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    鹽脅迫下鉀吸收途徑的抑制對(duì)小麥葉片K+、Na+含量的影響

    2017-12-11 08:44:13張華寧劉子會(huì)李國(guó)良張紅梅張艷敏段碩楠郭秀林
    麥類(lèi)作物學(xué)報(bào) 2017年11期
    關(guān)鍵詞:離子通道耐鹽耐鹽性

    張華寧,劉子會(huì),李國(guó)良,張紅梅,張艷敏,段碩楠,郭秀林

    (河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所/河北省植物轉(zhuǎn)基因中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊 050051)

    鹽脅迫下鉀吸收途徑的抑制對(duì)小麥葉片K+、Na+含量的影響

    張華寧,劉子會(huì),李國(guó)良,張紅梅,張艷敏,段碩楠,郭秀林

    (河北省農(nóng)林科學(xué)院遺傳生理研究所/河北省植物轉(zhuǎn)基因中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北石家莊 050051)

    為研究鹽脅迫下小麥維持鉀、鈉平衡的生理機(jī)制,以耐鹽小麥滄麥6005和鹽敏感小麥矮抗58為材料,利用TEA、NEM、Ba(NO3)2三種藥物分別抑制鉀離子通道、鉀載體及非選擇性陽(yáng)離子通道,測(cè)定正常及鹽脅迫下小麥葉片K+、Na+含量,比較耐鹽性不同的小麥品種在K+、Na+吸收中的差異。結(jié)果顯示,鹽脅迫下,滄麥6005和矮抗58葉片K+含量下降,Na+含量增加;滄麥6005葉片Na+含量低于矮抗58,K+/Na+比值高于矮抗58。正常條件下,NEM、TEA處理均可降低滄麥6005和矮抗58葉片K+含量,NEM處理較TEA處理效果更為明顯;TEA處理顯著降低了鹽脅迫下矮抗58葉片K+含量,而NEM處理則明顯降低了鹽脅迫下滄麥6005的葉片K+含量;TEA、NEM、Ba(NO3)2處理降低了鹽脅迫下矮抗58葉片Na+含量,僅NEM處理降低了滄麥6005葉片Na+含量。綜上所述,正常條件下,鉀載體是小麥K+吸收的主要方式;鹽脅迫下,耐鹽品種和鹽敏感品種K+吸收途徑不同,耐鹽品種的NSCCs和鉀離子通道具有更強(qiáng)的“拒鈉”能力。

    小麥;鹽脅迫;K+吸收;Na+吸收

    土壤鹽漬化是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一[1],可對(duì)植物產(chǎn)生滲透脅迫,使植物體離子失衡、營(yíng)養(yǎng)缺乏、膜結(jié)構(gòu)損傷、新陳代謝紊亂等危害,并會(huì)誘導(dǎo)植物產(chǎn)生過(guò)量活性氧(reactive oxygen species,ROS),造成植物的氧化損傷、光合作用減弱等二次傷害[2],其危害機(jī)理非常復(fù)雜。研究植物的耐鹽機(jī)制以改善作物耐鹽性是科研工作者的一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。

