全 文 ：第 34 卷第 21 期
2014年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.21
Nov.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:江苏省自然科学基金青年基金项目(BK2012073); 国家重点实验室开放课题(2011KF07)
收稿日期:2013鄄01鄄31; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄13
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zfibcas@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201301310204
邱念伟,杨翠翠, 卢正珂,李遵宁,岳贤军, 程秀秀, 许莹莹,周峰.莳萝蒿适应盐渍环境的 Na+区域化方式和生理特征.生态学报,2014,34(21):
6147鄄6155.
Qiu N W, Yang C C, Lu Z K, Li Z N, Yue X J, Cheng X X, Xu Y Y, Zhou F.Na+ compartmentation and physiological characteristics of Artemisia
anethifolia in adaptation to saline environment.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6147鄄6155.
莳萝蒿适应盐渍环境的 Na+区域化方式和生理特征
邱念伟1,杨翠翠1, 卢正珂1, 李遵宁1, 岳贤军1, 程秀秀1, 许莹莹1, 周摇 峰2,*
(1. 曲阜师范大学生命科学学院, 曲阜摇 273165; 2. 南京晓庄学院生物化工与环境工程学院, 南京摇 211171)
摘要:莳萝蒿是广泛分布在我国北方的一种特殊类型的菊科盐生植物,阐明莳萝蒿特殊的耐盐机制和生理特征有助于丰富植物
抗盐性研究的内容。 用 0、100、200、300、400 mmol / L NaCl处理莳萝蒿 7 d后,比较莳萝蒿盐处理植株与对照植株在生长和生理
方面的差异,并详细分析了 Na+在莳萝蒿体内的积累水平和区域化方式。 结果显示:莳萝蒿虽然能够耐受 400 mmol / L NaCl,但
盐处理显著抑制了莳萝蒿的生长,整株鲜重随着盐处理浓度的升高逐渐减小。 在水分生理方面,随着盐处理浓度的升高,莳萝
蒿叶片细胞的渗透调节能力逐渐增强,其叶片肉质化程度却呈逐渐降低的趋势。 分析盐处理对光合作用的影响发现,盐处理后
莳萝蒿叶片光合速率与气孔导度显著下降,而其 PS域光化学活性并未受到抑制,叶绿素含量甚至逐渐增大,说明盐处理后莳萝
蒿叶片光合速率的降低主要是由于气孔因素造成的,而不是由于光合结构被破坏。 莳萝蒿体内的 Na+含量随着盐处理浓度的
升高显著增加,400 mmol / L NaCl条件下叶、茎、根中的 Na+含量分别高达 321.4、242.1 和 182.3 滋mol / g 鲜重;莳萝蒿体内的 Na+
70%以上积累在叶片内,而叶片内 98%左右的 Na+积累在叶片原生质体中,叶片原生质体中的 Na+平均浓度是质外体 1.2—1.8
倍,推测其叶片细胞内存在着有效的 Na+区域化机制。 盐处理后莳萝蒿叶片液泡膜 V鄄H+ 鄄ATPase 的质子泵活性比对照增加了
30%—50%,液泡膜 Na+ / H+逆向转运活性则增加至对照的 4—7倍,进一步证实莳萝蒿叶片具有较强的液泡 Na+区域化能力。
随着盐处理浓度的升高,Na+在叶片中的分布比例相对减少,V鄄H+ 鄄ATPase 的质子泵活性和 Na+ / H+逆向转运活性增幅也减缓。
这种 Na+区域化能力使莳萝蒿获得了较强的耐盐性,有效保护了其光系统,降低了细胞汁液渗透势。 但是盐处理后这种耐盐方
式并不能阻止莳萝蒿叶片肉质化程度和光合活性下降,莳萝蒿生长仍然受盐抑制,说明 Na+区域化是莳萝蒿适应盐渍环境的必
要条件而非充分条件。
关键词:莳萝蒿;Na+区域化;生长;光合;适应
Na+ compartmentation and physiological characteristics of Artemisia anethifolia in
adaptation to saline environment
QIU Nianwei1, YANG Cuicui1, LU Zhengke1, LI Zunning1, YUE Xianjun1, CHENG Xiuxiu1, XU Yingying1,
ZHOU Feng2,*
1 College of Life Sciences, Qufu Normal University, Qufu, Shandong 273165, China
2 School of Biochemical and Environmental Engineering, Nanjing Xiaozhuang University, Nanjing, Jiangsu 211171, China
Abstract: Artemisia anethifolia (Compositae) is a halophyte that is widely distributed in northern areas of China. Studying
the mechanisms by which this plant adapts to high levels of salt will increase our understanding of salt adaptation in vascular
plants. A. anethifolia plants were treated with 0, 100, 200, 300, and 400 mmol / L NaCl for 7 d, respectively. Then, the
differences in growth and physiology were compared between salt鄄treated and control A. anethifolia plants. In particular, the
Na+ accumulation levels and Na+ compartmentation patterns in A. anethifolia plants were analyzed in detail. Although the
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A. anethifolia plants were able to survive under 400 mmol / L NaCl, salt鄄treated plants showed lower fresh weight as the NaCl
concentration increased, indicating that plant growth was inhibited by salt. The leaves of A. anethifolia showed an increased
capacity for osmotic adjustment but a decreased degree of leaf succulence with increasing NaCl concentrations.
