模擬鹽脅迫對杉幼苗生理特性的影響

土壤鹽分在世界范圍內廣泛存在，尤其是在相對干燥的地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計,世界范圍內的鹽堿地面積大約為9.54億hm荻(Miscanthussacchariflorus)是禾本科(Gra-mineae)多年生草本C1材料和方法1.1種子儲藏柜本試驗所用的荻種子于2012年10月采自哈爾濱市太陽島風景區(qū)(45°47′09″N,126°35′28″E)外圍,種子采完后保存于東北林業(yè)大學園林學院種子儲藏柜中,備用。2013年5月將荻種子播于穴盤中,放于東北林業(yè)大學園林學院110室光照培養(yǎng)箱內進行初期育苗,1個月后移栽于10cm×10cm的培養(yǎng)缽中,培養(yǎng)基質按照壤土、蛭石、河沙3∶1∶1的比例配置,并將苗缽搬運到園林學院苗圃溫室內繼續(xù)培養(yǎng)1年。1.2不同濃度的鹽堿液對鹽堿地灌木生長情況的影響2014年5月在培養(yǎng)1年后的荻幼苗中選取生長健壯、長勢一致的幼苗進行復合鹽堿脅迫處理。脅迫處理之前,將培養(yǎng)缽的排水孔堵住,確保復合鹽堿液不外流。本試驗模擬中國東北大慶鹽堿地的鹽堿土壤環(huán)境,預試驗設置了3個處理組(L1、L2、M),荻幼苗生長情況變化不大,故增設2個處理組。試驗共分為5個處理組和1個對照組(CK),處理組分別用不同濃度的復合鹽堿液澆灌(表1),每次200mL,每5d澆灌1次,對照組(CK)用等量的蒸餾水灌溉。每組處理60盆,分別在處理后第0、5、10、15、20、25天取樣(葉片和根系),測定各組荻幼苗相關生理指標。1.3指標和方法的測量葉綠素含量測定主要采用乙醇浸提法1.4數(shù)據(jù)分析試驗數(shù)據(jù)的處理、Duncan多重比較分析、顯著性分析、方差分析及相關性分析均采用SPSS19.0以及Excel2007軟件。2結果與分析2.1復合堿性脅迫對銀芽的養(yǎng)分含量和根系的活力的影響2.1.1鹽堿脅迫下的鹽堿性以上結果說明,荻幼苗生長在低濃度復合鹽堿脅迫下沒有受到顯著影響,表現(xiàn)出一定的耐鹽堿性;但高濃度復合鹽堿脅迫已經嚴重影響到其正常的光合作用和根系吸收,抑制其生長發(fā)育。2.2復合堿性脅迫對銀苗的相對電導率和mda含量的影響2.2.1相對電導率2.2.2sda包括2.3植物體內的保護酶系統(tǒng)當植物受到逆境脅迫時,體內的活性氧以及自由基會增多,植物體內的保護酶系統(tǒng)就會對其進行清除。這種保護酶系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)。2.3.2復合鹽堿脅迫對植株的影響以上結果說明,低濃度復合鹽堿脅迫沒有對荻幼苗生長造成顯著影響,但高濃度復合鹽堿脅迫已經嚴重破壞了細胞膜系統(tǒng),同時膜脂質過氧化程度超出其耐受范圍,最終導致植株死亡。2.4復合堿性脅迫對銀苗asa-gh循環(huán)中非酶活性物質含量的影響2.4.1抗壞血酸含量2.4.2有關谷胱甘醇含量2.5復合堿性脅迫對銀苗asa-gsh循環(huán)中的氧化酶活性影響2.5.1抗壞死酸氧化酶活性2.5.2鹽堿性的測定以上結果說明,荻幼苗生長在低濃度復合鹽堿脅迫下沒有受到顯著影響,表現(xiàn)出一定的耐鹽堿性;但高濃度復合鹽堿脅迫對植株造成的傷害已超出其抗逆能力,植株無法維持體內的代謝平衡,最終導致植株死亡。