烏拉爾甘草葉片的泌鹽特性及生理適應性

石靈玉，馬 淼，2

(1.石河子大學生命科學學院，新疆石河子 832003； 2.石河子大學甘草研究所，新疆石河子 832003)

許多礦質元素是植物生長發育所必需的，參與著許多重要的新陳代謝活動[1]，其數量不足會使植物的生長或繁殖受阻[2]。然而，環境中的礦質元素如果過量，也會對其中的植物造成脅迫[3]，甚至傷害。土壤鹽漬化就是由于某些礦質元素過量造成的，尤其是過量的Na+會破壞土壤的團粒結構[4]、影響植物對K+的吸收[5]、破壞質膜的K+/Na+平衡[6]等。鹽生植物作為在鹽漬土上唯一能夠生存的植被類型，在長期的進化過程中形成了拒鹽、聚鹽、泌鹽和稀鹽等有成效的鹽分適應機制[7]，使其能在鹽土中正常生長。

烏拉爾甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)是豆科(Leguminosae)甘草屬(Glycyrrhiza)多年生草本植物，是中藥材甘草的原植物之一[8]。以根和根狀莖入藥，具有抗炎[9]、抗過敏、抗病毒[10]、抗癌[11]、抗輻射[12]等療效，所以備受醫藥界的重視。甘草的適應性很廣，常分布于田間、路旁及鹽湖周圍的鹽化生境，被認為是一種拒鹽的鹽生植物[13]。然而，筆者所在課題組前期的野外研究發現，生活在鹽化低地草甸中的烏拉爾甘草葉片表面有分泌鹽分的習性[14]，大量的鹽分通過鹽腺和氣孔分泌到了葉片表面(圖1-A至圖1-F)。說明烏拉爾甘草并非是拒鹽植物，其根系會從土壤中吸收大量鹽分，并通過葉片將多余部分排出體外，應當是一種泌鹽植物。然而，其不同部位的葉片間是否存在泌鹽能力的差異，葉內較高濃度的鹽分是否會對葉片造成脅迫傷害，以及葉片是如何適應鹽脅迫環境的等問題卻一直未見研究報道，故本研究以生長在高鹽環境中的野生烏拉爾甘草為研究對象，比較了其不同部位葉片的泌鹽能力，可溶性糖、可溶性蛋白質、脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)的含量以及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等保護酶的活性，以期為烏拉爾甘草耐鹽機制的研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地和材料

烏拉爾甘草樣地選自新疆阿勒泰地區的鹽化低地草甸，屬于溫帶大陸性氣候，冬季漫長而寒冷，夏季短促、氣溫平和，全年無霜期平均為151 d，最冷月為1月，平均氣溫為 -16 ℃，最熱月7月，平均氣溫為21 ℃，年平均降水量為 200 mm。樣地中的烏拉爾甘草種群生活在極端高鹽的土壤環境中，地表白色鹽分的厚度超過了5 cm，0～10 cm土層的電導率值為8.49 dS/m，pH值為10.33。然而烏拉爾甘草長勢良好，開花結實率正常(圖1-A)，野外試驗在2016年7月進行。

1.2 試驗方法

1.2.1 烏拉爾甘草不同部位葉片泌鹽性能的比較

1.2.1.1 甘草不同部位葉片腺體和氣孔泌鹽的觀察 選取開闊地烏拉爾甘草植株，依株高平均分為上、中、下3段，取上部、中部和下部健康的完全展開葉若干，將近葉尖1/3處葉片切成0.5 cm×0.5 cm的小塊(過主脈)，置于甲醛-乙酸-乙醇固定液(FAA)中固定 48 h，之后將固定好的材料粘在樣品臺上，進行離子濺射鍍金，鍍金后的材料放在掃描電子顯微鏡(SU8010)下進行觀察并拍照，重復測量5個材料，觀察烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片泌鹽的情況。在600×視野下隨機選取5個視野，計數視野中的腺體和氣孔總數以及泌鹽腺體和泌鹽氣孔的數量，計算泌鹽腺體和泌鹽氣孔的百分數，取平均值。

