林业科学  2012, Vol. 48 Issue (7): 50-55   PDF    
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杨玲, 沈海龙, 崔晓涛
Yang Ling, Shen Hailong, Cui Xiaotao
NaHCO3胁迫下新西伯利亚银白杨幼苗生长和光合能力变化
Effects of NaHCO3 Stress on Photosynthetic Capabilities and Seedling Growth in Populus bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
林业科学, 2012, 48(7): 50-55.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(7): 50-55.

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收稿日期:2011-07-12
修回日期:2011-11-02

作者相关文章

杨玲
沈海龙
崔晓涛

NaHCO3胁迫下新西伯利亚银白杨幼苗生长和光合能力变化
杨玲, 沈海龙, 崔晓涛    
东北林业大学林学院 林木遗传育种国家重点实验室 哈尔滨 150040
摘要: 采用室内盆栽试验,研究不同浓度NaHCO3溶液胁迫24天对新西伯利亚银白杨幼苗的生长状况和叶片光合生产力的影响。结果表明:NaHCO3胁迫抑制新西伯利亚银白杨幼苗的生长和叶片的光合能力。苗木高度、地径和总生物量的增量、叶片净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均随着胁迫强度的增加和胁迫时间的延长而显著减小,其中苗木地下生物量增量的降幅大于地上部分。叶片净光合速率与蒸腾速率呈极显著正相关关系,与气孔导度呈显著正相关关系,与胁迫强度呈显著负相关关系。影响新西伯利亚银白杨叶片光合特性的因素有气孔限制和非气孔限制2方面。NaHCO3溶液浓度小于等于48 mmol·L-1时,叶片净光合速率下降主要受气孔限制;NaHCO3溶液浓度大于48 mmol·L-1时,叶片净光合速率下降主要由非气孔因素限制。
关键词:新西伯利亚银白杨    盐胁迫    幼苗生长    光合能力    
Effects of NaHCO3 Stress on Photosynthetic Capabilities and Seedling Growth in Populus bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
Yang Ling, Shen Hailong , Cui Xiaotao    
State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding School of Forestry, Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: A pot experiment was conducted in greenhouse to study the seedling growth and photosynthetic capacity of Populus bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ' treated with NaHCO3in different concentrations for 24 days. The results showed that the NaHCO3 stress inhibited the seedling growth and leaf photosynthetic capacity. With the increase of stress intensity and of stress time, the height and root-collar diameter increment and total biomass of seedlings, as well as net photosynthetic rate (Pn), transpiration rate (Tr) and stomata conductance (Gs) of leaves au significantly decreased. The decrease degree of underground biomass increment was bigger than that of aboveground one. Pn had significantly positive correlationship with Tr and Gs but significantly negative correlationship with stress intensity. The leaf photosynthetic characteristics of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ' were influenced by stomatal restrictions and non-stomatal restrictions. The decreased of Pn was mainly attributed to stomatal restrictions when the concentration of NaHCO3 was lower than 48 mmol·L-1 and to non-stomatal restrictions when the concentration was upper than 48 mmol·L-1.
Key words: Populus bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'    salinity stress    seedling increment    photosynthetic capability    

盐渍土和土壤次生盐渍化问题出现在世界各地的干旱、半干旱以及半湿润地区,已成为制约人类社会发展和进步的世界性的资源与环境问题(Munns,2002尹春英等,2003)。土壤盐渍化影响植物的生长和存活,是降低作物产量的一个主要因素(Munns,2008)。在改良盐碱地的各种途径与方法中,通过选育和培育耐盐植物品种来适应盐碱环境并最终达到改善环境的目的,是一项更加经济有效的生物措施(Marcum,1999)。杨树(Populus)是世界上最主要的栽培树种,也是我国北方最重要的造林和绿化树种,在经济建设和生态环境建设中发挥着重要作用(张川红等,2002)。因此,引进和培育耐盐性强的优良杨树品种,对现有盐渍化土壤的生态环境进行改良具有重要意义。