3復合鹽堿脅迫對植物根系活力的影響黑龍江大慶地區(qū)的土地鹽堿化對植物造成的傷害主要是由于鹽堿的過度積累造成土壤顆粒較為分散,土壤不斷膨大化,造成土壤的透水性、相對含水量、吸水速度以及水力傳導度相應降低,從而造成土壤理化性質惡化,土壤結構黏連,透氣性變差微生物活動較少,滲透系數(shù)變低,導致植物植株發(fā)生生理干旱,生長不良。本研究通過模擬中國東北大慶鹽堿地的土壤環(huán)境,基本界定荻幼苗的復合鹽堿耐受范圍,以期能為今后荻類能源植物的耐鹽堿性篩選和在園林中的應用提供理論依據(jù)。在以往的研究中,多以NaCl為脅迫指標葉綠素是進行光合作用的物質基礎,葉綠素含量的高低在一定程度上可以反映植物光合作用的強弱同時,由于離子毒害和滲透脅迫作用,鹽脅迫會對植物的膜系統(tǒng)造成傷害根系活力的大小可以在很大程度上反映出根系生命活動的強弱,根系活力越大,呼吸作用越強。當植物處于鹽堿脅迫下時,為了平衡細胞滲透勢,提高保護酶的活性并及時清除活性氧,需要積累足夠的滲透調節(jié)物質,這些適應過程或抵御鹽堿脅迫的過程都將損耗大量的能量,而一定程度的鹽堿脅迫會刺激植物根系的呼吸作用,從而能獲得更多的能量以適應周圍的環(huán)境,那么其根系活力也必然增大。在本研究中,荻幼苗根系活力在低濃度的鹽堿處理時呈現(xiàn)出緩慢升高的趨勢,說明較低濃度的鹽堿處理促進了根活力的提升,此時荻幼苗植株生長良好。而在高濃度處理的初期,由于荻幼苗根系沒有立即適應高濃度的復合鹽堿環(huán)境,根活力有所下降;隨后為抵御外界的高濃度鹽堿環(huán)境,根系活力再次升高;最后,根活力又急劇降低,說明此時荻幼苗根系已受到嚴重破壞,無法適應逆境環(huán)境,植株死亡。這與4種繡線菊綜上所述,荻幼苗能夠抵抗低、中濃度的復合鹽堿脅迫,這與其自身的滲透物質調節(jié)、膜結構以及相關保護酶系統(tǒng)有著密切關系。荻幼苗通過調節(jié)自身相關保護酶系統(tǒng)活性和抗氧化物質積累來抵御來自外界鹽堿脅迫,清除體內過多活性氧和自由基,保護細胞結構不被破壞。在高濃度鹽堿脅迫條件下,荻幼苗細胞膜結構和保護酶系統(tǒng)會遭到嚴重破壞,造成生長調節(jié)機制紊亂,使其植株不能正常生長。植物耐鹽堿生理指標的評價和分析是一種較為有效的選擇耐鹽堿植物的方法,要想系統(tǒng)研究荻的耐鹽堿性,不僅要考慮到荻的不同生長階段、進行鹽堿脅迫的時間,還要考慮不同個體間的差異。同時,荻的耐鹽堿性篩選主要是為了將來的園林應用,而具有園林觀賞價值的主要是成苗期的花絮,本實驗只是探究了復合鹽堿脅迫對荻幼苗生長的影響,并沒有深入研究復合鹽堿脅迫是否影響其開花等其他生理過程。因此,僅憑實驗室測定的幾個生理指標進行荻的耐鹽堿性評價是不全面的,我們有必要對荻做更全面的比較分析,才能明確其耐鹽堿本質。葉綠素是植物進行光合作用的主要色素,主要發(fā)揮吸收、傳遞以及轉化光能的作用,復合鹽堿脅迫對植物光合作用的影響將直接體現(xiàn)在植物體內葉綠素的含量的變化上。如圖1,A所示,隨著復合鹽堿脅迫時間的延長,荻幼苗葉綠素含量在低濃度鹽堿處理(L1、L2)下基本無變化,而在中高濃度鹽堿處理時開始呈現(xiàn)出下降趨勢,且濃度越大下降趨勢越明顯,中高濃度處理(M、H1、H2)分別在脅迫25、15和5d與同期對照存在顯著性差異(P<0.05)。另外,隨著鹽堿脅迫處理濃度的加大,荻幼苗長勢逐漸變弱,葉片逐漸變黃、枯萎,生長受到的鹽堿脅迫傷害逐漸加重,直至葉片基本全部變黃、植株死亡(圖2,A~F),基本與葉綠素含量的測定結果相符。