鹽堿脅迫對樟子松苗期活性氧代謝生理的影響

張 林

(山西省桑干河楊樹豐產(chǎn)林實驗局科技服務中心，山西 朔州 038300)

土壤鹽堿化會顯著影響農(nóng)林產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]，因此，植物耐鹽堿機理研究成為了熱點之一[2]。不同植物種類在鹽堿條件下逆境生理存在較大差異，因此研究植物耐鹽機理可以作為選育耐鹽堿植物種類的重要標準[3]，也是判斷植物耐鹽堿能力強弱的重要依據(jù)[4]。樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica生長速度快，抗旱、抗寒能力強，在干旱與半干旱的山西省部分地區(qū)，成為防風固沙的主要樹種。目前關于樟子松耐旱方面的研究較多，關于其在鹽堿脅迫下的逆境生理研究較少[5]。已有研究表明，植物在鹽堿脅迫下，植株體內(nèi)會積累大量的活性氧(ROS)，ROS會造成細胞膜系統(tǒng)受到傷害，進而影響其功能的發(fā)揮[6]。在自然狀態(tài)下，植物體內(nèi)保護酶系統(tǒng)會維持ROS含量處于平衡狀態(tài)，但是鹽堿脅迫會打破這種平衡[7]，從而引起植物體蛋白質(zhì)變性和DNA的損傷，甚至影響DNA的復制和轉(zhuǎn)錄，有的植物體甚至會發(fā)生基因突變[8-9]。SOD與ROS代謝直接相關，H2O2含量高低直接調(diào)控SOD活性的高低，同時也會影響到植物逆境代謝生理過程[10]。因此，分析植物逆境生理活性物質(zhì)含量或者活性變化是揭示植物逆境生理機制的重要途徑。本文主要分析樟子松在鹽堿脅迫下與活性氧代謝相關逆境生理指標的變化情況，為揭示其逆境生理機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為樟子松3年生實生苗。2020年2月，將苗木移入35 cm×30 cm×30 cm塑料盆內(nèi)，每盆裝細沙30 kg。每株每2天澆蒸餾水500 mL。

1.2 試驗設計

6-8月在山西省試驗苗圃進行試驗。試驗期間每隔5 d澆營養(yǎng)液1次，營養(yǎng)液參照Utriainen方法配置[11]，每株300 mL。試驗共設4個處理，無鹽堿脅迫處理，即對照；輕度鹽堿脅迫處理(T1)，NaCl、NaHCO3質(zhì)量分數(shù)分別為0.6 g·kg-1、0.5 g·kg-1；中度鹽堿脅迫處理(T2)，NaCl、NaHCO3質(zhì)量分數(shù)分別為1.2 g·kg-1、1.0 g·kg-1；重度鹽堿脅迫處理(T3)，NaCl、NaHCO3質(zhì)量分數(shù)分別為1.8 g·kg-1、1.5 g·kg-1。

按照試驗設計，將NaCl和NaHCO3溶入1.5 L蒸餾水中，6月10日一次性澆入栽植盆，對照澆等量自來水。每個處理20盆，3次重復，各處理栽植盆隨機區(qū)組排列。試驗期間保持充足水分供應，防止出現(xiàn)旱澇災害，注意防治病蟲害。7月10日栽植盆內(nèi)除草1次。分別在鹽堿處理后的第7天、14天、21天、28天、35天取樣。每次選3株，摘取主枝自下而上第5、8、11、14、17束針葉直接放入液氮中保存，帶回實驗室后剪碎混合均勻后進行生理指標測定。

1.3 測定方法

H2O2含量和還原型谷胱甘肽(GSH)采用可見光分光光度計法測定，還原型抗壞血酸(ASA)采用TCA法測定，谷胱甘肽還原酶(GR)活性采用紫外分光光度法測定，SOD活性采用NBT還原法測定[12-13]。每項指標測定6次，結(jié)果取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理及作圖，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對樟子松苗木H2O2含量的影響

