鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗生長(zhǎng)、離子平衡和根際pH變化的影響

岳小紅,曹 靖,耿 杰,李 瑾,張宗菊,張琳捷

蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生命科學(xué)學(xué)院， 蘭州 730000

鹽脅迫是影響植物生長(zhǎng)和作物產(chǎn)量的非生物脅迫因素之一[1]。自然環(huán)境中,鹽脅迫主要由土壤中高濃度的Na+和Cl-誘發(fā)[2]。Na+和Cl-等無(wú)機(jī)離子在植物體內(nèi)過(guò)量累積會(huì)破壞細(xì)胞內(nèi)的水分平衡、離子平衡以及增加膜透性,進(jìn)而出現(xiàn)鹽害現(xiàn)象[3- 4]。植物在鹽脅迫條件下,細(xì)胞離子平衡首先會(huì)受到破壞。郭瑞等[5]研究表明增加土壤中性和堿性混合Na鹽含量,亞麻地上部分和根系K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+大幅降低,植物體內(nèi)離子平衡發(fā)生了改變。鹽分脅迫所造成的植物細(xì)胞離子失衡、滲透脅迫等不良現(xiàn)象會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng),進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。植物為適應(yīng)鹽生環(huán)境必需進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),并在細(xì)胞內(nèi)重新建立離子穩(wěn)態(tài)[6],這也是植物體重要的耐鹽機(jī)制之一。

啤酒大麥?zhǔn)且环N較耐鹽堿的一年生禾本科植物[19],是干旱半干旱地區(qū)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一[20]。有關(guān)鹽脅迫對(duì)啤酒大麥的研究主要集中于生理生態(tài)方面,如光合作用、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變和農(nóng)學(xué)性狀的變化等方面[4,19,21],而有關(guān)鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥根際的影響關(guān)注較少；另外,有關(guān)單一鹽分NaCl脅迫、中性鹽和堿性鹽對(duì)植物生長(zhǎng)、離子平衡等的影響研究報(bào)道較多[18-19,22-23],而對(duì)于不同類(lèi)型中性鹽分脅迫對(duì)離子平衡特征和根際pH變化影響的研究甚少。因此,本研究通過(guò)水培實(shí)驗(yàn)探究啤酒大麥對(duì)不同類(lèi)型鹽脅迫的生理生態(tài)響應(yīng),為揭示其對(duì)鹽脅迫環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制及根際環(huán)境的變化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

啤酒大麥(Hordeumvulgarevar.vulgare)：由蘭州市農(nóng)業(yè)研究中心提供,千粒重50.80 g,腹徑3.5—5 mm,籽粒飽滿(mǎn),無(wú)蟲(chóng)害,種子表面無(wú)損傷。

1.2 試驗(yàn)處理和培養(yǎng)

試驗(yàn)在蘭州大學(xué)人工氣候室內(nèi)進(jìn)行,溫室條件為：晝/夜溫度28℃/23℃,濕度70%,光周期14 h,光強(qiáng)為400—450 μmol m-2s-1。培養(yǎng)容器為不透光的長(zhǎng)方形塑料盆,體積為19 L,在厚1.2 cm塑料泡沫蓋板上打25個(gè)直徑為1 cm的圓孔。選擇大小均一、籽粒飽滿(mǎn)的啤酒大麥種子消毒,用常規(guī)方法催芽并萌發(fā)。把露白的啤酒大麥種子轉(zhuǎn)移到盛有9 L 1/4 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(用H2SO4/KOH調(diào)整營(yíng)養(yǎng)液pH至6.8—7.0)的塑料盆中生長(zhǎng)7 d,每?jī)商旄鼡Q一次營(yíng)養(yǎng)液。待出現(xiàn)三片子葉時(shí)在1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中添加相應(yīng)鹽分,參照Tavakkoli等[23]的方法進(jìn)行鹽分處理,對(duì)照組(CK)為不加鹽分的營(yíng)養(yǎng)液,鹽分處理分別為混合Na鹽、混合Cl鹽和100 mmol/L的NaCl,每個(gè)處理重復(fù)3次。混合Na鹽的組分為15 mmol/L Na2SO4、15 mmol/L Na2HPO4和40 mmol/L NaNO3；混合Cl鹽的組分為15 mmol/L CaCl2、15 mmol/L MgCl2和40 mmol/L KCl。鹽分處理以每天25 mmol/L的速度遞增,達(dá)到既定濃度后繼續(xù)培養(yǎng)7 d,分別收獲地上部和根系。另選用同樣規(guī)格的盆缽,溶液培養(yǎng)和鹽分處理同上,讓種子在萌發(fā)紙中間生長(zhǎng)[24],使得根系沿著同一平面生長(zhǎng),每張萌發(fā)紙上分別放置3粒露白的大麥種子,待處理一段時(shí)間后仔細(xì)取出根系用于瓊脂顯色,培養(yǎng)期間管理?xiàng)l件同上。