Photosynthetic analyses showed that there was a gradual decline in net photosynthetic rate and stomatal conductance of salt鄄
treated leaves with increasing NaCl concentrations. However, the maximal efficiency of photosystem II photochemistry (Fv /
Fm) in A. anethifolia leaves was not inhibited by salt, and the chlorophyll content even increased with increasing salt
concentrations. These observations suggested that the decreased photosynthetic rate was due to stomatal factors, rather than
damage to the components of the photosynthetic machinery. The Na+ content in A. anethifolia plants tended to increase with
increasing salt concentrations. The Na+ content in leaves, stems, and roots of A. anethifolia was 321.4, 242.1, and 182.3
滋mol / g FW, respectively, in the 400 mmol / L NaCl treatment. More than 70% of the Na+ absorbed by salt鄄treated
A. anethifolia plants accumulated in their leaves, and approximately 98% of the Na+ that accumulated in leaves was
localized in leaf protoplasts. The average Na+ concentration in protoplasts of A. anethifolia leaf tissue was 1.2—1.8 times
that in the apoplast. These results indicate that efficient Na+ compartmentation occurred in A. anethifolia leaf cells. The V鄄
H+ 鄄ATPase proton pump activity of salt鄄treated leaves was 30%—50% higher than that of control leaves, and the tonoplast
Na+ / H+ antiporter activity of salt鄄treated leaves was 4—7 times that in leaves of control plants. These findings suggested that
A. anethifolia plants have a strong ability to compartmentalize Na+ in the vacuole. As the concentrations of salt increased,
the Na+ distribution ratio in leaves decreased. Likewise, the range of increased V鄄H+ 鄄ATPase proton pump activity and
tonoplast Na+ / H+ antiporter activity decreased as the salt concentration increased. Na+compartmentation plays an important
role in the salt tolerance of A. anethifolia plants, because it protects their photosystems and results in lower osmotic potential
in the leaf cells. However, Na+ compartmentation could not prevent the decrease in the degree of leaf succulence and the
photosynthetic activity of A. anethifolia leaves under highly saline conditions, and so their growth was inhibited by salt.
These results suggest that Na+ compartmentation is necessary but not sufficient for adaptation of A. anethifolia to a saline
environment.
