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Sodium uptake and carbon/nitrogen metabolism by different winter wheat genotypes during germination under salt stress

盐胁迫下两种基因型冬小麦萌发过程中钠离子吸收及对碳、氮代谢的影响



全 文 :    倡 西北农林科技大学优秀人才专项基金 (08080244)资助
收稿日期 :2005唱12唱21   改回日期 :2006唱03唱05
盐胁迫下两种基因型冬小麦萌发
过程中钠离子吸收及对碳 、氮代谢的影响 倡
赵  旭1  王林权1  周春菊2  尚浩博1
(1畅 西北农林科技大学资源环境学院   杨凌   712100 ; 2畅 西北农林科技大学生命科学学院  杨凌   712100)
摘   要   采用两种基因型冬小麦种子为试验材料 ,研究了盐胁迫对小麦种子萌发过程中 Na + 的吸收和累积及其对
C 、N 代谢的影响及外源 Ca(NO3 )2 和 CaCl2 对小麦萌发过程中盐害的缓解效应 。 结果表明 ,150mmol/ L NaCl胁迫
明显抑制小麦种子的萌发 。 种子萌发过程中 ,“小偃 6 号”的耐盐性优于“陕 229” 。 外源钙对两种小麦盐胁迫效应
的缓解作用不同 。 6mmol/L 钙离子可明显减轻“陕 229”的盐害作用 ,对“小偃 6 号”作用不大 。 盐胁迫对种子萌发
过程中的蛋白酶和淀粉酶活性具有明显抑制作用 。 盐胁迫下 ,“小偃 6 号”种子的蛋白酶和淀粉酶活性明显高于
“陕 229” 。 钙离子对盐胁迫下小麦萌发过程胚乳内蛋白酶的活性有较大调节作用 ,对淀粉酶活性影响较小 。 盐胁
迫下小麦种子中 Na + 含量显著增加 ,K/ Na比显著降低 。 钙离子对盐胁迫下小麦种子中 Na+ 累积的影响较大 ,盐胁
迫和外源钙处理对 K + 含量影响较小 。
关键词   盐胁迫   Ca   淀粉酶   蛋白酶   K/ Na比   冬小麦   种子萌发
Sodium uptake and carbon/nitrogen metabolism by different winter wheat genotypes during germination under salt
stress.ZHAO Xu1 ,WANG Lin唱Quan1 ,ZHOU Chun唱Ju2 ,SHANG Hao唱Bo1 ( 1畅College of Resources and Environmental
Science ,Nor thwest A& F University ,Yangling 712100 ,China ;2畅College of Life Science ,Northwest A & F Universit y ,
Yangling 712100 ,China) ,CJEA ,2007 ,15(4) :89 ~ 93
Abstract   The effect of salt stress on sodium uptake and accumulation ,carbon and nitrogen metabolism and the ameliora唱
tive effect of calcium on wheat seed germination were studied .Results indicate that wheat seed germination is inhibited by
150mmol/L NaCl .“Xiaoyan6”is more toleran t than “Shaan229”during wheat germination .The ameliorative effect of ex唱
ogenous calcium on the germination of the tw o wheat genot ypes is differen t .Salt injury on “Shaan229” is significan tly re唱
duced by the addition of 6 mmol/L Ca2 + ,but calcium has no ameliorative effect on “Xiaoyan6” .Salt st ress can decrease
proteinase and amylase activities during wheat germination . “ Xiaoyan6 ” enzyme activit y is higher than that of
“Shaan229” .Proteinase activity is improved by calcium while amylase activit y is litt le affected by calcium .Na+ content in
wheat seeds increases remarkably while K/Na ratio decreases significantly under salt stress .Na + content of wheat seed is
affected by exogenous calcium ,but K + conten t is little affected under 150 mmol/L NaCl and calcium .
