鹽脅迫下鉀吸收途徑的抑制對小麥葉片K+、Na+含量的影響

張華寧，劉子會，李國良，張紅梅，張艷敏，段碩楠，郭秀林

(河北省農林科學院遺傳生理研究所/河北省植物轉基因中心重點實驗室，河北石家莊 050051)

鹽脅迫下鉀吸收途徑的抑制對小麥葉片K+、Na+含量的影響

張華寧，劉子會，李國良，張紅梅，張艷敏，段碩楠，郭秀林

(河北省農林科學院遺傳生理研究所/河北省植物轉基因中心重點實驗室，河北石家莊 050051)

為研究鹽脅迫下小麥維持鉀、鈉平衡的生理機制，以耐鹽小麥滄麥6005和鹽敏感小麥矮抗58為材料，利用TEA、NEM、Ba(NO3)2三種藥物分別抑制鉀離子通道、鉀載體及非選擇性陽離子通道，測定正常及鹽脅迫下小麥葉片K+、Na+含量，比較耐鹽性不同的小麥品種在K+、Na+吸收中的差異。結果顯示，鹽脅迫下，滄麥6005和矮抗58葉片K+含量下降，Na+含量增加；滄麥6005葉片Na+含量低于矮抗58，K+/Na+比值高于矮抗58。正常條件下，NEM、TEA處理均可降低滄麥6005和矮抗58葉片K+含量，NEM處理較TEA處理效果更為明顯；TEA處理顯著降低了鹽脅迫下矮抗58葉片K+含量，而NEM處理則明顯降低了鹽脅迫下滄麥6005的葉片K+含量；TEA、NEM、Ba(NO3)2處理降低了鹽脅迫下矮抗58葉片Na+含量，僅NEM處理降低了滄麥6005葉片Na+含量。綜上所述，正常條件下，鉀載體是小麥K+吸收的主要方式；鹽脅迫下，耐鹽品種和鹽敏感品種K+吸收途徑不同，耐鹽品種的NSCCs和鉀離子通道具有更強的“拒鈉”能力。

小麥；鹽脅迫；K+吸收；Na+吸收

土壤鹽漬化是影響農業生產的重要因素之一[1]，可對植物產生滲透脅迫，使植物體離子失衡、營養缺乏、膜結構損傷、新陳代謝紊亂等危害，并會誘導植物產生過量活性氧(reactive oxygen species,ROS)，造成植物的氧化損傷、光合作用減弱等二次傷害[2]，其危害機理非常復雜。研究植物的耐鹽機制以改善作物耐鹽性是科研工作者的一項長期而艱巨的任務。

高等植物具有復雜的生理機制以適應鹽脅迫引起的滲透脅迫、離子脅迫和氧化脅迫等傷害[3-4]。研究證明，植物膜系統對離子吸收、轉運的調控能力與其耐鹽性密切相關，細胞質內K+與Na+的平衡是維持細胞內各種酶活性和功能、保證細胞新陳代謝、提高耐鹽能力的關鍵因素[5]。鹽脅迫下，Na+的進入、K+的流出不可避免，植物體通過改變質膜上離子的選擇性吸收來保持體內的K+/Na+平衡。根部細胞與根際環境之間的鉀離子交換主要通過以下三種方式：(1)細胞膜系統上的離子通道；(2)鉀載體蛋白，KUP/HAK/KP家族可能是植物中最普遍存在的鉀載體蛋白，在很多植物體中發現同時存在多個該家族基因；(3)非選擇性陽離子通道(NSCCs)[6-7]。三種途徑共同維持細胞內的K+/Na+平衡。研究表明，不同植物品種在鹽脅迫下通過三種途徑控制鉀進出細胞的能力存在差異，導致植物體內K+/Na+的差異，從而產生不同的耐鹽性[8-10]。王玉倩等[8]研究認為，耐鹽小麥品種NSCCs的吸鉀能力受Na+影響較??；Shabala等[9]、Chen等[10]研究表明，不同耐鹽性大麥的鉀通道敏感性、H+泵活性在鹽脅迫下存在差異，因而造成了不同品種吸鉀(持鉀)能力的差異。上述研究對鹽脅迫下植物維持K+/Na+平衡狀態主要集中在一條或兩條離子進入的途徑上，綜合考慮鹽脅迫下鉀離子進出三條途徑的研究較少。四乙基氯化銨(TEA)、N-乙基馬來酰亞胺(NEM)、硝酸鋇[Ba(NO3)2]可分別作為鉀離子通道、鉀轉運載體和NSCCs的抑制劑，抑制率越高，植物對該鉀吸收途徑的依賴性越大[11]。本試驗選定鹽耐受性不同的兩個小麥品種，分別運用鉀離子通道、鉀轉運載體、NSCCs的抑制劑，研究鹽脅迫下不同途徑對鉀、鈉離子含量的影響，以了解鹽脅迫下耐鹽小麥品種維持K+/Na+平衡的生理機制。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以前期試驗為基礎，選擇小麥(TriticumaestivumL.)品種滄麥6005(CM6005，耐鹽)和矮抗58(AK58，鹽敏感)為供試材料，種子來自于河北省植物轉基因中心重點實驗室。