Key Words: Artemisiaanethifolia; Na+ compartmentation; growth; photosynthesis; adaption
摇 摇 莳萝蒿(Artemisia anethifolia Mattf)广泛分布在
我国北方盐碱地区,是一种特殊的菊科盐生植物,它
既不具备真盐生植物的快速生长及稀盐能力,又不
具备泌盐植物的泌盐结构,也不具备拒盐植物有效
的拒盐方式[1],却能够在高盐条件下生存并完成生
活史。 因此莳萝蒿的耐盐机制具有特殊性,但其耐
盐机制还未见报道。 在盐渍条件下莳萝蒿吸收了大
量的 Na+并能够使细胞质中的代谢活动不受伤害,说
明其具有非常有效的 Na+区域化方式。 本文拟从个
体、组织和细胞 3 个水平上分析莳萝蒿在盐渍条件
下的离子区域化方式和生理特征,阐述其耐盐机制。
在前人提出的众多耐盐机制中,最受关注的是
Na+ / H+逆向转运蛋白,它广泛存在于生物膜上,具有
调节细胞 pH值和 Na+平衡的作用[2鄄5]。 通过转 Na+ /
H+逆向转运蛋白已经使近百种盐敏感植物获得了耐
盐性,充分证实了 Na+ / H+逆向转运蛋白在植物耐盐
性中的作用[6鄄9]。 但是这些通过转 Na+ / H+逆向转运
蛋白基因获得耐盐性的植物虽然耐盐能力提高,但
其仍然不能真正“适应冶盐渍环境。 “适应冶是指植
物处于不适宜的环境时,能够通过自身的形态或生
理变化,将环境的不利影响降到最低,并最大限度地
利用环境的有益因素,使植物达到最佳的生活状
态[10]。 能够真正“适应冶盐渍环境的植物叫做真盐
生植物,真盐生植物主要分布在藜科植物中,如碱蓬
属、滨藜属、猪毛菜属和盐穗木属等。 这类植物的特
征是“喜盐冶,适当的盐度能够促进其生长,如碱蓬最
适盐浓度是 200—300 mmol / L NaCl[11]。 但是,包括
莳萝蒿、芦苇、二色补血草在内的很多盐生植物在盐
渍环境下生长均受到抑制,因此它们均不是真盐生
植物,通过转基因获得耐盐性的植物也均没有达到
“适盐性冶目标[6鄄9,12]。 盐渍环境对非真盐生植物来
讲仍然是一种胁迫,而对真盐生植物来讲则是一种
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适宜环境,Na+是真盐生植物重要的渗透调节物
质[11,13]。 以莳萝蒿为代表植物,分析其 Na+区域化
机制和生长特征,有助于了解这类非适盐植物耐盐
但不能“适盐冶的主要原因,为植物耐盐性研究提供
新内容。
1摇 材料与方法
1.1摇 材料培养
莳萝蒿(Artemisia anethifolia)的种子采自黄河三
角洲。 挑选籽粒饱满的种子播种于装有干净细砂的
塑料盆内,当幼苗长到 4—5 个叶片时,选取生长一
致幼苗进行液体通气培养。 水培幼苗适应 2 d 后进
行 NaCl 处理,方法是用含有 NaCl 的完全 Hoagland
营养液(pH值 5.9)每天递增 100 mmol / L NaCl,同一
天达到处理终浓度 ( 100、 200、 300、 400 mmol / L
NaCl),以防止盐激效应。 以 Hoagland营养液为对照
(实际含有约 2 mmol / L Na+)。 为保持 NaCl 浓度恒
定,每 2d更换 1次营养液。 培养温室的昼夜温度为
(30依2)益 / (23依2)益,光周期 15 / 9 h,白天最大光照
强度约为 1500 滋mol m-2 s-1,相对湿度 40%—60%。
NaCl处理 7 d后,测定有关指标。
1.2摇 测定方法
1.2.1摇 整株鲜重和叶绿素含量的测定
到达终浓度的当天将整株植物从液体培养盆内
取出,轻轻吸去根部表面的水分,分别称量叶片、茎
和根的鲜重(FW)。 整株鲜重 =叶鲜重+茎鲜重+根
鲜重,每个处理做 10个重复。
选取莳萝蒿最幼功能叶测定叶绿素含量[14]。
由于莳萝蒿是羽状深裂叶,因此以鲜重为单位表示
其叶绿素含量。
1.2.2摇 叶片肉质化程度和细胞汁液渗透势的测定
用叶片肉质化程度表示叶片的含水量:首先称
量叶片鲜重(FW),然后将鲜材料放入 105 益的烘箱
杀青 10 min 后,80 益烘干至恒重,称量叶片干重
