向日葵芽苗期離子對(duì)復(fù)合鹽脅迫的響應(yīng)*

馬 榮, 王 成, 馬 慶, 侯佩臣, 王曉冬

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向日葵芽苗期離子對(duì)復(fù)合鹽脅迫的響應(yīng)*

馬 榮1,3, 王 成2,4, 馬 慶3, 侯佩臣2, 王曉冬1,4**

(1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心 北京 100097; 2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心 北京 100097; 3. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 呼和浩特 010019; 4. 數(shù)字植物北京重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100097)

研究向日葵耐鹽的離子響應(yīng)機(jī)制, 可為快速篩選耐鹽向日葵品種提供科學(xué)依據(jù)。本試驗(yàn)以油用向日葵鹽敏感品種‘YK18’、中度耐鹽品種‘YK06’和耐鹽品種‘GF01’為試驗(yàn)材料, 研究0 mmol·L–1、50 mmol·L–1、100 mmol·L–1、150 mmol·L–1、200 mmol·L–1和250 mmol·L–1復(fù)合鹽(NaCl和Na2SO4按9∶1摩爾比混合)濃度下的種子萌發(fā)和離子在萌發(fā)幼苗中積累分布情況, 并利用離子流檢測(cè)技術(shù), 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)了復(fù)合鹽脅迫24 h后植株根系的K+、Na+、Ca2+等離子的流速流向。結(jié)果表明, 復(fù)合鹽脅迫抑制向日葵種子萌發(fā), 導(dǎo)致發(fā)芽率下降, 平均發(fā)芽時(shí)間延長(zhǎng)。鹽脅迫后向日葵根系K+大量外排, 流速為‘YK18’>‘YK06’>‘GF01’; 隨著鹽脅迫濃度升高, 根系Na+流速由內(nèi)吸轉(zhuǎn)為外排, 內(nèi)吸時(shí)‘YK18’速度最大, ‘YK06’次之, ‘GF01’最小, 外排時(shí)‘GF01’流速最大, 其“排鹽”現(xiàn)象明顯。復(fù)合鹽脅迫后, 整株的Na+積累量增加, K+減少, K+/Na+隨著鹽濃度升高而下降; 低鹽濃度(<150 mmol·L–1)下‘GF01’和‘YK06’莖稈中K+/Na+低于‘YK18’; 高鹽脅迫(≥150 mmol·L–1)下, ‘GF01’整株Na+積累最少, 葉片K+/Na+最高。另外, 鹽脅迫下向日葵幼苗根系Ca2+的吸收速率加快, ‘GF01’是‘YK18’的2倍。由此可見, 不同耐鹽性的油用向日葵植株在鹽脅迫下可通過(guò)調(diào)節(jié)Na+、K+和Ca2+的吸收與外排來(lái)適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境, 耐鹽性強(qiáng)的品種具有更強(qiáng)的保K+能力, 并通過(guò)區(qū)域化Na+(低鹽脅迫)和拒鹽機(jī)制(高鹽脅迫)來(lái)提高其對(duì)鹽脅迫的耐受性, 維持植株葉片中合理的K+/Na+值。本研究結(jié)果可為鹽堿地耐鹽品種篩選和栽培提供理論依據(jù)。

向日葵; 芽苗期; 復(fù)合鹽脅迫; 離子流; 耐鹽性

土地鹽堿化已成為世界性的環(huán)境問題, 全球可利用耕地日益減少, 提高農(nóng)作物的耐鹽性是發(fā)揮鹽堿土效益的有效方法之一[1]。油用向日葵(L)具有生育期短、抗逆性強(qiáng)、產(chǎn)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[2], 能夠在一定含鹽量的鹽堿地正常生長(zhǎng)、繁育。種植油用向日葵不但可以獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益, 還可逐漸改善鹽堿地土壤的理化性質(zhì), 是鹽堿地的理想農(nóng)作物。因此研究油用向日葵的耐鹽性機(jī)理對(duì)品種篩選和栽培措施制定具有重要意義。

目前很多學(xué)者圍繞鹽脅迫下向日葵的生長(zhǎng)和生理特征做了大量研究, 對(duì)揭示向日葵耐鹽機(jī)理, 明確耐鹽性評(píng)價(jià)指標(biāo)有巨大貢獻(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫對(duì)不同品種向日葵種子萌發(fā)均有抑制作用, 隨著鹽濃度升高, 抑制作用增大[3]; 另外還會(huì)影響向日葵的葉面積、株高、膜透性[4]以及活性氧清除能力[5]等。也有研究者指出鹽分脅迫下生物量可作為河套灌區(qū)向日葵耐鹽性分析的關(guān)鍵指標(biāo)[6]。鹽分對(duì)作物造成的離子毒害、滲透脅迫和營(yíng)養(yǎng)失衡等[7]危害主要與植株對(duì)無(wú)機(jī)離子的吸收、運(yùn)輸、分配等調(diào)控能力有直接關(guān)系, 從離子吸收、分配角度研究植株的耐鹽機(jī)理, 對(duì)于評(píng)價(jià)植株的耐鹽性更有直接意義?！熬茆c”和“鈉的區(qū)隔化”是植物耐鹽的主要生理特征, 不少研究認(rèn)為油葵和棉花(spp.)的耐鹽機(jī)理較為相似, 阻止Na+向地上部運(yùn)輸是向日葵具有較強(qiáng)耐鹽性的主要原因之一[8]。鄭青松等[9]通過(guò)檢測(cè)植株體內(nèi)不同部位的Na+含量發(fā)現(xiàn), 將Na+主要隔離在植株的莖稈和根部是維持葉片中合理的K/Na比的重要方式, 并且植株在離子吸收和向上運(yùn)輸過(guò)程中, 對(duì)K+具有較強(qiáng)的選擇性。也有學(xué)者[10]表明在海水脅迫下, 向日葵幼苗各部位K+/Na+始終是葉部最高, 根部最低, 表明低濃度海水脅迫下向日葵幼苗的根和莖部對(duì)Na+有截流作用, 同時(shí)幼苗根部對(duì)K+的吸收和向地上部運(yùn)輸具有較強(qiáng)的選擇性。以上研究均表明將進(jìn)入植株體內(nèi)的Na+區(qū)域化是向日葵耐鹽的重要特征之一, 但對(duì)于鹽脅迫下向日葵植株是否存在“拒鈉”現(xiàn)象鮮見相關(guān)報(bào)道。

