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        NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗生長(zhǎng)及礦質(zhì)離子吸收和分配的影響

        2018-08-10 02:55:32唐曉倩白應(yīng)飛劉廣亮劉廣全
        關(guān)鍵詞:葉中側(cè)柏生物量

        唐曉倩,白應(yīng)飛,劉廣亮,劉廣全

        (1中國水利水電科學(xué)研究院,北京,100038;2國家林業(yè)局鹽堿地研究中心,北京,100091;3延安市退耕還林工程管理辦公室,陜西 延安,716000; 4 吳起縣林業(yè)局,陜西吳起 717600;5國際泥沙研究培訓(xùn)中心,北京,100048)

        土壤鹽漬化是一個(gè)全球性的資源與生態(tài)問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球鹽堿地面積超過8×106km2[1],由于受全球氣候變暖引起的冰川融化海平面上升,森林、草地和濕地等面積減小,干旱等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生以及工業(yè)高速發(fā)展和不合理灌溉等因素的影響,全球鹽漬化土壤仍以每年(1.0×106)~(1.5×106) km2的速度增加[2]。我國各類鹽漬土面積約為1×106km2[3],尤其是西北干旱和半干旱等生態(tài)脆弱地區(qū),土壤鹽漬化現(xiàn)象尤為嚴(yán)重[4]。鹽漬化對(duì)植物的傷害作用,主要包括滲透脅迫、離子毒害及營養(yǎng)失衡等,最終表現(xiàn)為抑制植物生長(zhǎng),甚至導(dǎo)致死亡[5]。鹽脅迫下,植物依靠自身積累無機(jī)鹽離子進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),但高濃度的鹽脅迫(高濃度Na+)會(huì)抑制植物對(duì)K+、Ca+、Mg2+等礦質(zhì)元素的吸收[6-7],一方面抑制了以K+為輔助因子的多種酶的活性;另一方面影響了細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和地上部光合作用,造成植物體內(nèi)礦質(zhì)元素比例失調(diào),影響植物正常的生長(zhǎng)和發(fā)育[8]。因此,鹽脅迫下維持和重建植物細(xì)胞中的離子平衡,對(duì)植物正常的生理活動(dòng)具有重要意義。

        側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)為柏科側(cè)柏屬常綠喬木,中國特產(chǎn),除青海、新疆外,全國其余省(自治區(qū))均有分布,其適應(yīng)性強(qiáng),耐寒、耐旱、抗鹽堿、耐污染,是我國應(yīng)用最為普遍的觀賞和造林樹種[9]。目前針對(duì)側(cè)柏耐鹽生理的研究主要集中在種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、光合生理、滲透調(diào)節(jié)及耐鹽能力評(píng)價(jià)等方面[10-13],而對(duì)其礦質(zhì)離子研究,僅從參試的不同樹種離子積累差異的角度分析其鹽適應(yīng)性強(qiáng)弱[12-13],而未見從離子在側(cè)柏幼苗體內(nèi)不同器官間運(yùn)輸和分配角度對(duì)其鹽適應(yīng)機(jī)制進(jìn)行研究的報(bào)道。本試驗(yàn)以當(dāng)年生側(cè)柏幼苗為材料,通過溫室土培模擬NaCl不同梯度脅迫試驗(yàn),研究NaCl脅迫對(duì)幼苗生物量積累及根、莖、葉中K+、Na+、Ca+、Mg2+的吸收、運(yùn)輸與分配的影響,以期從離子積累與分配的角度進(jìn)一步探討側(cè)柏的耐鹽生理機(jī)制,為側(cè)柏在困難立地造林提供理論依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        供試側(cè)柏種子采自河南省安陽市林州縣。試驗(yàn)于2016年4-8月在中國林業(yè)科學(xué)研究院科研溫室內(nèi)進(jìn)行。側(cè)柏種子用溫水浸泡24 h,與濕沙混合催芽,2016年4月中旬,將萌動(dòng)露白的種子播種到營養(yǎng)缽中,每缽播種2粒,于溫室內(nèi)育苗。待幼苗生長(zhǎng)2個(gè)月后,選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽至30 cm×30 cm(直徑×高度)的塑料盆中,盆中加入等量基質(zhì),基質(zhì)成分為蛭石和珍珠巖,按照體積比3∶1混合,裝盆前栽培基質(zhì)和塑料盆用多菌靈進(jìn)行全面消毒處理。鹽脅迫前,側(cè)柏幼苗緩苗1個(gè)月左右,以適應(yīng)土培條件,達(dá)到正常生長(zhǎng)。

