全 文 :书盐胁迫对砂蓝刺头不同器官中离子分布的影响
杨小菊,赵昕,石勇,李新荣
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所甘肃省寒区旱区逆境生理生态重点实验室,甘肃 兰州730000)
摘要:砂蓝刺头为广泛分布于北方沙漠的一年生草本植物。本研究以砂蓝刺头幼苗为试材,采用营养液培养法研
究了不同浓度NaCl胁迫下(盐浓度分别为0,100,200,300,400mmol/L)砂蓝刺头幼苗胁迫6d后植株含水量
变化,测定不同器官中Na+、Cl-、Si4+、K+、Ca2+的含量,并分析了 K+/Na+、Ca2+/Na+、Si4+/Na+值的变化。研
究结果表明,盐胁迫下,砂蓝刺头幼苗含水量在盐处理浓度为100,200,300,400mmol/L时分别比对照升高了
9.86%,1.41%,4.23%,8.45%,说明盐胁迫下植株提高了组织含水量,这将在一定程度上稀释了体内盐离子,减
弱盐胁迫造成的生理干旱。盐胁迫下砂蓝刺头根部的 Na+和Cl-含量高于叶片,这有利于渗透调节,同时减弱了
盐胁迫对地上部的毒害;根系Si4+、K+、Ca2+的含量及K+/Na+、Ca2+/Na+、Si4+/Na+值比对照显著性下降,叶部
Si4+、K+的含量和K+/Na+,Ca2+/Na+,Si4+/Na+值比对照有所增加或差异不显著,这有利于维持地上部分离子
稳定。分析离子选择性吸收的SNa+ ,K+ 数据发现,盐胁迫下砂蓝刺头根部拦截了部分Na+减缓了对地上部分的伤
害,叶片对K+吸收具有很好的选择性,对于维持地上部分离子平衡和正常的光合作用具有重要意义。
关键词:砂蓝刺头;盐胁迫;离子分布
中图分类号:S540.34;Q945.78 文献标识码:A 文章编号:10045759(2013)04011607
犇犗犐:10.11686/cyxb20130414
世界上存在着大面积的盐渍化土地,据不完全统计,全世界共有3.8亿hm2不同程度的盐渍化土壤,我国有
盐渍化和次生盐渍化土地4000万hm2 以上,占耕地的10% 左右。而且随着工业污染加剧、灌溉用水质量不断
下降和化肥使用不当等原因,次生盐碱化土壤面积有不断加剧的趋势[1]。土壤盐渍化是限制作物生长和产量的
主要环境胁迫因子之一[2],生长在盐渍土壤的作物遭受干旱、离子毒害、矿质元素缺乏等逆境胁迫导致生长和生
殖受限[3]。在个体水平上,盐胁迫对植物个体发育的影响非常显著,总的特征是抑制植物组织和器官的生长和分
化,加速植物的发育进程[4]。因此,生长在盐渍化土壤中的植物为了抵御盐分胁迫,适应生存环境,产生了一系
列生理生化的改变以调节水分及离子平衡,维持正常的光合作用[5]。植物耐盐性的研究主要包括盐离子的毒害
作用(盐的原初作用)、渗透胁迫和盐离子导致的养分亏缺(盐的次生作用)[6,7]。目前,对植物耐盐性机理及其盐
渍土的生物学治理和综合开发利用的研究已经越来越受到重视。
砂蓝刺头(犈犮犺犻狀狅狆狊犵犿犲犾犻狀犻)为一年生草本植物,分布于内蒙古浑善达克沙地、乌兰布和沙漠、巴丹吉林沙
漠、毛乌素沙地、腾格里沙漠、河西走廊、青海共和沙地、新疆古尔班通古特沙漠、塔克拉玛干沙漠。多生于固定、
半固定沙地或沙丘、丘间低地、戈壁、山地、草地、荒地[8]。由于其根作为民间药用,具有清热解毒、排脓、通乳的功
效[9],目前关于砂蓝刺头的研究主要集中在药学方面化学成分的研究[10,11],在分子生物学方面[12]及其生态学方
面等也有所研究[13]。但对其抗逆特性研究较少,尤其是耐盐机理方面的研究更加少见。本试验以砂蓝刺头幼苗
为研究对象,通过人工水培调控盐浓度,研究了不同浓度NaCl处理对砂蓝刺头不同器官的离子选择性吸收和分
布的影响,初步揭示了砂蓝刺头是否具有耐盐性及其主要的耐盐机制,这将为治理盐渍化土地提供一定的理论依