由圖1可知，隨著時間延長，對照表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，不同鹽堿處理的樟子松苗木葉片H2O2含量表現(xiàn)為一直升高的趨勢，且不同鹽堿處理的苗木葉片H2O2含量均高于對照，可見隨著時間延長鹽堿脅迫提高了樟子松苗木葉片的H2O2含量。隨著鹽堿脅迫質(zhì)量分數(shù)的增加，苗木葉片內(nèi)H2O2含量表現(xiàn)出升高的趨勢，第14 d和35 d，T3與T1和T2之間差異顯著，第28 d各鹽堿脅迫處理間差異不顯著。

注：圖中不同小寫字母表示0.05水平差異顯著。下同。

2.2 鹽堿脅迫對樟子松苗木GSH含量的影響

由圖2可知，各處理樟子松苗木葉片的GSH含量表現(xiàn)為隨著時間延長呈先升高后降低的趨勢。T1在7～21 d的苗木葉片GSH含量分別低于對照1.16 nmol·g-1、2.45 nmol·g-1、1.59 nmol·g-1，可見輕度鹽堿脅迫在7～21 d內(nèi)會使樟子松苗木葉片GSH含量降低。21 d時T2、T3樟子松苗木葉片GSH含量顯著高于對照。28～35 d各鹽堿處理的苗木葉片GSH含量均高于對照。T3在14～35 d分別比對照提高了2.66 nmol·g-1、5.53 nmol·g-1、8.00 nmol·g-1、10.08 nmol·g-1，兩者差異顯著，可見重度鹽堿脅迫會顯著提高GSH含量。在7～35 d，處理T3與T1、T2之間差異顯著。除第7 d外，T2與T1之間差異顯著。

圖2 鹽堿脅迫對樟子松苗木GSH含量的影響

2.3 鹽堿脅迫對樟子松苗木ASA含量的影響

由圖3可知，鹽堿脅迫處理后7～28 d，樟子松苗木葉片的ASA含量總趨勢是升高，35 d時T1、T3苗木葉片的ASA含量降低。T3處理分別比對照提高了2.03 μmol·g-1、5.71 μmol·g-1、8.33 μmol·g-1、7.82 μmol·g-1、8.07 μmol·g-1，兩者差異顯著，表明重度鹽堿脅迫顯著提高了樟子松苗木葉片內(nèi)的ASA含量。14～21 d，T2樟子松苗木葉片內(nèi)的ASA含量均顯著高于對照，表明中度鹽堿脅迫在14～21 d顯著提高了樟子松苗木葉片內(nèi)的ASA含量。21～28 d樟子松苗木葉片內(nèi)的ASA含量，T1顯著高于對照，表明輕度鹽堿脅迫處理能顯著提高樟子松苗木葉片的ASA含量。

2.4 鹽堿脅迫對樟子松苗木GR活性的影響

由圖4可知，樟子松苗木葉片GR活性在試驗期間表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，各處理在第21天達到最高值，表明長時間的鹽堿脅迫會導致樟子松苗木GR活性降低，不利于抗鹽堿能力的提高。

隨著鹽堿處理質(zhì)量分數(shù)的升高，GR活性逐漸降低，T3分別比對照降低了5.31 U·g-1、1.32 U·g-1、6.57 U·g-1、9.01 U·g-1、12.68 U·g-1，除14 d外，其余時間T3均顯著低于對照，表明重度鹽堿脅迫會抑制樟子松苗木GR活性；第21～35 d，T2顯著低于對照，表明中度鹽堿脅迫也會顯著降低樟子松苗木GR活性。

圖3 鹽堿脅迫對樟子松苗木ASA含量的影響

圖4 鹽堿脅迫對樟子松苗木GR活性的影響

2.5 鹽堿脅迫對樟子松苗木SOD活性的影響

由圖5可知，樟子松SOD活性表現(xiàn)為隨著鹽堿脅迫時間延長先升高后降低，各處理在28 d達到最高值，表明鹽堿脅迫超過28 d會顯著影響樟子松苗木SOD活性，對植株活性氧代謝產(chǎn)生影響。

圖5 鹽堿脅迫對樟子松苗木SOD活性的影響

從不同質(zhì)量分數(shù)的鹽堿脅迫處理來看，SOD活性隨著鹽堿脅迫程度的加重而升高，T3與對照相比分別提高了12.27%、40.89%、44.20%、31.78%和37.12%，二者差異顯著，表明重度鹽堿脅迫顯著提高了樟子松苗木葉片內(nèi)的SOD活性。14～28 d，T2、T1均顯著高于對照，表明輕度和中度鹽堿脅迫會顯著提高樟子松苗木葉片內(nèi)的SOD活性。35 d時T2顯著高于T1，表明此時中度鹽堿脅迫對SOD活性的影響顯著高于輕度鹽堿脅迫處理。T1顯著高于對照，表明輕度鹽堿脅迫持續(xù)35 d會顯著提高樟子松苗木SOD活性。

