盐胁迫对青绿苔草生长及生理特性的影响

任智新， 史建楠， 何佳星， 王 晔*， 范希峰， 李润枝， 于春欣， 彭 真，高月荣， 段留生*

(1. 北京农学院植物科学技术学院，北京102206；2. 北京市农林科学院草业花卉与景观生态研究所，北京 100097)

土壤盐渍化是影响植物生长发育最重要的非生物胁迫之一，对农业生产和人类生活造成了极大的影响[1]。据统计，全球约6%以上的土地(全球土地约8亿公顷)受到盐胁迫的影响[2]，由于灌溉方式不当、肥料施用不合理和工业污染等，盐渍化土地面积不断增加，预测到2050年，一半以上的可耕土地将盐碱化[3]。高盐度通常是由于土壤中Na+和Cl-1浓度高，导致高渗条件，阻碍植株从土壤中吸收水分和养分[4]，造成植株渗透胁迫、离子胁迫、氧化胁迫、营养不平衡和减少细胞分裂等[5]。

在我国北方，每年的积雪通过施用融雪剂以保障城市安全，同时也对城市生态环境产生了较大影响。目前，融雪剂以氯盐型用量最大，主要以氯化钠为主的工业盐[6]。每年约有75%～90%的融雪剂滞留在沿路的绿化带中，导致绿地土壤盐渍化。城市道路的地被植物吸收含盐的雪水，打破原有的渗透平衡，细胞内渗透压升高，最终导致植株生理缺水死亡。同时，盐胁迫阻断了关键酶的活性进而影响植物的氮代谢[7]，使植株叶片面积减小、叶绿体结构破坏、光合能力减弱和营养失衡等[8-9]。因此，明确植物潜在的耐盐机制，为利用育种和栽培技术提高植物在盐胁迫下的适应性，对提高农业生产力和改善生态环境具有重要意义[10]。

青绿苔草(Carexleucochlora)属莎草(Cyperaceae)苔草属(Carex)，多年生草本植物，具有返青早、色泽好、耐践踏性强、形态优美等特点，其温度适应性强，冬季在-26℃条件下能安全越冬，夏季在35℃以上的持续高温条件下可正常生长[11]，是我国园林绿地中主栽苔草草种之一[12]。目前，关于青绿苔草的研究多集中在种子萌发[13-14]、混播技术[15-16]和基质配比与厚度[12]等，对其抗性的研究较少。在苔草属的耐盐性研究中也多集中在与其他地被植物耐盐性比较上。雷舒涵等[17]通过对7种野生观赏草种子萌发期耐盐性评价发现，书带苔草和云雾苔草耐盐性综合评价值较低。张昆等[18]采用不同浓度NaCl处理白颖苔草，确定了其耐盐阈值为263 mmol·L-1NaCl。陈佳楠等[19]对14种地被植物采用2种海水浓度的胁迫处理，通过生长情况、盐害指数、盐害率和细胞膜透性等综合比较耐盐性差异研究发现青绿苔草耐盐性最弱。因此，为了揭示青绿苔草对盐胁迫的适应性和生理响应机制，本试验以不同浓度NaCl作为盐胁迫处理，探讨青绿苔草植株生长及生理特性变化，以期为青绿苔草耐盐生理机制和在盐渍化土地的适应性及推广应用提供理论依据。

1 材料与方法1.1 试验材料

供试材料为我国园林绿地主栽苔草草种之一四季青绿苔草(CarexleucochloraSiji)(良种编号：国S-SV-CL-006-2010)由北京市农林科学院提供。

1.2 试验设计

本试验在北京农学院智能温室中进行。温度(昼/夜)为(25±2)℃/(20±2)℃，光周期(昼/夜)为12 h/12 h，光照强度为5 000 Lux，相对湿度为65%～70%。供试材料青绿苔草于2020年6月15日播种于50孔穴盘中，待长出3～4片真叶后，选取长势一致的幼苗移栽至10 cm×6.5 cm×8 cm(口径×底径×高)的营养钵中，每盆1株。培养基质为草炭土∶蛭石(V∶V)=1∶1。培养至2021年6月10日将植株统一修剪高度，5 d后开始用NaCl胁迫处理，盐处理浓度设置为：0(CK)，50，100，200和300 mmol·L-1，各处理随机区组排列，每处理36盆。处理开始时，每天浇灌50 mL相应浓度盐溶液，连续处理3 d，处理开始后每天对盆进行称重，并用蒸馏水补充因蒸腾而散失的水分,使盐处理浓度保持恒定。于盐胁迫后的0，4，8，12，16和20 d进行各项生理指标测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1植株枯叶率 采用观测计数法对各处理的每盆青绿苔草叶片进行计数，计算每盆叶片50%面积出现干枯症状的叶片数占总叶片数的百分比，记为枯叶率。

