NaCl脅迫對堿地風毛菊苗期植株Na+、K+含量的影響

楊桂英,夏方山,董秋麗,董寬虎

(山西農業大學動物科技學院,山西太谷 030801)

鹽脅迫是自然界中一種主要的非生物脅迫,是影響植物生長發育的重要因素之一[1]。土壤中高濃度鹽會對植物造成3種主要傷害:滲透脅迫、離子毒害和離子不平衡(或營養失調)[2]。為了避免細胞傷害和營養缺乏,植物需要在胞質中維持足夠的 K+和適當的K+/Na+[3,4]。許多研究報道表明,植物耐鹽性與植株地上部對Na+和Cl-積累的限制力及高K+/Na+保持能力有關[5]。

堿地風毛菊(Saussurea runcinata)為多年生草本植物,生于鹽漬化草甸,產于新疆、內蒙古、河北、山西、陜西、寧夏、遼寧等省[6]。目前,關于堿地風毛菊的研究以生態方面為多,關于其耐鹽性的研究報道較少。因此,以不同濃度 NaCl脅迫對堿地風毛菊苗期的K+、Na+含量的影響進行研究,為生物方法改良鹽堿化草地提供植物種質資源,以期為堿地風毛菊在改良鹽堿化草地的應用中提供技術依據。

1 材料和方法

1.1 種子來源

供試堿地風毛菊種子于2008年秋采自山西省右玉縣威遠鎮后所堡村東的鹽堿化草地,N 39°59′26.2″,E 112°19′19.8″,海拔高度為 1 329m 。

1.2 試驗方法

試驗地在山西農業大學草業科學系日光能溫室進行,溫度為14～30℃,濕為度65%～80%。采用直徑25 cm、高20 cm的塑料盆,裝入1∶1的蛭石與珍珠巖(v/v),插入PVC管以便澆水及營養液。采用完全隨機區組設計,播種量為 100粒/盆,播種75盆,脅迫前每隔3 d用 Hoagland營養液澆灌1次,于17:00～20:00進行。其他時間每日用自來水補充失水,以稱重法確定失水量。出苗后30 d選取長勢相對均勻的定苗,定苗14 d后對其進行鹽分脅迫。試驗分別以濃度為0(CK)、60、120、180、240、300 和360 mm ol/L 7個梯度的NaCl對其進行脅迫,3次重復。以含有相應濃度鹽分的營養液為處理液,脅迫組每天按60 mm ol/L的濃度梯度進行遞增,直至達到指定的濃度為止,對照組只澆灌Hoag land營養液。鹽脅迫14 d,分別采集葉片和根系,放入烘箱內105℃殺青,85℃烘干24 h,將烘干樣品研磨粉碎,用于離子含量的測定。

1.3 測定方法

Na+,K+含量的測定參照文獻[7]的方法進行,略加修改,每一處理稱取葉片及根系烘干樣0.5 g,用火焰光度計法測定 K+、Na+含量,并計算K+/Na+和選擇性運輸系數(TSK,Na)。

選擇性運輸系數(TSK,Na)的計算參照文獻[8]進行,公式為:

葉片的 TSK,Na=葉片[(K+)/(Na+)])/根系[(K+)/(Na+)]。

1.4 統計分析

試驗數據采用 Excel 2003繪圖,試驗結果采用SAS 8.0統計軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 NaCl脅迫對堿地風毛菊苗期Na+含量的影響

隨著NaCl濃度的增加,堿地風毛菊葉片中Na+含量呈現出遞增趨勢,且均顯著高于對照(P＜0.05),當濃度為360 mm ol/L時,堿地風毛菊葉片Na+含量最高,是對照的 4.10倍,但與300 mm ol/L時 Na+含量差異不顯著(P＞0.05)。堿地風毛菊根系Na+含量隨著NaCl濃度的增加呈先升后降的趨勢,且Na+均顯著高于對照(P＜0.05),當濃度為180 mmol/L時,根系Na+含量最高,較對照增加了 83.30%,隨著NaCl濃度的進一步增加Na+含量開始下降,當濃度大于240mm ol/L時,各濃度間根系Na+含量差異不顯著(P＞0.05)。在NaCl的同一濃度脅迫下,堿地風毛菊葉片的Na+含量明顯高于根系(圖1)。

圖1 NaCl脅迫下堿地風毛菊根系與葉片Na+含量的變化(mg/g DW)Fig.1 Changes of Na+content in leaves and roots under NaCl stress(mg/g DW)