2.1.2復合鹽堿脅迫對行生落物相對電導率的影響植物的根系是植物最重要的吸收合成器官,直接影響植物的生長。逆境中植物體內過氧化物和自由基就會積累,加快植物根系衰老氧化,因此植物的根活力大小將反映出植物體內過氧化物和自由基的含量。圖1,B顯示,隨著復合鹽堿脅迫時間的延長,荻幼苗根系活力在中低濃度處理(L1、L2、M)下呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢,而在高濃度處理(H1、H2)下則呈現(xiàn)出先降低后升高再降低的變化趨勢。其中,低濃度處理(L1、L2)荻幼苗根活力與同期對照始終無顯著差異;而中高濃度處理(M、H1、H2)根活力與同期對照相比變化幅度增大,且在高濃度處理(H1、H2)后期顯著低于同期對照組,說明此時荻幼苗根系已經遭受嚴重活性氧傷害,致其植株死亡。植物在受到逆境脅迫時,其細胞膜結構一般會受到破壞,膜透性增大,細胞膜內各種離子滲出,從而引起相對電導率的變化,因而通過測定相對電導率能推斷出細胞膜的受害程度。如圖3,A所示,隨著復合鹽堿脅迫時間的延長,荻幼苗相對電導率呈現(xiàn)出不斷升高的趨勢。在L1處理下,荻幼苗相對電導率一直保持平穩(wěn)升高,且與對照組(CK)相差不大,說明濃度L1下的復合鹽堿脅迫處理幾乎不會對荻幼苗的膜系統(tǒng)造成危害。隨著鹽堿濃度的不斷增大和脅迫時間的不斷延長,荻幼苗相對電導率的升高趨勢越來越明顯,尤其是中高濃度處理顯著高于同期對照和低濃度處理。其中在高濃度H2處理后期,荻幼苗膜系統(tǒng)被徹底破壞,導致其植株死亡。植物在逆境下,其細胞膜一般會發(fā)生膜脂過氧化作用,MDA是膜脂過氧化的最終產物,其含量的高低將明顯體現(xiàn)植物的受害程度。在各濃度復合鹽堿處理下,荻幼苗MDA含量均隨著時間的延長有所升高,但升高的幅度不同(圖3,B)。其中,在低濃度鹽堿處理下,荻幼苗MDA含量均與對照組(CK)相差不大,說明此時復合鹽堿脅迫對荻幼苗的膜脂過氧化影響很小;在中濃度鹽堿處理時,荻幼苗MDA含量在處理20d時迅速升高,并顯著高于對照,說明此時荻幼苗的膜脂過氧化程度開始加劇;在高濃度鹽堿處理下,荻幼苗體內MDA含量迅速升高,且幅度很大,并始終顯著高于對照和低濃度處理,說明此時荻幼苗的膜脂質過氧化程度已經超過了它的承受極限,最終會導致植株死亡。2.3.1鹽堿脅迫對數(shù)據(jù)保護下行及其他抗氧化酶系統(tǒng)pod活性的影響SOD是植物界普遍存在的一種含金屬酶,它的主要作用是防止細胞膜被活性氧和其他過氧化物破壞。隨著復合鹽堿脅迫時間的延長,各濃度處理荻幼苗體內SOD活性均呈先上升后下降的變化趨勢,只是變化的幅度和達到峰值的時間不同;隨著鹽堿脅迫程度的增強,各處理的SOD活性峰值逐漸升高,達到峰值時間逐漸前移(圖4,A)。其中,濃度鹽堿脅迫處理(H1、H2)荻幼苗SOD活性在處理第25天時已顯著低于對照組,說明此時荻幼苗體內負氧離子的積累使膜脂過氧化程度加劇,嚴重損傷了荻幼苗的膜系統(tǒng),導致幼苗死亡。過氧化物酶(POD)是一種能夠反映出植物體內代謝狀況和對外界環(huán)境適應性的酶,逆境能夠促使POD活性增高。如圖4,B所示,隨著鹽堿脅迫時間的延長,荻幼苗POD活性在低濃度處理(L1、L2)下與對照組(CK)相比變化趨勢不明顯,而在中高濃度處理(M、H1、H2)下均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,并分別在處理的第20、15、10天達到最大值。