鹽脅迫下不同鹽生植物滲透調(diào)節(jié)的生理響應(yīng)1)

武 香 倪建偉 張華新 劉 濤

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，北京，100091)

我國(guó)的鹽堿地總面積在0.33億hm2以上，主要分布在濱海、東北、西北、黃河上中游和黃淮海平原地區(qū)在內(nèi)的17個(gè)省份，其中具有農(nóng)業(yè)利用潛力的鹽堿荒地和鹽堿障礙耕地面積近0.13億hm2，利用潛力巨大［1］。改良和利用鹽堿地有助于緩解我國(guó)的人口和環(huán)境壓力，而篩選和推廣耐鹽堿植物是改良利用鹽堿地的有效措施之一，因此，培育和篩選能適應(yīng)高鹽環(huán)境的鹽生植物，利用生物措施改良鹽堿土，對(duì)于改善鹽堿地生態(tài)系統(tǒng)和提高土地資源利用率具有重要意義。

鹽堿脅下植物受到滲透脅迫和離子毒害，高等植物通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)機(jī)離子比例、數(shù)量和積累細(xì)胞無(wú)毒的有機(jī)物(脯氨酸、可溶性糖等)來(lái)進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)以提高其耐鹽性［2］。目前，植物的耐鹽性研究主要集中在利用生長(zhǎng)指標(biāo)和幾個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行耐鹽能力綜合評(píng)價(jià)和耐鹽機(jī)理研究等方面［3－8］，對(duì)于鹽脅迫下耐鹽機(jī)理不同的鹽生植物以及同一屬的不同種植物滲透調(diào)節(jié)響應(yīng)的研究較少。本試驗(yàn)以3種柳樹(shù)、3種檉柳和2種白刺為試材，研究其在不同濃度鹽脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化的差別，并分析這種差別與其耐鹽機(jī)理的關(guān)系，為進(jìn)一步了解滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物耐鹽過(guò)程中的作用和研究拒鹽植物、泌鹽植物、稀鹽植物的耐鹽性差別提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)在北京市昌平區(qū)半壁店村的大棚溫室內(nèi)進(jìn)行。供試材料為竹柳(Salix(trade name))、沙柳(Salix psammophila)、烏柳(Salix cheilophila)、中華檉柳(Tamarix chinesis Lour).、甘蒙檉柳(Tamarix austromongolica)、剛毛檉柳(Tamarix hispida)、唐古特白刺(Nitraria tangutorum)、西伯利亞白刺(Nitraria Sibirica Pall.)的1年生苗木。2011年4月初，將試驗(yàn)材料定植在30 cm×24 cm的底部帶托盤(pán)的塑料盆中。定植所用基質(zhì)為V(腐殖質(zhì)土)∶V(草炭)∶V(珍珠巖)=1∶3∶1混合均勻且質(zhì)量相等，用多菌靈進(jìn)行消毒。定植后進(jìn)行常規(guī)管理。6月底，選擇長(zhǎng)勢(shì)相對(duì)一致的苗木進(jìn)行不同濃度的NaCl脅迫處理。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以不加NaCl為對(duì)照，共設(shè)4 個(gè)鹽濃度處理，分別為 100、200、300、400 mmol/L，3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)8株苗木。采取分次澆灌的施鹽方式。鹽脅迫期間，定期定量澆水，漏于花盆托盤(pán)中的鹽溶液或水倒回盆中，防止鹽分流失。鹽脅迫處理歷時(shí)30 d。

采用磺基水楊酸比色法測(cè)定［9］脯氨酸，采用蒽酮比色法測(cè)定［9］可溶性糖，采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定［9］可溶性蛋白，礦質(zhì)元素參照王寶山［10］和於丙軍［11］的方法，Na+和K+用原子吸收分光光度計(jì)法測(cè)定，Cl－用自動(dòng)滴定儀測(cè)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS分析軟件進(jìn)行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對(duì)8個(gè)樹(shù)種有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

