干旱脅迫下旱稻和水稻對(duì)K⁺和Ca²⁺的動(dòng)態(tài)吸收研究

干旱脅迫下旱稻和水稻對(duì)K+和Ca2+的動(dòng)態(tài)吸收研究

侯佩臣1，2 王曉冬1，2 王美娟3 潘大宇1，2 羅 斌1，2 王 成1，2*

（1北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；

3北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

摘 要：利用動(dòng)態(tài)離子流檢測技術(shù)，通過比較干旱作用下旱稻與水稻對(duì)K+和Ca2+離子的動(dòng)態(tài)吸收規(guī)律，探討無機(jī)離子對(duì)旱稻和水稻的抵御干旱脅迫的作用機(jī)理，有助于篩選抗旱水稻材料。結(jié)果顯示，PEG處理?xiàng)l件下巴西旱稻對(duì)K+和Ca2+的吸收能力強(qiáng)于日本晴水稻，可能是由于巴西旱稻通過吸收無機(jī)離子作為滲透調(diào)節(jié)劑抵御干旱脅迫，因此具有較強(qiáng)的抗干旱能力。同時(shí)研究也說明，利用動(dòng)態(tài)離子流檢測技術(shù)比較不同材料的無機(jī)離子吸收能力，可以篩選抗旱水稻新品種。

關(guān)鍵詞：旱稻；水稻；抗旱性；無機(jī)離子；動(dòng)態(tài)離子流

中圖分類號(hào) Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2013）23-05-04

Research on Upland Rice and Rice to K+ and Ca2 + Dynamic Absorption under Drought Stress

Hou peichen1，2 et al.

（1 Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture，Beijing 100097，China；2 Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture，Beijing 100097，China）

Abstract：Using the dynamic ion flux test technical，we compared dynamic ion absorption of upland rice and rice to K+ and Ca2+ under drought stress，and discussed how inorganic ion worked in upland rice and rice resisting drought stress，which may contribute to screening drought resistant rice. Results suggest that，brazil upland rice has stronger K+ and Ca2+ absorption than nipponbare rice under 10%PEG treatment，through which we proposed that the brazil upland rice absorpted inorganic ions as osmotic modifier to resist drought stress，and has stronger drought-resistant ability. This research illustrates that using dynamic ion flux test technical to compare different materials’ inorganic ions absorption ability，we can screen new drought resistant rice species.

Key words：Upland rice；Rice；Drought tolerance；Inorganic ions；Dynamic ion flux

隨著全球人口急劇膨脹，以及工業(yè)化、城市化的迅猛發(fā)展，水資源短缺現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，水稻作為全球40%人口的主要糧食作物[1]，在干旱、水資源短缺的情況下其產(chǎn)量受到嚴(yán)重威脅。因此，研究抗旱水稻的抗旱機(jī)理，特別是無機(jī)離子運(yùn)輸機(jī)理，有助于培育抗旱水稻新品種，穩(wěn)定糧食生產(chǎn)。

以往水稻抗旱機(jī)理研究結(jié)果表明：（1）滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以提高水稻的抗旱性。徐孟亮等證實(shí)抗旱性強(qiáng)的水稻品種在干旱處理初期葉片中游離脯氨酸含量較高[2]；水分脅迫下，銨態(tài)氮可以增強(qiáng)水稻植株內(nèi)游離氨基酸積累，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透能力抵御干旱脅迫[3]。（2）無機(jī)離子可以提高水稻的抗旱性。Dennison等和Liu等認(rèn)為K+對(duì)于植物調(diào)節(jié)膜電勢和細(xì)胞膨壓，滲透調(diào)節(jié)是必須的[4-5]；朱維琴等證實(shí)了氮營養(yǎng)可以促進(jìn)水稻葉片中K+離子的積累調(diào)節(jié)細(xì)胞膨壓[6]；盧少云等證實(shí)Ca2+處理能夠提高膜脂過氧化保護(hù)能力和膜的穩(wěn)定性，從而提高水稻幼苗的抗旱性[7]；高迎旭等研究表明，銨態(tài)氮可以增強(qiáng)水稻的抗旱性，增強(qiáng)水稻的生長能力[8]。（3）其他外源化合物可提高水稻抗旱性。董桃杏等證實(shí)適宜濃度的MeJA（茉莉酸甲酯）可增強(qiáng)水稻幼苗葉片的水勢，增強(qiáng)水稻的抗旱性[9]；干旱脅迫下外源6-BA可以增強(qiáng)水稻葉片厚度，增加硅質(zhì)細(xì)胞，減少葉綠體的降解，提高水稻的抗旱性[10]。

