荒漠植物紅砂響應(yīng)高濃度NaCl的生理機(jī)制

周航宇,包愛科,杜寶強(qiáng),王鎖民

(草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020)

我國北方荒漠區(qū)廣泛分布的超旱生植物紅砂(Reaumuriasoongorica)為檉柳科(Tamaricaceae)紅砂屬小灌木[1-2]，在鹽堿地改良、防風(fēng)固沙及保護(hù)綠洲等方面具有重要的生態(tài)功能[3-7]；同時(shí)，紅砂還是荒漠區(qū)的優(yōu)良牧草，以紅砂為建群種的草地，是草原化荒漠和典型荒漠地區(qū)家畜的主要放牧地[5,8]。

紅砂屬典型的泌鹽植物，既具有很強(qiáng)的耐鹽性，又有很強(qiáng)的抗旱性，是一種典型的鹽生-旱生植物，其體內(nèi)必然存在耐鹽-抗旱的協(xié)調(diào)機(jī)制[6-7]，對該機(jī)制展開深入研究具有重要的科學(xué)意義。近年來，學(xué)術(shù)界對紅砂進(jìn)行了大量研究，主要集中在種群、水分生理生態(tài)學(xué)、種子萌發(fā)、劈裂生長、遺傳多樣性、內(nèi)源激素和鹽腺結(jié)構(gòu)及其泌鹽機(jī)制[9-11]等方面。有關(guān)紅砂對高濃度鹽處理的響應(yīng)，特別是鹽脅迫下其泌鹽及Na+分配機(jī)制的相關(guān)研究還未見報(bào)道。

本研究通過分析高濃度NaCl處理下紅砂的生長狀況、鹽腺的泌鹽量以及植株體內(nèi)的離子水平，初步探討紅砂對高鹽脅迫的響應(yīng)機(jī)制，旨在為理解泌鹽植物的抗逆機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料培養(yǎng)及處理 挑選籽粒飽滿、無缺損、均勻一致的紅砂種子(2010年采自甘肅民勤)，去掉外殼后于75%的乙醇中浸泡10 min，然后用蒸餾水沖洗4～5次，置于鋪有濾紙的培養(yǎng)皿中并置于黑暗中28±2 ℃下催芽3 d。待種子萌發(fā)后，栽植于裝有蛭石中，澆灌1/2 Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。每隔1 d換一次營養(yǎng)液，溫室的晝夜溫度為28 ℃/23 ℃，光照16 h·d-1，光強(qiáng)度約1 200 μmol·m-2·s-1，相對濕度為50%～70%。

紅砂生長7周后，選取長勢良好且大小一致的幼苗，用添加50 mmol·L-1NaCl的1/2 Hoagland營養(yǎng)液澆灌，每隔1 d以50 mmol·L-1NaCl遞增，至終濃度150 mmol·L-1后每天更換一次溶液，以保持NaCl濃度的相對恒定。到達(dá)終濃度維持7 d后取樣測量有關(guān)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)取5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)包含10株幼苗。以澆灌不添加NaCl的1/2 Hoagland營養(yǎng)液的處理為對照。

1.2指標(biāo)的測定

1.2.1鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和組織含水量的測定 用去離子水快速?zèng)_洗樣品表面灰塵和鹽分，用吸水紙吸干表面水分，迅速分成根、地上部，然后稱地上部鮮質(zhì)量(Wf)，同時(shí)把根放入20 mmol·L-1的冷LiNO3中漂洗2次(各4 min)，以交換根質(zhì)外體中的離子，之后用去離子水沖洗3次，吸干表面水分，稱取鮮質(zhì)量。將稱過鮮質(zhì)量的地上部和根于80 ℃烘箱48 h后稱取其干質(zhì)量(Wd)。根據(jù)以下公式計(jì)算組織含水量：

組織含水量=(Wf-Wd)/Wf×100%。

1.2.2鹽腺分泌Na+、K+和Ca2+量的測定 采用洗葉法[12]，將紅砂地上部分浸泡在10 mL去離子水中 10 min，洗去其表面鹽分，注意不要讓茬口浸泡在水中，防止電介質(zhì)外滲。將浸洗液定容至25 mL，稀釋適當(dāng)倍數(shù)后，用火焰分光光度計(jì)(2655-00)測定浸洗液中Na+、K+和Ca2+含量。鹽腺泌鹽量以每克地上部鮮質(zhì)量中分泌的陽離子量(μmol·g-1)表示。

