全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2014, 50 (4): 477~482　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2013.0461 477
收稿 2013-12-06　　修定 2014-01-10
资助 国家自然科学基金(31270655和30871727)、国家863计
划(2011AA100200)和高等学校博士学科点专项科研基金
(20090014110014)。
* 通讯作者(E-mail: ybshen@bjfu.edu.cn; Tel: 010-62336563)。
MeJA熏蒸叶片对新疆沙冬青根细胞跨膜离子流及抗盐性的影响
刘蕾1,2, 高海波3, 沈应柏1,2,*
北京林业大学1生物科学与技术学院, 2林木育种国家工程实验室, 北京100083; 3临沂大学生命科学学院, 山东临沂276005
摘要: 土壤盐渍化是植物生长的主要逆境之一。茉莉酸类物质与植物抗逆性密切相关。以国家二级保护植物新疆沙冬青
为实验材料, 利用非损伤微测技术, 从动态离子流转运的角度研究了MeJA预处理后NaCl处理对新疆沙冬青根部K+、H+、
Na+流的影响。结果表明, MeJA预处理的新疆沙冬青经盐胁迫后根冠区瞬时K+外流低于未经MeJA预处理的对照植株, H+
外流强度大于对照植株; 新疆沙冬青根尖区域(0~3 000 μm)经MeJA和NaCl (50 mmol·L-1, 24 h)预处理, 解除NaCl胁迫后观察
到Na+外流和H+内流, 流速高于对照植株。表明适当浓度MeJA预处理能有效提高新疆沙冬青苗期抗盐性。
关键词: 盐胁迫; H+-ATPase; MeJA; 非损伤微测技术
Effects of MeJA Fumigation to Leaves on Ion Flux in Apical Region of
Ammopiptanthus nanus and Salt Resistance
LIU Lei1,2, GAO Hai-Bo3, SHEN Ying-Bai1,2,*
1College of Biological Sciences and Technology, 2National Engineering Laboratory for Tree Breeding, Beijing Forestry University,
Beijing 100083, China; 3College of Life Sciences, Linyi University, Linyi, Shandong 276005, China
Abstract: Soil salinization is one of serious factors restricting the expansion of agriculture and forestry around
the world. Jasmonic acid is closely associated with plants on salt tolerance. Ion fluxes were studied in the roots
of Ammopiptanthus nanus, a second class national-level protected plant, by using non-invasive micro-test
technique. The result showed that the plants with MeJA pretreatment have lower efflux of K+ and higher efflux
of H+ than the plants without pretreatment under the stress of NaCl in the root cap. After short-term salt stress
(50 mmol·L-1 NaCl, 24 h), the plants with MeJA pretreatment have higher Na+ efflux and H+ influx than the
plants without pretreatment in root apex. The results indicate that suitable concentration of MeJA pretreatment
can increase salt stress resistance of A. nanus at seedling stage.
Key words: salt stress; H+-ATPase; MeJA; non-invasive micro-test technique