        試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì),設(shè)置0 (CK),100和200 mmol/L NaCl 3個(gè)鹽脅迫水平,每個(gè)處理3次重復(fù)。NaCl處理按每天50 mmol/L濃度增至目標(biāo)濃度,各處理在同一天到達(dá)預(yù)定濃度。NaCl脅迫處理21 d后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

        1.2 測(cè)算指標(biāo)及其方法

        1.2.1 生物量 小心將植株從培養(yǎng)基質(zhì)中取出,先用自來水沖洗凈植株表面的雜質(zhì),然后用去離子水沖洗5遍,吸干水分,分別將根、莖、葉裝入信封中編號(hào)放入烘箱,105 ℃殺青30 min,70 ℃烘至恒質(zhì)量(DW),自然冷卻后分別測(cè)定其生物量,并計(jì)算冠生物量、全株生物量、根冠比以及相對(duì)生物量。

        冠生物量=莖生物量+葉生物量;

        全株生物量=根生物量+冠生物量;

        根冠比=根生物量/冠生物量;

        相對(duì)生物量=某處理的平均總生物量/CK的平均總生物量×100%。

        1.2.2 礦質(zhì)離子含量 分別稱取各處理側(cè)柏幼苗根、莖、葉研磨粉碎后的樣品約0.1 g,用V(HNO3)∶V(HClO4)=10∶ 1于100 ℃左右電熱板上加熱消解,最后用去離子水定容至10 mL,參考劉正祥等[4]的方法采用電感耦合等離子體光譜儀(ICP-OES)測(cè)定K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量。

        1.2.3 離子選擇性運(yùn)輸能力SX,Na為不同器官對(duì)離子的選擇性運(yùn)輸系數(shù),其計(jì)算公式為:SX,Na=庫器官[X/Na+]/源器官[X/Na+],其中X代表K+、Ca2+和Mg2+中任意1種離子的含量。SX,Na值越大,表示源器官控制Na+、促進(jìn)X向庫器官運(yùn)輸?shù)哪芰υ綇?qiáng),即庫器官選擇性運(yùn)輸能力越強(qiáng)[14]。

        1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

        利用Excel 2007 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和做圖,采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗生物量積累的影響

        表1顯示,鹽脅迫可促進(jìn)側(cè)柏幼苗根生物量的積累,100和200 mmol/L NaCl脅迫幼苗根生物量較對(duì)照分別提高24.62%和0.76%。隨著鹽脅迫濃度的增加,側(cè)柏幼苗的莖、葉、冠及全株生物量總體顯著降低,而根冠比顯著增大。經(jīng)100和200 mmol/L NaCl脅迫后,幼苗植株的相對(duì)生物量分別為CK的98.61%和68.53%。

        表1 不同濃度NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗生物量積累和根冠比的影響Table 1 Effect of different NaCl concentrations on biomass accumulation and root/shoot ratio of Platycladus orientalis seedlings

        注:表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”,同列數(shù)據(jù)后標(biāo)不同小寫字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。下表同。
        Note:Data in the table are ‘mean±standard error’,different small letters in each column indicate significant difference atP<0.05 level.The same below.