(DW)。
叶片肉质化程度=FW / DW伊100%
每个处理做 5个重复。
叶片液氮速冻后,放入注射器内室温下溶冰,然
后挤出细胞汁液。 细胞汁液渗透势用蒸汽压渗透压计
(Vapor Pressure Osmometer 5520,Hansatech Instrument
Ltd., UK)测定。 每个处理做 5个重复。
1.2.3摇 叶片光合参数的测定
莳萝蒿幼苗在 20:00 充分暗适应后,在黑暗条
件下 用 Handy PEA ( Plant Efficiency Analyser;
Hansatech Instrument Ltd., UK)测定其最大光化学效
率( maximal efficiency of PS域 photochemistry, Fv /
Fm)。 每个处理做 5个重复。
光合速率(Pn)和气孔导度(Gs )采用英国 PP
system公司的 Ciras鄄1型光合测定系统测定。 测定条
件为:CO2浓度 360 滋mol / mol、相对湿度 40%,光照
1000 滋mol m-2 s-1,温度 25 益。 叶室中莳萝蒿羽状
叶叶面积用 Li鄄 3000A 叶面积仪(美国 LI鄄COR)测
定。 每个处理做 5个重复。
1.2.4摇 根、茎、叶 Na+含量的测定
将每株植物分成根、茎、叶 3 部分,分别烘干、称
重。 然后取 0.1 g 干重的材料用马弗炉在 500 益充
分灰化,用浓硝酸溶解,然后蒸馏水稀释定容。 Na+
浓度用原子吸收光谱仪(Z鄄8000型, Hitachi, Japan)
测定。 各器官中 Na+含量用 滋mol / g 鲜重表示:
各器官中 Na+总量=Na+含量伊器官鲜重
每个处理做 5个重复。
1.2.5摇 叶片质外体和原生质体 Na+含量的测定
质外体液体的收集参照 Tetlow 的方法稍加改
动[15]。 取一定数量的完整叶片,将叶片茎基端向下
置于容积为 40 mL 的注射器中,注射器下端出液口
套一容积为 0.5 mL 的 Eppendorff 管,放入超速冷冻
离心机中 4 益、400g离心 10 min,避免细胞破裂。 质
外体液体顺着注射器收集到 Eppendorf 管中,收集到
的质外体 ( apoplast)液体稀释后测定其 Na+浓度
(Ca)。 方法 1.2.2 中得到的细胞汁液[其中含有质
外体溶液和原生质体 ( protoplast ) 溶液两部分]
4000g离心 10 min,取上清液用于 Na+浓度的测定
(CT)。 参照 Flowers的方法,假定质外体与原生质体
体积比约为 3颐97,可推算原生质体溶液的平均 Na+浓
度(Cp) [16]:
Cp =(CT伊1-Ca伊Va) / Vp
式中,Va = 1伊3%, Vp = 1伊 97%。 每个处理做 5 个
重复。
Na+在质外体和原生质体中的分布比例计算公
式分别为:
Pa =Ca伊Va / (Ca伊Va+Cp伊Vp)
Pp =Cp伊Vp / (Ca伊Va+Cp伊Vp)
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1.2.6摇 液泡膜微囊的制备
液泡膜微囊的提取参考 Ballesteros 等人的方
法[17]。 以不同盐浓度处理的莳萝蒿叶片为材料,用
预冷重蒸水冲洗 2—3 次,用吸水纸吸去表面水分
后,按材料颐匀浆缓冲液 = 1颐2 加入预冷匀浆缓冲液,
该缓冲液含有 50 mmol / L Tricine鄄Tris ( pH 7. 5),3
mmol / L EGTA, 3 mmol / L MgSO4, 0. 5% PVP, 2
mmol / L DTT,0.2 mmol / L PMSF,5% 甘油(Glycerol),并
用甘露醇调至与叶片细胞汁液等渗。 用匀浆机匀浆
2 次, 四 层 纱 布 过 滤。 取 滤 液 10000 r / min
(Beckman, L鄄80XP)离心 20 min,一并除去线粒体及
没有破碎的细胞和细胞壁碎片。 取离心后的上清液
小心铺在 18%颐24%颐30%颐45%(质量分数)不连续蔗
