王宝强, 赵 颖, 朱晓林, 王旺田, 魏小红*

(1. 甘肃农业大学生命科学技术学院， 甘肃 兰州 730070； 2. 甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室， 甘肃 兰州 730070；3. 甘肃省干旱生境作物学重点实验室， 甘肃 兰州 730070)

土壤盐碱化是当前人类面临的重大生态危机及限制农业生产的重要因素之一[1]。中国农业部的数据表明，我国有3.40×105km2的盐碱土地，其中仅1.24×105km2盐碱地通过改良后具有潜在的农业生产价值，还有接近63.53%的盐碱地未被充分利用[2]。全国每年约有2.50×105hm2土地受盐碱化影响，使粮食减产207亿kg[3]。耐盐植物的生长发育能改善土壤理化特性，在降低土壤盐碱度、丰富生物群落多样性等方面具有重要作用[4]。因此，在盐碱化区域种植耐盐植物，是盐碱地改良、开发、利用的最优方案之一。

光合作用是植物最关键的生理过程之一，光合系统的正常运转是植物生长发育过程中产量形成的基本保障[17]。光合色素是植物进行光反应的物质基础，其含量高低与光合作用紧密相关[18]。因此，研究混合盐碱胁迫下藜麦的光合特性是阐明藜麦耐盐碱机制的重要途径。研究发现，盐碱胁迫会抑制甜菜(BetavulgarisL.)的生长发育，降低净光合速率和光合产物的积累[19]；在同一浓度混合盐碱胁迫下，碱性盐比例的增加还会降低雾冰藜(Bassiadasyphylla)叶片叶绿素(a，b)含量和叶绿素总量，净光合速率(Net photosynthetic rate，Pn)，胞间CO2浓度(Intercellular CO2concentration，Ci)，气孔导度(Stomatal conductivity，Gs)也不断下降[20]；碱地肤(Kochiasieversiana)在盐胁迫和碱胁迫下叶绿素含量显著下降且碱胁迫的影响更为明显[21]。

为此，本研究将中性盐(NaCl，Na2SO4)和碱性盐(NaHCO3，Na2CO3)按不同比例配置成pH递增的混合盐碱溶液，模拟类似盐碱土壤的胁迫环境，研究藜麦幼苗抗氧化系统、光合色素及光合能力对不同盐碱环境的响应，以期从抗氧化和光合能力角度为藜麦在盐碱区域的引种和栽培提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料处理

藜麦种质购买于宁夏农林科学院科泰种业有限公司，千粒重0.327 g。挑选籽粒饱满、大小均一、无病虫害的藜麦种子用5% NaClO消毒后播种在装有等量营养土的花盆中(口径12 cm，深10 cm)，在温度为25℃，光照强度为4 000 Lux，湿度为60%，16 h光照/8 h黑暗光周期的人工气候室培养，每隔2 d采用称重法补充水分。6周后，每盆保留15株长势一致且健康的幼苗进行定苗并进行盐碱胁迫处理。

表1 盐碱浓度配比及胁迫因素Table 1 The ratio of complex saline-alkaline solution and stress factors 单位：mmol·L-1

1.2 测定指标与方法

1.2.1叶绿素含量的测定 参照邹琦[24]的分光光度法。

1.2.2光合气体交换参数的测定采用CI-340 手持式光合测量仪，于胁迫的第9 d(晴天)上午9∶00—11∶00测定，选择幼苗倒数第2～3片功能叶，测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔限制值(Stomatal limitation，Ls)。

1.2.3MDA含量和抗氧化酶活性的测定 MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法[25]；超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)活性采用NBT显色法测定[26]；过氧化物酶(Peroxidase，POD)活性采用愈创木酚氧化法测定[27]；过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性采用紫外吸收法测定[28]。抗坏血酸过氧化物酶活性(Ascorbate peroxidase，APX)参照Nakano和Asada[29]的方法测定。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2016分析数据并作图，采用SPSS 19.0软件Duncan法分析差异显著性。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对藜麦叶片光合色素的影响

盐碱胁迫对藜麦叶片光合色素的影响如图1所示，A，C处理下藜麦幼苗叶片叶绿素a(图1 Ⅰ)和叶绿素总含量(图1 Ⅳ)随着盐碱胁迫时间延长先升后降；B，D处理下仅有类胡萝卜素含量(图1 ⅠⅠⅠ)先升后降，而叶绿素a，b(图1 ⅠⅠ)及叶绿素总含量均随盐碱胁迫时间延长逐渐上升。在胁迫的第3 d，E处理下，叶绿素a，b及叶绿素总含量分别比CK增加了50.56%，49.88%和50.25%(P<0.05)，而A，B，C，D处理叶绿素a，b及叶绿素总含量显著低于CK处理(P< 0.05)。第6 d时，与CK相比，A，C处理下叶绿素a，b及叶绿素总含量增加61.10%，52.61%，57.35%和45.63%，62.21%，52.95%。第9 d时，与CK相比，A，B，C，D，E处理藜麦幼苗叶片叶绿素a，b及叶绿素总含量均下降，但D处理下降幅度明显低于其他处理。与CK相比，藜麦幼苗叶片在胁迫第3 d，类胡萝卜素含量在各处理下显著升高(P<0.05)；第6 d，除C处理(下降21.25%)外，其余处理类胡萝卜素含量均有不同程度提升；而在第9 d时各处理类胡萝卜素含量显著下降(P<0.05)，但D，E处理下降幅度较小。

