堿性鹽脅迫對(duì)水稻苗期生長及離子吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

張麗麗等

摘要：采用水培試驗(yàn)，研究了不同濃度堿性鹽處理對(duì)水稻幼苗生長及苗期離子吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響。結(jié)果表明，堿性鹽脅迫使參試材料苗長下降、生物量積累減少，長白9號(hào)降幅均較小。堿性鹽脅迫下，參試材料生長葉Na+濃度增幅為長白9號(hào)小于越光。成熟葉變化規(guī)律和生長葉基本一致。莖中Na+濃度增幅為長白9號(hào)高于越光。根中Na+濃度均大于地上部各部位。Na2CO3+NaHCO3脅迫下，各器官K+濃度均降低，長白9號(hào)K+濃度降幅小于越光。長白9號(hào)葉片和根部K+/Na+均顯著高于越光，且葉片高于根。Na2CO3+NaHCO3脅迫下各器官的Ca2+吸收量降低，長白9號(hào)各器官降幅低于越光。X-射線微區(qū)分析結(jié)果顯示，長白9號(hào)液泡和細(xì)胞壁具有較強(qiáng)的Na+區(qū)域化能力。

關(guān)鍵詞：堿性鹽脅迫；水稻；苗期生長；離子吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)；X-射線微區(qū)分析

中圖分類號(hào)：Q945.78；S511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）12-2874-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.016

Effects of Alkaline Stress on Seedling of Rice and Absorption and Transportation of Ions

ZHANG Li-li1，MA Dian-rong2，ZHANG Zhan1，ZHAO Yi-zhou1，LI xin1，MAO Ting1，LIU Yan1，CHEN Wen-fu2

（1.Liaoning Saline-alkali Land Utilization and Research Institute， Panjin 124010， Liaoning， China； 2.Rice Research Institute，Shenyang Agricultural University， Shenyang 110886， China）

Abstract： Based on water culture， the effects of the Na2CO3+NaHCO3 stress on growth and ions absorption and transportation of seedling were studied. The results showed that the height decreased and the biomass reduced. The damage rate of Changbai9 was less than Koshihikari. Under the stress of Na2CO3+NaHCO3， the Na+ concentrations in growth leaf of Changbai 9 increased less than Koshihikari， and the mature leaf was the same. The Na+ concentrations in stem of Changbai 9 increased more than Koshihikari. Na+ concentrations in roots were greater than those in different parts of shoots. The K+ concentrations in different organs decreased under the stress of Na2CO3+NaHCO3， and K+ concentrations of Changbai9 decreased less than Koshihikari. The ratio between K+and Na+ in leaf and root of Changbai9 were significantly higher than Koshihikari， and the leaf was higher than the root. The Ca2+ absorption of different organs decreased under the stress of Na2CO3+NaHCO3， and the decreasing range of different organs of Changbai9 was lower than Koshihikari. The results of X-ray microanalysis showed that Na+ content in cytoplasm of Changbai9 was significantly lower than that of and Koshihikari， while it was obviously higher than that of Koshihikari in cell wall and vacuole.

Key words： alkaline salt； rice； seedling period growth； absorption and transportation of ions；X-ray microanalysis

目前，世界上至少20%的耕地受到鹽堿化的影響，但鹽堿化的程度存在差異[1]。我國鹽堿化土地面積近1億hm2，潛在鹽堿地面積達(dá)1 733萬hm2 [2]。土地鹽堿化嚴(yán)重抑制了農(nóng)業(yè)發(fā)展，已經(jīng)引起世界性的關(guān)注，也成為科研工作的研究熱點(diǎn)。Na2CO3和NaHCO3等成分組成的堿性鹽對(duì)植物的損傷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中性鹽[3]，植物遭受鹽分和高pH的雙重傷害，影響細(xì)胞正常代謝，進(jìn)而抑制植物生長發(fā)育。

水稻是重要的糧食作物，提高水稻產(chǎn)量對(duì)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，保證中國人的糧食安全具有重要作用。因此，深入探討水稻耐鹽機(jī)理，篩選和培育耐鹽品種具有重要意義。前人對(duì)水稻的耐鹽機(jī)理做了大量的研究，但是從細(xì)胞和器官水平上研究的較少，為此研究不同堿性鹽濃度水平下水稻苗期生長及離子吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，以期為探討水稻耐鹽機(jī)制和耐鹽育種提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

