朱 桐，金 華，鄒吉祥，李新林，金純伊，程文瓊，劉思佳

（大連民族大學(xué)，遼寧 大連 116600）

干旱是限制植物生長、發(fā)育和分布的重要環(huán)境脅迫之一，干旱脅迫使植物的蒸騰、光合速率下降并抑制生長，其對植物造成的損害在所有非生物脅迫中占首位[1-3]。植物在生長過程中形成了許多適應(yīng)干旱脅迫的機(jī)制，其中一個(gè)重要的生理機(jī)制是滲透調(diào)節(jié)，它是植物提高水分利用率以抵御干旱脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)[4-5]。

干旱脅迫下植物需要發(fā)揮礦質(zhì)離子在滲透調(diào)節(jié)和水分吸收中的作用，同時(shí)又要維持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的離子平衡，為此重建體內(nèi)離子平衡來抵御水分脅迫傷害是植物抗旱性的一大特征，且植物通過礦質(zhì)離子進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)比利用有機(jī)滲調(diào)物質(zhì)要經(jīng)濟(jì)的多[6-7]。K+、Ca2+、Na+、Mg2+是植物生長發(fā)育所需的主要礦質(zhì)元素，其中K+是植物所需的大量元素之一，在調(diào)節(jié)滲透、酶活性和氣孔關(guān)閉等方面具有重要的作用，有研究表明水稻葉片中K+的積累調(diào)節(jié)細(xì)胞膨壓[8-9]；Ca2+作為第二信使參與干旱脅迫下植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，同時(shí)還具有調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢的作用[10]；Na+極易隨水遷移，因此根中高濃度的Na+在一定程度上降低了根細(xì)胞的滲透勢，在調(diào)節(jié)根系的水分平衡中發(fā)揮著積極作用[11]；Mg2+是葉綠素的重要組成成分之一，對植物體內(nèi)多種代謝活動(dòng)有促進(jìn)作用，葉片中Mg2+含量下降直接影響植物的光合作用[12]。干旱脅迫影響植物對水分的利用，而植物對離子的利用離不開水，因此水分缺乏必定會干擾植物對礦質(zhì)元素的吸收和利用。

關(guān)于干旱脅迫對植物礦質(zhì)元素的吸收及分布的研究結(jié)果不盡相同[11]。但多數(shù)研究認(rèn)為：在干旱條件下植物體內(nèi)多數(shù)礦質(zhì)元素含量下降，少數(shù)礦質(zhì)元素含量上升，而不同植物體內(nèi)的礦質(zhì)元素含量變化并不一致。為了探索干旱條件下楊樹體內(nèi)礦質(zhì)離子含量的變化及分布，本研究以3 種楊樹為材料，探究干旱脅迫下根、莖、葉和質(zhì)外體中離子含量的動(dòng)態(tài)變化以及空間分布，為楊樹在干旱環(huán)境中良好的生長及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用一年生的楊樹枝條進(jìn)行盆栽。荷蘭楊Populus×euramericana cv,‘N3930’ 及 吳 屯 楊Populus wutunensis均由阜新市林業(yè)局提供，新疆楊Populus bolleana Lauche由喀什市林業(yè)局提供。將3 個(gè)品種的楊樹于2017年4月上旬扦插于普通塑料花盆中（上口直徑10 cm，下口直徑 7 cm，高8 cm），盆中基質(zhì)為園土∶沙土=1∶1，將花盆放在溫室進(jìn)行培養(yǎng)，每隔3 天澆一次水并注意防治病蟲害。種植2 個(gè)月后，于實(shí)驗(yàn)前2 周選出長勢相同的30 盆植株放入光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)。