新西伯利亚银白杨(Populus bachofenii × P. pyramidalis ‘ROZ’),别名新西伯利亚速生杨,是以光皮银白杨(P.alba var.bachofenii)为母本、新疆杨(P.pyramidalis)为父本,经过俄罗斯新西伯利亚植物园几代科学家选育出来的杨树杂交品种。该品种具有生长迅速、观赏价值高,耐寒(耐-50 ℃的低温)、耐干旱(适应的田间持水量20%~95%)等特点,是适用于北方城市绿化和用材林培育的树种(崔晓涛等,2009)。新西伯利亚银白杨于2004年以嫰枝茎段的形式引入我国,在黑龙江省黑河地区经过扦插繁殖顺利成苗。再生的苗木在黑龙江省黑河地区、哈尔滨市和伊春地区均可以安全越冬。目前,通过组织培养手段的新西伯利亚银白杨离体快繁技术已经建立起来,该技术具有繁殖周期短,繁殖效率高的特点,可以实现快速、高效繁殖及大规模推广种植的目标(沈海龙等,2009梁立东等,20092010)。关于新西伯利亚银白杨的耐旱性及其叶片内部各种保护酶对水分胁迫的响应方面的已有研究(崔晓涛等,2009)。但有关新西伯利亚银白杨的耐盐碱性及对盐或碱胁迫(碱性盐胁迫通常称为碱胁迫)的生理响应方面的研究尚未有报道。至今碱胁迫对植物造成的伤害及缓解途径的研究还不够深入,仅有少量报道表明,碱性盐对植物的胁迫作用明显大于NaCl等中性盐造成的胁迫(林燕等,2010)。本研究通过盆栽试验,探讨NaHCO3胁迫对新西伯利亚银白杨幼苗的苗高、地径、生物量和叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度的影响,以期为合理设置耐盐碱苗木培育过程中的逆境锻炼条件和合理利用新西伯利亚银白杨种质资源提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料与试验设计

供试材料为通过组织培养技术繁殖得到的新西伯利亚银白杨当年生苗木。试验于2008年4—10月在黑龙江省哈尔滨市东北林业大学实验林场的花卉生物工程研究所的温室中进行。2008年4月,选取长势一致的苗木(高约12 cm)移栽到内径20 cm、高30 cm内装混合基质、下部具孔的塑料花盆中,每盆栽植1株幼苗。栽培基质由苗圃熟土和沙(体积比为2:1)混合而成,基质的持水量为46%左右。正常浇水培育,并进行适当管护。2008年8月,当苗木高度达到50 cm时用不同浓度的NaHCO3溶液灌溉栽培基质进行胁迫处理。试验设置1个对照和3个强度的胁迫处理,即0 mmol·L-1NaHCO3(CK),24 mmol·L-1NaHCO3(Y1),48 mmol·L-1NaHCO3(Y2)和72 mmol·L-1NaHCO3(Y3),各处理溶液对应的pH分别为6.98(CK),8.29(Y1),8.30 (Y2)和8.31(Y3)。每个处理组内重复30株苗。每4天浇1次NaHCO3溶液(每次每盆浇500 mL)。试验期间温室内采用自然光照,白天温度25~35 ℃,夜间15~20 ℃,日平均光照强度800 μmol·m-2s-1

1.2 试验方法 1.2.1 苗木生长和生物量测定

于胁迫开始后第4,8,12,16,20和24天的清晨,利用卷尺和游标卡尺在各个处理组内分别随机选取10株苗木进行苗高和地径测量。高生长量和径生长量分别用处理前后的高度差值和地径差值表示。

生物量测定:每处理组随机选取苗木3株,全株收获。采样后,先用自来水洗去植株根部的基质,冲洗干净后用吸水纸吸干植株表面水分,称量植株鲜质量,然后将植株分成根、茎、叶3部分,用电子天平迅速分别称量根、茎、叶的鲜质量,后在105 ℃下杀青15 min,80 ℃下烘干48 h左右至恒质量,分别称量各部分干质量。生物量增量为胁迫后生物量与胁迫前生物量的差值;根冠比为根生物量与冠生物量的比值。

1.2.2 净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间CO2浓度的测定

于胁迫开始后第8,16和24天,取茎顶端生长点下方的第3~4片叶片进行测定,每处理组内随机选取10株苗木。采用Li-Cor 6400便携式光合测定系统,测定叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)。测定时间为上午8: 00—11: 00(晴天)。测定条件控制为:叶温25 ℃、光照强度800 μmol·m-2s-1、CO2浓度350 μmol·mol-1

1.2.3 数据处理

试验中百分比数据均在分析前经过反正弦转换。用单因素方差分析方法分别评价试验中各影响因素的作用,并对差异的显著性进行检验。平均数之间的统计学上显著差异用邓肯多重比较法(Duncan’s multiple-range)进行检验。