1.3.2生物量 剪取每盆青绿苔草单株地上部，放入105℃烘箱中杀青30 min，75℃烘干至恒重，称重记为单株干重。

1.3.3叶片相对含水量、相对电导率和叶绿素含量 采用饱和称重法[20]测定叶片相对含水量。参照李合生[21]采用电导仪测定叶片相对电导率。采用乙醇浸提法[20]测定叶绿素a和叶绿素b含量。

1.3.4抗氧化酶活性和丙二醛含量测定 称取叶片0.5 g，加入磷酸缓冲液及少量石英砂，冰浴研磨。4℃冷冻离心20 min，12 000 r·min-1，上清液即为酶液，置于4℃下保存。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性采用氮蓝四唑法，过氧化物酶(Peroxidase，POD)活性采用愈创木酚法，丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸显色法。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2019进行数据整理和分析；试验数据采用IBM SPSS Statistics 23软件进行差异显著性分析(ANOVA，P<0.05)和主成分分析等；用Duncans法进行多重比较；采用Origin2019软件作图。

2 结果与分析2.1 不同浓度盐胁迫对青绿苔草生长的影响

不同浓度盐胁迫对青绿苔草生长影响不同(图1)。随着NaCl浓度升高，青绿苔草生长受到抑制，叶片衰老，枯叶率显著增加，地上部生物量呈下降趋势(表1)。NaCl浓度为50 mmol·L-1时，青绿苔草生长、枯叶率和地上部生物量与CK相比差异均不显著。当NaCl浓度高于100 mmol·L-1时，随着盐浓度增加，青绿苔草枯叶率显著提高，地上部生物量显著下降。当NaCl处理第8 d时，100，200和300 mmol·L-1浓度处理的青绿苔草叶片开始枯黄。当盐胁迫第20 d时，100，200和300 mmol·L-1浓度处理的苔草枯叶率比对照分别增加了27.52%，46.24%和92.93%，地上部生物量分别降低了22.36%，45.25%和55.75%。

图1 不同浓度NaCl胁迫对四季青绿苔草生长的影响Fig.1 Effects of different concentrations of NaCl on growth of Carex leucochlora Siji

表1 不同浓度NaCl胁迫对四季青绿苔草枯叶率的影响Table 1 Effect of different concentrations of NaCl on withered leaf rate of Carex leucochlora Siji

2.2 不同浓度盐胁迫对青绿苔草叶片相对含水量的影响

青绿苔草叶片相对含水量随着NaCl浓度的增加和胁迫时间延长呈下降趋势(图2)。当NaCl浓度为50 mmol·L-1时，叶片相对含水量与CK差异不显著。当NaCl处理第4 d时，与对照相比，100，200和300 mmol·L-1浓度处理的青绿苔草叶片相对含水量分别降低了5.44%，10.05%和16.08%。盐胁迫第8 d后，叶片相对含水量下降迅速，当盐胁迫第20 d时，100，200和300 mmol·L-1浓度处理的青绿苔草叶片相对含水量比对照分别降低了11.95%，20.95%和31.78%。

图2 不同浓度NaCl胁迫对四季青绿苔草相对含水量的影响Fig.2 The effect of different concentrations of NaCl stress on the relative water content of Carex leucochlora Siji注：不同小写字母表示相同时间的不同盐梯度处理差异显著(P<0.05)。下同Note:Different lowercase letters indicate significant differences in different saline treatments of the same time (P<0.05).The same as below

2.3 不同浓度盐胁迫对青绿苔草叶绿素含量的影响

不同NaCl浓度和盐胁迫持续时间对青绿苔草叶绿素含量影响不同(图3)。随着NaCl浓度升高，青绿苔草叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量降解加剧，叶绿素a/b呈先增高后降低趋势。与CK相比，NaCl浓度为50 mmol·L-1时，对青绿苔草叶绿素a和总叶绿素含量影响均不显著；当NaCl浓度高于100 mmol·L-1处理8 d后，青绿苔草叶绿素a、叶绿素b和叶绿素含量下降明显，当盐胁迫第20 d时，100，200和300 mmol·L-1浓度处理的青绿苔草与CK相比，叶绿素a含量分别下降了6.03%，27.81%和53.06%，叶绿素b含量分别下降了44.57%，61.01%和66.04%，叶绿素b含量降低幅度高于叶绿素a。叶绿素a/b分别增加了63.20%，77.24%和30.35%。

图3 不同浓度NaCl胁迫对四季青绿苔草叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of different concentrations of NaCl stress on the total chlorophyll content of chlorophyll in Carex leucochlora Siji