    高等植物具有復(fù)雜的生理機(jī)制以適應(yīng)鹽脅迫引起的滲透脅迫、離子脅迫和氧化脅迫等傷害[3-4]。研究證明,植物膜系統(tǒng)對(duì)離子吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)控能力與其耐鹽性密切相關(guān),細(xì)胞質(zhì)內(nèi)K+與Na+的平衡是維持細(xì)胞內(nèi)各種酶活性和功能、保證細(xì)胞新陳代謝、提高耐鹽能力的關(guān)鍵因素[5]。鹽脅迫下,Na+的進(jìn)入、K+的流出不可避免,植物體通過(guò)改變質(zhì)膜上離子的選擇性吸收來(lái)保持體內(nèi)的K+/Na+平衡。根部細(xì)胞與根際環(huán)境之間的鉀離子交換主要通過(guò)以下三種方式:(1)細(xì)胞膜系統(tǒng)上的離子通道;(2)鉀載體蛋白,KUP/HAK/KP家族可能是植物中最普遍存在的鉀載體蛋白,在很多植物體中發(fā)現(xiàn)同時(shí)存在多個(gè)該家族基因;(3)非選擇性陽(yáng)離子通道(NSCCs)[6-7]。三種途徑共同維持細(xì)胞內(nèi)的K+/Na+平衡。研究表明,不同植物品種在鹽脅迫下通過(guò)三種途徑控制鉀進(jìn)出細(xì)胞的能力存在差異,導(dǎo)致植物體內(nèi)K+/Na+的差異,從而產(chǎn)生不同的耐鹽性[8-10]。王玉倩等[8]研究認(rèn)為,耐鹽小麥品種NSCCs的吸鉀能力受Na+影響較小;Shabala等[9]、Chen等[10]研究表明,不同耐鹽性大麥的鉀通道敏感性、H+泵活性在鹽脅迫下存在差異,因而造成了不同品種吸鉀(持鉀)能力的差異。上述研究對(duì)鹽脅迫下植物維持K+/Na+平衡狀態(tài)主要集中在一條或兩條離子進(jìn)入的途徑上,綜合考慮鹽脅迫下鉀離子進(jìn)出三條途徑的研究較少。四乙基氯化銨(TEA)、N-乙基馬來(lái)酰亞胺(NEM)、硝酸鋇[Ba(NO3)2]可分別作為鉀離子通道、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)載體和NSCCs的抑制劑,抑制率越高,植物對(duì)該鉀吸收途徑的依賴性越大[11]。本試驗(yàn)選定鹽耐受性不同的兩個(gè)小麥品種,分別運(yùn)用鉀離子通道、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)載體、NSCCs的抑制劑,研究鹽脅迫下不同途徑對(duì)鉀、鈉離子含量的影響,以了解鹽脅迫下耐鹽小麥品種維持K+/Na+平衡的生理機(jī)制。

    1 材料和方法

    1.1 試驗(yàn)材料

    以前期試驗(yàn)為基礎(chǔ),選擇小麥(TriticumaestivumL.)品種滄麥6005(CM6005,耐鹽)和矮抗58(AK58,鹽敏感)為供試材料,種子來(lái)自于河北省植物轉(zhuǎn)基因中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

    1.2 小麥幼苗培養(yǎng)及處理

    精選大小一致、籽粒飽滿的小麥種子,經(jīng)0.1% HgCl2浸泡10 min消毒,清水沖洗干凈,浸泡12 h,轉(zhuǎn)雙層濾紙于黑暗中催芽,待根長(zhǎng)至1 cm 轉(zhuǎn)至紗網(wǎng)用hoagland營(yíng)養(yǎng)液水培,培養(yǎng)室溫度23 ℃,相對(duì)濕度60%~70%,光暗比16 h/8 h,光照強(qiáng)度300 μmol·m-2·s-1,通氣泵24 h通氣。

    NaCl處理:水培小麥幼苗至二葉一心,進(jìn)行250 mmol·L-1NaCl處理,并在第0、1、3、5、7天取樣。

    抑制劑處理:在小麥幼苗長(zhǎng)至二葉一心時(shí),分別使用含有4 mmol·L-1四乙基氯化銨(TEA,K+離子通道抑制劑)、1 mmol·L-1N-乙基馬來(lái)酰亞胺(NEM,鉀載體抑制劑)、2.3 mmol·L-1硝酸鋇[Ba(NO3)2,NSCCs抑制劑]的營(yíng)養(yǎng)液[12]處理,在第0、0.5、1、3、5、7天取樣。

    NaCl和抑制劑聯(lián)合處理:在小麥幼苗長(zhǎng)至二葉一心時(shí)期,分別用含4 mmol·L-1TEA、1 mmol·L-1NEM、2.3 mmol·L-1Ba(NO3)2的營(yíng)養(yǎng)液[12]處理12 h后,在上述處理液中溶解NaCl至250 mmol·L-1,脅迫處理7 d,以不加抑制劑為對(duì)照,在NaCl處理后第0、1、3、5、7天取樣。

