羅 達(dá),吳正保,史彥江,宋鋒惠,*

1 新疆林業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)林研究所,烏魯木齊 830063 2 新疆林木資源與利用國(guó)家林草局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830063 3 新疆林果樹種選育與栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830063

土壤鹽漬化是自然界的主要災(zāi)害之一,也是威脅農(nóng)作物生長(zhǎng)最嚴(yán)重的非生物脅迫之一。我國(guó)土壤鹽漬化問(wèn)題尤為突出,主要發(fā)生在西北、華北和東北干旱半干旱地區(qū)[1]。鹽脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)階段(如種子萌發(fā)、生長(zhǎng)、開花結(jié)實(shí)等)以及生理代謝的各個(gè)過(guò)程(如水分代謝、光合作用、酶系統(tǒng)代謝等)都造成影響,進(jìn)而使農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降,嚴(yán)重時(shí)甚至顆粒無(wú)收。因此,為了提高鹽漬化土地資源的利用率,保障生態(tài)安全并實(shí)現(xiàn)農(nóng)林業(yè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),開展植物耐鹽機(jī)理研究、培育耐鹽植物品種顯得尤為迫切和重要。

植物在遭受鹽脅迫時(shí),通常會(huì)在根、莖、葉等形態(tài)結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出一系列的適應(yīng)性特征。葉片作為植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中可塑性較強(qiáng)的器官,其形態(tài)結(jié)構(gòu)特別是解剖結(jié)構(gòu)特征的變化與植物的耐鹽性密切相關(guān)[2]。研究表明,隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng),耐鹽性強(qiáng)的象草(Pennisetumpurpureum)葉片厚度,上、下表皮厚度呈先上升后下降的趨勢(shì)[3]；葡萄(Vitisvinifera)葉表皮厚度、柵欄組織和海綿組織厚度顯著增加,柵欄組織/海綿組織比顯著降低[4]。鹽堿環(huán)境下的杏(Prunusarmeniaca)表現(xiàn)出葉片肉質(zhì)化,角質(zhì)層增厚,柵欄組織發(fā)達(dá),氣孔下陷等典型的耐鹽堿特征[5]。鹽脅迫下,沼澤小葉樺(Betulamicrophyllavar.paludosa)葉片柵欄組織厚度[6]和紫花苜蓿(Medicagosativa)葉片柵欄組織/海綿組織比[7]增大。由此可見,開展鹽堿脅迫下的葉片解剖結(jié)構(gòu)特征研究有助于進(jìn)一步揭示植物對(duì)鹽堿環(huán)境的形態(tài)響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制。

鹽脅迫下,以Na+為首的鹽離子通過(guò)直接干擾或競(jìng)爭(zhēng)性地抑制細(xì)胞質(zhì)膜對(duì)K+、Ca2+、Mg2+等營(yíng)養(yǎng)離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),造成植物體內(nèi)的離子失衡、離子毒害和營(yíng)養(yǎng)虧缺,進(jìn)而影響植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育[8—10]。植物可以通過(guò)細(xì)胞膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將胞質(zhì)中的Na+外排以維持胞質(zhì)中低水平的Na+,或是通過(guò)液泡膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將Na+區(qū)隔于液泡中,從而避免Na+帶來(lái)的離子脅迫并保持胞內(nèi)離子平衡[11]；也可通過(guò)減少體內(nèi)K+、Ca2+、Mg2+等營(yíng)養(yǎng)離子的流失來(lái)提高其保有能力,進(jìn)而提高耐鹽性[12—14]。Yang等[15]認(rèn)為植物維持適宜的細(xì)胞質(zhì)K+/Na+比值是耐鹽植物對(duì)過(guò)量離子反應(yīng)的重要適應(yīng)性狀。研究表明,不同品種或種源植物的離子代謝特征對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)和適應(yīng)存在差異。鹽脅迫下,藍(lán)莓(Vacciniumcorymbosum)‘藍(lán)豐’幼苗根、莖、葉對(duì)Na+和Cl-的吸收低于藍(lán)莓‘奧尼爾’,對(duì)Mg2+的吸收則高于‘奧尼爾’,其維持體內(nèi)離子平衡的能力以及K+和Mg2+的整體離子選擇性運(yùn)輸能力強(qiáng)于‘奧尼爾’,耐鹽性也相對(duì)較強(qiáng)[16]。與銀川種源沙棗(Elaeagnusangustifolia)相比,阿拉爾種源沙棗(Elaeagnusangustifolia)能更有效地將Na+阻隔于根系中,減少向地上部分運(yùn)輸,并能更好地減少幼苗各組織中K+、Ca2+和Mg2+的流失,進(jìn)而維持離子平衡以保證體內(nèi)各生理代謝過(guò)程的正常進(jìn)行[17]。