以往的研究結(jié)果只是從離子含量角度分析了無機(jī)離子作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)節(jié)水稻抗旱性，那么這些無機(jī)離子是植物體本身的還是從外界吸收來的，沒有動(dòng)態(tài)吸收結(jié)論。本文從水稻根系對(duì)無機(jī)離子動(dòng)態(tài)吸收角度，研究干旱條件下旱稻和水稻的動(dòng)態(tài)吸收現(xiàn)象，結(jié)果顯示，干旱條件下旱稻對(duì)K+、Ca2+離子的動(dòng)態(tài)吸收能力較水稻強(qiáng)。由此推斷，旱稻可通過直接吸收無機(jī)離子調(diào)節(jié)水稻細(xì)胞滲透勢抵御干旱脅迫。

本研究使用動(dòng)態(tài)離子流檢測技術(shù)對(duì)旱稻和水稻根系做PEG處理前后動(dòng)態(tài)檢測，分析離子流變化規(guī)律，判斷干旱處理前后的K+、Ca2+吸收狀態(tài)。動(dòng)態(tài)離子流檢測技術(shù)同“非損傷微測技術(shù)（NMT）”和“離子選擇微電極技術(shù)（SIET）”，在植物抗逆研究中廣泛應(yīng)用[11-13]。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 巴西旱稻和日本晴水稻材料。選擇水稻籽粒飽滿、大小一致的種子各100粒，5% NaClO消毒30min，無菌水洗3次，再用無菌水浸泡20min后，放入墊有濾紙（無菌水打濕）的玻璃培養(yǎng)皿中，催芽培養(yǎng)。待幼苗芽長至2cm時(shí)，轉(zhuǎn)為營養(yǎng)液培養(yǎng)[14]，長至2葉1心時(shí)摘去種胚，每個(gè)品種選擇40～45株作為處理材料（T），終濃度10% PEG處理；同樣每個(gè)品種選擇40～45株作為對(duì)照材料（ck），營養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度控制在23～25℃，處理24h，進(jìn)行后續(xù)離子流檢測實(shí)驗(yàn)和離子含量測定。日本晴和巴西旱稻幼苗的對(duì)照和處理各取3株樣本重復(fù)用于離子流測試并對(duì)結(jié)果做統(tǒng)計(jì)分析；日本晴和巴西旱稻各取4株樣本重復(fù)，用于離子含量檢測并對(duì)結(jié)果做統(tǒng)計(jì)分析。

1.2 離子流測量 微電極制作和校準(zhǔn)詳細(xì)資料參考Sun等發(fā)表的文章[11]，所有的動(dòng)態(tài)離子流檢測技術(shù)（離子掃描微電極技術(shù)）理論以及離子流計(jì)算方法參考Sun等和Newman發(fā)表的文章[11，15]。

1.3 離子含量檢測 水稻根部K+、Ca2+離子含量檢測參考已有[14]方法進(jìn)行，每個(gè)樣本用5g鮮樣作為檢測材料，用原子吸收分光光度計(jì)檢測[16]。

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器 UV3600分光光度計(jì)（日本SHIMADZU），Sinplicity UV超純水制備系統(tǒng)（法國Millipore），MGC-450HPY-II人工氣候箱（上海一恒），XS105DU電子天平（瑞士METTLER），P-97微電極拉制儀（美國SUTTER），THZ-C-1搖床（江蘇太倉），BIO-IM動(dòng)態(tài)離子流檢測系統(tǒng)（美國YOUNGER），Z-2000原子吸收分光光度計(jì)（日本HITACHI）。

1.5 數(shù)據(jù)處理 離子流速計(jì)算方法基于Fick擴(kuò)散定律，借助MageFlux-3D Ion Flux Plotting System（http：//www.xuyue.net/mageflux/）在線軟件計(jì)算得出。由≥3次獨(dú)立實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，利用Excel2003軟件分析作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 K+離子流結(jié)果 如圖1A和圖1B所示，未經(jīng)PEG處理時(shí)，巴西旱稻對(duì)K+離子的吸收能力（-112.14pmol/（cm2·s））強(qiáng)于日本晴水稻（-73.97pmol/（cm2·s））；PEG處理24h后，日本晴水稻對(duì)K+離子的吸收能力迅速下降，平均離子流速率為-14.93pmol/（cm2·s），而巴西旱稻對(duì)K+離子的吸收速率也表現(xiàn)為下降狀態(tài)，但是下降幅度沒有日本晴大，且能維持在-51.64pmol/（cm2·s）吸收水平。因此，PEG處理后，日本晴對(duì)K+離子的吸收維持在較低水平，而巴西旱稻能夠維持較高水平的K+離子吸收速率。

2.2 Ca2+離子流結(jié)果 如圖2A和2B所示，未經(jīng)處理前，巴西旱稻和日本晴水稻能夠正常吸收Ca2+，PEG處理24h后，日本晴水稻對(duì)Ca2+的吸收明顯由內(nèi)流（-104.70pmol/（cm2·s））變位外流（2.52pmol/（cm2·s）），表現(xiàn)為細(xì)胞對(duì)Ca2+的流失現(xiàn)象；而巴西旱稻PEG處理前其離子平均流速為-57.11pmol/（cm2·s），而處理后還能維持Ca2+為內(nèi)流水平，其平均流速為-10.05pmol/（cm2·s）。因此，PEG處理模擬的干旱條件已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了日本晴根系對(duì)Ca2+的吸收，而巴西旱稻還能維持Ca2+一定的吸收水平。

