干旱脅迫下旱稻和水稻對K⁺和Ca²⁺的動態吸收研究

干旱脅迫下旱稻和水稻對K+和Ca2+的動態吸收研究

侯佩臣1，2 王曉冬1，2 王美娟3 潘大宇1，2 羅 斌1，2 王 成1，2*

（1北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；2北京農業信息技術研究中心，北京 100097；

3北京林業大學生物科學與技術學院，北京 100083）

摘 要：利用動態離子流檢測技術，通過比較干旱作用下旱稻與水稻對K+和Ca2+離子的動態吸收規律，探討無機離子對旱稻和水稻的抵御干旱脅迫的作用機理，有助于篩選抗旱水稻材料。結果顯示，PEG處理條件下巴西旱稻對K+和Ca2+的吸收能力強于日本晴水稻，可能是由于巴西旱稻通過吸收無機離子作為滲透調節劑抵御干旱脅迫，因此具有較強的抗干旱能力。同時研究也說明，利用動態離子流檢測技術比較不同材料的無機離子吸收能力，可以篩選抗旱水稻新品種。

關鍵詞：旱稻；水稻；抗旱性；無機離子；動態離子流

中圖分類號 Q945.78 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2013）23-05-04

Research on Upland Rice and Rice to K+ and Ca2 + Dynamic Absorption under Drought Stress

Hou peichen1，2 et al.

（1 Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097，China；2 Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture，Beijing 100097，China）

Abstract：Using the dynamic ion flux test technical，we compared dynamic ion absorption of upland rice and rice to K+ and Ca2+ under drought stress，and discussed how inorganic ion worked in upland rice and rice resisting drought stress，which may contribute to screening drought resistant rice. Results suggest that，brazil upland rice has stronger K+ and Ca2+ absorption than nipponbare rice under 10%PEG treatment，through which we proposed that the brazil upland rice absorpted inorganic ions as osmotic modifier to resist drought stress，and has stronger drought-resistant ability. This research illustrates that using dynamic ion flux test technical to compare different materials’ inorganic ions absorption ability，we can screen new drought resistant rice species.

Key words：Upland rice；Rice；Drought tolerance；Inorganic ions；Dynamic ion flux

隨著全球人口急劇膨脹，以及工業化、城市化的迅猛發展，水資源短缺現象越來越嚴重，水稻作為全球40%人口的主要糧食作物[1]，在干旱、水資源短缺的情況下其產量受到嚴重威脅。因此，研究抗旱水稻的抗旱機理，特別是無機離子運輸機理，有助于培育抗旱水稻新品種，穩定糧食生產。

以往水稻抗旱機理研究結果表明：（1）滲透調節物質可以提高水稻的抗旱性。徐孟亮等證實抗旱性強的水稻品種在干旱處理初期葉片中游離脯氨酸含量較高[2]；水分脅迫下，銨態氮可以增強水稻植株內游離氨基酸積累，調節細胞滲透能力抵御干旱脅迫[3]。（2）無機離子可以提高水稻的抗旱性。Dennison等和Liu等認為K+對于植物調節膜電勢和細胞膨壓，滲透調節是必須的[4-5]；朱維琴等證實了氮營養可以促進水稻葉片中K+離子的積累調節細胞膨壓[6]；盧少云等證實Ca2+處理能夠提高膜脂過氧化保護能力和膜的穩定性，從而提高水稻幼苗的抗旱性[7]；高迎旭等研究表明，銨態氮可以增強水稻的抗旱性，增強水稻的生長能力[8]。（3）其他外源化合物可提高水稻抗旱性。董桃杏等證實適宜濃度的MeJA（茉莉酸甲酯）可增強水稻幼苗葉片的水勢，增強水稻的抗旱性[9]；干旱脅迫下外源6-BA可以增強水稻葉片厚度，增加硅質細胞，減少葉綠體的降解，提高水稻的抗旱性[10]。

