荒漠植物沙芥苗期對不同濃度NaCl的適應(yīng)機(jī)制

岳利軍，袁坤，李海偉，康建軍，王鎖民*

(1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020； 2.中國科學(xué)院

寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000)

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荒漠植物沙芥苗期對不同濃度NaCl的適應(yīng)機(jī)制

岳利軍1，袁坤1，李海偉1，康建軍2，王鎖民1*

(1.蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730020； 2.中國科學(xué)院

寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所內(nèi)陸河流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000)

摘要：本文研究了5周齡沙芥幼苗對不同濃度NaCl的適應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明，沙芥苗期對不同濃度的NaCl具有不同的適應(yīng)機(jī)制。與對照相比，在5 mmol/L的低濃度NaCl下，沙芥葉的干重和含水量分別顯著增加了25%和35%(P<0.05)，沙芥正是通過這種植株的快速生長和含水量的增加將進(jìn)入體內(nèi)過多的Na+稀釋至毒害水平以下，以適應(yīng)外界低濃度的NaCl。在50 mmol/L的中等濃度NaCl下，沙芥限制了K+、增強(qiáng)了Na+從根向葉的選擇性運(yùn)輸，使葉中的Na+含量顯著增加了8倍(P<0.05)，沙芥最可能是將葉中積累的大量Na+區(qū)域化至液泡中來適應(yīng)外界中等濃度的NaCl，該機(jī)制避免了Na+對葉細(xì)胞的傷害，使葉的滲透勢顯著降低了75%(P<0.05)，讓植株有效地抵御了鹽分產(chǎn)生的滲透脅迫，維持了沙芥的正常生長。沙芥主要通過限制Na+、增強(qiáng)K+的選擇性吸收和從根向葉的選擇性運(yùn)輸來適應(yīng)外界高濃度的NaCl。在200 mmol/L的高濃度NaCl下，該機(jī)制使沙芥葉中積累的K+較50 mmol/L的NaCl下顯著增加了55%(P<0.05)，使K+對滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率也相應(yīng)地從10.28%提高到了12.51%，K+一般積累于細(xì)胞質(zhì)中，因此該機(jī)制有利于葉細(xì)胞質(zhì)保持較低的Na+/K+、減緩Na+對葉的傷害，也有利于細(xì)胞質(zhì)平衡來自胞內(nèi)液泡和胞外高濃度NaCl產(chǎn)生的滲透壓、減少葉的滲透傷害。盡管如此，在200 mmol/L的NaCl下，沙芥幼苗生長了7 d便使其葉的干重顯著降低了51%(P<0.05)，表明沙芥苗期的耐鹽性有限。

關(guān)鍵詞：沙芥；NaCl；適應(yīng)機(jī)制

我國西北荒漠和半荒漠地區(qū)降雨量少、蒸發(fā)量大，氣候條件極其干旱[1]。長期以來，灌溉是該地區(qū)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)的主要措施之一[2]。雖然灌溉能有效增加土壤墑情、緩解農(nóng)業(yè)旱情，但土壤的水分蒸發(fā)和作物的蒸騰作用會將溶解于灌溉水中的土壤深層鹽分轉(zhuǎn)移至土壤表面，從而導(dǎo)致土壤不可逆地次生鹽漬化[3]。特別是在極端干旱地區(qū)，由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)和蒸騰作用，使土壤次生鹽漬化的發(fā)生和發(fā)展極為迅速[3]。我國西北荒漠和半荒漠地區(qū)亦是如此，灌溉引起的土壤次生鹽漬化日益嚴(yán)重[4-6]。

土壤次生鹽漬化的主要原因是土壤中積累了大量的NaCl和少量的其他鹽分如Na2SO4、MgSO4、CaSO4、MgCl2、KCl和Na2CO3等[7]。土壤中高濃度的NaCl一方面會降低土壤的水勢，造成植物從土壤中吸水困難，甚至不能吸水，對植物產(chǎn)生滲透脅迫[8-9]。另一方面會使植物根系吸收過多的Na+，這些Na+進(jìn)入根系后會置換出根毛細(xì)胞質(zhì)膜上的Ca2+，從而破壞細(xì)胞膜對Na+、K+的選擇性吸收，造成Na+大量涌入胞內(nèi)和K+滲出胞外，使細(xì)胞內(nèi)積累高濃度Na+[10-11]。K+是細(xì)胞內(nèi)50多種酶的激活劑，許多蛋白質(zhì)的合成也離不開K+，Na+和K+水合離子半徑相似，細(xì)胞內(nèi)高濃度的Na+會競爭K+在這些生理生化反應(yīng)中的結(jié)合位點(diǎn)，但Na+無法代替K+的功能，因此會破壞細(xì)胞內(nèi)多種酶促反應(yīng)和蛋白質(zhì)的合成過程，對植物產(chǎn)生離子毒害[9]。鹽分對植物產(chǎn)生的滲透脅迫和離子脅迫還會進(jìn)一步對植物造成一系列的次生脅迫如氧化脅迫等，抑制植物的生長甚至造成植物死亡[12]。