据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
砂蓝刺头幼苗于2011年6月采自宁夏沙坡头铁路边植被固沙防护区,属于腾格里沙漠边缘的荒漠地带。采
116-122
2013年8月
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
第22卷 第4期
Vol.22,No.4
收稿日期:20121112;改回日期:20130114
基金项目:国家自然科学基金(30770343,91125029)资助。
作者简介:杨小菊(1987),女,甘肃临洮人,在读硕士。Email:qingqingcaoyuan11@126.com
通讯作者。Email:zhaox@lzb.ac.cn
挖挑选完好无损的整株砂蓝刺头幼苗植株带回实验室,植株尽量要大小长势均匀一致。栽种在蛭石与泥炭土为
3∶1的土壤中生长10d。培养期间环境按照Volkov等[14]的植物培养条件和方法安排。培养期间栽培条件为
保持在25℃下16h光照、21℃下8h黑暗的昼夜循环,光照强度为300μmol/(m
2·s)。
1.2 盐胁迫处理
按照Volkov等[14]的方法对砂蓝刺头幼苗进行盐溶液胁迫。将长势大小基本一致的植株从土壤中挖出,用
蒸馏水小心冲洗掉根上黏附的土,将幼苗分别进行0(对照),100,200,300,400mmol/LNaCl溶液胁迫处理6d
(采用1/2MS营养液配置NaCl盐溶液),每个处理3个重复。保持幼苗根部浸泡在盐溶液中,茎叶挺立在溶液
外,同时采用充氧泵给溶液充分通气。
1.3 盐胁迫后砂蓝刺头含水量的测定
取NaCl胁迫后的砂蓝刺头全株,蒸馏水洗净后用滤纸吸干植株表面水分,称鲜重(FW)。105℃杀青15
min,70℃烘干至恒重,称干重(DW)。计算含水量(WC),按下式计算:
含水量(%)=(鲜重-干重)/鲜重×100
1.4 盐胁迫后砂蓝刺头各部分矿质离子含量的测定
将植株干样分为根茎叶三部分,用玛瑙研钵研磨粉碎混匀,直接粘贴在检测铝板上,放入电镜试样台上迅速
抽真空。在扫描电镜下确定所要检测的样品,进行X射线能谱微区分析。X射线微区元素分析:元素百分比的
计算是使用一个低真空扫描电子显微镜(SEM,JS5600Lv,Janpan,配套一个LevexX射线能量色散谱分析仪)
进行测定的,按照Vázquez等[15]的方法稍有改动。检测条件为:工作距离20.0cm,加速电压20kV,射束电流
150pA,倾角45℃。每一个样本至少检测3个1mm2的微小区域。其检测值为各元素的相对含量,以特定样本
中某种元素的原子数占测定的所有元素(K,Na,Ca,Al,Si,Mg,P,S,Cl,Fe)的总原子数的百分比来表示。
1.5 盐胁迫后离子选择性吸收和运输的测定
通过公式SNa+,K+ =Na+(叶/根)/K+(叶/根)[16]计算。
1.6 数据分析
采用 OnewayANOVA的方法比较均值之间的差异,若差异显著,则采用Turkey’stest进行多重比较(犘=
0.05)。利用Origin8.0软件完成所有统计分析。
2 结果与分析
图1 不同浓度的犖犪犆犾胁迫对砂蓝刺头植株含水量的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狑犪狋犲狉犮狅狀狋犲狀狋犻狀犈.犵犿犲犾犻狀犻狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀狊犖犪犆犾狊狋狉犲狊狊
相同颜色的柱子上标有不同字母者表示在犘<0.05水平上差异显
著,下同。Withineachsetofexperiment,barwithdifferentletters
weresignificantlydifferentatthe0.05level,thesamebelow.
