劉真華，曹燦景

(1.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100；2.山東工藝美術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014)

鹽脅迫對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有顯著的抑制作用，不僅能夠影響種子的發(fā)芽率、出苗率[1]、光合速率和生物膜透性，還能夠引起細(xì)胞代謝紊亂、離子失調(diào)、單鹽毒害[2]、破壞活性氧清除系統(tǒng)和植物體內(nèi)脫落酸(ABA)[3]、赤霉素(GA)和細(xì)胞分裂素(CTK)等激素的一系列變化。另外，長(zhǎng)期的鹽脅迫會(huì)使非鹽生植物因能量代謝失調(diào)致使組織和細(xì)胞死亡。隨著我國(guó)園林綠化事業(yè)的發(fā)展和市民城市宜居觀念的增強(qiáng)，提高城市的綠化質(zhì)量并豐富其綠化景觀已成為人們的共同期望。彩葉草[Coleusscutellarioides(L.) Benth.]因其色彩鮮艷、觀賞期長(zhǎng)等特點(diǎn)對(duì)扮靚城市景觀、彌補(bǔ)冬季花色單調(diào)具有獨(dú)特作用，在園林綠化方面具有廣闊的應(yīng)用前景。鹽脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有嚴(yán)重的影響，而目前對(duì)彩葉草的研究主要集中在無(wú)土栽培[4]、低溫脅迫[5]、分子調(diào)控[6]、株型矮化[7]、重金屬脅迫[8]等方面，而有關(guān)彩葉草在鹽脅迫方面的研究報(bào)道則不多見(jiàn)。因此，本研究從彩葉草的種子萌發(fā)、光合特性、葉綠素?zé)晒夂蜔o(wú)機(jī)離子代謝4個(gè)方面入手，探究彩葉草對(duì)NaCl脅迫的響應(yīng)，旨在揭示其種子萌發(fā)、光合作用等指標(biāo)與鹽脅迫之間的關(guān)系，為彩葉草的耐鹽機(jī)理、品種優(yōu)化、栽培管理及園林綠化應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

彩葉草的種子由山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院園林科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)站提供。

1.1.1 種子萌發(fā)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2016年7月22日上午9:00，選取大小一致的飽滿的種子，用0.1%的HgCl溶液表面消毒5min，蒸餾水沖洗后播種到培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿內(nèi)墊2層滅菌紗布，每皿50粒。用濃度分別為0mmol/L、20mmol/L、60mmol/L、100mmol/L、140mmol/L和180mmol/L的NaCl溶液浸種，每天更換1次NaCl溶液以降低水分蒸發(fā)造成的HgCl的濃度變動(dòng)幅度，每水平設(shè)3次重復(fù)。浸種后放置于培養(yǎng)箱中催芽，溫度白天22-25℃，夜間17-19℃，記錄每天的發(fā)芽情況，并于2016年7月29日(第8d)測(cè)定并計(jì)算胚根長(zhǎng)度、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，取平均值。發(fā)芽率(%)=種子發(fā)芽粒數(shù)/種子播種粒數(shù)×100；發(fā)芽勢(shì)(%)=8d發(fā)芽種子總數(shù)/種子播種粒數(shù)×100；發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt(Gt為t時(shí)間種子發(fā)芽數(shù)，Dt為對(duì)應(yīng)的發(fā)芽天數(shù));活力指數(shù)(VI)=GI×S(S為胚根長(zhǎng))。

1.1.2 水培試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年8-9月在山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院的試驗(yàn)站智能溫室中進(jìn)行。8月2日進(jìn)行穴盤(pán)播種育苗，9月8日選取長(zhǎng)勢(shì)一致、無(wú)病蟲(chóng)的幼苗移栽到規(guī)格為490mm×335mm×160mm的塑料箱中。其具體操作為用刀片剪切厚度2cm的泡沫板，使其恰好能夠覆蓋住塑料箱的開(kāi)口，在泡沫板上打4個(gè)孔，其直徑約1.5cm，將彩葉草的幼苗定植于泡沫板孔內(nèi)，塑料箱中添加21L含NaCl濃度分別為0mmol/L、20mmol/L、60mmol/L、100mmol/L、140mmol/L和180mmol/L的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，彩葉草的根系浸入營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行鹽脅迫處理，每處理3箱。鹽脅迫10d后對(duì)彩葉草幼苗各指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