    1.3 鉀、鈉含量測(cè)定

    從紗網(wǎng)上取下完整小麥植株,蒸餾水洗去表面培養(yǎng)液和塵土,濾紙吸干表面水分。分別剪取根和葉放入105 ℃干燥箱中殺青10 min,80 ℃烘干至恒重,干樣在球磨機(jī)中研磨成粉末,使用原子吸收光譜法測(cè)定K+、Na+含量[13]。

    1.4 數(shù)據(jù)分析

    使用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,SPSS 19.0 進(jìn)行單因素方差分析,Turkey檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性分析(P<0.05)。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 鹽脅迫對(duì)不同耐鹽性小麥品種K+、Na+含量及K+/Na+比值的影響

    正常條件下,隨著生育進(jìn)程推進(jìn),小麥葉片內(nèi)K+含量先升高后趨于平穩(wěn),滄麥6005葉片內(nèi)K+含量略微高于矮抗58;鹽脅迫處理后,兩品種葉片K+含量呈緩慢下降趨勢(shì),二者間無(wú)顯著差異,均在第3天和第7天顯著低于對(duì)照(圖1A)。正常生長(zhǎng)條件下,兩品種葉片內(nèi)Na+含量均較低;鹽脅迫處理后,兩品種的葉片Na+含量在第3天急劇增加,之后則持續(xù)升高;滄麥6005葉片Na+含量顯著低于AK58(圖1B)。鹽脅迫3 d后,兩品種的葉片K+/Na+比明顯下降,但滄麥6005的K+/Na+顯著高于AK58,處理12 d后,兩品種之間差異不顯著(圖1C)。本研究中,滄麥6005在NaCl處理下能保持體內(nèi)較高的K+/Na+,具有較好的耐鹽性。

    2.2 K+吸收途徑抑制劑對(duì)葉片K+含量的影響

    由圖2可見(jiàn),TEA處理3 d后,矮抗58和滄麥6005葉片K+含量均顯著低于對(duì)照;NEM處理后,兩品種葉片的K+含量降低顯著,矮抗58和滄麥6005葉片K+含量分別比同期對(duì)照降低35%和32%,說(shuō)明載體運(yùn)輸途徑在小麥K+吸收中發(fā)揮了重要的作用;Ba(NO3)2處理后期(5~7 d)兩品種葉片的K+含量與對(duì)照無(wú)顯著差異。上述結(jié)果說(shuō)明,在正常培養(yǎng)的條件下,非選擇性陽(yáng)離子通道對(duì)K+吸收的貢獻(xiàn)較小,鉀離子通道和載體運(yùn)輸是K+吸收的主要方式,且載體運(yùn)輸?shù)呢暙I(xiàn)更大。

    圖柱(標(biāo))上不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

    Different letters above columns(icon) mean significant difference at 0.05 level between treatments.

    圖1鹽脅迫對(duì)小麥葉片K+、Na+及K+/Na+比值的影響

    Fig.1EffectofsaltstressonK+content,Na+contentandK+/Na+inwheatleaves

    2.3 抑制劑和鹽脅迫處理對(duì)葉片K+、Na+含量的影響

    由圖3可見(jiàn),對(duì)于鹽敏感品種矮抗58,TEA+NaCl脅迫使葉片K+含量下降最大,處理第7天比單獨(dú)NaCl處理的葉片K+含量下降26%;而NEM+NaCl處理的前期葉片K+含量低于對(duì)照,而處理7 d天后與對(duì)照差異不顯著;Ba(NO3)2+NaCl處理與對(duì)照無(wú)顯著差異。對(duì)于耐鹽品種滄麥6005來(lái)說(shuō),NEM處理后的鹽脅迫導(dǎo)致滄麥6005的葉片K+含量快速增加,后逐漸降低,處理后第5和第7天比對(duì)照K+含量顯著下降;TEA+NaCl處理1~7 d后,滄麥6005葉片K+含量與對(duì)照無(wú)顯著差異;Ba(NO3)2+NaCl處理使滄麥6005的葉片K+含量有小幅度升高,在處理7 d后,顯著高于對(duì)照。這些結(jié)果表明,鹽脅迫處理下,鹽敏感品種與耐鹽品種的K+吸收途徑不同,耐鹽品種滄麥6005在鹽脅迫下以鉀載體吸收途徑為主,鹽敏感品種矮抗58以K+離子通道吸收途徑為主。

