盐生植物真盐生植物耐盐性与光合作用的共性特征：以碱蓬和毕氏海蓬子为模型的研究

《Horticulturae》：Common Characteristics in Salt Tolerance and Photosynthesis Between Suaeda salsa and Salicornia bigelovii

　　

真盐生植物（euhalophytes）是一类具有极强耐盐能力的植物。本研究以水培生长的碱蓬（*Suaeda salsa*）和毕氏海蓬子（*Salicornia bigelovii*）幼苗为模式物种，探究真盐生植物耐盐性与光合作用的共性特征。经100–600 mmol·L^?1 NaCl处理28 d，两种真盐生植物的生物膜和光系统II均未检测到损伤；此外，超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性低于对照组。盐处理提高了组织的肉质化程度并促进了生长（例如更多分枝和更大的光合器官）。例如，与对照组相比，生长在200 mmol·L^?1 NaCl下的碱蓬幼苗的质膜透性（PMP）和丙二醛（MDA）含量分别降低了49.8%和20.6%，SOD和POD活性分别降低了75.5%和87.6%，而整株鲜重增加了94%。这些结果表明200 mmol·L^?1 NaCl有利于碱蓬的生长。在毕氏海蓬子中观察到类似结果，其最适生长盐度为400 mM NaCl。在盐渍环境中，甜菜碱和Na⁺作为关键渗透调节物质，促进两种真盐生植物的水分吸收。同时，它们通过降低气孔导度（Gs）和蒸腾速率（T_r）来最大限度地减少蒸腾失水，从而限制盐分流入。尽管该响应机制降低了净光合速率（Pn），但两种真盐生植物通过增加光合器官生物量来增强碳固定进行补偿，同时下调叶绿素和蛋白质含量以降低代谢消耗和呼吸速率（Rr）。上述两种真盐生植物盐刺激生长的共有机制可为培育具有改良耐盐性和更高产量的蔬菜作物提供突破。

**研究背景与问题**

全球范围内NaCl浓度≥200 mmol·L^?1的土壤广泛分布，约占8亿公顷，在此类环境中仅盐生植物（halophytes）能够完成生活史。目前通过杂交育种或转基因技术培育高耐盐作物的进展仍然有限，在中度至高度盐渍土壤中种植耐盐作物仍严重依赖高经济成本和淡水资源。因此，阐明盐生植物的耐盐机制对于培育耐盐作物至关重要。根据Breckle基于整株水平Na⁺积累和转运的分类，盐生植物可分为三种类型：泌盐盐生植物（recretohalophytes）、真盐生植物（euhalophytes）和假盐生植物（pseudo-halophytes）。真盐生植物在盐渍条件下不仅能存活，还能从适度盐度中获益，其最适生长浓度通常≥200 mmol·L^?1，而非盐土壤反而不利于其生长。碱蓬（*Suaeda salsa* (L.) Pall.）和毕氏海蓬子（*Salicornia bigelovii* Torr.）是已在高盐农业中开发利用的真盐生植物，可直接用海水灌溉，被称为"海水蔬菜"。研究人员以这两种真盐生植物为材料，比较其耐盐性和光合特性，旨在阐明真盐生植物的共性耐盐机制。

**关键技术方法**

研究人员以水培生长的碱蓬和毕氏海蓬子幼苗（种子购自盐城绿源农业科技有限公司，中国盐城）为材料，设置5（对照）、100、200、400和600 mmol·L^?1 NaCl处理28 d。主要技术方法包括：生物量和水分状态测定（鲜重、干重、有机干重、肉质化程度）；质膜透性（PMP）和丙二醛（MDA）含量测定；抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性测定；细胞液浓度（CSC）和渗透调节物质（脯氨酸、可溶性糖、甜菜碱、游离氨基酸、Na⁺、K⁺、Mg²⁺）含量测定；叶绿素荧光参数（Fv/Fm、PI）和气体交换参数（Pn、Gs、Tr、Ci、Rr）测定；叶绿素和蛋白质含量测定。