采用CIRAS-2便攜式光合儀(美國(guó)PP systems公司)測(cè)定彩葉草幼苗葉片光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)，每處理重復(fù)3次。測(cè)定時(shí)CO2濃度370±10mmol/L，光照強(qiáng)度為800±10Lx，溫度30±2℃。采用德國(guó)WALZ公司生產(chǎn)的PAM-2100便攜式調(diào)制熒光儀測(cè)定彩葉草葉片初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、光系統(tǒng)Ⅱ的潛在活性(Fv/Fo)和最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)，其計(jì)算公式為：Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo;Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm。采用硫酸-高氯酸消煮法處理材料，利用原子吸收光譜儀測(cè)定葉片Na+、K+和Mg2+含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)圖表進(jìn)行處理，采用DPS 7.02軟件進(jìn)行單因素方差分析，并對(duì)平均數(shù)做Tukey法多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對(duì)彩葉草種子萌發(fā)的影響

不同濃度NaCl脅迫對(duì)彩葉草種子萌發(fā)的影響結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同濃度NaCl脅迫對(duì)彩葉草種子萌發(fā)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)或大寫(xiě)字母表示5%或1%顯著水平，下同。

由表1可知，不同NaCl濃度對(duì)彩葉草種子萌發(fā)影響程度不同，不同處理間差異顯著。隨著NaCl濃度的升高(0-180mmol/L)，彩葉草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；NaCl濃度20mmol/L時(shí)上述指標(biāo)與對(duì)照差異不明顯，說(shuō)明低濃度的鹽脅迫對(duì)彩葉草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)影響較?。籒aCl濃度在60-180mmol/L范圍內(nèi)，上述指標(biāo)與對(duì)照差異顯著且鹽脅迫程度隨NaCl濃度的增加而加劇，NaCl濃度180mmol/L時(shí)較對(duì)照分別降低56.73%(發(fā)芽率)、87.37%(發(fā)芽勢(shì))和84.81%(發(fā)芽指數(shù))。低鹽脅迫條件下(NaCl 20mmol/L)，彩葉草的胚根長(zhǎng)和活力指數(shù)高于對(duì)照，較對(duì)照分別增加11.88%和9.67%；而在NaCl濃度60-180mmol/L脅迫下，其胚根長(zhǎng)受到明顯抑制，活力指數(shù)顯著降低，較對(duì)照分別降低9.90%-27.72%(胚根長(zhǎng))和9.67%-89.09%(活力指數(shù))。

