盐环境对杂交树种密胡杨生长和光合特性的影响

孙 阳，韩占江，师建银，唐宏宥，李 康

(1.塔里木大学生命科学学院/新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室，新疆阿拉尔 843300；2.新疆生产建设兵团林业工作管理总站，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

【研究意义】新疆盐碱土分布面积较大[1]，土壤次生盐碱化程度仍在加重[2]，盐碱地面积不断扩增[3]。光合作用是植物最重要的生理过程，对外界环境的变化极其敏感[4]，土壤盐碱化是影响植物光合作用最严重的环境因素之一[5]，对植物的正常生理代谢和生长发育造成严重影响。研究盐胁迫对植物光合作用的影响，对于阐明植物耐盐机理、培育种植耐盐植物有重要意义。【前人研究进展】密胡杨(Populustalassica×P.euphratica)又被称为胡杂[6]，是以密叶杨(P.talassica)为母本、胡杨(P.euphratica)为父本杂交选育获得的杂交种，除具有胡杨耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙的优良特性外，还具有密叶杨无性繁殖能力强、生长速度快、材质好等特性[7]，且外观整齐、景观效果好[8]，是干旱、盐碱条件下沙荒地区控制风沙的良好树种[9]。【本研究切入点】前人研究主要集中在品种选育[10]、扦插繁育等[11,12]。作为胡杨杂交后代，目前相关研究报道还较少，研究密胡杨的叶片形态及光合特性变化特征，评价密胡杨对盐环境的适应性。【拟解决的关键问题】以密胡杨作为研究对象，设置不同浓度NaCl处理，分析密胡杨叶片形态及光合特性变化，研究盐环境下密胡杨叶片形态和光合特性的变化，为密胡杨大面积推广种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

材料为2年生密胡杨，株高75～127 cm，地径1.5 cm，冠幅50～60 cm。

1.2 方 法

1.2.1 前期处理

试验于2019年5月16日～8月22日在新疆生产建设兵团第一师10团苗木基地(81°15'32.64″E、40°34'6.14″N，海拔1 014 m)进行。采用盆栽的方法，塑料盆规格为上口径35 cm、下口径19 cm、高26 cm，苗圃熟土5 kg。将长势一致的密胡杨幼苗分成7组，每组10株，进行NaCl处理，设置7个浓度梯度0、200、250、300、350、400、450 mmol/L，每5 d处理1次，共处理6次。处理后定期观察密胡杨幼苗的生长情况，保持2个月相同条件生长后进行相关形态和光合生理指标测定，3次重复。

1.2.2 指标测定

生长指标：MRS-9600TFU2 扫描仪对叶片进行扫描，采用LA-S 植物图像分析软件对叶片的宽度、长度、叶面积进行测量并计算叶形指数、比叶重。比叶重：形态指标测定后的叶片用蒸馏水清洗，晾干后用烘箱105℃杀青15～30 min，65℃烘干至恒重，称重，计算比叶重。

叶形指数=叶片长度/叶片宽度；

叶片比叶重=叶干重/叶面积。

光合指标：采用LI-6400便携式光合作用系统，选择晴朗无云的天气，测定时段为09:00～11:00，植株中部叶片：净光合速率(Pn)，蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度值(Ci)及气孔导度(Gs)并计算气孔限制值(Ls)、蒸腾比率(TR)和叶片瞬时水分利用效率(WUE)。测定时光强为1 100 μmol/(m2·s)，温度为25℃左右，大气CO2浓度(Ca)为390 μmol/mol左右，重复3次。Ls=1-Ci/Ca，TR=Tr/Pn，WUE=Pn/Tr。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel 2010软件进行作图，采用SPSS19.0统计软件进行偏相关分析，用Duncan法对各参数进行显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 盐处理对密胡杨叶片形态的影响