30 d鹽脅迫后，各樹(shù)種葉片中的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化有所不同，除烏柳在400 mmol/L時(shí)的低于對(duì)照外，其他與對(duì)照相比均有不同程度的增加，鹽脅迫對(duì)中華檉柳、剛毛檉柳、唐古特白刺、西伯利亞白刺的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響顯著(P＜0.05)(表1)。其中，3種柳樹(shù)在低鹽濃度脅迫下呈增加趨勢(shì)，沙柳鹽脅迫前后無(wú)明顯差別，竹柳、沙柳、烏柳分別在400、100、200 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值，比對(duì)照增加了13.65%、11.69%、12.95%;中華檉柳隨鹽濃度的上升呈先增后降的趨勢(shì)，剛毛檉柳與鹽濃度呈明顯的正相關(guān)，甘蒙檉柳除在300 mmol/L時(shí)略有下降外基本呈增加趨勢(shì);唐古特白刺的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨鹽濃度上升而增加，西伯利亞白刺的變化與甘蒙檉柳相似。

鹽脅迫30 d對(duì)竹柳和唐古特白刺葉片中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響顯著(P＜0.05)(表2)。其中，3種柳樹(shù)鹽脅迫后相比對(duì)照均有不同程度的增加，沙柳和烏柳僅在高鹽濃度下與對(duì)照有較大差異;3種檉柳除中華檉柳和剛毛檉柳在鹽濃度為400 mmol/L時(shí)低于對(duì)照外，其他處理均高于對(duì)照，且隨鹽濃度增加的變化趨勢(shì)相同，均先增后降;唐古特白刺在400 mmol/L時(shí)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于對(duì)照，西伯利亞白刺隨鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化呈先增后降的變化趨勢(shì)，與檉柳相似。甘蒙檉柳、竹柳和唐古特白刺的增幅最大，分別為 60.56%、54.32%和 41.08%。

表1 不同濃度鹽脅迫對(duì)葉片中脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表2 不同濃度鹽脅迫對(duì)葉片中可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

各樹(shù)種鹽脅迫后葉片中的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化有所不同，鹽脅迫對(duì)烏柳的影響不顯著(P＞0.05)(表3)。其中，竹柳和沙柳的變化趨勢(shì)相同，除在300 mmol/L時(shí)略有下降外，基本呈增加趨勢(shì)，高濃度鹽脅迫對(duì)其影響較為明顯，烏柳隨鹽濃度呈先增后降的趨勢(shì);鹽脅迫下中華檉柳和剛毛檉柳的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于對(duì)照，甘蒙檉柳在低鹽濃度下明顯增加，高鹽濃度與對(duì)照含量相差不大;唐古特白刺的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)在200 mmol/L時(shí)達(dá)到最大，比對(duì)照增加了63.66%，西伯利亞白刺隨鹽濃度呈現(xiàn)明顯的先增后降的趨勢(shì)，在300 mmol/L時(shí)的含量最大，增幅為174.33%，在8個(gè)樹(shù)種中增幅最大?？傮w來(lái)說(shuō)，除中華檉柳和剛毛檉柳以外的6個(gè)樹(shù)種在低濃度鹽脅迫下葉片中積累可溶性蛋白。

2.2 鹽脅迫對(duì)8個(gè)樹(shù)種無(wú)機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

鹽脅迫后的Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上是增加的，鹽脅迫對(duì)烏柳、中華檉柳、甘蒙檉柳、唐古特白刺的葉，竹柳的莖以及烏柳、甘蒙檉柳的根中的Na+影響顯著(P＜0.05)(表4)。低鹽濃度下，除剛毛檉柳和西伯利亞白刺的莖外，其他各樹(shù)種的根莖葉中的Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。3種檉柳的葉、中華檉柳和唐古特白刺的莖、中華檉柳的根均隨鹽濃度的增加呈先增后降的趨勢(shì)。竹柳的葉以及竹柳、沙柳、烏柳、剛毛檉柳、唐古特白刺的根均與鹽脅迫濃度呈正相關(guān)。3種檉柳和2種白刺的莖中Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化種間差別較大。

表3 不同濃度鹽脅迫對(duì)葉片中可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表4 不同濃度鹽脅迫對(duì)8個(gè)樹(shù)種Na+、K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)及K+/Na+比值的影響