2.2 鹽脅迫對(duì)彩葉草光合特性的影響

不同濃度NaCl鹽脅迫對(duì)彩葉草光合特性影響結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知，(1)隨著鹽脅迫強(qiáng)度的增加，彩葉草凈光合速率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)(圖1-a)。在20mmol/L NaCl脅迫下，彩葉草凈光合速率雖然低于對(duì)照，但降幅較小，二者差異不顯著；其他處理與對(duì)照差異顯著。除20mmol/L NaCl處理與60mmol/L NaCl處理、140mmol/L NaCl與180mmol/L NaCl處理差異不顯著外，其他處理間均差異顯著。180mmol/L NaCl脅迫下，彩葉草凈光合速率最小，較對(duì)照降低48.08%。(2)鹽脅迫處理下，彩葉草氣孔導(dǎo)度均低于對(duì)照，且隨脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)(圖1-b)，較對(duì)照分別降低5.21%、20.85%、28.85%、41.77%和49.36%。除20mmol/L NaCl處理外，其他處理與對(duì)照差異顯著，說(shuō)明鹽濃度較低時(shí)對(duì)彩葉草氣孔導(dǎo)度限制較小，而鹽濃度較高時(shí)對(duì)彩葉草氣孔導(dǎo)度影響較大。(3)彩葉草葉片胞間CO2濃度隨NaCl濃度的增加表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)(圖1-c)。NaCl濃度20mmol/L彩葉草葉片胞間CO2濃度低于對(duì)照，較對(duì)照降低10.20%，繼續(xù)增加NaCl濃度至60mmol/L時(shí)胞間CO2濃度開(kāi)始高于對(duì)照，至NaCl濃度180mmol/L時(shí)胞間CO2濃度達(dá)最大值，較對(duì)照增加34.87%，與對(duì)照差異極顯著。除60mmol/L NaCl處理外，各處理與對(duì)照差異顯著。(4)與對(duì)照相比，各鹽脅迫處理均使彩葉草蒸騰速率降低，并隨鹽濃度的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)(圖1-d)，且這一趨勢(shì)與氣孔導(dǎo)度呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。NaCl濃度20mmol/L蒸騰速率與對(duì)照差異不明顯，其他處理與之相反。

2.3 鹽脅迫對(duì)彩葉草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

不同濃度NaCl鹽脅迫對(duì)彩葉草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖1不同濃度NaCl脅迫對(duì)彩葉草光合特性的影響

Fig.1 Effects of NaCl stress on photosynthetic characteristics ofColeusscutellarioides

圖2 不同濃度NaCl脅迫對(duì)彩葉草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖2可以看出，NaCl處理下Fo均高于對(duì)照，且Fo隨NaCl脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)(圖2-a)。低鹽(NaCl 20mmol/L)脅迫下，F(xiàn)o雖高于對(duì)照，但二者差異不顯著，說(shuō)明低鹽脅迫對(duì)彩葉草葉綠素的影響較小；隨著NaCl濃度(60-180mmol/L)的升高，F(xiàn)o逐漸增大，且NaCl濃度180mmol/L時(shí)與對(duì)照差異極顯著，這表明高鹽脅迫對(duì)光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心(PSⅡ)造成傷害或不可逆失活。Fm為暗適應(yīng)下最大熒光產(chǎn)量，能夠反映PSⅡ的電子傳遞情況(圖2-b)。由圖2-b可知，NaCl處理下Fm均低于對(duì)照，F(xiàn)m隨NaCl脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這說(shuō)明彩葉草葉片PSⅡ的電子傳遞能力隨NaCl脅迫程度的增強(qiáng)逐漸降低。但在濃度為20mmol/L 、60mmol/L和100mmol/L NaCl處理下，F(xiàn)m與對(duì)照差異不顯著；而140mmol/L和180 mmol/LNaCl處理下，F(xiàn)m與對(duì)照差異顯著。另外，F(xiàn)m與Fo表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。NaCl處理下彩葉草Fv/Fo和Fv/Fm值均低于對(duì)照(圖2-c、圖2-d)，且隨NaCl脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明NaCl脅迫程度的加強(qiáng)能夠降低彩葉草PSII的原初光能轉(zhuǎn)化效率和PSII的反應(yīng)中心的潛在活性，使彩葉草生長(zhǎng)所需的化學(xué)能減少。另外，F(xiàn)v/Fo、Fv/Fm、Fm與NaCl濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，而Fo表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

2.4 鹽脅迫對(duì)彩葉草無(wú)機(jī)離子含量的影響

不同濃度NaCl鹽脅迫對(duì)彩葉草葉片中無(wú)機(jī)離子含量的影響結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同濃度NaCl脅迫對(duì)彩葉草無(wú)機(jī)離子含量的影響