沙芥(Pugioniumcornutum)主要分布于我國荒漠和半荒漠地區(qū)，屬十字花科，是二年生草本植物，具有極強(qiáng)的耐旱性，被歸類為多漿旱生植物[13-14]。沙芥集防風(fēng)固沙、水土保持、食用蔬菜、中藥材及飼用牧草等用途于一身，不但是當(dāng)?shù)刂匾纳鷳B(tài)屏障，而且蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)開發(fā)價值[15-16]。目前沙芥的開發(fā)利用已初步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，系列產(chǎn)品包括軟包裝成品沙芥、沙芥罐頭、沙芥汁等，且其新產(chǎn)品的研發(fā)仍在繼續(xù)，因而種植沙芥已成為一些沙區(qū)人民主要的收入來源[15-16]。然而，這種資源植物在當(dāng)?shù)氐姆N植正面臨著愈趨嚴(yán)重的土壤鹽漬化的威脅[2]。目前關(guān)于沙芥的研究主要集中在遺傳分類、生物學(xué)特征、生理生態(tài)、形態(tài)解剖、栽培以及營養(yǎng)成分分析和產(chǎn)品加工等方面，但有關(guān)沙芥在耐鹽生理方面的研究還鮮有報道[13-17]。因此，本文研究了苗期沙芥對不同濃度NaCl的適應(yīng)機(jī)制，以期為增強(qiáng)沙芥對鹽漬環(huán)境的適應(yīng)性提供理論基礎(chǔ)，進(jìn)而謀求該資源植物在鹽漬地區(qū)的栽培和開發(fā)利用。

1材料與方法

1.1植物材料培養(yǎng)

沙芥種子于2012年10月采自寧夏回族自治區(qū)陶樂縣，位于東經(jīng)106°33′，北緯38°35′，海拔1107 m，年均氣溫9℃，年均最高氣溫16.4℃，年均最低氣溫2.8℃，年均降水量176 mm，年均風(fēng)速2.3 m/s[18]。實(shí)驗(yàn)于2013年4月至2014年12月之間進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)重復(fù)了3次。植物材料培養(yǎng)時，首先選取籽粒飽滿的沙芥種子，用10%的NaClO浸泡5 min，再用75%的乙醇浸泡5 min，用蒸餾水沖洗5次，置于培養(yǎng)箱中暗催芽。待種子萌發(fā)后，將其移入裝有石英砂的花盆中，花盆事先已置于盛有1/2 Hoagland營養(yǎng)液的托盤中，營養(yǎng)液透過花盆底部的通氣孔滲入石英砂，并借助石英砂的毛細(xì)管作用力和水分的蒸發(fā)拉力到達(dá)石英砂表層，為沙芥幼苗的生長提供營養(yǎng)。所用花盆的直徑為10.0 cm、高8.5 cm。裝入花盆的石英砂高度為7 cm。托盤中1/2 Hoagland營養(yǎng)液高度為3 cm。每盆移入1株沙芥幼苗。所用1/2 Hoagland營養(yǎng)液配方略有調(diào)整，包含2 mmol/L KNO3，0.5 mmol/L NH4H2PO4，0.25 mmol/L MgSO4·7H2O，0.25 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O，46 μmol/L H3BO3，9 μmol/L MnCl2·4H2O，0.8 μmol/L ZnSO4·7H2O，0.3 μmol/L CuSO4·5H2O，0.35 μmol/L (NH4)6Mo7O24·4H2O，30 μmol/L Fe-citrate。沙芥的培養(yǎng)在溫室中進(jìn)行，晝夜溫度為(30±2)℃/(20±2)℃，光照時長為16 h/d，光照強(qiáng)度約為800 μmol/(m2·s)，相對濕度為40%～50%。