平歐雜種榛(Corylusheterophylla×Corylusavellan)是由遼寧省經(jīng)濟(jì)林研究所利用原產(chǎn)于我國(guó)的平榛(C.heterophylla)與外來(lái)的歐洲榛(C.avellan)種間雜交選育而來(lái),因其兼具平榛(耐寒、耐瘠薄、適應(yīng)性強(qiáng))與歐洲榛(果大、殼薄、豐產(chǎn))的優(yōu)良遺傳特性[18],是目前我國(guó)廣泛推廣栽培的榛樹品種。新疆自2001年開始開展榛子的區(qū)域化引種試驗(yàn),經(jīng)過(guò)20年的引種、馴化、選育等一系列研究工作,現(xiàn)已篩選出‘達(dá)維’、‘遼榛7號(hào)’、‘玉墜’、‘遼榛3號(hào)’、‘平歐15號(hào)’等幾個(gè)適宜推廣栽培的優(yōu)良品種。土壤鹽漬化問(wèn)題一直是制約農(nóng)林業(yè)開發(fā)及可持續(xù)發(fā)展的重大限制條件和障礙因素。目前,國(guó)內(nèi)外僅在生長(zhǎng)和生理生態(tài)特性[19—21]等方面對(duì)平歐雜種榛的耐鹽性開展過(guò)相關(guān)研究,如鹽脅迫下,‘達(dá)維’、‘遼榛7號(hào)’、‘玉墜’3個(gè)品種平歐雜種榛幼苗的新梢生長(zhǎng)量、根、莖、葉生物量以及幼苗總生物量顯著降低,根冠比則隨著鹽脅迫的增強(qiáng)而增加,且不同品種的鹽脅迫響應(yīng)差異明顯[21]。而對(duì)鹽脅迫下不同品種的葉片解剖結(jié)構(gòu)以及體內(nèi)離子平衡的鹽適應(yīng)機(jī)制和響應(yīng)差異的研究尚未探及。本文以不同品種平歐雜種榛幼苗為試材,采用盆栽控鹽對(duì)比試驗(yàn),研究鹽脅迫下幼苗葉片顯微解剖結(jié)構(gòu)以及根、莖、葉中Na+、K+、Cl-、Ca2+的吸收、運(yùn)輸和分配特征,以期探明平歐雜種榛的鹽脅迫響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制及不同品種的耐鹽性差異。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為3個(gè)優(yōu)良品種的平歐雜種榛:‘達(dá)維’、‘遼榛7號(hào)’、‘玉墜’,苗木為2年生壓條根蘗苗,由伊犁琨源農(nóng)林開發(fā)有限責(zé)任公司提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在新疆林業(yè)科學(xué)院樹木實(shí)驗(yàn)園內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)期間采用美國(guó)HOBO小型自動(dòng)氣象站監(jiān)測(cè)6—9月的日平均氣溫為15.3—28.2℃,相對(duì)濕度20.2%—44.3%,太陽(yáng)輻射125.6—434.4 W/m2。為確保苗木一致性,選擇地徑和株高基本一致的幼苗進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。將苗木定植在40 cm×35 cm的白色塑料盆缽中,每盆定植1株,之后將苗木統(tǒng)一截干至10 cm高,供試基質(zhì)為經(jīng)自來(lái)水和蒸餾水沖洗過(guò)的蛭石。

幼苗定植后,對(duì)其進(jìn)行日常澆水管理,待新梢長(zhǎng)至20 cm左右時(shí)開始進(jìn)行鹽脅迫處理。鹽脅迫處理前4 d停止?jié)菜?以保證鹽溶液在基質(zhì)中均勻擴(kuò)散。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),根據(jù)張麗[20]的試驗(yàn)結(jié)果,本研究設(shè)置3個(gè)鹽濃度梯度的脅迫水平,即輕度(50 mmol/L NaCl)、中度(100 mmol/L NaCl)、重度(200 mmol/L NaCl),設(shè)對(duì)照為0。鹽脅迫處理分3個(gè)試驗(yàn)區(qū)組,每個(gè)試驗(yàn)區(qū)組每種鹽脅迫處理12盆,共計(jì)144盆。所用鹽溶液為相應(yīng)質(zhì)量的NaCl溶于1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液配置而成,每盆植株澆灌1.5 L相應(yīng)濃度的處理液。為了防止鹽溶液對(duì)苗木的鹽沖擊效應(yīng),鹽溶液分3次澆灌完成,脅迫第1 d用500 mL相應(yīng)濃度的處理液澆灌1次,第2、3 d各補(bǔ)500 mL。鹽脅迫期間根據(jù)盆內(nèi)基質(zhì)水分狀況適時(shí)補(bǔ)水(去離子水),每次補(bǔ)水以充分灌透且溶液剛剛滲出為宜,期間每20 d用不加NaCl的1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌1次,以保證營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。試驗(yàn)期間,盆底墊塑料托盤,以保證補(bǔ)水和澆灌營(yíng)養(yǎng)液時(shí)滲出的鹽分及時(shí)返還盆中,確保盆中鹽分總量。試驗(yàn)期間對(duì)供試苗木進(jìn)行日常養(yǎng)護(hù)管理。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1樣品采集與處理