8個(gè)樹(shù)種鹽脅迫下各部位K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化比較復(fù)雜(表4)。竹柳、沙柳、烏柳、甘蒙檉柳、西伯利亞白刺的葉和甘蒙檉柳的莖中的K+對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)不顯著(P＞0.05)，剛毛檉柳和沙柳的莖各鹽濃度處理的K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與對(duì)照差異顯著(P＜0.05)。沙柳、中華檉柳的葉，竹柳、沙柳、甘蒙檉柳、西伯利亞白刺的莖和竹柳、烏柳的根各濃度鹽脅迫后的K+均低于對(duì)照，樹(shù)種間的下降幅度差異較大。甘蒙檉柳的根和唐古特白刺葉中的K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)則高于鹽脅迫前。

鹽脅迫后8個(gè)樹(shù)種各部位的鉀鈉比除烏柳、剛毛檉柳、唐古特白刺的莖和中華檉柳、唐古特白刺的根在個(gè)別濃度鹽脅迫下高于對(duì)照外，其他都小于鹽脅迫前(表4)。竹柳、烏柳的葉和竹柳、沙柳、烏柳、剛毛檉柳、西伯利亞白刺的根的鉀鈉比均隨鹽濃度的升高而降低。3種柳樹(shù)鹽脅迫前后各部位的鉀鈉比葉＞莖＞根，檉柳和白刺根莖葉中的鉀鈉比葉中最小。

各樹(shù)種不同部位的Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)及變化幅度是不同的，烏柳、中華檉柳的根，甘蒙檉柳的莖和中華檉柳、甘蒙檉柳、唐古特白刺的葉各濃度鹽脅迫后的Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照差異顯著(P＜0.05)(表5)。鹽脅迫后，竹柳、烏柳、中華檉柳、甘蒙檉柳、唐古特白刺的根和葉，甘蒙檉柳、剛毛檉柳的莖中的均高于對(duì)照。葉中增幅最大的是是剛毛檉柳和甘蒙檉柳，莖中的Cl－變化最大的是中華檉柳和剛毛檉柳，根中增加幅度最大的是烏柳和中華檉柳。白刺根莖葉中的Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于柳樹(shù)和檉柳。

表5 不同濃度鹽脅迫對(duì)8個(gè)樹(shù)種Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3 結(jié)論與討論

鹽脅迫下，植物通過(guò)合成和吸收積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，維持高的細(xì)胞質(zhì)滲透壓，以保證細(xì)胞的正常生理功能抵御鹽脅迫，脯氨酸、可溶性糖等是植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，這些物質(zhì)的積累便于植物在高鹽條件下對(duì)水分的吸收，以保證細(xì)胞的正常生理功能［12－14］。其中，脯氨酸的大量積累，能夠降低細(xì)胞的水勢(shì)，調(diào)節(jié)滲透平衡，避免細(xì)胞在鹽脅迫下脫水死亡，但目前關(guān)于脯氨酸含量與植物抗鹽性關(guān)系仍有爭(zhēng)議，需作進(jìn)一步的研究;可溶性糖可為有機(jī)物質(zhì)的合成提供碳架和能量來(lái)源，起到穩(wěn)定細(xì)胞膜的作用，是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì);可溶性蛋白也是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有較強(qiáng)的親水性，對(duì)提高植物的滲透勢(shì)和抗逆性具有重要作用［15－18］。在本試驗(yàn)中，8個(gè)樹(shù)種鹽脅迫后葉片中積累脯氨酸，而屬于拒鹽植物的竹柳、沙柳和烏柳不論是脯氨酸整體質(zhì)量分?jǐn)?shù)還是鹽脅迫后脯氨酸的最大增幅均低于屬于泌鹽植物的3種檉柳和稀鹽植物的2種白刺，可見(jiàn)相比檉柳與白刺，脯氨酸在柳樹(shù)滲透調(diào)節(jié)中發(fā)揮的作用較小，估計(jì)這種差別是由于柳樹(shù)不同于檉柳與白刺的耐鹽機(jī)理造成的，即不允許鹽分進(jìn)入體內(nèi)或把進(jìn)入體內(nèi)的鹽離子區(qū)域化到植物體安全部位而免受鹽分傷害，但其具體相關(guān)性還需要進(jìn)一步研究。可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)除中華檉柳、剛毛檉柳、唐古特白刺在400 mmol/L時(shí)低于對(duì)照外，其他處理均高于對(duì)照，低鹽濃度下8個(gè)樹(shù)種均積累可溶性糖抵御鹽脅迫。鹽脅迫前后，柳樹(shù)的可溶性糖均高于檉柳和白刺，增加幅度因樹(shù)種不同而存在差異。3種柳樹(shù)和2種白刺鹽脅迫后葉片中的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，檉柳種間差別較大，由試驗(yàn)可知可溶性蛋白不是甘蒙檉柳和剛毛檉柳的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)?？傮w來(lái)說(shuō)，不同植物在鹽脅迫環(huán)境中用于滲透調(diào)節(jié)的主要有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)不同，這與植物的耐鹽機(jī)理和種間差別存在一定的相關(guān)性。