離子流檢測(cè)技術(shù)是一種新型的電生理技術(shù), 其中的非損傷性掃描離子選擇電極技術(shù)(scanning ion-selective electrode technique, SIET)可以在無(wú)損的條件下, 檢測(cè)出根際的離子運(yùn)動(dòng)速率、方向。與離子濃度、離子含量等靜態(tài)信息相比, 離子流速檢測(cè)能夠更直觀地揭示植株對(duì)脅迫逆境應(yīng)答的生理機(jī)制[1,11]。本文以復(fù)合鹽脅迫模擬田間土壤鹽分, 研究了鹽脅迫下不同耐鹽性的油用向日葵品種的種子萌發(fā)情況, 結(jié)合離子流檢測(cè)技術(shù)研究了復(fù)合鹽脅迫下油葵幼苗植株對(duì)Na+、K+等離子的吸收和積累情況, 以求從離子吸收角度進(jìn)一步揭示油葵的耐鹽機(jī)制, 為其耐鹽堿品種篩選、推廣以及鹽堿地區(qū)向日葵的生產(chǎn)指導(dǎo)等提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試3個(gè)油用向日葵品種分別為強(qiáng)耐鹽性品種‘GF01’、中度耐鹽性品種‘YK06’和鹽敏感型品種‘YK18’, 均來(lái)自內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合鹽脅迫下的發(fā)芽試驗(yàn)

將NaCl和Na2SO4按9∶1摩爾比混合, 設(shè)5個(gè)處理濃度(S1~S5), 分別為50 mmol·L–1、100 mmol·L–1、150 mmol·L–1、200 mmol·L–1、250 mmol·L–1, CK為清水。每個(gè)處理3次重復(fù)。發(fā)芽試驗(yàn)的具體方法為: 挑選大小一致且飽滿的向日葵種子, 用0.1% HgCl2消毒8 min, 用無(wú)菌水漂洗數(shù)次至無(wú)殘留HgCl2后, 取直徑為12.0 cm的培養(yǎng)皿, 底部墊2張濾紙做發(fā)芽床, 每個(gè)培養(yǎng)皿均勻放置50粒種子, 加入不同濃度的鹽溶液(以濾紙和種子浸濕為宜), 蓋上培養(yǎng)皿蓋。置于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng), 每天更換濾紙, 以保持恒定鹽分濃度, 試驗(yàn)期間每天調(diào)查記錄種子發(fā)芽數(shù)(種子上的真菌要及時(shí)清除, 以免受到污染而影響萌發(fā)), 種子發(fā)芽以胚根達(dá)到種子長(zhǎng)度的一半為準(zhǔn)。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)并計(jì)算發(fā)芽率及相關(guān)指標(biāo)[12]。

發(fā)芽率(%)=最終發(fā)芽種子數(shù)/

供試發(fā)芽總數(shù)×100% (1)

發(fā)芽勢(shì)(%)=第3 d時(shí)全部發(fā)芽的種子粒數(shù)/

供試種子粒數(shù)×100% (2)

發(fā)芽指數(shù)=ΣG/D(3)

平均發(fā)芽時(shí)間=Σ(G×D)/(4)

式中:G為第天發(fā)芽種子數(shù),D為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù),為發(fā)芽率。

1.2.2 向日葵水培

挑選大小一致且飽滿的向日葵種子, 用0.1% HgCl2消8 min, 用無(wú)菌水漂洗數(shù)次至無(wú)殘留HgCl2后, 取直徑為12.0 cm的培養(yǎng)皿, 底部墊2張濾紙做發(fā)芽床, 加入去離子水, 以濾紙和種子浸濕為宜, 待長(zhǎng)出子葉且胚根長(zhǎng)度達(dá)到3~5 cm時(shí), 移入1/2霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液水培。待植株長(zhǎng)到1對(duì)真葉期時(shí), 加入不同鹽梯度的復(fù)合鹽(NaCl+Na2SO4), 鹽脅迫24 h后, 分別測(cè)定油葵植株根際K+、Na+、Ca2+的離子流速以及向日葵葉片、莖稈和根部的K+、Na+含量。

1.2.3 無(wú)機(jī)鹽離子流檢測(cè)