2.3 K+離子含量 離子含量檢測結(jié)果顯示，PEG處理后，日本晴水稻K+含量下降明顯，由處理前的0.114%下降為0.054%，可見干旱處理影響了日本晴水稻根系對(duì)K+離子的吸收，最終導(dǎo)致K離子含量下降，這與PEG處理后日本晴根系動(dòng)態(tài)離子流結(jié)果一致（如圖1）；而巴西旱稻PEG處理前K+離子含量0.264%，而PEG處理后仍保持較高水平的K+離子含量水平0.198%，與圖1中動(dòng)態(tài)離子流結(jié)果一致。因此，干旱條件下，旱稻能保持高水平的離子吸收速率，可能是細(xì)胞為抵御干旱脅迫而吸收或儲(chǔ)存無機(jī)離子作為滲透調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)細(xì)胞膨壓，維持細(xì)胞活性。

2.4 Ca2+離子含量 圖4離子含量檢測結(jié)果顯示，日本晴水稻此結(jié)果與圖2日本晴水稻根系離子流動(dòng)態(tài)吸收結(jié)果趨勢一致，對(duì)照材料Ca2+離子含量為0.034%，PEG處理材料Ca2+離子含量為0.008%，干旱脅迫導(dǎo)致了Ca2+離子的大量流失；而巴西旱稻Ca2+含量由PEG處理前的0.024%下降為處理后的0.021%，Ca2+離子含量下降不明顯，結(jié)果與圖2巴西旱稻離子吸速率下降不明顯一致。因此，巴西旱稻在干旱條件下也能保證足夠的Ca2+離子吸收，這種吸收機(jī)制除了保證植株?duì)I養(yǎng)生長外，可能與植株細(xì)胞保持一定滲透壓有關(guān)，從而保證植株的正常生長。

3 結(jié)論與討論

本研究顯示PEG干旱處理作用下，旱稻和水稻根系對(duì)無機(jī)離子K+、Ca2+具有不同的吸收能力：巴西旱稻對(duì)無機(jī)離子的吸收能力較強(qiáng)，而日本晴對(duì)無機(jī)離子的吸收能力較弱，特別是Ca2+甚至出現(xiàn)流失現(xiàn)象（見圖1和圖2）；離子含量測定結(jié)果也證實(shí)了在相同的PEG處理?xiàng)l件下巴西旱稻中K+和Ca2+離子含量均較日本晴高（見圖3和圖4）。結(jié)果說明，旱稻在干旱條件下具有較強(qiáng)的離子吸收能力，可能是通過大量吸收無機(jī)離子來調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢、減輕干旱脅迫對(duì)旱稻機(jī)體細(xì)胞的傷害，維持正常生長。栗?？〉纫沧C實(shí)了在水分脅迫條件下，銨態(tài)氮營養(yǎng)處理的秈稻和粳稻除了植株內(nèi)的脯氨酸積累外，K+離子也有積累現(xiàn)象，推斷與水稻調(diào)節(jié)滲透勢應(yīng)對(duì)干旱脅迫有關(guān)[3]；朱維琴等也發(fā)現(xiàn)了氮素營養(yǎng)可以促進(jìn)干旱脅迫下水稻中K+離子的積累[6]；Shabala等用甘露醇處理蠶豆（vicia faba.L）時(shí)發(fā)現(xiàn)，高滲脅迫下葉肉細(xì)胞中K+、Cl-的吸收顯著增加，可能改善了細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)耐受性[17]；Damon等發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下小麥幼苗能夠吸收K+離子調(diào)節(jié)滲透壓；而大量的研究結(jié)果表明，Ca2+鈣離子作為第二信使參與干旱脅迫下植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用[18-20]，對(duì)于Ca2+具有滲透調(diào)節(jié)功能鮮有報(bào)導(dǎo)。本研究中日本晴作為不抗旱水稻材料，干旱條件下其動(dòng)態(tài)K+、Ca2+離子運(yùn)輸未發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象，巴西旱稻確表現(xiàn)了較強(qiáng)K+、Ca2+離子吸收能力（見圖1和圖2），因此，研究旱稻對(duì)無機(jī)離子的吸收規(guī)律，有助于理解旱稻的抗旱生理機(jī)理；此外，利用干旱條件下旱稻和水稻對(duì)無機(jī)離子的運(yùn)輸規(guī)律，可以作為篩選指標(biāo)，選育抗旱水稻新品種。

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（責(zé)編：張宏民）