2 结果与分析 2.1 NaHCO3胁迫对苗木高生长的影响

NaHCO3胁迫不同时间的苗木高生长量平均值及多重比较结果见表 1。胁迫处理抑制新西伯利亚银白杨的高生长,各胁迫处理组的高生长量均低于对照组,且随着胁迫处理浓度的增加和胁迫时间的延长,高生长量逐渐减小。方差分析结果表明:不同胁迫强度对苗木高生长量的影响均存在显著差异(P < 0.05)。各种胁迫强度下,不同处理时间的平均苗木高生长量分别为对照的72.67%,40.29%和33.33%。

表 1 NaHCO3胁迫对新西伯利亚银白杨高生长量的影响 Tab.1 Effect of NaHCO3 stress on height increment of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
2.2 NaHCO3胁迫对苗木地径的影响

NaHCO3胁迫不同时间的苗木地径增长量及多重比较结果见表 2。胁迫处理抑制新西伯利亚银白杨的径向生长,各种胁迫强度下的地径增长量率均低于对照水平,且随着胁迫强度的增加和胁迫时间的延长,地径增长量逐渐减小。方差分析结果表明:不同胁迫强度对苗木地径增长量的影响均存在显著差异(P < 0.05)。各种胁迫强度下,不同处理时间的平均地径增长量分别为对照的77.56%,60.90%和28.85%。

表 2 NaHCO3胁迫对新西伯利亚银白杨地径增长量的影响 Tab.2 Effect of NaHCO3 stress on the root-collar diameter increment of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
2.3 NaHCO3胁迫对苗木生物量的影响

NaHCO3胁迫处理24天的苗木生物量、根冠比及多重比较结果见表 3。与对照相比,胁迫处理显著抑制了苗木鲜质量的增加,且随着胁迫强度的增加抑制作用愈显著。方差分析结果表明:胁迫强度对苗木地上部分、地下部分和总生物量增量的影响均存在显著差异(P < 0.05)。轻度胁迫(Y1)下,地上部分、地下部分和总生物量的增量分别较对照水平下降了58.51%,92.00%和67.28%;中度胁迫(Y2)下,地上部分、地下部分和总生物量的增量分别较对照水平下降了73.26%,96.00%和79.21%;重度胁迫(Y3)下,地上部分、地下部分和总生物量的增量分别较对照水平下降了55.04%,86.67%和63.32%。其中,地下部分鲜质量增量的平均降幅(86.67%)大于地上部分(55.04%),但二者间差异并未达到显著水平(P﹥0.05)。不同胁迫处理下,苗木的根冠比均显著低于对照(P < 0.05)。

表 3 NaHCO3胁迫对新西伯利亚银白杨生物量增量及其分配的影响 Tab.3 Effect of NaHCO3 stress on biomass increment and its allocation of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
2.4 NaHCO3胁迫对叶片净光合速率(Pn)的影响

NaHCO3胁迫过程中,新西伯利亚银白杨苗木叶片净光合速率(Pn)的变化规律见图 1。方差分析结果表明:胁迫强度对叶片净光合速率的影响存在显著差异(P < 0.05),表现为随着胁迫程度的增加和胁迫时间的延长,叶片净光合速率持续下降。胁迫8天时,Y1,Y2和Y3处理的净光合速率分别较对照下降了20.99%,21.48%和61.67%。胁迫16天时,Y1,Y2和Y3处理的净光合速率分别较对照下降了50.92%,53.85%和66.10%。至胁迫24天时,重度胁迫(Y3)下的净光合速率出现负值,说明此时叶片呼吸速率大于光合速率,叶片的光合系统遭受到严重的破坏。

图 1 NaHCO3胁迫对新西伯利亚银白杨净光合速率(Pn)的影响 Fig.1 Effect of NaHCO3 stress on net photosynthetic rate (Pn) of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
2.5 NaHCO3胁迫对叶片气孔导度(Gs)的影响

NaHCO3胁迫过程中,新西伯利亚银白杨苗木叶片气孔导度(Gs)的变化规律见图 2。方差分析结果表明:胁迫强度对叶片气孔导度的影响存在显著差异(P < 0.05),表现为随着胁迫程度的增加和胁迫时间的延长,叶片气孔导度持续下降。胁迫8天时,Y1,Y2和Y3处理的气孔导度分别较对照下降7.89%,55.8%和72.59%。随着胁迫时间的延长,各处理的气孔导度呈持续下降趋势,胁迫24天时重度胁迫(Y3)下的叶片气孔导度接近于0,说明长时间的NaHCO3胁迫严重抑制新西伯利亚银白杨的光合作用。

