全 文 ：核 农 学 报 2010，24(6):1269 ～ 1273
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
收稿日期:2010-04-16 接受日期:2010-07-26
基金项目:湖北省重大科技专项(ZND0017)
作者简介:朱安婷(1984-)，女，湖北武汉人，在读硕士，主要从事微生物产品应用与植物生理研究。E-mail:antingzhu@ gmail. com
通讯作者:陈守文(1968-)，男，湖北大冶人，教授，博士生导师，主要从事微生物工程研究。Tel:027-87283005-8102;E-mail:chenshouwen@ mail.
hzau. edu. cn
文章编号:1000-8551(2010)06-1269-05
外源聚 γ-谷氨酸对水稻幼苗耐旱性和渗透调节的影响
朱安婷1 蒋友武2 谢国生2 陈守文1
(1. 华中农业大学农业微生物学国家重点实验室，湖北 武汉 430070;
2. 华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室，湖北 武汉 430070)
摘 要:在水培条件下添加聚乙二醇 － 6000 (PEG － 6000)模拟干旱胁迫，研究聚 γ －谷氨酸 (γ － PGA)
对杂交稻品种金优 38 幼苗耐旱性和渗透调节的影响，探讨 γ-PGA 在提高水稻耐干旱中的效果和生理
作用机制。结果表明，在 12. 5% PEG － 6000 胁迫下，使用 100、200mg /L 外源 γ-PGA 后，水稻幼苗的叶
枯率降低，叶鲜重、干重和叶片活力明显提高，水稻幼苗的耐旱性较未添加 γ-PGA 处理(CK)增强。经
外源 γ-PGA 处理后，水稻幼苗叶片中活性氧的累积量减少，脯氨酸、游离氨基酸和可溶性总糖的含量较
对照分别提高 1. 3% ～ 8. 6%、0. 2% ～ 10. 7%、13% ～ 28. 6%，差异达显著水平 (P < 0. 05);外源 γ-PGA
可明显减缓干旱胁迫下钾离子含量降低的速率。外源 γ-PGA 可能通过参与水稻幼苗的渗透调节而提
高水稻的耐旱能力。
关键词:聚 γ-谷氨酸;水稻;干旱;渗透调节
EFFECTS OF EXOGENOUS POLY γ-GLUTAMIC ACID ON DROUGHT
TOLERANCE AND OSMOTIC ADJUSTMENT OF RICE SEEDLINGS
ZHU An-ting1 JIANG You-wu2 XIE Guo-sheng2 CHEN Shou-wen1
(1. State Key laboratory of Agricultural Microbiology，Huazhong Agricultural University，Wuhan，Hubei 430070;
2. State Key Laboratory of Crop Genetic Improvement，Huazhong Agricultural University，Wuhan，Hubei 430070)
Abstract:To explore drought-tolerance improvement effects and its action modes of poly γ-glutamic acid (γ-PGA)on
rice seedlings，effects of γ-PGA on growth and osmotic adjustment of hybrid rice Jinyou 38 under polyethylene glycol
6000 (PEG － 6000) simulated drought stress in a hydroponics culture were investigated. When 100 and 200mg /L
exogenous γ-PGA were applied under 12. 5% PEG － 6000 stress，withering rates of rice seedlings decreased，fresh
weight，dry weight and vigor of leaves improved obviously. Furthermore，accumulation of reactive oxygen species were
strongly reduced，the contents of organic osmotic substances，such as proline，free amino acids and soluble sugar，
increased by 1. 3% ～ 8. 6%，0. 2% ～ 10. 7% and 13% ～ 28. 6%，respectively，compared with control. Also，the
decrease rates in potassium ions were apparently alleviated under drought stress. These indicated that γ-PGA probably
improved the drought tolerance of rice seedlings through participation in osmotic adjustment.
