鹽脅迫對3種平歐雜種榛幼苗葉片解剖結構及離子吸收、運輸與分配的影響

羅 達,吳正保,史彥江,宋鋒惠,*

1 新疆林業科學院經濟林研究所,烏魯木齊 830063 2 新疆林木資源與利用國家林草局重點實驗室,烏魯木齊 830063 3 新疆林果樹種選育與栽培重點實驗室,烏魯木齊 830063

土壤鹽漬化是自然界的主要災害之一,也是威脅農作物生長最嚴重的非生物脅迫之一。我國土壤鹽漬化問題尤為突出,主要發生在西北、華北和東北干旱半干旱地區[1]。鹽脅迫對植物生長發育的各個階段(如種子萌發、生長、開花結實等)以及生理代謝的各個過程(如水分代謝、光合作用、酶系統代謝等)都造成影響,進而使農作物產量和品質下降,嚴重時甚至顆粒無收。因此,為了提高鹽漬化土地資源的利用率,保障生態安全并實現農林業優質高產,開展植物耐鹽機理研究、培育耐鹽植物品種顯得尤為迫切和重要。

植物在遭受鹽脅迫時,通常會在根、莖、葉等形態結構上表現出一系列的適應性特征。葉片作為植物生長發育過程中可塑性較強的器官,其形態結構特別是解剖結構特征的變化與植物的耐鹽性密切相關[2]。研究表明,隨著鹽脅迫程度的增強,耐鹽性強的象草(Pennisetumpurpureum)葉片厚度,上、下表皮厚度呈先上升后下降的趨勢[3]；葡萄(Vitisvinifera)葉表皮厚度、柵欄組織和海綿組織厚度顯著增加,柵欄組織/海綿組織比顯著降低[4]。鹽堿環境下的杏(Prunusarmeniaca)表現出葉片肉質化,角質層增厚,柵欄組織發達,氣孔下陷等典型的耐鹽堿特征[5]。鹽脅迫下,沼澤小葉樺(Betulamicrophyllavar.paludosa)葉片柵欄組織厚度[6]和紫花苜蓿(Medicagosativa)葉片柵欄組織/海綿組織比[7]增大。由此可見,開展鹽堿脅迫下的葉片解剖結構特征研究有助于進一步揭示植物對鹽堿環境的形態響應與適應機制。

鹽脅迫下,以Na+為首的鹽離子通過直接干擾或競爭性地抑制細胞質膜對K+、Ca2+、Mg2+等營養離子的吸收和轉運,造成植物體內的離子失衡、離子毒害和營養虧缺,進而影響植物的正常生長發育[8—10]。植物可以通過細胞膜上的Na+/H+逆向轉運蛋白將胞質中的Na+外排以維持胞質中低水平的Na+,或是通過液泡膜上的Na+/H+逆向轉運蛋白將Na+區隔于液泡中,從而避免Na+帶來的離子脅迫并保持胞內離子平衡[11]；也可通過減少體內K+、Ca2+、Mg2+等營養離子的流失來提高其保有能力,進而提高耐鹽性[12—14]。Yang等[15]認為植物維持適宜的細胞質K+/Na+比值是耐鹽植物對過量離子反應的重要適應性狀。研究表明,不同品種或種源植物的離子代謝特征對鹽脅迫的響應和適應存在差異。鹽脅迫下,藍莓(Vacciniumcorymbosum)‘藍豐’幼苗根、莖、葉對Na+和Cl-的吸收低于藍莓‘奧尼爾’,對Mg2+的吸收則高于‘奧尼爾’,其維持體內離子平衡的能力以及K+和Mg2+的整體離子選擇性運輸能力強于‘奧尼爾’,耐鹽性也相對較強[16]。與銀川種源沙棗(Elaeagnusangustifolia)相比,阿拉爾種源沙棗(Elaeagnusangustifolia)能更有效地將Na+阻隔于根系中,減少向地上部分運輸,并能更好地減少幼苗各組織中K+、Ca2+和Mg2+的流失,進而維持離子平衡以保證體內各生理代謝過程的正常進行[17]。