1.2實(shí)驗(yàn)處理

待沙芥幼苗生長5周，第3對真葉完全展開后，挑選長勢一致的沙芥幼苗，分別用含有0(對照)，5，25，50，100，200 mmol/L NaCl的1/2 Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行處理。處理時，NaCl濃度每天遞增50 mmol/L，待全部處理達(dá)到設(shè)定濃度后，開始計算處理時間。在處理期間，為了保持各處理NaCl濃度恒定，每2 d換一次處理液。為了保證各處理植物材料生長條件一致，每2 d隨機(jī)擺放一次植物材料的位置。待植物材料處理7 d后，取植株底部倒數(shù)第2對真葉測定相關(guān)指標(biāo)，測定指標(biāo)時每個處理5個重復(fù)。

1.3測定指標(biāo)

干重、葉含水量和肉質(zhì)化程度：參照Yue等[19]的方法并略有修正，將植物材料用蒸餾水快速沖洗，吸干其表面水分，分成地上部和地下部，稱取鮮重。將處理好的鮮材料放入105℃的烘箱中殺青10 min，然后在80℃下烘至恒重，稱取地上部和地下部干重。參考康建軍等[20]的方法，計算葉含水量和肉質(zhì)化程度：葉含水量(g/g)=(鮮重-干重)/干重，葉肉質(zhì)化程度(g/g)=鮮重/干重。

葉滲透勢：參照李洪燕等[21]的方法并略有修正，用去離子水快速將葉表面沖洗干凈，吸水紙吸干后立即放入液氮中，15 min后取出，置于注射器中，在室溫下放置20 min，凍融后擠出汁液，取10 μL擠出液用滲透壓儀(Model 5520，Wescor，Logan，UT，USA)測定葉滲透勢(MPa)。

Na+、K+含量：參照周向睿等[22]的方法并略有修正，將烘至恒重的樣品搗碎，放入試管中，加100 mmol/L的冰乙酸10 mL，密封試管，在90℃下水浴2 h，冷卻后過濾，用火焰光度計(M410，Sherwood Scientific Ltd.，UK)測定離子含量。以每克樣品干重所含的毫摩爾數(shù)表示離子濃度(mmol/g)。

Na+、K+對滲透勢的貢獻(xiàn)率：參考Ma等[23]的方法并略有修正，通過Van’t Hoff公式可計算Na+、K+的滲透勢：滲透勢(MPa)=-nRT，式中,R為氣體常數(shù)，R=0.0083143 (L·MPa)/(mol·K)；測定溫度為25℃，T=298.15 K，n表示溶質(zhì)摩爾濃度(以每升植物組織水中的溶質(zhì)含量計算)。Na+、K+對滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率(C溶質(zhì))表示為溶質(zhì)計算滲透勢占測定總滲透勢的百分比，即C溶質(zhì)=溶質(zhì)計算滲透勢/測定總滲透勢×100%。

Na+、K+選擇性吸收和運(yùn)輸能力：參考Wang等[24]提出的計算公式并略有修正，根選擇性運(yùn)輸能力(根∶葉)=(根Na+/K+)/(葉Na+/K+)，值越大表示根系限制Na+而選擇K+向葉運(yùn)輸?shù)哪芰υ綇?qiáng)，即根的選擇性運(yùn)輸能力越強(qiáng)。根選擇性吸收能力=(根生長基質(zhì)中有效性Na+/K+)/(整株Na+/K+)，值愈大表示根拒排Na+、吸收K+的能力越強(qiáng)，即根的選擇性吸收能力越強(qiáng)。

1.4數(shù)據(jù)處理

用Excel制圖，SPSS 16.0 軟件(SPSS Inc.，USA)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(P<0.05)。

2結(jié)果與分析

2.1不同濃度NaCl處理對沙芥生長的影響

圖1　不同濃度NaCl處理下沙芥干重(A)、葉含水量(B)和葉肉質(zhì)化程度(C)Fig.1　Dry weight (A), leaf water content (B) and leafsucculent degree (C) of P. cornutum treated withdifferent NaCl concentrations　　　圖柱上不同的字母表示差異顯著，P<0.05(Duncan test)， 下同。Columns with different letters indicate significant difference at P<0.05 (Duncan test), the same below.