土壤中盐分含量过高会严重影响植物生长,
降低农作物产量。据估计全球土地面积的6%和
1/3的水田受到不同程度的土壤盐渍化的影响 ,
NaCl是导致盐渍化的主要盐分之一(Demidchik和
Tester 2002; Zhang等2010)。
茉莉酸类物质作为与植物防御反应有关的植
物激素和信号分子, 广泛地存在于植物体内, 在植
物抵御病虫害、低温、干旱、盐胁迫等方面具有
重要作用(Pak等2009)。研究表明外源施用茉莉酸
可以诱导植物体内多种防御基因的表达, 积累各
种防御物质。茉莉酸甲酯(MeJA)可从植物的气孔
进入植物体内, 在胞质中被酯酶水解为茉莉酸, 从
而启动防御系统 , 诱导与植物抗逆有关的产物
(Farmer和Ryan1990; Horbowicz等2011)。植物的
耐盐性是一个复杂的过程, 关于MeJA预处理植物
后, 是否能提高植物的耐(抗)盐性尚未见报道。
大量研究表明, 植物在盐渍化土壤中能否维
持细胞内的离子平衡(尤其是K+/Na+平衡), 是其能
否在盐胁迫条件下生存的关键因素(Kobayashi等
2007; Wang等2004; Yue等2012)。Niu等(1995)研究
证实, 植物在维持体内K+/Na+平衡过程中, 质子泵
起着重要作用。较高的质子泵活性能够为Na+/H+
逆向运输体提供H+电化学势梯度, 降低质膜的去
极化程度, 限制K+通过DA-KORCs (外向钾离子通
道)和DA-NSCCs (外向非选择性阳离子通道)外流
(Maathuis 2006; Chen等2010)。MeJA预处理能否
通过提高质膜质子泵活性调控胞内K+/Na+平衡增
植物生理学报478
强抗盐性还是一个未被很好研究的问题。
非损伤微测技术具有较高空间分辨率和测量
精度, 对样品无损伤(Porterfield等2001)。本实验借
助该手段研究了MeJA预处理后, 盐胁迫对沙冬青
根尖区域K+、H+、Na+离子流的影响, 以期从离子
跨膜转运的角度来探索MeJA与植物抗盐能力的
关系。
材料与方法
1 实验材料
实验材料为新疆沙冬青[Ammopiptanthus nanus
(M. Pop.) Cheng f.]的幼苗。取大小均匀的新疆沙
冬青种子置于培养皿中进行发芽, 25 ℃恒温黑暗
人工气候箱中生长。待幼根长至0.2 cm左右时, 将
幼苗转移至无菌的1/2Hoagland培养液中, 置于人
工气候箱(14 h光照, 25 ℃; 10 h黑暗, 22 ℃)中培
养。待幼根长至0.5 cm左右时, 用于活体幼根表面
Na+、H+和K+流的测定。
2 实验方法
2.1 实验处理
动态离子流测定前, 将新疆沙冬青植株和滴
有MeJA (乙醇溶剂的浓度为1%)的脱脂棉球放在
同一玻璃罩中进行MeJA熏蒸预处理, 避免MeJA直
接接触植物材料, 容器中MeJA终浓度10 μmol·L-1。
对照组将MeJA改为1%乙醇溶液熏蒸预处理。熏
蒸24 h后取出植株, 进行瞬时盐处理下根冠区K+、
H+流动态变化测量。
稳态离子流测定前, 将新疆沙冬青植株和滴
有MeJA (乙醇溶剂的浓度为1%)的脱脂棉球放在
同一玻璃罩中进行熏蒸预处理, 容器中MeJA终浓
度10 μmol·L-1。对照组同样加1%乙醇溶液于脱脂
棉球上, 置于相同大小玻璃罩中熏蒸预处理24 h。
熏蒸后将植株置于含有NaCl (50 mmol·L-1)的培养
液中进行短期盐处理, 24 h后取出并放入新鲜测试
液中, 检测根尖稳态Na+、H+流。
2.2 离子流测量
采用北京林业大学植物生理实验室的离子选
择性微电极系统(型号: BIO-001A, 美国扬格科技
公司)进行离子流的测量。测定NaCl瞬时处理及短
期处理后根尖K+、H+、Na+离子流的瞬时和稳态
变化。K+及H+测试液的成分均为: 0.5 mmol·L-1 KCl,
0.1 mmol·L-1 CaCl2, 0.3 mmol·L
-1 MES。Na+测试液
的成分为: 1.0 mmol·L-1 NaCl, 0.5 mmol·L-1 KCl, 0.1
mmol·L-1 CaCl2, 0.3 mmol·L
-1 MES。pH均调至
6.0。
根尖固定在塑料培养皿(生友生物技术公司
生产)中, 皿底直径为35 mm。根尖固定后, 培养皿
中加入3 mL测试液平衡30 min后, 更换新鲜测试
液。然后放入非损伤微测系统平台上, 通过系统
的运动控制器精确调节电极与测试部位的距离,
电极尖端距根尖表面2~5 μm。采样规则为: 离子
选择电极沿X轴移动距离30 μm, 采样频率0.2 Hz。
动态离子流测定首先进行距根顶端400 μm根冠区
域(朱俊英2007; 闫慧等2008) 5 min背景电位测量,
然后加入3 mL含NaCl的测试液进行瞬时处理 ,
NaCl终浓度为100 mmol·L-1, 加药后测量30 min; 对
