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Effects of salt stress on seedling growth of alfalfa (Medicago sativa) and ion distribution in different alfalfa organs

NaCl胁迫对苜蓿幼苗生长及不同器官中盐离子分布的影响



全 文 :书犖犪犆犾胁迫对苜蓿幼苗生长及不同器官中
盐离子分布的影响
景艳霞,袁庆华
(中国农业科学院北京畜牧兽医研究所,北京100094)
摘要:研究了不同浓度NaCl胁迫下(盐浓度处理为0,0.1%,0.3%,0.5%,0.7%,0.9%)苜蓿不同器官的生长情况
(存活率、根长、茎长、叶片数),以及不同器官中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的含量,并分析了K/Na、Ca/Na、Mg/Na值的
变化。结果表明,存活率、根长、茎长与盐浓度呈负相关,且当 NaCl≤0.1%时,有利于苜蓿的生长。除根茎叶中
Na+含量、根中Ca2+与盐浓度呈正相关,茎叶中的Ca2+与盐浓度相关性不明显外,根茎叶中K+、Mg2+、K/Na、Ca/
Na、Mg/Na均随盐浓度增加而显著下降,且盐处理与对照差异显著(犘<0.05)。另外从离子角度讨论了盐对苜蓿
的毒害以及耐盐的原因。
关键词:盐胁迫;苜蓿;幼苗生长;离子分布
中图分类号:S551+.703.4;Q945.78  文献标识码:A  文章编号:10045759(2011)02013406
  紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)是世界上栽培最早的牧草,也是最重要的豆科牧草。它具有较高的营养价值,
尤其是蛋白质含量比较高。除含有大量的可消化的蛋白质外,必需氨基酸的含量也高于其他牧草,同时含有多种
维生素和微量元素。在我国,紫花苜蓿分布面积甚广,西起新疆、东到江苏北部,包括黄河流域及其以北的14个
省(自治区),主要种植区是西北、华北等地[1]。目前土壤盐碱化是一个世界性的难题,是制约农业及畜牧业发展
的重要问题。据不完全统计,目前我国盐碱地为9913万hm2[2],尤其在我国西北、华北、东北等地,盐碱化面积
占很大的比例。盐碱化面积的不断扩大,程度不断加深,严重影响着紫花苜蓿的种植、生长,进而影响饲草及畜牧
产业的发展。因此紫花苜蓿在盐碱地的生长情况以及盐碱对苜蓿生长的影响的研究就显得尤为重要。高浓度盐
分首先影响原生质膜,改变其透性。由于膜的透性变化致使植物吸收某种盐类过多而减少了对另一些营养元素
的吸收。同时,膜的结构破坏,功能也发生改变,细胞内的K+、磷和有机溶剂外渗,因此,植物细胞内部的离子种
类和浓度也就发生变化。植物体内的这种不平衡不仅造成营养失调,生长受到抑制,同时还产生单盐毒害作用。
目前,离子含量的研究主要集中在作物以及盐生植物上。对不同浓度NaCl胁迫下盐地碱蓬(犛狌犪犲犱犪狊犪犾狊犪)、碱
蓬 (犛狌犪犲犱犪犵犾犪狌犮犪)、中亚滨黎(犃狋狉犻狆犾犲狓犮犲狀狋狉犪犾犪狊犻犪狋犻犮犪)3种盐生植物生长发育及离子在不同器官分布特性进
行研究,其结果表明,随土壤含盐量的升高,盐生植物出苗率明显降低,但对碱蓬和中亚滨黎株高、碱蓬花序长度
等有一定促进作用,并与土壤含盐量密切相关。盐地碱蓬和碱蓬叶片内Na+含量随土壤含盐量的增高而升高,
其他离子有少量下降或变化不明显,而盐地碱蓬茎中离子含量随土壤含盐量的变化不显著。植株中各离子含量
为Na>K/Mg>Ca,不同器官内含盐量为叶>茎[3]。类似的研究还有高粱(犛狅狉犵犺狌犿犫犻犮狅犾狅狉)器官中离子含量
与耐盐性的相关关系[4]。耐盐性的评价与鉴定是耐盐品种筛选的基础,是耐盐性研究的基础。针对苜蓿,目前大
量的研究主要集中在耐盐材料的评价与鉴定、盐胁迫下苜蓿生理特性的变化以及耐盐基因的克隆与表达,较少研
