全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 11期，2009年 11月1070
收稿 2009-08-12 修定 　2009-10-21
资助 国家重点基础研究发展计划(2006CB100102)和 “ 十一
五 ” 国家科技支撑计划(2007BAD 67B02)。
* 通讯作者 ( E - m a i l : z q l i u 7 3 3 @ y a h o o . c o m . c n ,
jinganwang899@126.com; Tel: 022-3733857)。
杨树叶中Na+的积累与其耐盐能力的关系
杨迎霞 1, 郏艳红 2, 聂莉莉 2, 张越 2, 陈受宜 3, 王景安 1,*, 刘仲齐 2,*
1天津师范大学化学与生命科学学院, 天津 300384; 2天津市农业生物技术研究中心, 天津 300192; 3中国科学院遗传与发育
生物学研究所, 北京 100101
提要: 以受体杨树品种‘107号’和转基因杨树‘18-1’的一年生枝条为材料, 采用Hoagland营养液水培方法, 检测二者植株生
长以及根、茎、叶中Na+和K+含量变化的结果表明, 在含100 mmol·L-1 NaCl的Hoagland营养液中, 二者的生长速度都受到
明显抑制, 但后者的受抑程度较小; 叶中Na+含量呈持续增加趋势, 9 d后其叶中的Na+含量显著高于前者。在二者叶片枯
萎程度相同的情况下, ‘18-1’叶中的Na+含量是 ‘107号 ’的1.6倍左右。在4 mol·L-1 NaCl溶液中, 它们的表皮细胞死亡率分
别为 42%和 97%。说明后者比前者有更高的耐盐能力。
关键词: 杨树; 耐盐; NTHK1; Na+; K+
Relationship between Accumulation of Na+ in Leaves and Salt Tolerance of
Different Populus Genotypes
YANG Ying-Xia1, JIA Yan-Hong2, NIE Li-Li2, ZHANG Yue2, CHEN Shou-Yi3, WANG Jing-An1,*, LIU Zhong-Qi2,*
1College of Chemistry and Biology, Tianjin Normal University, Tianjin 300384, China; 2Tianjin Research Center of Agricultural Bio-
technology, Tianjin 300192, China; 3Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101,
China
Abstract: Plant growth and changes of Na+ and K+ concentrations in leaves, stems or roots were investigated in
1-year-old cuttings from receptor poplar ‘107’ (Populus×euramericana ‘Neva’) and transgenic poplar ‘18-1’,
which were exposed to salt stress in Hoagland solution. It was shown that the growth of both poplars were
markedly inhibited in Hoagland with 100 mmol·L-1 NaCl addition, while ‘18-1’ was less inhibited than ‘107’. The
concentration of Na+ in leaves was keeping increasing, and after 9 day culture Na+ concentration in the leaves of
‘18-1’ was greatly higher than that of ‘107’. The accumulation amount of Na+ in ‘18-1’ leaves was about 1.6
times higher than that in ‘107’ when their leaves displayed same necrosis degree under NaCl stress. The death
ratio of epidermal cells was about 42% and 97% in ‘18-1’ and ‘107’ in distilled water with 4 mol·L-1 NaCl
addition, respectively. These results indicated that salt tolerance of the transgenic poplar ‘18-1’ was much
higher than that of receptor poplar ‘107’.