Key words   Salt st ress ,Calcium ,Amylase ,Proteinase ,K/Na ratio ,Winter wheat ,Seed germination
(Received Dec .21 ,2005 ; revised March 5 ,2006)
盐胁迫抑制种子的正常萌发 ,这是妨碍植物在盐碱地上立苗的实践性问题[1] 。 种子萌发对盐碱的反应
特别敏感 ,播在中度盐渍土(耕层土壤含盐 5 ~ 7g/kg)中的大田作物一般缺苗五 、六成[2] 。 因此提高盐碱地
作物种子的萌发 、出苗和成苗率有重要意义 。 近年来 ,应用外源物质减轻盐害成为抗盐研究中的热点 。 Ca
处理能减轻盐胁迫对多种植物生理过程的伤害[18] ,提高植物的抗盐性 。 施加适量的 Ca ,一方面可缓解因
Ca2 + 不足引起的矿质营养胁迫 ,另一方面可增强质膜的稳定性和 Ca信号系统的正常发生和传递 ,阻止细胞
内 K + 的外流和 Na + 的大量进入 ,以维持细胞内的离子平衡[19 ,3 ,4] 。 Ca处理能明显提高甘薯 、玉米 、大豆种
子的萌发率[5 ~ 7] ;Ca(NO3 )2 可缓解盐害对小麦萌发及幼苗生长过程的不良影响[8 ,9] 。 本试验以两种耐盐性
差异显著的冬小麦基因型[10]为试验材料 ,研究了盐分胁迫对小麦种子萌发过程中 Na + 吸收和累积及其对
C 、N 代谢的影响 ,以及外源 Ca(NO3 )2 和 CaCl2 对小麦萌发过程中盐害的缓解效应 ,为小麦抗盐研究和应用
提供依据 。
第 15卷第 4 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol .15   No .4
2 0 0 7 年 7 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture July ,  2007
1   试验材料与方法
供试小麦品种为“小偃 6 号”和“陕 229” ,两品种均由西北农林科技大学冷源小麦研究室提供 。 试验采
用发芽试验 ,挑选大小一致 、饱满的小麦籽粒用 10 % 的次氯酸钠消毒 10min 。 将种子放入蒸馏水中通气吸涨
4h ,播于铺有一层滤纸的培养皿(10cm)内 ,每皿 30 粒 ,每品种重复 4 次 。 然后分别加入如下处理溶液 :蒸馏
水(T1) ;150mmol/LNaCl ( T2) ;150mmol/LNaCl + 6mmol/LCa(NO3 )2 ( T3) ;150mmol/LNaCl + 6mmol/L
CaCl2 (T4) ;150mmol/LNaCl + 12mmol/LCa( NO3 )2 ( T5) ;150mmol/LNaCl + 12mmol/LCaCl2 (T6) 。 每培养
皿加处理液 3mL ,于培养箱内(25 ℃ )进行发芽 。 每天补充相应的处理溶液 1畅5mL ,并记录发芽数(以芽长超
过种子长度的 1/2 为发芽标准) 。 种子发芽 4d 后 ,测量芽长 、根长 ,并记录根数 。 参照顾增辉等[11]方法计算
发芽率( G r) 、发芽指数( Gi)和活力指数( V i) 。
Gi = ∑ Gt/ Dt (1)
V i = S· ∑ Gt/ Dt   (2)
式中 ,Gt为在 t日的发芽数 ,Dt 为相应的发芽日数 ,S 为幼苗生长势(平均鲜重或长度) 。 Gi越大 ,表明发
芽速度越快 ;V i 越大 ,表明发芽快 ,长势好 。
取萌发种子剥去胚根和胚芽 ,胚乳用于生理指标测定 。 淀粉酶活性 、可溶性总糖含量和游离氨基酸含
量测定方法参照高俊风[12]主编的枟植物生理学实验技术枠 ,蛋白酶活性测定方法参照朱广廉[13]主编的枟植物
生理学实验枠 。 Na +和 K + 含量测定采用经修改的王宝山 、赵可夫(1995)方法[14] 。 取萌发(包括胚根和胚芽)