Ca2+、Na+、K+離子流的測(cè)定采用離子流檢測(cè)技術(shù)(便攜式植物微觀動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè)系統(tǒng)AI-IFDD-I, 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心)。取經(jīng)過(guò)硅烷化處理的尖端直徑為4~5 μm的玻璃微電極, 首先從后端注入約10~15 mm長(zhǎng)度的相應(yīng)離子的灌充液(Ca2+: 100 mmol·L–1CaCl2; Na+: 250 mmol·L–1NaCl; K+: 100 mmol·L–1KCl), 然后通過(guò)選擇性離子電極灌裝裝置, 在微電極的尖端灌充相應(yīng)的選擇性離子交換劑(K+: Potassium ionophore I-cocktail A; Sigma-Aldrich, Louis, MO 63103, USA。Na+: odium ionophore II-cocktail A; Sigma-Aldrich, Louis, MO 63103, USA。Ca2+: Calcium ionophore I-cocktail A; Sigma-Aldrich, Louis, MO 63103, USA)。Ca2+與Na+微電極灌注的離子交換劑的長(zhǎng)度約20~40 μm, K+約為180 μm。制作好的電極安裝在氯化的Ag/AgCl電極固定架上, 使Ag/AgCl銀絲前段浸入到灌充液中, 確保電極電解液與前置放大器相連。參比電極為固體電極。玻璃微電極需要校正后使用, K+和Na+的校正能斯特斜率在58左右, Ca2+在29左右即為合格電極, 方可用于檢測(cè)。Ca2+校正液為0.05 mmol·L–1和0.5 mmol·L–1CaCl2, K+校正液為0.1 mmol·L–1和1 mmol·L–1KCl, Na+校正液為0.5 mmol·L–1和5 mmol·L–1NaCl。3種離子測(cè)試液的成分相同, 即0.1 mmol·L–1KCl, 0.1 mmol·L–1CaCl2, 0.1 mmol·L–1MgCl2, 0.5 mmol·L–1NaCl, 0.2 mmol·L–1Na2SO4, 0.3 mmol·L–1MES, pH 6.0。

測(cè)試時(shí), 將向日葵幼苗根系置于測(cè)試液中, 用小玻璃塊將測(cè)試部位固定壓好。測(cè)量區(qū)域是位于距離根尖10 mm左右的根系分生區(qū)。由于分生區(qū)細(xì)胞敏感, 能夠快速準(zhǔn)確地反映鹽脅迫下根系對(duì)3種離子的吸收情況。將電極尖端置于距離根表面10mm處作為原點(diǎn), 電極在垂直于根表面的方向進(jìn)行兩點(diǎn)往復(fù)移動(dòng), 從而獲得兩點(diǎn)的電壓差, 兩點(diǎn)移動(dòng)距離為30mm (圖1), 每個(gè)樣品穩(wěn)定測(cè)量10 min以上, 每個(gè)樣品6個(gè)重復(fù), 結(jié)果取平均值[1]。

1.2.4 復(fù)合鹽脅迫下植株體內(nèi)K+、Na+的含量

植物組織內(nèi)的離子含量檢測(cè)參考侯建華等[13]的火焰光度法測(cè)定。取新鮮向日葵幼苗的葉片、莖稈、根系分別取5.00 g, 經(jīng)過(guò)110.5 ℃殺青30 min后, 置于70~80 ℃烘箱中烘干至恒重, 用粉碎機(jī)磨碎, 稱取通過(guò)420 μm篩的干樣1.00 g, 加入30 mL去離子水, 搖勻后置于沸水浴中2 h, 冷卻后定容至50 mL測(cè)定。3次重復(fù), 結(jié)果取平均值。

①玻璃電極; ②LIX; ③向日葵根部; ④電極移動(dòng)方向。①: Glass electrode; ②: LIX; ③: Sunflower root; ④: Electrode movement direction.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度復(fù)合鹽脅迫對(duì)向日葵種子發(fā)芽率的影響

對(duì)照處理下, 3個(gè)品種均正常發(fā)芽(表1)。鹽脅迫后, 發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)均下降, 平均發(fā)芽時(shí)間延長(zhǎng)。低濃度(50 mmol·L–1)復(fù)合鹽脅迫下, 與對(duì)照相比, 各品種發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)隨鹽濃度增加而降低; 50 mmol·L–1復(fù)合鹽脅迫下, ‘YK18’發(fā)芽率顯著低于‘GF01’; 鹽濃度增加到150 mmol·L–1后, ‘YK18’的發(fā)芽率下降了22.13%、而‘GF01’下降僅為17.58%。鹽濃度達(dá)到200 mmol·L–1時(shí), ‘YK18’的發(fā)芽率低于50%, 達(dá)到250 mmol·L–1時(shí), ‘YK06’和‘YK18’發(fā)芽率均低于30%, ‘GF01’仍能維持48.16%的發(fā)芽率。相同鹽處理?xiàng)l件下, ‘YK18’平均發(fā)芽時(shí)間最長(zhǎng), ‘GF01’最短, 3個(gè)品種的耐鹽性差異顯著(<0.05)。