平歐雜種榛(Corylusheterophylla×Corylusavellan)是由遼寧省經濟林研究所利用原產于我國的平榛(C.heterophylla)與外來的歐洲榛(C.avellan)種間雜交選育而來,因其兼具平榛(耐寒、耐瘠薄、適應性強)與歐洲榛(果大、殼薄、豐產)的優良遺傳特性[18],是目前我國廣泛推廣栽培的榛樹品種。新疆自2001年開始開展榛子的區域化引種試驗,經過20年的引種、馴化、選育等一系列研究工作,現已篩選出‘達維’、‘遼榛7號’、‘玉墜’、‘遼榛3號’、‘平歐15號’等幾個適宜推廣栽培的優良品種。土壤鹽漬化問題一直是制約農林業開發及可持續發展的重大限制條件和障礙因素。目前,國內外僅在生長和生理生態特性[19—21]等方面對平歐雜種榛的耐鹽性開展過相關研究,如鹽脅迫下,‘達維’、‘遼榛7號’、‘玉墜’3個品種平歐雜種榛幼苗的新梢生長量、根、莖、葉生物量以及幼苗總生物量顯著降低,根冠比則隨著鹽脅迫的增強而增加,且不同品種的鹽脅迫響應差異明顯[21]。而對鹽脅迫下不同品種的葉片解剖結構以及體內離子平衡的鹽適應機制和響應差異的研究尚未探及。本文以不同品種平歐雜種榛幼苗為試材,采用盆栽控鹽對比試驗,研究鹽脅迫下幼苗葉片顯微解剖結構以及根、莖、葉中Na+、K+、Cl-、Ca2+的吸收、運輸和分配特征,以期探明平歐雜種榛的鹽脅迫響應與適應機制及不同品種的耐鹽性差異。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為3個優良品種的平歐雜種榛:‘達維’、‘遼榛7號’、‘玉墜’,苗木為2年生壓條根蘗苗,由伊犁琨源農林開發有限責任公司提供。

1.2 試驗設計

試驗在新疆林業科學院樹木實驗園內進行,試驗期間采用美國HOBO小型自動氣象站監測6—9月的日平均氣溫為15.3—28.2℃,相對濕度20.2%—44.3%,太陽輻射125.6—434.4 W/m2。為確保苗木一致性,選擇地徑和株高基本一致的幼苗進行盆栽試驗。將苗木定植在40 cm×35 cm的白色塑料盆缽中,每盆定植1株,之后將苗木統一截干至10 cm高,供試基質為經自來水和蒸餾水沖洗過的蛭石。

幼苗定植后,對其進行日常澆水管理,待新梢長至20 cm左右時開始進行鹽脅迫處理。鹽脅迫處理前4 d停止澆水,以保證鹽溶液在基質中均勻擴散。試驗采用隨機區組試驗設計,根據張麗[20]的試驗結果,本研究設置3個鹽濃度梯度的脅迫水平,即輕度(50 mmol/L NaCl)、中度(100 mmol/L NaCl)、重度(200 mmol/L NaCl),設對照為0。鹽脅迫處理分3個試驗區組,每個試驗區組每種鹽脅迫處理12盆,共計144盆。所用鹽溶液為相應質量的NaCl溶于1/2 Hoagland營養液配置而成,每盆植株澆灌1.5 L相應濃度的處理液。為了防止鹽溶液對苗木的鹽沖擊效應,鹽溶液分3次澆灌完成,脅迫第1 d用500 mL相應濃度的處理液澆灌1次,第2、3 d各補500 mL。鹽脅迫期間根據盆內基質水分狀況適時補水(去離子水),每次補水以充分灌透且溶液剛剛滲出為宜,期間每20 d用不加NaCl的1/2 Hoagland營養液澆灌1次,以保證營養供應。試驗期間,盆底墊塑料托盤,以保證補水和澆灌營養液時滲出的鹽分及時返還盆中,確保盆中鹽分總量。試驗期間對供試苗木進行日常養護管理。

