石靈玉,馬 淼,2
(1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,新疆石河子 832003; 2.石河子大學(xué)甘草研究所,新疆石河子 832003)
許多礦質(zhì)元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的,參與著許多重要的新陳代謝活動(dòng)[1],其數(shù)量不足會(huì)使植物的生長(zhǎng)或繁殖受阻[2]。然而,環(huán)境中的礦質(zhì)元素如果過量,也會(huì)對(duì)其中的植物造成脅迫[3],甚至傷害。土壤鹽漬化就是由于某些礦質(zhì)元素過量造成的,尤其是過量的Na+會(huì)破壞土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[4]、影響植物對(duì)K+的吸收[5]、破壞質(zhì)膜的K+/Na+平衡[6]等。鹽生植物作為在鹽漬土上唯一能夠生存的植被類型,在長(zhǎng)期的進(jìn)化過程中形成了拒鹽、聚鹽、泌鹽和稀鹽等有成效的鹽分適應(yīng)機(jī)制[7],使其能在鹽土中正常生長(zhǎng)。
烏拉爾甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)是豆科(Leguminosae)甘草屬(Glycyrrhiza)多年生草本植物,是中藥材甘草的原植物之一[8]。以根和根狀莖入藥,具有抗炎[9]、抗過敏、抗病毒[10]、抗癌[11]、抗輻射[12]等療效,所以備受醫(yī)藥界的重視。甘草的適應(yīng)性很廣,常分布于田間、路旁及鹽湖周圍的鹽化生境,被認(rèn)為是一種拒鹽的鹽生植物[13]。然而,筆者所在課題組前期的野外研究發(fā)現(xiàn),生活在鹽化低地草甸中的烏拉爾甘草葉片表面有分泌鹽分的習(xí)性[14],大量的鹽分通過鹽腺和氣孔分泌到了葉片表面(圖1-A至圖1-F)。說明烏拉爾甘草并非是拒鹽植物,其根系會(huì)從土壤中吸收大量鹽分,并通過葉片將多余部分排出體外,應(yīng)當(dāng)是一種泌鹽植物。然而,其不同部位的葉片間是否存在泌鹽能力的差異,葉內(nèi)較高濃度的鹽分是否會(huì)對(duì)葉片造成脅迫傷害,以及葉片是如何適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境的等問題卻一直未見研究報(bào)道,故本研究以生長(zhǎng)在高鹽環(huán)境中的野生烏拉爾甘草為研究對(duì)象,比較了其不同部位葉片的泌鹽能力,可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)的含量以及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)等保護(hù)酶的活性,以期為烏拉爾甘草耐鹽機(jī)制的研究提供科學(xué)依據(jù)。
烏拉爾甘草樣地選自新疆阿勒泰地區(qū)的鹽化低地草甸,屬于溫帶大陸性氣候,冬季漫長(zhǎng)而寒冷,夏季短促、氣溫平和,全年無霜期平均為151 d,最冷月為1月,平均氣溫為 -16 ℃,最熱月7月,平均氣溫為21 ℃,年平均降水量為 200 mm。樣地中的烏拉爾甘草種群生活在極端高鹽的土壤環(huán)境中,地表白色鹽分的厚度超過了5 cm,0~10 cm土層的電導(dǎo)率值為8.49 dS/m,pH值為10.33。然而烏拉爾甘草長(zhǎng)勢(shì)良好,開花結(jié)實(shí)率正常(圖1-A),野外試驗(yàn)在2016年7月進(jìn)行。
1.2.1 烏拉爾甘草不同部位葉片泌鹽性能的比較
1.2.1.1 甘草不同部位葉片腺體和氣孔泌鹽的觀察 選取開闊地烏拉爾甘草植株,依株高平均分為上、中、下3段,取上部、中部和下部健康的完全展開葉若干,將近葉尖1/3處葉片切成0.5 cm×0.5 cm的小塊(過主脈),置于甲醛-乙酸-乙醇固定液(FAA)中固定 48 h,之后將固定好的材料粘在樣品臺(tái)上,進(jìn)行離子濺射鍍金,鍍金后的材料放在掃描電子顯微鏡(SU8010)下進(jìn)行觀察并拍照,重復(fù)測(cè)量5個(gè)材料,觀察烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片泌鹽的情況。在600×視野下隨機(jī)選取5個(gè)視野,計(jì)數(shù)視野中的腺體和氣孔總數(shù)以及泌鹽腺體和泌鹽氣孔的數(shù)量,計(jì)算泌鹽腺體和泌鹽氣孔的百分?jǐn)?shù),取平均值。