**研究结果**

**盐度对两种真盐生植物生长的影响**：经28 d NaCl处理后，碱蓬和毕氏海蓬子在100、200、400和600 mmol·L^?1 NaCl下的整株鲜重分别为对照的1.78、1.94、1.44、0.78倍和1.76、1.97、2.12、1.69倍。碱蓬的最适生长NaCl浓度为100–200 mmol·L^?1，毕氏海蓬子为200–400 mmol·L^?1。基于有机干重，400–600 mmol·L^?1 NaCl显著抑制碱蓬生长，而即使600 mmol·L^?1 NaCl仍促进毕氏海蓬子生长，表明后者耐盐性更强。盐处理下两种植物的根冠比均显著低于对照，表明盐处理对地上部生长的促进作用大于根系。盐处理植株表现出分枝数增加和枝条肉质化程度提高的旺盛生长表型。

**盐度对两种真盐生植物生物膜稳定性的影响**：两种真盐生植物在100–600 mmol·L^?1 NaCl下均能维持质膜稳定性，盐处理枝条的PMP普遍低于对照（碱蓬600 mmol·L^?1除外）。MDA含量在盐处理下也显著低于对照。与对照相比，200 mmol·L^?1 NaCl下碱蓬幼苗的PMP和MDA含量分别降低49.8%和20.6%。表明100–600 mmol·L^?1 NaCl未诱导两种真盐生植物的膜损伤。

**盐渍条件下两种真盐生植物的抗氧化响应**：随着盐度增加，碱蓬枝条SOD、POD和CAT活性显著下降。在100、200、400和600 mmol·L^?1 NaCl下，SOD活性相对对照分别降低30.9%、75.5%、80.0%和92.3%；POD活性分别降低51.8%、87.6%、87.3%和84.6%；CAT活性分别降低32.7%、61.4%、62.3%和57.0%。毕氏海蓬子POD活性呈类似下降趋势，分别降低87.6%、88.3%、92.7%和92.0%。其SOD活性变化较小，仅在600 mmol·L^?1 NaCl下显著降低。与碱蓬不同，毕氏海蓬子CAT活性在盐处理后显著增加。

**盐渍条件下两种真盐生植物的水分状态和渗透调节**：盐处理提高了两种真盐生植物枝条的肉质化程度。在100、200、400和600 mmol·L^?1 NaCl下，碱蓬枝条肉质化程度分别增加23.3%、30.9%、28.4%和19.0%，毕氏海蓬子分别增加11.3%、16.7%、18.9%和8.9%。CSC随盐度增加逐渐升高，碱蓬和毕氏海蓬子在上述盐浓度下的CSC分别为对照的1.35、1.50、1.64、1.89倍和1.54、1.83、2.51、2.86倍。相同盐浓度下毕氏海蓬子CSC高于碱蓬，表明其渗透调节能力更强。可溶性糖含量随盐度增加在两种植物中均下降。甜菜碱在三种有机渗透调节物质中含量最丰富，但盐处理后碱蓬中显著下降，而毕氏海蓬子中显著增加。游离氨基酸响应在两种植物间存在差异。脯氨酸含量在盐渍条件下两种植物中均增加，但绝对含量可忽略不计。盐处理降低了两种植物对K⁺和Mg²⁺的吸收，可能由于与Na⁺吸收的竞争。碱蓬和毕氏海蓬子具有强盐积累能力，Na⁺转移因子分别为4.48、2.08、1.68、1.13、1.09和30.34、3.57、2.14、1.54、1.24。

**盐渍条件下两种真盐生植物的叶绿素荧光和气体交换参数**：两种真盐生植物Pn均随盐度增加而下降。在100、200、400和600 mmol·L^?1 NaCl下，碱蓬Pn相对对照分别降低9.5%、15.3%、28.4%和35.3%；毕氏海蓬子分别降低16.8%、25.0%、36.1%和44.7%。然而，整株总净光合能力（Pt）随盐度增加先升后降。与对照相比，碱蓬在100–200 mmol·L^?1 NaCl下、毕氏海蓬子在100–400 mmol·L^?1 NaCl下Pt显著增强。Gs随盐度增加显著下降。Pn和Gs的平行下降表明气孔限制可能降低两种真盐生植物的光合作用，但Ci值在各盐处理间无显著差异，表明气孔限制并非盐诱导光合抑制的主要原因。Fv/Fm和PI在盐处理后未下降（碱蓬600 mmol·L^?1略有降低除外），毕氏海蓬子PI甚至在盐处理后增加。此外，两种植物Rr均显著低于对照，排除了呼吸增加导致抑制的可能。