究盐胁迫下不同器官中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+等离子含量,以及离子对苜蓿的毒害作用。本研究通过盆栽试
验,研究NaCl胁迫下苜蓿苗期的生长情况以及不同器官中Na+、K+、Ca2+、Mg2+离子的含量以及离子的比例,
旨在从离子角度分析盐对苜蓿的毒害,以及苜蓿耐盐的原因,从而为在盐碱地推广种植苜蓿以及苜蓿耐盐生理机
制研究提供依据。
134-139
2011年4月
   草 业 学 报   
   ACTAPRATACULTURAESINICA   
第20卷 第2期
Vol.20,No.2
 收稿日期:20100318;改回日期:20100622
基金项目:科技支撑项目(2011BAD17B01)和行业科技项目(nyhyzx07022)资助。
作者简介:景艳霞(1984),女,内蒙古察右中旗人,在读硕士。Email:jingyanxia1020@163.com
通讯作者。Email:yuanqinghua@hotmail.com
1 材料与方法
1.1 试验材料及幼苗的培养
试验材料为大叶紫花苜蓿(bigleafalfalfa),种子由中国农业科学院北京畜牧兽医研究所提供。试验于2009
年9月在中国农业科学院北京畜牧兽医研究所温室(室温25℃)中进行。先将苜蓿种子摆放在培养皿内湿润的
滤纸上,然后放入20℃的生长箱内,发芽2d,待幼根长到1cm长时,移植到装有1kg蛭石和珍珠岩(比例3∶1)
及加有5%复合肥料的塑料花盆(盆高12.5cm,底径12.0cm,口径15.5cm)中。按照每盆13株点苗、覆土。出
苗后进行间苗,每盆留生长整齐一致,分布均匀的10棵苗。点苗前初次均匀灌水(200mL/盆)称重,以后每隔
5d称重并补充蒸发的水量。
1.2 盐胁迫处理
待苜蓿长到3~4叶期进行盐处理,盐处理浓度分别为0,0.1%,0.3%,0.5%,0.7%,0.9%,每处理6次重
复。
1.3 测定指标和方法
1.3.1 幼苗生长指标测定 苜蓿幼苗经过盐处理30d进行采样,将测定的植株从花盆中取出,用自来水冲洗干
净,用吸水纸擦干植株表面水分,将植物的地上和地下根系分开,分别测定株高、根长、单株叶片数,同时统计存活
率。
1.3.2 离子含量测定 对盐胁迫后植株根茎叶中的Na+、K+、Ca2+、Mg2+进行测定。首先将样品放入烘箱中
105℃杀青1h,80℃烘干24h,将烘干后的样品粉碎研磨,精确称量研磨后的样品0.2000g,放入试管中,加入1
mL60%三氯乙酸,5mL浓硝酸和0.5mL浓硫酸混合而成的硝化液,于90℃恒温水浴中提取1h。稀释20倍
后,用离子发射光谱法(ICP法)(仪器采用美国PE公司生产的型号为ELAN9000的电感偶合等离子体质谱仪)
测定各离子的含量。
1.4 数据统计
试验数据均采用SAS9.0进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 盐胁迫对苜蓿苗期生长情况的影响
种植30d后苜蓿的存活率与盐浓度呈负相关(狉=-0.9883,犘<0.01),除0.1%盐浓度下存活率与对照无
显著差异外,其余均存在显著差异(表1)。苜蓿幼苗的根长和茎长与盐浓度呈负相关(狉分别为-0.3924,
-0.4437,犘<0.01)。高盐浓度下,根长、茎长与对照有显著差异(犘<0.05)。低盐浓度(0.1%)对根长的生长
具有促进作用,高盐浓度(0.9%)则有显著的抑制作用,在高盐浓度下根长分别比对照和0.1%盐浓度下降了
34.08%和38.69%。随着盐浓度的升高,茎长呈显著的下降趋势,0.7%和0.9%的盐浓度与对照和0.1%盐浓
度之间存在显著的差异,茎长仅约为对照的一半。叶片数受盐浓度的影响不大,各处理间无显著差异。
植株的地上(茎)和地下(根)部分生长都受到不同程度的抑制,当盐浓度为0.7%时,根长是对照的76.9%,
茎长是对照的50.77%。当盐浓度为0.9%时,根长是对照的65.92%,茎长是对照的51.13%;说明地上部分受
害比地下部分严重。且根系在低浓度的盐分条件下可保持正常生长。