糖梯度溶液上(含 5 mmol / L Hepes鄄Tris pH 值 7.5,1
mmol / L DTT),100000g离心 2h,小心收集 24% (质
量分数) 界面上的膜微囊,来自 24%界面的微囊富
含液泡膜。 用稀释液 (含有 3 mmol / L MgSO4, 50
mmol / L Hepes鄄Tris pH 值 7. 5, 1 mmol / L PMSF,
1 mmol / L DTT)稀释 2—4 倍,100,000伊g 再离心 30
min。 离心后的沉淀用尖头细毛笔小心悬浮在贮藏
液[含有 40% 甘油 ( glycerin),2 mmol / L DTT, 10
mmol / L Hepes鄄Tris (pH值= 7.5)]中,用匀浆器混匀
后分装于 Eppendorf 管中,液氮中冷冻后,-80 益超
低温冰箱保存备用。 以上操作均在 0—4 益条件下
完成。 用考马斯亮蓝法测定提取液中蛋白质含量。
1.2.7摇 液泡膜 H+ 鄄ATPase 泵活性、Na+ / H+逆向转运
活性的测定
H+ 鄄ATPase泵活性和 Na+ / H+逆向转运活性测定
均参照 Ballesteros 等人的方法[17]。 质子泵活性的测
定的反应体系为 2 mL,其中含有 33 mmol / L Hepes鄄
tris( pH 值 = 7. 5 ), 50 mmol / L KCl, 0. 1 mmol / L
(NH4) 2MoO4,166 mmol / L 甘露醇,0.05%牛血清蛋
白,3 mmol / L DTT,1.5 mmol / L ATP鄄Na2,膜微囊制剂
蛋白量 100 滋g。 25 益保温 5 min,再加入浓度为
1 mol / L的 MgCl2 10 滋L启动反应。 用 acridine orange
作荧光染料,反应体系中 acridine orange 的终浓度为
5 滋mol / L。 测定荧光猝灭的初速度(激发波长为 495
nm,发散波长为 525 nm)。 以单位时间内荧光猝灭
值占总荧光量的百分数(%quench / min)表示。
荧光猝灭达到最大且稳定时,加入 15 滋mol / L
bafilomycin 20 滋L终止 V鄄H+ 鄄ATPase 活性,然后加入
Na+(NaCl),使体系中 Na+浓度为 100 mmol / L,测定
荧光恢复的初速度,以单位时间内荧光恢复值占总
荧光量的百分数(%quench / min)表示 Na+ / H+逆向
转运活性。 每个处理的两种酶活性均做 5个重复。
2摇 结果与分析
2.1摇 盐处理对莳萝蒿生长状况的影响
盐处理显著抑制了莳萝蒿的生长,随着盐处理
浓度的升高,莳萝蒿整株鲜重显著下降。 100、200、
300、400 mmol / L NaCl 条件下的整株鲜重分别为对
照的 87.9%、79.0%、72.3%、65.7% (图 1)。 地上部
鲜重尤其是叶片鲜重下降最为显著,分别为对照的
84.5%、73.0%、64.0%、51.9%。 盐处理后,莳萝蒿的
叶片数和叶片大小均显著小于对照,在 300—400
mmol / L NaCl下,老叶有发黄枯萎现象;但功能叶片
的叶绿素含量显著高于对照(图 1),这是叶片生长
受抑制后的常见表现。
图 1摇 盐处理对莳萝蒿整株鲜重(a)和叶绿素含量(b)的影响
Fig.1摇 Effect of salt鄄treatment on fresh weight of individual Artemisia anethifolia plants (a) and chlorophyll content (b)
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2.2摇 盐处理对莳萝蒿水分状况的影响
莳萝蒿地上部分主要为叶片,叶片的水分状况
可以反映其生活状态。 为了适应盐渍条件下的低渗
环境,其叶片的细胞汁液渗透势也显著下降,以提高
其吸水能力(图 2)。 400 mmol / L NaCl 条件下莳萝
蒿叶片细胞汁液渗透势达到对照的 2.07倍。 莳萝蒿叶
片的肉质化程度却显著下降(图 2)。 400 mmol / L NaCl