鹽脅迫下，植物體內(nèi)礦質(zhì)元素的變化與分布狀況對(duì)植物的滲透調(diào)節(jié)能力和耐鹽能力有非常重要的影響。根系吸收過(guò)程中高濃度的Na+和Cl－存在，干擾了植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素K+、Ca2+和N的吸收，對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，決定林木耐鹽能力的關(guān)鍵之一在于林木對(duì)Na+、K+、Cl－等離子的吸收的調(diào)節(jié)能力，即限制Na+和Cl－進(jìn)入體內(nèi)，選擇性地吸收K+，才能提高其耐鹽能力［19］。本試驗(yàn)中，8個(gè)樹(shù)種鹽脅迫后各部位Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，3種柳樹(shù)根中的Na+質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，莖和葉中的Na+差別與柳樹(shù)品種有關(guān)，檉柳葉中最大，白刺含量最高的部位也是葉，莖略大于根，由此可見(jiàn)，耐鹽機(jī)理不同的植物根系對(duì)Na+離子的選擇性吸收及其在各部位的分配是不同的。K+質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化比較復(fù)雜，總的來(lái)說(shuō)，鹽脅迫使3種柳樹(shù)的K+減少，檉柳和白刺各部位的K+變化品種間的差異較大，從樹(shù)種的三個(gè)部位來(lái)看，葉中的K+明顯高于根和莖。8個(gè)樹(shù)種各部位的Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體來(lái)說(shuō)是增加的，葉片中的Cl－高于根和莖。鹽脅迫后8個(gè)樹(shù)種的鉀鈉比除根莖的個(gè)別處理高于對(duì)照外基本都是隨著鹽濃度的升高而降低的，可見(jiàn)Na+的吸收抑制了植物對(duì)K+的吸收，3種柳樹(shù)鉀鈉比葉＞莖＞根，3種檉柳不同部位的鉀鈉比差別較小，2種白刺葉中鉀鈉比最小，根和莖差別較小，這可能是由于拒鹽植物、泌鹽植物、稀鹽植物的不同耐鹽機(jī)理影響無(wú)機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物各器官、組織及細(xì)胞上的區(qū)域化分布相關(guān)。試驗(yàn)中白刺根莖葉中的Na+和Cl－含量明顯大于檉柳與柳樹(shù)，這是因?yàn)榘状虒儆谙←}植物，在NaCl脅迫下，主要通過(guò)從外界吸收鹽離子，即利用液泡積鹽進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，而屬于拒鹽植物的柳樹(shù)和屬于泌鹽植物的檉柳則是分別通過(guò)拒絕鹽分進(jìn)入和利用鹽腺與鹽囊泡降低體內(nèi)的鹽分水平。

滲透調(diào)節(jié)是植物在鹽漬環(huán)境中抵御鹽脅迫的重要生理機(jī)制，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)復(fù)雜多樣，不同鹽生植物因耐鹽機(jī)理、種間差異等原因，其用于滲透調(diào)節(jié)的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有所不同，同一滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的重要性也存在差別，因此關(guān)于拒鹽植物、稀鹽植物和泌鹽植物耐鹽機(jī)理與滲透調(diào)節(jié)機(jī)制的關(guān)系以及種間差異對(duì)植物滲透調(diào)節(jié)的影響，還需要結(jié)合同一耐鹽機(jī)理的其他樹(shù)種和更多的滲透調(diào)節(jié)指標(biāo)如甜菜堿、多元醇、有機(jī)酸等，做更深入的研究。

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