NaCl脅迫對(duì)4個(gè)樹種體內(nèi)離子分布的影響

夏尚光

(安徽省林業(yè)科學(xué)研究院，安徽合肥 230031)

鹽脅迫對(duì)植物的影響主要是抑制其生長(zhǎng)，影響種子出苗率、成苗率、苗木生長(zhǎng)量及嫁接成活率等，植物受鹽害的程度與鹽脅迫處理的濃度和脅迫時(shí)間有關(guān)。一般地，鹽濃度越高、脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，植物生長(zhǎng)和發(fā)育受到的抑制就越大。鹽脅迫下對(duì)植物造成的傷害，主要是通過調(diào)節(jié)其細(xì)胞內(nèi)離子轉(zhuǎn)運(yùn)而產(chǎn)生毒害。在我國(guó)鹽脅迫一般多為鈉鹽，Na+是鹽漬環(huán)境中主要的陽離子，也是植物生長(zhǎng)遭受傷害主要的陽離子之一，細(xì)胞中Na+濃度過高，會(huì)傷害膜結(jié)構(gòu)功能或細(xì)胞的代謝活動(dòng)，是植物致死主要可能原因。在鹽漬條件下進(jìn)入植物體內(nèi)的Na+分布在葉片、莖和根中，耐鹽性強(qiáng)的植物即使在高鹽度下也能保持較低水平的Na+濃度，使植物生長(zhǎng)免受傷害［1］。K+在細(xì)胞質(zhì)中是最豐富的無機(jī)離子，其在植物的營(yíng)養(yǎng)、發(fā)育和生理調(diào)節(jié)中起著重要作用，是植物所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是保證植物正常代謝的關(guān)鍵離子，并且是唯一一種在植物體內(nèi)必需以高濃度存在的、具有活化作用的一價(jià)陽離子。在鹽漬條件下，保持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)K+濃度高于某一特定值，對(duì)于植物的生長(zhǎng)和耐鹽性都是非常必要的，通常認(rèn)為蛋白質(zhì)合成及其他生理過程都需要K+，要求細(xì)胞質(zhì)中具有一定量的K+存在。有人認(rèn)為，K營(yíng)養(yǎng)是植物耐鹽性的關(guān)鍵因素。Ca是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，與細(xì)胞的分裂伸長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)、原生質(zhì)流動(dòng)、植物向地性、抗衰老等生理過程密切相關(guān)，在植物生理活動(dòng)中，既起著結(jié)構(gòu)成分的作用，也具有酶的輔助因素功能［2］。同時(shí)，Ca在植物體內(nèi)又為難移動(dòng)元素，Ca素自根系向地上部運(yùn)輸十分緩慢，而地上部在生長(zhǎng)發(fā)育過程中又需要大量的Ca素。Mg2+是葉綠素的中心金屬離子，是綠色植物進(jìn)行光合作用不可缺少的元素，同時(shí)它還是生物體內(nèi)300余種酶的激活劑和Ca2+興奮作用的拮抗劑，對(duì)機(jī)體的多個(gè)組織功能穩(wěn)定具有重要作用。在正常情況下生物機(jī)體中Mg2+的含量較多，僅次于Ca2+、Na+、K+而居第4位，在細(xì)胞內(nèi)的含量則僅次于K+而居第2位［3］。

該項(xiàng)目通過對(duì)木栓榆、厚葉榆、醉翁榆、黃連木4個(gè)樹種在鹽分脅迫下根、莖、葉中 Na+、K+、Mg2+、Ca2+的轉(zhuǎn)移規(guī)律進(jìn)行研究，旨在探尋出上述4個(gè)樹種耐鹽機(jī)理，為鹽脅迫環(huán)境下樹種選擇、栽培提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 鹽化處理 2008年3月初選擇苗高、地徑大小一致的黃連木、醉翁榆、木栓榆、厚葉榆4個(gè)樹種1年生苗盆栽，每盆裝土9 kg。4月初移至溫室大棚內(nèi)，待幼苗成活定根后，5月12日實(shí)施一次性鹽化處理，試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)鹽度水平，分別為 CK，2、3、4、5、6 mg/g，6 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)期間，定期澆少量水，以平衡蒸發(fā)量。

1.2 Na+、K+、Mg2+和 Ca2+含量的測(cè)定

1.2.1 樣品處理。取不同濃度NaCl脅迫的幼苗數(shù)株，于水中清洗干凈，按葉、根和莖部位分開，放置烘箱中烘干，直至重量不再減少后，進(jìn)行粉碎處理。