2.1 不同浓度的 NaCl胁迫对砂蓝刺头含水量的影
响
盐胁迫下,通过对砂蓝刺头植株含水量的分析研
究,结果发现(图1),砂蓝刺头幼苗含水量在盐处理浓
度为100,200,300,400mmol/L时分别比对照升高了
9.86%,1.41%,4.23%,8.45%,除了在盐浓度为100
mmol/L时比对照显著增加,其余盐处理下变化不显
著。盐胁迫下植株提高组织含水量,这将在一定程度
上稀释了体内盐离子,减弱盐胁迫造成的生理干旱。
2.2 NaCl胁迫对砂蓝刺头各器官 Na+、Cl-、Si4+、
K+、Ca2+含量的影响
随着盐浓度的增加,各器官中Na+含量比对照显
著增加(图2A),各处理之间差异不显著。各盐处理下
地上部分Na+含量均小于根部,Na+在根中的积累可
以减轻Na+对代谢旺盛叶部的干扰作用[17],从而维持
正常的光合作用,这种根部优先积累Na+为砂蓝刺头
适应盐渍环境的重要特征。盐胁迫下,根茎部Cl-含
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量比对照显著增加(图2B)。随盐胁迫程度的加剧,呈先上升后下降的趋势,尤其是根部变化幅度较大;叶部Cl-
含量在盐浓度小于200mmol/L时基本维持在对照水平,差异不显著,盐浓度大于200mmol/L时比对照显著降
低。盐胁迫后,Cl-在砂蓝刺头幼苗各器官中的分布为:根>茎>叶,Cl-在根部累积,一定程度上降低了根细胞
的渗透势,有利于根系吸水,减弱盐离子累积造成的生理干旱。除对照外,其他盐胁迫下砂蓝刺头幼苗各部位的
Si4+含量分布呈现茎>叶>根的规律,根茎部Si4+含量比对照显著降低,茎部盐胁迫之间差异不显著(图2C);叶
部Si4+含量比对照有所增加,在盐浓度为100mmol/L处达到最大值。盐胁迫下,砂蓝刺头根茎部K+含量比对
照显著降低(图2D),尤其是根部的下降更明显,茎部K+含量在盐胁迫间无显著差异,说明植物受到盐胁迫时,
Na+的大量进入,降低了对K+的选择性吸收;叶部K+含量比对照显著增加,除了在盐浓度为100mmol/L外,
其余盐处理间差异不显著,说明盐胁迫后砂蓝刺头幼苗保持叶部较高的K+含量,维持正常的光合作用。盐处理
后砂蓝刺头幼苗各器官中Ca2+的分布呈叶>茎>根的规律(图2E)。随着盐浓度的增加,地上部分Ca2+含量呈
先减少后增加的趋势,根中持续减少,且盐处理比对照显著降低,除在盐浓度为100mmol/L外,其余各处理间差
异不显著。砂蓝刺头维持叶部细胞适当Ca2+浓度有利于避免营养亏缺,这是其适应盐胁迫的重要特征。
图2 犖犪犆犾胁迫对砂蓝刺头各器官犖犪+(犃)、犆犾-(犅)、
犛犻4+(犆)、犓+(犇)、犆犪2+(犈)含量的影响
犉犻犵.2 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊犪犾犻狀犻狋狔狅狀犖犪+(犃),犆犾-(犅),犛犻4+(犆),
犓+(犇)犪狀犱犆犪2+(犈)犮狅狀狋犲狀狋狊犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狆犪狉狋狊狅犳狋犺犲犈.犵犿犲犾犻狀犻
811 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4
2.3 NaCl胁迫对砂蓝刺头各器官K+/Na+、Ca2+/Na+、Si4+/Na+值的影响
盐胁迫环境中,植物体内维持正常的矿质营养元素与Na+的比值是植物耐盐性的重要生理表现,尤其是植
株体内K+/Na+是衡量植物耐盐性的重要指标之一。在NaCl胁迫下,根、茎中K+/Na+、Ca2+/Na+、Si4+/Na+
均比对照显著下降(图3),除根部Si4+/Na+值在400mmol/L处外,各处理间差异不显著,说明NaCl胁迫使得
砂蓝刺头体内的矿质营养元素平衡形成新的平衡状态。叶部K+/Na+盐处理与对照、盐处理之间差异不显著,
Ca2+/Na+值除根茎叶在盐浓度为300和400mmol/L叶部外,其他盐处理与对照差异不显著,Si4+/Na+值除在
盐浓度为300mmol/L外,其他盐处理均比对照显著增加,各盐处理间差异显著。
图3 犖犪犆犾胁迫对砂蓝刺头各器官 犓+/犖犪+(犃)、
犆犪2+/犖犪+(犅)、犛犻4+/犖犪+(犆)值的影响
犉犻犵.3 犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊犪犾犻狀犻狋狔狅狀犓+/犖犪+(犃),犆犪2+/犖犪+(犅)