Key words:γ-PGA;rice (Oryza sativa);drought stress;osmotic adjustment
我国是一个人均水资源占有量偏少和水资源空间
分布极不平衡的国家，干旱和半干旱地区面积约占我
国国土面积的 50%，水资源状况严重制约着我国农业
的稳定和农业经济的发展。水稻是我国南方地区主要
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的粮食作物，其生产耗水量超过农业总用量的
65% ［1 ～ 3］。因此，采取有效的现代农业技术措施，增强
水稻自身耐干旱能力，提高水资源的利用效率对我国
水稻生产的健康发展具有十分重要的现实意义。
研究表明，干旱胁迫通过影响植物的光合作用和
呼吸作用而抑制植物的生长发育。同时，干旱胁迫下，
土壤中的有效水分减少，植物细胞必需积累大量有机
和无机渗透调节物质，降低细胞的渗透势，保证组织水
势逐步下降时维持细胞膨压以及生理代谢活动的正常
进行，这种渗透调节方式是植物适应水分胁迫的一个
重要生理机制［4 ～ 6］。
聚 γ-谷氨酸 (Poly γ-glutamic acid;γ-PGA)是由
微生物合成的一种高分子氨基酸聚合物，其分子链上
具有大量游离羧基侧链，水溶性好，保水性强，同时具
有无毒害、可生物降解、生产成本低等优良特性［7，8］。
作为一种新型生物肥料增效剂，它在农业上已经表现
出非常广阔的应用前景［9 ～ 11］。但在干旱逆境下，γ-
PGA 在水稻生产上的应用效果及其增强水稻抗性的
生理作用方式等，目前还未见相关报道。本试验在水
培体系中利用聚乙二醇 － 6000 (PEG － 6000)模拟干
旱胁迫，研究了 γ-PGA 缓解水稻干旱胁迫的作用效
果，并从渗透调节的角度，初步探讨了其缓解干旱胁迫
的生理机制，为其在水稻生产中的推广应用提供依据。
1 材料与方法
1. 1 试验材料
供试水稻品种为杂交晚稻金优 38，购自武汉金丰
收种业有限公司。
聚 γ －谷氨酸原料由华中农业大学研发、华北制
药集团有限责任公司生产，原料用酒精沉淀提纯 3 次，
冷冻干燥后置于干燥器内保存备用，聚 γ － 谷氨酸的
含量为 97. 7% (以钠盐计算)，达到试验要求的标准。
1. 2 试验设计
选取饱满均匀的种子，用 70%乙醇浸泡 2min，1%
次氯酸钠溶液浸泡消毒 30min (期间不断搅拌)，用蒸
馏水浸种至种子露白后，30℃催芽 1d，播入配套的聚
乙烯塑料网格和盒子中水培，幼苗始终在光照培养室
培养。培养条件为:昼夜温度 28℃ /26℃，光周期 10h
光照 /14h 黑暗，湿度 80%。播入时用蒸馏水培养，并
剔除弱小和未存活的苗，4d 后换为 1 /2 Yoshida 营养
液培养。10d 后对正常生长的水稻幼苗(二叶期)进行
为期 3d 的 PEG － 6000 模拟干旱胁迫处理，胁迫的同
时添加 γ-PGA，胁迫结束后换回 1 /2 Yoshida 营养液恢
复正常培养。
根据预试验水稻对 PEG － 6000 及不同浓度 γ-
PGA 的敏感性，本试验采用 12. 5% PEG － 6000 胁迫
幼苗，设置不加 γ-PGA 的对照和添加 γ-PGA 浓度为
100、200mg /L 的处理，分别标记为 CK，P － 1，P － 2。
于胁迫的第 1 天、第 3 天、再恢复培养后的第 3 天取样
(分别标记为 1d、3d、R3d)。每处理设置 3 个平行，整
个试验重复 3 次。
1. 3 测定方法
采取随机划分 3 个不同的区域，每个重复区域约
为 50 株，调查叶枯率，按水稻幼苗两片叶均出现枯萎
现象的植株数所占样本的百分比计算。平均叶鲜重测
定采用随机取样，剪下植株的完整叶片，快速擦干表面
水分，立即用万分之一天平称重记录，以总重除以株数
表示;干重为将称量后的鲜叶烘干至恒重，万分之一天
平称量计算。每次测定重复 30 株，共测定 3 次。全钾
含量的取样为幼苗整个地上部，烘干至恒重用于消化
及后续测定，每次测定 50 株，共测定 3 次。
叶片活力测定采用 TTC 法［12］，即剪下所有新鲜叶
片，用含 0. 05% 吐温 20 的蒸馏水冲洗 10min 后加反
应液 (0. 5% TTC 溶于 50mmol /L 磷酸氢二钾)，30℃
暗处反应 15h 后取出叶片冲洗，5ml 95%乙醇 80℃水