1.2.2 待測(cè)液制備。稱取樣品0.5 g左右，放入50 ml三角瓶中，瓶口加一小漏斗，加入硝酸和高氯酸(5∶1)混合液10 ml，低溫加熱過夜后加溫消煮，直至大量冒煙為止。然后加入2 ml的濃硝酸∶水(1∶1)加熱溶解，再定容 50 ml，搖勻待測(cè)。同時(shí)做2份標(biāo)樣與空白對(duì)照試驗(yàn)。

1.2.3 離子測(cè)定。在ICP離子儀上直接讀數(shù)，得出Na+、K+、Mg2+和 Ca2+含量，并計(jì)算 K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下4個(gè)樹種不同部位Na+含量 由圖1可知，厚葉榆、木栓榆體內(nèi)Na+總量(根、莖、葉)均隨鹽處理濃度的增大而增大。醉翁榆體內(nèi)Na+總含量不呈單一的變化趨勢(shì)，在0～2 mg/g鹽處理濃度區(qū)間，Na+總含量隨鹽濃度的增大而下降;在2～4 mg/g鹽處理濃度區(qū)間，醉翁榆根、莖、葉中Na+含量隨鹽濃度的增大而上升，Na+總含量達(dá)到最大值，5 mg/g濃度處理時(shí)體內(nèi)Na+總含量下降幅度明顯。在0～3 mg/g鹽處理濃度區(qū)間，黃連木體內(nèi)Na+含量隨脅迫濃度的增大而上升，此后開始大幅度下降，在4～6 mg/g鹽處理濃度區(qū)間，Na+含量又隨脅迫濃度的增大而上升。

以4 mg/g NaCl脅迫為例，醉翁榆、木栓榆、厚葉榆、黃連木4 個(gè)樹種體內(nèi) Na+總含量分別高達(dá)為 6.8、2.6、2.7、0.5 mg/g，分別是各自對(duì)照株 Na+總含量的 22.67、9.14、18.74、和13.34倍。在6 mg/g鹽處理時(shí)，木栓榆、厚葉榆和黃連木體內(nèi) Na+總含量分別為 4.85、8.79、0.09 mg/g(這里只比較這3個(gè)樹種，醉翁榆在6 mg/g梯度已死亡)。在4個(gè)供試樹種中，醉翁榆死亡率最高，也就是說，醉翁榆對(duì)鹽敏感，體內(nèi)離子含量的驟增是其死亡的直接原因。植物的內(nèi)源Na+濃度越低，其耐鹽性越強(qiáng)，初步可說明黃連木耐鹽性最強(qiáng)，木栓榆次之，厚葉榆第3，醉翁榆耐鹽性最弱。

圖1 鹽脅迫對(duì)幼苗不同部位Na+含量的影響

2.2 鹽脅迫下4個(gè)樹種不同部位K+含量 由圖2可知，鹽脅迫下4個(gè)樹種不同部位K+含量的影響隨鹽脅迫濃度加大，醉翁榆體內(nèi)K+總趨勢(shì)呈上升狀態(tài)，其他3個(gè)樹種體內(nèi)K+含量，木栓榆是呈先上升再下降，再上升的“S”型變化趨勢(shì)，而厚葉榆與黃連木變化趨勢(shì)是呈先下降后上升的“V”型變化狀態(tài)。

2.3 鹽脅迫下4個(gè)樹種不同部位Mg2+含量 鹽脅迫下厚葉榆根、葉中Mg2+含量，隨鹽脅迫濃度的增加而增大;黃連木根、葉中Mg2+含量變化趨勢(shì)與木栓榆根、葉中Mg2+變化趨勢(shì)相似，但莖中Mg2+含量下降不明顯;醉翁榆根、莖、葉中Mg2+含量均隨鹽脅迫濃度的增加而增加，其中根中Mg2+含量上升最明顯，具體見圖3。

從總體上說，4個(gè)樹種植株中Mg2+總含量均隨著鹽脅迫梯度的升高而升高。以4 mg/g鹽脅迫為例，醉翁榆、厚葉榆、木栓榆、黃連木植株中Mg2+總含量分別為各自對(duì)照株的1.18、1.27、1.08 和 1.38 倍。Mg2+在細(xì)胞外大量存在，可以調(diào)節(jié)酶的活性。