1.2 小麥幼苗培養及處理

精選大小一致、籽粒飽滿的小麥種子，經0.1% HgCl2浸泡10 min消毒，清水沖洗干凈，浸泡12 h，轉雙層濾紙于黑暗中催芽，待根長至1 cm 轉至紗網用hoagland營養液水培，培養室溫度23 ℃，相對濕度60%～70%，光暗比16 h/8 h，光照強度300 μmol·m-2·s-1，通氣泵24 h通氣。

NaCl處理：水培小麥幼苗至二葉一心，進行250 mmol·L-1NaCl處理，并在第0、1、3、5、7天取樣。

抑制劑處理：在小麥幼苗長至二葉一心時，分別使用含有4 mmol·L-1四乙基氯化銨(TEA，K+離子通道抑制劑)、1 mmol·L-1N-乙基馬來酰亞胺(NEM，鉀載體抑制劑)、2.3 mmol·L-1硝酸鋇[Ba(NO3)2，NSCCs抑制劑]的營養液[12]處理，在第0、0.5、1、3、5、7天取樣。

NaCl和抑制劑聯合處理：在小麥幼苗長至二葉一心時期，分別用含4 mmol·L-1TEA、1 mmol·L-1NEM、2.3 mmol·L-1Ba(NO3)2的營養液[12]處理12 h后，在上述處理液中溶解NaCl至250 mmol·L-1，脅迫處理7 d，以不加抑制劑為對照，在NaCl處理后第0、1、3、5、7天取樣。

1.3 鉀、鈉含量測定

從紗網上取下完整小麥植株，蒸餾水洗去表面培養液和塵土，濾紙吸干表面水分。分別剪取根和葉放入105 ℃干燥箱中殺青10 min，80 ℃烘干至恒重，干樣在球磨機中研磨成粉末，使用原子吸收光譜法測定K+、Na+含量[13]。

1.4 數據分析

使用Excel對數據進行整理，SPSS 19.0 進行單因素方差分析，Turkey檢驗法進行差異顯著性分析(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對不同耐鹽性小麥品種K+、Na+含量及K+/Na+比值的影響

正常條件下，隨著生育進程推進，小麥葉片內K+含量先升高后趨于平穩，滄麥6005葉片內K+含量略微高于矮抗58;鹽脅迫處理后，兩品種葉片K+含量呈緩慢下降趨勢，二者間無顯著差異，均在第3天和第7天顯著低于對照(圖1A)。正常生長條件下，兩品種葉片內Na+含量均較低；鹽脅迫處理后，兩品種的葉片Na+含量在第3天急劇增加，之后則持續升高；滄麥6005葉片Na+含量顯著低于AK58(圖1B)。鹽脅迫3 d后，兩品種的葉片K+/Na+比明顯下降，但滄麥6005的K+/Na+顯著高于AK58，處理12 d后，兩品種之間差異不顯著(圖1C)。本研究中，滄麥6005在NaCl處理下能保持體內較高的K+/Na+，具有較好的耐鹽性。

2.2 K+吸收途徑抑制劑對葉片K+含量的影響

由圖2可見，TEA處理3 d后，矮抗58和滄麥6005葉片K+含量均顯著低于對照；NEM處理后，兩品種葉片的K+含量降低顯著，矮抗58和滄麥6005葉片K+含量分別比同期對照降低35%和32%，說明載體運輸途徑在小麥K+吸收中發揮了重要的作用；Ba(NO3)2處理后期(5～7 d)兩品種葉片的K+含量與對照無顯著差異。上述結果說明，在正常培養的條件下，非選擇性陽離子通道對K+吸收的貢獻較小，鉀離子通道和載體運輸是K+吸收的主要方式，且載體運輸的貢獻更大。

圖柱(標)上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different letters above columns(icon) mean significant difference at 0.05 level between treatments.