浴 5min 以提取 TPE (脱氢酶引起的 TTC 还原的产
物)，去叶片后在波长 487nm 下测定吸光值，单位为
OD487 / g·FW。
叶片活性氧 ROS 采用 NBT 染色法［13］，即新鲜叶
片用含 0. 1% 氯化硝基四氮唑蓝 (NBT)的磷酸钾缓
冲液 (pH6. 4)抽真空 5min，黑暗提取 1h，95% 乙醇
40℃脱色 15min，于 50%乙醇中保存，叶片完全褪绿后
显微镜下观察拍照。
脯氨酸含量的测定采用茚三酮法［14］，单位为 μg /
g·FW。游离氨基酸含量测定采用水合茚三酮法［15］，
单位同脯氨酸。可溶性总糖含量的测定参照硫酸蒽酮
法［15］，单位为 mg / g·FW。幼苗地上部全钾含量采用
火焰光度计法测定［16］，单位为 mg / g·DW。
所有调查和测定项目均在 1d、3d、R3d 取样，用于
脯氨酸、游离氨基酸、可溶性糖和全钾测定的样品于
－ 20℃保存，一个月内测完;剩余指标在取样当天进行
测定。为保证试验的准确性，上述各指标测定均设置
3 个平行。
1. 4 数据分析
数据采用 SPSS 13. 0 处理分析，多重比较采用邓
肯新复极差法 (P < 0. 05)，Oringin Pro 7. 5 软件作图。
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6 期 外源聚 γ-谷氨酸对水稻幼苗耐旱性和渗透调节的影响
2 结果与分析
2. 1 聚 γ －谷氨酸对干旱胁迫下水稻叶枯率、叶鲜重
和叶片活力的影响
在旱害时，植物组织失水，叶片萎焉，生长减缓而
导致叶片重量增长减缓［4］。由表 1 可以看出，12. 5%
PEG － 6000 模拟干旱胁迫下，γ － PGA 处理能不同程
度减轻幼苗的旱害表现。相比对照，100 和 200mg /L
浓度处理后的幼苗叶枯率较低，平均叶鲜重和平均单
株干重都较高，其中 200mg /L 处理的 1 和 3d 叶枯率
显著低于对照，平均单株叶重都显著高于对照;两种处
理 1 和 R3d 时平均叶鲜重显著高于对照。
表 1 外源 γ-PGA 对干旱胁迫下水稻幼苗生长的影响
Table 1 Effect of exogenous γ-PGA on the growth performance of rice seedlings under drought stress
处理
treatment
叶枯率 withering rate (%) 平均叶鲜重 leaf fresh weight (mg /plant)
平均单株干重
average single dry weight(mg /plant)
1d 3d R3d 1d 3d R3d 1d 3d R3d
CK 30. 8 ± 1. 7 a 36. 9 ± 1. 8 a 38. 6 ± 1. 4 a 17. 9 ± 0. 1 b 17. 9 ± 0. 1 a 22. 5 ± 0. 2 b 6. 4 ± 0. 1 b 6. 5 ± 0. 2 b 7. 7 ± 0. 4 a
P － 1 22. 1 ± 1. 6 b 35. 5 ± 0. 9 ab 37. 3 ± 2. 0 a 18. 2 ± 0. 2 a 18. 6 ± 0. 2 a 23. 6 ± 0. 3 a 6. 5 ± 0. 1 b 6. 7 ± 0. 2 ab 7. 6 ± 0. 2 a
P － 2 21. 4 ± 1. 3 b 33. 7 ± 1. 4 b 36. 4 ± 2. 4 a 18. 3 ± 0. 2 a 18. 3 ± 0. 4 a 23. 3 ± 0. 5 a 6. 9 ± 0. 1 a 7. 4 ± 0. 2 a 8. 1 ± 0. 2 a
注:表中不同字母表示处理之间差异显著 (P < 0. 05)。P － 1、P － 2:γ-PGA 浓度分别为 100、200mg /L。R3d:恢复培养第 3 天。下同。
Note:Different letters mean significant difference among treatments at 0. 05 level. P － 1:100mg /L γ-PGD ;P － 2:200mg /L γ-PGD. R3d:the 3 rd day after
recovery culture. The same as following tables and figures .