圖2　不同濃度NaCl處理下沙芥葉的滲透勢Fig.2　Leaf osmotic potential of P. cornutum treatedwith different NaCl concentrations

5 mmol/L的NaCl使沙芥葉的干重、含水量和肉質(zhì)化程度分別比對照顯著增加了25%，21%和18%(P<0.05，圖1)。25 mmol/L的NaCl使沙芥葉的干重比對照顯著增加了16%(P<0.05，圖1A)。而在50 mmol/L NaCl處理中沙芥的各項(xiàng)生長指標(biāo)均與對照無顯著差異(圖1)。100 mmol/L的NaCl使沙芥葉的干重比對照顯著降低了31%(P<0.05，圖1A)。200 mmol/L的NaCl使沙芥葉和根的干重分別比對照顯著降低了51%和72%，葉的含水量和肉質(zhì)化程度分別顯著降低了35%和31%(P<0.05，圖1)。由上可知，低濃度的NaCl(如5 mmol/L)顯著促進(jìn)了沙芥的生長，中等濃度的NaCl(如50 mmol/L)對沙芥的生長沒有產(chǎn)生顯著影響，而高濃度的NaCl(如200 mmol/L)顯著抑制了沙芥的生長。

2.2不同濃度NaCl處理對沙芥葉滲透勢的影響

沙芥葉的滲透勢隨外加NaCl濃度的升高而持續(xù)降低。25～200 mmol/L的NaCl使沙芥葉的滲透勢分別比對照顯著降低了51%，75%，129%和183%(P<0.05，圖2)。由此可知，隨外加NaCl濃度的升高，沙芥的滲透調(diào)節(jié)作用在不斷增強(qiáng)。

2.3不同濃度NaCl處理對沙芥Na+、K+含量的影響

沙芥葉和根的Na+含量隨外加NaCl從5到100 mmol/L的不斷升高呈現(xiàn)出持續(xù)升高的趨勢，但NaCl從100增加到200 mmol/L時，沙芥葉的Na+含量停止了繼續(xù)升高，趨于穩(wěn)定(圖3A)。5～200 mmol/L的NaCl使沙芥葉的Na+含量分別比對照顯著增加了7，13，18，27和24倍，根的Na+含量分別顯著增加了3，4，8，10和19倍(P<0.05)。沙芥葉的K+含量隨外加NaCl濃度的升高呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，根的K+含量則呈現(xiàn)出先下降然后企穩(wěn)的趨勢(圖3B)。5～200 mmol/L的NaCl使沙芥葉的K+含量分別比對照顯著降低了17%，31%，51%，36%和23%，根的K+含量分別比對照顯著降低了29%，38%，37%，48%和47%(P<0.05)。沙芥葉的Na+/K+隨外加NaCl濃度的升高呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，根的Na+/K+則呈現(xiàn)出持續(xù)升高的趨勢(圖3C)。5～200 mmol/L的NaCl使沙芥葉的Na+/K+分別比對照顯著增加了8，20，38，44和35倍，根的Na+/K+分別顯著增加了5，6，13，20和36倍(P<0.05)。

2.4不同濃度NaCl處理對Na+、K+貢獻(xiàn)沙芥滲透調(diào)節(jié)的影響

隨著外加NaCl濃度的升高，Na+對沙芥滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率持續(xù)升高。5～200 mmol/L NaCl處理下Na+對滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率分別比對照提高了5，7，8，13和9倍。而K+對滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率出現(xiàn)不同程度地下降(表1)。5～200 mmol/L NaCl處理下K+對滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率分別比對照降低了34%，52%，70%，61%和63%。由上可知，隨外加NaCl濃度的升高，Na+在沙芥滲透調(diào)節(jié)中的作用持續(xù)加大，而K+的相應(yīng)作用在大幅降低。

圖3　不同濃度NaCl處理下沙芥葉和根的Na+(A)、

%

2.5不同濃度NaCl處理對沙芥Na+、K+選擇性吸收和運(yùn)輸?shù)挠绊?/p>

沙芥Na+、K+從根向葉的選擇性運(yùn)輸能力在25和50 mmol/L的NaCl下最低，在200 mmol/L的 NaCl下最高(表2)，這表明在中等濃度NaCl(如50 mmol/L)下沙芥限制了K+、增強(qiáng)了Na+從根向葉的選擇性運(yùn)輸，而在高濃度NaCl(如200 mmol/L)下沙芥限制了Na+、增強(qiáng)了K+從根向葉的選擇性運(yùn)輸。隨著外加NaCl濃度的升高，沙芥的Na+、K+選擇性吸收能力持續(xù)升高(表2)，這表明沙芥在不斷加強(qiáng)限制Na+、增強(qiáng)K+的選擇性吸收。