以往的研究結果只是從離子含量角度分析了無機離子作為滲透調節物質調節水稻抗旱性，那么這些無機離子是植物體本身的還是從外界吸收來的，沒有動態吸收結論。本文從水稻根系對無機離子動態吸收角度，研究干旱條件下旱稻和水稻的動態吸收現象，結果顯示，干旱條件下旱稻對K+、Ca2+離子的動態吸收能力較水稻強。由此推斷，旱稻可通過直接吸收無機離子調節水稻細胞滲透勢抵御干旱脅迫。

本研究使用動態離子流檢測技術對旱稻和水稻根系做PEG處理前后動態檢測，分析離子流變化規律，判斷干旱處理前后的K+、Ca2+吸收狀態。動態離子流檢測技術同“非損傷微測技術（NMT）”和“離子選擇微電極技術（SIET）”，在植物抗逆研究中廣泛應用[11-13]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 巴西旱稻和日本晴水稻材料。選擇水稻籽粒飽滿、大小一致的種子各100粒，5% NaClO消毒30min，無菌水洗3次，再用無菌水浸泡20min后，放入墊有濾紙（無菌水打濕）的玻璃培養皿中，催芽培養。待幼苗芽長至2cm時，轉為營養液培養[14]，長至2葉1心時摘去種胚，每個品種選擇40～45株作為處理材料（T），終濃度10% PEG處理；同樣每個品種選擇40～45株作為對照材料（ck），營養液繼續培養，培養溫度控制在23～25℃，處理24h，進行后續離子流檢測實驗和離子含量測定。日本晴和巴西旱稻幼苗的對照和處理各取3株樣本重復用于離子流測試并對結果做統計分析；日本晴和巴西旱稻各取4株樣本重復，用于離子含量檢測并對結果做統計分析。

1.2 離子流測量 微電極制作和校準詳細資料參考Sun等發表的文章[11]，所有的動態離子流檢測技術（離子掃描微電極技術）理論以及離子流計算方法參考Sun等和Newman發表的文章[11，15]。

1.3 離子含量檢測 水稻根部K+、Ca2+離子含量檢測參考已有[14]方法進行，每個樣本用5g鮮樣作為檢測材料，用原子吸收分光光度計檢測[16]。

1.4 實驗儀器 UV3600分光光度計（日本SHIMADZU），Sinplicity UV超純水制備系統（法國Millipore），MGC-450HPY-II人工氣候箱（上海一恒），XS105DU電子天平（瑞士METTLER），P-97微電極拉制儀（美國SUTTER），THZ-C-1搖床（江蘇太倉），BIO-IM動態離子流檢測系統（美國YOUNGER），Z-2000原子吸收分光光度計（日本HITACHI）。

1.5 數據處理 離子流速計算方法基于Fick擴散定律，借助MageFlux-3D Ion Flux Plotting System（http：//www.xuyue.net/mageflux/）在線軟件計算得出。由≥3次獨立實驗所得到的數據做統計分析，利用Excel2003軟件分析作圖。

2 結果與分析

2.1 K+離子流結果 如圖1A和圖1B所示，未經PEG處理時，巴西旱稻對K+離子的吸收能力（-112.14pmol/（cm2·s））強于日本晴水稻（-73.97pmol/（cm2·s））；PEG處理24h后，日本晴水稻對K+離子的吸收能力迅速下降，平均離子流速率為-14.93pmol/（cm2·s），而巴西旱稻對K+離子的吸收速率也表現為下降狀態，但是下降幅度沒有日本晴大，且能維持在-51.64pmol/（cm2·s）吸收水平。因此，PEG處理后，日本晴對K+離子的吸收維持在較低水平，而巴西旱稻能夠維持較高水平的K+離子吸收速率。

