鹽脅迫下鉀離子對甜高粱碳同化和光系統(tǒng)Ⅱ的影響

葛江麗，姜闖道

（1.黑龍江省牡丹江林業(yè)科學(xué)研究所，黑龍江 牡丹江 157009；2.中國科學(xué)院植物研究所，北京 100093）

干旱和半干旱地區(qū)土壤鹽漬化已成為限制農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素，甜高梁（Sorghum bicolor L.）是目前光合效率最高的植物。光系統(tǒng)Ⅱ?qū)Νh(huán)境脅迫非常敏感。有研究表明，鹽脅迫誘導(dǎo)的PSⅡ活性下降與PSⅡ氧化損傷有關(guān)[1]。但有研究認(rèn)為，單純鹽脅迫不會(huì)傷害光系統(tǒng)Ⅱ的最大光化學(xué)效率[2]。

鉀是三大營養(yǎng)元素之一，鉀離子在膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)同樣可以允許鈉離子通過，由于鉀離子和鈉離子有著相似的水合離子半徑，因此鹽脅迫條件下，鈉離子其中一個(gè)有害影響就是與鉀離子競爭跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)位點(diǎn)[3]，從而破壞鈉離子與鉀離子平衡。所以，研究認(rèn)為植物抵御鹽脅迫的能力一定程度上依賴于鉀的供應(yīng)水平[4]，維持K+/Na+比例在一個(gè)合理范圍內(nèi)對抗鹽性具有重要意義。也有研究表明，植物體內(nèi)的鉀鈉比例與抗鹽性無關(guān)[5]。為此，本文針對鹽脅迫下鉀離子與鈉離子的關(guān)系進(jìn)行深入研究。本試驗(yàn)研究KCl濃度對NaCl脅迫下甜高粱碳同化、離子積累及光系統(tǒng)Ⅱ行為變化影響，闡述鉀離子濃度，尤其是低鉀對甜高粱抗鹽性影響的可能機(jī)制，從而為研究鹽脅迫條件下植物響應(yīng)機(jī)理提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

以甜高粱（Sorghum bicolor L.）為試材。于2009年6月將甜高粱播種在蛭石中，發(fā)芽期正常澆水。當(dāng)幼苗長到2葉期時(shí)，每天澆兩次營養(yǎng)液。待小苗長出3片葉子后移出，置于盛有Hoagland營養(yǎng)液（30 cm×50 cm）的塑料桶中水培。每盆1株，每3 d更換一次營養(yǎng)液。水培苗放置在中國科學(xué)院植物研究所溫室內(nèi)（室內(nèi)光強(qiáng)6.7×104lx；溫度24℃；相對濕度20%）。移栽緩苗1周后開始處理。

1.2 方法

為避免引入K+，采用改動(dòng)后的Hoagland營養(yǎng)液，即用NH4NO3代替KNO3，作為基礎(chǔ)營養(yǎng)液（溶液pH調(diào)節(jié)為5.6左右）。在每個(gè)KCl濃度里分別施加0、100和200 mmol·L-1NaCl。用KCl作為外源鉀，本試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)KCl梯度，分別是0、2、5、14和49 mmol·L-1。由于Hoagland營養(yǎng)液中本身有1 mmol·L-1的KH2PO4，所以K+最終濃度分別是1、3、6、15和50 mmol·L-1。處理兩周后分別選取第4片葉子進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)測量，每個(gè)處理至少3次重復(fù)。

1.3 測試指標(biāo)

1.3.1 氣體交換參數(shù)的測定

便攜式光合作用測定系統(tǒng)（LI-6400 USA）在室溫（30 ℃）、360 μmol CO2·mol-1和不同光強(qiáng)下（4.4×104和6.7×104lx）測定光合速率、細(xì)胞間隙CO2濃度及氣孔導(dǎo)度等參數(shù)；在室溫（30℃）、光強(qiáng)6.7×104lx（飽和光強(qiáng)）和不同CO2濃度（360、1400 μmol CO2·mol-1）條件下測定光合速率對CO2濃度的響應(yīng)。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