以長白9號(hào)和越光為試驗(yàn)材料。

1.2 幼苗培養(yǎng)和處理

參試材料幼苗使用人工氣候箱砂培培養(yǎng)，并在3葉1心時(shí)期在培養(yǎng)液里加入堿性鹽，堿性鹽由Na2CO3+NaHCO3（m/m，1∶3）配比組合，共4個(gè)脅迫處理，濃度分別為0、10、20、30 mmol/L，脅迫7 d后取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 生長量 包括苗長、地上部干重、地下部干重、地上部鮮重、地下部鮮重。

1.3.2 在器官水平上離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn) 準(zhǔn)確稱取通過0.25 mm篩的烘干植物樣品0.5 g，置于消煮管中，加入30 mL濃硝酸搖勻，在通風(fēng)櫥中過夜，加3 mL高氯酸搖勻，180 ℃加熱，讓黃棕色煙霧揮發(fā)掉，再逐步升高溫度至300 ℃，待出現(xiàn)大量的煙且消化液仍為棕色時(shí)取下冷卻，繼續(xù)加入2 mL濃硝酸，直至無色為止。冷卻后用去離子水沖洗消煮管過濾定容至100 mL，稀釋后用火焰光度計(jì)和原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定鉀、鈣、鈉含量。

全鉀含量=[（標(biāo)準(zhǔn)曲線查得測(cè)讀數(shù)中鉀的濃度×測(cè)讀液測(cè)定容體積×分取倍數(shù)）/（M×106）]×100%，式中測(cè)讀液測(cè)定容體積為25 mL，分取倍數(shù)=待測(cè)液總體積/吸取待測(cè)液體積，M為樣品質(zhì)量。

鈣和鈉含量測(cè)定及計(jì)算方法同鉀，稀釋倍數(shù)略有不同。

1.3.2 在細(xì)胞水平上的離子區(qū)域化 測(cè)定葉肉細(xì)胞細(xì)胞器中Na+。采用X-射線微區(qū)分析法，方法為供試材料3葉1心時(shí)期經(jīng)堿性鹽脅迫處理7 d后，采集葉片放入鐵網(wǎng)中，立即置入液氮中，之后轉(zhuǎn)入冷凍干燥機(jī)中，-70 ℃冷凍干燥7 d后，放入干燥器中保存。樣片制備及觀察參照Fritz[4]的方法進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPS軟件和EXCEL軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 幼苗生物量

由表1可知，堿性鹽脅迫抑制苗長伸長，且不同材料間受抑制程度不同。隨處理濃度增大，供試材料苗長降幅增大，均極顯著低于對(duì)照。長白9號(hào)在10、20、30 mmol/L Na2CO3+NaHCO3處理下苗長與對(duì)照相比分別降低了6.4%、11.4%、16.0%，越光在10、20、30 mmol/L Na2CO3+NaHCO3處理下苗長與對(duì)照相比分別降低了5.6%、14.7%、20.0%。

Na2CO3+NaHCO3脅迫抑制參試材料生物量積累，且濃度越大，影響越大。30 mmol/L濃度脅迫下，長白9號(hào)地上部鮮重和干重分別降低了49.0%和33.7%，越光地上部鮮重和干重分別降低了61.0%和44.6%。地上部鮮重降幅大于地上部干重，這說明堿性鹽脅迫濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，組織表現(xiàn)出生理性缺水。

隨Na2CO3+NaHCO3脅迫濃度加大，供試材料地下部鮮重和干重下降，各材料存在差異。30 mmol/L脅迫下，長白9號(hào)地下部鮮重和干重分別降低了47.1%和37.5%，越光地下部鮮重和干重分別降低了69.2%和64.3%。

2.2 葉片在器官水平上的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)

由圖1a可以看出，Na2CO3+NaHCO3脅迫下Na+濃度隨脅迫濃度增大而顯著升高，不同材料和不同部位存在差異。處理前參試材料的各個(gè)部位的Na+含量均較低，隨脅迫濃度增加，各部位Na+含量均顯著上升。長白9號(hào)各部位Na+含量增幅變化為根>莖>葉。處理濃度較低時(shí)，越光各部位Na+含量增幅表現(xiàn)為根>莖>葉，但高濃度處理時(shí)，各部位Na+含量增幅為葉>莖>根。就生長葉而言，Na+含量增幅表現(xiàn)為長白9號(hào)<越光，成熟葉變化規(guī)律和生長葉基本一致。莖Na+濃度隨鹽脅迫增大而急劇上升，Na+濃度增幅為長白9號(hào)>越光。