2.4 鹽脅迫下對(duì)4個(gè)樹種植株Ca2+含量影響 隨鹽脅迫濃度的增加，4個(gè)樹種葉部Ca2+含量也呈增加趨勢(shì)。其中，醉翁榆葉部的Ca2+含量直線上升，黃連木葉部的Ca2+含量呈不規(guī)則上升，其他2樹種葉部的Ca2+含量上升平緩。與對(duì)照相比，醉翁榆葉部Ca2+含量，在鹽脅迫濃度為4 mg/g時(shí)達(dá)最大，這可能是由于鹽脅迫濃度達(dá)到一定程度時(shí)，無機(jī)離子的滲透調(diào)節(jié)已經(jīng)不起主要作用。從外觀上看，醉翁榆的葉片也最先在4 mg/g鹽脅迫下出現(xiàn)枯死，可能由于高鹽脅迫下大多組織受損傷時(shí)，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)Ca2+超載或Ca2+超負(fù)荷狀態(tài)，從而進(jìn)一步加重細(xì)胞的損傷，以使細(xì)胞失去內(nèi)穩(wěn)態(tài)而致細(xì)胞壞死［4］。在鹽脅迫梯度為0～5 mg/g時(shí)，隨著鹽梯度的升高，厚葉榆、木栓榆、黃連木3樹種根中Ca2+含量下降，而葉中Ca2+含量則升高。在4 mg/g鹽度下，醉翁榆、厚葉榆、木栓榆、黃連木莖中 Ca2+含量分別達(dá)到 9.4、5.4、6.4、9.2 mg/g;醉翁榆、厚葉榆、木栓榆、黃連木根中Ca2+含量分別達(dá)到11.5、3.9、3.1，2.8 mg/g;從總體上說，醉翁榆、厚葉榆、木栓榆、黃連木4個(gè)樹種在4 mg/g濃度處的根、莖、葉中Ca2+總含量分別達(dá)到 49.4、24.7、26.5 和 27.0 mg/g，醉翁榆 Ca2+含量最高。在6 mg/g鹽度處，厚葉榆、木栓榆、黃連木3樹種根和葉中Ca2+含量變化趨勢(shì)正好相反。而醉翁榆隨著鹽梯度的升高，根中Ca2+含量也升高。4樹種莖中Ca2+含量均隨著鹽梯度的升高而下降，厚葉榆、木栓榆莖中Ca2+含量隨著鹽梯度的升高下降很明顯，黃連木和醉翁榆莖中Ca2+含量呈波動(dòng)式下降。

圖2 鹽脅迫對(duì)幼苗不同部位K+含量的影響

圖3 鹽脅迫對(duì)幼苗不同部位Mg2+含量的影響

2.5 鹽脅迫下幼苗對(duì)離子的選擇性吸收與分配 植物對(duì)NaCl鹽害非常敏感，在鹽害中真正起作用的是Na+，而不是Cl－。所以，決定林木耐鹽能力的關(guān)鍵在于林木對(duì)Na+、K+等離子的吸收，即限制Na+進(jìn)入體內(nèi)，選擇性地吸收K+，才能提高其耐鹽能力。植物根中的X(K+、Ca2+、Mg2+、Na+)向地上部分運(yùn)輸?shù)倪x擇性(RSX、Na+，RSX，Na+)參照公式［5］計(jì)算。RS值反映的是植物根中的X，Na+向地上部分運(yùn)輸?shù)倪x擇性，而Rs值反映的是植物葉對(duì)X，Na+吸收的選擇性。RS X，Na+和RSX，Na+值越大，X運(yùn)輸?shù)倪x擇性越高，留在根中的Na+越多。

在鹽漬土上造林，樹木要長(zhǎng)期經(jīng)受鹽脅迫，并在鹽逆境下生長(zhǎng)發(fā)育，鹽分對(duì)植物的影響可歸結(jié)于3個(gè)方面:滲透、毒性及營(yíng)養(yǎng)影響。對(duì)受鹽脅迫時(shí)間最長(zhǎng)(100 d)的試驗(yàn)苗礦質(zhì)元素選擇性吸收問題進(jìn)行分析研究，4個(gè)樹種的X/Na+、RSX，Na+和RsX，Na+值，在處理第100天時(shí)，鹽脅迫降低了根中 K+/Na+、Ca2+/Na+值，升高了 Mg2+/Na+值，其中以K+/Na+比值降幅最大，其次Ca2+/Na+。這可能是因?yàn)殡S著鹽濃度提高，4個(gè)樹種的表皮吸附K+、Ca2+的位置被Na+置換，從而抑制對(duì)K+、Ca2+的吸收，同時(shí)地上部分的生命活動(dòng)消耗這2種離子，而從根中吸收并上運(yùn)至地上部分;Mg2+/Na+值升高表明根中的Mg2+抑制對(duì)Na+的吸收。

