全 文 ：中国农学通报 第23卷 第 7期 2007年 7月
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植物生理科学
随着全球环境的不断恶化，土壤盐碱化问题已日
益威胁着人类赖以生存的有限的土壤资源[1]，造成了
农作物大量减产，甚至绝收，这已经成为制约中国农
作物产量和品质的主要逆境因素之一。因此，中国政
府已经把盐碱治理列入国家未来的行动纲领中[2]。盐
土碱土总称为盐碱土，当土壤中的盐类以Na2CO3和
NaHCO3为主时，土壤就呈碱性，则称为碱土。
土壤pH值会影响植物细胞内的多种代谢活动，
高pH对拟南芥萌发和主根伸长的影响
孙菲菲 1,2,赵彦坤 1,2,张文胜 1,胡海洲 3,李 报 1,2,王幼宁 1,刘孟雨 1,李 霞 1
(1中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，河北石家庄050021；
2中国科学院研究生院，北京100039；3山东农业大学农学院，山东泰安271018)
摘 要:土壤盐碱化严重影响作物的产量。近年来用模式植物拟南芥研究植物对盐响应分子机理的研
究已经取得突破性进展。然而,植物对碱胁迫响应的生理、生化研究相对比较落后,对 pH信号及胁
迫响应分子机理的研究还比较少。试验以模式植物拟南芥为材料,研究了不同 pH值对拟南芥种子
萌发及幼苗生长发育的影响。结果表明:pH值过高会抑制种子萌发;随着pH值的逐渐增加,根的相
对生长量和幼苗叶绿素含量均呈现先增加后减少的趋势;同时,根尖生长素含量随着 pH值升高呈
现先增加后减少的趋势,表明生长素含量变化可能在植物对碱胁迫的响应中,尤其是在根伸长过程
中起着重要作用。因此,工作将加深人们对植物在碱条件下的生理和生化反应的理解,为揭示碱信号
转导途径,筛选培育耐碱品种等提供依据。
关键词:盐碱;高pH值;拟南芥;种子萌发;根伸长
中国分类号:Q-33 文献标识码:A
HighpHDramaticalyAfectsSeedGerminationandRootGrowthofArabidopsis
SunFeifei1,2,ZhaoYankun1,2,ZhangWensheng1,HuHaizhou3,LiBao1,2,
WangYouning1,LiuMengyu1,LiXia1
(1CenterforAgriculturalResourcesResearch,InstituteofGeneticsandDevelopmentalBiology,
CAS,ShijiazhuangHebei050021;2GraduateSchoolofChineseAcademyofSciences,Beijing100039;
3ColegeofAgronomy,ShandongAgriculturalUniversity,TaianShandong271018)
Abstract:Increasingareasinsalineandalkalisoildramaticalyafectcropyield.Recentresearchinsalt
signaltransductionpathwayusingArabidopsishavemadegreatprocessinunderstandingthegeneticbasis
ofplanttolerancetosalinity.However,thestudyonplantresponseandthemolecularmechanismsto
alkalilagsfarbehind.Inthispaper,weanalyzedtheefectsofhighpHonArabidopsisduringseed
germinationandseedlingdevelopment,especialyrootelongation.Theresultsshowedthatmildalkali
stress (pH 6.0~6.5)promotedplantgrowth,whileseverehighpH inhibitedbothseedgermination,
photosynthesisandrootelongation.AuxincontentmarkedlydecreasedathighpH,suggestinganimportant
roleofauxininplantresponsetoalkalistress.
Keywords:SalineandAlkali,HighpH,Arabidopsis,SeedGermination,RootElongation
基金项目:国家自然科学基金项目（30570143/C01020304）和中国科学院“百人计划”基金项目资助。
第一作者简介:孙菲菲，女，1983年出生，山东临沂人，硕士研究生，主要从事植物分子生物学研究。通信地址：050021河北省石家庄市槐中路286号，Tel:
0311-85871755，E-mail:sunf1019@yahoo.com.cn。
通讯作者：李霞，女，1964年出生，河北石家庄人，研究员，博士，主要从事植物分子生物学研究。通信地址：050021河北省石家庄市槐中路286号。Tel：
