鹽環(huán)境對雜交樹種密胡楊生長和光合特性的影響

孫 陽，韓占江，師建銀，唐宏宥，李 康

(1.塔里木大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾 843300；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)林業(yè)工作管理總站，烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】新疆鹽堿土分布面積較大[1]，土壤次生鹽堿化程度仍在加重[2]，鹽堿地面積不斷擴(kuò)增[3]。光合作用是植物最重要的生理過程，對外界環(huán)境的變化極其敏感[4]，土壤鹽堿化是影響植物光合作用最嚴(yán)重的環(huán)境因素之一[5]，對植物的正常生理代謝和生長發(fā)育造成嚴(yán)重影響。研究鹽脅迫對植物光合作用的影響，對于闡明植物耐鹽機(jī)理、培育種植耐鹽植物有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】密胡楊(Populustalassica×P.euphratica)又被稱為胡雜[6]，是以密葉楊(P.talassica)為母本、胡楊(P.euphratica)為父本雜交選育獲得的雜交種，除具有胡楊耐寒、耐旱、耐鹽堿、抗風(fēng)沙的優(yōu)良特性外，還具有密葉楊無性繁殖能力強(qiáng)、生長速度快、材質(zhì)好等特性[7]，且外觀整齊、景觀效果好[8]，是干旱、鹽堿條件下沙荒地區(qū)控制風(fēng)沙的良好樹種[9]。【本研究切入點(diǎn)】前人研究主要集中在品種選育[10]、扦插繁育等[11,12]。作為胡楊雜交后代，目前相關(guān)研究報道還較少，研究密胡楊的葉片形態(tài)及光合特性變化特征，評價密胡楊對鹽環(huán)境的適應(yīng)性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以密胡楊作為研究對象，設(shè)置不同濃度NaCl處理，分析密胡楊葉片形態(tài)及光合特性變化，研究鹽環(huán)境下密胡楊葉片形態(tài)和光合特性的變化，為密胡楊大面積推廣種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料為2年生密胡楊，株高75～127 cm，地徑1.5 cm，冠幅50～60 cm。

1.2 方 法

1.2.1 前期處理

試驗(yàn)于2019年5月16日～8月22日在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師10團(tuán)苗木基地(81°15'32.64″E、40°34'6.14″N，海拔1 014 m)進(jìn)行。采用盆栽的方法，塑料盆規(guī)格為上口徑35 cm、下口徑19 cm、高26 cm，苗圃熟土5 kg。將長勢一致的密胡楊幼苗分成7組，每組10株，進(jìn)行NaCl處理，設(shè)置7個濃度梯度0、200、250、300、350、400、450 mmol/L，每5 d處理1次，共處理6次。處理后定期觀察密胡楊幼苗的生長情況，保持2個月相同條件生長后進(jìn)行相關(guān)形態(tài)和光合生理指標(biāo)測定，3次重復(fù)。

1.2.2 指標(biāo)測定

生長指標(biāo)：MRS-9600TFU2 掃描儀對葉片進(jìn)行掃描，采用LA-S 植物圖像分析軟件對葉片的寬度、長度、葉面積進(jìn)行測量并計算葉形指數(shù)、比葉重。比葉重：形態(tài)指標(biāo)測定后的葉片用蒸餾水清洗，晾干后用烘箱105℃殺青15～30 min，65℃烘干至恒重，稱重，計算比葉重。

葉形指數(shù)=葉片長度/葉片寬度；

葉片比葉重=葉干重/葉面積。

光合指標(biāo)：采用LI-6400便攜式光合作用系統(tǒng)，選擇晴朗無云的天氣，測定時段為09:00～11:00，植株中部葉片：凈光合速率(Pn)，蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度值(Ci)及氣孔導(dǎo)度(Gs)并計算氣孔限制值(Ls)、蒸騰比率(TR)和葉片瞬時水分利用效率(WUE)。測定時光強(qiáng)為1 100 μmol/(m2·s)，溫度為25℃左右，大氣CO2濃度(Ca)為390 μmol/mol左右，重復(fù)3次。Ls=1-Ci/Ca，TR=Tr/Pn，WUE=Pn/Tr。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行作圖，采用SPSS19.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行偏相關(guān)分析，用Duncan法對各參數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽處理對密胡楊葉片形態(tài)的影響