表2　不同濃度NaCl處理下沙芥Na+、K+的選擇性吸收能力和從根向葉的選擇性運(yùn)輸能力

3討論與結(jié)論

3.1沙芥對低濃度NaCl的適應(yīng)機(jī)制

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沙芥在5 mmol/L的低濃度NaCl下生長最好，與對照相比，植株的干重以及葉的含水量和肉質(zhì)化程度均有顯著提高(P<0.05，圖1)。這一結(jié)果類似于很多雙子葉真鹽生植物和旱生鹽生植物對外界NaCl的響應(yīng)，如鹽地堿蓬(Suaedasalsa)和霸王(Zygophyllumxanthoxylum)，只是鹽地堿蓬和霸王響應(yīng)NaCl濃度的閾值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于沙芥，分別在200和50 mmol/L的NaCl下生長最好[19,25-29]。事實(shí)上，這一現(xiàn)象是它們適應(yīng)鹽漬環(huán)境的一種生理機(jī)制。在低濃度NaCl下，這些植物一方面能增加葉的肉質(zhì)化程度、提高葉的含水量，另一方面能促進(jìn)植株新葉的生長、增加有機(jī)生物量，通過這兩種方式它們可以將進(jìn)入葉中的Na+稀釋至毒害水平以下，以適應(yīng)鹽漬環(huán)境[8,30-31]。由此可知，稀鹽是沙芥適應(yīng)外界低濃度NaCl的主要機(jī)制。

3.2沙芥對中等濃度NaCl的適應(yīng)機(jī)制

當(dāng)沙芥處于中等濃度NaCl下時，稀鹽機(jī)制并未繼續(xù)發(fā)揮作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對照相比，在50 mmol/L的中等濃度NaCl下沙芥葉的Na+含量顯著增加了18倍，同時Na+/K+顯著增加了38倍,值為2.61(P<0.05，圖3)。研究表明，當(dāng)植物細(xì)胞質(zhì)中Na+/K+≥1時，Na+會對細(xì)胞產(chǎn)生毒害，損傷細(xì)胞內(nèi)多種蛋白的合成和代謝酶活性，繼而給細(xì)胞帶來活性氧急劇增加等次生危害，減緩植物生長,甚至引起死亡[8,32]。除離子毒害外，外加NaCl會降低植物生長基質(zhì)的滲透勢，使植株遭受滲透脅迫，從而導(dǎo)致植物生長受損[33]。較之低濃度，中等濃度的NaCl會對沙芥產(chǎn)生更嚴(yán)重的滲透脅迫。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在50 mmol/L的NaCl下沙芥的各項(xiàng)生長指標(biāo)較對照并無顯著差異(圖1)，說明在中等濃度的NaCl下葉中Na+的大量積累和外界NaCl產(chǎn)生的滲透脅迫均未對沙芥生長造成傷害。類似的結(jié)果同樣出現(xiàn)在很多雙子葉真鹽生植物和旱生鹽生植物中[25,28]。研究表明，鹽地堿蓬和霸王可從鹽漬環(huán)境中吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)大量的Na+至葉，并能將葉中的Na+在液泡膜離子區(qū)域化功能蛋白的介導(dǎo)下儲存于細(xì)胞的液泡中，這不僅避免了Na+在細(xì)胞質(zhì)中過量積累對細(xì)胞產(chǎn)生離子毒害，而且使Na+成為了一種有益的滲透調(diào)節(jié)劑，Na+在液泡中的大量積累降低了細(xì)胞的滲透勢，助力植株抵御外界NaCl的滲透脅迫；不僅如此，Na+在這些植物抵御外界鹽漬滲透脅迫時是最主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[19,23,26,34-35]。目前已證實(shí)，Na+區(qū)域化機(jī)制是由植物液泡膜上的質(zhì)子泵H+-ATPase和H+-PPase產(chǎn)生質(zhì)子驅(qū)動力，驅(qū)動液泡膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來完成[12,29,36]。與此相應(yīng)，我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其他NaCl濃度處理相比，在50 mmol/L的NaCl下沙芥的Na+、K+選擇性運(yùn)輸能力值最小(表2)，表明中等濃度NaCl下沙芥限制了K+、增強(qiáng)了Na+從根向葉的選擇性運(yùn)輸，使沙芥葉中積累了大量的Na+。與此同時，在50 mmol/L的NaCl下Na+在沙芥葉中的滲透調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)率從對照的2.86%提高到了26.33%(表1)，Na+從非主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)躍升為了主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，沙芥葉的滲透勢相較于對照顯著降低了75%(P<0.05，圖2)。由此可知，液泡強(qiáng)大的Na+區(qū)域化能力最可能是沙芥適應(yīng)外界中等濃度NaCl的主要機(jī)制。