犪狀犱犛犻4+/犖犪+(犆)狉犪狋犻狅犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋
狆犪狉狋狊狅犳狋犺犲犈.犵犿犲犾犻狀犻
2.4 不同浓度的NaCl胁迫下砂蓝刺头矿质离子选择
图4 不同浓度的犖犪犆犾胁迫下砂蓝刺头
钠(叶/根)/钾(叶/根)的变化
犉犻犵.4 犚犪狋犻狅狅犳犖犪+犮狅狀狋犲狀狋犻狀犾犲犪犳/狉狅狅狋狑犻狋犺狉犪狋犻狅狅犳
犓+犻狀犾犲犪犳/狉狅狅狋狅犳犈.犵犿犲犾犻狀犻狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀狊犖犪犆犾狊狋狉犲狊狊
性吸收和运输能力的变化
SNa+,K+可反映盐分胁迫下植物体对 K+、Na+的
吸收和向上运输的选择性,并认为SNa+,K+ 值越大,植
物体地上部对 Na+ 的选择性越大,则植物抗盐性越
小,所受盐害越大。随着盐浓度的增加,砂蓝刺头
SNa+,K+比对照显著降低,各盐处理间差异不显著(图
4),表明NaCl胁迫下砂蓝刺头叶部对 Na+的选择性
减小,使植物的抗盐性增大,降低了砂蓝刺头所受盐危
害的程度。
3 讨论
在高盐碱环境下,水分的吸收和利用是植物适应
逆境的关键因素,对植物生长、发育具有重要决定作
用[18]。因为长期盐胁迫会引起植物体内的水分胁迫,
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抑制植物生长。因此,植物体内的水分关系是研究植物抗盐机理的关键指标[19]。在本研究中,砂蓝刺头植株含
水量在各浓度盐处理下均有所升高,说明砂蓝刺头植株在受到盐胁迫时可以适当的提高组织含水量,这将在一定
程度上稀释了其体内盐离子浓度,减弱盐胁迫造成的生理干旱。
生长在盐渍土壤中的植株,由于高浓度的盐分降低了土壤水势,从而使植株受到渗透胁迫即生理干旱的伤
害。因此,在盐胁迫下,渗透调节是植物从环境中获得有效水分的主要手段,参与渗透调节的物质既有无机物
也有有机物。其中,参与渗透调节的无机离子主要有Na+、K+、Ca2+和Cl- [20],从而依靠在自身体内积累大量
无机盐离子进行渗透调节也成为很多植物体选择的一种重要耐盐机制[21,22]。通常盐分中Na+和Cl-对植物的
危害较重,极易造成特殊离子效应的单盐毒害,同时对其他离子(如K+、Ca2+)的吸收产生拮抗作用,使植株发生
营养亏缺,并破坏渗透调节[23]。本研究结果显示,在盐胁迫下,砂蓝刺头根系中的Na+和Cl-均高于叶片,且盐
处理比对照显著增加。Na+和Cl-在根部积累,可以利用这些积累在根部的盐离子进行渗透调节,降低植物的水
势,保持植物吸收水分的能力,以减少盐胁迫造成的生理干旱;其次,植物根系对Na+和Cl-的截留,限制了Na+
和Cl-向叶片运输,使叶片光合器官免受伤害,同时也避免了叶片积累过多的盐离子而造成离子毒害。这可能
也是植物适应盐害的一种机制[24,25]。另外,盐胁迫下,植株各部位Cl-含量远高于Na+含量,说明砂蓝刺头在
盐胁迫下排Na+能力大于排Cl-的能力,也许砂蓝刺头控制Na+和Cl-进入细胞的机制是不一致的。Cl-在盐
胁迫中对砂蓝刺头的毒害作用大于Na+,这与对刺槐的研究结果相一致[26]。K+是高等植物体内质量分数最多
的阳离子,具有调控离子平衡,渗透调节,蛋白质合成,细胞膨压,光合作用等生理功能[27]。Ca2+作为植物生长所
必需的大量元素和偶联胞外信号与胞内生理反应的第二信使,能维持细胞壁、细胞膜及膜蛋白的稳定,在调节
植物细胞对逆境反应和逆境适应性过程中发挥着重要的作用[28,29]。Si是多数植物需要的大量有益元素,可以缓
解植物受到的生物和非生物胁迫的伤害,例如可以提高植物耐盐碱性[30]。盐胁迫下细胞内离子平衡破坏的一个
典型指标就是K+/Na+降低[31]。从本实验结果来看,盐胁迫后,砂蓝刺头根部Si4+、K+、Ca2+的变化与Na+和
Cl-相反,随着胁迫强度的增加比对照显著降低,这是由于Na+的竞争,致使砂蓝刺头根系对Si4+、K+、Ca2+的
吸收能力降低,从而使得K+/Na+,Ca2+/Na+,Si4+/Na+值比对照显著性下降,根部组织中的离子失衡。叶部
除了Ca2+,Si4+、K+的含量和K+/Na+,Ca2+/Na+,Si4+/Na+值比对照显著性增加或差异不显著,这有利于维
持叶部正常的光合作用。盐分区域化是植物耐盐的主要生理特征,降低盐分向地上部尤其是叶片的选择性运输