2.1.1 鹽處理對密胡楊葉長、葉寬及葉形指數(shù)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉長分別為5.26、5.77、4.96、4.69、5.58、5.21 cm，密胡楊對照葉長為7.02 cm，與對照葉長相比，NaCl處理后的密胡楊葉長均顯著降低。在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉寬分別為1.18、1.20、1.11、1.09、1.12、0.86 cm，對照葉寬為1.26 cm，與對照相比，除450 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉寬顯著降低，其他濃度NaCl處理的密胡楊葉寬均無顯著變化。密胡楊葉形指數(shù)對照值為5.56，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉形指數(shù)分別為4.47、4.81、4.49、4.31、4.98、6.46，與對照相比，NaCl處理的密胡楊葉形指數(shù)均無顯著變化。圖1～3

注：不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different letter mean significant difference among the treatments at the 5% level,The same as below圖1 不同NaCl處理下密胡楊葉長變化Fig.1 Effect of NaCl treatment on leaf length of P. talassica × P. euphratica

圖2 不同NaCl處理下密胡楊葉寬變化Fig.2 Effect of NaCl treatment on leaf width of P. talassica × P. euphratica

圖3 不同NaCl處理下密胡楊葉形指數(shù)變化Fig.3 Effect of NaCl treatment on leaf shape index of P. talassica × P. euphraticaa

2.1.2 鹽處理對密胡楊葉面積、比葉重的影響

研究表明，NaCl處理密胡楊葉面積變化趨勢與葉長變化基本相似，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉面積分別為5.27、5.50、4.12、4.00、5.03、4.51 cm2，密胡楊對照葉面積為7.04 cm2，與對照相比，NaCl處理的密胡楊葉面積均顯著降低。在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊比葉重分別為0.006、0.009、0.005、0.007、0.007、0.007，密胡楊對照比葉重值為0.007，與對照相比，NaCl處理的密胡楊比葉重均無顯著變化。圖4，圖5

圖4 不同NaCl處理下密胡楊葉面積變化Fig.4 Effect of NaCl treatment on leaf area of P. talassica × P. euphratica

圖5 不同NaCl處理下密胡楊比葉重變化Fig.5 Effect of NaCl treatment on leaf mass of P. talassica × P. euphratica

2.2 鹽處理對密胡楊葉片光合特性的影響

2.2.1 鹽處理對密胡楊葉片凈光合速率(Pn)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～350 mmol/L時，密胡楊葉片Pn分別為12.81、19.87、13.20、10.25 μmol/(m2·s)，在濃度為250 mmol/L時達(dá)到最大值為19.87 μmol/(m2·s)，但與對照相比，均未達(dá)到顯著水平，在NaCl為400～450 mmol/L時，密胡楊葉片Pn分別為5.97、5.64 μmol/(m2·s)，與對照相比，差異達(dá)到顯著水平。說明中低濃度的鹽環(huán)境對密胡楊凈光合速率無顯著影響，高濃度的鹽環(huán)境降低了密胡楊的凈光合速率，造成了抑制。圖6

圖6 不同NaCl處理下密胡楊凈光合速率變化Fig.6 Effect of NaCl treatment on net photosynthetic rate of P.talassica × P.euphratica

2.2.2 鹽處理對密胡楊葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)和氣孔限制值(Ls)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉片Gs分別為0.15、0.20、0.37、0.10、0.05、0.04 mol/(m2·s)，在NaCl濃度為300 mmol/L時，密胡楊Gs有最大值為0.37 mol/(m2·s)，密胡楊對照Gs為0.12 mol/(m2·s)，與對照相比，NaCl處理的密胡楊葉片Gs差異均未達(dá)到顯著水平。在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉片Ls分別為0.43、0.46、0.42、0.34、0.44、0.60，密胡楊對照Ls為0.59，與對照相比，450 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉片Ls無顯著變化，其他NaCl濃度處理的密胡楊葉片Ls顯著下降。圖7，圖8

2.2.3 鹽處理對密胡楊葉片蒸騰速率(Tr)和蒸騰比率(TR)的影響

研究表明，在NaCl濃度為300 mmol/L 時密胡楊葉片Tr為2.37 mmol/(m2·s)，與對照相比顯著升高，其他濃度處理的密胡楊葉片Tr與對照相比，差異均不顯著。NaCl處理后密胡楊葉片TR與Tr變化基本相同，與對照相比，300 mmol/L NaCl處理的的密胡楊葉片TR為0.21 mmol/μmol，與對照相比，差異達(dá)到顯著水平，其他濃度NaCl處理的密胡楊葉片TR差異未達(dá)到顯著水平。圖9，圖10

圖7 不同NaCl處理下密胡楊氣孔導(dǎo)度變化Fig.7 Effect of NaCl treatment on porosity of dense P. talassica× P. euphratica