鹽脅迫處理4個(gè)月后,隨機(jī)選取各處理試驗(yàn)苗木9株作為樣株。為確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性,采集樣株一年生枝條由上往下第3—4枚健康成熟葉片足夠量,立即放入提前配置好的FAA固定液(70%乙醇90 mL+甲醛5 mL+乙酸5 mL)中,并迅速帶回實(shí)驗(yàn)室用于葉片解剖結(jié)構(gòu)分析。之后,分別采集幼苗根、莖、葉樣品,裝入信封后編號(hào)帶回實(shí)驗(yàn)室用于離子含量測(cè)定。

1.3.2葉片解剖結(jié)構(gòu)

參照徐青[22]的方法,采用改進(jìn)后的雙重染色技術(shù)對(duì)葉樣進(jìn)行石蠟切片分析。將固定好的葉片,經(jīng)各個(gè)梯度酒精(70%、85%、95%和100%)脫水、番紅染色、二甲苯透明、石蠟包埋切片(厚度6—8 μm)、番紅-固綠雙重染色,中性樹膠封片,于顯微鏡相連的Nikon照相機(jī)下觀察、拍照。利用顯微鏡對(duì)各處理的樣葉切片依次觀測(cè)以下葉片解剖結(jié)構(gòu)指標(biāo):葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度、海綿組織厚度,所有葉片各指標(biāo)觀測(cè)10—15個(gè)視野后取平均值。計(jì)算柵欄組織厚度/海綿組織厚度比值,并按下列公式計(jì)算結(jié)構(gòu)緊密度和疏松度:

結(jié)構(gòu)緊密度=柵欄組織厚度/葉片厚度

結(jié)構(gòu)疏松度=海綿組織厚度/葉片厚度

1.3.3離子代謝特征

取幼苗根、莖、葉樣品一定量,經(jīng)105 ℃烘箱殺青20 min后,于80 ℃烘干至恒質(zhì)量,磨碎過(guò)40目篩后各稱取1.0 g,加入30 mL去離子水,搖勻后沸水浴中放置2 h,冷卻后定容至50 mL備測(cè)。其中,Na+、K+、Ca2+含量采用原子吸收光譜儀(PerkinElmer PinAAcle 900T)測(cè)定；Cl-含量采用電位滴定儀(ZDJ-4A)測(cè)定。計(jì)算各器官的K+/Na+和Ca2+/Na+比值,并按下列公式計(jì)算不同器官對(duì)離子的吸收和選擇性運(yùn)輸能力(SX,Na+)[23]:

SX,Na+=庫(kù)器官[X/Na+]/源器官[X/Na+]

式中,X為K+含量或Ca2+含量,SX,Na+值越大表示源器官控制Na+、促進(jìn)X向庫(kù)器官的運(yùn)輸能力越強(qiáng),即庫(kù)器官的選擇性運(yùn)輸能力越強(qiáng)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 22.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05)。利用Origin Pro 9.0軟件完成繪圖。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對(duì)葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響

圖1可見,平歐雜種榛為異面葉,平均厚度約195.46 μm。葉片由上表皮細(xì)胞、下表皮細(xì)胞,柵欄組織和海綿組織構(gòu)成。表皮細(xì)胞排列緊密,其中,上表皮細(xì)胞呈長(zhǎng)形至橢圓形,平均厚度約14.16 μm；下表皮細(xì)胞小而不規(guī)則,平均厚度約10.87 μm。葉肉中柵欄組織呈長(zhǎng)柱形,排列整齊、緊湊,平均厚度約107.96 μm；海綿組織形狀不規(guī)則,排列疏松,細(xì)胞間隙較大,平均厚度約50.85 μm。