图 2 NaHCO3胁迫对新西伯利亚银白杨气孔导度(Gs)的影响 Fig.2 Effect of NaHCO3 stress on stomatal conductance (Gs) of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
2.6 NaHCO3胁迫对叶片蒸腾速率(Tr)的影响

NaHCO3胁迫过程中,新西伯利亚银白杨苗木叶片蒸腾速率(Tr)的变化规律见图 3。方差分析结果表明:胁迫强度对叶片蒸腾速率的影响存在显著差异(P < 0.05),表现为随着胁迫程度的增加和胁迫时间的延长,叶片蒸腾速率持续下降。胁迫8天时,Y1,Y2和Y3处理的蒸腾速率分别较对照下降了14.22%,38.18%和82.14%。随着胁迫时间的延长,各处理组的叶片蒸腾速率持续下降,在胁迫24天时Y3处理组的叶片蒸腾速率低于对照96.35%。

图 3 NaHCO3胁迫对新西伯利亚银白杨蒸腾速率(Tr)的影响 Fig.3 Effect of NaHCO3 stress on transpiration rate(Tr) of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
2.7 NaHCO3胁迫对叶片胞间CO2浓度(Ci)的影响

NaHCO3胁迫过程中,新西伯利亚银白杨苗木叶片胞间CO2浓度(Ci)的变化规律见图 4。方差分析结果表明:胁迫强度对叶片叶片胞间CO2浓度的影响存在显著差异(P < 0.05)。胁迫8天时,Y1,Y2和Y3处理的蒸腾速率分别较对照下降了21.49%,29.67%和31.86%。随着胁迫时间延长,Y1,Y2处理组的叶片胞间CO2浓度呈减小趋势,而Y3处理组的胞间CO2 浓度在胁迫16天后呈增加趋势,在胁迫24天时大于对照12.38%,推测是由于重度胁迫(Y3)导致叶片气孔大面积关闭,细胞呼吸产生的CO2量大于光合作用所利用的CO2量,从而使胞间CO2浓度大幅提高。

图 4 NaHCO3胁迫对新西伯利亚银白杨胞间CO2浓度(Ci)的影响 Fig.4 Effect of NaHCO3 stress on substomatal CO2 concentration (Ci) of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
2.8 苗木生长与叶片光合能力的相关性分析

以胁迫24天时的新西伯利亚银白杨苗木的生长参数和光合特征参数的平均值进行相关性分析(表 4)。结果表明:1)叶片净光合速率Pn与气孔导度Gs呈显著正相关(P﹤0.05),与蒸腾速率Tr呈极显著正相关(P﹤0.01),与胁迫强度呈显著负相关(P﹤0.05);2)气孔导度Gs与叶片蒸腾速率Tr呈极显著正相关(P﹤0.01),与胁迫强度呈极显著负相关(P﹤0.01);3)蒸腾速率Tr与胁迫强度呈显著负相关(P﹤0.05);4)苗木高增长量与地径增量、地上生物量增量和叶片气孔导度Gs呈显著正相关(P﹤0.05),与胁迫强度呈极显著负相关(P﹤0.01);5)地上生物量增量与地下生物量增量、净光合速率Pn呈显著正相关(P﹤0.05),与总生物量增量、气孔导度Gs和蒸腾速率Tr呈极显著正相关(P < 0.01),与胁迫强度呈极显著负相关(P﹤0.01);6)地下生物量增量与总生物量增量和蒸腾速率Tr呈极显著正相关(P﹤0.01),与根冠比、净光合速率Pn和气孔导度Gs呈显著正相关(P﹤0.05),与胁迫强度呈显著负相关(P﹤0.05);7)总生物量增量与根冠比、净光合速率Pn呈显著正相关(P﹤0.05),与叶片气孔导度Gs、蒸腾速率Tr呈极显著正相关(P﹤0.01),与胁迫强度呈显著负相关(P﹤0.05);8)根冠比与净光合速率Pn、蒸腾速率Tr呈显著正相关(P﹤0.05),与胁迫强度的负相关关系、与气孔导度Gs的正相关关系不显著(P﹥0.05);9)地径增量、胞间CO2浓度Ci与其他参数以及胁迫强度的相关性均不显著(P﹥0.05)。

表 4 新西伯利亚银白杨苗木生长与叶片光合能力的相关分析 Tab.4 Correlation between photosynthetic capability and seedling increment of P. bachofenii × P. pyramidalis 'ROZ'
3 结论与讨论