3 討 論

在鹽堿脅迫條件下植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量的活性氧，其中超氧基陰離子、單線態(tài)氧、H2O2等都是逆境條件下產(chǎn)生的含有活性氧的一種小分子化合物，由于具有極強的氧化性，其含量的升高會對植物膜系統(tǒng)產(chǎn)生較大危害[14]。從本試驗結(jié)果來看，鹽堿脅迫顯著提高了樟子松苗木葉片內(nèi)的H2O2含量，這與高明遠[15]的研究結(jié)果一致，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因與H2O2是植物體內(nèi)保護酶活性的信號分子有關，H2O2含量的升高有利于提高植物體抗氧化酶活性，防止ROS積累對植物膜系統(tǒng)產(chǎn)生危害[16-17]，因此抗氧化酶活性的升高程度可以作為判斷活性氧清除能力的指標，也可以作為篩選抗逆強弱植株和品種的指標之一。ASA-GSH途徑是植物體代謝多余H2O2的重要途徑，對于防止鹽堿脅迫下產(chǎn)生的過多H2O2對膜系統(tǒng)的危害具有重要的作用[18]，植物在逆境條件下ROS的積累提高了H2O2含量，而H2O2作為信號分子可以誘導植物體提高ASA-GSH途徑代謝H2O2能力。本試驗結(jié)果中，鹽堿脅迫持續(xù)時間超過28 d后，ASA和GSH含量均顯著高于對照，表明持續(xù)長時間的鹽堿脅迫促進了樟子松苗木葉片內(nèi)ASA和GSH合成，以利于快速代謝多余H2O2，防止膜系統(tǒng)受到危害，因此ASA和GSH含量升高是樟子松抗鹽堿能力提高的重要標志。本試驗中，在21 d之內(nèi)，輕度和中度的鹽堿脅迫處理GSH含量低于對照，馬煥成[19]研究認為這可能與SOD前期參與H2O2的代謝有關，后期由于H2O2過多積累，誘導ASA-GSH代謝途徑代謝多余的H2O2，從而導致了ASA和GSH含量的升高。GR活性與植物抗鹽堿能力高低直接相關，本試驗輕度鹽堿脅迫7～14 d高于對照，21 d之后低于對照，重度和中度鹽堿脅迫均使GR活性顯著降低，這與郭麗紅[20]的研究結(jié)果一致，說明GR活性變化也是判斷樟子松苗木抗逆性的重要指標之一。SOD與H2O2代謝直接相關，本試驗中，SOD活性在鹽堿脅迫處理14天后顯著升高，這與H2O2含量的變化趨勢一致，分析認為這與H2O2作為調(diào)節(jié)SOD活性的信號分子有關[10]。整體來看，GSH和ASA含量、GR和SOD活性變化均可以作為判斷樟子松苗木活性氧代謝能力強弱的重要指標，這對判斷不同植物抗鹽堿能力具有重要的指導意義。

4 結(jié) 論

4.1 鹽堿脅迫會提高樟子松苗木葉片內(nèi)H2O2含量，中度和輕度鹽堿脅迫在14 d內(nèi)會降低樟子松苗木GSH含量，中度和重度鹽堿脅迫21 d后會顯著提高樟子松苗木GSH含量，從而有利于提高樟子松苗木清除活性氧能力，提高抗逆性。

4.2 中度和重度鹽堿脅迫持續(xù)14 d后會顯著提高ASA含量，輕度鹽堿脅迫在35 d后ASA含量與對照處于同一水平；鹽堿脅迫顯著提高樟子松苗木葉片內(nèi)SOD活性，中度和重度鹽堿脅迫21 d后會顯著降低樟子松GR活性。

4.3 GSH和ASA含量、GR和SOD活性均與樟子松苗木活性氧代謝顯著相關，其活性變化對提高樟子松抗鹽堿能力具有顯著作用。