外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開(kāi)度的調(diào)節(jié)

王黎敏，黃丹楓，張屹東

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海，200240）

外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開(kāi)度的調(diào)節(jié)

王黎敏，黃丹楓，張屹東

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海，200240）

研究了鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開(kāi)度變化及外源Ca2+對(duì)甜瓜葉片氣孔開(kāi)度的調(diào)節(jié)作用。研究結(jié)果表明，鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開(kāi)度顯著增加，此變化是由NaCl促進(jìn)氣孔寬度增加引起的，而其對(duì)氣孔長(zhǎng)度無(wú)調(diào)節(jié)作用。同時(shí)，外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下的甜瓜氣孔開(kāi)度的調(diào)節(jié)也是反映在對(duì)氣孔寬度的調(diào)節(jié)上，該調(diào)節(jié)效應(yīng)受外界鹽脅迫狀況的影響。低濃度Ca2+（0.1 mmol/L）會(huì)促進(jìn)鹽脅迫誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放，高濃度的Ca2+（10 mmol/L）能抑制鹽脅迫誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放，起緩解鹽脅迫的作用。

甜瓜葉片；氣孔；鹽脅迫；外源Ca2+

全球7%的土壤深受鹽漬化的影響，其中包括將近1/3的作物耕地面積。土壤的鹽漬化嚴(yán)重降低了作物產(chǎn)量及品質(zhì)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)很大的損失[1]。鹽脅迫最大的為害是植物可利用水的虧缺，而植物散失的水分90%左右是經(jīng)氣孔排出的[2]，因此氣孔的運(yùn)動(dòng)變化與植物抵抗鹽脅迫密切相關(guān)。早期研究發(fā)現(xiàn)，外源NaCl處理可誘導(dǎo)植物氣孔運(yùn)動(dòng)[3～4]。

Ca2+是多種信號(hào)途徑的第二信使[5]，其參與CO2，水楊酸，脫落酸，過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，這些因子都會(huì)使得保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)質(zhì)體內(nèi) Ca2+濃度（[Ca2+]cyt）上升[6～10]。若利用EGTA除去胞外Ca2+（[Ca2+] ext），會(huì)使得CO2、過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的[Ca2+]cyt上升現(xiàn)象消失[6，11]。有趣的是，Ca2+還參與氣孔開(kāi)放。藍(lán)光誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放會(huì)引起胞質(zhì)Ca2+濃度的提高，然而，提高胞外Ca2+濃度會(huì)抑制藍(lán)光誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放[12]。Ca2+在調(diào)節(jié)這些生物及非生物脅迫中所扮演的兩面角色，使其研究熱點(diǎn)經(jīng)久不衰。近年來(lái)，Ca2+與植物耐鹽性的關(guān)系引起了廣泛的關(guān)注，越來(lái)越多的證據(jù)表明，Ca2+能緩解鹽脅迫[13～14]，但關(guān)于Ca2+在鹽脅迫下對(duì)植物氣孔的調(diào)節(jié)主要集中在對(duì)蠶豆（Vicia faba）及擬南芥（Arabidopsis thaliana）保衛(wèi)細(xì)胞的研究上，而到目前為止關(guān)于Ca2+對(duì)甜瓜保衛(wèi)細(xì)胞的氣孔調(diào)節(jié)的研究未有報(bào)道。甜瓜（Cucumis meloL.）具有喜肥耐鹽特性，能適應(yīng)的臨界NaCl濃度達(dá)100～ 150 mmol/L，在0～100 mmol/L濃度內(nèi)，甜瓜對(duì)NaCl脅迫有緩沖、調(diào)節(jié)、適應(yīng)能力[15]。因此，本研究以網(wǎng)紋甜瓜（春麗）為試驗(yàn)材料，通過(guò)研究其在鹽脅迫下的氣孔特征變化，及外源Ca2+的調(diào)節(jié)作用，探討鹽脅迫下Ca2+對(duì)甜瓜葉片氣孔調(diào)節(jié)的潛在生理功能，旨在服務(wù)于耐鹽性作物的生產(chǎn)管理，為改善鹽漬土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試品種為網(wǎng)紋甜瓜春麗1號(hào)（上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所提供）。種子進(jìn)行簡(jiǎn)單消毒后，播種于培養(yǎng)土中，放在人工氣候箱中培養(yǎng)，甜瓜生長(zhǎng)的光／暗周期為12 h／12 h，光照強(qiáng)度為0.2～0.3 mmol·m-2·s-1，晝夜溫度分別為（28±2）℃和（20±2）℃，相對(duì)濕度在60%左右，生長(zhǎng)期間無(wú)脅迫。