1.2 處理方法

本實(shí)驗(yàn)設(shè)置對照組和干旱脅迫組，干旱脅迫組又分為中度干旱組和重度干旱組，每組的樣品數(shù)量均為10 盆。實(shí)驗(yàn)樣品的處理方法為：對照組正常澆水，確?；ㄅ枭惩粱旌衔锏乃趾勘３衷?0%～60%，環(huán)境溫度25 ℃。干旱脅迫組自實(shí)驗(yàn)開始后不再澆水直到到葉片嚴(yán)重枯萎,處理后第4 天為中度干旱組，用MS 表示，處理后第8 天為重度干旱組，用HS 表示。采樣時(shí)間分別為處理后第0、4、8 天早上9:00，每組選取株高生長狀態(tài)相似的3 棵楊樹對其進(jìn)行采樣。

1.3 礦質(zhì)離子的測定方法

1.3.1 根、莖、葉中礦質(zhì)離子的測定

根、莖、葉中離子測定方法采用毛細(xì)管電泳法。分別稱取烘干至恒質(zhì)量的根、莖和葉樣品粉末 0.2 mg，加入一定量去離子水煮沸1 h，冷卻后定容，并于10 000 r/min 條件下離心8 min，所得上清液即為離子測定樣品，使用Millipore-Q 超純水作為對照。根據(jù)樣品的實(shí)際情況對毛細(xì)管電泳的進(jìn)樣方法進(jìn)行了優(yōu)化，毛細(xì)管電泳儀的進(jìn)樣方法為電壓力進(jìn)樣（2KV，4 s）。配制K+、Ca2+、Na+和Mg2+4種離子含量為0.20、0.49、0.98、1.95、3.91、7.81、15.63、31.25、62.5、125 和250 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)混合溶液，外標(biāo)法定量分析。此部分實(shí)驗(yàn)采樣和毛細(xì)管電泳均進(jìn)行3 次重復(fù)，取平均值以用于后續(xù)分析。

1.3.2 質(zhì)外體中礦質(zhì)離子的測定

質(zhì)外體中離子測定方法采用毛細(xì)管電泳-液相色譜連用法。質(zhì)外體取樣過程以透析原理為基礎(chǔ)，探針半透膜內(nèi)外存在濃度梯度，離子沿濃度梯度逆向擴(kuò)散。取樣中使用的灌注液是Millipore-Q 超純水，探針膜外離子濃度高于膜內(nèi)，離子向膜內(nèi)擴(kuò)散后隨即被膜內(nèi)流動(dòng)的灌注液帶出探針進(jìn)入樣品收集器或HPLC 系統(tǒng)，這使得探針膜內(nèi)的離子濃度將總是低于膜外質(zhì)外體空間，保證了連續(xù)動(dòng)態(tài)取樣過程的實(shí)現(xiàn)。

液相色譜所用色譜柱為Inertsil ODS-SP C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱溫30℃；流動(dòng)相A 為流動(dòng)相V（色譜純甲醇）:V（超純水，0.2%分析純磷酸）＝60∶40，柱溫30 ℃，流速 0.6 mL/min，檢測波長為220 nm，進(jìn)樣量20 μL。所有溶液均用Millipore-Q 超純水配置，準(zhǔn)確稱取Na+、K+、Ca2+和Mg2+標(biāo)準(zhǔn)品10 mg，置于50 mL容量瓶內(nèi)，用流動(dòng)相定容至50 mL，制成標(biāo)準(zhǔn)溶液，并用來進(jìn)行校準(zhǔn)曲線的制作，采用外標(biāo)法定量分析。透析液在上述色譜條件下直接進(jìn)樣分析，同時(shí)測定以上4種礦質(zhì)離子的含量。

2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析使用Excel 2010 和SPSS22.0 軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱脅迫對楊樹K+含量的影響