2.2 不同濃度復(fù)合鹽脅迫對(duì)向日葵根際K+流速的影響

正常生長(zhǎng)條件下, 油葵植株根系吸收K+。品種間相比可看出, 正常生長(zhǎng)條件下, 耐鹽品種‘GF01’的K+吸收速度最大, 中度耐鹽品種‘YK06’次之, 鹽敏感品種‘YK18’最小。不同濃度復(fù)合鹽脅迫24 h后根際K+呈現(xiàn)外排趨勢(shì), 外排速度隨復(fù)合鹽濃度增加而增加(圖2)。且耐鹽品種‘GF01’的K+外流速度最小, ‘YK18’外流速度最大, 品種間差異顯著。鹽處理濃度為150 mmol·L–1時(shí), ‘GF01’的K+外排速度約為112 pmol·cm–2·s–1, 分別為50 mmol·L–1和100 mmol·L–1濃度下的2.00倍和1.43倍; 鹽敏感品種‘YK18’的K+外排流速分別為50 mmol·L–1和100 mmol·L–1濃度下的3.19倍和1.73倍, 流速增加幅度較耐鹽品種‘GF01’大。復(fù)合鹽脅迫后, 200 mmol·L–1時(shí), ‘GF01’和‘YK06’的K+外排速度相近, 均顯著小于‘YK18’(<0.05)。另外以150 mmol·L–1復(fù)合鹽處理濃度脅迫下為例, 可以看到3個(gè)品種的K+外排流速變化有小范圍波動(dòng)但總體較為平穩(wěn), 反映了不同品種植株的即時(shí)生理狀態(tài)(圖3)。

表1 不同濃度復(fù)合鹽脅迫對(duì)不同品種油用向日葵種子萌發(fā)的影響

不同小寫字母表示濃度間差異顯著(<0.05), 不同大寫字母表示品種間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among different salt concentrations at 0.05 level. Different capital letters indicate significant differences among varieties at 0.05 level.

不同大寫字母表示濃度間差異顯著(<0.05), 不同小寫字母表示品種間差異顯著(<0.05)。Different capital letters indicate significant differences among different salt concentrations at 0.05 level. Different lowercase letters indicate significant differences among varieties at 0.05 level.

2.3 不同濃度復(fù)合鹽脅迫對(duì)向日葵根際Na+吸收的影響

正常生長(zhǎng)條件下, 各品種油葵植株少量吸收Na+。隨著復(fù)合鹽處理濃度增加, 均呈現(xiàn)先內(nèi)吸后外排的現(xiàn)象(圖4)。低鹽濃度(50~100 mmol·L–1)時(shí), 油葵植株根系Na+內(nèi)流, 鹽濃度達(dá)到150 mmol·L–1時(shí), 3個(gè)品種根系Na+均轉(zhuǎn)為外排, 200 mmol·L–1時(shí), 外排流速最高可達(dá)7 294 pmol·cm–2·s–1(圖5)。品種間相比Na+流速差異顯著, 內(nèi)吸時(shí)‘GF01’的流速最小, 50 mmol·L–1鹽處理濃度下, ‘GF01’的Na+吸收速率為897 pmol·cm–2·s–1, 是‘YK06’的39%, ‘YK18’的19.9%; 100 mmol·L–1時(shí), 3品種的Na+內(nèi)吸速度均有所加快, 但‘GF01’的吸收速度仍為最小。外排時(shí)‘GF01’的流速最大, 鹽濃度達(dá)200 mmol·L–1時(shí), ‘GF01’的Na+外排的平均速度是6 512 pmol·cm–2·s–1, 為‘YK06’的3.64倍, ‘YK18’的5.78倍。

不同大寫字母表示濃度間差異顯著(<0.05), 不同小寫字母表示品種間差異顯著(<0.05)。Different capital letters indicate significant differences among different salt concentrations at 0.05 level. Different lowercase letters indicate significant differences among varieties at 0.05 level.

2.4 不同濃度復(fù)合鹽脅迫對(duì)向日葵Ca2+的影響

植株在正常生長(zhǎng)狀態(tài)下會(huì)少量吸收Ca2+, 內(nèi)流速度較為緩慢。復(fù)合鹽脅迫下, 植株吸收Ca2+的速率顯著加快, 且與復(fù)合鹽濃度的增加呈正相關(guān)。3個(gè)品種間吸收Ca2+的速率差異顯著, 表現(xiàn)為‘GF01’>‘YK06’>‘YK18’(圖6), 且隨鹽濃度增加耐鹽品種的Ca2+吸收速率增加更快, 在鹽處理濃度達(dá)150 mmol·L–1時(shí), ‘GF01’ Ca2+吸收速率為‘YK18’的2.00倍(圖7)。

2.5 復(fù)合鹽脅迫后植株體內(nèi)K+、Na+含量變化

2.5.1 K+積累與分布

與對(duì)照相比, 低濃度(50 mmol·L–1)復(fù)合鹽脅迫后向日葵植株各組織器官中的K+積累量明顯下降, 100 mmol·L–1鹽處理時(shí)植株K+總積累回升, 高濃度鹽處理后(≥150 mmol·L–1), 植株的K+總積累量再次顯著降低, 3個(gè)品種趨勢(shì)相同(圖8)。該結(jié)果與在其根際檢測(cè)到的150 mmol·L–1鹽脅迫時(shí), K+外流速度迅速增加相符合(圖2)。3個(gè)品種中, 耐鹽品種‘GF01’的K+總積累最高。高鹽濃度(≥150 mmol·L–1)處理后, 不同品種間的K+積累量分布差異明顯, ‘GF01’根系和莖的K+積累量顯著降低, 但葉片中K+積累量相對(duì)穩(wěn)定。200 mmol·L–1處理時(shí), ‘GF01’根系K+迅速減少為對(duì)照的27.63%, 但葉片中K+含量仍能維持在較高水平(4.02 mg·g–1), 甚至高于對(duì)照(3.39 mg·g–1), 占植株K+總積累的48%。而‘YK06’和‘YK18’并未表現(xiàn)出類似的特征, 其葉片中的K+積累量分別占植株K+總積累的28.6%和31.6%。