Key words: poplar; salt tolerance; NTHK1; Na+; K+
杨树是我国中北部地区主要的栽培树种, 也是
林木植物最早开展基因工程研究的树种。以一些
功能基因转入杨树细胞基因组中以提高杨树的耐盐
能力(刘凤华等 2000; 孙仲序等 2002; 徐文君 2007;
Li等 2009), 有人通过愈伤组织进行盐分锻炼的方
法也曾获得了小胡杨、河北杨、群众杨、加拿
大杨以及其他杨树品种的耐盐突变体(李玲和韩一
凡 1990; 李金花等 1997; 陶晶等 2000)。
组氨酸激酶(histidine kinase, HK)是激活丝裂原
活化蛋白激酶途径(mitogen-activated protein kinase,
MAPK)的一类传感器, 与干旱和盐胁迫有一定的关
系(Urao等 1999; Voet-van-Vormizeele等 2008)。
Zhang等(1999)从烟草中克隆了烟草乙烯受体基因
(Nicotiana tabacum histidine kinase-1, NTHK1), 该基
因的超量表达可以显著提高烟草和苜蓿转基因植株
的耐盐性(周华林 2006; 邓程君 2006)。何锶洁等
(2004)将NTHK1基因转化到受体杨树品种‘107号 ’
中, 并获得耐盐性显著提高的新品系。本文采用
水培方法, 研究NaCl溶液中转NTHK1基因杨树的
生长量以及根、茎、叶中 Na+和 K+含量的变化,
植物生理学通讯 第 45卷 第 11期，2009年 11月 1071
并观察其间的关系。
材料与方法
材料为转入了NTHK1基因的杨树 ‘18-1’及其
受体杨树 ‘107号 ’(Populus×euramericana ‘Neva’)。
2009年 4月 3日, 分别选取受体杨树 ‘107号 ’
和转基因杨树 ‘18-1’一年生枝条截成 15~20 cm的
插条, 在Hoagland营养液中 1个月后, 2009年 5月
5日选用生长叶片数及株高相近的植株, 采取随机
分组的方法设有 2个处理: (1) Hoagland 营养液(对
照); (2)含有 0.6% NaCl的Hoagland营养液。每个
处理重复 3次, 每个重复 15株, 每 7 d换一次营养
液。分别于试验开始和结束时测量所有植株的枝
条长度(从最长的腋芽的生长锥到枝条的基部), 并
于处理后的第 0、3、6、9、1 2、1 5、1 8 天
分别取各处理的老叶和新叶(枝条的上部 1/3定义
为新叶, 下部 1/3定义为老叶), 第 0、6、12、18
天分别取各处理的茎和根(杨树 ‘107号 ’在第12天
已经全部死亡)于 105 ℃下杀青, 80 ℃中烘干至恒
重并研磨, 精确称取 0.1 g的样品置于坩埚中后放
入马弗炉中, 200 ℃下 1 h和 550 ℃下 4 h进行灰
化, 然后用浓硝酸硝化, 定容至 25 mL。用 PE-640
火焰光度计测定Na+和K+含量。胁迫开始前, 取
10株杨树(即所有处理的起始对照), 进行同样的分
析, 重复 3 次, 胁迫后的第 0、3、6、9、1 2、
15、18 天统计叶片数目。试验结束后将苗株从
NaCl胁迫液中小心移出, 用去离子水冲洗 3遍, 于
105 ℃下杀青, 80 ℃中烘至恒重, 分老叶、新叶、
茎和根 4部分测定干重。整个试验均在天津市农
业生物技术研究中心人工气候室中进行, 实验时的
平均温度白天为 28 ℃, 夜间为 22 ℃, 光照周期为
14 h/10 h, 光照强度为 37.5 μmol·m-2·s-1, 平均湿度
为 65%。
杨树叶片表皮细胞在NaCl胁迫下的死亡鉴定
方法参照张宪政等(1989)书中的方法, 分别撕取不
同叶龄(杨树一年生扦插株系从下到上取第 1、4、
7、11片叶, 每个基因型重复 3次)的杨树叶片上表
皮和下表皮, 分别在 0、1、2、3、4 mol·L-1 NaCl
溶液中胁迫 10 min后, 以中性红(活细胞的液泡在
中性红染料中染成樱桃红色, 死细胞不着色)染色10