种子 ,置 105 ℃ 烘箱中杀酶 10 min ,然后在 85 ℃ 下烘干(24h) 。 研磨粉碎后称取 0畅1000g 粉末放入 15mL 具
塞刻度试管中 ,加 10mL 去离子水 ,于沸水浴中浸提 2h 后定容至 50mL 。 过滤后 ,用火焰光度计测定滤液中
的 Na + 、K + 含量 。
2   结果与分析
2畅1   盐胁迫下钙离子对小麦种子萌发的影响
由表 1 可知 ,150mmol/LNaCl 胁迫下 ,“陕 229”和“小偃 6 号”两个品种小麦萌发均受到一定程度的抑
制 。 两种小麦的发芽率 、发芽指数及活力指数均明显下降 ,“陕 229”的降幅大于“小偃 6 号” 。 外源钙素对盐
处理下小麦种子发芽率 、发芽指数及活力指数有一定的影响[15] 。 蔡蕾等 (2004)研究表明 ,1 % NaCl( ≈
170mmol/L)胁迫下外源 0畅1 % Ca(NO3 )2 ( ≈ 6mmol/L)处理对盐敏感小麦种子萌发的缓解作用好于耐盐小
麦种子[16] 。 本试验结果表明 ,150mmol/LNaCl胁迫下 ,6mmol/L 外源钙可提高盐胁迫下“陕 229”种子萌发
率 、发芽指数和活力指数 ,且 CaCl的效应大于 Ca(NO3)2 ;外源钙的种类和浓度对盐胁迫下“小偃 6 号”的发
芽率和发芽指数等影响不大 ,种子活力指数因 Ca 的加入而降低 ,且随 Ca 浓度的增大 ,抑制作用越大 。
12mmol/LCaCl2 (T6)或 Ca(NO3 )2 (T5)则降低了盐胁迫下两种小麦种子的发芽率 、发芽指数及活力指数 ;高
浓度 Ca对“陕 229”的抑制效应大于“小偃 6 号” 。 说明钙离子的效应与基因型有关 ,也与钙盐种类与钙离子
浓度有关 。
表 1   盐胁迫下钙离子对小麦发芽率 、发芽指数与活力指数的影响 倡
Tab .1   Effect of calcium on the germination rate ,germination index(Gi) and vigor index (Vi) of
win ter wheat seeds under salt stress
品   种
Variety
项   目
I tem
处   理 T rea tment
T 1(CK) T2 T 3 T4 T 5 T6
小偃 6 号 发芽率 / % 93畅0 ± 3(100) 88畅0 ± 3(95) 88畅0 ± 2(95) 86畅0 ± 2(92) 83畅0 ± 2(89) 82畅0 ± 3(88)
发芽指数 114畅3(100) 62畅9(55) 63畅4(55) 61畅3(54) 58畅3(51) 58畅8(51)
活力指数 327畅9(100) 55畅8(17) 55 .5(17) 47畅1(14) 39畅6(12) 37畅7(11)
陕 229 发芽率 / % 88畅0 ± 2(100) 60畅0 ± 4(68) 61畅0 ± 4(69) 66畅0 ± 1(75) 38畅0 ± 2(43) 49畅0 ± 1(56)
发芽指数 102畅7(100) 33畅8(33) 37畅7(37) 44畅3(43) 25畅6(25) 33畅6(33)
活力指数 280畅7(100) 11畅5(4) 16畅6(6) 18畅5(7) 6畅8(2) 9畅9(4)
    倡 表中数值为平均值 ± 标准误 ( n = 4) ,括号内数值为占对照的百分数 ,下同 。
2畅2   盐胁迫下钙离子对种子萌发过程中 C 、N代谢的影响
张士功等[8]研究表明 ,1畅2 % NaCl( ≈ 205mmol/L)胁迫下 4g/L( ≈ 24mmol/L)的外源硝酸钙能显著增强
90  中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