不同大寫字母表示濃度間差異顯著(<0.05), 不同小寫字母表示品種間差異顯著(<0.05)。Different capital letters indicate significant differences among different salt concent-rations at 0.05 level. Different lowercase letters indicate signif-icant differences among varieties at 0.05 level.

2.5.2 Na+積累與分布

正常生長(zhǎng)條件下, 植株體內(nèi)的Na+總積累量較少, 為0.15 mg·g–1左右。復(fù)合鹽脅迫后, 向日葵根系、莖和葉片的Na+積累量均高于對(duì)照(圖9), 且不同向日葵品種Na+含量增加程度不同, 同一向日葵品種不同部位Na+含量增加程度也不相同。低鹽濃度下(≤100 mmol·L–1), 所有品種植株根和莖Na+含量均高于葉片。品種間相比, 整株、葉片、根部鈉積累量差異較小, 但莖稈中鈉積累量差異較大, 耐鹽品種‘GF01’為1.628mg·g–1, 顯著高于其他兩個(gè)品種1.215 mg·g–1和1.189mg·g–1。高鹽濃度(≥150 mmol·L–1)時(shí), 品種間莖、根Na+積累量差異不大, 但鹽敏感品種‘YK18’葉片中的Na+離子積累量迅速增加為2.30 mg·g–1, 是‘GF01’和‘YK06’的1.6倍。鹽濃度達(dá)200 mmol·L–1時(shí), ‘YK06’和‘YK18’總鈉含量迅速增加到11.01 mg·g–1和11.04 mg·g–1, 顯著高于‘GF01’的9.41 mg·g–1, 尤其是中度耐鹽品種‘YK06’葉片中的Na+含量接近‘YK18’的水平, 約為4.10 mg·g–1, 是‘GF01’的1.75倍。另外, 200 mmol·L–1濃度鹽脅迫下, 耐鹽品種‘GF01’根部的Na+含量顯著高于葉片中的Na+含量, 而其他品種根部與葉片中的Na+含量基本接近。

2.5.3 K+/Na+的變化

復(fù)合鹽脅迫后, 3個(gè)向日葵品種各器官中K+/Na+值均顯著低于對(duì)照(圖10)。隨著鹽濃度的增加, 各器官的K+/Na+值逐漸下降, 但下降的程度存在差異。耐鹽品種‘GF01’植株中的K+/Na+值, 0~50 mmol·L–1時(shí)表現(xiàn)為葉>根>莖, 100 mmol·L–1后為葉>莖>根, 在鹽脅迫下仍維持葉片中具有最高的K+/Na+值; 中度耐鹽品種‘YK06’ 在50~100 mmol·L–1時(shí)表現(xiàn)為葉>莖>根, 150 mmol·L–1后為莖>葉>根, 其葉片中的K+/Na+值在150 mmol·L–1時(shí)下降明顯; 鹽敏感品種‘YK18’在50 mmol·L–1時(shí)為葉>莖>根, 100 mmol·L–1后基本為莖>葉>根, 其葉片中的K+/Na+值在鹽濃度達(dá)100 mmol·L–1時(shí)下降明顯。因此葉片的K+/Na+值可以作為復(fù)合鹽脅迫對(duì)向日葵危害程度的指標(biāo)。

3 討論與結(jié)論

3.1 復(fù)合鹽脅迫下不同品種油葵種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的影響

鹽脅迫抑制種子吸水膨脹, 造成種子發(fā)芽遲緩。王善仙等[14]和劉杰等[15]對(duì)鹽脅迫下向日葵發(fā)芽率的研究表明, 鹽脅迫后, 向日葵種子的發(fā)芽率及出苗率明顯降低, 種子出苗時(shí)間推遲。低鹽濃度(40~120mmol·L–1)下, 向日葵種子表現(xiàn)為出苗延遲, 但出苗率及成苗率的差異并不明顯, 而高鹽脅迫后(160~240 mmol·L–1), 不僅出苗延遲, 出苗率及成苗率也均明顯下降。桑利敏等[16]發(fā)現(xiàn)甜菜(L.)在Na2SO4+NaCl混合鹽脅迫下, 兩個(gè)品種的發(fā)芽率表現(xiàn)出下降趨勢(shì), 與對(duì)照差異明顯。本研究中向日葵受到復(fù)合鹽脅迫(NaCl+Na2SO4)后, 發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)均下降, 平均發(fā)芽時(shí)間延長(zhǎng)。結(jié)果與前人的研究結(jié)果相似, 究其原因可能是由于鹽脅迫下, 水勢(shì)降低, 種子吸脹吸水困難, 隨著鹽濃度繼續(xù)增加, 植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞, 導(dǎo)致種子內(nèi)大量溶質(zhì)外滲, 同時(shí)毒害離子Na+進(jìn)入細(xì)胞, 造成細(xì)胞失水, 影響種子發(fā)芽。另外本研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合鹽濃度達(dá)200mmol·L–1時(shí), 耐鹽品種的發(fā)芽率接近50%, 而鹽敏感型品種‘YK18’幾乎不發(fā)芽。鹽敏感型品種‘YK18’平均發(fā)芽時(shí)間最長(zhǎng), 耐鹽品種‘GF01’最短, 3個(gè)品種間的耐鹽性差異顯著(<0.01)。這種品種間的差異可能是由基因型決定的。