鹽脅迫對(duì)莖中K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+值的影響不同于根系。與對(duì)照相比，鹽脅迫對(duì)莖中K+/Na+、Ca2+/Na+值總體呈下降趨勢(shì)，而Mg2+/Na+值呈升高趨勢(shì)。各樹種間表現(xiàn)出一定的差異，如厚葉榆、木栓榆的Mg2+/Na+值幾乎隨鹽梯度的提高持續(xù)增加，其他樹種的Mg2+/Na+值則隨鹽梯度的提高呈波動(dòng)性增加。而厚葉榆莖中的Ca2+/Na+值隨鹽梯度的提高而降低，其他樹種的Ca2+/Na+值變化規(guī)律性不明顯。鹽脅迫總體上降低了上部葉K+/Na+值，但厚葉榆和黃連木上部葉K+/Na+值在鹽處理下變化規(guī)律性不明顯;對(duì)Ca2+/Na+值的影響，各樹種有所不同，醉翁榆、木栓榆在低鹽下有所上升，后隨鹽梯度的升高而降低;而厚葉榆和黃連木Ca2+/Na+值變化無規(guī)律。

在0 ～3 mg/g 鹽梯度范圍，RSMg2+，Na+值均隨鹽梯度的升高而降低，表明木栓榆的根向莖選擇性地運(yùn)輸Na+而限制Mg2+的運(yùn)輸，在高濃度下正好相反，這也許是這些樹種耐鹽的原因;黃連木等樹種的根向莖、葉選擇性地運(yùn)輸Na+而限制Mg2+的運(yùn)輸;總體上說，醉翁榆、厚葉榆隨鹽梯度的升高，根向莖、葉選擇性地運(yùn)輸Mg2+而限制Na+的運(yùn)輸。

黃連木樹種隨鹽梯度的升高，根向莖、葉選擇性地運(yùn)輸Ca2+而限制Na+的運(yùn)輸，5 mg/g處理后根向葉選擇性地運(yùn)輸方式正好相反;在0～3 mg/g低中鹽梯度范圍，醉翁榆根向莖葉選擇性地運(yùn)輸Ca2+而限制Na+的運(yùn)輸，此后離子運(yùn)輸方式正好相反;木栓榆和厚葉榆隨鹽梯度的升高，根向莖、葉選擇運(yùn)輸Ca2+或Na+的方式變換復(fù)雜，規(guī)律不強(qiáng)，這可能是與二者體內(nèi)進(jìn)行生理調(diào)節(jié)有關(guān)。

在0～4 mg/g鹽梯度范圍，木栓榆、黃連木、厚葉榆等樹種的根向莖、葉選擇性地運(yùn)輸K+而限制Na+的運(yùn)輸，5 mg/g后根向莖、葉選擇性地運(yùn)輸方式正好相反;在0～3 mg/g低中鹽梯度范圍，醉翁榆根向莖選擇性地運(yùn)輸K+而限制Na+的運(yùn)輸，葉正好相反。從上述分析可知，木栓榆、黃連木、厚葉榆根向莖、葉選擇性地運(yùn)輸K+而限制Na+的運(yùn)輸，其適應(yīng)鹽分梯度范圍要比醉翁榆廣，這說明木栓榆、黃連木、厚葉榆等3個(gè)樹種耐鹽的原因。高濃度Na+干擾了植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素K及N等的吸收，造成植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)元素虧缺，影響生長(zhǎng)發(fā)育，此外根系環(huán)境中鹽分濃度提高，水勢(shì)下降而引起植物吸水困難，引起滲透脅迫。

3 結(jié)論與討論

(1)Na+在木栓榆、厚葉榆、黃連木和醉翁榆4個(gè)樹種不同組織中分布的基本趨勢(shì)是根最大，莖次之，葉最小。說明植物可利用這些積累在根部的Na+進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，降低水勢(shì)，保持吸水能力，以免造成生理干旱。葉片中Na+含量較低，這可能由于根部和莖部積累了大量的離子，限制了離子的向上運(yùn)輸，從而減少了鹽脅迫對(duì)地上部的毒害。木栓榆和厚葉榆不同組織Na+含量基本是隨鹽處理濃度增大而增大，但增加幅度較小，其中根、莖較為穩(wěn)定，根、莖在Na+向上運(yùn)輸?shù)倪^程中起到抑制作用，表明非鹽生植物通過控制離子進(jìn)入莖的木質(zhì)部來限制離子進(jìn)入地上部分，莖在緩解鹽害過程中起著重要的作用，因此，根、莖可能是木栓榆和厚葉榆受鹽害的主要部位。醉翁榆在3～4 mg/g NaCl脅迫梯度間，莖部Na+含量隨鹽處理濃度的增大而下降，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其根或葉中Na+含量隨鹽處理濃度的增大而增大;黃連木受鹽害的原因不在于體內(nèi)Na+含量的多少，而是因?yàn)槿~片Na+積累過快、過多導(dǎo)致產(chǎn)生鹽害，而莖不能有效控制離子進(jìn)入根的木質(zhì)部來限制離子進(jìn)入葉片是黃連木致害和死亡的根本所在。