圖1 鹽脅迫下‘遼榛7號(hào)’葉片解剖結(jié)構(gòu)圖

從圖2可以看出,鹽脅迫對(duì)平歐雜種榛幼苗葉片各解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)均產(chǎn)生不同程度的影響。不同品種葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度均隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng)呈現(xiàn)出先增加后降低的特點(diǎn)。其中,輕度和中度脅迫下,不同品種葉片各解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)均顯著高于對(duì)照(P<0.05)；重度脅迫下,‘達(dá)維’葉片上表皮厚度顯著低于對(duì)照(P<0.05),‘遼榛7號(hào)’葉片厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度均顯著高于對(duì)照(P<0.05),‘玉墜’葉片上表皮厚度、柵欄組織厚度顯著高于對(duì)照(P<0.05),其余葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)均降低至對(duì)照水平(P>0.05)。輕度和中度鹽脅迫下,‘達(dá)維’、‘玉墜’葉片柵欄組織/海綿組織比顯著提高(P<0.05),不同程度鹽脅迫對(duì)‘遼榛7號(hào)’的影響不顯著(P>0.05)。中度鹽脅迫顯著提高了不同品種葉片的結(jié)構(gòu)緊密度(P<0.05)。與對(duì)照相比,輕度和中度鹽脅迫下,‘達(dá)維’、‘玉墜’葉片結(jié)構(gòu)疏松度顯著降低(P<0.05),‘遼榛7號(hào)’則顯著提高(P<0.05)。從不同品種來(lái)看,鹽脅迫下葉片各解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)也存在不同程度的差異。輕度脅迫下,葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度表現(xiàn)為‘達(dá)維’>‘玉墜’>‘遼榛7號(hào)’；中度脅迫下,柵欄組織厚度、海綿組織厚度、結(jié)構(gòu)緊密度均表現(xiàn)為‘遼榛7號(hào)’>‘玉墜’>‘達(dá)維’。

圖2 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗葉片解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 鹽脅迫對(duì)離子含量的影響

2.2.1鹽脅迫對(duì)Na+含量的影響

從圖3可知,鹽脅迫顯著影響平歐雜種榛幼苗根、莖、葉Na+含量(P<0.05)。隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng),不同品種各器官Na+含量呈遞增趨勢(shì)。不同程度鹽脅迫下,葉Na+含量始終高于根和莖。但從Na+增幅來(lái)看,輕度、中度和重度脅迫下3個(gè)品種根Na+含量分別平均提高1.14、2.24、4.35倍,莖Na+含量分別平均提高0.75、2.83、4.15倍,高于葉Na+含量增幅的0.26、0.76、1.42倍,表明鹽脅迫處理后根開始積聚大量Na+。從不同品種來(lái)看,同一器官Na+含量也存在明顯差異。輕度、中度和重度脅迫下,‘遼榛7號(hào)’根、莖、葉Na+含量及增幅均低于‘達(dá)維’和‘玉墜’,表明鹽脅迫對(duì)‘遼榛7號(hào)’Na+吸收的影響小于其它2個(gè)品種。

圖3 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉中Na+含量

2.2.2鹽脅迫對(duì)Cl-含量的影響

圖4顯示,鹽脅迫顯著影響平歐雜種榛幼苗根、莖、葉Cl-含量。隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng),不同品種各器官Cl-含量呈明顯增加趨勢(shì),并在重度脅迫下達(dá)到最大值。不同程度鹽脅迫下,葉Cl-含量最高,其次為莖,根最低。但從Cl-增幅來(lái)看,輕度、中度和重度脅迫下3個(gè)品種根Cl-含量分別平均提高0.53、1.13、1.59倍,高于莖Cl-含量增幅的0.39、0.88、1.32倍,且明顯高于葉Cl-含量增幅的0.16、0.41、0.77倍,表明鹽脅迫處理后根系開始大量積累Cl-,并在之后將其轉(zhuǎn)運(yùn)至莖和葉中。從不同品種來(lái)看,同一器官Cl-含量也存在不同程度的差異。不同程度鹽脅迫下,‘遼榛7號(hào)’根、莖、葉Cl-含量及增幅總體低于‘達(dá)維’和‘玉墜’。

圖4 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉中Cl-含量

2.2.3鹽脅迫對(duì)K+含量的影響

從圖5可以看出,鹽脅迫下不同器官對(duì)K+的吸收規(guī)律存在差異。隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng),不同品種根、莖K+含量呈先降低后略有回升的趨勢(shì)。輕度、中度和重度脅迫下,根K+較對(duì)照分別顯著降低18.9%、44.0%和25.7%(P<0.05),莖K+較對(duì)照分別顯著降低22.1%、40.7%和27.2%(P<0.05)。鹽脅迫下,葉K+呈先增加后急劇下降的趨勢(shì),輕度、中度脅迫下葉K+較對(duì)照分別增加20.3%和40.3%(P<0.05),重度脅迫較對(duì)照降低29.4%?？傮w來(lái)看,鹽脅迫抑制了各品種根、莖K+的吸收,但適度鹽脅迫促進(jìn)了K+在葉片中的積累,這對(duì)于植株維持正常的生理活動(dòng)具有重要作用。不同品種間,各器官K+含量總體表現(xiàn)為‘遼榛7號(hào)’>‘玉墜’>‘達(dá)維’。同時(shí),‘遼榛7號(hào)’根、莖K+的降幅始終低于‘達(dá)維’和‘玉墜’,葉K+的增幅則始終高于‘達(dá)維’和‘玉墜’。