2.4 不同浓度盐胁迫对青绿苔草叶片相对电导率和丙二醛含量的影响

青绿苔草叶片相对电导率随着盐胁迫时间的延长显著升高(P<0.05)(图4)。当NaCl浓度为50 mmol·L-1处理青绿苔草第4 d时，叶片相对电导率与对照相比变化不大；100，200和300 mmol·L-1处理下叶片相对电导率均呈升高趋势。当盐胁迫第8 d时，各浓度下青绿苔草叶片相对电导率与对照相比显著升高(P<0.05)；盐胁迫持续处理20 d时，各浓度处理叶片相对电导率与对照组相比分别增加了3.53，6.69，16.71和20.83倍。

青绿苔草叶片中丙二醛含量(MDA)随着NaCl浓度的增加和盐胁迫时间的延长，呈现上升趋势(图4)。NaCl浓度为50 mmol·L-1时，对青绿苔草叶片MDA含量影响不显著。当NaCl浓度高于100 mmol·L-1时，MDA含量显著高于对照(P<0.05)。当NaCl处理8 d后，随着NaCl浓度增加，MDA含量急剧升高，当NaCl处理第20 d时，100，200和300 mmol·L-1浓度处理的青绿苔草叶片MDA含量分别比对照相比增加了86.09%，2.35倍和3.60倍。

图4 不同浓度NaCl胁迫对四季青绿苔草相对电导率和MDA含量的影响Fig.4 The effect of different concentrations of NaCl stress on the relative conductivity and MDA content of Carex leucochlora Siji

2.5 不同浓度盐胁迫对青绿苔草叶片抗氧化酶活性影响

由图5所示，随着盐胁迫时间延长，叶片SOD活性呈先上升后降低趋势。各浓度NaCl胁迫下的青绿苔草SOD活性均显著高于对照(P<0.05)。当盐胁迫第8 d时，不同浓度NaCl处理下SOD活性均达最高，与对照相比分别提高了1.65，2.45，3.57和2.39倍。

POD活性的变化趋势与SOD活性相似(图5)。青绿苔草叶片POD活性随着盐胁迫时间延长呈现先上升后下降的趋势。当盐胁迫第8 d时，不同浓度NaCl处理下的POD活性均有不同程度的上升，与对照相比分别提高了52.38%，76.65%，87.55%和76.83%。当盐胁迫8 d后，叶片POD活性呈下降趋势，且随着NaCl浓度增加，下降越急剧。NaCl浓度为300 mmol·L-1处理第16 d时，POD活性与对照相比差异不显著，处理第20 d时，植株叶片大量枯黄，POD活性显著低于对照，推测此时盐胁迫程度超过青绿苔草耐受能力。

图5 不同浓度NaCl胁迫对四季青绿苔草叶片抗氧化酶活性的影响Fig.5 Effects of different concentrations of NaCl stress on antioxidase activities of Carex leucochlora Siji

2.6 不同浓度盐胁迫下各指标主成分分析

对不同浓度NaCl处理下青绿苔草各指标进行主成分分析(图6)。PC1特征值为5.727，方差贡献率为72.6%。PC1主要反应植株生长和细胞膜透性，其分别与枯叶率、相对电导率、MDA含量、SOD活性和POD活性抗氧化酶活性含量呈正相关，表明不同浓度NaCl处理后其含量随盐分含量的增加而升高；PC1与植株干重、叶绿素和相对含水量呈负相关，表明NaCl浓度增加其含量减少。PC2特征值为1.874，方差贡献率为23.6%。PC2与电导率、叶绿素含量、相对含水量和抗氧化酶呈正相关，其中与抗氧化酶SOD和POD含量相关度较高。PC2与枯叶率、干重和MDA含量呈负相关。

图6 不同浓度NaCl处理下各指标主成分分析Fig.6 PCA of each index under different concentrations of salt stress

选择PC1和PC2作为评价青绿苔草耐盐性的综合指标。以Y1和Y2分别代表第1和第2主成分，X1-X8分别表示8个单项生理指标，以各指标的特征向量为系数。可得到两个综合指标与原8项单项指标的线性组合方程：

Y1=0.378X1+0.41X2-0.41X3-0.411X4+0.113X5+0.047X6+0.41X7-0.411X8，

Y2=-0.247X1+0.009X2+0.018X3+0.009X4+0.674X5+0.696X6-0.021X7-0.002X8。

将各指标在综合得分模型中的系数归一化处理，计算各指标权重，各指标影响顺序依次为相对含水量>地上部生物量>相对电导率>叶绿素含量>MDA含量>枯叶率>SOD活性>POD活性(表2)。

表2 初始因子载荷矩阵、特征向量和权重分析Table 2 Initial factor loading matrix,eigenvectors and weight analysis