葉綠素?zé)晒馐褂帽銛y式光合作用測定系統(tǒng)（LI-6400 USA）測定，方法參照文獻(xiàn)[6]。

1.3.3 Na+和 K+的測定

取10 g烘干至恒重的材料置于50 mL三角瓶中，加入25 mL 0.1 mol·L-1硝酸，室溫浸提72 h，過濾定容至100 mL，Na+和K+含量用火焰光度計(jì)（6410型，中國）測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl脅迫下K＋對葉片離子含量的影響

從圖1中可以看出，相同NaCl濃度下，甜高粱葉片K+含量隨著KCl濃度的增加而增大，Na+含量則隨之減少。隨著鹽濃度的增加，K+含量不斷下降，而Na+含量不斷增加。K+/Na+比值變化趨勢與KCl濃度變化趨勢相同。說明培養(yǎng)液中K+和Na+濃度改變可影響甜高粱葉片鈉和鉀離子含量。

圖1 鹽脅迫下K+對甜高粱地上部分離子分布的影響Fig.1 Effects of K+on aerial partions distributing in sweet sorhum under salt stress

2.2 NaCl脅迫下K＋對植物光合速率、氣孔導(dǎo)度和細(xì)胞間隙CO2濃度的影響

由圖2、3可知，隨著NaCl濃度增加，光合速率和氣孔導(dǎo)度下降，但是在相同的NaCl濃度下，隨著KCl濃度增加，光合速率和氣孔導(dǎo)度也不斷增加，在KCl濃度達(dá)到6 mmol·L-1時(shí)，光合速率和氣孔導(dǎo)度達(dá)到最高值，此后隨著KCl濃度增加光合速率和氣孔導(dǎo)度不斷下降。由圖4可知，細(xì)胞間CO2濃度變化則與其相反，在6 mmol·L-1KCl濃度下細(xì)胞間CO2濃度值最低，隨著NaCl濃度增加，細(xì)胞間CO2濃度也不斷增加。這說明鹽脅迫抑制甜高粱的碳同化能力和氣孔導(dǎo)度，但細(xì)胞間CO2濃度并未隨著NaCl濃度增加而下降，說明光合速率下降原因可能不是氣孔限制造成，而且適當(dāng)增加K元素可以緩解鹽脅迫對光合速率和氣孔導(dǎo)度的影響，但是過量的K元素同樣也會(huì)對光合速率和氣孔導(dǎo)度產(chǎn)生抑制作用。

圖2 鹽脅迫下K+對甜高粱光合速率(Pn)的影響Fig.2 Effects of K+on photosynthetic rate in sweet sorhum under salt stress

圖3 鹽脅迫下K+對甜高粱氣孔導(dǎo)度(Gs)的影響Fig.3 Effects of K+on Gs in sweet sorhum under salt stress

圖4 鹽脅迫下K+對甜高粱細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)的影響Fig.4 Effects of K+on Ci in sweet sorhum under salt stress

2.3 CO2濃度對光合速率的影響

由圖5可知，在6.7×104lx光強(qiáng)和飽和CO2濃度（1400 μmol CO2·mol-1）下 ，100 和 200 mmol·L-1NaCl處理的光合速率仍低于對照，在KCl濃度達(dá)到6 mmol·L-1時(shí)光合速率達(dá)到最大?？梢娫黾覥O2濃度并不能緩解光合速率下降趨勢，說明光合速率的降低不是氣孔限制造成。

圖5 CO2濃度對甜高粱幼苗光合速率的影響Fig.5 Effects of CO2concentrations on photosynthetic rate in sweet sorghum seedlings