圖5 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉中K+含量

2.2.4鹽脅迫對(duì)Ca2+含量的影響

圖6表明,鹽脅迫下,不同器官對(duì)Ca2+的吸收規(guī)律不同。其中,根、莖Ca2+隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng)表現(xiàn)為先降低后升高,輕度脅迫下根、莖Ca2+(‘遼榛7號(hào)’莖除外)與對(duì)照無(wú)顯著差異(P>0.05),中度脅迫下根、莖Ca2+較對(duì)照分別顯著降低21.8%和46.7%(P<0.05)。輕度脅迫顯著提高了‘達(dá)維’葉Ca2+(P<0.05),對(duì)‘遼榛7號(hào)’和‘玉墜’葉Ca2+的影響不顯著(P>0.05)；重度脅迫顯著抑制了各品種葉對(duì)Ca2+的吸收(P<0.05)。從不同品種來(lái)看,同一器官Ca2+含量也存在顯著差異(P<0.05)。不同程度鹽脅迫下,‘遼榛7號(hào)’根、莖、葉Ca2+含量總體高于‘達(dá)維’和‘玉墜’,表明鹽脅迫下‘遼榛7號(hào)’維持Ca2+吸收的能力強(qiáng)于其它2個(gè)品種。

圖6 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉中Ca2+含量

2.3 鹽脅迫對(duì)離子比值的影響

圖7顯示,鹽脅迫對(duì)不同品種平歐雜種榛幼苗各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比均產(chǎn)生顯著影響(P<0.05)?？傮w來(lái)看,鹽脅迫導(dǎo)致不同品種各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比顯著降低(P<0.05)。從不同品種來(lái)看,各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比在品種間也存在顯著差異(P<0.05),具體表現(xiàn)為‘遼榛7號(hào)’>‘玉墜’>‘達(dá)維’,而鹽脅迫增強(qiáng)時(shí)K+/Na+比和Ca2+/Na+比的降幅為‘達(dá)維’>‘玉墜’>‘遼榛7號(hào)’,表明鹽脅迫下‘遼榛7號(hào)’維持體內(nèi)離子平衡的能力最強(qiáng),其次為‘玉墜’,‘達(dá)維’最弱。

圖7 鹽脅迫下平歐雜種榛幼苗根、莖、葉K+/Na+、Ca2+/Na+

2.4 鹽脅迫對(duì)離子選擇性運(yùn)輸能力的影響

從圖8可以看出,‘達(dá)維’從根到莖的SK+,Na+和SCa2+,Na+隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng)呈升-降-升的趨勢(shì)。鹽脅迫對(duì)‘遼榛7號(hào)’和‘玉墜’從根到莖的SK+,Na+影響不顯著(P>0.05),中度和重度脅迫下‘遼榛7號(hào)’和‘玉墜’從根到莖的SCa2+,Na+顯著降低(P<0.05)。隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng),不同品種平歐雜種榛從莖到葉以及從根到葉的SK+,Na+和SCa2+,Na+均表現(xiàn)為先升高后降低的特點(diǎn),并在輕度或中度脅迫下達(dá)到最大值,重度脅迫下顯著高于或維持在對(duì)照水平。從不同品種來(lái)看,各器官間的SK+,Na+和SCa2+,Na+在品種間也存在差異,具體表現(xiàn)為從根到莖、從莖到葉以及從根到葉的SK+,Na+在不同程度鹽脅迫下的均值表現(xiàn)為‘遼榛7號(hào)’>‘達(dá)維’>‘玉墜’,SCa2+,Na+則表現(xiàn)為‘遼榛7號(hào)’>‘玉墜’>‘達(dá)維’。

圖8 鹽脅迫對(duì)平歐雜種榛幼苗SK+,Na+、SCa2+,Na+的影響

3 討論

3.1 葉片解剖結(jié)構(gòu)特征對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)