3.3沙芥對高濃度NaCl的適應(yīng)機(jī)制

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與對照相比，在200 mmol/L的高濃度NaCl下沙芥葉的Na+含量顯著增加了24倍(P<0.05，圖3A)，滲透調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)率從對照的2.86%提高到了28.96%(表1)，高于中等濃度的NaCl處理，表明在高濃度NaCl下沙芥葉進(jìn)一步增強(qiáng)了Na+在細(xì)胞液泡中的區(qū)域化，這也說明離子區(qū)域化機(jī)制在沙芥抵御高濃度NaCl脅迫時仍發(fā)揮著重要的作用。然而，這一機(jī)制并不能無限地發(fā)揮作用，因?yàn)橹参镆号葑陨淼膮^(qū)域化能力是有限的，當(dāng)進(jìn)入細(xì)胞的Na+量超過液泡區(qū)域化能力時，Na+便會在細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞壁中積累，對植株造成離子毒害[33,37]。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沙芥葉中的Na+含量隨外加NaCl從5到100 mmol/L的不斷升高而升高，但當(dāng)外加NaCl從100增加到200 mmol/L時，沙芥葉的Na+含量停止了繼續(xù)升高，趨于穩(wěn)定(圖3A)，這說明在高濃度NaCl下沙芥葉的液泡Na+區(qū)域化最可能已達(dá)到飽和。因此，單獨(dú)的離子區(qū)域化機(jī)制已不足以讓沙芥應(yīng)對外界高濃度的鹽脅迫。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其他NaCl濃度處理相比，在200 mmol/L的NaCl下沙芥的Na+、K+選擇性吸收和從根向葉的選擇性運(yùn)輸能力值最大(表2)，表明高濃度NaCl下沙芥限制了Na+、增強(qiáng)了K+的選擇性吸收和從根向葉的運(yùn)輸。與此相應(yīng)，與50 mmol/L的NaCl處理相比，在200 mmol/L的NaCl下沙芥葉的K+濃度顯著增加了55%(圖3B)，而Na+/K+則無顯著差異(圖3D)，表明高濃度NaCl下沙芥能通過限制Na+、增強(qiáng)K+的選擇性吸收和從根向葉的選擇性運(yùn)輸，使葉中積累更多的K+，以維持葉細(xì)胞中較低的Na+/K+，從而減緩Na+對植株的毒害。這一結(jié)果類似于很多拒鹽植物對外界鹽脅迫的響應(yīng)，特別是以拒鹽機(jī)制為主適應(yīng)鹽脅迫的單子葉鹽生植物，如小花堿茅(Puccinelliatenuiflora)[12,24,29]。小花堿茅具有極強(qiáng)耐鹽性，其主要是通過根系強(qiáng)大的限制Na+、促進(jìn)K+選擇性吸收和運(yùn)輸能力，控制Na+在植株體內(nèi)的凈積累，從而避免鹽分的傷害[24,38-39]。因此，在液泡Na+區(qū)域化可能已達(dá)到飽和的情況下，沙芥通過增強(qiáng)其拒鹽能力適應(yīng)高濃度的鹽脅迫。此外，這一機(jī)制在沙芥抵御高鹽脅迫時的作用不止于此，Na+的區(qū)域化和大量積累降低了液泡內(nèi)的滲透勢，外界高濃度的NaCl也降低了胞外溶液的滲透勢，這兩者會對夾在之間的細(xì)胞質(zhì)產(chǎn)生雙重滲透壓，細(xì)胞質(zhì)通常會通過主動積累K+和合成有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)降低自身的滲透勢，從而平衡來自細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓[20,32]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，200 mmol/L的NaCl下沙芥葉中的K+對滲透調(diào)節(jié)的貢獻(xiàn)率從50 mmol/L NaCl下的10.28%提高到了12.51%(表1)，說明在高濃度NaCl下，沙芥葉細(xì)胞質(zhì)主動積累K+除了避免細(xì)胞受到離子毒害外，可能還對其平衡來自細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓起著重要的作用。