在高濃度鹽堿理后期(第25天),荻幼苗POD活性均顯著低于對照組(P<0.05),說明此時過氧化物的積累已經達到了荻幼苗的忍受極限,導致其植株死亡。2.3.3不同鹽堿脅迫對行為表現(xiàn)的影響過氧化氫酶(CAT)也是植物體內一種普遍存在的抗氧化酶,并且是一系列抗氧化酶中的最后一道防線,能夠有效清除植物體內過多的過氧化氫。如圖4,C所示,隨著復合鹽堿脅迫時間的延長,荻幼苗CAT活性在低濃度鹽堿脅迫處理(L1、L2)下呈現(xiàn)出不斷升高的趨勢,而在中高濃度處理(M、H1、H2)下則是先上升后下降,并且在高濃度處理(H1、H2)的第25天顯著低于對照(P<0.05),說明此時荻幼苗體內的CAT已經失去活性,喪失了對幼苗的保護能力,造成植株死亡?？箟难?ASA)是植物體內普遍存在的一種小分子物質,在植物抗氧化以及清除自由基方面起到重要作用,并且影響著植物的光合作用。如圖5,A所示,隨著復合鹽堿脅迫時間的延長,荻幼苗體內的ASA含量L1濃度脅迫處理下呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢,但與對照始終無顯著性差異;其余處理均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,其峰值隨濃度的增加而升高,峰值出現(xiàn)時間隨濃度增加而提前。其中,荻幼苗體內的ASA含量在L1濃度處理下總體來說與對照組(CK)相差不大,說明此時荻幼苗植株沒有受到傷害;在L2和M濃度處理下,荻幼苗體內的ASA含量始終高于對照,并在中期達到顯著水平;而高濃度脅迫處理下,荻幼苗體內的ASA含量在處理第5天就開始迅速升高,并明顯高于對照組(CK),在第10天以后快速明顯下降,在第25天已稍微低于對照組。說明高濃度處理荻幼苗在后期受到復合鹽堿脅迫損害的程度增大。谷胱甘肽(GSH)在植物抗逆性方面起到了尤為重要的作用,并與植物在逆境下的耐受能力密切相關。如圖5,B所示,隨著復合鹽堿脅迫時間的延長,各濃度處理下荻幼苗體內的GSH含量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。其中,低濃度鹽堿脅迫處理(L1、L2)下,荻幼苗體內的GSH含量與對照組(CK)始終相差不大;從中濃度處理開始,荻幼苗體內的GSH含量的升高降低幅度明顯增大,其峰值隨濃度的增加而升高,峰值出現(xiàn)時間隨濃度增加而提前;在處理第25天時,荻幼苗GSH含量在H1處理下基本與對照組(CK)持平,而H2處理下略低于對照組(CK),但均未達到顯著水平。說明在中高濃度鹽堿脅迫處理下荻幼苗生長已經受到很嚴重的損害,尤其是H2處理后期可能導致植株死亡?？箟难徇^氧化物酶(APX)是植物體內重要的抗氧化酶,它能夠清除葉綠體內的過氧化氫,并且維持抗壞血酸代謝的平衡。隨著復合鹽堿脅迫時間的延長,荻幼苗APX活性在各濃度處理下均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,中低濃度處理在第15天達到峰值,而高濃度處理則在第10天達到峰值(圖6,A)。其中,荻幼苗APX活性處理第5-20天均高于對照,并在第10~15天多達到顯著水平;在處理末期,濃度處理APX活性均顯著低于對照組,說明此時復合鹽堿脅迫對荻幼苗植株造成了嚴重的傷害,其體內的APX活性已經嚴重失活,導致植株死亡。谷胱甘肽還原酶(GR)也是植物體內一種重要的抗氧化酶,其功能和