1.2.1.2 甘草不同部位葉片表面淋溶物Na+和K+的含量 將開闊地烏拉爾甘草植株依株高平均分為上部、中部、下部，從不同部位葉片中隨機選取15張完全展開的葉片，3個重復。用去離子水將葉片上下表面清洗干凈，做好標記。7 d后，用潔凈的毛筆蘸去離子水再次刷洗標記過的葉片，將葉片表面的分泌物淋洗并收集，定容至10 mL。用ICP(thermo scientific icap 6000 serirs，USA)測定淋溶物中Na+和K+的含量，依次對不同部位葉片的泌鹽性能進行比較。

1.2.2 烏拉爾甘草不同部位葉片生理指標的測定 取烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片若干，測定可溶性糖、可溶性蛋白質、脯氨酸、MDA含量和SOD、POD、CAT活性等生理生化指標，每個部位葉片重復測量3次，結果取均值。可溶性糖、MDA、脯氨酸(Pro)含量測定參考《現代植物生理學實驗指南》[15]。可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍染色法測定[16]。SOD、POD、CAT活性測定參照文獻[17]進行。

1.3 數據統計與分析

用SPSS 19.0軟件進行試驗數據的統計分析，用Duncan’s多重比較檢測不同處理間的差異顯著性水平。

2 結果與分析

2.1 烏拉爾甘草不同部位葉片泌鹽性能的比較

通過掃描電鏡觀察烏拉爾甘草葉片，發現葉片表面氣孔和腺體均有泌鹽的現象(圖1-D至圖1-F)。且不同部位葉片鹽分分泌情況存在顯著差異，上部葉片氣孔通透，其中未見鹽分積累；下部葉片氣孔的泌鹽性能強烈，所有氣孔中都堆積有大量的鹽分，部分氣孔已經被鹽分完全堵塞；而中部葉片只有78%的氣孔有泌鹽現象，且泌鹽性能微弱，氣孔中僅有少量鹽分積存(表1、圖1-G至圖1-I)。不同部位葉片的鹽腺都有泌鹽現象，且視野中100%的鹽腺都分泌了鹽分，但不同部位葉片鹽腺泌鹽程度存在差異，上部葉片泌鹽量少，中部和下部葉片分泌了大量的鹽分。

表1 烏拉爾甘草不同部位葉片氣孔和腺體的泌鹽狀況比較

注：“-”表示無鹽分分泌，“+”表示有少量鹽分分泌，“++”表示有大量鹽分分泌。

收集葉片表面分泌物，對葉片表面淋溶物中Na+和K+的含量進行測定(圖2)，結果顯示，雖然不同部位葉片均有泌鹽的功能，但上部葉片的泌鹽功能微弱，下部葉片分泌的Na+的量遠遠高于上部和中部葉片，約為上部葉片分泌量的9倍和中部葉片分泌量的12倍；下部葉片分泌的K+的量約為上部葉片分泌量的4.7倍和中部葉片的3.8倍。說明烏拉爾甘草葉片的鹽分分泌主要是靠下部葉片來實現的。

2.2 烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片滲透調節物質含量的比較

滲透調節是植物在逆境下降低滲透勢和維持一定膨壓、抵御逆境脅迫的一種重要方式，可溶性糖、可溶性蛋白質及脯氨酸(Pro)是重要的滲透調節物質。從圖3至圖5可以看出，烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片滲透調節物質的含量存在顯著性差異(P<0.05)。甘草上部嫩葉可溶性糖含量最少，下部葉片可溶性糖含量最高，中部葉片含量適中。烏拉爾甘草葉片中可溶性蛋白質含量以及脯氨酸含量與可溶性糖含量趨勢相同。

2.3 烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片保護酶活性的比較

作為生物體內重要的活性氧清除酶，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)在消除超氧化物自由基、減輕脂質過氧化作用和膜傷害方面起重要作用[18]，是酶促防御系統(即保護酶系統)的重要組成成分。