2.2 NaCl脅迫對堿地風毛菊苗期K+含量的影響

當NaCl濃度為360mmol/L時,堿地風毛菊葉片中K+含量顯著高于對照(P＜0.05),較對照增加了9.07%,其余NaCl濃度脅迫下,堿地風毛菊葉片的K+含量與對照均差異不顯著(P＞0.05)。隨著NaCl濃度的增加,堿地風毛菊根系K+含量呈現出先增加后下降的趨勢,均顯著高于對照(P＜0.05),當濃度為300 mm ol/L時,堿地風毛菊根系中K+含量最高,較對照增加了40.43%。堿地風毛菊葉片中K+含量明顯高于同一濃度NaC l脅迫下根系中K+含量(圖2)。

圖2 NaCl脅迫下堿地風毛菊根系與葉片K+含量的變化Fig.2 Changes of K+content in leaves and roots under NaCl stress

2.3 NaCl脅迫對堿地風毛菊苗期K+/Na+的影響

NaC l脅迫下堿地風毛菊葉片和根系K+/Na+均顯著低于對照(P＜0.05),且葉片中K+/Na+下降幅度較大,但是隨著NaCl濃度的增加,葉片K+/Na+變化不明顯,除了60mmol/L和300mmol/L時,葉片中K+/Na+差異顯著外(P＜0.05),其余濃度間均差異不顯著(P＞0.05)。隨著NaCl濃度的增加,堿地風毛菊根系中K+/Na+下降幅度不大。除NaCl濃度低于180mmol/L時,葉片與根系間的K+/Na+差異不明顯外,隨著NaCl濃度的進一步增加,堿地風毛菊根系的K+/Na+明顯高于相同濃度脅迫下葉片的 K+/Na+(圖3)。

2.3 NaCl脅迫對堿地風毛菊苗期TSK,Na的影響

隨著NaC l濃度的增加,堿地風毛菊根系向葉片的運輸選擇性比率 TSK,Na較對照顯著降低(P＜0.05),且呈現出先下降后增加的趨勢。當NaCl濃度為300 mmol/L時,堿地風毛菊的TSK,Na最低,較對照下降了67.31%,低于180 mmol/L。不同NaCl濃度脅迫下,堿地風毛菊TSK,Na彼此差異不顯著(圖4)。

圖3 NaCl脅迫下堿地風毛菊根系與葉片K+/Na+的變化Fig.3 Changes of K+/Na+in leaves and roots under NaCl stress

圖4 NaCl脅迫下堿地風毛菊 TSK,Na的變化Fig.4 Changes of TSK,Na under NaCl stress

3 討論

鹽脅迫下,保持植物體內的離子平衡對植株的正常生長至關重要[9]。Na+在鹽生植物生長中具有調節植物滲透壓和影響植物水分平衡與細胞擴展的作用,是鹽生植物生長的必須元素,過多的Na+會使相關代謝酶失活而產生毒害[10,11]。研究結果表明,隨著NaCl濃度的增加,堿地風毛菊葉片和根系的Na+含量均顯著高于對照,這與劉志華等[12]對獐毛(Aeluropuspungens)和鄭青松等[13]對鹽角草(Salicornia spp.)的研究結果一致。當NaCl濃度大于300 mmol/L和240 mmol/L時,堿地風毛菊葉片和根系的Na+含量分別趨于穩定,可見堿地風毛菊在高濃度脅迫下能夠維持一定量的Na+且不再增加,使光合器官不受過多Na+的毒害。鹽離子在不同的營養器官中分布不同,其中葉作為地上部分活動最旺盛的營養器官,Na+、K+含量高于根系,可能是葉肉細胞有較大的液泡,通過離子區域化作用,積累較多的離子,或結晶析出貯存,也可起到滲透調節作用,變害為利,同時堿地風毛菊葉片肉質化,從而具有一定的稀鹽作用,這也是植物形態對鹽脅迫的適應[15]。

K+是高等植物體內含量最多的陽離子,具有調控離子平衡、滲透調節、蛋白質合成、細胞膨壓、光合作用等生理功能[9]。K+穩態在植物耐鹽性中具有重要意義,鹽脅迫下植物離子平衡的恢復代表植物鹽適應的重要反應[16],耐鹽植物的重要特征之一是具有保持細胞內K+的能力。研究結果表明:除了NaCl濃度為360 mm ol/L時,堿地風毛菊葉片K+含量顯著高于對照外,其余NaCl濃度脅迫下葉片K+含量均與對照顯著不差異,堿地風毛菊根系中K+含量則隨著NaCl濃度的增加而顯著高于對照,可見在NaC l脅迫下堿地風毛菊能較好的維持K+的穩態。相同濃度的NaCl脅迫下,堿地風毛菊根系的K+含量始終低于葉片,這與王春娜[15]對風毛菊的研究結果一致。