圖1鹽脅迫對小麥葉片K+、Na+及K+/Na+比值的影響

Fig.1EffectofsaltstressonK+content,Na+contentandK+/Na+inwheatleaves

2.3 抑制劑和鹽脅迫處理對葉片K+、Na+含量的影響

由圖3可見，對于鹽敏感品種矮抗58，TEA+NaCl脅迫使葉片K+含量下降最大，處理第7天比單獨NaCl處理的葉片K+含量下降26%；而NEM+NaCl處理的前期葉片K+含量低于對照，而處理7 d天后與對照差異不顯著；Ba(NO3)2+NaCl處理與對照無顯著差異。對于耐鹽品種滄麥6005來說，NEM處理后的鹽脅迫導致滄麥6005的葉片K+含量快速增加，后逐漸降低，處理后第5和第7天比對照K+含量顯著下降；TEA+NaCl處理1～7 d后，滄麥6005葉片K+含量與對照無顯著差異；Ba(NO3)2+NaCl處理使滄麥6005的葉片K+含量有小幅度升高，在處理7 d后，顯著高于對照。這些結果表明，鹽脅迫處理下，鹽敏感品種與耐鹽品種的K+吸收途徑不同，耐鹽品種滄麥6005在鹽脅迫下以鉀載體吸收途徑為主，鹽敏感品種矮抗58以K+離子通道吸收途徑為主。

相比單獨NaCl處理，TEA、NEM、Ba(NO3)2可顯著降低鹽脅迫下矮抗58葉片的Na+含量，TEA+NaCl、Ba(NO3)2+NaCl處理、NEM+NaCl處理7 d，矮抗58葉片Na+含量分別比對照下降51%、49%和29%。說明在鹽脅迫下，Na+可以通過三種途徑進入矮抗58。NEM+NaCl的處理使滄麥6005的Na+含量顯著下降，比同期單獨NaCl處理葉片Na+含量下降45%，TEA、Ba(NO3)2處理并未顯著降低滄麥6005葉片Na+含量。說明在鹽脅迫下，載體運輸是Na+進入耐鹽品種滄麥6005的主要途徑。由此可知，鹽脅迫下，鹽敏感品種矮抗58的Na+進入途徑與耐鹽品種滄麥6005的途徑不同，耐鹽品種對Na+的進入具有更強的抵御性。

圖標中不同字母表示處理與對照間間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different letters in icons mean significant difference between treatment with CK at 0.05 level.The same below.

圖2不同抑制劑處理對小麥幼苗葉片K+含量的影響

Fig.2EffectofTEA/NEM/Ba(NO3)2onK+contentinleavesofwheatseedlings

圖3 抑制劑預處理后鹽脅迫對小麥葉片K+含量的影響

圖4 抑制劑預處理后鹽脅迫對小麥葉片Na+含量的影響

3 討 論

K+/Na+是研究植物耐鹽性非常重要的指標之一，耐鹽性強的植物通常具有較高的 K+/Na+[14-15]。但引起不同K+/Na+的原因不同，即可以是高K+造成的，也可以是低Na+引起的。Cuin等[16]研究表明，根系保鉀能力高的小麥具有更好的耐鹽性。Devrim等[17]則認為，Na+含量與植物耐鹽性具有更好的相關性。本研究中，耐鹽小麥滄麥6005在鹽脅迫下葉片內K+/Na+高于鹽敏感品種矮抗58，滄麥6005葉片Na+含量較矮抗58的低，而K+含量差異不明顯。

鉀吸收途徑主要有鉀離子通道、鉀轉運載體，NSCCs也可透過鉀離子，這些途徑對K+的親和力不同[15]。在無鹽條件下鉀離子通道和K+轉運載體在小麥K+吸收中發揮主要作用，且K+載體運輸在K+吸收或轉運過程中貢獻較大。李青松[18]研究發現，載體運輸系統在K+吸收中作用更明顯，與本研究結果一致。鹽脅迫下，TEA的處理使矮抗58的葉片K+含量下降最多，而NEM處理使滄麥6005葉片內K+含量下降最大，進一步說明耐鹽性不同的小麥品種在鹽脅迫下的K+吸收途徑并不相同。