圖8 不同NaCl處理下密胡楊氣孔限制值變化Fig.8 Effect of NaCl treatment on stomatal limit of P. talassica × P. euphratica

圖9 不同NaCl處理下密胡楊蒸騰速率變化Fig.9 Effect of NaCl treatment on transpiration rate of P. talassica × P. euphratica

圖10 不同NaCl處理下密胡楊蒸騰比率變化Fig.10 Effect of NaCl treatment on transpiration ratio of P.talassica × P.euphratica

2.2.4 鹽處理對密胡楊葉片胞間CO2濃度(Ci)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉片Ci分別為223.00、212.33、225.33、259.00、217.37、157.67 μmol/mol，密胡楊對照Ci為161.00 μmol/mol，與對照相比，在NaCl濃度為450 mmol/L時的密胡楊葉片Ci差異不顯著，其他濃度處理的密胡楊葉片Ci顯著升高。圖11

圖11 不同NaCl處理下密胡楊胞間CO2濃度變化Fig.11 Effect of NaCl treatment on intercellular CO2 concentration in P.talassica × P.euphratica

2.2.5 鹽處理對密胡楊葉片瞬時水分利用效率(WUE)的影響

研究表明，在NaCl濃度為200～450 mmol/L條件下，密胡楊葉片WUE分別為6.81、8.65、5.57、6.80、8.21、8.27 μmol/mmol，在NaCl濃度為300 mmol/L NaCl處理的的密胡楊葉片WUE有最小值為5.57 μmol/mmol，密胡楊對照WUE為10.45 μmol/mmol，與對照相比，差異達(dá)到顯著水平，其他濃度處理的密胡楊葉片WUE差異未達(dá)到顯著水平。圖12

圖12 不同NaCl處理下密胡楊瞬時水分利用效率變化Fig.12 Effect of NaCl treatment on instantaneous water use efficiency of P. talassica × P. euphratica

2.3 密胡楊光合生理指標(biāo)與葉形態(tài)指標(biāo)間偏相關(guān)性

研究表明，NaCl處理的密胡楊葉片Pn與葉寬呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，Ci與葉面積呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，TR與葉長、葉形指數(shù)、比葉重呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，Ls與葉面積呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，WUE與葉長、葉形指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。經(jīng)過NaCl處理后，密胡楊Pn隨葉寬減少而下降，Ci隨葉面積減少而增大，Ls隨著葉面積減少而下降，WUE隨著葉長減少而下降。表1

表1 光合生理指標(biāo)與形態(tài)指標(biāo)的偏相關(guān)性Table 1 Partial correlation analysis between photosynthetic physiological indexes and morphological indexes

3 討 論

鹽脅迫對植株造成的影響有：滲透脅迫、氧化脅迫、離子失調(diào)、光合作用受阻和有毒物質(zhì)積累[13,14]，導(dǎo)致植物生長速率受到抑制[15]和生物量積累降低[16]。葉片是植物進(jìn)行光合作用的重要器官，葉性狀可以反映植物本身的生長狀況以及對生存環(huán)境的適應(yīng)性，是植物生理生態(tài)特性以及對環(huán)境變化適應(yīng)性的重要指標(biāo)[17]，在一定濃度的NaCl環(huán)境下，密胡楊葉片表現(xiàn)出鹽害癥狀如葉片變黃、脫落等。研究發(fā)現(xiàn)，密胡楊在NaCl處理后葉長顯著降低，在NaCl濃度450 mmol/L時密胡楊葉寬顯著降低，這與姚俠妹等[5]研究結(jié)果相似?；诿芎鷹钊~長、葉寬數(shù)據(jù)的變化情況，葉面積降低的主要原因在于鹽環(huán)境中葉長生長受抑制程度大于葉寬生長受抑制程度，因此，密胡楊葉片在高濃度鹽環(huán)境中呈現(xiàn)葉形窄小，但尚未造成葉形的變化。植物葉片發(fā)育的過程是植物內(nèi)部因素和外部因素共同作用的結(jié)果，植物葉片大小與細(xì)胞增值和擴(kuò)大的能力有很大的相關(guān)性，影響細(xì)胞增值和擴(kuò)大的因子也影響植物葉片的發(fā)育[18]。密胡楊葉片大小與內(nèi)源激素、遺傳調(diào)控等的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。密胡楊葉片的生長隨著NaCl濃度的增大受到影響，高濃度NaCl處理抑制密胡楊葉片生長，進(jìn)而影響其形態(tài)和光合作用。