1.3 測定指標與方法

1.3.1樣品采集與處理

鹽脅迫處理4個月后,隨機選取各處理試驗苗木9株作為樣株。為確保試驗結果的一致性,采集樣株一年生枝條由上往下第3—4枚健康成熟葉片足夠量,立即放入提前配置好的FAA固定液(70%乙醇90 mL+甲醛5 mL+乙酸5 mL)中,并迅速帶回實驗室用于葉片解剖結構分析。之后,分別采集幼苗根、莖、葉樣品,裝入信封后編號帶回實驗室用于離子含量測定。

1.3.2葉片解剖結構

參照徐青[22]的方法,采用改進后的雙重染色技術對葉樣進行石蠟切片分析。將固定好的葉片,經各個梯度酒精(70%、85%、95%和100%)脫水、番紅染色、二甲苯透明、石蠟包埋切片(厚度6—8 μm)、番紅-固綠雙重染色,中性樹膠封片,于顯微鏡相連的Nikon照相機下觀察、拍照。利用顯微鏡對各處理的樣葉切片依次觀測以下葉片解剖結構指標:葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度,所有葉片各指標觀測10—15個視野后取平均值。計算柵欄組織厚度/海綿組織厚度比值,并按下列公式計算結構緊密度和疏松度:

結構緊密度=柵欄組織厚度/葉片厚度

結構疏松度=海綿組織厚度/葉片厚度

1.3.3離子代謝特征

取幼苗根、莖、葉樣品一定量,經105 ℃烘箱殺青20 min后,于80 ℃烘干至恒質量,磨碎過40目篩后各稱取1.0 g,加入30 mL去離子水,搖勻后沸水浴中放置2 h,冷卻后定容至50 mL備測。其中,Na+、K+、Ca2+含量采用原子吸收光譜儀(PerkinElmer PinAAcle 900T)測定；Cl-含量采用電位滴定儀(ZDJ-4A)測定。計算各器官的K+/Na+和Ca2+/Na+比值,并按下列公式計算不同器官對離子的吸收和選擇性運輸能力(SX,Na+)[23]:

SX,Na+=庫器官[X/Na+]/源器官[X/Na+]

式中,X為K+含量或Ca2+含量,SX,Na+值越大表示源器官控制Na+、促進X向庫器官的運輸能力越強,即庫器官的選擇性運輸能力越強。

1.4 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 22.0軟件對數據進行統計分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進行方差分析和多重比較(α=0.05)。利用Origin Pro 9.0軟件完成繪圖。圖中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對葉片解剖結構的影響

圖1可見,平歐雜種榛為異面葉,平均厚度約195.46 μm。葉片由上表皮細胞、下表皮細胞,柵欄組織和海綿組織構成。表皮細胞排列緊密,其中,上表皮細胞呈長形至橢圓形,平均厚度約14.16 μm；下表皮細胞小而不規則,平均厚度約10.87 μm。葉肉中柵欄組織呈長柱形,排列整齊、緊湊,平均厚度約107.96 μm；海綿組織形狀不規則,排列疏松,細胞間隙較大,平均厚度約50.85 μm。