条件下,莳萝蒿叶片肉质化程度仅为对照的 69.1%。
图 2摇 盐处理对莳萝蒿叶片肉质化程度和细胞汁液渗透势的影响
Fig.2摇 Effect of salt鄄treatment on leaf succulence degree and osmotic potential of leaf cell sap of Artemisia anethifolia plants
2.3摇 盐处理对莳萝蒿叶片光合功能的影响
盐处理后莳萝蒿叶片的光合功能显著下降(图
3),100、200、300和 400 mmol / L NaCl 条件下的净光
合速率分别为对照的 70. 6%、 48. 7%、 40. 5% 和
28郾 1%。 气孔导度的下降趋势与净光合速率类似,
而莳萝蒿叶片的 PS域最大光化学效率(Fv / Fm)不受
盐处理影响(图 3)。 说明盐处理抑制莳萝蒿的光合
功能与气孔因素有密切关系。
2.4摇 不同浓度盐处理条件下莳萝蒿各器官中 Na+的
含量与分布
盐处理后,莳萝蒿幼苗的各个器官中的 Na+含量
均显著增加,但地上部的 Na+含量均显著高于根部,
其中叶片的 Na+含量最高(表 1),说明莳萝蒿并不阻
止 Na+运往地上部。 随着盐处理浓度的增加,叶片
Na+含量增加幅度显著小于根和茎,如 400 mmol / L
NaCl条件下叶、茎、根中 Na+含量分别为 100 mmol / L
NaCl条件下的 2.04、3.16 和 2.66 倍。 因此,在高盐
浓度下,莳萝蒿相对减缓了叶片 Na+积累幅度。 各器
官中的 Na+总量结果则显示(表 2),在不同盐渍条件
表 1摇 不同盐处理条件下莳萝蒿各器官中 Na+含量(滋mol / g鲜重)
Table 1摇 Na+ contents in Artemisia anethifolia organs under different concentrations of NaCl
器官
Organ
NaCl处理浓度 / NaCl concentrations (mmol / L)
CK 100 200 300 400
叶 Leaf 26.6依2.2 157.2依9.4 206.5依18.4 285.4依18.0 321.4依19.5
茎 Stem 9.4依0.3 76.7依5.1 130.5依5.3 191.6依10.6 242.1依15.2
根 Root 7.5依1.3 68.5依6.1 119.1依3.6 154.1依11.7 182.3依8.8
表 2摇 不同盐处理条件下莳萝蒿各器官 Na+总量(滋mol)与分布比例
Table 2摇 Total Na+ content ( 滋mol) and distribution ratio in different organs of Artemisia anethifolia plants under different concentrations
of NaCl
器官
Organ
NaCl处理浓度 / NaCl concentrations (mmol / L)
CK 100 200 300 400
叶 Leaf 154.5依16.8(88.9) 940.8依30.7(82.8) 1019.5依43.6(76.3) 1147.0依53.8(75.0) 1260.9依53.6(72.9)
茎 Stem 2.7依0.4(1.7) 28.4依2.5(2.5) 45.0依4.3(3.4) 57.9依5.6(3.8) 71.9依8.1(4.8)
根 Root 16.6依1.0(9.4) 167.3依16.7(14.7) 270.4依23.9(20.3) 323.5依21.6(21.2) 331.1依28.9(22.3)
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图 3摇 盐处理对莳萝蒿叶片光合功能的影响
Fig.3摇 Effect of salt鄄treatment on photosynthetic function of Artemisia anethifolia leaf
下,叶片均是莳萝蒿 Na+分布的主要器官,分布比例