2.4 NaCl脅迫下K＋對葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h3>

由圖6可知，隨著NaCl濃度增加，F(xiàn)o也不斷升高。相同鹽濃度下，隨著K+濃度增加，F(xiàn)o呈先下降后上升趨勢，其中6 mmol·L-1KCl處理Fo較其他KCl濃度小，而且50 mmol·L-1KCl處理最高。而Fm和Fv/Fm變化趨勢則與之相反。由圖7、8可知，隨著鹽濃度的增加，實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSII）和光化學(xué)猝滅系數(shù)（qp）都隨之下降，相同鹽濃度下隨著K+濃度增加，ΦPSII和qp呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢，當(dāng)K+濃度在6 mmol·L-1時(shí)，ΦPSII和qp達(dá)到最大值?？梢姡m當(dāng)?shù)氖┘逾浛梢蕴岣呒ぐl(fā)能的有效利用率。

圖6 鹽脅迫下K+對甜高粱幼苗初始熒光(Fo，a)，最大熒光(Fm，b)和光合系統(tǒng)Ⅱ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm,c)的影響Fig.6 Effects of K+on the initial fluorescence(Fo，a),maximum fluorescence(Fm，b)and photochemical efficiency of PSII(Fv/Fm,c)in sweet sorghum seedlings under salt stress

圖7 鹽脅迫下和K+對甜高粱實(shí)際光化學(xué)效率（ΦPSII）的影響Fig.7 Effects of K+on ΦPSIIin sweet sorghum under salt stress

圖8 鹽脅迫下K+對甜高粱光化學(xué)淬滅（qp）的影響Fig.8 Effects of K+on qpin sweet sorghum under salt stress

3 討論與結(jié)論

在本研究中，鹽脅迫條件下低鉀處理使甜高粱幼苗凈光合速率明顯下降，這種降低伴隨著氣孔導(dǎo)度下降和細(xì)胞間隙CO2濃度升高，且提高葉室CO2濃度未能改變凈光合速率下降，進(jìn)一步肯定低鉀條件下鹽脅迫導(dǎo)致的碳同化能力受抑與氣孔限制無關(guān)。在研究NaCl單獨(dú)處理對甜高粱幼苗光合機(jī)構(gòu)的影響時(shí)觀察到，嚴(yán)重鹽脅迫時(shí)葉片相對含水量下降、初始熒光水平提高，光合機(jī)構(gòu)發(fā)生傷害[7]，本研究再次驗(yàn)證這一結(jié)論。初始熒光水平增加意味著光系統(tǒng)Ⅱ天線的脫落或者光系統(tǒng)Ⅱ結(jié)構(gòu)的傷害[8]，試驗(yàn)推測PSⅡ反應(yīng)中心可發(fā)生傷害。同時(shí)，最大熒光產(chǎn)量明顯下降（見圖6b），這種下降表明光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心還原輔酶A能力減弱，有活性的反應(yīng)中心減少。由于低鉀條件下初始熒光產(chǎn)量升高和最大熒光產(chǎn)量下降，所以導(dǎo)致PSⅡ最大光化學(xué)效率下降。與單獨(dú)NaCl脅迫相比，低鉀導(dǎo)致最大光化學(xué)效率下降程度更加明顯，因此，認(rèn)為低鉀加劇了NaCl誘導(dǎo)的傷害作用。由于碳同化能力下降和PSⅡ失活，導(dǎo)致光下實(shí)際光化學(xué)效率和光系統(tǒng)Ⅱ反應(yīng)中心開放程度降低。