非生物胁迫下,植物的个体形态发育受到显著影响,其中生长抑制是植物对逆境响应最敏感的过程(余叔文等,1998尹春英等,2003)。盐碱胁迫导致活性氧积累和膜脂过氧化加强,叶绿素含量减少,植株生长受到抑制(French et al., 2003Shafi et al., 2009Yao et al., 2010)。在耐盐碱品种选育中,生长指标常被用于鉴定育种材料的耐盐碱能力(张术忠等,2002杨敏生等,2002)。本研究结果显示:NaHCO3胁迫抑制新西伯利亚银白杨苗木的高生长、地径生长和生物量增量,且抑制程度随胁迫强度递增而加大。轻度胁迫(24 mmol·L-1 NaHCO3)下,新西伯利亚银白杨苗木生长正常,植株苗高、地径和生物量与对照相比差异较小;在中度胁迫(48 mmol·L-1 NaHCO3)下苗木可以生存,但高生长受到显著抑制,植株矮小,叶片厚而呈深绿色;而在重度胁迫(72 mmol·L-1 NaHCO3)下,苗木明显发育不良,胁迫24天后部分苗木死亡。说明新西伯利亚银白杨苗木具有一定的耐碱性,当NaHCO3溶液浓度≤48 mmol·L-1时,苗木可以生存和生长,当NaHCO3浓度超过48 mmol·L-1时,苗木生长严重受限甚至死亡。

植物叶片净光合速率Pn的大小是衡量植物光合作用能力强弱的重要指标。对植物自身来说影响Pn大小的因素主要有CiGsTr。它们在植物光合作用过程中协同作用,保障光合作用的顺畅进行。盐碱胁迫下植物光合作用受到显著的抑制(French et al., 2003赵昕等,2007王景艳等,2008刘建新等,2010)。本研究结果显示:新西伯利亚银白杨苗木净光合速率随着NaHCO3浓度的提高和胁迫时间的延长而降低,胁迫强度与叶片净光合速率Pn、气孔导度Gs分别呈显著负相关关系。这与Sobrado(2005)对假红树(Laguncularia racemosa)的研究结果相一致。胁迫过程中,苗木为减少水分散失关闭部分气孔,导致蒸腾速率随之降低。本研究发现:轻度胁迫(Y1)和中度胁迫(Y2)下,胞间CO2浓度呈下降趋势,且与净光合速率变化趋势相同。而重度胁迫(Y3)下,胞间CO2浓度在胁迫中后期大幅升高,与气孔导度变化趋势相反,推测是由于细胞呼吸产生的CO2量大于光合作用所利用的CO2量,从而使胞间CO2浓度大幅提高。因此认为,当NaHCO3溶液浓度≤48 mmol·L-1时,新西伯利亚银白杨苗木可以维持一定的光合生产能力,而高于该浓度的NaHCO3胁迫下,苗木在短时间内可维持一定净光合速率,但随后光合机构遭到严重破坏,苗木最终死亡。

气孔关闭是由于胁迫引起光合作用受抑制,CO2同化受阻导致的细胞及细胞间隙CO2浓度升高所产生的效应,它反映了植物在长期进化过程中形成的气孔导度与光合速率相匹配的一种协调关系(上官周平,1990)。Berry等(1982)提出的光合作用气体交换模型可以用来判断气孔导度是否是光合速率的限制因子。逆境胁迫下,植物光合速率降低的原因包括气孔限制和非气孔限制2方面(Bethke et al., 1992)。即当胞间CO2浓度随着气孔导度下降而下降,或光合速率随着气孔导度下降而下降时,光合速率的变化被认为是由于气孔关闭所引起的。相反,如果光合速率降低的同时伴随胞间CO2浓度的升高,则光合作用的主要限制因素是非气孔因素,即叶肉细胞的光合特性降低所引起(刘会超等,2004丁友芳等,2010)。本研究结果显示:轻度NaHCO3胁迫(Y1)、中度NaHCO3胁迫(Y2)和重度NaHCO3胁迫(Y3)的初期(8天),新西伯利亚银白杨苗木叶片胞间CO2浓度随气孔导度下降而下降,同时净光合速率也随之下降,说明这几种情况下影响叶片光合特性的因素主要是气孔性限制。但是重度NaHCO3胁迫(Y3)的后期(16~24天),光合速率降低的同时伴随着胞间CO2浓度的升高(胁迫24天时高于对照水平),说明重度NaHCO3胁迫(Y3)的中后期影响叶片光合特性的因素以非气孔因素为主。

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