叶片活力大小通常用呼吸作用时还原力的大小表
示，还原力强有利于植物清除逆境下产生的活性氧，从
而减轻逆境对植物的生物学损伤［17］。图 1 中，经 100、
200mg /L γ-PGA 处理后，幼苗在胁迫期和恢复期叶片
活力都高于对照组，200mg /L γ-PGA 处理与对照差异
达到显著水平 (P < 0. 05)，特别是在干旱恢复 3d 后，
外源 γ-PGA 明显提高了水稻幼苗的叶片活力，且随 γ-
PGA 浓度增加而增强，表明外源 γ-PGA 处理增强了干
旱下水稻幼苗呼吸作用时的还原力，这对于消除水稻
的活性氧十分有利。
图 1 γ-PGA 处理对干旱胁迫下水稻叶片活力的影响
Fig. 1 Effect of γ-PGA on leaf vigor of
rice seedlings under drought stress
2. 2 聚 γ －谷氨酸对干旱胁迫下水稻叶片活性氧的
影响
光合生物产生氧气的同时，ROS 作为副产物随之
产生。正常情况下，植物体内 ROS 水平较低，胁迫导
致 ROS 大量增加，对细胞产生氧化伤害［18，19］。为了
测定活性氧 (Reactive Oxygen Species，ROS)在叶片
组织中的积累量，本研究进行了叶片组织中 ROS 原位
染色试验。此染色方法是基于叶片细胞中过氧化物酶
接受 NADPH 氧化脱下的氢，将氯化硝基四氮唑蓝
(Nitrotetrazolium Blue chloride，NBT)还原成非水溶性
蓝黑色颗粒，沉着于有酶活性的部位表现蓝黑色斑点。
斑点数越多、颜色越深、面积越大，表明叶片内的活性
氧越多，植物细胞受氧化伤害越严重。由图 2 可以看
出，干旱胁迫 1d 时，没有外施 γ-PGA 的水稻幼苗体内
ROS 积累量 (CK，1d)多于 γ-PGA 处理 (P － 1 和 P －
2，1d);在胁迫 3d 时，各处理都较 1d 时明显加重，恢复
3d 后活性氧积累都减轻。但横向比较，在相同的时间
下，都是对照的活性氧积累最多，特别是胁迫 3d 时，对
照明显多于 γ-PGA 处理的 ROS 积累量。这表明 100、
200mg /L γ-PGA 处理减轻了干旱胁迫下水稻幼苗叶片
的氧化伤害，200mg /L 的 γ-PGA 表现更好，这与叶片
活力的测定结果一致。
2. 3 聚 γ-谷氨酸对干旱胁迫下水稻叶片有机渗透调
节物质含量的影响
水分胁迫下，植物的渗透调节是反映其耐旱能力
的重要生理指标之一。有机渗透调节物质主要包括脯
氨酸、游离氨基酸及可溶性糖等，它们水溶性强，能降
低细胞的渗透势，这些亲水性物质的积累有利于增强
植株的抗旱性［20，21］。从图 3 － A 可以看出，12. 5%
PEG － 6000 胁迫下，γ-PGA 处理的水稻叶片脯氨酸含
量在胁迫 1d 后就显著高于单独干旱处理 (CK)。胁
迫 3d 后，CK、100 和 200mg /L γ-PGA 处理的脯氨酸分
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图 2 γ-PGA 处理对干旱胁迫下水稻幼苗叶片
ROS 组织染色的影响
Fig. 2 Effect of γ-PGA on in situ
ROS staining in leaf tissue of rice seedlings
under drought stress
别比处理 1d 时提高 15. 3%、16. 6%和 23. 9%，γ-PGA
处理的水稻幼苗脯氨酸含量增加幅度比对照高 1. 3%
～ 8. 6%。恢复培养 3d 后，各处理水稻幼苗的脯氨酸
含量均有回落，且 γ-PGA 处理的回落速度快于 CK。
由此可知，外施 γ-PGA 对干旱胁迫下脯氨酸的积累有
一定的诱导作用。从图 3 － B、C 可以看出，随处理时
间的延长，各处理水稻叶片游离氨基酸和可溶性总糖
含量的变化趋势与脯氨酸含量变化相似。水稻幼苗叶
片游离氨基酸含量在第 3 天最高，且 γ-PGA 处理显著
高于对照，增长幅度较对照提高了 0. 2% ～ 10. 7%;恢
复培养 3d 时，对照组幼苗的游离氨基酸含量较 γ-PGA