Na+與K+具有相似的離子半徑和水合能，Na+通過與K+競爭結合位點進入植物體內。丁同樓等[12]研究認為，鉀離子通道是鈉進入植物體內的一條重要途徑，NSCCs是小麥根吸收鈉的一個主要途徑。李青松[18]研究結果顯示，鹽脅迫下不同基因型小麥品種鈉的吸收途徑存在明顯差異。本研究中，不同耐鹽性的小麥品種的鈉吸收途徑差異明顯。鹽脅迫下，TEA、NEM、Ba(NO3)2處理均可降低鹽敏感品種矮抗58葉片內Na+的含量，說明Na+可以通過鉀離子通道、鉀轉運載體和NSCCs 進入矮抗58植株體內；而對于耐鹽品種滄麥6005，僅NEM處理降低了葉片Na+的含量，推測鉀轉運載體可能在滄麥6005的Na+吸收及轉運中發揮著重要的作用。綜上所述，滄麥6005可能在鉀離子通道和NSCCs途徑上“拒鈉”能力更強。

小麥作為一種非耐鹽作物，對NaCl比較敏感，正常條件下小麥主要通過鉀轉運載體來吸收K+；鹽脅迫下，不同耐鹽性小麥品種的K+、Na+交換途徑和能力不同，耐鹽性小麥品種更依賴鉀載體進行鉀交換，而鹽敏感小麥品種更多地依賴于鉀離子通道；耐鹽性小麥的鉀離子通道和NSCCs具有更好的“拒鈉”能力，這可能是造成耐鹽性小麥葉片鈉含量低，從而耐受鹽脅迫的一個重要原因。

[1] KUMAR K,KUMAR M,KIM S R,etal.Insights into genomics of salt stress response in rice [J].Rice,2013,6(1):27.

[2] 王東明,賈 媛,崔繼哲.鹽脅迫對植物的影響及植物鹽適應性研究進展[J].中國農學通報,2009,25(04):125.

WANG D M,JIA Y,CUI J Z.Advances in research on effects of salt stress on plant and adaptive mechanism of the plant to salinity [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2009,25(04):125.

[3] MUNNS R.Comparative physiology of salt and water stress [J].PlantCell&Environment,2002,25(2):247.

[4] MUCHATE N S,NIKALJE G C,RAJURKAR N S,etal.Plant salt stress:Adaptive responses,tolerance mechanism and bioengineering for salt tolerance [J].TheBotanicalReview,2016,10:5.

[5] SHABALA S,POTTOSIN I.Regulation of potassium transport in plants under hostile conditions:Implications for abiotic and biotic stress tolerance [J].PhysiologiaPlantarum,2014,151(3):257.

[6] LEBAUDY A,HOSY E,SIMONNEAU T,etal.Heteromeric K+channels in plants [J].PlantJournal,2008,54(6):1079.

[7] SZCZERBA M W,BRITTO D T,KRONZUCKER H J.K+transport in plants:Physiology and molecular biology [J].JournalofPlantPhysiology,2009,166(5):453.

[8] 王玉倩,汪小麗,盛海君,等.鹽脅迫對不同小麥品種NSCCs吸鉀作用的影響[J].揚州大學學報(農業與生命科學版),2009,30(3):3.

WANG Y Q,WANG X L,SHENG H J,etal.Effects of salt stress on potassium uptake through NSCCs of different wheat cultivar[J].JournalofYangzhouUniversity(AgriculturalandLifescienceEdition),2009,30(3):3.

[9] SHABALA S,CUIN T A.Potassium transport and plant salt tolerance [J].PhysiologiaPlantarum,2008,133: 652.

[10] CHEN Z H,POTTOSIN I I,CUIN T A,etal.Root plasma membrane transporters controlling K+/Na+homeostasis in salt-stressed barley [J].PlantPhysiology,2007,145: 1716.

[11] ZHANG Y M,ZHANG H M,LIU Z H,etal.The wheat NHX antiporter gene TaNHX2 confers salt tolerance in transgenic alfalfa by increasing the retention capacity of intracellular potassium[J].PlantMolecularBiology,2015,87:324.

[12] 丁同樓,賈玉輝,鮑 敬,等.不同耐鹽性小麥根Na+和K+的吸收特性[J].植物生理學報,2013,49(1):36.

DING T L,JIA Y H,BAO J,etal.Characteristics of Na+and K+uptake in roots of different salt-tolerant wheat cultivars [J].PlantPhysiologyJournal,2013,49(1):36.