2.1.1 盐处理对密胡杨叶长、叶宽及叶形指数的影响

研究表明，在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨叶长分别为5.26、5.77、4.96、4.69、5.58、5.21 cm，密胡杨对照叶长为7.02 cm，与对照叶长相比，NaCl处理后的密胡杨叶长均显著降低。在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨叶宽分别为1.18、1.20、1.11、1.09、1.12、0.86 cm，对照叶宽为1.26 cm，与对照相比，除450 mmol/L NaCl处理的密胡杨叶宽显著降低，其他浓度NaCl处理的密胡杨叶宽均无显著变化。密胡杨叶形指数对照值为5.56，在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨叶形指数分别为4.47、4.81、4.49、4.31、4.98、6.46，与对照相比，NaCl处理的密胡杨叶形指数均无显著变化。图1～3

注：不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different letter mean significant difference among the treatments at the 5% level,The same as below图1 不同NaCl处理下密胡杨叶长变化Fig.1 Effect of NaCl treatment on leaf length of P. talassica × P. euphratica

图2 不同NaCl处理下密胡杨叶宽变化Fig.2 Effect of NaCl treatment on leaf width of P. talassica × P. euphratica

图3 不同NaCl处理下密胡杨叶形指数变化Fig.3 Effect of NaCl treatment on leaf shape index of P. talassica × P. euphraticaa

2.1.2 盐处理对密胡杨叶面积、比叶重的影响

研究表明，NaCl处理密胡杨叶面积变化趋势与叶长变化基本相似，在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨叶面积分别为5.27、5.50、4.12、4.00、5.03、4.51 cm2，密胡杨对照叶面积为7.04 cm2，与对照相比，NaCl处理的密胡杨叶面积均显著降低。在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨比叶重分别为0.006、0.009、0.005、0.007、0.007、0.007，密胡杨对照比叶重值为0.007，与对照相比，NaCl处理的密胡杨比叶重均无显著变化。图4，图5

图4 不同NaCl处理下密胡杨叶面积变化Fig.4 Effect of NaCl treatment on leaf area of P. talassica × P. euphratica

图5 不同NaCl处理下密胡杨比叶重变化Fig.5 Effect of NaCl treatment on leaf mass of P. talassica × P. euphratica

2.2 盐处理对密胡杨叶片光合特性的影响

2.2.1 盐处理对密胡杨叶片净光合速率(Pn)的影响

研究表明，在NaCl浓度为200～350 mmol/L时，密胡杨叶片Pn分别为12.81、19.87、13.20、10.25 μmol/(m2·s)，在浓度为250 mmol/L时达到最大值为19.87 μmol/(m2·s)，但与对照相比，均未达到显著水平，在NaCl为400～450 mmol/L时，密胡杨叶片Pn分别为5.97、5.64 μmol/(m2·s)，与对照相比，差异达到显著水平。说明中低浓度的盐环境对密胡杨净光合速率无显著影响，高浓度的盐环境降低了密胡杨的净光合速率，造成了抑制。图6

图6 不同NaCl处理下密胡杨净光合速率变化Fig.6 Effect of NaCl treatment on net photosynthetic rate of P.talassica × P.euphratica

2.2.2 盐处理对密胡杨叶片气孔导度(Gs)和气孔限制值(Ls)的影响

研究表明，在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨叶片Gs分别为0.15、0.20、0.37、0.10、0.05、0.04 mol/(m2·s)，在NaCl浓度为300 mmol/L时，密胡杨Gs有最大值为0.37 mol/(m2·s)，密胡杨对照Gs为0.12 mol/(m2·s)，与对照相比，NaCl处理的密胡杨叶片Gs差异均未达到显著水平。在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨叶片Ls分别为0.43、0.46、0.42、0.34、0.44、0.60，密胡杨对照Ls为0.59，与对照相比，450 mmol/L NaCl处理的密胡杨叶片Ls无显著变化，其他NaCl浓度处理的密胡杨叶片Ls显著下降。图7，图8

2.2.3 盐处理对密胡杨叶片蒸腾速率(Tr)和蒸腾比率(TR)的影响

研究表明，在NaCl浓度为300 mmol/L 时密胡杨叶片Tr为2.37 mmol/(m2·s)，与对照相比显著升高，其他浓度处理的密胡杨叶片Tr与对照相比，差异均不显著。NaCl处理后密胡杨叶片TR与Tr变化基本相同，与对照相比，300 mmol/L NaCl处理的的密胡杨叶片TR为0.21 mmol/μmol，与对照相比，差异达到显著水平，其他浓度NaCl处理的密胡杨叶片TR差异未达到显著水平。图9，图10