    相比單獨(dú)NaCl處理,TEA、NEM、Ba(NO3)2可顯著降低鹽脅迫下矮抗58葉片的Na+含量,TEA+NaCl、Ba(NO3)2+NaCl處理、NEM+NaCl處理7 d,矮抗58葉片Na+含量分別比對(duì)照下降51%、49%和29%。說(shuō)明在鹽脅迫下,Na+可以通過(guò)三種途徑進(jìn)入矮抗58。NEM+NaCl的處理使滄麥6005的Na+含量顯著下降,比同期單獨(dú)NaCl處理葉片Na+含量下降45%,TEA、Ba(NO3)2處理并未顯著降低滄麥6005葉片Na+含量。說(shuō)明在鹽脅迫下,載體運(yùn)輸是Na+進(jìn)入耐鹽品種滄麥6005的主要途徑。由此可知,鹽脅迫下,鹽敏感品種矮抗58的Na+進(jìn)入途徑與耐鹽品種滄麥6005的途徑不同,耐鹽品種對(duì)Na+的進(jìn)入具有更強(qiáng)的抵御性。

    圖標(biāo)中不同字母表示處理與對(duì)照間間差異顯著(P<0.05)。下同。

    Different letters in icons mean significant difference between treatment with CK at 0.05 level.The same below.

    圖2不同抑制劑處理對(duì)小麥幼苗葉片K+含量的影響

    Fig.2EffectofTEA/NEM/Ba(NO3)2onK+contentinleavesofwheatseedlings

    圖3 抑制劑預(yù)處理后鹽脅迫對(duì)小麥葉片K+含量的影響

    圖4 抑制劑預(yù)處理后鹽脅迫對(duì)小麥葉片Na+含量的影響

    3 討 論

    K+/Na+是研究植物耐鹽性非常重要的指標(biāo)之一,耐鹽性強(qiáng)的植物通常具有較高的 K+/Na+[14-15]。但引起不同K+/Na+的原因不同,即可以是高K+造成的,也可以是低Na+引起的。Cuin等[16]研究表明,根系保鉀能力高的小麥具有更好的耐鹽性。Devrim等[17]則認(rèn)為,Na+含量與植物耐鹽性具有更好的相關(guān)性。本研究中,耐鹽小麥滄麥6005在鹽脅迫下葉片內(nèi)K+/Na+高于鹽敏感品種矮抗58,滄麥6005葉片Na+含量較矮抗58的低,而K+含量差異不明顯。

    鉀吸收途徑主要有鉀離子通道、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)載體,NSCCs也可透過(guò)鉀離子,這些途徑對(duì)K+的親和力不同[15]。在無(wú)鹽條件下鉀離子通道和K+轉(zhuǎn)運(yùn)載體在小麥K+吸收中發(fā)揮主要作用,且K+載體運(yùn)輸在K+吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中貢獻(xiàn)較大。李青松[18]研究發(fā)現(xiàn),載體運(yùn)輸系統(tǒng)在K+吸收中作用更明顯,與本研究結(jié)果一致。鹽脅迫下,TEA的處理使矮抗58的葉片K+含量下降最多,而NEM處理使滄麥6005葉片內(nèi)K+含量下降最大,進(jìn)一步說(shuō)明耐鹽性不同的小麥品種在鹽脅迫下的K+吸收途徑并不相同。

    Na+與K+具有相似的離子半徑和水合能,Na+通過(guò)與K+競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合位點(diǎn)進(jìn)入植物體內(nèi)。丁同樓等[12]研究認(rèn)為,鉀離子通道是鈉進(jìn)入植物體內(nèi)的一條重要途徑,NSCCs是小麥根吸收鈉的一個(gè)主要途徑。李青松[18]研究結(jié)果顯示,鹽脅迫下不同基因型小麥品種鈉的吸收途徑存在明顯差異。本研究中,不同耐鹽性的小麥品種的鈉吸收途徑差異明顯。鹽脅迫下,TEA、NEM、Ba(NO3)2處理均可降低鹽敏感品種矮抗58葉片內(nèi)Na+的含量,說(shuō)明Na+可以通過(guò)鉀離子通道、鉀轉(zhuǎn)運(yùn)載體和NSCCs 進(jìn)入矮抗58植株體內(nèi);而對(duì)于耐鹽品種滄麥6005,僅NEM處理降低了葉片Na+的含量,推測(cè)鉀轉(zhuǎn)運(yùn)載體可能在滄麥6005的Na+吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮著重要的作用。綜上所述,滄麥6005可能在鉀離子通道和NSCCs途徑上“拒鈉”能力更強(qiáng)。