盡管沙芥在不同濃度的NaCl下采用了不同的適應(yīng)機(jī)制重建其體內(nèi)的離子穩(wěn)態(tài)和滲透穩(wěn)態(tài)，但多漿旱生植物沙芥苗期的耐鹽性非常有限，其并沒有像其他多漿旱生植物如霸王和梭梭(Haloxylonammodendron)等一樣兼具強(qiáng)大的抗旱和耐鹽性[19,40]。在200 mmol/L的NaCl下，沙芥幼苗生長了7 d便使其葉和根的干重比對照分別顯著降低了51%和72%(P<0.05，圖1A)。

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*Adaptive responses of eremophytePugioniumcornutumseedlings to different concentrations of NaCl

YUE Li-Jun1, YUN Kun1, LI Hai-Wei1, KANG Jian-Jun2, WANG Suo-Min1*

1.CollegeofPastoralAgriculturalScienceandTechnology,LanzhouUniversity,StateKeyLaboratoryofGrasslandAgro-ecosystems,Lanzhou730020,China; 2.KeyLaboratoryofInlandRiverBasinEcohydrology,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofScience,Lanzhou730000,China

Abstract:To investigate the adaptive mechanisms ofPugioniumcornutumseedlings at different NaCl concentrations, 5-week-old seedlings were treated with a series of external NaCl concentrations (5, 25, 50, 100 and 200 mmol/L). The seedlings exhibited different adaptive mechanisms at different NaCl concentrations. At low salt concentrations (5 mmol/L NaCl), leaf dry weight and water content significantly increased by 25% and 35% respectively compared to the control (P<0.05). The adaptation ofP.cornutumto low salt concentrations was mainly due to the rapid growth and increased water content of the plant, which could dilute the excessively absorbed Na+to below toxic levels. At moderate salt concentrations (50 mmol/L NaCl), a strong controlled K+and promoted Na+transportation from root to leaf was observed, and leaf Na+concentration was 8-fold higher than that in the control plants (P<0.05). This adaptation might be explained by the plant’s ability to compartmentalize excess Na+into the vacuole in leaf cells, which could protect leaves from Na+toxicity and produce a 75% decrease in leaf osmotic potential (P<0.05). Therefore, the ability of plants to resist the osmotic stress induced by NaCl was enhanced and normal plant growth could be maintained. The adaptation ofP.cornutumto high concentrations of salt (200 mmol/L NaCl) was caused by a strong controlled Na+and promoted K+transportation from the outside into the plant and then from root to leaf. This resulted in a 55% increase in leaf K+concentration under the high-concentration treatment compared to the 50 mmol/L treatment (P<0.05), with a corresponding increase from 10.28% to 12.51% in the contribution of K+to osmotic potential. This mechanism could help to maintain a low Na+/K+within the cytoplasm, reduce Na+toxicity to cells, balance the osmotic pressure from vacuole and apoplast to cytoplasm, and reduce osmotic stress on cells due to the primary location of K+mainly in the cytoplasm. However, leaf dry weight significantly decreased by 51% at 200 mmol/L NaCl grown for 7 d compared to control (P<0.05), indicating thatP.cornutumseedling has limited salt tolerance.

Key words:Pugioniumcornutum; NaCl; adaptive mechanism

*通信作者Corresponding author. E-mail：smwang@lzu.edu.cn

作者簡介：岳利軍(1983-)，男，陜西蒲城人，實(shí)驗(yàn)師，碩士。E-mail：yuelj@lzu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31101750，31360086)和蘭州大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(lzujbky-2013-200)資助。

*收稿日期：2015-03-03；改回日期：2015-04-24

DOI：10.11686/cyxb2015115

http://cyxb.lzu.edu.cn

岳利軍， 袁坤， 李海偉， 康建軍， 王鎖民. 荒漠植物沙芥苗期對不同濃度NaCl的適應(yīng)機(jī)制. 草業(yè)學(xué)報, 2016, 25(1): 144-152.

YUE Li-Jun, YUN Kun, LI Hai-Wei, KANG Jian-Jun, WANG Suo-Min. Adaptive responses of eremophytePugioniumcornutumseedlings to different concentrations of NaCl. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(1): 144-152.