圖1 鹽脅迫下‘遼榛7號’葉片解剖結構圖

從圖2可以看出,鹽脅迫對平歐雜種榛幼苗葉片各解剖結構參數均產生不同程度的影響。不同品種葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度均隨著鹽脅迫程度的增強呈現出先增加后降低的特點。其中,輕度和中度脅迫下,不同品種葉片各解剖結構參數均顯著高于對照(P<0.05)；重度脅迫下,‘達維’葉片上表皮厚度顯著低于對照(P<0.05),‘遼榛7號’葉片厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度均顯著高于對照(P<0.05),‘玉墜’葉片上表皮厚度、柵欄組織厚度顯著高于對照(P<0.05),其余葉片解剖結構參數均降低至對照水平(P>0.05)。輕度和中度鹽脅迫下,‘達維’、‘玉墜’葉片柵欄組織/海綿組織比顯著提高(P<0.05),不同程度鹽脅迫對‘遼榛7號’的影響不顯著(P>0.05)。中度鹽脅迫顯著提高了不同品種葉片的結構緊密度(P<0.05)。與對照相比,輕度和中度鹽脅迫下,‘達維’、‘玉墜’葉片結構疏松度顯著降低(P<0.05),‘遼榛7號’則顯著提高(P<0.05)。從不同品種來看,鹽脅迫下葉片各解剖結構參數也存在不同程度的差異。輕度脅迫下,葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度表現為‘達維’>‘玉墜’>‘遼榛7號’；中度脅迫下,柵欄組織厚度、海綿組織厚度、結構緊密度均表現為‘遼榛7號’>‘玉墜’>‘達維’。

圖2 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗葉片解剖結構參數

2.2 鹽脅迫對離子含量的影響

2.2.1鹽脅迫對Na+含量的影響

從圖3可知,鹽脅迫顯著影響平歐雜種榛幼苗根、莖、葉Na+含量(P<0.05)。隨著鹽脅迫程度的增強,不同品種各器官Na+含量呈遞增趨勢。不同程度鹽脅迫下,葉Na+含量始終高于根和莖。但從Na+增幅來看,輕度、中度和重度脅迫下3個品種根Na+含量分別平均提高1.14、2.24、4.35倍,莖Na+含量分別平均提高0.75、2.83、4.15倍,高于葉Na+含量增幅的0.26、0.76、1.42倍,表明鹽脅迫處理后根開始積聚大量Na+。從不同品種來看,同一器官Na+含量也存在明顯差異。輕度、中度和重度脅迫下,‘遼榛7號’根、莖、葉Na+含量及增幅均低于‘達維’和‘玉墜’,表明鹽脅迫對‘遼榛7號’Na+吸收的影響小于其它2個品種。

圖3 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉中Na+含量

2.2.2鹽脅迫對Cl-含量的影響

圖4顯示,鹽脅迫顯著影響平歐雜種榛幼苗根、莖、葉Cl-含量。隨著鹽脅迫程度的增強,不同品種各器官Cl-含量呈明顯增加趨勢,并在重度脅迫下達到最大值。不同程度鹽脅迫下,葉Cl-含量最高,其次為莖,根最低。但從Cl-增幅來看,輕度、中度和重度脅迫下3個品種根Cl-含量分別平均提高0.53、1.13、1.59倍,高于莖Cl-含量增幅的0.39、0.88、1.32倍,且明顯高于葉Cl-含量增幅的0.16、0.41、0.77倍,表明鹽脅迫處理后根系開始大量積累Cl-,并在之后將其轉運至莖和葉中。從不同品種來看,同一器官Cl-含量也存在不同程度的差異。不同程度鹽脅迫下,‘遼榛7號’根、莖、葉Cl-含量及增幅總體低于‘達維’和‘玉墜’。

圖4 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉中Cl-含量

2.2.3鹽脅迫對K+含量的影響

從圖5可以看出,鹽脅迫下不同器官對K+的吸收規律存在差異。隨著鹽脅迫程度的增強,不同品種根、莖K+含量呈先降低后略有回升的趨勢。輕度、中度和重度脅迫下,根K+較對照分別顯著降低18.9%、44.0%和25.7%(P<0.05),莖K+較對照分別顯著降低22.1%、40.7%和27.2%(P<0.05)。鹽脅迫下,葉K+呈先增加后急劇下降的趨勢,輕度、中度脅迫下葉K+較對照分別增加20.3%和40.3%(P<0.05),重度脅迫較對照降低29.4%。總體來看,鹽脅迫抑制了各品種根、莖K+的吸收,但適度鹽脅迫促進了K+在葉片中的積累,這對于植株維持正常的生理活動具有重要作用。不同品種間,各器官K+含量總體表現為‘遼榛7號’>‘玉墜’>‘達維’。同時,‘遼榛7號’根、莖K+的降幅始終低于‘達維’和‘玉墜’,葉K+的增幅則始終高于‘達維’和‘玉墜’。