1.2.1.2 甘草不同部位葉片表面淋溶物Na+和K+的含量 將開闊地烏拉爾甘草植株依株高平均分為上部、中部、下部,從不同部位葉片中隨機(jī)選取15張完全展開的葉片,3個(gè)重復(fù)。用去離子水將葉片上下表面清洗干凈,做好標(biāo)記。7 d后,用潔凈的毛筆蘸去離子水再次刷洗標(biāo)記過的葉片,將葉片表面的分泌物淋洗并收集,定容至10 mL。用ICP(thermo scientific icap 6000 serirs,USA)測(cè)定淋溶物中Na+和K+的含量,依次對(duì)不同部位葉片的泌鹽性能進(jìn)行比較。
1.2.2 烏拉爾甘草不同部位葉片生理指標(biāo)的測(cè)定 取烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片若干,測(cè)定可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸、MDA含量和SOD、POD、CAT活性等生理生化指標(biāo),每個(gè)部位葉片重復(fù)測(cè)量3次,結(jié)果取均值。可溶性糖、MDA、脯氨酸(Pro)含量測(cè)定參考《現(xiàn)代植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指南》[15]??扇苄缘鞍踪|(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定[16]。SOD、POD、CAT活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行。
用SPSS 19.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,用Duncan’s多重比較檢測(cè)不同處理間的差異顯著性水平。
通過掃描電鏡觀察烏拉爾甘草葉片,發(fā)現(xiàn)葉片表面氣孔和腺體均有泌鹽的現(xiàn)象(圖1-D至圖1-F)。且不同部位葉片鹽分分泌情況存在顯著差異,上部葉片氣孔通透,其中未見鹽分積累;下部葉片氣孔的泌鹽性能強(qiáng)烈,所有氣孔中都堆積有大量的鹽分,部分氣孔已經(jīng)被鹽分完全堵塞;而中部葉片只有78%的氣孔有泌鹽現(xiàn)象,且泌鹽性能微弱,氣孔中僅有少量鹽分積存(表1、圖1-G至圖1-I)。不同部位葉片的鹽腺都有泌鹽現(xiàn)象,且視野中100%的鹽腺都分泌了鹽分,但不同部位葉片鹽腺泌鹽程度存在差異,上部葉片泌鹽量少,中部和下部葉片分泌了大量的鹽分。
表1 烏拉爾甘草不同部位葉片氣孔和腺體的泌鹽狀況比較
注:“-”表示無鹽分分泌,“+”表示有少量鹽分分泌,“++”表示有大量鹽分分泌。
收集葉片表面分泌物,對(duì)葉片表面淋溶物中Na+和K+的含量進(jìn)行測(cè)定(圖2),結(jié)果顯示,雖然不同部位葉片均有泌鹽的功能,但上部葉片的泌鹽功能微弱,下部葉片分泌的Na+的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上部和中部葉片,約為上部葉片分泌量的9倍和中部葉片分泌量的12倍;下部葉片分泌的K+的量約為上部葉片分泌量的4.7倍和中部葉片的3.8倍。說明烏拉爾甘草葉片的鹽分分泌主要是靠下部葉片來實(shí)現(xiàn)的。
滲透調(diào)節(jié)是植物在逆境下降低滲透勢(shì)和維持一定膨壓、抵御逆境脅迫的一種重要方式,可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)及脯氨酸(Pro)是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。從圖3至圖5可以看出,烏拉爾甘草上部、中部、下部葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量存在顯著性差異(P<0.05)。甘草上部嫩葉可溶性糖含量最少,下部葉片可溶性糖含量最高,中部葉片含量適中。烏拉爾甘草葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量以及脯氨酸含量與可溶性糖含量趨勢(shì)相同。
作為生物體內(nèi)重要的活性氧清除酶,超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)在消除超氧化物自由基、減輕脂質(zhì)過氧化作用和膜傷害方面起重要作用[18],是酶促防御系統(tǒng)(即保護(hù)酶系統(tǒng))的重要組成成分。