1.3 植株生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

培養(yǎng)結(jié)束時(shí),每個(gè)處理選取2盆供測(cè),每5株一個(gè)重復(fù),吸干植株上的水分,將根系和地上部分開(kāi),分別稱(chēng)鮮重；根系用EPSON 4990進(jìn)行掃描,用Scion Image軟件分析根長(zhǎng)、根表面積等形態(tài)學(xué)參數(shù)。根系掃描完成后,將根系和地上部放入105℃烘箱中殺青30 min,70℃烘干至恒重。

1.4 離子含量的測(cè)定

1.5 根際pH的可視化

萌發(fā)紙中生長(zhǎng)的植物收獲時(shí)小心取出,用去離子水沖洗,仔細(xì)地把根分開(kāi),用吸水紙吸干備用。制備瓊脂-溴甲酚紫指示培養(yǎng)基[26],同時(shí)加入相應(yīng)濃度的鹽分(CK,混合Na鹽、混合Cl鹽和NaCl),使混合培養(yǎng)基pH在5.0—5.5之間,把瓊脂凝膠倒在四周墊有硅膠條的有機(jī)玻璃槽中,瓊脂厚度為3 mm,然后把植物根系鋪展在瓊脂凝膠膜上,蓋上大小一致的有機(jī)玻璃板,用鋁箔包裹避免光透射到根區(qū)域,植株及培養(yǎng)裝置傾斜30°角放置,放在1.2所述的生長(zhǎng)箱中顯色8 h,每個(gè)處理重復(fù)3次。瓊脂顯色及圖像數(shù)字化處理參見(jiàn)Rao等[26]。根據(jù)指示劑顯色原理,瓊脂-溴甲酚紫指示劑混合液顏色顯黃色表示酸化,顯藍(lán)紫色則表示堿化。

1.6 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析,用One-way ANOVA、LSD最小顯著差異法對(duì)啤酒大麥各生長(zhǎng)參數(shù)、離子平衡和根際pH進(jìn)行差異性檢驗(yàn),顯著水平為P<0.05。利用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類(lèi)型鹽脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗生長(zhǎng)的影響

2.1.1 對(duì)啤酒大麥幼苗生物量和含水量的影響

不同類(lèi)型鹽分脅迫下,啤酒大麥生物量的分配受到不同程度的影響(表1)。NaCl脅迫下啤酒大麥幼苗地上部干重與對(duì)照(CK)相比降低了17.88%,且差異顯著(P<0.05)；混合Na鹽和混合Cl鹽脅迫下,地上部干重與對(duì)照(CK)相比差異不顯著。在NaCl脅迫下,大麥幼苗根干重和根冠比與對(duì)照相比分別增加了19.12%和43.86%(P<0.05),但在混合Cl鹽和混合Na鹽脅迫下增加不顯著。以上結(jié)果表明,在鹽分脅迫下啤酒大麥向根系分配更多的生物量,而且100 mmol/L NaCl脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗干物質(zhì)的累積和生物量的分配影響最顯著(表1)。啤酒大麥幼苗地上部含水量在3種不同類(lèi)型鹽分脅迫下較CK相比均有所降低,但差異不顯著,表明啤酒大麥比較耐鹽。

表1不同類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗地上部、根系干重、根冠比及地上部含水量的影響

Table1Effectsofdifferenttypesofsaltstressondryweightofshootsandtheroots,root/shootratioandwatercontentforbeerbarleyseedlings