圖5 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉中K+含量

2.2.4鹽脅迫對Ca2+含量的影響

圖6表明,鹽脅迫下,不同器官對Ca2+的吸收規律不同。其中,根、莖Ca2+隨著鹽脅迫程度的增強表現為先降低后升高,輕度脅迫下根、莖Ca2+(‘遼榛7號’莖除外)與對照無顯著差異(P>0.05),中度脅迫下根、莖Ca2+較對照分別顯著降低21.8%和46.7%(P<0.05)。輕度脅迫顯著提高了‘達維’葉Ca2+(P<0.05),對‘遼榛7號’和‘玉墜’葉Ca2+的影響不顯著(P>0.05)；重度脅迫顯著抑制了各品種葉對Ca2+的吸收(P<0.05)。從不同品種來看,同一器官Ca2+含量也存在顯著差異(P<0.05)。不同程度鹽脅迫下,‘遼榛7號’根、莖、葉Ca2+含量總體高于‘達維’和‘玉墜’,表明鹽脅迫下‘遼榛7號’維持Ca2+吸收的能力強于其它2個品種。

圖6 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉中Ca2+含量

2.3 鹽脅迫對離子比值的影響

圖7顯示,鹽脅迫對不同品種平歐雜種榛幼苗各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比均產生顯著影響(P<0.05)。總體來看,鹽脅迫導致不同品種各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比顯著降低(P<0.05)。從不同品種來看,各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比在品種間也存在顯著差異(P<0.05),具體表現為‘遼榛7號’>‘玉墜’>‘達維’,而鹽脅迫增強時K+/Na+比和Ca2+/Na+比的降幅為‘達維’>‘玉墜’>‘遼榛7號’,表明鹽脅迫下‘遼榛7號’維持體內離子平衡的能力最強,其次為‘玉墜’,‘達維’最弱。

圖7 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉K+/Na+、Ca2+/Na+

2.4 鹽脅迫對離子選擇性運輸能力的影響

從圖8可以看出,‘達維’從根到莖的SK+,Na+和SCa2+,Na+隨著鹽脅迫程度的增強呈升-降-升的趨勢。鹽脅迫對‘遼榛7號’和‘玉墜’從根到莖的SK+,Na+影響不顯著(P>0.05),中度和重度脅迫下‘遼榛7號’和‘玉墜’從根到莖的SCa2+,Na+顯著降低(P<0.05)。隨著鹽脅迫程度的增強,不同品種平歐雜種榛從莖到葉以及從根到葉的SK+,Na+和SCa2+,Na+均表現為先升高后降低的特點,并在輕度或中度脅迫下達到最大值,重度脅迫下顯著高于或維持在對照水平。從不同品種來看,各器官間的SK+,Na+和SCa2+,Na+在品種間也存在差異,具體表現為從根到莖、從莖到葉以及從根到葉的SK+,Na+在不同程度鹽脅迫下的均值表現為‘遼榛7號’>‘達維’>‘玉墜’,SCa2+,Na+則表現為‘遼榛7號’>‘玉墜’>‘達維’。