正在萌发的小麦胚乳内 ɑ唱淀粉酶和蛋白酶活力 ,提高胚乳内可溶性糖 、游离氨基酸等可溶性物质含量 。 本
试验结果则表明 ,150mmol/LNaCl胁迫条件下 ,两种小麦胚乳内淀粉酶活性均比对照明显下降 。 对照和盐
胁迫下 ,“小偃 6 号”胚乳内淀粉酶活性明显高于“陕 229” 。 与单盐处理相比 ,6mmol/LCa(NO3 )2 处理( T3)
的淀粉酶活性略有增加 ,其他处理对淀粉酶的活性影响不大(图 1a) 。 150mmol/LNaCl胁迫条件下 ,两种小
麦胚乳内蛋白酶活性均比对照明显下降 ,“陕 229”降幅大于“小偃 6 号” 。 外源钙可大幅度提高盐胁迫下小
麦胚乳中蛋白酶活性 。 “小偃 6 号”蛋白酶活性增幅在 6mmol/LCaCl2 处理(T4)时最大 ,“陕 229”蛋白酶活
性增幅在 12mmol/LCaCl2( T6)时最大 。 在相同浓度下 ,CaCl2 处理对蛋白酶活性影响大于Ca(NO3 )2处理(图
1b) 。 图 1a和图 1b表明 ,150mmol/L NaCl胁迫条件下 ,两种小麦胚乳内淀粉酶和蛋白酶活性均比对照明显
降低 。 而“小偃 6 号”在盐胁迫下仍能维持胚乳内相对较高的淀粉酶和蛋白酶活性 ,可能是“小偃 6 号”种子
萌发优于“陕 229”的内在原因 。
图 1   不同处理小麦胚乳内淀粉酶(a) 、蛋白酶活性(b)及可溶性糖(c) 、氨基酸含量(d)变化
Fig .1   Changes of the amylase activit y (a) ,proteinase activit y (b) ,soluble carbohydrate con ten t (c) and
amino acid content (d) in endosperm of germinating wheat seeds
由图 1c 可知 ,
150mmol/LNaCl胁
迫条件下 ,两种小
麦胚乳内可溶性糖
含量均比对照显著
下降 ,“陕 229”的
降幅大于 “小偃 6
号” 。 盐胁迫下 ,外
源钙盐对提高小麦
胚乳内可溶性糖含
量无明显作用 ,这
与 Ca 对淀粉酶活
性的影响一致 。 Ca
对“陕 229”胚乳体
内的可溶性糖含量
影响大于 “小偃 6
号 ” 。 由 图 1d 可
知 ,对照和盐胁迫
条件 下 ,“小 偃 6
号”胚乳中游离氨
基酸总量高于“陕 229” ;盐胁迫时 ,“小偃 6 号”变化不大 ,而“陕 229”下降 。 6mmol/L 、12mmol/LCa(NO3)2
处理(T3 ,T5)和 12mmol/LCaCl2( T6)处理可增加“小偃 6 号”胚乳中游离氨基酸含量 。 两种 Ca源和两种 Ca
浓度处理时“陕 229”胚乳中氨基酸含量增加 。 这与 Ca对蛋白酶活性的影响基本一致 。
2畅3   盐胁迫下萌发小麦种子 Na + 和 K +含量
有研究表明 ,盐胁迫下种子吸入过量 Na + 和 Cl - ,从而对种胚产生离子毒害 ,影响胚发育和种子
萌发[3 ,17 ,20] 。 由表 2 可知 ,150mmol/ LNaCl 胁迫下 ,两小麦种子内的 Na + 含量显著增加( P < 0畅01) ,
种子 K /Na 与对照相比也明显降低( P < 0畅01) ,表明种子内累积过量的 Na + ,K/Na 降低可能是盐
胁迫下种子萌发受抑制的直接原因之一 。 盐胁迫下种子中 K + 含量变化不大 。 章文华等 (1993)观
察到外源 Ca2 + 可增加作物种子中 K + 累积 ,减少 Na + 累积 ,缓解盐抑制种子萌发的效应[21] 。 本试验
结果显示 ,对 “小偃 6 号 ”而言 ,12 mmol/ LCa(NO3 )2 ( T 5)处理可显著减少盐胁迫下种子内 Na + 的累