图7 不同NaCl处理下密胡杨气孔导度变化Fig.7 Effect of NaCl treatment on porosity of dense P. talassica× P. euphratica

图8 不同NaCl处理下密胡杨气孔限制值变化Fig.8 Effect of NaCl treatment on stomatal limit of P. talassica × P. euphratica

图9 不同NaCl处理下密胡杨蒸腾速率变化Fig.9 Effect of NaCl treatment on transpiration rate of P. talassica × P. euphratica

图10 不同NaCl处理下密胡杨蒸腾比率变化Fig.10 Effect of NaCl treatment on transpiration ratio of P.talassica × P.euphratica

2.2.4 盐处理对密胡杨叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响

研究表明，在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨叶片Ci分别为223.00、212.33、225.33、259.00、217.37、157.67 μmol/mol，密胡杨对照Ci为161.00 μmol/mol，与对照相比，在NaCl浓度为450 mmol/L时的密胡杨叶片Ci差异不显著，其他浓度处理的密胡杨叶片Ci显著升高。图11

图11 不同NaCl处理下密胡杨胞间CO2浓度变化Fig.11 Effect of NaCl treatment on intercellular CO2 concentration in P.talassica × P.euphratica

2.2.5 盐处理对密胡杨叶片瞬时水分利用效率(WUE)的影响

研究表明，在NaCl浓度为200～450 mmol/L条件下，密胡杨叶片WUE分别为6.81、8.65、5.57、6.80、8.21、8.27 μmol/mmol，在NaCl浓度为300 mmol/L NaCl处理的的密胡杨叶片WUE有最小值为5.57 μmol/mmol，密胡杨对照WUE为10.45 μmol/mmol，与对照相比，差异达到显著水平，其他浓度处理的密胡杨叶片WUE差异未达到显著水平。图12

图12 不同NaCl处理下密胡杨瞬时水分利用效率变化Fig.12 Effect of NaCl treatment on instantaneous water use efficiency of P. talassica × P. euphratica

2.3 密胡杨光合生理指标与叶形态指标间偏相关性

研究表明，NaCl处理的密胡杨叶片Pn与叶宽呈显著正相关(P<0.05)，Ci与叶面积呈极显著负相关(P<0.01)，TR与叶长、叶形指数、比叶重呈显著负相关(P<0.05)，Ls与叶面积呈极显著正相关(P<0.01)，WUE与叶长、叶形指数呈极显著正相关(P<0.01)。经过NaCl处理后，密胡杨Pn随叶宽减少而下降，Ci随叶面积减少而增大，Ls随着叶面积减少而下降，WUE随着叶长减少而下降。表1

表1 光合生理指标与形态指标的偏相关性Table 1 Partial correlation analysis between photosynthetic physiological indexes and morphological indexes

3 讨 论

盐胁迫对植株造成的影响有：渗透胁迫、氧化胁迫、离子失调、光合作用受阻和有毒物质积累[13,14]，导致植物生长速率受到抑制[15]和生物量积累降低[16]。叶片是植物进行光合作用的重要器官，叶性状可以反映植物本身的生长状况以及对生存环境的适应性，是植物生理生态特性以及对环境变化适应性的重要指标[17]，在一定浓度的NaCl环境下，密胡杨叶片表现出盐害症状如叶片变黄、脱落等。研究发现，密胡杨在NaCl处理后叶长显著降低，在NaCl浓度450 mmol/L时密胡杨叶宽显著降低，这与姚侠妹等[5]研究结果相似。基于密胡杨叶长、叶宽数据的变化情况，叶面积降低的主要原因在于盐环境中叶长生长受抑制程度大于叶宽生长受抑制程度，因此，密胡杨叶片在高浓度盐环境中呈现叶形窄小，但尚未造成叶形的变化。植物叶片发育的过程是植物内部因素和外部因素共同作用的结果，植物叶片大小与细胞增值和扩大的能力有很大的相关性，影响细胞增值和扩大的因子也影响植物叶片的发育[18]。密胡杨叶片大小与内源激素、遗传调控等的关系有待进一步研究。密胡杨叶片的生长随着NaCl浓度的增大受到影响，高浓度NaCl处理抑制密胡杨叶片生长，进而影响其形态和光合作用。