圖8 鹽脅迫對平歐雜種榛幼苗SK+,Na+、SCa2+,Na+的影響

3 討論

3.1 葉片解剖結構特征對鹽脅迫的響應與適應

鹽堿生境下的植物通常具有一些特殊的葉片解剖結構特征,如角質層增厚,葉片肉質化,柵欄組織發達,氣孔下陷,葉片有鹽腺分布等[2,24]。本研究中,不同品種平歐雜種榛葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織和海綿組織厚度均隨著鹽脅迫程度的增強呈先增加后降低的特點,輕度、中度脅迫下各參數顯著提高,重度脅迫下又有所下降,可能是高濃度鹽脅迫引起葉片失水所致。張霞等[3]在研究鹽脅迫對象草葉片解剖結構的影響時也得到類似的結論。一般而言,葉片柵欄組織越厚,細胞排列越緊實,柵欄組織/海綿組織比和結構緊密度越大,植物的耐鹽性越強；海綿組織越厚,細胞排列越疏松,植物的耐鹽性越差[6—7]。本研究表明,鹽脅迫引起平歐雜種榛葉片柵欄組織/海綿組織比、結構緊密度顯著增加或維持在對照水平,‘達維’和‘玉墜’葉片結構疏松度則表現出不同程度降低。結合前期研究與本研究可以得出,鹽脅迫下,平歐雜種榛葉面積變小[21],上、下表皮增厚,葉片肉質化,柵欄組織細胞伸長,細胞層數增多,胞間隙變小,排列緊密,這些特征的變化是平歐雜種榛對鹽環境的解剖結構響應,也是其對生境中大量鹽離子造成的生理脅迫的一種適應性表現。一方面,葉小、厚實且緊密的葉肉細胞通過減少體內水分流失,降低蒸騰速率,從而提高水分利用效率[6]；另一方面,柵欄組織不僅能高效運輸水分,同時細胞內較多、較大的葉綠體能夠增強光合作用[4]。

從不同品種來看,輕度和中度鹽脅迫引起3個品種平歐雜種榛葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度顯著增加,但重度鹽脅迫下,‘達維’葉片厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度以及‘玉墜’葉片厚度、下表皮厚度和海綿組織厚度均降低至對照水平,而‘遼榛7號’葉片厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度仍顯著高于對照。同時,重度鹽脅迫下‘遼榛7號’葉片結構緊密度較對照顯著提高6.5%,明顯高于‘達維’的2.0%和‘玉墜’的2.8%。上述結果表明,‘遼榛7號’葉片在鹽脅迫下特別是重度鹽脅迫下仍能通過一些解剖結構特征的調整表現出更強的形態結構適應性與耐鹽性。

3.2 離子代謝特征對鹽脅迫的響應與適應

NaCl脅迫下,植物體大量吸收并積累Na+和Cl-,并因此引起離子毒害或滲透脅迫,最終導致植物生長嚴重受阻[25]。面對NaCl脅迫,植物往往通過根系的離子選擇性吸收來拒Na+或排Na+,或通過Na+區隔化來維持細胞內離子平衡,以此提高對鹽脅迫的適應性[2,26—27]。盡管如此,不同植物對鹽離子的區隔化方式存在差異,如唐古特白刺(Nitrariatangutorum)[28]、西伯利亞白刺(Nitrariasibirica)[29]、河灘蘆葦(Phragmitesaustralis)[30]將Na+和Cl-主要集中在葉中,紅砂(Reaumuriasoongorica)[31]的Cl-主要在莖部積累,而槲樹(Quercusdentata)將Na+主要集中在根系[32]。也有研究表明,耐鹽型和鹽敏感型植物的離子區隔化方式不同,前者將Na+主要集中在根部,后者則將Na+主要集中在葉中[33]。本研究中,不同品種平歐雜種榛根、莖、葉中Na+和Cl-含量均隨著鹽脅迫程度的增強而顯著增加,與對照相比,不同程度鹽脅迫下以根中Na+和Cl-含量增幅最大,葉中增幅最小,表明鹽脅迫下Na+和Cl-主要在根中積累,其次為莖,葉中積累最少。但從Na+和Cl-的絕對含量來看,葉中Na+和Cl-分布最多,根中分布最少,表明根系作為植物體最早感受鹽脅迫信號的器官和最直接的受害部位,鹽脅迫下首先會吸收并截留一定數量的Na+和Cl-,然后將其運輸至莖和葉中,這與楊秀艷等[28]對唐古特白刺的研究結果一致。相關研究認為,這種適應機制一方面降低了鹽離子對根系的毒害作用,保證植株對其它營養元素的吸收；另一方面,植株將鹽離子更多地分布于葉中,可以利用鹽離子作為無機滲透調節物質來增大地上部分與地下部分的滲透勢差,促進水分吸收及其向上運輸進而稀釋液泡的高鹽環境[29,34]。