积 ;6mmol/ L 和 12mmol/ LCaCl2 ( T 4 ,T6)处理下 ,种子中 Na + 累积量比单盐处理有所降低 ,种子中
K + 累积量略有增加 。 对“陕 229”而言 ,6mmol/ L 和 12 mmol/ LCa( NO3 )2 ( T3 ,T 5)处理可明显降低
盐胁迫下种子中 Na + 含量 ,6 mmol/ L 和 12 mmol/ LCaCl2 ( T 4 ,T6)处理对种子中 Na + 含量变化影响
较小 ;钙处理下小麦种子中 K + 的累积量与单盐处理相比略有增加 。 说明钙离子可减轻盐胁迫对膜
的伤害 ,减少种子中 K + 的外渗和 Na + 离子的流入 。 外源 Ca2 + 对盐胁迫下小麦种子内 Na + 累积影响
较大 ,对 K + 累积影响较小 ,且 Ca ( NO3 )2 作用大于 CaCl2 。 外源钙处理下两品种小麦种子 K/ Na 与
第 4期 赵   旭等 :盐胁迫下两种基因型冬小麦萌发过程中钠离子吸收及对碳 、氮代谢的影响 91 
单盐处理相比也有增加 ,但未达显著差异水平 。 6 mmol/ L 和 12mmol/ LCa ( NO3 )2 ( T 3 ,T 5)处理下 ,
与“小偃 6 号 ”比 ,“陕 229”种子内 Na + 含量较低 ,K/ Na 较高 ,差异显著 ,表明 Ca( NO3 )2 对盐胁迫下
“陕 229”种子内 Na + 累积和 K/ Na 比的影响大于 “小偃 6 号 ” ,尤以 12 mmol/ LCa(NO3 )2 处理 ( T 5)
最为明显 。
表 2   盐胁迫下钙离子对萌发小麦种子 Na+ 、K+ 含量及 K/Na的影响 倡
Tab .2   Effect of calcium on Na + & K + content and K/Na ratio of germinating wheat seeds under salt st ress
品   种
Variety
项   目
I tem
处   理 T reatment
T1 T2 T3 T 4 T5 T6
小偃
6 号
Na + /mg·g - 1 (DW) 0畅65 ± 0畅16a 5畅56 ± 0畅03c 6畅48 ± 0畅16d 5畅52 ± 0畅07c 5畅06 ± 0畅02b 5畅25 ± 0畅08bc
a a b a b a
K + /mg·g - 1(DW) 2畅16 ± 0畅13a 2畅14 ± 0畅01a 2畅55 ± 0畅11b 2畅37 ± 0畅09ab 2畅32 ± 0畅02ab 2畅26 ± 0畅01ab
a a a a a a
K/ Na 3畅991 ± 0畅925b 0畅384 ± 0畅003a 0畅392 ± 0畅007a 0畅430 ± 0畅012a 0畅458 ± 0畅004a 0畅431 ± 0畅007a
a a a a a a
陕 229 Na + /mg·g - 1 (DW) 0畅65 ± 0畅07a 5畅12 ± 0畅14cd 4畅59 ± 0畅07b 5畅43 ± 0畅13d 4畅25 ± 0畅07b 4畅70 ± 0畅18bd
a a a a a a
K + /mg·g - 1(DW) 2畅08 ± 0畅04a 2畅06 ± 0畅14a 2畅28 ± 0畅02a 2畅21 ± 0畅06a 2畅14 ± 0畅06a 2畅31 ± 0畅04a
a a a a a a
K/ Na 3畅312 ± 0畅376b 0畅401 ± 0畅020a 0畅497 ± 0畅009a 0畅407 ± 0畅004a 0畅503 ± 0畅011a 0畅493 ± 0畅018a
a a b a b a
    倡 表中右侧小写字母表示同一品种不同处理间在 5 % 水平上的差异显著性 ,下侧小写字母表示相同处理下两品种间在 5 % 水平上的差异
显著性 。
3   小结与讨论