1.2.3紅砂植株體內(nèi)Na+、K+、Ca2+含量的測定和根系Na+凈吸收速率的計(jì)算 將烘干至質(zhì)量恒定的樣品的根和地上部分并搗碎后分別放入試管中，加入100 mmol·L-1的冰乙酸10 mL后，密封試管，置于90 ℃水浴鍋加熱2 h，冷卻，過濾。將提取液稀釋適當(dāng)倍數(shù)后，在火焰光度計(jì)上測定Na+、K+和Ca2+的含量,以每克干質(zhì)量中的陽離子含量表示其濃度。并計(jì)算根系Na+凈吸收速率(nmol·g-1·min-1)[13]：

根系Na+凈吸收速率(n天后)=(處理n天后的整株Na+含量-處理前的整株Na+含量)/[根鮮質(zhì)量(n天后)·處理時(shí)間]。

1.3數(shù)據(jù)分析 用SPSS 16.0軟件(SPSS Inc.,USA)對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)，用Duncan多重比較進(jìn)行差異顯著性分析，最小差異顯著性水平為P=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1NaCl處理對紅砂鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和組織含水量的影響 與對照相比，150 mmol·L-1NaCl處理7 d后，紅砂地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量分別顯著增加了14%和18%，但其根鮮質(zhì)量和干質(zhì)量則無顯著變化(圖1A，B)，同時(shí)紅砂各部位的組織含水量與對照無顯著差異(圖1C)。上述結(jié)果表明150 mmol·L-1NaCl處理促進(jìn)了紅砂地上部的生長，而且紅砂體內(nèi)的水分狀況也保持穩(wěn)定。

圖1 150 mmol·L-1 NaCl處理7 d后紅砂的鮮質(zhì)量(A)、干質(zhì)量(B)和組織含水量(C)

2.2NaCl處理對紅砂鹽腺分泌Na+、K+和Ca2+量的影響 150 mmol·L-1NaCl處理7 d后，紅砂鹽腺對K+、Ca2+的分泌量與對照無顯著差異，但對Na+的分泌量顯著高于對照，為對照的22.9倍，占3種陽離子分泌總量的82.2%(圖2)。表明在高鹽濃度下，紅砂能夠通過鹽腺將大量的Na+分泌出體外，且鹽腺對Na+具有高度的選擇性。

2.3NaCl處理對紅砂整株Na+、K+和Ca2+濃度的影響 150 mmol·L-1NaCl處理7 d后，紅砂地上部和根中Na+濃度均顯著增加，分別是對照的2.1和1.5倍(圖3A)，而K+濃度比對照分別下降了35.7%和51.4%(圖3B)；然而與Na+和K+不同，150 mmol·L-1NaCl處理對紅砂體內(nèi)Ca2+濃度無顯著影響(圖3C)。說明鹽脅迫下紅砂能在體內(nèi)積累大量Na+，同時(shí)還保持Ca2+水平的穩(wěn)定。

2.4NaCl處理對紅砂整株Na+分配格局及根系Na+吸收的影響 進(jìn)一步分析表明，在150 mmol·L-1NaCl處理下，紅砂整株Na+分配格局發(fā)生了顯著的變化，其Na+分泌量的占整株Na+總量的百分率由對照的4.3%增加到35.0%；地上部積累的Na+比例雖略有降低，但仍然高達(dá)43.0%；通過鹽腺分泌和地上部積累的Na+占整株Na+總量的78.0%，比對照顯著增加了21.4%(表1)。值得注意的是，與對照相比，在150 mmol·L-1NaCl處理下，紅砂Na+凈吸收速率顯著提高，比對照增加了44倍(圖4)。以上結(jié)果說明，地上部泌Na+和積累Na+均是紅砂適應(yīng)鹽漬環(huán)境的重要機(jī)制，而其根系強(qiáng)大的Na+吸收能力為上述過程提供了支持。

圖2 150 mmol·L-1 NaCl處理7 d后紅砂鹽腺分泌陽離子的量

3 討論與結(jié)論

紅砂是一種抗鹽性和抗旱性均很強(qiáng)的泌鹽型荒漠植物[1-2]。本研究中，150 mmol·L-1NaCl能顯著促進(jìn)紅砂地上部的生長。類似的現(xiàn)象在一些鹽生植物如細(xì)葉濱藜(Atriplexgmelini)和鹽地堿蓬(Suaedasalsa)等及多漿旱生植物霸王(Zygophyllumxanthoxylum)等中均有報(bào)道[14-16]；譚會(huì)娟等[9]的研究也發(fā)現(xiàn)，100～150 mmol·L-1NaCl對紅砂愈傷組織的生長也具有顯著的促進(jìn)作用。在高鹽脅迫下，植物除了直接遭受鹽害外，往往還會(huì)遭遇生理干旱[17-18]。因此，在鹽脅迫下保持體內(nèi)良好的水分狀況對植物能否正常生長至關(guān)重要。本研究中，在150 mmol·L-1NaCl處理下，紅砂的組織含水量依然保持在對照的水平，這為維持其葉片膨壓，保持其細(xì)胞各項(xiàng)重要生命活動(dòng)的正常進(jìn)行，從而促進(jìn)其生長提供了重要保障。