從圖6至圖8可以看出，烏拉爾甘草不同部位葉片中抗氧化物酶活性也存在著差異。甘草下部葉片POD活性顯著高于上部和中部的葉片，存在顯著性的差異(P<0.05)，而上部和中部葉片的POD酶活性沒有顯著性的差異(P>0.05)。葉片中SOD、CAT酶活性的趨勢相同，且這2種酶活性在不同部位葉片間存在顯著性的差異(P<0.05)，即上部葉片酶活性最低，下部葉片酶活性最高，中部葉片適中。

2.4 烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片丙二醛(MDA)含量的比較

MDA是生物膜氧化的產物，它的含量可以作為植物受到脅迫傷害程度的重要指標。從圖9中可以看出烏拉爾甘草下部葉片MDA含量最多，中部葉片次之，上部葉片MDA含量最少，且不同部位葉片間MDA含量存在顯著性的差異(P<0.05)。甘草不同部位葉片MDA的含量不同，說明不同部位葉片受到鹽分脅迫的程度不同。

3 討論

葉片是植物進行光合作用的主要器官，與周圍環境關系密切，對生境條件的反應最為敏感，是與外界環境進行物質和能量交換的主要器官，因此植物對環境的適應也較多地反映在葉片上[19]。泌鹽是植物重要的耐鹽機制之一，目前已有的研究證據表明泌鹽結構包括腺毛、鹽腺、囊泡以及葉片表面的蠟質層[20-21]。本研究發現，長期生活在高鹽環境下的烏拉爾甘草葉片具有泌鹽現象，除了通過鹽腺分泌鹽分之外，還采用了以氣孔泌鹽的獨特方式來適應高鹽的土壤環境。

烏拉爾甘草上部葉片分泌鹽分的能力較弱，葉片受鹽分脅迫程度低，而下部葉片具有旺盛的鹽分分泌能力，葉片受到高鹽分脅迫，中部葉片泌鹽能力及葉片受到鹽分脅迫程度適中。滲透調節是植物抵抗逆境脅迫的一種重要生理機制，植物可以通過滲透調節物質的積累以及自身的滲透調節作用來維持正常的代謝活動[22]。其中含糖量的高低可以反映植物的抗脅迫能力，可溶性糖作為可溶性小分子化合物，可直接被利用或參與滲透調節作用，是逆境條件下植物的主要滲透調節劑[23]。烏拉爾甘草上部嫩葉可溶性糖含量最少，下部葉片可溶性糖含量最高，說明甘草下部葉片的高鹽分脅迫促使下部葉片可溶性糖含量的增加，使甘草葉片具有較強的滲透調節能力，從而增強對逆境的適應。在滲透脅迫時，植物細胞可以通過脯氨酸積累量的增加提高胞質濃度，保持滲透平衡，防止細胞過度失水[24]，可溶性蛋白質也是植物細胞質中的重要滲透調節物質之一，可通過主動積累來降低滲透勢[25]。研究結果表明，烏拉爾甘草下部葉片脯氨酸含量和可溶性蛋白質含量都顯著高于上部和中部葉片，提高了老葉的抗鹽性和保水性。

MDA含量高低可作為耐鹽性高低的生理指標[29]，隨著脅迫程度的提高，MDA含量升高。研究表明，烏拉爾甘草不同部位葉片內部受到鹽分脅迫的程度存在差異，致使不同部位葉片中的丙二醛含量差異顯著。下部葉片MDA含量最高，鹽脅迫加劇了甘草葉片膜脂過氧化水平，降低膜的選擇透性，膜受到了一定的損傷，而上部和中部葉片中MDA含量相應較低，鹽脅迫對膜系統的破壞較小。

4 結論

綜上所述，生長在高鹽環境下的烏拉爾甘草葉片具有泌鹽的現象，且不同部位葉片泌鹽能力差別顯著，受鹽分脅迫的程度亦顯著不同。下部葉片的鹽分分泌量最大，受鹽脅迫程度最高。烏拉爾甘草葉片通過排出多余鹽分，提高脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白質等滲透物質的含量以及SOD、POD和CAT等保護酶的活性來適應高鹽環境，以減輕鹽分對植物的傷害，使烏拉爾甘草種群能夠在高鹽環境中正常生長。