        2.2 NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗根、莖、葉中離子含量的影響

        2.2.1 Na+和K+含量 由圖1可以看出,NaCl脅迫下,側(cè)柏幼苗各器官中Na+含量急劇增加,抑制了對(duì)K+的吸收,且同一器官不同處理間Na+含量差異達(dá)到了顯著水平。

        不同小寫字母代表不同NaCl處理間差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示不同器官間差異顯著(P<0.05),下圖同Different small letters represent significant difference at P<0.05 among treatments,while different capital letters represent significant difference at P<0.05 among organs.The same below.圖1 不同濃度NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗各器官中Na+和K+含量的影響Fig.1 Effects of different NaCl concentrations on contents of K+ and Na+ in different organs of Platycladus orientalis seedlings

        與CK相比,100 mmol/L NaCl脅迫植株各器官Na+含量的順序?yàn)楦?莖>葉,莖和葉中Na+含量分別為根中的54.0%和29.4%;200 mmol/L NaCl脅迫植株Na+含量則為根>葉>莖,葉和莖中Na+含量分別為根中的74.9%和74.5%。隨NaCl濃度的升高,側(cè)柏幼苗根、莖、葉中K+含量呈顯著下降的趨勢(shì),且根中K+含量下降的幅度最大,葉中K+含量變化較小。0(CK)、100和200 mmol/L NaCl脅迫下植株K+含量在不同器官間具有相同的變化規(guī)律,即葉>莖>根,且各器官間的差異均達(dá)到顯著水平。

        2.2.2 Ca2+和Mg2+含量 由圖2可見,側(cè)柏幼苗根中Ca2+含量隨NaCl濃度的增加顯著增加,葉中Ca2+含量隨NaCl濃度的增加先上升后下降,而莖中Ca+含量則呈先下降后升高的趨勢(shì)。其中100 mmol/L NaCl脅迫處理下,根和葉中Ca2+含量分別比CK增加了2.31%和2.46%,而莖中Ca2+含量較CK下降了8.09%。但無論是CK還是2個(gè)NaCl脅迫處理幼苗,各器官中Ca2+含量順序相同,即莖中Ca2+含量最高,其次是葉,根中最低,且Ca2+含量在各器官間的差異達(dá)到顯著水平。

        CK及100和200 mmol/L NaCl脅迫處理的側(cè)柏幼苗中,Mg2+含量最高的器官均是葉,其次是根,莖中最低,且在同一處理不同器官間Mg2+含量具有顯著差異。隨著NaCl脅迫濃度的升高,葉片中Mg2+無顯著變化,根中Mg2+含量逐漸升高,莖中Mg2+含量先下降后上升。

        圖2 不同濃度NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗各器官中Ca2+和Mg2+含量的影響Fig.2 Effects of different NaCl concentrations on contents of Ca2+ and Mg2+ in different organs of Platycladus orientalis seedlings

        2.3 NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗各器官離子含量比值的影響

        由圖3~5可以看出,鹽脅迫下側(cè)柏幼苗根、莖、葉中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+均大幅低于CK,且隨著NaCl濃度的增加均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

        圖3 不同濃度NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗各器官K+/Na+的影響Fig.3 Effects of different NaCl concentrations on K+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings圖4 不同濃度NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗各器官Ca2+/Na+的影響Fig.4 Effects of different NaCl concentrations on Ca2+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings

        圖5 不同濃度NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗各器官M(fèi)g2+/Na+的影響Fig.5 Effects of different NaCl concentrations on Mg2+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings

        100 mmol/L NaCl脅迫下,側(cè)伯根、莖、葉中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+較CK均下降了65%以上;當(dāng)NaCl濃度繼續(xù)增加到200 mmol/L時(shí),根、莖、葉中的離子含量比值分別比CK相應(yīng)器官下降84.13%,92.38%和93.41%(K+/Na+),78.41%,91.90%和92.82%(Ca2+/Na+),77.80%,91.84%和93.05%(Mg2+/Na+)。在同一NaCl濃度處理下,側(cè)柏幼苗葉片和莖中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+均高于根中。