是植物耐盐的重要机理之一[32]。通过对砂蓝刺头SNa+,K+比值观察可得NaCl胁迫下砂蓝刺头叶部对Na+的选
择性减小,植物的抗盐性增大,降低了盐分对植物的危害。
综上所述,NaCl胁迫下砂蓝刺头主要通过根部截留和累积无机盐离子Na+和Cl-进行渗透调节,降低植株
的水势,从而保持植株吸收水分的能力,稀释了体内盐离子的浓度,减小了离子累积造成的生理干旱。由于植
株根部吸收了大量的盐离子使得对Si4+、K+、Ca2+等营养离子的吸收减少,K+/Na+,Ca2+/Na+,Si4+/Na+值下
降,但叶部在盐处理下有增加趋势或趋于平稳,保持了代谢活跃部位正常的生理活动。
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121第22卷第4期 草业学报2013年
犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊狅狀犻狅狀犱犻狊狋狉犻犫狌狋犻狅狀犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋犈犮犺犻狀狅狆狊犵犿犲犾犻狀犻狅狉犵犪狀狊
YANGXiaoju,ZHAOXin,SHIYong,LIXinrong
(KeyLaboratoryofStressPhysiologyandEcologyinColdandAridRegions,Coldand
AridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,Chinese
AcademyofSciences,Lanzhou730000,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:犈犮犺犻狀狅狆狊犵犿犲犾犻狀犻isanannualwildplantdistributedinariddesertareasofNorthChina.Thechanges
ofwatercontent,Na+,Cl-,Si4+,K+,Ca2+ contentsandtheK+/Na+,Ca2+/Na+,Si4+/Na+ratioswere
measuredin犈.犵犿犲犾犻狀犻seedlingsinawatercontrolandunderdifferentconcentrations(100,200,300,400
mmol/L)ofNaClstress:thewatercontentswerefoundtoincreaseby9.86%,1.41%,4.23%,and8.45%,
respectively.Thereforetheabilitytoabsorbwaterwasenhancedundersaltstress,resultingindilutionofthe
cel’ssaltionconcentrationtoreducephysiologicaldroughtcausedbysaltions.Na+andCl-contentsofroots
werehigherthanthoseofleavesundersaltstress,sothesaltiondamageontheleaveswasreduced;TheSi4+,
K+,Ca2+concentrationsandK+/Na+,Ca2+/Na+,Si4+/Na+ratioinrootsundersaltstressweresignificantly
reducedcomparedwithnosaltstress.BasedontheionselectiveabsorptionofNa+andK+,犈.犵犿犲犾犻狀犻roots
retainedmoreNa+andreducedtheNa+damagetoleaves;TheK+selectiveabsorptiontoleavesof犈.犵犿犲犾犻狀犻
werestrengthenedunderNaClstress,whichwassignificantformaintainingironhomeostasisandphotosynthe
sisinshoots.
犓犲狔狑狅狉犱狊:犈犮犺犻狀狅狆狊犵犿犲犾犻狀犻;saltstress;iondistribution
221 ACTAPRATACULTURAESINICA(2013) Vol.22,No.4