從圖6至圖8可以看出,烏拉爾甘草不同部位葉片中抗氧化物酶活性也存在著差異。甘草下部葉片POD活性顯著高于上部和中部的葉片,存在顯著性的差異(P<0.05),而上部和中部葉片的POD酶活性沒有顯著性的差異(P>0.05)。葉片中SOD、CAT酶活性的趨勢(shì)相同,且這2種酶活性在不同部位葉片間存在顯著性的差異(P<0.05),即上部葉片酶活性最低,下部葉片酶活性最高,中部葉片適中。
MDA是生物膜氧化的產(chǎn)物,它的含量可以作為植物受到脅迫傷害程度的重要指標(biāo)。從圖9中可以看出烏拉爾甘草下部葉片MDA含量最多,中部葉片次之,上部葉片MDA含量最少,且不同部位葉片間MDA含量存在顯著性的差異(P<0.05)。甘草不同部位葉片MDA的含量不同,說明不同部位葉片受到鹽分脅迫的程度不同。
葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官,與周圍環(huán)境關(guān)系密切,對(duì)生境條件的反應(yīng)最為敏感,是與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的主要器官,因此植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)也較多地反映在葉片上[19]。泌鹽是植物重要的耐鹽機(jī)制之一,目前已有的研究證據(jù)表明泌鹽結(jié)構(gòu)包括腺毛、鹽腺、囊泡以及葉片表面的蠟質(zhì)層[20-21]。本研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期生活在高鹽環(huán)境下的烏拉爾甘草葉片具有泌鹽現(xiàn)象,除了通過鹽腺分泌鹽分之外,還采用了以氣孔泌鹽的獨(dú)特方式來適應(yīng)高鹽的土壤環(huán)境。
烏拉爾甘草上部葉片分泌鹽分的能力較弱,葉片受鹽分脅迫程度低,而下部葉片具有旺盛的鹽分分泌能力,葉片受到高鹽分脅迫,中部葉片泌鹽能力及葉片受到鹽分脅迫程度適中。滲透調(diào)節(jié)是植物抵抗逆境脅迫的一種重要生理機(jī)制,植物可以通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累以及自身的滲透調(diào)節(jié)作用來維持正常的代謝活動(dòng)[22]。其中含糖量的高低可以反映植物的抗脅迫能力,可溶性糖作為可溶性小分子化合物,可直接被利用或參與滲透調(diào)節(jié)作用,是逆境條件下植物的主要滲透調(diào)節(jié)劑[23]。烏拉爾甘草上部嫩葉可溶性糖含量最少,下部葉片可溶性糖含量最高,說明甘草下部葉片的高鹽分脅迫促使下部葉片可溶性糖含量的增加,使甘草葉片具有較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力,從而增強(qiáng)對(duì)逆境的適應(yīng)。在滲透脅迫時(shí),植物細(xì)胞可以通過脯氨酸積累量的增加提高胞質(zhì)濃度,保持滲透平衡,防止細(xì)胞過度失水[24],可溶性蛋白質(zhì)也是植物細(xì)胞質(zhì)中的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一,可通過主動(dòng)積累來降低滲透勢(shì)[25]。研究結(jié)果表明,烏拉爾甘草下部葉片脯氨酸含量和可溶性蛋白質(zhì)含量都顯著高于上部和中部葉片,提高了老葉的抗鹽性和保水性。
MDA含量高低可作為耐鹽性高低的生理指標(biāo)[29],隨著脅迫程度的提高,MDA含量升高。研究表明,烏拉爾甘草不同部位葉片內(nèi)部受到鹽分脅迫的程度存在差異,致使不同部位葉片中的丙二醛含量差異顯著。下部葉片MDA含量最高,鹽脅迫加劇了甘草葉片膜脂過氧化水平,降低膜的選擇透性,膜受到了一定的損傷,而上部和中部葉片中MDA含量相應(yīng)較低,鹽脅迫對(duì)膜系統(tǒng)的破壞較小。
綜上所述,生長(zhǎng)在高鹽環(huán)境下的烏拉爾甘草葉片具有泌鹽的現(xiàn)象,且不同部位葉片泌鹽能力差別顯著,受鹽分脅迫的程度亦顯著不同。下部葉片的鹽分分泌量最大,受鹽脅迫程度最高。烏拉爾甘草葉片通過排出多余鹽分,提高脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)等滲透物質(zhì)的含量以及SOD、POD和CAT等保護(hù)酶的活性來適應(yīng)高鹽環(huán)境,以減輕鹽分對(duì)植物的傷害,使烏拉爾甘草種群能夠在高鹽環(huán)境中正常生長(zhǎng)。