3 讨论

盐胁迫对植株的影响主要表现在对其生长发育、器官形态建成和生理代谢的抑制作用[22-23]，通常地上部为适应环境变化较根系受到抑制更明显[18]，主要表现在株高降低、叶片数减少、叶片失水萎蔫、冠幅和生物量显著下降等[24-25]。因此，盐胁迫严重影响了草坪和地被植物的景观效果。本研究结果表明，NaCl浓度为50 mmol·L-1时，青绿苔草地上部长势、地上部生物量和叶片相对含水量与对照差异不显著。随着NaCl浓度提高和胁迫时间的延长，植株生长受到抑制，叶片萎蔫，枯叶率明显增加，地上部生物量和叶片相对含水量显著下降。这与前人在白颖苔草(Carexrigescens)[18]、狗牙根(Cynodondactylon)[26]、小报春(Primulaforbesii)[24]和湖南稷子(Echinochloafrumentacea)[25]中报道一致。此外，本研究中青绿苔草在50 mmol·L-1NaCl处理下生长受盐胁迫影响不明显，说明青绿苔草可能在中度盐化土(土壤含盐量0.2%～0.4%)条件下正常生长。

叶绿素是植株光合能力的基础，其含量高低与光合潜力密切相关，也是逆境条件下衡量叶片功能的重要指标[27]。本研究中，不同浓度NaCl处理对叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量影响一致。与对照相比，在50 mmol·L-1NaCl处理下，叶绿素含量变化不大。在100 mmol·L-1以上NaCl处理第4 d时，叶绿素含量差异不显著；当处理第8 d时，叶绿素含量显著降低。说明在低盐浓度(50 mmol·L-1)或短期高盐浓度(≥100 mmol·L-1)诱导下，青绿苔草产生了短期的逆境适应机制，来减缓盐胁迫的生理干扰[18,28]。当高盐胁迫持续作用，诱导了参与光合作用的重要膜蛋白变性，叶绿素降解酶活性增强，降解叶绿素分子[29]，叶绿体数量减少，同时对叶绿体超微结构产生不利影响，进而降低光合速率，导致植株生长减缓[30]。盐胁迫对叶绿素b影响强于叶绿素a，在高盐浓度胁迫20 d时，叶绿素a/b明显增加，可能与叶绿素b向叶绿素a转化有关。

细胞膜的透性是衡量膜脂过氧化作用和膜氧化损伤程度的指标[31-32]。本研究结果表明，随着盐胁迫浓度增加和胁迫时间的延长，青绿苔草的相对电导率呈上升趋势，说明盐胁迫对青绿苔草细胞膜影响较大，这与前人在结缕草[33]和狗牙根[26]中报道一致。MDA是细胞膜通透性和脂质过氧化的产物[31]。本试验中50 mmol·L-1NaCl胁迫下MDA水平没有显著提高，在马齿苋(PortulacaoleraceaL.)[34]也有类似的结果。而当NaCl浓度增加，MDA含量显著提高，可见，高盐浓度环境导致青绿苔草细胞膜完整性和蛋白质活性受损[35]，进而影响植株正常生长。

本研究对青绿苔草不同浓度盐胁迫下各指标进行主成分分析，从主成分因子可以看出，PC1对植株生长和细胞膜透性影响较大，相对含水量、地上部生物量、相对电导率、叶绿素含量、MDA含量和枯叶率权重分别为：0.1592，0.1591，0.1590，0.1589，0.1587和0.1473。前人研究表明，植株生物量的变化是其耐盐能力的综合体现[18]，以其植株生物量下降50%时的盐浓度作为该植物的耐盐阈值[38-39]。本研究以不同NaCl浓度作为自变量建立回归方程为y=0.000004×2-0.0056x+2.1073(R2=0.985 7)。通过盐胁迫下生物量的降低50%可以估测青绿苔草对盐胁迫的临界浓度为231.29 mmol·L-1。

4 结论

通过研究不同浓度NaCl胁迫下青绿苔草生长发育和生理特性的响应，探讨了草坪地被植物青绿苔草耐盐生理机制和在盐渍化土壤中适应性。在50 mmol·L-1NaCl胁迫下，青绿苔草可以正常生长，但高盐浓度(≥100 mmol·L-1)使其生长受到抑制，枯叶率增加，叶片相对含水量、地上部生物量、叶绿素含量、相对电导率不同程度降低，抗氧化酶(SOD和POD)活性呈先增加后降低趋势。通过主成分分析表明 8个生理指标对青绿苔草耐盐性的贡献率为相对含水量>地上部生物量>相对电导率>叶绿素含量>MDA含量>枯叶率>SOD活性>POD活性。青绿苔草在低盐浓度或短期高盐胁迫下，表现出一定的耐盐性，耐盐阈值为231.29 mmol·L-1。本研究为青绿苔草在盐渍化土地的栽培和应用提供了理论依据。