本研究對3 種楊樹不同部位內(nèi)K+含量進(jìn)行測量，可以看出干旱脅迫下，3 種楊樹根、莖、葉和質(zhì)外體K+含量相比于對照組均明顯增加 （P＜0.05），中度脅迫時(shí)對比對照組變化不顯著，重度干旱下新疆楊葉片中K+含量對比對照組提高了91.65%，莖和根中分別提升了79.68%和53.57%，荷蘭楊莖中K+含量變化相比對照提升了52.26%，葉和根中含量分別提升了35.81%和28.27%，吳屯楊根、莖、葉中K+含量相比對照分別上升了29.34%、21.29%和19.47%。干旱脅迫下不同品種楊樹的各個(gè)器官中K+的含量分布的總體趨勢來看，葉的K+含量較多，根和莖K+含量較少（圖1）。具體表現(xiàn)為吳屯楊和新疆楊中：葉＞ 根＞莖，吳屯楊：葉＞莖＞根。3 種楊樹質(zhì)外體中K+含量呈現(xiàn)不同程度的增加，新疆楊和吳屯楊質(zhì)外體中K+含量提高了24%，荷蘭楊質(zhì)外體中K+提升也變化了18%。

植物氣孔啟閉由保衛(wèi)細(xì)胞的脹縮決定，有關(guān)氣孔運(yùn)動(dòng)的機(jī)理有多種學(xué)說，其中由K+積累的滲透調(diào)節(jié)學(xué)說比較普遍[13-14]。本研究中K+在楊樹各個(gè)器官的含量明顯增加，這與前人研究結(jié)果一致，即K+是滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)家族中重要的一員，干旱脅迫時(shí)含量會顯著增加[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)K+主要分布在楊樹的葉片中可能用于調(diào)節(jié)氣孔開閉。綜合質(zhì)外體中K+含量的變化，可以推測干旱脅迫下楊樹通過根部吸收K+并通過莖和質(zhì)外體運(yùn)輸至葉片的生理活動(dòng)，重度干旱下楊樹沒能將根部吸收的K+運(yùn)送至葉片，導(dǎo)致了質(zhì)外體中K+含量升高。同時(shí)3 種楊樹體內(nèi)K+的分布也不同，存在品種間差異。

圖1 干旱脅迫對3 種楊樹根莖葉中K+含量的影響Fig.1 Effect of drought stress on K+ content in roots and stems of three poplar trees

3.2 干旱脅迫對楊樹Ca2+含量的影響

研究表明干旱脅迫下3 種楊樹不同部位的Ca2+含量都有上升，但中度干旱下含量變化不明顯，重度干旱脅迫下楊樹體內(nèi)Ca2+會明顯升高，3 種楊樹都表現(xiàn)出了相同的變化規(guī)律。對比重度干旱（圖2），中度干旱處理時(shí)Ca2+含量沒有顯著升高（P＞0.05），說明中度干旱對楊樹對吸收Ca2+影響較小，而重度干旱下楊樹吸收更多的Ca2+以適應(yīng)干旱。具體表現(xiàn)為重度脅迫下吳屯楊Ca2+含量莖和葉變化較大，分別達(dá)到了243.95%和234.60%，根部增長了34.38%。新疆楊葉片中Ca2+含量增長了115.80%，根和莖中Ca2+含量分別提升了44.93%和19.90%。荷蘭楊莖和葉的增長趨勢類似，分別為79.55%和77.31%，根部含量變化較少，只增長7.17%。離子分布上Ca2+在3 種楊樹中分布情況相同，即：根＞葉＞莖。質(zhì)外體中Ca2+含量在脅迫條件下明顯增加，與對照組相比新疆楊質(zhì)外體中Ca2+含量增加了197.87%，荷蘭楊和新疆楊質(zhì)外體中Ca2+含量分別增加了149.02%和89.06%。

Ca2+是植物體內(nèi)尤為重要的一種離子，主要分布于楊樹的根中，作為第二信使，它與很多功能息息相關(guān)，干旱脅迫下Ca2+提高了植物水分利用率[17]。研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫下3 楊樹不同部位Ca2+含量均有所上升，具體分布為：根＞葉＞莖。質(zhì)外體中Ca2+顯著上升，這個(gè)現(xiàn)象與Ca2+是第二信使并通過質(zhì)外體進(jìn)行運(yùn)輸?shù)那叭擞^點(diǎn)相符合。此外，干旱條件下各樹種Ca2+吸收能力以及空間分配不同，這種Ca2+吸收和調(diào)配方式可能是水分缺乏時(shí)植株?duì)I養(yǎng)生長、細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，通過信號傳遞以調(diào)節(jié)氣孔開閉以，減少水分散失。目前，對于上述機(jī)制的細(xì)節(jié)還知之甚少，亟需深入研究。