處理Treatments地上部干重/(mg/株)Shoot dry weights根系干重/(mg/株)Root dry weighs根冠比Root/shoot ratio地上部含水量/%Water content對(duì)照CK Control29.76a16.79b0.57b88.26a混合Na鹽 Mixed sodium salt27.43ab16.81b0.62b85.23a混合Cl鹽 Mixed chlorine salt28.60a18.79ab0.66b86.68aNaCl24.44b20.00a0.82a86.86a

同列不同小寫(xiě)字母表示不同鹽分處理間差異顯著(P<0.05)

2.1.2 對(duì)啤酒大麥根系形態(tài)的影響

從圖1可知,在3種不同類(lèi)型鹽分脅迫下,啤酒大麥幼苗的根長(zhǎng)較對(duì)照都有所降低,在混合Na鹽脅迫下根長(zhǎng)較CK降低了14.07%(P<0.05),而混合Cl鹽和NaCl脅迫下降低不明顯,表明不同類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗根長(zhǎng)有不同程度的抑制作用。

圖1 不同類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗根系形態(tài)學(xué)參數(shù)的影響Fig.1 Effects of different types of salt stress on root morphological parameters of beer barley seedlings

啤酒大麥幼苗根表面積和根系體積在3種不同類(lèi)型鹽分脅迫下均呈增加的趨勢(shì)(圖1)。在混合Cl鹽脅迫下,根表面積和根體積顯著高于其他處理,與CK相比分別增加了41.76%和84.38%；在混合Na鹽和NaCl脅迫下,與對(duì)照相比根系體積分別增加了50.35%和49.96%,而根表面積則增加不明顯,且不同類(lèi)型鹽分處理間差異不顯著。

2.2 不同類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗離子分配和陰陽(yáng)離子平衡的影響

表2 不同類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗地上部離子分配的影響

從啤酒大麥幼苗的陰陽(yáng)離子平衡計(jì)算結(jié)果可以看出(表3),CK處理下陰陽(yáng)離子計(jì)算結(jié)果為21 μmol/g DW,表明根際發(fā)生微弱的酸化現(xiàn)象,而不同類(lèi)型鹽分脅迫下計(jì)算結(jié)果則均為負(fù)值,表明根際呈堿化現(xiàn)象。在混合Cl鹽脅迫下,啤酒大麥幼苗陰陽(yáng)離子平衡結(jié)果負(fù)值最大(表3),表明堿化程度最強(qiáng),可能與對(duì)Cl-的大量吸收有關(guān),其次是NaCl脅迫,其離子平衡結(jié)果為-388.0 μmol/g DW,混合Na鹽脅迫下,離子平衡結(jié)果顯示堿化程度相對(duì)較弱。

表3 不同類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗陰陽(yáng)離子平衡的影響

2.3 啤酒大麥幼苗根際pH原位顯色特征

根際pH原位顯色(圖2)可見(jiàn),所有處理下啤酒大麥幼苗根際pH均呈堿化現(xiàn)象(紫色),表明啤酒大麥幼苗根系釋放的OH-數(shù)量大于H+,從而導(dǎo)致根際pH呈堿化現(xiàn)象。將圖2圖像數(shù)字化處理得到圖3所示,負(fù)值表示分泌OH-,表明3種不同類(lèi)型鹽分脅迫下,啤酒大麥單位根長(zhǎng)OH-的分泌量均顯著高于CK。在混合Cl脅迫下,其根系OH-的分泌量最高,較CK高出88.94%,NaCl脅迫下根系OH-的分泌量在3種類(lèi)型鹽分脅迫下相對(duì)較低。以上結(jié)果可見(jiàn),3種類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥根系pH原位顯色的影響與陰陽(yáng)離子平衡計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致。

圖2 不同類(lèi)型鹽分脅迫下啤酒大麥幼苗根際pH變化及其可視化Fig.2 Rhizosphere pH changes and the visualizations of the beer barley under different types of salt stress

圖3 不同類(lèi)型鹽分脅迫下啤酒大麥幼苗根系H+分泌量的變化(負(fù)值表示分泌OH-)Fig.3 Proton secretions in rhizosphere of the beer barley under different types of salt stress