該研究表明，葉片是黃連木、醉翁榆受鹽害的主要部位，葉片中Na+含量變化的幅度是衡量這些苗木抗鹽性的指標(biāo)之一;根、莖是木栓榆和厚葉榆受鹽害的主要部位，同時(shí)它們也是衡量木栓榆和厚葉榆耐鹽性的主要部位。

(2)總體上說，4個(gè)樹種在4 mg/g梯度處，醉翁榆根莖葉中Ca2+總含量最高，此時(shí)Ca2+濃度足以使細(xì)胞失去內(nèi)穩(wěn)態(tài)而致細(xì)胞壞死，厚葉榆、木栓榆、黃連木3樹種含量較低，主要原因是隨著鹽梯度的升高，細(xì)胞質(zhì)Ca2+濃度也出現(xiàn)短暫的上升，以使細(xì)胞失去內(nèi)穩(wěn)態(tài)，但這3種樹組織細(xì)胞內(nèi)可能存在維持Ca2+濃度內(nèi)穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)運(yùn)體Ca2+泵(Ca2+－ATPase)和Ca2+/陽離子反向轉(zhuǎn)運(yùn)體(Ca2+/Canon－Antiporter)，當(dāng)細(xì)胞受到刺激后，由于Ca2+通道開放，胞外及胞內(nèi)“鈣庫(kù)”中的Ca2+就跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中，使Ca2+濃度出現(xiàn)短暫的上升，當(dāng)Ca2+將信號(hào)傳遞到下游調(diào)控分子后，存在于質(zhì)膜及內(nèi)膜系統(tǒng)上的Ca2+泵和Ca2+陽離子反向轉(zhuǎn)運(yùn)體就迅速地將細(xì)胞質(zhì)Ca2+跨膜釋放到胞外和胞內(nèi)“鈣庫(kù)”中，從而維持細(xì)胞質(zhì)Ca2+濃度的穩(wěn)態(tài)［4］。結(jié)合4個(gè)樹種在鹽脅迫下的形態(tài)和生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行分析，醉翁榆體內(nèi)高濃度的Ca2+可能是其受害的原因之一，而厚葉榆、木栓榆、黃連木體內(nèi)較低的Ca2+含量可能是其耐鹽的原因。

(3)鹽脅迫使厚葉榆根、葉中Mg2+含量隨鹽脅迫濃度的增加而增加;黃連木根、葉中Mg2+含量變化趨勢(shì)與木栓榆根、葉中Mg2+變化趨勢(shì)相似，但莖中Mg2+含量下降不明顯;醉翁榆根莖葉中Mg2+含量均隨鹽脅迫濃度的增加而增加，其中根中Mg2+含量上升最明顯。

(4)隨鹽脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，植物體對(duì)Na+，K+的吸收明顯增加，但對(duì)Na+的吸收量明顯大于K+。長(zhǎng)時(shí)間的鹽脅迫，耐鹽能力弱的植物Na+/K+值升高較快，而耐鹽能力強(qiáng)的植物Na+/K+值較小。鹽脅迫總體上降低了上部葉K+/Na+值，但厚葉榆和黃連木上部葉K+/Na+值在鹽處理下變化規(guī)律性不明顯;對(duì)Ca2+/Na+值的影響，醉翁榆、木栓榆在低鹽下有所上升，后隨鹽梯度的升高而降低，而醉翁榆降低幅度最明顯;而厚葉榆和黃連木Ca2+/Na+值變化無規(guī)律。在離子毒害、營(yíng)養(yǎng)缺乏、滲透脅迫的共同作用下，醉翁榆發(fā)生鹽害較重。需要指出的是黃連木根部向莖、葉選擇運(yùn)輸Na+，但抗鹽性較強(qiáng)，說明鹽脅迫下黃連木可能主動(dòng)選擇吸收一部分無機(jī)離子作為滲透調(diào)解物質(zhì)來緩解鹽害，黃連木可能是一種類鹽生植物，具有鹽生植物的某些特征。

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