圖1b表示Na2CO3+NaHCO3脅迫對(duì)K+濃度的影響，Na2CO3+NaHCO3脅迫下，K+濃度隨脅迫濃度增大而降低，不同材料不同部位的K+濃度對(duì)脅迫響應(yīng)不同。10 mmol/L Na2CO3+NaHCO3脅迫下，長白9號(hào)生長葉K+濃度降幅較小，與對(duì)照相比僅下降了9.0%；根和莖K+濃度下降幅度較大，與對(duì)照相比僅下降了22.6%、16.7%。越光葉、根和莖部均顯著下降，且根和莖部下降的幅度大于葉，根最大降幅達(dá)59.3%。從部位看，各處理水平下，生長葉K+濃度下降幅度小于成熟葉，葉降幅小于莖，根的降幅大于地上部。從材料上看，長白9號(hào)降幅小于越光。

對(duì)各器官中Ca2+含量的分析表明（圖1c），在Na2CO3+NaHCO3脅迫下，參試材料各器官中Ca2+含量均下降，且降低幅度隨濃度增加而增大。不同材料不同器官中Ca2+含量對(duì)脅迫的響應(yīng)存在差異。各處理水平下，長白9號(hào)根中Ca2+含量降幅顯著低于地上部各器官。生長葉中Ca2+含量降幅高于成熟葉，葉片降幅大于莖。隨脅迫增大，越光各器官中Ca2+含量急劇下降。同樣處理水平下，Ca2+含量降幅表現(xiàn)為生長葉>成熟葉>莖>根。從材料上來看，不同材料相同器官Ca2+含量降幅表現(xiàn)為越光>長白9號(hào)。

2.3 葉片Na+在細(xì)胞水平上的區(qū)域化

由表2可知，未經(jīng)Na2CO3+NaHCO3處理的長白9號(hào)和越光葉片，Na+在細(xì)胞質(zhì)、液泡和細(xì)胞壁中濃度無顯著差異。Na2CO3+NaHCO3處理后，各材料Na+在細(xì)胞質(zhì)、液泡和細(xì)胞壁中的濃度呈增加趨勢(shì)，且隨脅迫濃度加劇，增幅變大。各Na2CO3+NaHCO3處理梯度下，長白9號(hào)細(xì)胞質(zhì)中Na+增幅低于越光。長白9號(hào)液泡中Na+濃度急劇上升，顯著高于越光。20、30 mmol/L Na2CO3+NaHCO3處理下，越光液泡內(nèi)Na+濃度小于細(xì)胞質(zhì)中Na+濃度。

3 小結(jié)與討論

3.1 幼苗生長及根系對(duì)堿性鹽脅迫的響應(yīng)

鹽分脅迫嚴(yán)重抑制非鹽生植物生長[5]，故生物量積累可以表征植物耐鹽性大小。鹽分對(duì)植物的傷害主要表現(xiàn)在抑制植物各部分生長發(fā)育，導(dǎo)致器官衰老、死亡乃至脫落，從而導(dǎo)致植株鮮干重下降。謝國生等[6]認(rèn)為，NaHCO3脅迫處理明顯抑制了幼苗生長。本研究結(jié)果也表明，不同濃度Na2CO3+NaHCO3脅迫均抑制了參試材料生長，且隨脅迫濃度增加，苗高和生物量積累降低幅度增大，且材料間存在差異。長白9號(hào)苗高、地上部干鮮重和地下部干鮮重降幅均低于越光。夏陽等[7]認(rèn)為耐鹽性強(qiáng)的植物相對(duì)生物量較大，這與試驗(yàn)結(jié)果是一致的。堿性鹽脅迫降低了生長和物質(zhì)量的積累可以歸因于生理干旱和離子毒性，以及需要釋放更多的能量用于細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)。從能力代謝角度分析，主要是兩個(gè)原因：一是輸入能力減少，二是輸出能力增加。

3.2 幼苗在器官水平上礦物元素吸收對(duì)堿性鹽脅迫的響應(yīng)