照加入3 mL测试液, 测量过程同上。因高浓度Na+
严重影响Na+电极的信噪比(Shabala等2006), 稳态
离子流测定则为, 进行MeJA预处理后将新疆沙冬
青置于NaCl 50 mmol·L-1溶液中培养, 24 h后取出,
放入新鲜测试液中, 检测2种不同预处理根尖Na+
流和H+流(距根尖0~3 000 μm区域内的离子流变
化, 每300 μm作为一个测量点, 共11个测量点)。每
个测量点实时记录2~3 min的离子流为稳定的离子
流速。
抑制剂实验中, 钾通道抑制剂四乙胺(tetrae-
thylammonium, TEA)处理的浓度为20 mmol·L-1,
H+-ATPase抑制剂原钒酸钠(sodium orthovanadate)
处理的浓度为100 μmol·L-1。由于原钒酸盐溶液
对电极具有较大影响, 预处理30 min后, 在测试前
将预处理的根段多次清洗 , 去除残留原钒酸盐
对电极的影响。TEA对K+电极的能斯特斜率没有
显著的影响, 因此, 预处理的根段直接进行瞬时盐
处理。
3 数据处理与分析
利用美国杨格科技公司与旭月科技有限公司
联合开发的数据分析软件MAGEFLUX进行实验
数据的处理; 负值代表离子流入细胞, 正值代表离
子流出细胞。为了消除加入溶液对电极电位的影
响, 数据分析时, 舍去瞬时处理后最初记录的2 min
的电信号数(高海波和沈应柏2011)。每个处理进
行4~5次重复的独立测量, 计算标准误(SE)。
刘蕾等: MeJA熏蒸叶片对新疆沙冬青根细胞跨膜离子流及抗盐性的影响 479
实验结果
1 MeJA预处理后NaCl诱导的根冠区K+流的实时
动态变化
如图1所示, 与对照相比, 未经MeJA处理的植
株, 加入100 mmol·L-1 NaCl处理后, 新疆沙冬青根
冠区的K+迅速外流, 5 min后K+外流速度逐渐稳定
在大约600 pmol·cm-2·s-1; 而经MeJA预处理后, 再加
入100 mmol·L-1 NaCl, 诱导的K+外流速度明显低于
未经MeJA处理植株。钾通道抑制剂TEA显著降低
了NaCl诱导的根冠区的K+外流速度, 而用质膜质
子泵专一性抑制剂原钒酸钠预处理后再加入100
mmol·L-1 NaCl, 显著促进了K+外流的速度(图2)。
时NaCl诱导的根冠区H+外流受到严重抑制(图4)。
3 MeJA预处理后NaCl诱导的根尖稳态Na+和H+流
变化
图5表明, 经MeJA预处理的新疆沙冬青植株,
短期盐胁迫解除后根尖区域内(0~3 000 μm) Na+明
显外流, 最高流速可至约750 pmol·cm-2·s-1。而未经
MeJA处理的植株, 大部分区域Na+外流速度低于经
MeJA预处理植株。短期盐胁迫条件下, 经MeJA预
处理的新疆沙冬青根尖(0~900 μm)区域H+内流, 且
H+内流速度高于未经MeJA预处理植株(图6)。
图1 不同预处理后NaCl诱导的新疆沙冬青根冠区瞬时K+
流的动态变化
Fig.1 Effects of salt shock on transient K+ kinetics in the root
cap of A. nanus with different pretreatments
箭头表示实验组加入含NaCl (终浓度100 mmol·L-1)测试液; 对
照组加入空白测试液。图2~4同。
图2 TEA、原钒酸钠预处理后NaCl诱导的新疆沙冬青根冠
区瞬时K+流的动态变化
Fig.2 Effects of TEA, sodium orthovanadate on transient K+
kinetics that were induced by NaCl shock in the root cap of
A. nanus
2 MeJA预处理后NaCl诱导的根冠区H+流的实时
动态变化
实验结果表明, 未经盐处理前新疆沙冬青根
冠区呈现轻微的H+外流(图3)。MeJA熏蒸预处理
后, 再加入NaCl迅速诱导新疆沙冬青根冠区H+外
流速度增强, 约20 min后达到峰值, 然后H+外流速
度又有所降低, 但始终高于对照植株。未经MeJA
熏蒸预处理的植株加入100 mmol·L-1 NaCl后, H+外
流速度上升, 约25 min后达到稳定的流速, 但流速
明显低于经过MeJA预处理的植株。专一性质膜质
子泵抑制剂原钒酸钠预处理新疆沙冬青根系后, 瞬
图3 不同预处理后NaCl诱导的新疆沙冬青根冠区瞬时H+
流的动态变化
Fig.3 Effects of salt shock on transient H+ kinetics in the root
cap of A. nanus with different pretreatments
植物生理学报480
讨　　论
目前众多研究已证实, 茉莉酸类物质是与植
