鹽脅迫下外源Ca2+對紅豆草幼苗抗性生理的影響

魏永鵬，陳天祥，南麗麗，于 闖

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

鹽脅迫下外源Ca2+對紅豆草幼苗抗性生理的影響

魏永鵬，陳天祥，南麗麗，于 闖

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

以蒙農(nóng)紅豆草為材料，研究了100 mmol/L NaCl脅迫下不同濃度外源Ca2+對紅豆草幼苗的生長、脯氨酸、可溶性糖和葉綠素含量及根系活力的影響；探討了Ca2+對鹽脅迫傷害的緩解作用。結(jié)果表明：隨著Ca2+濃度的增加，與CK相比，紅豆草脯氨酸、可溶性糖、葉綠素含量及根系活力呈先升高后降低的明顯變化趨勢，在T3 (100 mmol/L NaCl+30 mmol/L CaCl2)處理下，紅豆草脯氨酸、可溶性糖及葉綠素含量與對照相比提高了32.3%，60.0%和9.7%，差異顯著(P<0.05)；T3、T4處理的根系活力顯著高于CK(P<0.05)，其他處理與CK無明顯差異；T3處理的株高顯著高于對照 CK(P<0.05)，其他處理與CK間無顯著差異，達(dá)到最佳的效果。

鹽脅迫；紅豆草；生理指標(biāo)；外源Ca2+

土壤鹽漬化是土地荒漠化的類型之一，不僅嚴(yán)重?fù)p害土壤的生產(chǎn)潛力，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴(yán)重的損失，而且鹽分的積聚也改變了植物生長的環(huán)境，促使植物類型向鹽生、荒漠類型轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。據(jù)報道，全世界鹽堿地面積約為9.55億hm2，我國約有9 913 萬hm2[1]。土地鹽漬化已成為影響作物生長、降低農(nóng)作物產(chǎn)量的一個重要因素[2]。鹽脅迫可導(dǎo)致作物減產(chǎn)甚至死亡。研究發(fā)現(xiàn)，一些外源物質(zhì)對鹽脅迫具有緩解作用，從而使作物能夠正常生長[3]。近年來，應(yīng)用外源物質(zhì)緩解鹽害成為抗鹽研究的熱點[4]。有關(guān)鈣功能的研究一直是一個非常活躍的領(lǐng)域。為此，研究不同濃度的Ca2+處理紅豆草種子，旨在找到合適的緩解鹽脅迫的濃度，為解決作物在鹽脅迫下生長受抑制的問題提供依據(jù)。

鈣不僅是植物生長所需的大量的營養(yǎng)元素，而且還是偶聯(lián)胞外信號與胞內(nèi)生理生化反應(yīng)的第二信使，是植物代謝和發(fā)育的主要調(diào)控者，因此，研究鈣與植物耐鹽相關(guān)性具有重要意義。研究發(fā)現(xiàn)Ca2+參與多種逆境脅迫過程，如干旱[5]、鹽[6]、高溫[7]、高鉀[8]和鎘[9]等脅迫。在抗鹽性方面，施加鈣不僅可以緩解因Ca2+不足而引起的礦質(zhì)營養(yǎng)脅迫，還可以增強(qiáng)質(zhì)膜的穩(wěn)定性和鈣信號系統(tǒng)的正常功能，阻止細(xì)胞內(nèi)K+的外流和Na+的大量進(jìn)入，以維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡，從而提高植物的抗鹽性[10]。

紅豆草(Onobrychisviciaefolia)是優(yōu)質(zhì)多年生豆科牧草，產(chǎn)量高、品質(zhì)好，莖葉含濃縮單寧，反芻家畜在青飼、放牧利用時不易發(fā)生膨脹病，具有“牧草皇后”的美稱，飼用價值可與紫花苜蓿媲美，是我國提高飼草蛋白質(zhì)含量的優(yōu)良草種，在草地畜牧業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的作用。紅豆草具有一定的耐鹽性，但其具體的耐鹽機(jī)理尚不明確。試驗以蒙農(nóng)紅豆草為材料，研究鹽脅迫下外源Ca2+對紅豆草幼苗生長的影響，探討外源Ca2+對鹽脅迫下紅豆草幼苗的緩解作用及其機(jī)理，為提高其抗鹽性提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計與方法

