不同鹽堿脅迫下阿拉善荒漠區(qū)3種沙生植物幼苗體內(nèi)脯氨酸變化規(guī)律的研究

王麗，張斌武，桂翔，楊陽，謝菲，劉俊良，馬悅

(阿拉善盟林木種苗站，內(nèi)蒙古 阿拉善盟 750300)

土壤鹽漬化是全球性生態(tài)問題。世界范圍內(nèi)，受鹽漬化影響的土地面積約為8.31×108hm2[1]，占全球土地總量的7%。此外，不合理的灌溉和耕作方式還導(dǎo)致了次生鹽漬化的發(fā)生。目前，全球次生鹽漬化土地面積約為7 700×104hm2[1]，其中58%均發(fā)生在具備灌溉條件的耕作區(qū)。鹽漬化的發(fā)展嚴(yán)重影響適耕土地的生產(chǎn)力，威脅作物生產(chǎn)和糧食安全。

阿拉善地處三大沙漠交匯地帶，區(qū)內(nèi)沙漠面積廣大，年均降水量小于200mm[2]，自然環(huán)境惡劣。區(qū)內(nèi)物種結(jié)構(gòu)較為單一，多為多年生的旱生灌木和半灌木[3]。脯氨酸是植物體內(nèi)最為重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一[4]。脅迫條件下，體內(nèi)累積的脯氨酸具有清除胞內(nèi)活性氧的作用[5]，還可作為儲(chǔ)能物質(zhì)存儲(chǔ)參與細(xì)胞內(nèi)的能量代謝，保證脅迫條件下的能量供給[6]。

本研究以阿拉善荒漠區(qū)內(nèi)3種常見的旱生植物蒙古沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)、白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)和花棒(Hedysarumscoparium)為材料，對(duì)此3種旱生植物不同類型鹽堿脅迫條件下(NaCl、KCl、Na2CO3、NaHCO3)的脯氨酸變化規(guī)律進(jìn)行研究，為探索荒漠植物的逆境適應(yīng)機(jī)理提供有益借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中所使用的蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒種子均采集于阿拉善左旗周邊荒漠區(qū)內(nèi)。分別挑選籽粒飽滿的蒙古沙冬青、花棒種子，用蒸餾水沖洗干凈后溫水浸泡24h。將浸泡后的蒙古沙冬青、花棒種子經(jīng)2%的高錳酸鉀溶液消毒10min后沖洗干凈。將蒙古沙冬青、花棒、白沙蒿種子分別拌沙點(diǎn)播至裝有基質(zhì)(草炭土和沙土各50%)的花盆中，待種子萌發(fā)至幼苗后進(jìn)行間苗，每盆保留10株生長(zhǎng)健壯且生長(zhǎng)發(fā)育程度基本一致的幼苗植株用于不同濃度的鹽脅迫處理。

1.2 脅迫處理

采用1月齡植株，設(shè)置50mmol/L、100mmol/L、200mmol/L和300mmol/L共4個(gè)NaCl濃度梯度及與上述4個(gè)濃度梯度相對(duì)應(yīng)的KCl、Na2CO3和NaHCO3處理，于7月20日對(duì)幼苗進(jìn)行鹽堿脅迫。處理時(shí)，量取500mL預(yù)先配制好的鹽堿溶液，緩慢澆至花盆中，將澆灌相同量蒸餾水的處理作為對(duì)照(0mmol/L)。各處理，每個(gè)采樣時(shí)間點(diǎn)均設(shè)置3個(gè)重復(fù)。自8月31日起，每間隔2d采樣1次。采集的葉片樣本迅速轉(zhuǎn)移至液氮中進(jìn)行速凍，帶回實(shí)驗(yàn)室后凍存于-80℃冰箱備用。

1.3 脯氨酸測(cè)定方法

使用酸性茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量。稱取0.5g葉片置于1個(gè)干凈的研缽中，向其中加入10mL 3%的磺基水楊酸溶液在低溫條件下迅速研磨。充分研磨后的勻漿使用濾紙進(jìn)行過濾，取2mL濾液轉(zhuǎn)移至1個(gè)新的試管中，并向其中加入2mL預(yù)先配制好的茚三酮溶液和2mL冰乙酸，轉(zhuǎn)移至沸水中水浴1h。將試管迅速插入冰中冷卻，并向其中加入4mL甲苯。吸取甲苯上清，使用分光光度計(jì)于520nm處測(cè)定吸光值。使用市售的標(biāo)準(zhǔn)品繪制脯氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用SAS軟件分析比較不同脅迫處理下的脯氨酸含量，使用Origin 8軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl脅迫對(duì)脯氨酸積累的影響

從總體變化趨勢(shì)上來看，不同濃度的NaCl脅迫促進(jìn)了脯氨酸在蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒幼苗葉片中的積累(圖1)。

圖1 NaCl脅迫對(duì)脯氨酸積累的影響

觀測(cè)期內(nèi)，不同濃度的NaCl處理均顯著提高了蒙古沙冬青幼苗中的脯氨酸水平(圖1-A)。雖然隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，觀測(cè)期內(nèi)3種植株體內(nèi)的脯氨酸水平均表現(xiàn)出逐漸增高的趨勢(shì)，但白沙蒿和花棒體內(nèi)的脯氨酸累積水平顯著高于蒙古沙冬青，300mmol/L NaCl處理24d后，白沙蒿和花棒幼苗葉片內(nèi)的脯氨酸含量分別為959.02μg/g和828.89μg/g(圖1-B和圖1-C)。