        2.4 NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗離子選擇性運(yùn)輸?shù)挠绊?/h3>

        由表2可以看出,隨著NaCl脅迫濃度的增大,側(cè)柏幼苗由根部向莖部的離子運(yùn)輸能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na總體上顯著降低,且對(duì)K+的選擇性運(yùn)輸大于Ca2+和Mg2+。這說明側(cè)柏根系選擇性運(yùn)輸Na+,而抑制K+、Ca2+和Mg2+進(jìn)入莖中,且對(duì)Ca2+和Mg2+的抑制作用大于K+。

        表2 NaCl脅迫下側(cè)柏幼苗地上器官對(duì)K+、Ca2+和Mg2+的選擇性運(yùn)輸Table 2 Selective transportation of K2+,Ca+and Mg2+ in organs of Platycladus orientalis seedlings under NaCl stress

        由表2還可以看出,葉片對(duì)營養(yǎng)元素的選擇性吸收能力與莖部不同,100 mmol/L NaCl 脅迫下,側(cè)柏幼苗由莖部向葉片的離子運(yùn)輸能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na與CK相比呈顯著上升的趨勢(shì);200 mmol/L NaCl脅迫下,由莖部向葉片的運(yùn)輸能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na較CK下降,但差異均不顯著??傮w而言,由莖部到葉片的離子運(yùn)輸能力SMg,Na高于SK,Na和SCa,Na。

        3 討論與結(jié)論

        3.1 NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗生長(zhǎng)的影響

        鹽脅迫對(duì)植物造成的危害有滲透脅迫、離子毒害和營養(yǎng)元素虧缺[15],最終體現(xiàn)為生長(zhǎng)受到抑制、生物量積累下降、根冠比增加等[1,16]。然而對(duì)于鹽生植物或某些耐鹽性較強(qiáng)的甜土植物而言,適度的鹽脅迫不僅不會(huì)抑制其生長(zhǎng),反而會(huì)促進(jìn)其生長(zhǎng)和生物量的積累[17],如弗吉尼亞櫟[17]、木麻黃[18]等。本研究發(fā)現(xiàn),NaCl脅迫顯著提高了側(cè)柏幼苗根生物量并改變了生物量分配的格局,具體表現(xiàn)為根生物量、根冠比隨著NaCl濃度的升高顯著增加,同時(shí)側(cè)柏幼苗植株的相對(duì)生物量隨NaCl濃度的升高顯著下降。這表明NaCl脅迫促進(jìn)了側(cè)柏幼苗根系的生長(zhǎng)和發(fā)育,根系通過擴(kuò)大生長(zhǎng)量以平衡鹽脅迫對(duì)根系吸收功能的損傷,這對(duì)于維持植株地上部的正常生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義[17]。

        3.2 NaCl脅迫對(duì)側(cè)柏幼苗離子平衡的影響

        離子區(qū)隔化是植物耐鹽性的重要特性之一,也是植物維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡的重要機(jī)制之一[19-20]。不同植物根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表現(xiàn)出不同的離子區(qū)隔化方式,如牛疊肚[21]將Na+優(yōu)先積累在莖中,沙棗[4]、鵝耳櫪[22]等將Na+優(yōu)先積累在根中,唐古特白刺[23]等則將Na+優(yōu)先積累在葉片中。非鹽生植物的耐鹽性主要取決于植株根系對(duì)Na+的限制性吸收及維持葉片中較低的Na+含量。本研究結(jié)果顯示,隨著NaCl脅迫濃度的升高,側(cè)柏幼苗植株各器官Na+含量急劇增加,且在不同濃度NaCl脅迫下,根中Na+含量始終高于莖和葉。這說明鹽脅迫下,細(xì)胞幼苗優(yōu)先將Na+積累在根系中,這可以減輕Na+對(duì)代謝旺盛部位的干擾,同時(shí)可以利用積累在根部的Na+進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),降低水勢(shì),保持植物的吸水能力,減輕生理干旱[24]。這可能是側(cè)柏適應(yīng)鹽脅迫的一種機(jī)制。