供試材料為蒙農(nóng)紅豆草，種子由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)提供。

選用清洗干凈的細(xì)沙，用去離子水反復(fù)沖洗后烘干備用。選發(fā)芽一致的種子，播于裝有280 g干燥細(xì)沙的塑料杯內(nèi)。待幼苗長出真葉時，選長勢良好且一致的幼苗轉(zhuǎn)移到含Hoagland營養(yǎng)液的培養(yǎng)缽中繼續(xù)培養(yǎng)至三葉期時，采用5個濃度的CaCl2處理(用1個強(qiáng)度的Hoagland營養(yǎng)液配制鹽溶液100 mmol/L NaCl)，分別為CK(100 mmol/L NaCl)；T1(100 mmol/L NaCl+10 mmol/L CaCl2)；T2(100 mmol/L NaCl+20 mmol/L CaCl2)；T3(100 mmol/L NaCl+30 mmol/L CaCl2)；T4(100 mmol/L NaCl+40 mmol/L CaCl2)；T5(100 mmol/L NaCl+60 mmol/L CaCl2)。

1.2 測定指標(biāo)及方法

株高用卷尺測量，隨機(jī)取10株單株測定其高度并取平均值；根系活力采用氯化三苯基四氮唑[11](TTC)法測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[11]；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法比色法測定[11]；葉綠素相對含量采用SRAP-502型葉綠素測定儀活體測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用 SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下外源Ca2+對紅豆草株高的影響

T3處理的株高顯著高于對照 CK(P<0.05)，其他處理與CK間無顯著差異，表明增施外源Ca2+濃度為30 mmol/L可以顯著緩解鹽脅迫對紅豆草生長的抑制作用(圖1)。

圖1 鹽脅迫下外源Ca2+對株高的影響Fig.1 Effects of exogenous calcium on height of sainfoin under salt stress

注：圖中字母不同表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 鹽脅迫下外源Ca2+對紅豆草脯氨酸含量的影響

在脅迫條件下，脯氨酸是植物在逆境條件下積累的一種小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。植物細(xì)胞內(nèi)脯氨酸含量大幅增加，可以降低滲透勢，有助于細(xì)胞吸水，對植物進(jìn)行正常生理活動起到重要的滲透調(diào)節(jié)作用，從而提高抗性[12]。T3，T2和T1處理的脯氨酸含量增幅顯著(P<0.05)，較CK分別提高了32.3%，9.8%和6.0%；處理 T4、T5均顯著小于CK(P<0.05)，較CK分別降低了8.7%和11.0%。

圖2 鹽脅迫下外源Ca2+對脯氨酸的影響Fig.2 Effects of exogenous calcium on proline content of sainfoin under salt stress

2.3 鹽脅迫下外源Ca2+對紅豆草可溶性糖含量影響

可溶性糖是植物在脅迫條件下細(xì)胞內(nèi)的保護(hù)物質(zhì)，它可有效地提高細(xì)胞的滲透濃度，降低水勢，增加保水能力，對原生質(zhì)體起到保護(hù)作用。由圖3可知，鹽脅迫所有處理的可溶性糖含量增幅顯著(P<0.05)，處理T1、T2、T3、T4、T5處理與CK相比，提高了30%、40%、60%、20%和10%。

圖3 鹽脅迫下外源Ca2+對可溶性糖含量的影響Fig.3 Effects of exogenous calcium on water soluble sugar content of sainfoin under salt stress

2.4 鹽脅迫下外源Ca2+對紅豆草葉綠素含量的影響

葉綠素是綠色植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量的多少與牧草的光合作用及其強(qiáng)度有密切的關(guān)系。由圖4可知，除T1處理的葉綠素含量與CK差異不顯著外，其他處理均顯著高于CK(P<0.05)，T2、T3、T4、T5處理分別較CK增加了6.9%、9.7%、7.7%和5.5%.