0311-85871744，E-mail:xli@genetics.ac.cn。
收稿日期:2007-04-23，修回日期：2007-05-14。
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不同的细胞器以及同一细胞内的不同部位，其pH值
都会有所不同[3~5]。这种精确的pH调控，可以使大多
数酶处在最佳的活性状态，以调节细胞内的代谢活
动、DNA复制、细胞分裂[6]、氨基酸的质子化程度[7]
等。此外，根据经典的酸生长理论[8~10]，植物细胞的正
常生长发育受pH调控[11]，如在气孔开关的过程中保
卫细胞也存在相应的pH变化[12]。但是，不适宜的pH
值环境会造成植物营养元素缺乏，从而引起植株发育
矮小，根系不发达等症状，进而造成农产品产量、品质
的降低。
因此，如何减轻土壤盐碱化对作物的危害，充分
利用有限的国土资源成为农业可持续发展急待解决
的重要课题之一。目前对盐渍土的开发利用主要采取
两种措施[13]：一是通过工程改良土壤盐渍；二是生物
治理，即通过农业生物技术培育耐盐碱作物品种以改
良土壤。虽然工程改良土壤已经取得一定效果，但是
这种传统盐碱地治理方法具有成本大、周期长、易返
盐等缺点[14]；而通过种植耐盐碱品种则可以充分利用
盐碱地资源，提高土壤的养分含量[15]。所以，通过生物
技术手段，培育耐盐碱品种进行土壤改良就显得迫在
眉睫，开展植物在逆境条件下的生理、生化、遗传等研
究，能为筛选培育耐盐碱品种提供坚实有效的理论基
础。
虽然目前在植物响应pH胁迫的生理反应[16~20]、
基因表达调控[21,22]等方面有了一些初步研究，但大都
集中于一些耐盐碱的植物材料，如星星草(Puccinelia
tenuiflora)[23]，羊草 (Leymuschinensis)[24]，向日葵
(HelianthusannuusLinn)[5,25]，白刺 (Nitrariasibirica
Pal)[26]、苜蓿(Alfalfa)[27]、碱地肤[28]等，以及一些大田作
物，如小麦[29]、玉米(ZeamaysL)[30]等，因此材料不具
有普遍性，并且这些研究多数是以特定大小苗期、以
盐碱结合处理为主要研究手段，很少涉及单纯的碱胁
迫条件处理对种子萌发及苗期发育这两个阶段的影
响。在过去的10多年中，以模式植物拟南芥为试验材
料，用分子遗传学、功能基因组学等综合手段已经在
揭示植物生长发育和抗生物、非生物胁迫的遗传机制
方面取得了重大突破。研究就是以拟南芥为研究材
料，用人工控制pH值的方法，研究pH值对拟南芥种
子萌发和幼苗生长的影响，从而为揭示植物抗碱机理
奠定基础。
1材料与方法
1.1植物材料
材料为拟南芥(Arabidopsisthaliana)的两种生态
型：Columbia0(Col0)和C24。此外，以Col0为背景
的表达DR5-GUS的拟南芥用作检测生长素变化。
1.2实验方法
1.2.1培养基的选择
基本培养基：MS培养基[31]，0.8%agar(w/v)，2%蔗
糖(w/v)，消毒前培养基的pH为5.7。
pH值梯度培养基：消毒前pH值设定为5.7、6.0、
6.5、7.0、7.5、8.0、9.0、10.0，其余条件同基本培养基。
1.2.2播种方法及培养条件 拟南芥种子用 50%漂白
水表面消毒5min，再用无菌水漂洗5~6次；然后用吸
管将种子吸出，均匀地直接播种到培养基上。播种后
将培养皿置于暗下4℃低温处理48h，之后转入培养
室(21±2)℃，日光灯光照度 50μE/(m2·s)，16h光照
/8h黑暗，相对湿度70%中培养。试验于2006年3月
至2007年1月在中国科学院遗传与发育生物学研究
所农业资源中心进行。
1.2.3测定方法
（1）萌发率的测定。将种子播种到pH梯度培养
基上，从置于光下培养开始，每12h数一次萌发，连续
数7d。判断萌发的标准：露白长度达到种子长度的
1/2。
（2）根的相对生长量的测定。采用根弯曲试验
(rootbendingassay)[32]测定胁迫条件下根的相对生长
量。种子播种到MS基本培养基见光生长4d后，选长
势相似的苗分别转到MS基本培养基和pH梯度培养
基，将培养皿垂直放置并使苗倒立，继续生长 7d后，
测量转入胁迫培养基之后根的生长量。
（3）叶绿素含量测定。取见光生长7d的苗，采用
混合液(丙酮:无水乙醇=1:1)浸提法[26]提取叶绿素，测
试结果按华东师大的方法[33]计算。
（4）组化GUS染色。将表达DR5-GUS拟南芥种
子[34]在pH胁迫梯度培养基上萌发十天后，取苗进行
GUS染色[35]。
2结果
2.1pH值对拟南芥种子萌发率的影响
为了了解拟南芥种子萌发过程中对不同酸碱度
的反应，首先设计了一个梯度试验并绘出了植物反应
的时间曲线。由图1可见，两种拟南芥生态型Col0
和C24种子萌发对培养基pH的响应趋势基本一致。
当pH值为6.0~7.0时，两种野生型拟南芥种子萌发
速度最快，第2天时就达到80%左右，2.5d时就基本
上全部萌发。Col0在pH5.7第3.5天时可以全部萌