在 70%以上。 但随着盐浓度的升高,叶片 Na+总量
所占的比例逐渐降低,而根和茎中 Na+总量所占的比
例逐渐升高。
2.5摇 不同浓度盐处理条件下莳萝蒿叶片质外体和
原生质体 Na+浓度与分布
由于叶片是莳萝蒿积累 Na+的主要器官,因此重
点分析了叶片组织质外体和原生质体 Na+浓度与分
布(图 4)。 随着盐处理浓度的增加,质外体和原生
质体中的 Na+浓度均显著上升。 但无论对照还是盐
处理条件下,原生质体中的 Na+平均浓度均显著高于
质外体,CK、100、200、300 和 400 mmol / L NaCl 条件
下原生质体 Na+浓度分别为质外体的 1.8、1.7、1.5、
1郾 3和 1.2倍(图 4),说明叶肉细胞可以主动吸收和
积累 Na+,但随着盐处理浓度的升高,原生质体中的
Na+相对浓度逐渐减小。
叶片积累的 Na+主要分布在原生质体中,在不同
盐浓度处理下,原生质体的 Na+总量均占叶片组织
Na+总量的 98% 左右。 CK、 100、 200、 300 和 400
mmol / L NaCl条件下质外体的 Na+总量分别占叶片
组织 Na+总量 1.7%、1.8%、2.1%、2.3%和 2.4%(图
4),从这组数据也可以看出在高盐浓度下,质外体积
累 Na+的数量相对增加。
2.6摇 不同浓度盐处理条件下莳萝蒿叶片液泡膜 V鄄
H+ 鄄ATPase与 Na+ / H+逆向转运活性
盐处理莳萝蒿叶片的液泡膜 V鄄H+ 鄄ATPase 质子
泵活性均显著大于对照,100、200、300 和 400 mmol /
L NaCl处理的 V鄄H+ 鄄ATPase质子泵活性分别为对照
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的 1.3、1.3、1.4 和 1.5 倍。 但随着盐处理浓度的升
高,V鄄H+ 鄄ATPase 质子泵活性的增加幅度放缓。 如
200、300、400 mmol / L NaCl 条件下 V鄄H+ 鄄ATPase 质
子泵活性分别为 100 mmol / L NaCl的 1.07、1.15、1.17
倍。 300—400 mmol / L NaCl条件下,V鄄H+ 鄄ATPase质
子泵活性几乎不再增加(图 5)。
莳萝蒿叶片的液泡膜 Na+ / H+逆向转运活性的
特点是在对照条件下活性较低,盐处理后活性迅速
增大,约为对照的 4—7 倍。 同样,随着盐处理浓度
的升高,Na+ / H+逆向转运活性的增加幅度放缓。 如
200、300、400 mmol / L NaCl 条件下的 Na+ / H+逆向转
运活性分别为 100 mmol / L NaCl 的 1.22、1.34、1.38
倍。 300—400 mmol / L NaCl 条件下,Na+ / H+逆向转
运活性也几乎不再增加(图 5)。
图 4摇 不同盐处理条件下莳萝蒿叶片质外体和原生质体平均 Na+浓度(滋mol / mL)与分布比例
Fig.4 摇 Na+ concentration and distribution percentage in apoplast and protoplasts of Artemisia anethifolia leaf tissue under different
concentrations of NaCl
图 5摇 不同盐处理条件下莳萝蒿液泡膜 V鄄H+ 鄄ATPase质子泵活性和 Na+ / H+逆向转运活性的变化
Fig.5摇 Changes in V鄄H+ 鄄ATPase proton pump activity and Na+ / H+ antiporter activity of Artemisia anethifolia leaves under different
concentrations of NaCl
3摇 讨论
莳萝蒿具有较强的耐盐能力,能够在 400 mmol / L
NaCl条件下存活并生长。 但其生长量随着盐处理浓
度的升高而逐渐减小(图 1),其主要原因可能与叶
片的光合速率迅速下降有关。 由于植物光合系统中
所有的酶均对 Na+非常敏感[8,18],而莳萝蒿叶片的