    小麥作為一種非耐鹽作物,對(duì)NaCl比較敏感,正常條件下小麥主要通過(guò)鉀轉(zhuǎn)運(yùn)載體來(lái)吸收K+;鹽脅迫下,不同耐鹽性小麥品種的K+、Na+交換途徑和能力不同,耐鹽性小麥品種更依賴鉀載體進(jìn)行鉀交換,而鹽敏感小麥品種更多地依賴于鉀離子通道;耐鹽性小麥的鉀離子通道和NSCCs具有更好的“拒鈉”能力,這可能是造成耐鹽性小麥葉片鈉含量低,從而耐受鹽脅迫的一個(gè)重要原因。

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    EffectofTEA/NEM/Ba(NO3)2onK+andNa+ContentinLeavesofWheatSeedlingsunderSaltStress

    ZHANGHuaning,LIUZihui,LIGuoliang,ZHANGHongmei,ZHANGYanmin,DUANShuonan,GUOXiulin

    (Institute of Genetics and Physiology, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Science/Key Laboratory of Plant Genetics Engineering Center of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050051, China)

    K+and Na+can enter into the plants through K+channel, potassium transporters and nonselective cation channels(NSCCs). Tetraethyl ammonium chloride(TEA), N-ethylmaleimide(NEM) and Ba(NO3)2were used to inhibit K+channel,potassium transporter and NSCCs,respectively, which can investigate the contribution of each path for K+or Na+uptake. This study aimed to understand the difference between salt-tolerant wheat and salt-sensitive wheat in K+and Na+uptake under salt stress through the paths inhibited by TEA, NEM, Ba(NO3)2. Cang 6005(salt-tolerant cultivar) and Aikang 58(salt-sensitive cultivar) were used as materials. The K+and Na+content in leaves of two wheat cultivars were tested and compared after the seedlings were treated with salt or inhibitors. The results showed that the K+content in leaves of Cang 6005 and Aikang 58 decreased significantly while Na+content increased sharply on the third day under salt stress.The Na+content in leaves of Cang 6005 was consistently lower than that of Aikang 58.The ratio of K+/Na+in leaves of Cang 6005 was higher than that of Aikang 58.The treatment with NEM or TEA could cause the decline of K+content in two wheat cultivars, and the effect of NEM was more significant than that of TEA under normal growth conditions. Under salt stress, the lower K+content in leaves of Aikang 58 was caused by the treatment with TEA, while that in Cang 6005 was caused by the treatment with NEM. The Na+content in leaves in Aikang 58 was dropped by TEA, NEM, Ba(NO3)2, but that of Cang 6005 was dropped only by NEM. The above results suggested that K+transporters play an important role in the potassium uptake of wheat under normal growth conditions. Under salt stress, the way of potassium uptake in the salt-tolerant cultivar is different from that in salt sensitive cultivar. The potassium uptake in salt sensitive wheat cultivar mainly depends on the K+channels, while that mainly depends on K+transporters in salt-tolerant cultivar. In addition, NSCCs and K+channels in Cang 6005 has higher ability to exclude Na+than in Aikang 58.

    Wheat; Salt stress; K+uptake; Na+uptake

    時(shí)間:2017-11-14

    網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20171114.1027.006.html

    2017-03-16

    2017-04-18

    河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2015301014);河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(F17C10006,2017038997)

    E-mail:903760588@qq.com

    劉子會(huì)(E-mail:liuzihui1978@sohu.com)

    S512.1;S311

    A

    1009-1041(2017)11-1428-06

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