胁迫时上升，而经 γ-PGA 处理的水稻幼苗表现较胁迫
时下降 (图 3 － B)，表明 γ-PGA 处理的幼苗恢复较快，
幼苗体内渗透调节物已开始向正常水平回落。干旱胁
迫时，100 和 200mg /L γ-PGA 处理的幼苗可溶性糖含
量增长幅度比对照提高 13%、28. 6%;恢复培养 3d
后，各处理的可溶性糖含量急剧回落，且 γ-PGA 处理
的回落最多 (图 3 － C)。由上述 3 种最主要的有机渗
透调节物质在干旱胁迫和恢复过程中的变化可以推
测，γ-PGA 能在干旱逆境下加速诱导渗透调节物质的
合成，从而减轻干旱对水稻幼苗的伤害。
2. 4 聚 γ －谷氨酸对干旱胁迫下水稻地上部全钾含
量的影响
逆境条件下，叶片细胞液泡内积累钾离子而降低
细胞的渗透势和调节气孔开放，抗旱性强的作物受害
图 3 γ-PGA 处理对干旱胁迫下水稻幼苗叶片
有机渗透调节物质含量的影响
Fig. 3 Effects of γ-PGA organic osmotic
substances contents of rice seedlings
under drought stress
时主动积累钾离子［22］。如图 4 所示，在胁迫期间，水
稻幼苗地上部的全钾含量随胁迫时间增加都有所降
低，这可能是因为渗透胁迫阻碍了根系对钾离子的吸
收所引起的，故在恢复培养时随渗透胁迫的撤去全钾
含量迅速回升。PEG － 6000 干旱胁迫 3d，CK，P － 1 和
P － 2 处理的水稻地上部全钾含量分别较胁迫 1d 时降
低了 13. 5%、9. 5%和 4. 8%。干旱处理下恢复培养 3d
后，3 种处理的钾含量均上升，200mg /L γ-PGA 处理的
全钾含量最高，达到 24. 8mg / g。由此可见，外源 γ-
PGA 处理缓解了 12. 5% PEG － 6000 对水稻幼苗根系
钾离子吸收的阻碍，并在胁迫消失后恢复得更快。
3 讨论
干旱是制约农作物高产稳产的一个严重生态问
题。目前，预防农作物干旱的措施局限于耕作保墒、节
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图 4 γ-PGA 处理对干旱胁迫下水稻
幼苗地上部全钾含量的影响
Fig. 4 Effect of γ-PGA on total
potassium content of rice seedlings
under drought stress
水灌溉、人工降雨等方面［23］。γ-PGA 是本实验室研究
开发的一种新型的对环境友好的生物制剂，其生产成
本低廉，保水保湿性强，具有促进作物生长、提高作物
抗性的潜力。在本课题组前期连续 4 年的大田应用示
范中，γ-PGA 在水稻、烟叶、蔬菜、油菜和棉花等农作物
上取得了很好的节肥增产效果［9 ～ 11］。在此基础上，本
试验研究了 γ-PGA 对干旱胁迫下水稻幼苗的影响，发
现添加 γ-PGA 可以减缓 PEG － 6000 模拟干旱胁迫对
水稻幼苗的伤害，降低叶枯率，保持叶鲜重的持续增
加，及维持较高的叶片活力，减少 ROS 积累量。
渗透调节是植物适应干旱逆境的重要生理机制，
目前有关作物渗透调节的研究很多［24 ～ 26］，并认为参与
渗透调节的物质有:可溶性糖、游离氨基酸、脯氨酸和
有机酸等有机溶质，以及 K +、Ca2 +等无机离子。在本
研究中，水稻幼苗叶片内脯氨酸、游离氨基酸和可溶性
总糖含量在干旱胁迫下均大量积累，这与李德全等的
研究结果相似［27］。100 和 200mg /L γ-PGA 处理的幼
苗上述物质积累较未加 γ-PGA 的对照处理显著提高，
导致叶片细胞细胞质中渗透物质的浓度提高，渗透势
下降而减轻水分胁迫的伤害。无机渗透调节物上，水
稻地上部全钾含量因胁迫造成的吸收阻碍情况也得到
缓解，表明干旱胁迫下使用 γ-PGA 在一定程度上增强
了水稻对干旱的抗性。水稻幼苗叶片活性氧的积累量
较对照明显减少，也证明了 γ-PGA 在一定程度上缓解
了干旱对幼苗的氧化胁迫伤害。这些变化趋势及推测
均与 McCue 及 Munns 对渗透胁迫的研究［28，29］和王娟
等［30］对逆境下渗透调节物积累和活性氧代谢的研究