作為植物生長發育所必需的營養元素,K+在離子平衡調控、細胞膨壓和滲透調節等生理方面發揮著重要作用；而Ca2+作為植物信號傳導中重要的第二信使參與植物的抗逆信號傳導,調節著植物對逆境變化的響應過程[35],K+和Ca2+能調節植物的耐鹽性[36—37]。本研究中,輕度和中度鹽脅迫下不同品種平歐雜種榛根、莖對K+和Ca2+的吸收保持穩定或減少,而葉對K+和Ca2+的吸收有所增加,表明在一定鹽脅迫范圍內盡管平歐雜種榛根、莖的K+和Ca2+吸收下降,但葉具有一定的K+和Ca2+保有能力,進而維持體內離子的相對穩定來提高耐鹽性。這與烏鳳章等[16]對2個藍莓品種的研究結果一致。一般來說,鹽脅迫會抑制植物對營養離子(K+、Ca2+、Mg2+等)的吸收[17,32]。然而本研究發現,隨著鹽脅迫程度的持續增強,重度脅迫下不同品種平歐雜種榛根、莖對K+和Ca2+的吸收較中度甚至輕度脅迫時增加。與本研究結果相似,楊秀艷等[28]在研究唐古特白刺以及唐曉倩等[34]在研究西伯利亞白刺幼苗的鹽脅迫響應時發現,300 mmol/L NaCl脅迫下兩種白刺的根對K+的吸收以及唐古特白刺莖對Ca2+的吸收較200 mmol/L NaCl和100 mmol/L NaCl脅迫時增強,特別是兩種白刺根中K+含量顯著增加。引起這一現象的原因可能在于Na+和K+的水合半徑相似,白刺可能通過增強根對K+的吸收以及莖對Ca2+的吸收來抑制根系過多的吸收Na+,從而在一定程度上減緩鹽離子造成的危害。此外,研究發現鹽脅迫處理四翅濱藜(Atriplexcanescens)7 d后,300 mmol/L脅迫下葉片中的Ca2+含量較對照和150 mmol/L脅迫時顯著提高[38]。由此可見,植物在響應鹽脅迫時對離子的吸收規律可能因植物材料、脅迫強度和脅迫階段的不同而存在差異。

Na+是造成植物鹽害的主要離子,K+是植物生長發育所必需的大量元素和滲透調節物質的重要組分。然而,由于2種離子具有相似的離子半徑和水合能,鹽脅迫下Na+對K+的吸收位點和活性位點呈現出明顯的競爭性抑制作用,根細胞中的K+被Na+所取代,導致K+吸收減少,依賴K+的酶活性及代謝過程受到抑制[39]。因此,鹽漬化土壤上的植物往往受到Na+毒害和K+虧缺的雙重傷害,維持細胞中高水平的K+及K+/Na+比可以減少鹽離子造成的毒害,是機體進行正常生理代謝所必須的[40]。此外,鹽脅迫下莖、花等組織中維持適宜的Ca2+/Na+比已被證實是植物耐鹽的關鍵[41]。本研究中,鹽脅迫導致平歐雜種榛各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比顯著降低,與鹽脅迫下藍莓[16]和大麥(Hordeumvulgare)[42]的離子代謝特征相一致。鹽脅迫下,植物對Na+的大量吸收通過直接干擾和抑制細胞質膜對營養元素(K+和Ca2+)的吸收和轉運,造成離子失衡,各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比下降[38],并由此進一步引起植株生長發育受阻。前期我們在研究鹽脅迫對3個品種平歐雜種榛生長性狀的影響時也得出,鹽脅迫顯著抑制幼苗的生長量和生物量[21]。