2.2 KCl脅迫對(duì)蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒脯氨酸積累的影響

與NaCl脅迫類似，KCl處理同樣對(duì)蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒幼苗葉片中的脯氨酸積累具有促進(jìn)作用，見圖2。

圖2 KCl脅迫對(duì)脯氨酸積累的影響

經(jīng)不同濃度KCl處理后，蒙古沙冬青幼苗中的脯氨酸含量在各采樣時(shí)間點(diǎn)均顯著高于對(duì)照(圖2-A)。300mmol/L KCl處理24d后，蒙古沙冬青葉片中的脯氨酸含量為226.21μg/g(圖2-A),而白沙蒿和花棒中的脯氨酸含量分別為824.89μg/g和704.05μg/g(圖2-B和圖2-C),均顯著高于蒙古沙冬青。

2.3 Na2CO3脅迫對(duì)蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒脯氨酸積累的影響

不同濃度Na2CO3處理后，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒幼苗葉片中的脯氨酸含量均有所增加，見圖3。

圖3 Na2CO3脅迫對(duì)脯氨酸積累的影響

觀測(cè)期內(nèi)，不同濃度的Na2CO3脅迫均顯著提高了蒙古沙冬青幼苗葉片中的脯氨酸含量(圖3-A)。300 mmol/L Na2CO3處理24d后，白沙蒿和花棒葉片內(nèi)的脯氨酸含量持續(xù)上升達(dá)到最大，分別為989.33μg/g和923.04μg/g(圖3-B和圖3-C)。

2.4 NaHCO3脅迫對(duì)蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒脯氨酸積累的影響

NaHCO3脅迫雖然對(duì)蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒幼苗葉片中的脯氨酸積累有促進(jìn)作用，但與Na2CO3相比，NaHCO3脅迫促進(jìn)脯氨酸累積的水平均有所降低。如300mmol/L NaHCO3處理24d后，蒙古沙冬青中的脯氨酸含量為228.49μg/g(圖4-A)，低于Na2CO3處理(249.82μg/g)。而300 mmol/L NaHCO3處理24 d后，白沙蒿和花棒中脯氨酸含量分別為782.37μg/g和631.69μg/g(圖4-B和圖4-C)，均顯著低于相同條件下的Na2CO3處理。上述結(jié)果說明：與NaHCO3處理相比，相同濃度的Na2CO3對(duì)蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒幼苗中的脯氨酸積累具有更強(qiáng)的促進(jìn)作用。

圖4 NaHCO3脅迫對(duì)脯氨酸積累的影響

3 結(jié)論與討論

脯氨酸積累對(duì)植物的抗逆性具有十分重要的意義。高等植物中，生物[7]和非生物[8]脅迫誘導(dǎo)的脯氨酸積累已被證明廣泛存在于多種植物中。通常情況下，相較于抗逆性較差的甜土植物，鹽生植物在逆境條件下積累脯氨酸的能力更強(qiáng)[9]。因此，有些報(bào)道[10-11]直接將脯氨酸的累積水平與植物的抗逆性，尤其是抗鹽性或抗旱性聯(lián)系起來，認(rèn)為兩者間存在著相關(guān)性。由于脯氨酸是水溶性最大的氨基酸[12]，也是抗?jié)B透壓的小分子物質(zhì)，本研究中，經(jīng)不同濃度的NaCl、KCl、Na2CO3和NaHCO3處理后，蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒植株周圍的環(huán)境滲透壓發(fā)生了變化，不同鹽脅迫導(dǎo)致土壤環(huán)境滲透壓不同，因此在植株體內(nèi)積累的脯氨酸含量存在差異。隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒幼苗葉片中的脯氨酸含量逐漸升高。不同濃度、不同類型的鹽堿脅迫均顯著提高了脯氨酸在上述3種沙生植物幼苗葉片中的累積水平。總體上看，NaCl脅迫誘導(dǎo)脯氨酸累積的能力大于KCl；Na2CO3脅迫誘導(dǎo)脯氨酸累積的能力大于NaHCO3。脅迫條件下，白沙蒿幼苗內(nèi)脯氨酸的積累水平大于花棒，而花棒大于蒙古沙冬青，但脯氨酸的累積水平并不能直接等同于植物的抗逆性。事實(shí)上，近年來的多項(xiàng)研究表明：脯氨酸的累積與植物的抗逆性間的關(guān)系在不同的植物中存在差異。例如，Lv等[13]的研究表明，水稻幼苗對(duì)鹽堿脅迫的抗性與脯氨酸含量的相關(guān)性較差，脯氨酸的累積水平不是評(píng)價(jià)水稻對(duì)鹽堿脅迫抗性的可靠指標(biāo)。植物對(duì)某種(類)脅迫的抗性是由多種生理過程共同參與和決定的綜合性表現(xiàn)[14]。本研究對(duì)蒙古沙冬青、白沙蒿和花棒在不同鹽堿脅迫下的脯氨酸含量進(jìn)行了比較，是對(duì)這3種沙生植物鹽堿脅迫響應(yīng)機(jī)理解析的有益嘗試，將對(duì)今后阿拉善荒漠區(qū)沙生植物資源的開發(fā)和利用提供參考。