2.2 Ca2+離子流結果 如圖2A和2B所示，未經處理前，巴西旱稻和日本晴水稻能夠正常吸收Ca2+，PEG處理24h后，日本晴水稻對Ca2+的吸收明顯由內流（-104.70pmol/（cm2·s））變位外流（2.52pmol/（cm2·s）），表現為細胞對Ca2+的流失現象；而巴西旱稻PEG處理前其離子平均流速為-57.11pmol/（cm2·s），而處理后還能維持Ca2+為內流水平，其平均流速為-10.05pmol/（cm2·s）。因此，PEG處理模擬的干旱條件已經嚴重阻礙了日本晴根系對Ca2+的吸收，而巴西旱稻還能維持Ca2+一定的吸收水平。

2.3 K+離子含量 離子含量檢測結果顯示，PEG處理后，日本晴水稻K+含量下降明顯，由處理前的0.114%下降為0.054%，可見干旱處理影響了日本晴水稻根系對K+離子的吸收，最終導致K離子含量下降，這與PEG處理后日本晴根系動態離子流結果一致（如圖1）；而巴西旱稻PEG處理前K+離子含量0.264%，而PEG處理后仍保持較高水平的K+離子含量水平0.198%，與圖1中動態離子流結果一致。因此，干旱條件下，旱稻能保持高水平的離子吸收速率，可能是細胞為抵御干旱脅迫而吸收或儲存無機離子作為滲透調節劑，調節細胞膨壓，維持細胞活性。

2.4 Ca2+離子含量 圖4離子含量檢測結果顯示，日本晴水稻此結果與圖2日本晴水稻根系離子流動態吸收結果趨勢一致，對照材料Ca2+離子含量為0.034%，PEG處理材料Ca2+離子含量為0.008%，干旱脅迫導致了Ca2+離子的大量流失；而巴西旱稻Ca2+含量由PEG處理前的0.024%下降為處理后的0.021%，Ca2+離子含量下降不明顯，結果與圖2巴西旱稻離子吸速率下降不明顯一致。因此，巴西旱稻在干旱條件下也能保證足夠的Ca2+離子吸收，這種吸收機制除了保證植株營養生長外，可能與植株細胞保持一定滲透壓有關，從而保證植株的正常生長。

3 結論與討論

本研究顯示PEG干旱處理作用下，旱稻和水稻根系對無機離子K+、Ca2+具有不同的吸收能力：巴西旱稻對無機離子的吸收能力較強，而日本晴對無機離子的吸收能力較弱，特別是Ca2+甚至出現流失現象（見圖1和圖2）；離子含量測定結果也證實了在相同的PEG處理條件下巴西旱稻中K+和Ca2+離子含量均較日本晴高（見圖3和圖4）。結果說明，旱稻在干旱條件下具有較強的離子吸收能力，可能是通過大量吸收無機離子來調節細胞滲透勢、減輕干旱脅迫對旱稻機體細胞的傷害，維持正常生長。栗海俊等也證實了在水分脅迫條件下，銨態氮營養處理的秈稻和粳稻除了植株內的脯氨酸積累外，K+離子也有積累現象，推斷與水稻調節滲透勢應對干旱脅迫有關[3]；朱維琴等也發現了氮素營養可以促進干旱脅迫下水稻中K+離子的積累[6]；Shabala等用甘露醇處理蠶豆（vicia faba.L）時發現，高滲脅迫下葉肉細胞中K+、Cl-的吸收顯著增加，可能改善了細胞滲透調節耐受性[17]；Damon等發現干旱脅迫下小麥幼苗能夠吸收K+離子調節滲透壓；而大量的研究結果表明，Ca2+鈣離子作為第二信使參與干旱脅迫下植物信號轉導作用[18-20]，對于Ca2+具有滲透調節功能鮮有報導。本研究中日本晴作為不抗旱水稻材料，干旱條件下其動態K+、Ca2+離子運輸未發現增強現象，巴西旱稻確表現了較強K+、Ca2+離子吸收能力（見圖1和圖2），因此，研究旱稻對無機離子的吸收規律，有助于理解旱稻的抗旱生理機理；此外，利用干旱條件下旱稻和水稻對無機離子的運輸規律，可以作為篩選指標，選育抗旱水稻新品種。

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（責編：張宏民）