3 討論

3.1 不同類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗生長(zhǎng)的影響

生長(zhǎng)抑制是植物在鹽脅迫下發(fā)生的最普遍和最直觀(guān)的過(guò)程,主要是通過(guò)減少單株植物的光合面積而造成植物碳同化量的減少。孫仁國(guó)等[29]研究表明,NaCl脅迫下,燕麥光合作用受到的抑制作用隨著鹽濃度的增加而增大,對(duì)燕麥葉面積、光合速率和干物質(zhì)累積量抑制作用增強(qiáng)。本試驗(yàn)中,啤酒大麥幼苗植株生物量對(duì)3種類(lèi)型鹽分脅迫的響應(yīng)不同,NaCl脅迫下啤酒大麥幼苗地上部干重降低最明顯,而根冠比和根干重則顯著增加,在混合Cl鹽和混合Na鹽脅迫下地上部干重的降低、根冠比和根干重的增加與對(duì)照相比均無(wú)顯著差異,可能是啤酒大麥同時(shí)受到高濃度的Na+和Cl-脅迫,導(dǎo)致碳同化量受到了更強(qiáng)烈的抑制,說(shuō)明NaCl對(duì)啤酒大麥幼苗的脅迫傷害要大于混合Na鹽和混合Cl鹽脅迫,與其他類(lèi)型鹽分脅迫相比,啤酒大麥幼苗對(duì)NaCl脅迫響應(yīng)更敏感,其根干重和根冠比的增加進(jìn)一步表明植物為維持地上部的正常生長(zhǎng),向根系分配了更多的生物量,以增加根系在脅迫環(huán)境中與生長(zhǎng)介質(zhì)的接觸面而獲得更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分[30]。賀莉研究結(jié)果表明,野生大豆的根冠比隨著鹽分脅迫強(qiáng)度的增大而增加[31]；李先婷等試驗(yàn)結(jié)果表明,啤酒大麥在NaCl漸進(jìn)脅迫至小于85 mmoL/L時(shí)能促進(jìn)根系的生長(zhǎng),漸進(jìn)脅迫至較高濃度時(shí)根系生物量明顯增加[32],這些現(xiàn)象都與本研究結(jié)果相一致。

植物根系形態(tài)學(xué)變化是決定根系水分、養(yǎng)分吸收范圍和強(qiáng)度變化的重要參數(shù)。高濃度鹽分脅迫對(duì)根系的伸長(zhǎng)和側(cè)根的發(fā)育產(chǎn)生抑制作用[33],主要是因?yàn)辂}脅迫下根的伸長(zhǎng)區(qū)的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)受到抑制,最終造成主根的生長(zhǎng)受到抑制[34]；另外,研究發(fā)現(xiàn),滲透脅迫下水稻幼苗的總根長(zhǎng)、根總面積和根數(shù)都有顯著增加[35]。本試驗(yàn)中,在3種不同類(lèi)型鹽分脅迫下啤酒大麥幼苗根長(zhǎng)較對(duì)照均有所降低,尤其在混合Na鹽脅迫下對(duì)根系伸長(zhǎng)抑制作用最強(qiáng),這可能與植株過(guò)量累積Na+,而對(duì)其他無(wú)機(jī)離子K+、Ca2+、Mg2+等的吸收降低有關(guān),并且其含水量也較其他處理低,造成的啤酒大麥幼苗根系營(yíng)養(yǎng)缺失和水分吸收受抑制,進(jìn)而抑制了根系的伸長(zhǎng)[36]。此外,在3種不同類(lèi)型鹽分脅迫下啤酒大麥根表面積和根系體積都增大,這與以往的研究結(jié)果相一致[37],可能的機(jī)理是,在高濃度的鹽分脅迫下,根系在重建細(xì)胞內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)滲透平衡過(guò)程中為了更多的接觸外界環(huán)境和吸收養(yǎng)分和水分而做出的響應(yīng)[30]。在混合Cl鹽脅迫下,啤酒大麥根表面積和根體積均顯著高于混合Na鹽和NaCl脅迫(圖1),表明根系對(duì)混合Cl鹽脅迫響應(yīng)較敏感,可能刺激了根系的增殖；另一方面,由于混合Cl鹽培養(yǎng)液中K+含量較高,增加了植株對(duì)K+的吸收,提高了啤酒大麥的耐鹽性。Adams等[38]研究也表明細(xì)胞質(zhì)中保持高于某特定值的K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)提高植物的耐鹽性。

3.2 不同類(lèi)型鹽分脅迫對(duì)啤酒大麥幼苗陰陽(yáng)離子平衡和根際pH的影響

4 結(jié)論