        高等植物通過調(diào)節(jié)礦質(zhì)離子的種類和數(shù)量來維持細(xì)胞質(zhì)中微環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定,通過保持較高的K+/Na+及礦質(zhì)離子平衡的能力來適應(yīng)鹽漬環(huán)境[25]。如沙棗[4]、西瓜[19]等植物在鹽脅迫下,植物根系吸收大量的Na+,抑制了植物對(duì)K+、Ca2+、Mg2+的吸收和運(yùn)輸。植物體內(nèi)礦質(zhì)元素的含量和分布情況對(duì)其耐鹽能力有很大影響。本研究中,NaCl脅迫下側(cè)柏幼苗根、莖、葉中Na+及根中Ca2+和Mg2+含量增加,根、莖、葉中K+、K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+及莖、葉中Ca2+、Mg2+含量降低,這表明NaCl脅迫下,大量Na+進(jìn)入側(cè)柏幼苗體內(nèi),抑制了側(cè)柏幼苗對(duì)其他礦質(zhì)離子的吸收和運(yùn)輸,導(dǎo)致側(cè)柏幼苗植株體內(nèi)離子失衡。由于離子區(qū)隔化作用,側(cè)伯莖和葉中維持了相對(duì)較高水平的K+、Ca2+、Mg2+,且莖和葉中K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+顯著高于根系。隨著NaCl脅迫濃度的升高,根系中Ca2+、Mg2+含量增加及根向莖和莖向葉中SCa,Na、SMg,Na的降低,說明側(cè)柏幼苗在NaCl脅迫下Ca2+向地上部的運(yùn)輸能力降低,而根系中Ca2+含量增加可以激活Ca2+依賴的蛋白激酶(CDPK)、鈣結(jié)合蛋白等,以調(diào)節(jié)根細(xì)胞中礦質(zhì)離子的平衡來適應(yīng)鹽脅迫[26]。同時(shí),大量研究表明,外施Ca2+可減少細(xì)胞內(nèi)凈Na+流入和促進(jìn)細(xì)胞中K+和Na+穩(wěn)態(tài)的維持,從而提高植株的耐鹽性[27]。Ca2+通過活化SOS信號(hào)通路,增強(qiáng)SOS3-SOS2激酶復(fù)合體對(duì)SOS1的調(diào)控,提高植物對(duì)Na+的外排,以調(diào)節(jié)植株體內(nèi)的K+和Na+穩(wěn)態(tài),從而促進(jìn)植株體內(nèi)新的離子平衡的建立[15]。綜合本研究發(fā)現(xiàn),NaCl脅迫下側(cè)柏幼苗葉片中的K+、Ca2+、Mg2+含量始終高于根或莖,這對(duì)于維持地上部的光合作用和細(xì)胞膜的穩(wěn)定性具有重要意義。

        3.3 側(cè)柏幼苗對(duì)NaCl脅迫的適應(yīng)機(jī)制

        綜合本研究結(jié)果認(rèn)為,側(cè)柏幼苗對(duì)NaCl脅迫具有一定的耐受性,NaCl脅迫下側(cè)柏幼苗一是通過提高根系生物量來補(bǔ)償根系吸收功能的降低,二是將大量Na+限制、聚積在根系中,以維持地上部相對(duì)較高的K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+值,同時(shí)提高營養(yǎng)元素K+、Ca2+、Mg2+向地上部的選擇性吸收和運(yùn)輸能力,以提高滲透調(diào)節(jié)能力,降低Na+在地上部積累造成的離子毒害作用并維持地上部離子的平衡,維持植株正常的生理活動(dòng),從而適應(yīng)鹽脅迫的生存環(huán)境。

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