PS域光化学活性未受到高盐伤害(图 3),叶绿素含
量还显著增加(图 1),说明莳萝蒿能够对其光系统
进行有效地保护。 伴随着光合速率的下降,莳萝蒿
3516摇 21期 摇 摇 摇 邱念伟摇 等:莳萝蒿适应盐渍环境的 Na+区域化方式和生理特征 摇
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叶片的气孔导度也显著下降(图 3),因此推测盐处
理抑制莳萝蒿的净光合速率主要是由于气孔因素引
起的。
盐生植物保护细胞质免受伤害的共同机制是减
少 Na+在细胞质中的积累,避免 Na+毒害[19鄄20]。 避免
细胞质 Na+毒害的方式主要有 3 种:拒盐、泌盐和稀
盐。 莳萝蒿既没有把盐分阻隔在地下部,也不能通
过大量吸水和快速生长稀释盐分。 因此,莳萝蒿既
不是拒盐植物,也不是喜盐植物,也没有泌盐结构,
它的耐盐机制还未见报道。 从本文结果可以看出,
莳萝蒿的耐盐机制是将吸收到体内的盐分主要积累
在地上部尤其是叶片中,叶片中的 Na+含量占整株植
物的 70%以上(表 2),也是 Na+含量最高的器官(表
1)。 叶片中的盐分则 97%以上 Na+均积累在原生质
体中(图 4),由于细胞质中的酶对 Na+敏感,所以细
胞质中的 Na+浓度一般不超过 10 mmol / L[5,20],因此
莳萝蒿叶片中的 Na+应该主要积累在叶片细胞的液
泡中[19,21]。 莳萝蒿原生质体中的 Na+浓度高于质外
体也证明莳萝蒿区域化 Na+的方式不是由细胞质外
排到质外体,而是区域化到液泡内。
Na+区域化是植物耐盐的共同机制,其中 Na+在
液泡中的区域化最受关注[21]。 液泡膜上两种重要
的酶参与了 Na+在液泡内的区域化:V鄄H+ 鄄ATPase 和
Na+ / H+逆向转运蛋白,其中 V鄄H+ 鄄ATPase 为 Na+逆
向转运建立跨液泡膜的质子能量梯度,Na+ / H+逆向
转运蛋白是 Na+区域化到液泡的载体[2鄄5]。 经测定,
盐处理后二者的活性协同上调(图 5),说明盐处理
后莳萝蒿增强了 Na+区域化到液泡的能力,两种酶活
性的增加可能是由于蛋白质的表达增加引起
的[22鄄23]。 不过,当盐处理浓度达到 300—400 mmol /
L NaCl时,两种酶的活性均不再增加,说明此时莳萝
蒿的 Na+区域化能力已经达到了极限。 在此浓度下,
莳萝蒿的基部老叶出现明显枯萎现象,是由于盐分
优先积累在老叶,保护幼叶所致。 图 5 的结果显示
莳萝蒿的 Na+ / H+逆向转运活性均是组成性表达的,
这一特征与真盐生植物类似[24],耐盐甜土植物的
Na+ / H+逆向转运活性往往是盐诱导表达的[21]。
由于 Na+是通过蒸腾流进入植物体的,莳萝蒿为
了减少 Na+的吸收所采取的方式是关闭气孔(图 3),
降低蒸腾。 但这一方式不可避免地影响了植物光合
作用的气体交换,从而抑制了自身的生长速度。 降
低蒸腾是植物在盐渍渗透胁迫条件下的普遍反应。
但真盐生植物如盐地碱蓬(Suaeda salsa Linn.)在盐
渍条件下能够利用 Na+降低细胞汁液渗透势[11],且
能大量吸收水分,快速生长而稀释盐分[13]。 莳萝蒿
也能利用 Na+降低细胞汁液渗透势(图 2)。 但其叶
片含水量却随着盐处理浓度的升高而下降,这可能
是莳萝蒿与真盐生植物的主要区别。 有文献认为真
盐生植物的吸水快速生长机制与盐诱导增加水孔蛋
白表达有关[25]。 莳萝蒿叶片盐处理后含水量下降
很可能是因为其缺乏诱导质膜水孔蛋白大量表达的
机制。 分子生物学实验证明水孔蛋白活性增加可以
提高植物光合能力和生物产量[26],因此水孔蛋白可
能在真盐生植物的耐盐性及快速生长机制中具有重
要作用。
总之,众多实验已经证明 Na+区域化可以赋予植
物耐盐性,是耐盐植物的共同特征。 但是 Na+区域化
并不能使莳萝蒿避免盐抑制生长现象,并未具备类
似真盐生植物适应盐渍环境而快速生长的能力。 所
以 Na+ / H+逆向转运活性是植物适应盐渍环境的必
需条件而不是充分条件。
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