3.2 復(fù)合鹽脅迫下不同品種油葵對(duì)K+、Na+吸收的影響

無(wú)機(jī)離子是維持植株生長(zhǎng)發(fā)育必不可少的重要元素。研究表明, 每種植物都不同程度同時(shí)存在“吸鹽”和“拒鹽”兩種機(jī)制, 這兩種機(jī)制都直接或者間接地影響植物體對(duì)無(wú)機(jī)離子的吸收、積累以及區(qū)域化分[9]。植物受到鹽脅迫后, 會(huì)吸收更多Na+和Cl–等鹽離子, 減少對(duì)K+、Ca2+以及Mg2+的吸收, 導(dǎo)致植物體內(nèi)自身的離子平衡被擾亂。K+是重要的營(yíng)養(yǎng)元素, 對(duì)維持植物正常生長(zhǎng)具有重要作用, 許多學(xué)者認(rèn)為, 植物抵御鹽脅迫的能力一定程度上依賴于K+的供應(yīng)或保有水平[1]。本研究利用離子流檢測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)復(fù)合鹽脅迫24 h后的向日葵發(fā)現(xiàn), 其根際K+由少量?jī)?nèi)流迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橥饬? 外流速度隨鹽處理濃度增加而加快, 同步也檢測(cè)到植株根系的K+積累量下降, 二者結(jié)果相吻合, 表明鹽脅迫造成了植株的K+流失。同時(shí)發(fā)現(xiàn)耐鹽品種‘GF01’ K+外流速度最慢, 其根系的K+積累量最高, 進(jìn)一步證實(shí)了耐鹽品種在鹽脅迫條件下仍具有較好的K+保有能力。

很多研究認(rèn)為, 控制Na+的吸收和體內(nèi)分布是植物有效耐鹽機(jī)制之一[13]?；就緩绞菍a+優(yōu)先積累在根莖中, 阻止Na+在葉片中的積累, 也可以通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜排出體外或者通過(guò)液泡膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將細(xì)胞中過(guò)多的Na+區(qū)域化在液泡里[17], 減少對(duì)植物的傷害。在低鹽濃度(100 mmol·L–1)下, 各品種均表現(xiàn)為Na+內(nèi)流, 耐鹽品種‘GF01’內(nèi)吸速度最慢, 并且整株的Na+積累量最低, 同時(shí)發(fā)現(xiàn)該濃度鹽處理下, ‘GF01’可通過(guò)將Na+截留在莖稈, 來(lái)維持葉片中相對(duì)較低的鈉水平。該結(jié)果與侯建華等[13]在鹽分脅迫對(duì)向日葵K+、Na+吸收與分配的影響研究結(jié)果一致。向日葵這種將Na+區(qū)隔在莖稈中, 限制Na+向葉片運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)象, 可能是由于莖稈中細(xì)胞質(zhì)的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白大量表達(dá), 將大量的Na+儲(chǔ)存在液泡中, 從而減少Na+向地上部分的運(yùn)輸[18], 以此來(lái)維持植株的正常生長(zhǎng)。本研究還發(fā)現(xiàn), 當(dāng)鹽濃度達(dá)到一定程度(≥150mmol·L–1)時(shí), 植株會(huì)出現(xiàn)“排鹽”現(xiàn)象, 并且耐鹽性越強(qiáng)的品種, 該特征越明顯。耐鹽品種‘GF01’Na+外排速度最快, 其整株和葉片的Na+積累量也最低, 其耐鹽性最強(qiáng)。而另外兩個(gè)品種Na+外排速度較慢, 整株和葉片中Na+積累量較高, 耐鹽性較差。在高鹽(200mmol·L–1)濃度下, 耐鹽品種‘GF01’根部的Na+積累量顯著高于葉片中的Na+積累量, 而其他品種根部與葉片中的Na+積累量基本接近, 這與韓金龍等[19]在對(duì)玉米()耐鹽性研究的結(jié)果相似, 高濃度(>100mmol·L–1)NaCl脅迫耐鹽玉米品種根部Na+含量明顯高于葉片, 而普通品種根部Na+含量與葉片相近。由此可見, 耐鹽品種根系和莖稈對(duì)鈉的截留能力, 是其具備強(qiáng)耐鹽性的主要原因。