圖4 鹽脅迫下外源Ca2+對葉綠素含量的影響Fig.4 Effects of exogenous calcium on chlorophyll content of sainfoin under salt stress

2.5 鹽脅迫下外源Ca2+對紅豆草根系活力的影響

植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長狀況和活力水平直接影響地上部的生長和營養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平。處理 T3、T4的根系活力顯著高于CK(P<0.05)，其余處理與CK無明顯差異(圖5)。

圖5 鹽脅迫下外源Ca2+對根系活力的影響Fig.5 Effects of exogenous calcium on root vigor of sainfoin under salt stress

3 討論與結(jié)論

葉綠素是光合作用反應(yīng)中最重要的色素分子，對植物的生長具有關(guān)鍵的作用，在鹽脅迫下，植物吸收不到足夠的水分和礦質(zhì)營養(yǎng)，造成營養(yǎng)不良，致使葉綠素含量降低，影響色素蛋白復(fù)合體的功能，從而減少葉綠體對光能的吸收。葉綠素含量越少，表明植物的生命力越低。鹽脅迫則改變胞內(nèi)離子平衡，高濃度的鹽離子積累將引起滲透脅迫和離子毒害，抑制光合及酶活性[13]。

研究表明，Na+加速了玉米葉片中葉綠素的降解，影響葉綠體中的光合膜進(jìn)行光合作用，抑制植物的生長發(fā)育。經(jīng) CaC12，處理的玉米在鹽脅迫條件下降低了葉綠素降解酶的活性，從而相對的提高葉片中葉綠素含量，在一定程度減輕鹽脅迫下對植物的傷害[14]。鹽脅迫對植物生長發(fā)育最普遍和最顯著的效應(yīng)就是抑制生長，表現(xiàn)為植株矮小和產(chǎn)量降低，添加Ca2+的處理，植株的高度受的鹽脅迫有所緩解，但是鹽脅迫超過一定的范圍，則不能得到改善。Ca2+對許多植物的氯化鈉鹽害有緩解作用[15]。

在鹽脅迫下，植物為了減緩脅迫造成的生理代謝不平衡，會通過有機(jī)化合物的積累，維持較高滲透壓，從而保證細(xì)胞正常的生理功能。在逆境條件下，可溶性糖是植物遭受逆境時主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)是植物細(xì)胞內(nèi)酶系統(tǒng)穩(wěn)定的標(biāo)志。參與各種代謝的酶類主要以可溶性蛋白形式存在[16]。它對細(xì)胞膜和原生質(zhì)膠體有穩(wěn)定作用，而且作為合成有機(jī)溶質(zhì)的碳架和能量的來源，在細(xì)胞內(nèi)無機(jī)離子濃度過高時起保護(hù)酶類的作用，說明在鹽脅迫下可溶性糖的積累有重要意義。

同理，脯氨酸作為重要的滲透調(diào)節(jié)物，植物在逆境條件下積累可增加植物對環(huán)境的適應(yīng)能力。抗旱性強(qiáng)的品種往往積累較多的脯氨酸。因此，測定脯氨酸含量可以作為抗逆育種的生理指標(biāo)。由于低鹽濃度時脯氨酸還可以作為氮素的來源，幼苗消耗本身脯氨酸用來消除植物體內(nèi)積累的過多氨而造成的毒害，而后由于鹽脅迫強(qiáng)度的增加，植株體內(nèi)脯氨酸含量迅速增大以抵御鹽脅迫，表現(xiàn)為高鹽分下脯氨酸迅速積累，所以脯氨酸的積累能力常被作為作物抗逆性鑒定的指標(biāo)。在鹽脅迫下，脯氨酸是植物的主要有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，它不僅可以作為羥基的清除劑和生物大分子的保護(hù)劑，還可以作為植物從脅迫條件恢復(fù)到正常過程中迅速、有效的氮源、碳源和還原劑。赫買良等[17]在植物的組織、器官和整株實驗中均發(fā)現(xiàn)脯氨酸的積累與植物的抗?jié)B透脅迫呈顯著的正相關(guān)。