2.2 盐胁迫下不同器官中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量
苜蓿在NaCl胁迫下根、茎、叶中的Na+含量与盐浓度呈正相关,相关系数分别为0.985,0.995,0.972,犘均
小于0.01(图1)。根中、茎中、叶中Na+含量不同盐处理与对照、盐处理之间差异极显著(犘<0.01)。其中茎中
的Na+含量显著高于根中,随着盐浓度的升高,叶片中的Na+含量显著高于根中(NaCl>0.3%),Na+在叶部的
积累有利于增大地上部和地下部的渗透势差,促进水分从根部向地上部分运输,利于改善地上部分的水分状况,
有助于生长,这与蔺海明等[5]在枸杞(犔狔犮犻狌犿犮犺犻狀犲狀狊犲)上的研究一致。
K+含量与盐浓度在根、茎、叶中呈负相关,狉分别为-0.730,-0.624,-0.589,犘均小于0.05(图2)。K+含
量的变化在对照与处理间差异显著,其中根中盐浓度0,0.1%与0.3%,0.5%,0.7%,0.9%的K+含量差异极显
著,0.3%,0.5%,0.7%,0.9%之间差异不显著(犘>0.05),茎中和叶片中仅对照与处理间差异显著,各处理之间
531第20卷第2期 草业学报2011年
无显著差异(犘>0.05)。加盐后,K+含量迅速下降,0.1%盐浓度下根、茎、叶中K+含量分别为对照的42.12%,
14.26%和13.77%,而且茎和叶中K+含量下降幅度明显高于根中。
Ca2+在根、茎、叶中的分布规律显示(图3),在根中Ca2+含量与盐浓度之间呈正相关(狉=0.690,犘<0.01),
而在茎叶中Ca2+含量与盐浓度相关性不明显。同时,根中盐浓度≤0.3%时与对照无显著差异,≥0.5%与对照
差异显著(犘<0.05)。茎中Ca2+在盐浓度为0.1%和0.5%与对照无显著差异,其余盐浓度与对照差异显著(犘
<0.05)。叶中盐处理与对照之间均存在显著差异(犘<0.05)。根中的Ca2+含量高于茎、叶中的含量。根中的
Mg2+含量比茎叶中高,且随着盐浓度的增加,Mg2+含量有减少的趋势(图4)。Mg2+含量与盐浓度呈负相关,相
关系数分别为根-0.8988,茎-0.60194,叶-0.80642,犘均小于0.01。不同器官中 Mg2+在盐处理和对照之
间差异显著(犘<0.05)。
表1 不同盐浓度对苜蓿不同器官生长情况的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犪犾狋犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀狅狀狋犺犲犵狉狅狑狋犺狅犳犱犻犳犳犲狉犲狀狋犪犾犳犪犾犳犪狅狉犵犪狀狊
盐浓度Saltconcentration(%) 存活率Survivalrate(%) 根长Rootlength(cm) 茎长Stemlength(cm) 叶片数Leafnumber
0(CK) 100.00±0.00a 20.48±6.48a 13.69±5.13a 7.00±2.58a
0.1 96.67±5.77a 22.02±5.47a 12.93±4.30a 5.93±2.02a
0.3 76.67±5.77b 16.60±3.85ab 10.01±7.22ab 5.82±3.37a
0.5 53.33±5.77c 15.71±4.26ab 8.79±13.68ab 5.67±3.06a
0.7 30.00±0.00d 15.75±2.55ab 6.95±5.87b 5.50±2.88a
0.9 16.67±5.77e 13.50±1.35b 7.00±2.49b 5.14±3.48a
狉 -0.9883 -0.3924 -0.4437 -0.1615
犘 <0.0001 0.0003 <0.0001 0.1471
 注:不同字母表示在0.05水平差异显著。
 Note:Valuesfolowedbydifferentlettersshowsignificantdifference(犘<0.05).