min, 于显微镜下统计相同面积内的细胞死亡率。
所有试验数据用SPSS13.0软件进行统计分析。
结果与讨论
1 NaCl胁迫下的叶片脱落
处理 3 d后, 杨树品种 ‘107号 ’的老叶片开始
因盐害而出现下部叶片脱落, 中上部叶片边缘变
褐、变黑且干枯, 叶脉间变褐等盐害症状, 大量脱
落, 到第 12天已经减少近 95%; 而 ‘18-1’在盐处理
6 d前没有观察到明显的盐胁迫症状, 第7天下部叶
片开始脱落, 中部或上部叶片边缘变褐, 或出现黄
绿相间的褐斑; ‘107号 ’和 ‘18-1’在 Hoagland营养
液中的生长良好, 叶片数呈增加趋势(图 1)。
图 1 NaCl胁迫下转基因杨树 ‘18-1’和受体
‘107号 ’的叶片数目变化
Fig.1 Changes of leaf numbers in transgenic line ‘18-1’ and
wild type ‘107’ of poplar under NaCl stress
2 NaCl胁迫下的植株生长变化
在 100 mmol·L-1 NaCl胁迫下, 两种杨树的株
高生长受到明显抑制, 受抑制的程度在杨树 ‘18-1’
和 ‘107号 ’之间差异显著(表 1)。在 0.6% NaCl溶
液中生长 2周后, ‘18-1’叶片干重和总干重分别比
‘107号 ’高 59.75%、52.12%; 但茎干重和根冠比
在两者之间没有显著差异。
3 NaCl胁迫下杨树体内Na+和K+的积累
NaCl胁迫下Na+在两种基因型的各个部位随
着盐胁迫时间的延长都呈上升趋势, K+则呈下降趋
势(品种 ‘18-1’根中的 K+含量除外)。在老叶中,
‘107号 ’在NaCl胁迫 3 d后Na+含量显著升高, 第
6天Na+积累到22.75 mg·g-1 (DW)时叶片开始死亡,
以后Na+保持在一定的稳定状态, 叶片继续死亡; 而
‘18-1’在盐胁迫 9 d的 Na+含量才显著升高, 第 12
植物生理学通讯 第 45卷 第 11期，2009年 11月1072
天Na+含量达到 33.13 mg·g-1 (DW) 时, 叶片开始死
亡, 之后叶中Na+仍然持续积累, 第18天积累到41.69
mg·g-1 (DW), 达到最高值。从Na+积累的速率来
看, ‘107号 ’和 ‘18-1’没有明显差别, 每天以约 1.2
mg·g-1 (DW)的速率增加, 但是 ‘107号 ’增加到 24.91
mg·g-1 (DW)时即不增加, 且叶片大量死亡, 而 ‘18-
1’则持续增加, 而且叶片大量死亡时的Na+含量远
远高于 ‘107号 ’。胁迫开始后 ‘107号 ’中K+含量
快速下降, 而 ‘18-1’在盐胁迫 3 d后才出现快速下
降, 二者都是在第 6天下降到显著水平。新叶和老
叶有相同的变化趋势(资料未列出)。
杨树‘107号’的茎和根中Na+虽然呈上升趋势,
表 1 NaCl胁迫对杨树生物量、叶片干重、茎干重以及根干重的影响
Table 1 Influence of NaCl stress on biomass, dry leaf weight, dry stem weight and dry root weight of poplar
基因型 株高 /cm·株 -1 总干重 /g·株 -1 叶片干重 /g·株 -1 茎干重 /g·株 -1 根干重 /g·株 -1 根冠比
‘107号 ’ 2.07±0.15* 3.30±0.27* 1.64±0.76** 1.12±0.15 0.55±0.20* 0.20±0.27
‘18-1’ 3.90±0.21 5.02±0.38 2.62±0.15 1.51±0.13 0.89±0.09 0.21±0.41
　　实验中的 NaCl浓度为 100 mmol·L-1。*差异显著(P<0.05), **差异极显著(P<0.01)。
图 2 NaCl胁迫下杨树 ‘107号 ’和 ‘18-1’叶、茎和根中的Na+和K+含量变化