图1 盐碱胁迫对藜麦幼苗叶片光合色素含量的影响Fig.1 Effects of saline-alkali stress on photosynthetic pigment contents of quinoa leaves注：5个处理分别为A(NaCl∶Na2SO4=1∶l)，B(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3=1∶2∶1)，C(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=1∶9∶9∶1)，D(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=l∶l∶l∶l)和E(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=9∶l∶1∶9)；同一天数不同字母表示各盐碱处理下差异显著(P<0.05)，下同Note:5 treatments are A(NaCl∶Na2SO4=1∶l)，B(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3=1∶2∶1)，C(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=1∶9∶9∶1)，D(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=l∶l∶l∶l)和E(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=9∶l∶1∶9)；Different lowercase letters at the same time indicate significant difference among saline-alkali stress treatment at the 0.05 level,the same as below

2.2 盐碱胁迫对藜麦幼苗净光合速率及气体交换参数的影响

由表2可知，各种盐碱胁迫下藜麦幼苗叶片Pn，Gs，Ci均显著低于对照，而Ls显著高于对照(P<0.05)。E处理下的Pn，Gs及Ci均下降最多，与对照相比分别降低74.87%，84.62%和53.95%；其次为D处理，分别比对照下降了48.41%，51.92%和40.00%；然后是B处理，与对照相比降低了40.20%，48.08%和37.04%；A，C处理与对照相比下降程度较低。各处理下Pn，Gs及Ci降幅排序为：E>D>B>C>A，而Ls在各处理下则逐渐升高，升幅顺序为：E>D=B>C=A。

表2 盐碱胁迫对藜麦幼苗叶片光合气体交换参数的影响Table 2 Effects of saline-alkali stress on photosynthetic gas exchange parameter of quinoa leaves

2.3 盐碱胁迫对藜麦幼苗MDA含量的影响

由图2可知，随着盐碱胁迫时间延长，藜麦幼苗叶片中MDA含量在A，E处理下逐渐增加，在B，C处理下呈先增高后降低的趋势，但D处理MDA含量基本保持恒定。在第3 d，A，D处理与CK相比，MDA含量显著降低(P<0.05)；第6 d，E处理下MDA含量比CK增加了77.43%(P<0.05)；第9 d，C，E处理较CK分别提高了26.84%和130.69%(P<0.05)。

如图2所示，随着盐碱胁迫时间延长，A，B，E处理茎中MDA含量先升后降，C，D处理MDA含量逐渐增加。与CK相比，A，B，C，D，E处理下茎中MDA含量在第3 d分别增加了121.48%，20.72%，97.50%，163.56%和88.27%，除B处理外均显著增加(P<0.05)；在第6 d均增加了111.59%，89.99%，48.28%，49.46%和93.50%(P<0.05)，在第9 d分别增加了12.14%，4.75%，39.39%，16.41%和23.98%，但差异不显著(C处理除外)。

图2 盐碱胁迫对藜麦幼苗MDA含量的影响Fig.2 Effects of saline-alkali stress on MDA content of quinoa in leaves and steam

2.4 盐碱胁迫对藜麦幼苗抗氧化酶活性的影响

如图3所示，随胁迫时间的延长，藜麦叶片中SOD，CAT，APX活性呈逐渐下降趋势，POD活性呈先降后升趋势。在胁迫第3 d，与CK相比，A，B，C，D，E处理下叶片中SOD，POD，CAT及APX活性随碱性盐比例的增加而升高，且POD，APX活性显著增加。第6 d时，C处理叶片中SOD活性最大，比CK高51.65%，而D和E较CK无显著差异；叶片中POD酶活在E处理下最高；叶片中CAT与APX活性在A处理下最大但随碱性盐比例增加而降低。在第9 d，SOD活性在C，D，E处理间无显著差异，但较CK有所增加，而A，B处理则显著低于CK处理；叶片中POD酶活除C处理外较CK均显著提高且在B处理下有最大值；各处理叶片中CAT活性显著低于CK且在C处理下最小；叶片中APX酶活在5个处理下与CK相比均显著降低(P<0.05)。

在A，B，C，D，E 5个处理下，藜麦茎中SOD，CAT活性随胁迫时间的延长先升后降，而POD活性则先降后升(D，E处理除外)(图3)。在盐碱胁迫第3 d，与对照相比，各处理茎中SOD活性无显著差异(P<0.05)，第6 d时，茎中SOD活性随碱性盐比例增加而升高，第9 d则随碱性盐比例增加先升后降，且在C处理下有最大值。与CK相比，E处理第3 d的茎中POD酶活提高11.28%(P<0.05)，其他处理均显著降低(P<0.05)；在盐碱胁迫第6 d，D，E处理下茎中POD活性则提高了6.40%和1.32%(P<0.05)；第9 d，C处理下茎中POD酶活最高。茎中CAT活性在各处理的第6 d均达到了最大值，比CK分别提升59.46%，100%，52.37%，86.49%和13.51%(P<0.05)。茎中APX酶活随胁迫处理时间变化较大，各处理在胁迫第3 d均显著高于CK，第6 d则都显著低于CK，第9 d D和E处理显著高于CK(P<0.05)，而其余处理低于CK。