Niu等[8]認(rèn)為植物耐鹽的主要機(jī)制是均衡離子。在正常生理?xiàng)l件下，細(xì)胞內(nèi)的離子是平衡的。Na+過多對(duì)植物是有害的，而K+卻是惟一一種植物所必需的而且必須以相對(duì)高濃度存在的離子，所以維持低的胞質(zhì)Na+/K+對(duì)鹽脅迫下植物的存活是必要的[9]。大多數(shù)植物對(duì)Na+、K+的吸收具有負(fù)相關(guān)性。曲元?jiǎng)偟萚10]研究表明，玉米在NaCl和Na2CO3脅迫下，Na+含量顯著增加。在Na2CO3脅迫下，葉片內(nèi)的Na+/K+的上升幅度大于相同Na+濃度的NaCl脅迫。NaCl和Na2CO3脅迫下，根部Na+/K+都高于葉片Na+/K+。本研究表明，長白9號(hào)葉片Na+低于越光。低Na2CO3+NaHCO3脅迫下，參試材料葉片中Na+濃度增幅顯著小于根部和莖中Na+濃度，但隨脅迫濃度增加，越光葉片Na+濃度增幅大于根和莖。這表明在較低濃度脅迫下，試驗(yàn)材料都具有一定的拒鹽能力，隨Na2CO3+NaHCO3濃度增大，不耐鹽材料的拒鹽性就會(huì)減弱甚至喪失。研究還發(fā)現(xiàn)長白9號(hào)莖具有較強(qiáng)的貯鹽能力，這可以減少Na+在葉片中的積累，對(duì)避免細(xì)胞受到離子脅迫和滲透脅迫，維持細(xì)胞正常的生理功能起到重要作用。

鹽脅迫下在葉細(xì)胞中保持較高的K+濃度是植物耐鹽的重要途徑。本研究表明2個(gè)水稻品種的地上部K+/Na+比值高于根系，長白9號(hào)葉片K+/Na+顯著高于越光。結(jié)果還表明，同樣脅迫水平下，葉片K+/Na+高于根K+/Na+。這可能是Na+在向上部運(yùn)輸過程中經(jīng)韌皮部環(huán)流到根系中，以維持葉片中較高的K+/Na+，減輕Na+對(duì)葉片的傷害，進(jìn)而保證植物正常的生命過程。

Ca2+可以減少鹽脅迫下植物對(duì)Na+的吸收，維持膜的穩(wěn)定性和正常的生長速度。王寧[11]的研究表明，Na2CO3+NaHCO3脅迫時(shí)玉米植株Ca2+含量降低。本研究表明，Na2CO3+NaHCO3脅迫降低了各器官的Ca2+吸收量，隨脅迫濃度增大，Ca2+的吸收量減少。生長葉對(duì)Na2CO3+NaHCO3脅迫響應(yīng)最敏感，成熟葉次之，根的Ca2+降幅最小，長白9號(hào)各器官降幅低于越光。這說明在Na2CO3+NaHCO3脅迫下，長白9號(hào)可以保持較高的Ca2+含量，維護(hù)膜的完整性，減少對(duì)細(xì)胞的傷害。Ca2+吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的趨勢(shì)與Na+、K+不同。

3.3 葉片Na+在細(xì)胞水平上的區(qū)域化對(duì)堿性鹽脅迫的響應(yīng)

X-射線微區(qū)分析顯示，在同等處理?xiàng)l件下，長白9號(hào)細(xì)胞質(zhì)中Na+濃度顯著低于越光，而細(xì)胞壁和液泡中的Na+濃度都顯著高于越光。這表明Na2CO3+NaHCO3脅迫下長白9號(hào)細(xì)胞具有較強(qiáng)的拒鹽性，這可能是當(dāng)細(xì)胞質(zhì)中的Na+濃度升高時(shí)，為了維護(hù)離子平衡，將Na+從細(xì)胞質(zhì)中排出，并將其貯存在細(xì)胞壁中。Na+的外排是通過質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行的，同時(shí)長白9號(hào)液泡中Na+區(qū)域化能力也強(qiáng)于越光。中高濃度Na2CO3+NaHCO3處理?xiàng)l件下，越光細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Na+增加輻度減小，濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液泡和細(xì)胞壁內(nèi)Na+濃度，這可能是由于高濃度Na2CO3+NaHCO3處理下，液泡膜質(zhì)子泵的水解活性受到抑制，影響Na+區(qū)域化，進(jìn)而造成對(duì)細(xì)胞的毒害，這與曲元?jiǎng)偟萚10]的研究結(jié)果具有一致性。

綜上所述，在堿性鹽脅迫下，長白9號(hào)的葉片保持較高K+/Na+比值和較高的Ca2+含量，而且莖有較強(qiáng)的貯鹽能力，同時(shí)液泡和細(xì)胞壁具備較強(qiáng)的細(xì)胞區(qū)域化能力，這些都是其耐鹽堿的生理基礎(chǔ)。

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