圖2 干旱脅迫對3 種楊樹根莖葉中Ca2+含量的影響Fig.2 Effect of drought stress on Ca2+ content in roots and stems of three poplar trees

3.3 干旱脅迫對楊樹Na+含量的影響

隨著干旱脅迫的時(shí)間增加，Na+含量逐漸增加，具體表現(xiàn)為相較于對照組Na+含量在中度脅迫時(shí)變化不大，重度脅迫時(shí)明顯增加。新疆楊葉部含量變化極為顯著，提升了282.92%，其次是莖部升高了94.60%，根部升高了55.17%。吳屯楊的根部含量變化明顯，提升了145.15%，莖和葉分別提升了126.86%和102.26%。荷蘭楊葉部含量變化高于其他部位，達(dá)到了74.93%，根部其次，提升了48.93%，莖部變化最小，只有6.92%。從Na+分布上看，Na+在根部積累最多，莖和葉積累的較少，具體表現(xiàn)為吳屯楊：根＞莖＞葉，荷蘭楊和新疆楊：根＞葉＞莖。質(zhì)外體中Na+含量總體呈上升趨勢，其中荷蘭楊質(zhì)外體中Na+含量提升了1 360.14%， 新疆楊和吳屯楊質(zhì)外體Na+含量也分別提升了545.49%和62.09%。

干旱脅迫引發(fā)Na+積累主要是在根部，且中度干旱脅迫時(shí)含量變化較小，重度干旱時(shí)含量明顯上升。由此可以看出當(dāng)植株在干旱脅迫時(shí)首選積累的離子并不是Na+，只有當(dāng)自身水分嚴(yán)重匱乏時(shí)才會主動(dòng)積累。干旱脅迫下楊樹體中Na+的變化規(guī)律與Na+的空間分布有關(guān)，根是植株從土壤吸收Na+的主要器官，質(zhì)外體是連接植株各部的連續(xù)空間，干旱脅迫僅引起Na+在根和質(zhì)外體的累積，這主要是因?yàn)橹参锔繉ΦV質(zhì)離子具有選擇透過性。楊樹Na+在分布上存在品種間差異，從Na+的分配可以推測干旱限制了根部吸收Na+并向葉片運(yùn)輸?shù)倪^程，抑制楊樹生長，高濃度的Na+在根部調(diào)節(jié)根部細(xì)胞滲透勢，以抵御干旱。

3.4 干旱脅迫對楊樹Mg2+含量的影響

干旱脅迫使楊樹根、莖和葉內(nèi)的Mg2+含量下降。研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫使根和葉中Mg2+含量急劇下降，莖中Mg2+含量變化不顯著，新疆楊葉部Mg2+含量下降了91.24%，根部Mg2+含量下降50.65，莖部下降28.65%。吳屯楊根部Mg2+含量降低了57.96%，其次是莖部，降低了42.78，葉部變化最小，降低了23.32%。荷蘭楊根、莖和葉中Mg2+含量變化情況相似，都下降了40%左右。3種楊樹Mg2+分布情況類似：根＞葉＞莖。質(zhì)外體中Mg2+含量較低，但是在干旱脅迫下其含量有略微升高的趨勢。吳屯楊質(zhì)外體中Mg2+含量上升了68.91%，新疆楊和荷蘭楊質(zhì)外體中Mg2+含量的變化量也分別達(dá)到了46.73%和39.46%。

