d的盐胁迫处理时,溪荪在1.2%、1.5%盐胁迫浓度下游离脯氨酸含量分别是对照(CK)的1.54倍和1.78倍;黄菖蒲在0.9%、1.2%、1.5%盐胁迫浓度下游离脯氨酸含量分别是对照的1.67倍、2.00倍和2.44倍。黄菖蒲与溪荪为了减缓盐分对于二者的伤害,积累了大量的游离脯氨酸,故游离脯氨酸的含量呈上升趋势。大量的游离脯氨酸累积在黄菖蒲与溪荪叶片内,表现出两者较强的耐盐力。

图7NaCl处理对溪荪叶片游离脯氨酸含量的影响

图8NaCl处理对黄菖蒲叶片游离脯氨酸含量的影响

2.5盐胁迫对2种湿生花卉叶片SOD活性的影响

从图9和图10可以看出,黄菖蒲和溪荪叶片的SOD活性总体上随盐胁迫浓度和胁迫时间的增加而增加。溪荪在1.2%和1.5%盐浓度处理下,SOD的活性与对照(CK)差异显著(P<0.05)。黄菖蒲在0.9%、1.2%和1.5%盐浓度处理下,SOD活性与对照(CK)差异显著(P<0.05)。研究表明,随着盐处理时间的延长,黄菖蒲和溪荪抵御氧化的能力在不断加强。两种湿生花卉为克服盐胁迫的影响,形成活性氧清除的一种特定的保护酶系统,SOD是系统中的一种起重要作用的抗氧化酶。SOD活性的增加可以去除由盐胁迫引起的黄菖蒲与溪荪体内自由基的积累,保护自身细胞膜系统,从而抵御外部盐胁迫对于两者生理和生化作用的影响。

图9NaCl处理对溪荪叶片超氧化物歧化酶含量的影响

图10NaCl处理对黄菖蒲叶片超氧化物歧化酶含量的影响

2.6盐胁迫对2种湿生花卉叶片可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白是植物的重要营养物质和渗透调节剂。它的积累能够提升细胞保水力,起到保护生物膜和细胞内生命物质的作用,在一定水平上体现植物抗盐性的强弱。从图11和图12可以看出,随着盐胁迫浓度的增加和时间的延长,黄菖蒲和溪荪叶片的可溶性蛋白含量逐渐增加。溪荪在1.2%和1.5%盐浓度下胁迫28d时,可溶性蛋白含量分别是对照的1.16倍和1.4倍。黄菖蒲在1.2%和1.5%盐浓度下处理28d时,可溶性蛋白含量分别是对照的1.15倍和1.3倍。结果表明,黄菖蒲和溪荪在盐胁迫下都具有较强的诱导可溶性蛋白合成和积累的能力,盐处理后可溶性蛋白质含量的增加,可以提高叶内细胞的保水性,从而抵御盐的胁迫。

图11NaCl处理对溪荪叶片可溶性蛋白含量的影响

图12NaCl处理对黄菖蒲叶片可溶性蛋白含量的影响

3、结论与讨论

花卉对盐胁迫的生理机制是复杂的,是一系列生理反应共同作用的结果[20,21,22]。花卉光合作用时需要其叶片中所含有的大量叶绿素,故光合作用的过程主要集中于叶片[23,24]。花卉的生理发生变化极有可能受叶绿素影响,因此叶片是其对外界环境变化最敏感的部位[25]。黄菖蒲和溪荪在发达的叶肉细胞中可以更好地进行光合与呼吸作用,且降低了盐胁迫对于二者的损伤。同时,叶片内发达的通气组织,加速了黄菖蒲和溪荪的代谢,减轻盐处理造成的损伤。

相对含水量的变化快慢也可以体现出植物对于逆境抵抗能力的强弱[26]。一般而言,若在盐胁迫下植物的相对含水量没有发生显著变化,则表明该植物的耐盐性相对来说较强。本研究中,2种湿生花卉相比,溪荪的吸水性和保水能力相对较强。王旭明等[27]研究也发现叶片相对含水量与耐盐性呈正相关,4个水稻种质相比,耐盐种质相对含水量的下降幅度小,抗逆性强。

植物在逆境下受到损伤后,将导致细胞膜过氧化。作为细胞膜过氧化产物,丙二醛含量的变化可以反映植物抵抗逆境胁迫的能力高低[28]。本研究表明,在盐胁迫下黄菖蒲与溪荪叶片中的活性氧增多,加重了细胞膜的过氧化反应,增加了丙二醛(MDA)的含量。姜瑛等[29]研究表明燕麦(Avenasativa)不同品种幼苗丙二醛含量随盐浓度和胁迫时间增加呈增大趋势,质膜受伤害程度加深,这与本研究的结果一致。

植物可以通过积累大量游离脯氨酸来缓解盐害[30,31,32]。杨飞等[33]研究指出海水胁迫下的4个白菜品种幼苗游离脯氨酸含量呈上升态势,进而增强对环境的适应力。游离脯氨酸(Pro)通过渗透调节作用,能够提升鸢尾花对于盐的耐受性。在盐胁迫下游离脯氨酸的含量显著增加,这是黄菖蒲和溪荪耐盐的一种生理保护机制。黄菖蒲和溪荪对于游离脯氨酸表现出很强的积累能力,这也表明脯氨酸在两种鸢尾花的细胞渗透调节中起着重要的作用。

在抗盐胁迫的过程中,植物能够形成一种特定的保护酶系统,便于活性氧清除。而超氧化物歧化酶(SOD)是保护酶系统的抗氧化酶之一,便于清除不同浓度盐处理下黄菖蒲与溪荪体内累积的自由基,进而保护细胞膜系统。可溶性蛋白是植物进行新陈代谢的一种关键底物和储能基质[34]。本研究中,因为盐胁迫强度的不断增加,黄菖蒲与溪荪叶片中的可溶性蛋白的含量呈上升趋势。这是由于蛋白质的合成被盐胁迫所破坏,使鸢尾花叶内积累了包括游离氨基酸和脯氨酸在内的大量含氮代谢中间产物,从而导致可溶性蛋白含量的增加。杨佳鑫等[35]的研究指出3个梅花(Prunusmume)品种在NaCl胁迫下,游离脯氨酸、SOD和可溶性蛋白显著增多,用以减轻盐害。多种渗透调节剂在体内共同作用,从而抵御盐胁迫带来的伤害。

随着NaCl胁迫时间延长和胁迫浓度增加,湿生花卉黄菖蒲和溪荪的叶绿素含量、相对含水量整体上呈现出下降趋势,但溪荪的变化不明显,而黄菖蒲叶片的相对含水量下降明显,叶绿素含量呈现出高盐抑制合成、低盐抑制降解的特性,盐浓度过高将影响叶绿素的合成。黄菖蒲和溪荪的丙二醛含量、游离脯氨酸含量、超氧化物歧化酶活性、可溶性蛋白含量整体呈增加态势,但两者的变化幅度存在着一定的差异。研究结果表明黄菖蒲和溪荪对于盐胁迫有抵抗能力,且溪荪的抗盐能力高于黄菖蒲。

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基金:黑龙江省省属高等学校基本科研业务费项目(2019-KYYWF-1404);佳木斯大学青年基金项目(Sq2013-027);黑龙江省大学生创新创业训练计划项目(201910222095).