由表2可知，彩葉草葉片Na+含量隨NaCl濃度(0-180mmol/L)的升高呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。其中，NaCl濃度20mmol/L、60mmol/L、100mmol/L、140mmol/L和180mmol/L處理其葉片Na+含量較對(duì)照分別增加44.88%、77.84%、118.18%、153.98%和175.57%，差異十分顯著。彩葉草葉片K+含量、K+/Na+和Mg2+/Na+隨NaCl濃度(0-180mmol/L)的升高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。除180mmol/L NaCl外，其他處理葉片K+含量與對(duì)照差異不顯著；各處理K+/Na+和Mg2+/Na+較對(duì)照差異顯著。彩葉草葉片Mg2+含量隨NaCl濃度(0-180mmol/L)的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。其中，除NaCl濃度140mmol/L1和180mmol/L處理外，其他處理與對(duì)照差異不顯著。另外，由表2還可以看出，彩葉草葉片Na+含量與NaCl脅迫強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，而K+、K+/Na+和Mg2+/Na+與之呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)和無(wú)土栽培試驗(yàn)，設(shè)置0mmol/L、20mmol/L、60mmol/L、100mmol/L、140mmol/L和180mmol/L 6個(gè)NaCl水平，研究不同脅迫強(qiáng)度的NaCl對(duì)彩葉草種子萌發(fā)、光合特性、葉綠素?zé)晒夂蜔o(wú)機(jī)離子代謝的影響。結(jié)果表明，隨著NaCl濃度(0-180mmol/L)的增加，彩葉草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)逐漸降低；其胚根長(zhǎng)和活力指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在NaCl濃度0-180mmoL/L范圍內(nèi)，彩葉草葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率隨NaCl脅迫強(qiáng)度的增加呈降低趨勢(shì)，至NaCl濃度180mmol/L時(shí)較對(duì)照分別降低48.08%(Pn)、49.36%(Ci)和73.51%(Tr)；而葉片胞間CO2濃度則表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，NaCl濃度20mmol/L最低，較對(duì)照降低10.20%，NaCl濃度180mmol/L時(shí)達(dá)最大值，較對(duì)照增加34.87%。在NaCl濃度0-180mmol/L范圍內(nèi)，F(xiàn)m、Fv/Fo、Fv/Fm、K+含量、K+/Na+和Mg2+/Na+隨NaCl濃度的增加呈下降趨勢(shì)，F(xiàn)o與Na+含量趨勢(shì)與之相反;Mg2+含量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)；NaCl濃度20mmol/L 時(shí)，F(xiàn)v/Fo、Fv/Fm、Fm與對(duì)照差異不顯著。Fo、Na+含量與NaCl脅迫強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，而Fv/Fo、Fv/Fm、Fm、K+含量、K+/Na+和Mg2+/Na+與之呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在濃度20mmol/LNaCl處理下，彩葉草的凈光合速率均低于對(duì)照，而此時(shí)氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度亦低于對(duì)照，這說(shuō)明引起凈光合速率下降的主要因素應(yīng)該是氣孔限制，因?yàn)榈蜐舛鹊腘aCl脅迫對(duì)植物細(xì)胞產(chǎn)生滲透脅迫，致使氣孔關(guān)閉，增加了外界CO2氣體通過(guò)氣孔向細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散的阻力，造成光合作用的底物減少，最終導(dǎo)致光合速率的下降，這與Mlrales F等[9]在大麥(HordeumvulgareL.)上的研究結(jié)果類(lèi)似。在NaCl濃度60-180mmol/L脅迫處理下，彩葉草光合速率均低于對(duì)照，此時(shí)氣孔導(dǎo)度隨脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而胞間CO2濃度表現(xiàn)出與之相反的趨勢(shì)，且明顯高于對(duì)照，這說(shuō)明此時(shí)光合速率下降的主要因子應(yīng)該是非氣孔限制，這可能是較強(qiáng)的鹽脅迫導(dǎo)致細(xì)胞中積累了大量的鹽離子，對(duì)葉綠體結(jié)構(gòu)造成損傷，使光合色素發(fā)生降解，葉綠體精細(xì)結(jié)構(gòu)遭到破壞，葉肉細(xì)胞光合性能降低[10-11]。張芬等[12]研究認(rèn)為，NaCl濃度50mmol/L時(shí)番茄(Solanumsalicina)幼苗凈光合速率高于對(duì)照，而本試驗(yàn)結(jié)果得出20-60mmol/L范圍內(nèi)彩葉草葉片凈光合速率呈降低趨勢(shì)且低于對(duì)照，可能與不同植物耐鹽性存在差異有關(guān)。