Fig.2 Changes of Na+ and K+ concentrations in leaves, stems and roots from poplars in ‘107’ and ‘18-1’ under NaCl stress
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但是上升的程度并不显著。‘18-1’茎和根中的Na+
6 d内急剧升高到极显著水平, 达到最大值, 然后保
持在较高的水平, 呈现两个阶段的上升模式, 即置
于NaCl胁迫中Na+含量先明显升高, 接着Na+水平
保持在一定的稳定状态, 然后又急剧上升; ‘107号 ’
和‘18-1’茎中的K+都呈下降趋势, ‘18-1’的K+含量
下降幅度较小; ‘18-1’根中的K+呈上升趋势, 但是
上升幅度不显著(图 2)。
NaCl胁迫下两种基因型叶片的枯萎程度随着
Na+含量的增加愈来愈严重。在叶片枯萎程度一
致的情况下, 杨树 ‘18-1’的 Na+含量要显著高于
‘107号 ’, 当 ‘107号 ’老叶中Na+含量于第6天积累
到 22.75 mg·g-1 (DW), ‘18-1’老叶中Na+浓度于第
15天积累到38.13 mg·g-1 (DW)时, 二者老叶的枯萎
程度都达到 50%, ‘18-1’是 ‘107号 ’的 1.6倍; 新叶
中Na+积累和叶片枯萎情况与老叶的相似(图 3)。
可见, 耐盐性较强的杨树 ‘18-1’叶片较盐敏感 ‘107
号’可以耐受更高浓度的Na+, 这可能与耐钠能力强
的植物将所吸收的大量Na+运到地上部或叶细胞的
液泡中累积起来减少对细胞质的伤害(Blumwald
2000)有关。据 Lv等(2008)报道, 耐盐的转基因棉
花比盐敏感的野生型的叶片积累了更多的Na+, 本
文结果与此相似。
4 NaCl胁迫下杨树叶表皮细胞的死亡
在未进行NaCl胁迫处理时, 杨树 ‘107号 ’和
‘18-1’的上下表皮均为正常活细胞, ‘107号 ’在 4
mol·L-1 NaCl胁迫下, 其细胞死亡率达到 97%, 而
‘18-1’在 4 mol·L-1 NaCl胁迫下的细胞死亡率仅为
42% (图 4), ‘18-1’细胞的死亡率远远低于 ‘107号 ’,
图 3 NaCl胁迫下杨树 ‘107号 ’和 ‘18-1’不同
枯萎程度叶片中Na+的积累
Fig.3 Accumulation amount of Na+ in leaves with different
necrosis degrees from poplars ‘107’ and
‘18-1’ under NaCl stress
不同小写字母表示经 LSD 检测在 0.05 水平上差异显著。
图 4 NaCl胁迫下杨树叶片表皮细胞的死亡
Fig.4 The death of poplar epidermis of leaf under NaCl stress
a: 杨树 ‘107号 ’上表皮对照; b: 杨树 ‘18-1’上表皮对照; c: 杨树 ‘107号 ’下表皮对照; d: 杨树 ‘18-1’下表皮对照; e: 杨树 ‘107号 ’
上表皮 4 mol·L-1 NaCl处理; f: 杨树 ‘18-1’上表皮 4 mol·L-1 NaCl处理; g: 杨树 ‘107号 ’下表皮 4 mol·L-1 NaCl处理; h: 杨树 ‘18-1’下
表皮 4 mol·L-1 NaCl处理。
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但在 1、2、3 mol·L-1 NaCl胁迫下 ‘107号 ’和 ‘18-
1’杨树的上下表皮细胞死亡率没有明显的差异。
叶表皮细胞的死亡率在不同叶龄的杨树叶片之间和
上下表皮之间都没有显著差异。由此看来, 任何一
张叶片表皮细胞的死亡率都能准确地反映该枝条的
耐盐能力。
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