3.3 不同品種平歐雜種榛耐鹽性差異

鹽脅迫下,植物維持體內相對較高的K+/Na+比和Ca2+/Na+比是植物耐鹽性強的一種表現。因此,植物能否在鹽漬環境條件下生存在很大程度上取決于其體內維持K+/Na+和Ca2+/Na+平衡的能力[11]。本研究中,不同品種平歐雜種榛各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比在品種間均存在顯著差異,具體表現為‘遼榛7號’>‘玉墜’>‘達維’,而K+/Na+比和Ca2+/Na+比的降幅表現為‘達維’>‘玉墜’>‘遼榛7號’,表明‘遼榛7號’對鹽脅迫的適應性最強,其次為‘玉墜’,‘達維’最弱。張麗[20]采用主成分分析對鹽脅迫下19個榛種質資源的14項生長和生理指標進行綜合評價時也得出,本研究中的3個品種耐鹽性由強到弱依次為‘遼榛7號’>‘玉墜’>‘達維’。

離子選擇性運輸系數表征植物對離子向上運輸的選擇能力,鹽脅迫下營養離子的選擇性運輸系數越大,表明植株促進營養離子向上運輸的能力同時抑制鹽離子向上運輸的能力越強,留在根中的鹽離子越多,其耐鹽性也越強[43]。本研究中,隨著鹽脅迫程度的增強,不同品種平歐雜種榛從根到葉以及從莖到葉的SK+,Na+、SCa2+,Na+均表現為先升高后降低的趨勢,且在重度脅迫下仍顯著高于或維持在對照水平,表明盡管鹽脅迫抑制了平歐雜種榛對營養離子K+、Ca2+的吸收,但為了緩解因離子吸收受阻造成的不利影響,植株通過提高從根到葉以及從莖到葉的K+、Ca2+選擇性運輸以維持較高的生理代謝水平,進而減小鹽脅迫對植株生長發育的影響。從不同品種來看,平歐雜種榛各器官間的離子選擇性運輸能力存在顯著差異,其中,SK+,Na+在不同程度鹽脅迫下的均值表現為‘遼榛7號’>‘達維’>‘玉墜’,SCa2+,Na+則表現為‘遼榛7號’>‘玉墜’>‘達維’,表明‘遼榛7號’通過加強對K+和Ca2+的選擇性運輸來維持體內離子平衡的能力強于其它2個品種。

4 結論

平歐雜種榛通過增加上、下表皮厚度,延伸柵欄組織長度,增加細胞層數且排列緊密,減小細胞間隙,形成肉質化葉片等一系列形態結構特征的調整來適應鹽漬化生境。鹽脅迫下,平歐雜種榛根系首先會吸收并截留一定數量的Na+和Cl-,然后將其運輸至莖和葉中；‘遼榛7號’在積累鹽離子的同時,通過加強對K+和Ca2+的選擇性吸收和運輸能力來維持體內的離子平衡以及較高的K+/Na+和Ca2+/Na+比,進而維持鹽脅迫下機體正常的生理代謝活動,耐鹽性強于‘達維’和‘玉墜’。盡管本研究從靜態離子代謝的角度揭示了平歐雜種榛的鹽脅迫響應與適應機制及不同品種的耐鹽性差異,然而,離子平衡調控的動態轉運機制和分子機制仍未明確,未來將利用非損傷微測技術(NMT)和轉錄組測序技術(RNA-seq)進一步深入探究根細胞離子流(Na+、H+、K+、Ca2+)的動態轉運過程以及耐鹽基因的調控機制。