**盐渍条件下两种真盐生植物枝条的叶绿素和蛋白质含量**：两种植物叶绿素含量均随盐度增加而下降。在100、200、400和600 mmol·L^?1 NaCl下，碱蓬叶绿素含量降至对照的91.9%、90.5%、77.3%和63.0%，毕氏海蓬子降至91.9%、84.4%、77.4%和76.5%。蛋白质含量在盐处理后也下降，碱蓬降至对照的73.7%、44.9%、32.0%和31.0%，毕氏海蓬子降至97.9%、86.3%、80.4%和69.5%，后者降幅显著较小。

**讨论与结论**

讨论部分从四个方面展开。第一，适度盐度为真盐生植物的生长和细胞稳态提供有利环境：盐处理后两种真盐生植物质膜保持稳定，MDA含量降低，表明100–400 mmol·L^?1 NaCl对其膜稳定性有益；两种植物在100–400 mmol·L^?1 NaCl下无需激活抗氧化酶系统；叶绿素a荧光结果表明盐渍条件下两种真盐生植物光系统未受损。第二，盐渍环境促进真盐生植物生长：盐处理下两种植物整株FW和ODW均增加，最适生长盐度分别为碱蓬100–200 mmol·L^?1、毕氏海蓬子200–400 mmol·L^?1；盐处理改变生物量分配策略，根冠比显著降低。第三，真盐生植物适应高盐的机制：盐处理促进生长与组织肉质化程度增加相关；CSC随盐度增加而升高，足以驱动水分吸收；两种真盐生植物渗透调节的共同特征是甜菜碱在三种有机渗透调节物质中起主要作用，但盐处理后碱蓬中可溶性糖、游离氨基酸和甜菜碱含量均下降，表明有机渗透调节物质积累并非两种真盐生植物耐盐的主要机制；在无机阳离子中，Na⁺在盐渍条件下起主要渗透调节作用，Na⁺在碱蓬中的贡献率为20.4%–44.0%，在毕氏海蓬子中为30.8%–34.6%；Na⁺和Cl^?对渗透调节的合计贡献约为40%–80%。第四，盐渍条件下真盐生植物快速生长的机制：尽管Pn显著低于对照，两种真盐生植物通过增加光合器官生物量（更多分枝和更大枝条叶片）实现更高的整株光合能力（Pt）；Gs降低有利于限制蒸腾失水和盐分吸收，但Ci未显著变化表明Pn下降非气孔限制所致；两种真盐生植物通过主动降低叶绿素和蛋白质含量来降低光合能力，避免光氧化胁迫并节省有机资源；100–400 mmol·L^?1 NaCl下Rr显著低于对照，表明适度盐度从呼吸角度对两种真盐生植物产生积极影响；代谢消耗降低是两种真盐生植物耐盐性的标志性特征。

结论部分译为：碱蓬和毕氏海蓬子在高盐度下的快速生长可归因于几个共同特征。第一，与非盐条件相比，两种真盐生植物在适度盐度下表现出更好的膜稳定性和更低的膜脂过氧化，抗氧化酶（SOD、POD）未显著诱导。因此，适度盐度为真盐生植物在生长和细胞稳态方面提供了有利环境。第二，两种真盐生植物在盐处理后未积累大量有机渗透调节物质，而是主要利用NaCl作为渗透调节剂，将潜在胁迫因子转化为有益因子以提高组织含水量。水分状态改善刺激两种真盐生植物产生更多分枝并增大光合器官。第三，两种真盐生植物的特征在于通过吸水快速生长以稀释内部盐浓度，同时通过降低气孔导度（Gs）和蒸腾减少盐分吸收。尽管Gs降低不可避免地限制气体交换并影响光合作用，但两种真盐生植物通过增加光合器官生物量补偿Pn的降低。第四，为适应有限的气体交换，两种真盐生植物主动降低叶绿素和蛋白质含量。代谢和呼吸消耗降低是两种真盐生植物的重要耐盐性状。这些特征为旨在提高作物耐盐性的基因工程研究提供了新见解。