鹽堿生境下的植物通常具有一些特殊的葉片解剖結(jié)構(gòu)特征,如角質(zhì)層增厚,葉片肉質(zhì)化,柵欄組織發(fā)達(dá),氣孔下陷,葉片有鹽腺分布等[2,24]。本研究中,不同品種平歐雜種榛葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織和海綿組織厚度均隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng)呈先增加后降低的特點(diǎn),輕度、中度脅迫下各參數(shù)顯著提高,重度脅迫下又有所下降,可能是高濃度鹽脅迫引起葉片失水所致。張霞等[3]在研究鹽脅迫對(duì)象草葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響時(shí)也得到類似的結(jié)論。一般而言,葉片柵欄組織越厚,細(xì)胞排列越緊實(shí),柵欄組織/海綿組織比和結(jié)構(gòu)緊密度越大,植物的耐鹽性越強(qiáng)；海綿組織越厚,細(xì)胞排列越疏松,植物的耐鹽性越差[6—7]。本研究表明,鹽脅迫引起平歐雜種榛葉片柵欄組織/海綿組織比、結(jié)構(gòu)緊密度顯著增加或維持在對(duì)照水平,‘達(dá)維’和‘玉墜’葉片結(jié)構(gòu)疏松度則表現(xiàn)出不同程度降低。結(jié)合前期研究與本研究可以得出,鹽脅迫下,平歐雜種榛葉面積變小[21],上、下表皮增厚,葉片肉質(zhì)化,柵欄組織細(xì)胞伸長(zhǎng),細(xì)胞層數(shù)增多,胞間隙變小,排列緊密,這些特征的變化是平歐雜種榛對(duì)鹽環(huán)境的解剖結(jié)構(gòu)響應(yīng),也是其對(duì)生境中大量鹽離子造成的生理脅迫的一種適應(yīng)性表現(xiàn)。一方面,葉小、厚實(shí)且緊密的葉肉細(xì)胞通過(guò)減少體內(nèi)水分流失,降低蒸騰速率,從而提高水分利用效率[6]；另一方面,柵欄組織不僅能高效運(yùn)輸水分,同時(shí)細(xì)胞內(nèi)較多、較大的葉綠體能夠增強(qiáng)光合作用[4]。

從不同品種來(lái)看,輕度和中度鹽脅迫引起3個(gè)品種平歐雜種榛葉片厚度、上表皮厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度顯著增加,但重度鹽脅迫下,‘達(dá)維’葉片厚度、下表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度以及‘玉墜’葉片厚度、下表皮厚度和海綿組織厚度均降低至對(duì)照水平,而‘遼榛7號(hào)’葉片厚度、上表皮厚度、柵欄組織厚度和海綿組織厚度仍顯著高于對(duì)照。同時(shí),重度鹽脅迫下‘遼榛7號(hào)’葉片結(jié)構(gòu)緊密度較對(duì)照顯著提高6.5%,明顯高于‘達(dá)維’的2.0%和‘玉墜’的2.8%。上述結(jié)果表明,‘遼榛7號(hào)’葉片在鹽脅迫下特別是重度鹽脅迫下仍能通過(guò)一些解剖結(jié)構(gòu)特征的調(diào)整表現(xiàn)出更強(qiáng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性與耐鹽性。

3.2 離子代謝特征對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)與適應(yīng)

NaCl脅迫下,植物體大量吸收并積累Na+和Cl-,并因此引起離子毒害或滲透脅迫,最終導(dǎo)致植物生長(zhǎng)嚴(yán)重受阻[25]。面對(duì)NaCl脅迫,植物往往通過(guò)根系的離子選擇性吸收來(lái)拒Na+或排Na+,或通過(guò)Na+區(qū)隔化來(lái)維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡,以此提高對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性[2,26—27]。盡管如此,不同植物對(duì)鹽離子的區(qū)隔化方式存在差異,如唐古特白刺(Nitrariatangutorum)[28]、西伯利亞白刺(Nitrariasibirica)[29]、河灘蘆葦(Phragmitesaustralis)[30]將Na+和Cl-主要集中在葉中,紅砂(Reaumuriasoongorica)[31]的Cl-主要在莖部積累,而槲樹(Quercusdentata)將Na+主要集中在根系[32]。也有研究表明,耐鹽型和鹽敏感型植物的離子區(qū)隔化方式不同,前者將Na+主要集中在根部,后者則將Na+主要集中在葉中[33]。本研究中,不同品種平歐雜種榛根、莖、葉中Na+和Cl-含量均隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng)而顯著增加,與對(duì)照相比,不同程度鹽脅迫下以根中Na+和Cl-含量增幅最大,葉中增幅最小,表明鹽脅迫下Na+和Cl-主要在根中積累,其次為莖,葉中積累最少。但從Na+和Cl-的絕對(duì)含量來(lái)看,葉中Na+和Cl-分布最多,根中分布最少,表明根系作為植物體最早感受鹽脅迫信號(hào)的器官和最直接的受害部位,鹽脅迫下首先會(huì)吸收并截留一定數(shù)量的Na+和Cl-,然后將其運(yùn)輸至莖和葉中,這與楊秀艷等[28]對(duì)唐古特白刺的研究結(jié)果一致。相關(guān)研究認(rèn)為,這種適應(yīng)機(jī)制一方面降低了鹽離子對(duì)根系的毒害作用,保證植株對(duì)其它營(yíng)養(yǎng)元素的吸收；另一方面,植株將鹽離子更多地分布于葉中,可以利用鹽離子作為無(wú)機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)增大地上部分與地下部分的滲透勢(shì)差,促進(jìn)水分吸收及其向上運(yùn)輸進(jìn)而稀釋液泡的高鹽環(huán)境[29,34]。