图1 不同器官中犖犪+含量
犉犻犵.1 犖犪+犮狅狀狋犲狀狋犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狅狉犵犪狀狊狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犖犪犆犾犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀
图2 不同器官中犓+含量
犉犻犵.2 犓+犮狅狀狋犲狀狋犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狅狉犵犪狀狊狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犖犪犆犾犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀
  土壤环境中盐浓度的增加,直接导致了植物体内Na+的显著积累,茎中Na+的量高于根和叶片中,茎中保持
较高的Na+含量,分析原因可能有二,其一可以保持地上、地下的渗透势,有助于水分的运输,其二叶片作为主要
的光合器官,较少积累Na+,不会影响其光合作用。盐胁迫造成植株体内K+离子的缺乏。Ca2+、Mg2+在根中的
积累量大于茎叶中的积累。
631 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.2
图3 不同器官中犆犪2+含量
犉犻犵.3 犆犪2+犮狅狀狋犲狀狋犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狅狉犵犪狀狊
狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犖犪犆犾犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀
图4 不同器官中 犕犵2+含量
犉犻犵.4 犕犵2+犮狅狀狋犲狀狋犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狅狉犵犪狀狊
狌狀犱犲狉犱犻犳犳犲狉犲狀狋犖犪犆犾犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀
图5 不同器官中犓/犖犪值
犉犻犵.5 犓/犖犪狏犪犾狌犲犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狅狉犵犪狀狊狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犖犪犆犾犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀
图6 不同器官中犆犪/犖犪值
犉犻犵.6 犆犪/犖犪狏犪犾狌犲犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狅狉犵犪狀狊狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲狀狋犖犪犆犾犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀
2.3 盐胁迫下不同器官中K/Na、Ca/Na、Mg/Na
图7 不同器官中 犕犵/犖犪值
犉犻犵.7 犕犵/犖犪狏犪犾狌犲犻狀犱犻犳犳犲狉犲狀狋狅狉犵犪狀狊狌狀犱犲狉
犱犻犳犳犲狉犲犿狋犖犪犆犾犮狅狀犮犲狀狋狉犪狋犻狅狀
苜蓿在NaCl胁迫下,根、茎、叶中的K/Na与盐浓
度呈负相关(图5),其中,相关系数根部狉=-0.713,犘
<0.01,茎部狉=-0.636,犘<0.01,叶部狉=-0.612,
犘<0.01。加盐后 K/Na与对照相比极显著下降,加
盐各处理之间没有显著差异(犘>0.05)。根、茎、叶中
Ca/Na同样与盐浓度呈负相关(图6),相关系数分别
为-0.866,-0.811,-0.758,犘均小于0.01。同时,
盐胁迫下的各器官中Ca/Na与对照相比均差异显著
(犘<0.05)。且茎中的 Ca/Na各处理间差异显著。
Mg/Na与K/Na、Ca/Na变化相似,其中根、茎、叶中
的比值与盐浓度的相关系数分别为-0.919,-0.959,
-0.756,犘均小于0.01。同时,各浓度盐处理下与对
照差异极显著(犘<0.01)(图7)。
731第20卷第2期 草业学报2011年
综合不同器官中K/Na、Ca/Na、Mg/Na进行比较,叶片的下降幅度最大,其次是根中,茎中的变化幅度最小。
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生理表现之一。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、叶中K/Na、Ca/Na、Mg/Na与对照相
比均显著下降,且与盐浓度呈显著的负相关,说明NaCl的存在,使得苜蓿体内的矿质营养元素平衡受到了显著
的影响。
3 讨论
3.1 苜蓿生长情况
土壤中普遍存在着各种盐分,尤以NaCl影响最为严重。宏观上,土壤中的盐分影响着植物的生长,微观上,
盐分的存在使得植物体内的矿物质营养元素失衡,进而在分子水平影响着植物体内的蛋白质合成等。低浓度盐
分条件下,苜蓿的根长略大于对照,说明对于苜蓿来讲,在0.1%的盐浓度条件下有利于其生长发育。盐浓度的
增大导致株高下降,随着盐浓度的增加,下降幅度加大,同时,茎长的下降幅度大于根长,表明盐浓度对于地上部
分的影响要大于对地下部分的影响,这与前人的研究结果一致[6]。
3.2 苜蓿器官中离子含量变化
植物体在盐胁迫下,作为细胞渗透调节剂的物质主要有两类:一类是无机盐离子,一类是有机小分子物质[5]。
土壤中过量的盐离子(Na+、Cl-),改变了植物的营养平衡[7],盐离子通过与营养元素之间的相互竞争,减少对营