植物光合作用對鹽脅迫的響應(yīng)是復(fù)雜的[19]，光合速率越大，植物光合作用越強(qiáng)[20]。影響Pn的因素主要有Gs、Ci和Tr，共同作用以保障光合作用的順利進(jìn)行[21]。馬煥成等[22]研究發(fā)現(xiàn)，用濃度200 mmol/L NaCl處理胡楊和雜種胡楊，從第5 d開始，雜種胡楊Pn一直保持顯著下降，而胡楊Pn至第10 d才顯著下降，隨后進(jìn)入緩慢的恢復(fù)過程，研究中200 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉片Pn無顯著變化。趙靚等[23]、王旭明等[24]認(rèn)為植株P(guān)n隨著鹽濃度增加而下降，研究發(fā)現(xiàn)200～350 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉片Pn無顯著變化，400～450 mmol/L NaCl處理的密胡楊葉片Pn呈現(xiàn)顯著降低，這與趙靚、王旭明等[23，24]研究結(jié)果基本一致。Farquhar等[25]研究認(rèn)為，植物葉片Pn降低的同時Gs和Ci降低而Ls增高，葉片氣孔為主要影響因素；植物葉片Pn降低的同時Ci增高，此時葉肉細(xì)胞光合活性為主導(dǎo)因素。劉遵春等[26]認(rèn)為脅迫下金光杏梅光合速率降低Gs減小，而Ci升高，非氣孔因素是脅迫金光杏梅光合速率下降的主要原因。鄭國琦等[27]研究認(rèn)為，在低濃度NaCl處理?xiàng)l件下Pn下降主要受葉片氣孔制約，在高濃度NaCl環(huán)境條件下Pn下降主要受光合酶活性制約，植物體內(nèi)Na+和Cl-的大量積累，對光合酶產(chǎn)生毒害作用，導(dǎo)致光合酶活性降低，Pn下降。高濃度NaCl環(huán)境會導(dǎo)致PEP羧化酶和RuBP羧化活性降低[28]，葉綠素和類胡蘿卜素含量降低[29]，氣孔開度減少，氣孔阻力增大，光合速率下降[14]。密胡楊光合作用酶、光合色素等與鹽環(huán)境關(guān)系還需進(jìn)一步研究。研究中，與對照相比，在NaCl濃度為200～350 mmol/L時Pn、Gs無顯著變化，Ci升高，在NaCl濃度為400～450 mmol/L時Pn下降伴隨Ci升高，在 NaCl濃度為450 mmol/L時Pn下降伴隨Ci下降和Ls升高。結(jié)果表明，密胡楊對于濃度300 mmol/L NaCl環(huán)境會加快Tr、TR升高，WUE降低；密胡楊在NaCl濃度為450 mmol/L時WUE增加。在 NaCl濃度為350～400 mmol/L時影響密胡楊葉片光合速率主要原因是非氣孔因素即葉肉細(xì)胞光合活性降低；在NaCl濃度為450 mmol/L時影響密胡楊葉片光合速率主要為氣孔因素。李菊艷等[30]研究認(rèn)為，在濃度為500 mmol/L NaCl環(huán)境中胡楊幼苗通過氣孔調(diào)節(jié)提高WUE，降低了鹽分對胡楊幼苗的損傷。秦景等[31]研究認(rèn)為沙棘幼苗能在 NaCl濃度為200～400 mmol/L的條件下保持水分的高效利用。研究認(rèn)為，在在 NaCl濃度為450 mmol/L環(huán)境時密胡楊通過增大葉片氣孔阻力，阻礙氣孔開放，導(dǎo)致Tr降低，從而提高密胡楊WUE，確保密胡楊在高濃度NaCl條件下正常光合作用，這與李艷菊、秦景等[30，31]研究結(jié)果基本一致。密胡楊對鹽環(huán)境有一定抵御能力，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽性。

4 結(jié) 論

鹽環(huán)境(200～450 mmol/L NaCl)對密胡楊葉長有顯著抑制作用，高濃度鹽環(huán)境(450 mmol/L NaCl)對密胡楊葉寬有顯著抑制作用，葉形窄小，但葉形尚未改變。密胡楊在中低濃度的鹽環(huán)境下(0～350 mmol/L NaCl)能夠保持正常凈光合速率，在高濃度鹽環(huán)境(400～450 mmol/L NaCl)下仍保持較高凈光合速率。密胡楊對鹽環(huán)境有一定的抵御能力，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐鹽性，可作為新疆鹽堿地區(qū)種植的優(yōu)良樹種。