圖3 150 mmol·L-1 NaCl處理7 d后紅砂體內(nèi)Na+(A)、K+(B)和Ca2+(C)濃度

表1 150 mmol·L-1 NaCl處理7 d后紅砂整株Na+的分配

圖4 150 mmol·L-1 NaCl處理7 d后紅砂根系Na+凈吸收速率

大多數(shù)積鹽型鹽生植物和多漿旱生植物適應(yīng)鹽漬或干旱生境的主要策略是通過離子區(qū)域化將大量Na+積累在葉細(xì)胞的液泡中，一方面可減輕Na+對細(xì)胞的毒害，另一方面將Na+作為一種廉價(jià)的滲透調(diào)節(jié)劑維持植株的滲透勢，從而提高植株的抗逆性[16,19-21]。然而，泌鹽植物適應(yīng)鹽漬環(huán)境的方式有所不同，它們主要通過鹽腺排出體內(nèi)過剩的鹽分，降低體內(nèi)各組織的含鹽量，從而對鹽生境產(chǎn)生一定的適應(yīng)性[22-25]。本研究也支持了上述結(jié)論，在高鹽處理下，紅砂的泌鹽量急劇上升，將大量鹽分排出體外;而分泌的陽離子中，Na+占主要比例，這也驗(yàn)證了前人關(guān)于鹽腺對Na+具有高度選擇性的觀點(diǎn)[7,22]。

除泌鹽外，本研究還發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下紅砂地上部Na+積累量顯著上升，其在整株Na+分配中的比例與鹽腺分泌Na+的比例相當(dāng)，王文卿和林鵬[26]在紅樹(Rhizophoraapiculata)、陳陽等[27]在檉柳(Tamarixchinensis)等泌鹽植物上也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律，說明泌鹽植物適應(yīng)鹽脅迫過程中也存在Na+區(qū)域化。大量細(xì)胞水平的證據(jù)顯示，當(dāng)植物泌鹽時(shí)，鹽腺周圍組織中的鹽分通常先被轉(zhuǎn)運(yùn)至收集細(xì)胞并區(qū)域化在其大液泡中；然后轉(zhuǎn)運(yùn)至分泌細(xì)胞并積累在其小液泡內(nèi)；小液泡不斷向分泌細(xì)胞膜的一側(cè)移動(dòng)，最終由外側(cè)的分泌細(xì)胞通過其質(zhì)膜排出體外[28-29]。因此，在鹽漬生境中，泌鹽植物可能通過鹽腺泌鹽和離子區(qū)域化兩個(gè)重要生理過程的密切協(xié)作，實(shí)現(xiàn)減輕Na+毒害和維持滲透平衡的雙重效果。對上述兩個(gè)過程及其內(nèi)部調(diào)控機(jī)制的深入研究對于全面理解泌鹽植物的抗逆機(jī)制具有重要意義。

另外，Ca2+在植物耐鹽性和抗旱性方面也發(fā)揮一系列重要的作用，如穩(wěn)定細(xì)胞壁和細(xì)胞膜，刺激細(xì)胞對K+的吸收、調(diào)節(jié)水分平衡以及充當(dāng)?shù)诙攀沟萚30]。在鹽脅迫下，盡管紅砂體內(nèi)K+濃度有所下降，但Ca2+濃度卻維持在穩(wěn)定水平。特別是其在整株中的分配格局與對照相差不大，這可能也是紅砂適應(yīng)鹽漬環(huán)境的又一重要保障。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)150 mmol·L-1NaCl對泌鹽植物紅砂的生長具有顯著的促進(jìn)作用；在150 mmol·L-1NaCl處理下，紅砂能夠通過鹽腺泌鹽和離子區(qū)域化等過程的協(xié)同調(diào)節(jié)，減輕過量Na+對植株的毒害，并提高植株的滲透調(diào)節(jié)能力；此外，維持體內(nèi)Ca2+水平的穩(wěn)定也是紅砂保持正常生長的重要原因。

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