养元素的吸收,同时,盐离子还会影响生物膜对离子的选择性吸收,进而影响根系对营养元素的吸收。盐胁迫环
境影响了苜蓿体内的Na+、K+、Ca2+、Mg2+吸收、运输和分配。随着盐浓度的增加,苜蓿体内的Na+含量迅速增
加。Na+进入植物体内主要是利用K+的途径[8],因为Na+和K+有相似的离子半径和水合能,所以二者之间会
相互竞争转运体的同一结合位;同时近期研究表明Na+还通过非选择性阳离子通道进入植物体内。Na+含量茎
中大于根中,说明根部吸收Na+通过转移运输到茎中来降低根中的浓度。K+和Na+之间的竞争作用,使得植物
体内的K+在盐环境中严重亏缺[9],这在本实验中也得到了证明,加盐后,植株体内的K+迅速下降,与对照差异
极显著。K+是高等植物体内含量最多的阳离子,具有调节离子平衡,调节渗透压、细胞膨压、光合作用等生理功
能。
3.3 苜蓿器官中离子含量比值变化
K+、Ca2+、Mg2+与Na的比值随着盐浓度的增加而下降,分析其原因源于2个方面,一是由于器官中Na+的
净增加,二是矿质营养元素的降低。尤其是K/Na值随盐浓度下降幅度最大。K/Na的下降,降低了植物体内的
渗透压,不利于植物根系吸收其他营养物质。Ca2+不仅是植物必需的营养元素,也是植物代谢和发育的调节者。
细胞内的Ca2+作为植物信号传导中第2信使,与脱落酸、活性氧物质等一起参与植物抗逆性的信号传递和表达。
Ca2+虽然在根中与盐浓度呈显著正相关,茎叶的Ca2+有增加的趋势,但Ca/Na随着盐浓度的升高而下降,可能
导致细胞质膜上Ca2+失去平衡,无法发挥其保护细胞的作用,使细胞膜的稳定性和选择性下降。Mg/Na也随着
盐浓度增加下降,Mg2+作为叶绿素分子的重要组成部分,Mg/Na可能会使植物的光合作用下降,进而影响其生
物量。
综上所述,苜蓿在盐分存在的情况下,随着盐浓度的增加,其生长受到严重的抑制,生物量明显下降。同时,
参与植物生理的主要营养离子严重亏缺,使其不能发挥正常的生理功能,因此在盐胁迫环境中,种植苜蓿时应适
当增加其他营养离子的浓度,来增强植物对其他矿物质离子的吸收,提高其耐盐性。
4 结论
1)盐协迫对紫花苜蓿的生长和发育有显著的影响,随着盐浓度的增加苜蓿幼苗的存活率、根长和茎长呈显著
的下降趋势。低盐浓度(0.1%盐浓度)可促进苜蓿根系的生长。盐胁迫对地上部分(茎)的抑制作用明显大于对
地下部分(根)的。
2)根、茎、叶各器官中的Na+与盐浓度呈正相关,且盐处理与对照、盐处理之间均呈极显著差异(犘<0.01)。
K+含量根、茎、叶中随着盐浓度增加而下降,且盐处理与对照之间差异显著(犘<0.01)。根中的Ca2+与盐浓度呈
正相关,茎和叶片中的Ca2+与盐浓度相关性不明显。根、茎、叶中 Mg2+与盐浓度呈负相关,且盐处理与对照均存
831 ACTAPRATACULTURAESINICA(2011) Vol.20,No.2
在显著的差异(犘<0.05)。
3)根茎叶中K/Na、Ca/Na、Mg/Na与盐浓度均呈负相关,且处理与对照之间差异显著(犘<0.05)。其中,变
化幅度顺序为叶片>根>茎。
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犈犳犳犲犮狋狊狅犳狊犪犾狋狊狋狉犲狊狊狅狀狊犲犲犱犾犻狀犵犵狉狅狑狋犺狅犳犪犾犳犪犾犳犪(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)
犪狀犱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犪犾犳犪犾犳犪狅狉犵犪狀狊
JINGYanxia,YUANQinghua
(InstituteofAnimalSciences,CAAS,Beijing100094,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:TheeffectsofdifferentconcentrationsofNaCl(0,0.1%,0.3%,0.5%,0.7%,0.9%)ongrowth
ofalfalfa(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)(survivalrate,rootlength,stemlength,leafnumber)andthecontentsofNa+,
K+,Ca2+,Mg2+inthedifferentorganswereassessedandtheratioofK/Na,Ca/Na,andMg/Nawereana
lysed.Thesurvivalrate,rootlength,andstemlengthwerealnegativelycorrelatedwithsaltconcentration,
exceptwhentheNaClconcentrationwas≤0.1%.ThecontentofNa+inroot,stemandleavesandthecontent
ofCa2+inrootswerealpositivelycorrelatedwithsaltconcentration.However,thecontentsofK+andMg2+,
andtheratiosofK/Na,Ca/Na,Mg/Nainroots,stemsandleavessignificantlydecreasedwithanincreaseof
saltconcentration.Saltstressonalfalfacausedsignificantdifferencesinthecomparisons.Thereasonforsalt
injuryandsalttoleranceinalfalfaarediscussedinrelationtoiontoxicities.
犓犲狔狑狅狉犱狊:saltstress;alfalfa;seedinggrowth;iondistribution
931第20卷第2期 草业学报2011年