作為植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素,K+在離子平衡調(diào)控、細(xì)胞膨壓和滲透調(diào)節(jié)等生理方面發(fā)揮著重要作用；而Ca2+作為植物信號(hào)傳導(dǎo)中重要的第二信使參與植物的抗逆信號(hào)傳導(dǎo),調(diào)節(jié)著植物對(duì)逆境變化的響應(yīng)過(guò)程[35],K+和Ca2+能調(diào)節(jié)植物的耐鹽性[36—37]。本研究中,輕度和中度鹽脅迫下不同品種平歐雜種榛根、莖對(duì)K+和Ca2+的吸收保持穩(wěn)定或減少,而葉對(duì)K+和Ca2+的吸收有所增加,表明在一定鹽脅迫范圍內(nèi)盡管平歐雜種榛根、莖的K+和Ca2+吸收下降,但葉具有一定的K+和Ca2+保有能力,進(jìn)而維持體內(nèi)離子的相對(duì)穩(wěn)定來(lái)提高耐鹽性。這與烏鳳章等[16]對(duì)2個(gè)藍(lán)莓品種的研究結(jié)果一致。一般來(lái)說(shuō),鹽脅迫會(huì)抑制植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)離子(K+、Ca2+、Mg2+等)的吸收[17,32]。然而本研究發(fā)現(xiàn),隨著鹽脅迫程度的持續(xù)增強(qiáng),重度脅迫下不同品種平歐雜種榛根、莖對(duì)K+和Ca2+的吸收較中度甚至輕度脅迫時(shí)增加。與本研究結(jié)果相似,楊秀艷等[28]在研究唐古特白刺以及唐曉倩等[34]在研究西伯利亞白刺幼苗的鹽脅迫響應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),300 mmol/L NaCl脅迫下兩種白刺的根對(duì)K+的吸收以及唐古特白刺莖對(duì)Ca2+的吸收較200 mmol/L NaCl和100 mmol/L NaCl脅迫時(shí)增強(qiáng),特別是兩種白刺根中K+含量顯著增加。引起這一現(xiàn)象的原因可能在于Na+和K+的水合半徑相似,白刺可能通過(guò)增強(qiáng)根對(duì)K+的吸收以及莖對(duì)Ca2+的吸收來(lái)抑制根系過(guò)多的吸收Na+,從而在一定程度上減緩鹽離子造成的危害。此外,研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫處理四翅濱藜(Atriplexcanescens)7 d后,300 mmol/L脅迫下葉片中的Ca2+含量較對(duì)照和150 mmol/L脅迫時(shí)顯著提高[38]。由此可見,植物在響應(yīng)鹽脅迫時(shí)對(duì)離子的吸收規(guī)律可能因植物材料、脅迫強(qiáng)度和脅迫階段的不同而存在差異。

Na+是造成植物鹽害的主要離子,K+是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的重要組分。然而,由于2種離子具有相似的離子半徑和水合能,鹽脅迫下Na+對(duì)K+的吸收位點(diǎn)和活性位點(diǎn)呈現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用,根細(xì)胞中的K+被Na+所取代,導(dǎo)致K+吸收減少,依賴K+的酶活性及代謝過(guò)程受到抑制[39]。因此,鹽漬化土壤上的植物往往受到Na+毒害和K+虧缺的雙重傷害,維持細(xì)胞中高水平的K+及K+/Na+比可以減少鹽離子造成的毒害,是機(jī)體進(jìn)行正常生理代謝所必須的[40]。此外,鹽脅迫下莖、花等組織中維持適宜的Ca2+/Na+比已被證實(shí)是植物耐鹽的關(guān)鍵[41]。本研究中,鹽脅迫導(dǎo)致平歐雜種榛各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比顯著降低,與鹽脅迫下藍(lán)莓[16]和大麥(Hordeumvulgare)[42]的離子代謝特征相一致。鹽脅迫下,植物對(duì)Na+的大量吸收通過(guò)直接干擾和抑制細(xì)胞質(zhì)膜對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素(K+和Ca2+)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),造成離子失衡,各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比下降[38],并由此進(jìn)一步引起植株生長(zhǎng)發(fā)育受阻。前期我們?cè)谘芯葵}脅迫對(duì)3個(gè)品種平歐雜種榛生長(zhǎng)性狀的影響時(shí)也得出,鹽脅迫顯著抑制幼苗的生長(zhǎng)量和生物量[21]。