物抗性密切相关的植物生长物质, 它作为内源信
号分子参与植物在盐胁迫、机械伤害、虫害、干
旱、低温等条件下的抗逆反应(Farmer 2007)。当
植物受到伤害时, 植物体内茉莉酸及其衍生物的
含量显著增加, 进而诱导一系列与抗逆有关的基
因表达, 如合成蛋白酶抑制剂、硫蛋白和苯丙氨
酸转氨酶, 提高酯氧合酶活性, 并导致生物碱以及
酚酸类次生物质的积累 , 从而增强植物的抗性
图4 原钒酸钠预处理后NaCl诱导的新疆沙冬青根冠区瞬
时H+流的动态变化
Fig.4 Effects of sodium orthovanadate on transient H+ kinetics
that were induced by NaCl shock in the root cap of A. nanus
图6 短期NaCl处理对不同预处理新疆沙冬青根尖稳态H+
流的影响
Fig.6 Effects of short-term salinity on net H+ fluxes in root
apex of A. nanus with different pretreatments
(Kozlowski等1999; Wasternack和Parthier 1997)。
邹清成等(2011)研究表明, 在低温、干旱和极
端高温的非生物胁迫条件下 , 喷施较高的浓度
MeJA, 蝴蝶兰幼苗抗逆境能力显著提高。Fedina
和Tsonev (1997)研究发现, 预先施加MeJA可以使
盐渍条件下的植株气孔开度减小、降低蒸腾及增
加脯氨酸含量以抵御盐胁迫对其生长的不利影响
(侯振安等2000)。胡杨悬浮培养细胞进行盐处理
(100 mmol·L-1 NaCl)可导致细胞发生质壁分离, 外
源施加MeJA后, NaCl处理的胡杨细胞很少发生质
壁分离, MeJA具有缓解植物渗透胁迫的作用(袁书
艳等2002)。茉莉酸的这些作用与细胞离子的跨膜
转运密切相关。
植物离子流的变化是反应逆境胁迫后最初的
快速信号。本实验中, 瞬时NaCl处理引起沙冬青
根冠区H+的显著外流, 经MeJA预处理后H+外流量
显著大于未经MeJA预处理植株(图3)。NaCl瞬时
处理引起的新疆沙冬青根冠区H+外流可由质膜专
一性抑制剂原钒酸钠所抑制(图4), 说明MeJA预处
理后提高了新疆沙冬青根细胞质子泵活性的活
性。有研究证明 , 一定浓度茉莉酸甲酯对H +-
ATPase活性有促进作用, 50 μmol·L-1 MeJA处理7 h
绿豆下胚轴质膜的H+-ATPase酶活性提高30% (文
彬等2006)。
盐胁迫下植物减少钾的流失对维持细胞内离
子平衡起着非常重要的作用(Kobayashi等2007)。
图5 短期NaCl处理对不同预处理新疆沙冬青根尖稳态Na+
流的影响
Fig.5 Effects of short-term salinity on net Na+ fluxes in root
apex of A. nanus with different pretreatments
刘蕾等: MeJA熏蒸叶片对新疆沙冬青根细胞跨膜离子流及抗盐性的影响 481
Cuin等(2008)研究证实, 抗盐的大麦和小麦品种在
盐处理后K+外流的幅度远小于盐敏感的品系。盐
诱导的瞬时K+外流被K+通道抑制剂TEA所抑制,
但是K+外流却被质膜质子泵专一性抑制剂原钒酸
钠显著提高(图2)。这些结果说明, 盐诱导K+的外
流是由去极化激活的离子通道介导的, 如去极化
激活的DA-KORCs和DA-NSCCs (Shabala和Cuin
2007)。活性较高的H+-ATPase降低了质膜的去极
化程度, 能够限制K+通过DA-KORCs和DA-NSCCs
外流(Maathuis 2006)。MeJA预处理后, NaCl诱导
的新疆沙冬青根冠区瞬时K+外流幅度小于未经
MeJA预处理植株(图1), 说明预处理植株根冠区具
有较高的质子泵活性, 限制了K+外流。经MeJA预
处理和未经MeJA预处理的新疆沙冬青植株, 在盐
胁迫后根冠区K+、H+流幅度显著不同, 可能是由
于在盐胁迫下质子泵活性和细胞质膜的去极化程
度不同所造成的(Chen等2007)。且短期盐胁迫下,
经MeJA预处理的新疆沙冬青Na+外流要明显高于
未经MeJA预处理植株(图5), 显现出较强的Na+/H+
逆向交换能力, 也暗示经预处理根细胞可能具有
较强的质子泵活性, 能维持H+的电化学梯度以利
于驱动Na+/H+逆向交换(Zhu 2003)。这些结果说明
MeJA处理过的根细胞在盐胁迫下具有比较强的质
子泵活性, 从而降低了经K+通过去极化激活通道
(DA-KROCs和DA-NSCCS)的K+流失, 维持植物体
内K+/Na+平衡, 更好的适应盐胁迫环境。
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