1.2 試驗(yàn)方法

表皮條的生物分析參照Z(yǔ)hang等[16]的方法，取3～4周齡甜瓜苗頂端第3～4片完全展開(kāi)的葉片，用蒸餾水洗凈，撕下表皮，洗去葉肉細(xì)胞后，切成5 mm長(zhǎng)的表皮條，暗處理3 h誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。用10 mmol/L MES和10 mmol/L KCl（pH值5.6）開(kāi)放緩沖液為對(duì)照，以緩沖液中加入NaCl（終濃度100，200 mmol/L）為鹽脅迫處理，在此基礎(chǔ)上施加CaCl2（終濃度0.1，1，10 mmol/L），同時(shí)在室溫下，光照（0.2～0.3 mmol·m-2·s-1）3 h。每個(gè)處理至少用3個(gè)表皮條，每個(gè)表皮條隨機(jī)測(cè)；每個(gè)視野隨機(jī)取10個(gè)氣孔器，然后在10×40倍倒置顯微鏡下用測(cè)微尺測(cè)定氣孔長(zhǎng)度、寬度，并計(jì)算氣孔開(kāi)口大?。ㄩL(zhǎng)×寬）。測(cè)量氣孔器中啞鈴形體的長(zhǎng)度為氣孔長(zhǎng)度，垂直于啞鈴形體氣孔器的最寬值為氣孔寬度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件統(tǒng)計(jì)平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差，并作圖，用SAS 9.1統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開(kāi)度變化

如圖1所示，與未處理相比，100，200 mmol/L NaCl處理后，甜瓜葉片氣孔開(kāi)度分別增加了103.25%，50.28%，說(shuō)明鹽脅迫明顯促進(jìn)甜瓜葉片氣孔開(kāi)放。但NaCl脅迫對(duì)甜瓜葉片氣孔開(kāi)度的影響，主要表現(xiàn)為對(duì)氣孔寬度的調(diào)節(jié)，而對(duì)氣孔長(zhǎng)度無(wú)調(diào)節(jié)作用。

圖1 不同鹽處理對(duì)甜瓜葉片氣孔長(zhǎng)度、寬度及開(kāi)口大小的影響

圖2 外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開(kāi)口大小的調(diào)節(jié)

圖3 外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔寬度的調(diào)節(jié)

圖4 外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)

2.2 外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開(kāi)度的調(diào)節(jié)

鹽脅迫下，甜瓜葉片氣孔顯著受外源Ca2+調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)效應(yīng)與鹽處理濃度有關(guān)（圖2）。100 mmol/L NaCl脅迫下，低濃度的Ca2+（0.1 mmol/L CaCl2）可有效促進(jìn) NaCl誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放，而中濃度的 Ca2+（1 mmol/L CaCl2）顯著抑制NaCl誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放，使其開(kāi)口減小25.33%，高濃度Ca2+（10 mmol/L Ca-Cl2）抑制效果則更加明顯。200 mmol/L NaCl脅迫下，低濃度的Ca2+（0.1 mmol/L CaCl2）仍促進(jìn)NaCl誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放，但此時(shí)中濃度的Ca2+（1 mmol/L CaCl2）也促進(jìn)氣孔開(kāi)放，使其開(kāi)口增大17.56%，當(dāng)濃度達(dá)到10 mmol/L時(shí)，則顯著抑制NaCl誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放。

2.3 外源Ca2+對(duì)鹽脅迫下的甜瓜葉片氣孔寬度及長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)

鹽脅迫下Ca2+對(duì)甜瓜葉片氣孔開(kāi)度的調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在對(duì)氣孔寬度的調(diào)節(jié)，二者變化趨勢(shì)一致（圖3）。100 mmol/L和200 mmol/L NaCl脅迫下，低濃度的Ca2+（0.1 mmol/L CaCl2）都可有效促進(jìn)NaCl誘導(dǎo)的氣孔寬度增加，高濃度Ca2+（10 mmol/L Ca-Cl2）顯著抑制NaCl誘導(dǎo)的氣孔寬度增加。而中濃度Ca2+（1 mmol/L CaCl2）顯著抑制100 mmol/L NaCl誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放，使其寬度減小25.78%，卻有效促進(jìn)200 mmol/L NaCl誘導(dǎo)的氣孔寬度增加，使其寬度增加15.72%。

如圖4所示，NaCl脅迫下，不同Ca2+處理后甜瓜葉片氣孔長(zhǎng)度無(wú)顯著變化，說(shuō)明甜瓜葉片氣孔長(zhǎng)度不受外界Ca2+的調(diào)節(jié)，且與外界鹽脅迫濃度無(wú)關(guān)。