Na+因其水合離子半徑與K+相似[20], 可與K+競(jìng)爭(zhēng)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)位點(diǎn)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi), 并在植物體內(nèi)部分代替K+的功能, 提高細(xì)胞滲透勢(shì)。但是過(guò)多的Na+則會(huì)使相關(guān)代謝酶失活而產(chǎn)生毒害, 導(dǎo)致作物生長(zhǎng)受到抑制甚至死亡, 所以維持K+/Na+比值在一個(gè)合理范圍內(nèi)對(duì)植物抗鹽性具有重要意義。敖雁等[21]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫明顯增加了番茄()體內(nèi)Na+含量, 同時(shí)降低了體內(nèi)K+含量, 導(dǎo)致3個(gè)番茄品種根系、莖稈和葉片K+/Na+下降, 植物生長(zhǎng)受到抑制。本研究中, 復(fù)合鹽脅迫后, 向日葵K+含量減少, Na+含量增加, 各器官中K+/Na+值均顯著低于對(duì)照, 其中葉片K+/Na+值下降最為顯著。楊帆等[22]對(duì)構(gòu)樹()幼苗的研究也發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律, 樹苗各器官中的Na+含量隨土壤NaCl濃度升高而顯著增加, 且葉片中的K+/Na+明顯低于根系。事實(shí)上葉片中較高的K+/Na+值, 對(duì)于維持鹽脅迫下正常的光合呼吸等生理過(guò)程, 抵御逆境脅迫具有重要作用, 本研究中耐鹽品種‘GF01’葉片的K+/Na+明顯高于‘YK06’和‘YK18’, 這與其整株對(duì)Na+的區(qū)隔能力較強(qiáng)并且具有較好的K+保有能力有關(guān)。

3.3 復(fù)合鹽脅迫下不同品種對(duì)Ca2+的影響

在植物生長(zhǎng)發(fā)育中, Ca2+是維持植物細(xì)胞正常生理功能的重要物質(zhì), 不僅參與了大多數(shù)細(xì)胞生理代謝, 而且還作為第2信使調(diào)控基因表達(dá)[23]。在植物受到鹽脅迫后, Ca2+能夠穩(wěn)定植物的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜, 激活或抑制細(xì)胞膜上各種離子通道, 激活或抑制細(xì)胞內(nèi)特定酶的活性, 誘導(dǎo)抗逆基因轉(zhuǎn)錄表達(dá), 從而增強(qiáng)植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。趙旭等[24]在研究Ca2+對(duì)兩種基因型冬小麥()萌發(fā)過(guò)程中鹽脅迫效應(yīng)中發(fā)現(xiàn), 外源鈣可以明顯提高鹽處理下小麥品種‘陜266’的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù), 減輕了鹽害作用。劉雪琴等[25]也指出, 外源Ca(NO3)2顯著緩解了鹽脅迫對(duì)玉米種子發(fā)芽的抑制作用, 且隨Ca(NO3)2濃度的增加緩解作用逐漸增強(qiáng)。由此可見, Ca2+作為一種信號(hào)物質(zhì)參與鹽脅迫后細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo), 在植株受到脅迫時(shí), 增強(qiáng) Ca2+的吸收也是提高自身抗性抵御逆境的一個(gè)重要途徑。在本研究中, 植株受到復(fù)合鹽脅迫24 h后, 植株根系Ca2+內(nèi)吸加劇, 鹽脅迫濃度越高, 內(nèi)吸速率越快。而且耐鹽品種‘GF01’吸收速度最快, 鹽敏感品種‘YK18’最慢, 也表明鹽脅迫后, 不同品種植株對(duì)Ca2+的吸收差異可能是造成其耐鹽性不同的原因之一。

薛延豐等[26]表明, 鹽脅迫后, Na+能置換細(xì)胞膜上的Ca2+, 導(dǎo)致K+的大量外流, 使得植物體內(nèi)的離子平衡失調(diào), 生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制, 施加外源鈣后, 可以緩解NaCl的脅迫, 促進(jìn)酶活性升高, 調(diào)節(jié)無(wú)機(jī)離子的運(yùn)輸, 增強(qiáng)植物的抗鹽能力。李青松等[27]對(duì)Ca2+及鈣調(diào)蛋白(CaM)對(duì)不同溫度型冬小麥鹽分吸收與累積的研究中也發(fā)現(xiàn), Ca2+可以通過(guò)CaM作用于鹽敏感途徑(SOS途徑)調(diào)節(jié)控制小麥中Na+的凈吸收和累積, 促進(jìn)小麥K+吸收。王玉倩等[28]也發(fā)現(xiàn)Ca2+對(duì)細(xì)胞膜上K+專性通道和非選擇性陽(yáng)離子通道(NSCC)都有活化作用, 可以促進(jìn)K+吸收, 其促進(jìn)作用隨Ca2+的增加而增強(qiáng)。結(jié)合本研究中發(fā)現(xiàn)的Na+、K+吸收和積累情況來(lái)看, 耐鹽品種‘GF01’的耐鹽機(jī)制可能是由于植株在鹽脅迫下Ca2+直接激活或者間接通過(guò)CaM激活了SOS途徑, 誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)膜上的Na+-H+反向運(yùn)輸?shù)鞍缀蚄+運(yùn)輸?shù)鞍椎谋磉_(dá), 進(jìn)而加速胞內(nèi)Na+外排和K+吸收, 提高葉片中K+/Na+, 從而調(diào)節(jié)了植物體細(xì)胞內(nèi)離子平衡, 但具體作用途徑和機(jī)制仍需更深入的研究。