Colmer等[18]認(rèn)為，鈣促進(jìn)脯氨酸合成與其維持一定的 K+/Na+有關(guān)，施加鈣一方面可以緩解因Ca2+不足而引起的礦質(zhì)營養(yǎng)脅迫，另一方面可以增強(qiáng)質(zhì)膜的穩(wěn)定性和鈣信號系統(tǒng)的正常功能，阻止細(xì)胞內(nèi)K+的外流和Na+的大量進(jìn)入，以維持細(xì)胞內(nèi)離子平衡，從而提高植物的抗鹽性。也有研究認(rèn)為[19,20]，這可能涉及到 CaM的活化，通過基因的表達(dá)而大量合成脯氨酸。也有人認(rèn)為Ca2+濃度與鹽脅迫下脯氨酸積累沒有明顯的相關(guān)性[21,22]，或呈負(fù)相關(guān)[23]。

綜上所述，用T3處理鹽脅迫紅豆草幼苗，其株高、脯氨酸、可溶性糖和葉綠素含量及根系活力均顯著提高且達(dá)到峰值，說明此濃度最有益于緩解紅豆草鹽脅迫；用T1、T2、T4和T5處理鹽脅迫紅豆草幼苗，紅豆草受到滲透脅迫傷害，可通過產(chǎn)生脯氨酸，可溶性糖，葉綠素進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)來緩解脅迫傷害，這與楊鳳軍等[26]在番茄上研究結(jié)果一致。但是，其株高、脯氨酸、可溶性糖和葉綠素含量及根系活力的變化不一致，表明這些濃度對緩解紅豆草幼苗鹽脅迫傷害有增效，但不是最佳濃度。

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Effects of exogenous calcium on the seedling physiological traits of sainfoin under salt stress

WEI Yong-peng,CHEN Tian-xiang,NAN Li-li,YU Chuang

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity;MinistryofEducationKeyLaboratoryofEcosystem/GansuProvinceLaboratoryofPrataculturalEngineering;Sino-USCenterforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

Sainfoin (Onobrychisviciaefoliacv.Mengnong) under salt stress was used to study the Effects of exogenous calcium on the seedling physiological traits at different concentrations of exogenous calcium(CK：100 mmol/L NaCl；T1：100 mmol/L NaCl+10 mmol/L CaCl2；T2：100 mmol/L NaCl+20 mmol/L CaCl2；T3：100 mmol/L NaCl+30 mmol/L CaCl2；T4：100 mmol/L NaCl+40 mmol/L CaCl2；T5：100 mmol/L NaCl+60 mmol/L CaCl2)by testing the height,chlorophyll content,soluble sugar content and root vigor.Results showed that the contents of proline,soluble sugar and chlorophyll and the roots vitality were increased and then decreased with the increase of Ca2+concentration compared with CK.The contents of proline,soluble sugar and chlorophyll were significantly increased by 32.3%,and 60% and 9.7% respectively under T3 treatment (P<0.05).The root vigor of seedlings under T3 and T4 treatments were significantly higher than CK (P<0.05).The plant height in T3 treatment was significantly higher than CK (P<0.05).In integrated consideration,T3 treatment was the best.

salt stress；sainfoin；physiological traits；exogenous Ca2+

2014-10-22；

2014-11-12

甘肅省高等學(xué)校科研專項資助

魏永鵬(1989-)，男，甘肅武威人，在讀碩士。 E-mail：1543918501@qq.com 南麗麗為通訊作者。

S 541

A

1009-5500(2015)01-0015-05