150mmol/LNaCl胁迫处理均可抑制 “小偃 6 号”和“陕 229”的萌发 ,但对 “陕 229”的影响大于“小偃 6
号” 。 盐胁迫对“小偃 6 号”的发芽率影响较小 ,对发芽指数和活力指数影响较大 ;对“陕 229”的发芽率 、发芽
指数和种子活力均有显著影响 。 钙离子对两种基因型小麦在盐胁迫下的缓解作用因钙盐的种类和浓度不
同而异 。 6mmol/LCaCl2 或 Ca(NO3 )2 可显著减轻“陕 229”的盐害作用 ,提高其发芽率 、发芽指数和活力指
数 ,而对“小偃 6 号”作用不大 。 12mmol/L 钙离子处理则有加重盐害的趋势 。 150mmol/LNaCl胁迫处理下 ,
种子内 Na + 过量累积 ,K/Na显著下降 ,可能是盐胁迫下小麦种子萌发受抑制的主要原因 。 盐胁迫和 Ca处
理对小麦种子内 K + 含量影响较小 ;Ca 处理对小麦种子 K/Na 影响也较小 ;钙离子对盐胁迫下小麦种子内
Na + 的影响因钙盐的种类 、浓度及小麦基因型的不同而异 。 6mmol/L 和 12mmol/L Ca(NO3 )2 处理可明显降
低“陕 229”种子内 Na + 含量 ,12mmol/L Ca(NO3)2 处理降低了“小偃 6 号”种子内 Na + 含量 。 CaCl2 对两种
小麦种子中 Na + 累积量的减少作用不大 。
“小偃 6 号”萌发过程中胚乳中淀粉酶的活性高于“陕 229” ,盐胁迫下胚乳中的可溶性糖含量也较“陕
229”高 ,说明“小偃 6 号”萌发过程中 C代谢优于“陕 229” 。 盐胁迫下“小偃 6 号”和“陕 229”种子胚乳内的蛋
白酶活性均显著降低 ,“陕 229”的降幅显著大于“小偃 6 号” 。 在盐胁迫条件下 ,钙离子对淀粉酶活性的影响
较小 ,对蛋白酶活性有显著影响 。 两种钙盐在 6mmol/L和 12mmol/L 浓度下均可提高盐胁迫下胚乳中蛋白
酶的活性 ;CaCl2 对蛋白酶的影响大于 Ca(NO3)2 。 钙离子对种子萌发过程中盐胁迫的缓解作用与其提高种
子蛋白酶活性 、改善 N 代谢水平有关 。 “小偃 6 号”种子萌发过程中较高的耐盐性可能是由于其胚乳内淀粉
酶和蛋白酶活性较高 ,蛋白酶对盐胁迫的适应性较强所致 。 盐胁迫条件下 ,两种基因型小麦萌发过程对钙
离子的不同反应可能与胚乳中两种酶的适应能力有关 。 “小偃 6 号”的酶活性较高 ,适应性强 ,对钙离子的依
赖性小 ,而“陕 229”的蛋白酶活性对钙离子的依赖性较高 ,因此在盐胁迫条件下对 Ca较敏感 。
150mmol/LNaCl胁迫处理抑制小麦种子萌发的原因不仅是渗透胁迫 ,还可能与种子内淀粉酶和蛋白酶
活性的降低有一定关系 ,即在萌发过程中大量吸收积累 Na + ,K/Na下降 ,离子外渗 ,胞内离子不平衡 ,破坏
细胞正常生理功能 ,抑制细胞酶活性 。 相关分析表明 ,K/Na 与胚乳中淀粉酶活性正相关 ,相关系数为
0 .5002( P < 0畅1) ,说明 Na +的累积及 K/Na下降可能与盐胁迫下种子胚乳内淀粉酶活性降低有一定关系 。
92  中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
K +与蛋白酶活性正相关 ,相关系数为 0畅5199( P < 0畅1) 。 在盐胁迫条件下 ,当种子中的 Na + 含量达到一定
水平时 ,与淀粉酶和蛋白酶活性不一定呈负相关 。 如本研究中 150mmol/LNaCl 胁迫处理条件下 ,“小偃 6
号”的酶活性和 Na + 含量均高于“陕 229” ,而其酶活性也高于后者 。 因此 ,小麦萌发过程中种子内 Na + 、K + 、
Cl - 等含量与胚乳内两种酶活性关系尚待进一步研究 。
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