[13] 鮑士旦.土壤農化分析[M].北京:中國農業出版社,2007:270-271.

BAO S D.Soil Agro-Chemistry Analysis [M].Beijing:China Agriculture Press,2007:270-271.

[14] GIRI B,KAPOOR R,MUKERJI K G.Improved tolerance ofAcacianiloticato salt stress byArbuscularmycorrhiza,glomus fasciculatum may be partly related to elevated K+/Na+ratios in root and shoot tissues [J].MicrobalEcology,2007,54(4): 753.

[15] VOLKOV V,WANG B,DOMINY P J,etal.The llungiella halophila,a salt-tolerant relative of Arabidopsis thaliana,possesses effective mechanisms to discriminate between potassium and sodium [J].PlantCell&Environment,2004,27:7.

[16] CUIN T A,SHABALA S.A root's ability to retain K+correlates with salt tolerance in wheat [J].JournalofExperimentalBotany,2008,59:(10):2072.

[17] DEVRIM C,BRITTO D T,JEAN Y K,etal.K+efflux and retention in response to NaCl stress do not predict salt tolerance in contrasting genotypes of rice(OryzasativaL.) [J].PlosOne,2013,8(2):12.

[18] 李青松.不同基因型冬小麥對鈉、鉀離子吸收及耐鹽機制的研究[D].楊凌:西北農林科技大學,2009:6.

LI Q S.Study of sodium & potassium uptake of winter wheat in different genotypes and salt tolerance mechanisms [D].Yangling: Northwest A&F University,2009:6.

EffectofTEA/NEM/Ba(NO3)2onK+andNa+ContentinLeavesofWheatSeedlingsunderSaltStress

ZHANGHuaning,LIUZihui,LIGuoliang,ZHANGHongmei,ZHANGYanmin,DUANShuonan,GUOXiulin

(Institute of Genetics and Physiology, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science/Key Laboratory of Plant Genetics Engineering Center of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050051, China)

K+and Na+can enter into the plants through K+channel, potassium transporters and nonselective cation channels(NSCCs). Tetraethyl ammonium chloride(TEA), N-ethylmaleimide(NEM) and Ba(NO3)2were used to inhibit K+channel,potassium transporter and NSCCs,respectively, which can investigate the contribution of each path for K+or Na+uptake. This study aimed to understand the difference between salt-tolerant wheat and salt-sensitive wheat in K+and Na+uptake under salt stress through the paths inhibited by TEA, NEM, Ba(NO3)2. Cang 6005(salt-tolerant cultivar) and Aikang 58(salt-sensitive cultivar) were used as materials. The K+and Na+content in leaves of two wheat cultivars were tested and compared after the seedlings were treated with salt or inhibitors. The results showed that the K+content in leaves of Cang 6005 and Aikang 58 decreased significantly while Na+content increased sharply on the third day under salt stress.The Na+content in leaves of Cang 6005 was consistently lower than that of Aikang 58.The ratio of K+/Na+in leaves of Cang 6005 was higher than that of Aikang 58.The treatment with NEM or TEA could cause the decline of K+content in two wheat cultivars, and the effect of NEM was more significant than that of TEA under normal growth conditions. Under salt stress, the lower K+content in leaves of Aikang 58 was caused by the treatment with TEA, while that in Cang 6005 was caused by the treatment with NEM. The Na+content in leaves in Aikang 58 was dropped by TEA, NEM, Ba(NO3)2, but that of Cang 6005 was dropped only by NEM. The above results suggested that K+transporters play an important role in the potassium uptake of wheat under normal growth conditions. Under salt stress, the way of potassium uptake in the salt-tolerant cultivar is different from that in salt sensitive cultivar. The potassium uptake in salt sensitive wheat cultivar mainly depends on the K+channels, while that mainly depends on K+transporters in salt-tolerant cultivar. In addition, NSCCs and K+channels in Cang 6005 has higher ability to exclude Na+than in Aikang 58.

Wheat; Salt stress; K+uptake; Na+uptake

時間：2017-11-14

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171114.1027.006.html

2017-03-16

2017-04-18

河北省自然科學基金項目(C2015301014)；河北省現代農業科技創新工程項目(F17C10006，2017038997)

E-mail：903760588@qq.com

劉子會(E-mail：liuzihui1978@sohu.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)11-1428-06