Fo為初始熒光，是光系統(tǒng)II反應(yīng)中心(PSII)處于完全開(kāi)放時(shí)的熒光水平,主要與葉綠素濃度有關(guān)。本試驗(yàn)條件下，彩葉草葉片的Fo隨NaCl濃度增加而逐漸升高，這可能是因?yàn)樘炀€色素(LHC)與PSII分離造成其不可逆升高或者是PSII受到破壞[13-14]，因此，F(xiàn)m在NaCl脅迫下逐漸降低，這可能是因?yàn)辂}脅迫對(duì)彩葉草葉片產(chǎn)生了光抑制[15]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，彩葉草Fv/Fo和Fv/Fm均隨NaCl脅迫強(qiáng)度的增加而逐漸降低，說(shuō)明彩葉草PSII反應(yīng)中心的實(shí)際光能捕獲效率逐漸降低，所捕獲的用于光化學(xué)反應(yīng)的光能逐漸減少[16]。

植物根系和莖部的耐鹽力較強(qiáng)，但是高鹽條件下的毒性效應(yīng)和滲透效應(yīng)改變了植株的營(yíng)養(yǎng)平衡[17]，葉片則會(huì)因鹽分積累過(guò)快、過(guò)多導(dǎo)致毒害或死亡[18],為此本試驗(yàn)重點(diǎn)研究了葉片中礦質(zhì)元素的變化情況。K+是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),當(dāng)植物遭受鹽脅迫時(shí)體內(nèi)的K+含量隨之發(fā)生變化。本試驗(yàn)結(jié)果表明，彩葉草葉片中K+含量隨NaCl脅迫的增強(qiáng)逐漸呈降低趨勢(shì)，且與細(xì)胞中Na+含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這應(yīng)該是細(xì)胞中較高的Na+抑制植物細(xì)胞通過(guò)低親和系統(tǒng)吸收K+所致[19]。本試驗(yàn)中，NaCl濃度在0-60mmol/L范圍內(nèi)，彩葉草細(xì)胞內(nèi)Mg2+含量隨NaCl濃度的升高而增加，這可能是低濃度脅迫下植物細(xì)胞可通過(guò)積累Mg2+等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)應(yīng)對(duì)滲透脅迫等次生傷害；而NaCl濃度在100-180mmol/L范圍內(nèi)，彩葉草細(xì)胞Mg2+呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)積累的較高的Na+對(duì)Mg2+的吸收產(chǎn)生拮抗作用，破壞了細(xì)胞內(nèi)原有的離子平衡[20]。鹽脅迫對(duì)植物產(chǎn)生的另一類(lèi)鹽害是次生鹽害，即由離子間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致的植物體內(nèi)某種元素的缺乏，并對(duì)植物的新陳代謝造成干擾[21]。鹽脅迫條件下，Na+會(huì)與其它礦物質(zhì)元素競(jìng)爭(zhēng)吸收，致使植物對(duì)某些元素的產(chǎn)生虧缺[22]。本試驗(yàn)條件下，隨著鹽脅迫強(qiáng)度的增加，K+/Na+和Mg2+/Na+逐漸降低，這表明除了NaCl產(chǎn)生的滲透脅迫打亂了植物體細(xì)胞內(nèi)的離子動(dòng)態(tài)平衡之外，還有彩葉草根系表面的K+、Mg2+被Na+置換，從而抑制了其對(duì)K+、Mg2+的吸收的原因。