发，但是当在高 pH值下(pH8.0和 pH9.0)时，虽然萌
发率也在逐渐增加，但是直到 6.5d时才基本接近
90%；当在pH10.0时，种子萌发严重推迟，Col0在
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6.5d时的萌发率只有 40%；C24在高 pH胁迫下比
Col0萌发率高，即在pH5.7~9.0之间，6.5d内萌发率
基本都能达到100%，但是在10.0的高pH值胁迫下，
C24的萌发也是滞后了，6.5d时只能达到70%。由此
可见，高 pH胁迫能够严重影响到拟南芥种子的萌
发，并且对高pH的反应存在着基因型的差异。
2.2pH值对拟南芥幼苗主根相对生长量的影响
由于植物主根生长是评价植物抗逆的一个重要
指标，笔者对萌发后拟南芥幼苗主根伸长进行了测定
(图2)。由图2可见，拟南芥幼苗主根相对生长量随
pH梯度的逐渐增加，呈现先增加后减少的趋势。轻微
碱胁迫(pH6~6.5)条件明显促进拟南芥幼苗主根的生
长，其中在 pH6.5的培养基上，主根相对生长量比对
照高25%左右。当pH值达到8.0及以上时，主根生
长基本上完全被抑制。由此可见，植物主根对高pH
碱胁迫更敏感。
2.3pH值对拟南芥幼苗叶绿素含量的影响
拟南芥在高 pH胁迫条件下除了根生长量有明
显差异外，笔者发现其叶片颜色明显黄化，于是对叶
片叶绿素含量进行了测定(图3)。由图3可知，拟南芥
幼苗叶绿素含量随pH梯度的增加，也呈现先增加后
减少的趋势。拟南芥受到轻微胁迫时，叶绿素含量最
图1不同pH值对拟南芥种子萌发率的影响,Col0(上图)和C24(下图)
图2根弯曲试验测定不同pH拟南芥幼苗主根相对生长量
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高；随着pH值继续增加，叶绿素含量逐渐降低；当
pH为9.0时，叶绿素含量最低。且高pH对Col0和
C24叶绿素含量影响趋势一致。同萌发一样，C24的
叶绿素含量整体均比Col0高，进一步说明了C24对
高pH胁迫的抗性要比Col0高。
2.4pH值对拟南芥主根中生长素含量的影响
生长素是调控植物根生长的主要激素。为了直观
地观察pH值对植物根中生长素含量的影响，笔者选
用了目前通用的生长素报告研究系统，即生长素诱导
的DR5启动子-报告基因GUS转基因植物，对不同
pH处理条件下生长素的变化进行了检测。如图4所
示，拟南芥幼苗根部生长素含量随pH梯度的增加，
同样呈现先增加后减少的趋势，与上述根弯曲实验展
示的结果一致。即在轻微胁迫条件下，根的相对生长
量最大时，根部的生长素分布也最多；在pH升至8.0
时，根部的生长素主要分布在根尖一小部分；而在
图3pH值对拟南芥幼苗叶绿素含量的影响
图4pH对拟南芥根生长素分布的影响
pH9.0时，根部已经没有生长素分布，此时植物根已
经停止生长，濒临死亡。
3讨论
环境因素严重影响着植物的生长发育，而植物在
长期的进化中也演化出复杂的调控机制以响应不同
的逆境胁迫。其中盐碱严重影响着植物的生长发育和
产量，虽然对植物响应盐胁迫的研究取得了重大进
展，但植物对碱以及盐碱共同作用响应的分子机理还
知之甚少。试验研究了高pH即碱胁迫条件对植物的
影响。结果显示高 pH胁迫不仅影响植物的种子萌
发，还影响植物幼苗的生长发育。但是种子萌发对高
pH敏感性较幼苗要低，可以在较宽的pH梯度间萌
发。主要原因可能是由于高pH并不影响吸涨过程，
另外种子萌发主要依赖其自身提供营养，所以虽然细
胞的代谢受到抑制，萌发会推迟，但总体不会影响很
大。
种子萌发后的幼苗建立是对外界环境最敏感的
时期。主根和根系健康、快速发展可使植物从土壤中
吸收水分、营养和矿物离子；子叶张开之后叶绿体和
叶绿素合成使植物通过光和作用合成有机物，完成自
主生长。但在高碱的条件下，植物主根的生长受到严
重的抑制，从而植物对营养和水份的吸收受到了严重
影响。同时高碱胁迫造成植物叶片中叶绿素含量的降
低，从而降低了植物进行光合作用的能力，直接影响
植物的生长和产量。同时，利用DR5-GUS染色系统，
笔者发现在高pH胁迫下，植物主根生长抑制很可能
是由于生长素含量降低所致，当然，到底高 pH如何
影响生长素的变化，是导致生长素合成下降还是分解
增强正在进一步的研究中。
从上述结果可以看出高碱对植物的影响并不比
盐胁迫小，所以笔者呼吁植物对高碱响应生理和遗传
机制的研究应该受到更多地重视。不同生态型（Col0
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和C24）对碱胁迫的抗性表现出明显差异，说明基因
型在植物对碱胁迫应答的遗传调控机理中也具有重
要的作用。这些研究结果将为以拟南芥为研究材料建
立新的遗传筛选系统提供依据，也为高pH信号转
导、植物对高碱胁迫响应分子机制的研究和未来分子
改良植物抗盐碱作物新品种奠定基础。
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(责任编辑：陶冶之)
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