3 小結(jié)與討論

本研究通過(guò)對(duì)甜瓜葉片的表皮條生物分析，證明在NaCl脅迫下，Na+主要通過(guò)增加甜瓜葉片氣孔的寬度，來(lái)誘導(dǎo)氣孔開(kāi)放。除此之外，從圖1我們可以看出，100 mmol/L Na+誘導(dǎo)的氣孔寬度增加幅度大于200 mmol/L Na+處理。氣孔開(kāi)放主要是靠K+的吸收來(lái)調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞滲透勢(shì)，迫使其開(kāi)放[17]。而此試驗(yàn)中，Na+同樣也能誘導(dǎo)氣孔開(kāi)放，說(shuō)明Na+可代替K+，向胞內(nèi)運(yùn)輸，誘導(dǎo)氣孔開(kāi)放。至于Na+通過(guò)何種途徑進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)，目前學(xué)術(shù)界存在2種爭(zhēng)論，一是Na+通過(guò)內(nèi)向K+離子通道與K+競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)[18]，二是通過(guò)外向K+離子通道進(jìn)入保衛(wèi)細(xì)胞內(nèi)[4]。但Na+誘導(dǎo)的氣孔開(kāi)放可能會(huì)造成細(xì)胞內(nèi)水分過(guò)多散失，從而不利于植物生長(zhǎng)。

Ca2+作為公認(rèn)的植物細(xì)胞第二信使，參與植物各種脅迫應(yīng)答過(guò)程。非鹽脅迫下，較高濃度的胞外Ca2+（2～10 mmo/L）可以誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉造成氣孔導(dǎo)度下降，而高濃度的胞外Ca2+（10 mmol/L）會(huì)顯著抑制鹽脅迫下所誘導(dǎo)的蠶豆氣孔開(kāi)放[3，20，21]。本研究在甜瓜葉片中得到相似的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)外源Ca2+對(duì)葉片氣孔的調(diào)節(jié)與外界鹽濃度有關(guān)，如施加1 mmol/L胞外Ca2+在100 mmol/L鹽脅迫下促進(jìn)氣孔開(kāi)放，而在200 mmol/L鹽脅迫下，抑制氣孔開(kāi)放（圖2）。高濃度的胞外Ca2+（10 mmol/L）在減少鹽脅迫下水分散失的同時(shí)，還可能使氣孔因過(guò)度關(guān)閉而影響其對(duì)CO2的吸收，進(jìn)而影響光合作用。如圖2，100 mmol/L鹽脅迫下，10 mmol/L Ca2+時(shí)甜瓜葉片氣孔開(kāi)度為20.14 μm2，顯著小于非鹽脅迫下的氣孔開(kāi)度（26.94 μm2），此時(shí)就可能導(dǎo)致光合作用受阻。然而在200 mmol/L鹽脅迫，10 mmol/L Ca2+處理下，甜瓜葉片氣孔開(kāi)度為27.13 μm2，剛好和非鹽脅迫下的氣孔開(kāi)度保持同一水平，說(shuō)明此濃度下的Ca2+既能緩解鹽脅迫下的水分散失，又能保證甜瓜葉片進(jìn)行正常的光合作用。

因此，在鹽漬土壤的生產(chǎn)實(shí)踐中，依土壤的含鹽量狀況適當(dāng)施加Ca2+以調(diào)節(jié)植物氣孔的形態(tài)特征，一方面可以防止因氣孔開(kāi)口過(guò)大引起水分過(guò)度蒸騰而導(dǎo)致對(duì)植物的傷害，另一方面又可以確保CO2從氣孔進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)維持植物正常的光合作用。

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Effects of Exogenous Ca2+on Stomatal Morphological Character of Melon Leaf and Regulation under Salt Stress

WANG Limin,HUANG Danfeng,ZHANG Yidong
(School of Agriculture and Biology,Shanghai Jiaotong Unversity,Shanghai 200240)

This study was focused on the response of stomatal morphological character of melon leaf when applying different exogenous Ca2+under salt stress.The results presented a significant augmentation in stomatal aperture caused by the promotion of stomatal width instead of length under salt stress.Meanwhile,the regulation of stomatal aperture by exogenous Ca2+under salt stress was also reflected in the width of the stomatal regulation,and influenced by the external salt condition.Low concentrations of Ca2+(0.1 mmol/L)will promote stomatal opening which was induced by salt stress,while high concentrations of Ca2+(10 mmol/L)inhibited stomatal opening induced by salt stress,and relieve the threat.

Melon leaf;Stomatal;Salt stress;Exogenous Ca2+

10.3865/j.issn.1001-3547.2011.02.013

“上海市科技興農(nóng)推廣項(xiàng)目”蔬菜生產(chǎn)基地高效栽培技術(shù)的集成示范（滬農(nóng)科推字（2008）第4-1號(hào)）；甜瓜鉀離子通道提高植物耐鹽性的分子機(jī)理研究（09JC1408500）和上海市蔬菜學(xué)重點(diǎn)學(xué)科（B209）

王黎敏（1986-），女，碩士研究生，研究方向?yàn)槭卟嗽耘嗯c分子生物學(xué)，E-mail：wanglimin7700125@163.com

黃丹楓（1956-），女，通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

2010-11-26