進(jìn)一步研究揭示，高鉀會(huì)影響光系統(tǒng)Ⅱ活性和碳同化能力，但影響相對較小。但高鉀和鹽脅迫條件下這種影響明顯增強(qiáng)，表現(xiàn)為光系統(tǒng)Ⅱ發(fā)生傷害，并導(dǎo)致光下用于光化學(xué)反應(yīng)的光能減少。此外，Cl-增加也會(huì)影響植物生長[9]。據(jù)報(bào)道，由于KCl處理導(dǎo)致玉米根系積累更多Cl-，抑制玉米生長[10]。所以，不能完全排除使用高KCl濃度處理時(shí)Cl-的影響。適鹽性植物一個(gè)主要特征是細(xì)胞質(zhì)內(nèi)K+/Na+比例維持在合適范圍之內(nèi)[4]。有研究指出，在鹽脅迫下K+/Na+比例顯著下降[11]。這是過量的鈉離子在細(xì)胞質(zhì)中積累[12]和鉀離子缺乏增加造成的[6]。抗鹽植物能夠維持較高的K+/Na+比例以確保鉀離子的濃度，使其在鹽脅迫中有更好的表現(xiàn)。有報(bào)道，向鹽脅迫小麥?zhǔn)┘舆m量KNO3，可使K+/Na+恢復(fù)到合適水平，從而緩解小麥鹽脅迫癥狀[13]。本試驗(yàn)中隨著K+濃度提高，K+/Na+比例提高，因此耐鹽性增強(qiáng)。但是當(dāng)K+濃度過高，K+/Na+比例過高時(shí)則不利于植物生長。

[1] Warne T R,Hickok L G,Kinraide T B,et al.High salinity tolerance in the stl2 mutation ofceratopterisrichardiiis associated with enhanced K+influx and loss[J].Plant,Cell&Environment,1996,19:24-32.

[2] Kader M A,Lindberg S.Uptake of sodium in protoplasts of saltsenstitive and salt-tolerance cultivars of rice,Oryza sativa L.determined by the fluorescent dye SBFI[J].Journal of Experimental Botany,2005,56:3149-3158.

[3] Loreto F,Centritto M,Chartzoulakis K.Photosynthetic limitations in olive cultivars with different sensitivity to salt stress[J].Plant,Cell and Environment,2003,26(4):1255-1263.

[4] Maathuis F J M,Amtmann A.K+nutrition and Na+toxicity:The basis of cellular K+/Na+ratios[J].Annals of Botanny,1999,84:123-133.

[5] James R A,Munns R,von Caemmerer S,et al.Photosynthetic capacity is related to the cellular and subcellular partitioning of Na+,K+and Cl-in salt affected barley and durum wheat[J].Plant,Cell&Environment,2006,29:2185-2197.

[6] 姜闖道,高輝遠(yuǎn),鄒琦,等.田間大豆葉片成長過程中的光合特性及光破壞防御機(jī)制[J].植物生理與分子生物學(xué)學(xué)報(bào),2004,30(4):428-434.

[7] 葛江麗,石雷,谷衛(wèi)彬,等.鹽脅迫條件下甜高粱幼苗的光合特性及光系統(tǒng)II功能調(diào)節(jié)[J].作物學(xué)報(bào),2007,33(8):1279-1285.

[8] Shabala S N.Ionic and osmotic components of salts stress specifically modulate net ion fluxes form beam leaf messophyll[J].Plant,Cell&Environment,2000,23:825-837.

[9] Yang J,Blanchar R W.Differentiating chloride susceptibility in Glycine max[J].Agron J,1993,85:880-885.

[10] Zhu J K,Liu J P,Li M X.Genetic analysis of salt tolerance in Arabidopsis:Evidence for a critical role of potassium nutrition[J].Plant Cell,1998(10):1181-1192.

[11] Lissner J,Schierup H,Comin F,et al.Effect of climate on the salt tolerance of two Phragmites australis populations.I.Growth,inorganic solutes,nitrogen relations and osmoregulation[J].Aquatic Botany,1999,64:317-333.

[12] 劉沛然,武維華.高濃度鉀抑制杜氏鹽藻生長的生理機(jī)制[J].植物學(xué)報(bào),1999,41(6):617-623.

[13] 鄭延海.鹽脅迫對不同冬小麥品種的影響及鉀營養(yǎng)對其緩解機(jī)理的研究[D].泰安:山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2007:102-103.