图3 盐碱胁迫对藜麦幼苗叶片抗氧化酶活性的影响Fig.3 Effects of saline-alkali stress on antioxidant enzymes activity of quinoa in leaves and steam

3 讨论

3.1 藜麦幼苗光合特性与盐碱胁迫的关系

光合作用是植物最基本也是最重要的生理代谢之一，叶绿素作为光合作用最重要的物质基础之一，其含量的大小与光合作用强弱直接相关且呈现正比例关系[30]。本研究中，藜麦幼苗叶片中叶绿素水平呈现先升后降的趋势，表明盐碱胁迫导致了藜麦光合系统损伤，且随碱胁迫程度的增加损伤也逐渐加剧。在高比例碱性盐(E处理)胁迫时间较短(3 d)时，叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总含量比对照增加约50%，一方面可能是短时间的高盐胁迫不会破坏叶绿体的内部结构，不影响叶绿体的正常功能且可能激活藜麦幼苗内的保护机制，暂时提高了叶绿素含量[31]，另一方面可能是藜麦吸收较多的钠离子而使叶绿素酶的活性在一定程度上受到抑制，叶绿素的分解减少，最终导致其含量增加[32]。而随着盐碱胁迫的持续，叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素及叶绿素总含量逐渐下降，主要是长时间的盐碱胁迫导致叶绿体结构受损且不可逆转，同时由于离子毒害作用使叶绿素-蛋白质复合物稳定性变差，叶绿素氧化酶活性提高，加快了叶绿素的分解[33-34]。但D处理(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=l∶l∶l∶l)下降幅度明显低于其他处理，这可能是相对均衡的离子比例维持了细胞内离子稳态平衡，对叶绿体结构损伤和叶绿素降解具有一定的缓解作用[35-36]。

在盐胁迫下，植物叶片合成叶绿素的过程受到阻碍，同时伴随光合色素的分解及光合作用相关生物酶的失活，最终导致光合作用过程不能顺利进行，光合体系紊乱[37-38]。本研究中，盐碱胁迫下藜麦幼苗叶片Pn,Gs,Ci均低于对照，而Ls显著升高。这表明盐碱胁迫下气孔限制是藜麦幼苗光合速率下降的主要原因，植物可能通过增加脱落酸的分泌和渗透调节来降低气孔导度以响应盐胁迫[39]，而CO2在气孔中的通过率则直接影响其进入叶绿体的数量，进而决定其光合作用参与率及净光合速率，因此，气孔导度降低减少了进入叶绿体的CO2数量，降低了CO2的光合作用参与度，净光合速率下降[40]。

3.2 藜麦幼苗抗氧化特性与盐碱胁迫的关系

研究表明，盐胁迫下MDA会在细胞内大量积累[41]。作为细胞有毒代谢产物的代表，MDA与多种胞内组分反应引起膜结构及功能损伤。因此，MDA水平可代表膜质过氧化程度，常用它作为膜损伤程度的指标[42]。本研究中，在高浓度碱性盐胁迫(处理E)下，胁迫时间越长，藜麦叶片MDA含量显著增加；盐碱胁迫9 d后，无论是中性盐(处理A)、弱碱性盐(处理C)，还是碱性盐(E)，藜麦叶片MDA含量均显著提高，但D处理MAD含量在9 d的处理周期中基本保持恒定。在藜麦茎中，5个处理MDA含量均随胁迫时间而上升，但总体水平低于叶片。该研究结果说明藜麦叶片和茎都受到了盐碱胁迫的损害，影响了其质膜稳定性进而导致膜系统选择透过能力降低，这与罗青红[43]关于杂种榛(CorylusheterophyllaFisch.)盐碱胁迫及郑译儒[44]对碱茅(Puccineliachinampoensis)和披碱草(Elymusdahuricus)碱性盐胁迫的研究结果一致，但相对均衡的离子比例(D处理)维持了细胞内稳态平衡，可能在一定程度上维持了质膜稳定性，降低了膜损伤程度[35-36]。此外，本研究结果也暗示与茎相比藜麦叶片细胞膜对盐碱胁迫响应更为迅速且敏感，受损伤程度更深。

4 结论

综上所述，增加碱性盐(Na2CO3，NaHCO3等)比例及胁迫时间对藜麦幼苗叶片光合特性及抗氧化系统有不利影响，其对藜麦的胁迫因子除了和中性盐NaCl，Na2SO4共有的Na+造成的离子毒害、渗透胁迫、离子不平衡之外，还可能有高pH造成的矿质元素可利用性降低等因素，但均衡的离子比例所表现出的协同效应可提高藜麦幼苗的盐碱耐受性，降低胁迫损伤。