植物細胞中K+和Na+含量動態是受到嚴格調控的,植物要在鹽漬環境中存活,胞質中必須保持一個高K+/Na+比,這對植物生長非常重要[1]。植物細胞K+/Na+最小值為1,K+/Na+低于這一數值即表明植物受到了外界環境的脅迫影響[18]。結果表明:隨著NaC l濃度的增加,堿地風毛菊葉片和根系的K+/Na+均顯著低于對照,但K+/Na+均＞1,可見堿地風毛菊受到NaCl脅迫影響不大,對NaCl的耐性較強。

葉片中TSK,Na值代表根系吸收的K+、Na+選擇性向葉片運輸的能力,數值越高,說明在Na+存在的情況下選擇性吸收K+的能力越強。在NaCl脅迫下,堿地風毛菊根系向葉片的選擇性運輸系數TSK,Na顯著低于對照,但不同濃度脅迫下,TSK,Na變化幅度不大,這也保證了堿地風毛菊葉片對K+的生理需求。

4 結論

(1)隨著NaCl濃度的增加,堿地風毛菊葉片和根系Na+顯著增加,NaCl脅迫下,堿地風毛菊葉片和根系能夠很好的維持K+穩態,在相同濃度的NaCl脅迫下堿地風毛菊葉片的Na+、K+明顯高于根系。

(2)在NaCl脅迫下,堿地風毛菊葉片和根系的K+/Na+顯著低于對照,除60mmol/L NaCl脅迫下,葉片的K+/Na+高于根系外,其余相同濃度脅迫下,根系的K+/Na+均高于葉片;根系向葉片的運輸系數TSK,Na顯著低于對照。

(3)堿地風毛菊對NaCl的耐性較強。

[1]陳敏,彭建云,王寶山.整株水平上Na+轉運體與植物的抗鹽性[J].植物學通報,2008,25(4):381-391.

[2]李青松,王林權,周春菊,等.鈣離子及鈣調蛋白對不同溫度型冬小麥鹽分吸收與累積的影響[J].西北植物學報,2009,29(5):0975-0982.

[3]N iu X,Bressan R A,Hasegawa PM,etal.Ion homeostasis in NaCl stress environments[J].Plant Physio logy,1995,109:735-742.

[4]Serrano R,Culiafaz MA,Moreno V.Genetic engineering of salt and d rought tolerance w ith yeast regu latory genes[J].Scientia Horticulturae,1999,78:261-269.

[5]王寶山,鄒琦,趙可夫.鹽脅迫對高梁不同器官的離子分布的影響[J].作物學報,2000,26(6):845-850.

[6]趙可夫,李法曾.中國鹽生植物[M].北京:科學出版社,1999:297.

[7]王寶山,趙可夫.小麥葉片中Na+、K+提取方法的比較[J].植物生理學訊,1995,31(1):50-52.

[8]Flower D J,Lud low MM.Contribution ofosmotic adjustment to the dehyd ratin tolerance of water-stressed pigeonpea(Ca janus ca jan(L.)Millsp.)leaves[J].Plant Cell Env,1986(9):33-40.

[9]王素平,徐心誠.H2O2預處理對鹽脅迫下黃瓜幼苗生長和K+、Na+,Cl-分布的影響[J].河南農業科學,2008(5):88-92.

[10]鄭國琦,馬宏瑋,許興.鹽脅迫下寧夏枸杞鹽分與甜菜堿累積及其與光合作用的關系[J].中國生態農業學報,2003,11(3):51-540.

[11]王素平,郭世榮,周國賢,等.NaCl脅迫下黃瓜幼苗體內K+,Na+和Cl-分布及吸收特性的研究[J].西北植物學報,2006,26(11):2281-2288.

[12]劉志華,趙可夫.鹽脅迫對獐茅生長及Na+和K+含量的影響[J].植物生理與分子生物學學報,2005,31(3):311-316.

[13]鄭青松,華春,董鮮,等.鹽角草幼苗對鹽離子脅迫生理響應的特性研究(簡報)[J].草業學報,2008,17(6):164-168.

[14]王友平,劉德璽,孫明高,等.絨毛白蠟營養器官中Na+、K+、Cl-的分布[J].石河子大學學報(自然科學版),2009,27(1):27-29.

[15]王春娜.植物耐鹽性分析及對土壤特征的適應研究[D].哈爾濱,東北林業大學,2005:31-35.

[16]夏方山,董秋麗,董寬虎.NaCO3脅迫對堿地風毛菊苗期葉片和根系氮代謝的影響[J].草原與草坪,2011(1):19-22.

[17]楊穎麗,楊寧,王萊,等.鹽脅迫對小麥幼苗生理指標的影響[J].蘭州大學學報(自然科學版),2007,43(2):29-33.

[18]高永生,王鎖民,張承烈.植物鹽適應性調節機制的研究進展[J].草業學報,2003,12(2):l-6.