结论相符。由此我们认为，干旱胁迫下，γ-PGA 诱导了
大量渗透调节物质的合成，它们相互作用、共同调节了
胁迫下植株的渗透能力，清除了过量的活性氧，增强水
稻幼苗对干旱胁迫的耐受力。本课题组在耐旱性较强
的杂交水稻中稻品种培两优 986 上也取得了相似结果
(结果将另文发表)。因此，γ-PGA 在水稻幼苗耐旱生
理作用上具有一定的应用价值。
4 小结
PEG － 6000 模拟干旱胁迫下，γ-PGA 可以明显提
高水稻幼苗的叶片活力，显著降低叶片的活性氧水平，
明显增加有机渗透调节物质在叶片中的大量积累，降
低钾离子在水稻幼苗下降的速率，缓解了干旱胁迫对
水稻幼苗生长的影响。
参考文献:
［1 ］ 邓振镛，董安祥，郝志毅，张 毅，尹宪志 . 干旱与可持续发展及
抗旱减灾技术研究［J］. 气象科技，2004，32(3):187 － 190
［2 ］ 程建平，曹凑贵，蔡明历，汪金平，原保忠，王建漳，郑传举 .
不同灌溉方式对水稻生物学特性与水分利用效率的影响 ［J］.
应用生态学报，2006，1859 － 1865
［3 ］ 林代炎，姚宝全，翁伯琦，林琰 . 15 N 示踪法研究复混生物肥对水
稻肥效及其对茬后土壤速效养分的影响 . 核农学报，2005，19
(5):379 － 381
［4 ］ 李合生 . 现代植物生理学［M］. 北京:高等教育出版社，2006:
352 － 356
［5 ］ Turner N C，Stern W R，Evans P. Water relations and osmotic
adjustment of leaves and roots of lupins in response to water deficits
［J］. Crop Science，1987，27:977 － 983
［6 ］ Khalil A M，Grace J. Acclimation to drought in Acer pseudoplatanus
L. (Sycamore) seedlings ［J］. Journal of Experimental Botany，
1992，43:1591 － 1602
［7 ］ Shih I L，Van Y T. The production of poly － (γ- glutamic acid)
from microorganisms and its various applications ［J］. Bioresource
Technology，2001，79:207 － 225
［8 ］ Yokoi H， Natsuda O， Hirose J， Hayashi S， Takasaki Y.
Characteristics of a biopolymer flocculant produced by Bacillus sp.
PY － 90 ［J］. Ferment Bioeng，1995，79:378 － 380
［9 ］ 王建平，王晓丽，王昌军，冀志霞，陈守文，喻子牛 . 聚 γ － 谷
氨酸对烟草种子萌发及苗期生长的影响 ［J］. 华中农业大学学
报，2007，26(3):340 － 343
［10］ 夏 芳，蔡 皓，陈守文 . 聚 γ －谷氨酸延缓磷酸钙沉淀及螯合钙
离子的研究［J］. 食品科学，2008，(3):56 － 59
［11］ 陈守文，蔡 皓，舒 芹，柯 云，冀志霞，钱风光 . 聚 γ － 谷氨酸
增效肥料［P］. 中国:ZL 200710052667. 6，2008 － 02 － 06
［12］ Ashraf M，Iram A. Drought stress induced changes in some organic
substances in nodules and other plant parts of two potential legumes
differing in salt tolerance ［J］. Flora - Morphology，Distribution，
Functional Ecology of Plants，2005，200:535 － 546
(下转第 1279 页)
3721