3.4 結(jié)論

本試驗(yàn)利用離子流檢測(cè)技術(shù)對(duì)不同耐鹽性向日葵受復(fù)合鹽脅迫后根系的K+、Na+、Ca2+流速情況進(jìn)行檢測(cè), 表明耐鹽性強(qiáng)的品種具有強(qiáng)的保K+能力, 同時(shí)在低鹽濃度下通過(guò)區(qū)域化Na+增強(qiáng)其耐鹽性, 而在高鹽脅迫下, 向日葵植株除了有Na+區(qū)域化現(xiàn)象, 還具有鮮明的“吐鹽”現(xiàn)象。另外植株受到鹽脅迫后, Ca2+的加速吸收, 也是植株耐鹽的一種表現(xiàn)形式。離子流檢測(cè)技術(shù)作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)為鹽脅迫下植物根系離子吸收機(jī)制的研究提供了一種可選擇的方法, 可以高效、便捷地應(yīng)用到以后抗性鑒定和生理機(jī)制研究中。

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Ion response of sunflower at sprouting stage to mixed salt stress*

MA Rong1,3, WANG Cheng2,4, MA Qing3, HOU Peichen2, WANG Xiaodong1,4**

(1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2. Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China; 3.College of Agriculture, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, China; 4. Beijing Key Lab of Digital Plant, Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China)

Research on the mechanism of response of sunflower to salt stress can provide scientific basis for rapid screening of salt resistant varieties, a critical element in the exploitation of saline-alkali lands. In this study, salt-sensitive variety ‘YK18’, moderately salt-tolerant variety ‘YK06’ and highly salt-tolerant variety ‘GF01’ of sunflower were used to analyze seed germination, ion accumulation and distribution in seedlings of different varieties of sunflower under mixed salt (NaCl/Na2SO4of 9/1 mol) concentrations of 0 mmol·L–1, 50 mmol·L–1, 100 mmol·L–1, 150 mmol·L–1, 200 mmol·L–1and 250 mmol·L–1. Scanning ion-selective electrode technique (SIET) was used to determine K+, Na+and Ca2+fluxes in roots after 24 h mixed salt stress. The results showed that seed germination, germination rate and germination index decreased under salt stress and the average germination time of oil sunflower extended. Under salt-stress condition, there was an obvious K+efflux in roots. Compared with high salt-tolerant variety ‘GF01’, the roots of salt-sensitive variety ‘YK18’ and moderate salt-tolerant variety ‘YK06’ had higher K+extrude capacity. Salt stress led to a net Na+influx in the range of 0–100 mmol·L–1in mixed salt concentrations, and was highest for salt-sensitive variety ‘YK18’. The pattern of Na+flux in roots changed significantly under higher mixed salt concentrations (150–200 mmol·L–1) and there was a clear efflux of Na+in seedlings, which was highest for salt-tolerant variety ‘GF01’. After mixed salt stress, Na+content increased while K+content decreased, resulting in a decrease in K+/Na+ratio in the whole plant.Salt-tolerant variety ‘GF01’ had the lowest K+/Na+ratio, had the potential to intercept Na+in stems under low salt concentration (<150 mmol·L–1). The sunflower variety ‘GF01’ had higher capacity to extrude Na+. As a result, ‘GF01’ had the least Na+content (for the whole plant) and had higher K+/Na+ratio in leaves under high salt stress (≥150 mmol·L–1). SIET data also showed that after 24 h exposure to mixed salt stress, a clear Ca2+influx in salt stressed seedlings that was proportional to the mixed salt concentration developed. The Ca2+absorption rate of ‘GF01’ was higher than that of ‘YK18’. In conclusion, different degrees of salt tolerance in different sunflower varieties were regulated by Na+and K+absorption and efflux as a mode of adaption to the salt stress environment. Strong salt tolerant variety had stronger ability to protect K+, but K+can also be protected by regional Na+application (under low salt concentration), salt rejection mechanisms to enhance salt tolerance and then by maintaining reasonable K+/Na+ratio in leaves. In addition, accelerated absorption of Ca2+by plants alleviated salt damage in plants after salt stress. The results of the study provided theoretical basis for the selection and cultivation of salt tolerant varieties. And the established ion flux detection technique was a reliable screening method for salt tolerant varieties selection in plant breeding.

Oil sunflower; Sprouting stage; Mixed salt stress; Ion flux; Salt tolerance

S565.5

A

1671-3990(2017)05-0720-10

10.13930/j.cnki.cjea.160871

* 國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ080052)、北京市農(nóng)林科學(xué)院數(shù)字植物科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(JNKYT201604)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (61571443) 資助

**通訊作者: 王曉冬, 主要研究方向?yàn)橹参锷硇盘?hào)檢測(cè)。E-mail: wangxd@nercita.org.cn

馬榮, 主要研究方向?yàn)橄蛉湛N質(zhì)資源抗逆鑒定及作物育種。E-mail: Heather1116@126.com

2016-09-29

2016-12-26

* This study was funded by the National Major Scientific Instruments and Equipment Development Project of China (2011YQ080052), the Digital Plant Science and Technology Innovation Team of Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences (JNKYT201604)and the National Natural Science Foundation of China (61571443).

** Corresponding author, E-mail: wangxd@nercita.org.cn

Sep. 29, 2016; accepted Dec. 26, 2016

馬榮, 王成, 馬慶, 侯佩臣, 王曉冬. 向日葵芽苗期離子對(duì)復(fù)合鹽脅迫的響應(yīng)[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(5): 720-729

Ma R, Wang C, Ma Q, Hou P C, Wang X D. Ion response of sunflower at sprouting stage to mixed salt stress[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(5): 720-729