3.3 不同品種平歐雜種榛耐鹽性差異

鹽脅迫下,植物維持體內(nèi)相對(duì)較高的K+/Na+比和Ca2+/Na+比是植物耐鹽性強(qiáng)的一種表現(xiàn)。因此,植物能否在鹽漬環(huán)境條件下生存在很大程度上取決于其體內(nèi)維持K+/Na+和Ca2+/Na+平衡的能力[11]。本研究中,不同品種平歐雜種榛各器官K+/Na+比和Ca2+/Na+比在品種間均存在顯著差異,具體表現(xiàn)為‘遼榛7號(hào)’>‘玉墜’>‘達(dá)維’,而K+/Na+比和Ca2+/Na+比的降幅表現(xiàn)為‘達(dá)維’>‘玉墜’>‘遼榛7號(hào)’,表明‘遼榛7號(hào)’對(duì)鹽脅迫的適應(yīng)性最強(qiáng),其次為‘玉墜’,‘達(dá)維’最弱。張麗[20]采用主成分分析對(duì)鹽脅迫下19個(gè)榛種質(zhì)資源的14項(xiàng)生長(zhǎng)和生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)也得出,本研究中的3個(gè)品種耐鹽性由強(qiáng)到弱依次為‘遼榛7號(hào)’>‘玉墜’>‘達(dá)維’。

離子選擇性運(yùn)輸系數(shù)表征植物對(duì)離子向上運(yùn)輸?shù)倪x擇能力,鹽脅迫下營(yíng)養(yǎng)離子的選擇性運(yùn)輸系數(shù)越大,表明植株促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)離子向上運(yùn)輸?shù)哪芰ν瑫r(shí)抑制鹽離子向上運(yùn)輸?shù)哪芰υ綇?qiáng),留在根中的鹽離子越多,其耐鹽性也越強(qiáng)[43]。本研究中,隨著鹽脅迫程度的增強(qiáng),不同品種平歐雜種榛從根到葉以及從莖到葉的SK+,Na+、SCa2+,Na+均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),且在重度脅迫下仍顯著高于或維持在對(duì)照水平,表明盡管鹽脅迫抑制了平歐雜種榛對(duì)營(yíng)養(yǎng)離子K+、Ca2+的吸收,但為了緩解因離子吸收受阻造成的不利影響,植株通過(guò)提高從根到葉以及從莖到葉的K+、Ca2+選擇性運(yùn)輸以維持較高的生理代謝水平,進(jìn)而減小鹽脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)發(fā)育的影響。從不同品種來(lái)看,平歐雜種榛各器官間的離子選擇性運(yùn)輸能力存在顯著差異,其中,SK+,Na+在不同程度鹽脅迫下的均值表現(xiàn)為‘遼榛7號(hào)’>‘達(dá)維’>‘玉墜’,SCa2+,Na+則表現(xiàn)為‘遼榛7號(hào)’>‘玉墜’>‘達(dá)維’,表明‘遼榛7號(hào)’通過(guò)加強(qiáng)對(duì)K+和Ca2+的選擇性運(yùn)輸來(lái)維持體內(nèi)離子平衡的能力強(qiáng)于其它2個(gè)品種。

4 結(jié)論

平歐雜種榛通過(guò)增加上、下表皮厚度,延伸柵欄組織長(zhǎng)度,增加細(xì)胞層數(shù)且排列緊密,減小細(xì)胞間隙,形成肉質(zhì)化葉片等一系列形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的調(diào)整來(lái)適應(yīng)鹽漬化生境。鹽脅迫下,平歐雜種榛根系首先會(huì)吸收并截留一定數(shù)量的Na+和Cl-,然后將其運(yùn)輸至莖和葉中；‘遼榛7號(hào)’在積累鹽離子的同時(shí),通過(guò)加強(qiáng)對(duì)K+和Ca2+的選擇性吸收和運(yùn)輸能力來(lái)維持體內(nèi)的離子平衡以及較高的K+/Na+和Ca2+/Na+比,進(jìn)而維持鹽脅迫下機(jī)體正常的生理代謝活動(dòng),耐鹽性強(qiáng)于‘達(dá)維’和‘玉墜’。盡管本研究從靜態(tài)離子代謝的角度揭示了平歐雜種榛的鹽脅迫響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制及不同品種的耐鹽性差異,然而,離子平衡調(diào)控的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制和分子機(jī)制仍未明確,未來(lái)將利用非損傷微測(cè)技術(shù)(NMT)和轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)(RNA-seq)進(jìn)一步深入探究根細(xì)胞離子流(Na+、H+、K+、Ca2+)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程以及耐鹽基因的調(diào)控機(jī)制。