植物光合作用对盐胁迫的响应是复杂的[19]，光合速率越大，植物光合作用越强[20]。影响Pn的因素主要有Gs、Ci和Tr，共同作用以保障光合作用的顺利进行[21]。马焕成等[22]研究发现，用浓度200 mmol/L NaCl处理胡杨和杂种胡杨，从第5 d开始，杂种胡杨Pn一直保持显著下降，而胡杨Pn至第10 d才显著下降，随后进入缓慢的恢复过程，研究中200 mmol/L NaCl处理的密胡杨叶片Pn无显著变化。赵靓等[23]、王旭明等[24]认为植株Pn随着盐浓度增加而下降，研究发现200～350 mmol/L NaCl处理的密胡杨叶片Pn无显著变化，400～450 mmol/L NaCl处理的密胡杨叶片Pn呈现显著降低，这与赵靓、王旭明等[23，24]研究结果基本一致。Farquhar等[25]研究认为，植物叶片Pn降低的同时Gs和Ci降低而Ls增高，叶片气孔为主要影响因素；植物叶片Pn降低的同时Ci增高，此时叶肉细胞光合活性为主导因素。刘遵春等[26]认为胁迫下金光杏梅光合速率降低Gs减小，而Ci升高，非气孔因素是胁迫金光杏梅光合速率下降的主要原因。郑国琦等[27]研究认为，在低浓度NaCl处理条件下Pn下降主要受叶片气孔制约，在高浓度NaCl环境条件下Pn下降主要受光合酶活性制约，植物体内Na+和Cl-的大量积累，对光合酶产生毒害作用，导致光合酶活性降低，Pn下降。高浓度NaCl环境会导致PEP羧化酶和RuBP羧化活性降低[28]，叶绿素和类胡萝卜素含量降低[29]，气孔开度减少，气孔阻力增大，光合速率下降[14]。密胡杨光合作用酶、光合色素等与盐环境关系还需进一步研究。研究中，与对照相比，在NaCl浓度为200～350 mmol/L时Pn、Gs无显著变化，Ci升高，在NaCl浓度为400～450 mmol/L时Pn下降伴随Ci升高，在 NaCl浓度为450 mmol/L时Pn下降伴随Ci下降和Ls升高。结果表明，密胡杨对于浓度300 mmol/L NaCl环境会加快Tr、TR升高，WUE降低；密胡杨在NaCl浓度为450 mmol/L时WUE增加。在 NaCl浓度为350～400 mmol/L时影响密胡杨叶片光合速率主要原因是非气孔因素即叶肉细胞光合活性降低；在NaCl浓度为450 mmol/L时影响密胡杨叶片光合速率主要为气孔因素。李菊艳等[30]研究认为，在浓度为500 mmol/L NaCl环境中胡杨幼苗通过气孔调节提高WUE，降低了盐分对胡杨幼苗的损伤。秦景等[31]研究认为沙棘幼苗能在 NaCl浓度为200～400 mmol/L的条件下保持水分的高效利用。研究认为，在在 NaCl浓度为450 mmol/L环境时密胡杨通过增大叶片气孔阻力，阻碍气孔开放，导致Tr降低，从而提高密胡杨WUE，确保密胡杨在高浓度NaCl条件下正常光合作用，这与李艳菊、秦景等[30，31]研究结果基本一致。密胡杨对盐环境有一定抵御能力，表现出较强的耐盐性。

4 结 论

盐环境(200～450 mmol/L NaCl)对密胡杨叶长有显著抑制作用，高浓度盐环境(450 mmol/L NaCl)对密胡杨叶宽有显著抑制作用，叶形窄小，但叶形尚未改变。密胡杨在中低浓度的盐环境下(0～350 mmol/L NaCl)能够保持正常净光合速率，在高浓度盐环境(400～450 mmol/L NaCl)下仍保持较高净光合速率。密胡杨对盐环境有一定的抵御能力，表现出较强的耐盐性，可作为新疆盐碱地区种植的优良树种。