在整個(gè)干旱過程中3 種楊樹隨著干旱脅迫的加劇都降低了自身對Mg2+的攝入，由此可以看出它不是干旱情況下調(diào)節(jié)滲透的主要離子，因此植物降低對Mg2+的需求。除此之外對于這種現(xiàn)象有研究稱，Mg2+的吸收利用不僅受到周圍環(huán)境因子包括地溫、氣溫s 和干旱等情況的影響，還受到了干旱情況下植物細(xì)胞細(xì)胞壁破裂等因素的影響[18]。細(xì)胞壁的破裂導(dǎo)致了Mg2+的流失，進(jìn)而導(dǎo)致了3種楊樹體內(nèi)Mg2+含量的下降。Mg2+在楊樹中主要存在于根部和葉片。由于Mg2+含量的下降，直接導(dǎo)致葉綠素的含量下降，影響植物的光合作用。而本研究中3 種楊樹的根、莖、葉的Mg2+含量均下降，只有質(zhì)外體中Mg2+含量上升這可能是由于質(zhì)外體作為離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道，沒有能量將Mg2+運(yùn)送至葉片，所以滯留在質(zhì)外體中。導(dǎo)致了質(zhì)外體中Mg2+含量的上升。

圖3 干旱脅迫對3 種楊樹根莖葉中Na+含量的影響Fig.3 Effect of drought stress on Na+ content in roots and stems of three poplar trees

圖4 干旱脅迫對3 種楊樹根莖葉中Mg2+含量的影響Fig.4 Effect of drought stress on Mg2+ content in roots and stems of three poplar trees

4 結(jié)論與討論

植物必需礦質(zhì)元素在植物的生長發(fā)育過程中起重要作用，不同逆境脅迫會影響植物對礦質(zhì)元素的吸收［19-20］。通過對干旱條件下楊樹體內(nèi)4種礦質(zhì)離子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）含量的測定和分析，為楊樹在干旱條件下更好地生長及發(fā)育提供理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，干旱脅迫對3 種楊樹不同部位的K+、Ca2+含量影響較大，這證明在干旱脅迫的環(huán)境下植株首選吸收的離子為K+、Ca2+。而Na+在中度脅迫時(shí)含量變化不顯著，只有當(dāng)重度脅迫時(shí)Na+的含量才發(fā)生明顯的變化，這表明只有在嚴(yán)重干旱時(shí)植株才會選擇吸收Na+離子。Mg2+含量則持續(xù)降低。由此推測3 種楊樹中質(zhì)外體和根、莖和葉中離子含量變化的原因不同，Na+、K+、Ca2+含量增加和Mg2+含量減少是離子在根、葉的累積或選擇性運(yùn)輸?shù)淖饔脤?dǎo)致的，而質(zhì)外體可能作為這些離子分配運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，所以離子濃度的變化趨勢與其他的不同。本研究使用的實(shí)驗(yàn)材料吳屯楊、新疆楊、荷蘭楊均為抗旱品種，3 種楊樹幼苗中離子含量及分布變化趨勢大致相同，但仍然顯示出礦質(zhì)離子的含量及分布存在品種差異。由于本實(shí)驗(yàn)僅對離子的含量和分布進(jìn)行測量，并未解析其具體的調(diào)控方式，因此進(jìn)一步研究礦質(zhì)離子在干旱脅迫下的調(diào)控機(jī)制，可為植物響應(yīng)干旱脅迫下離子動(dòng)態(tài)變化的研究提供依據(jù)。

綜上所述，植株通過調(diào)節(jié)細(xì)胞礦質(zhì)離子平衡來適應(yīng)干旱環(huán)境。本實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：干旱脅迫使K+、Ca2+和Na+3 種離子含量上升，Mg2+含量下降；干旱脅迫下楊樹首選吸收的離子是K+、Ca2+，K+主要分布于楊樹葉片，其次是根部。Ca2+主要分布于楊樹根部，通過根部吸收的Ca2+經(jīng)質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)饺~片。重度脅迫下楊樹會開始吸收Na+以調(diào)節(jié)抵抗干旱，Na+主要分布在楊樹的根部，用以調(diào)節(jié)根部細(xì)胞滲透勢保持水分。Mg2+主要分布在根部及葉片；不同品種楊樹體內(nèi)離子分布和吸收，都存在種間差異，本研究為離子調(diào)節(jié)楊樹響應(yīng)干旱的生理機(jī)制研究提供了依據(jù)。