短期NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗Na+、K+分配和平衡的影響

唐曉倩，李煥勇，楊秀艷，劉正祥，張華新

(國家林業(yè)局鹽堿地研究中心，北京 100091)

短期NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗Na+、K+分配和平衡的影響

唐曉倩，李煥勇，楊秀艷，劉正祥，張華新*

(國家林業(yè)局鹽堿地研究中心，北京 100091)

目的為探究西伯利亞白刺鹽適應機制。方法以1年生西伯利亞白刺水培幼苗為材料，研究不同濃度NaCl(0、200、300 mmol·L-1)脅迫24 h后根系Na+、K+離子流的動態(tài)變化(利用掃描離子選擇微電極技術，SIET)及植株各器官中Na+、K+含量的靜態(tài)變化(利用電感耦合等離子體光譜儀，ICP-OES)。結果表明：(1)短期NaCl脅迫顯著提高了西伯利亞白刺根、莖、葉中Na+含量，其中，葉中Na+含量是根中的3倍以上；西伯利亞白刺根、莖、葉中K+含量保持穩(wěn)定或上升；(2)鹽脅迫下，西伯利亞白刺根、莖、葉中K+/Na+呈下降趨勢，其中，在200、300 mmol·L-1NaCl脅迫下，根中K+/Na+差異不顯著；(3)離子流結果顯示，NaCl脅迫顯著提高了西伯利亞白刺根系Na+的外流；對照和200 mmol·L-1NaCl脅迫下，K+凈流量分別為156、159 pmol·cm-2·s-1，差異不顯著；300 mmol·L-1NaCl脅迫顯著提高了K+的內流，凈流量為-370 pmol·cm-2·s-1。結論綜合分析認為，西伯利亞白刺通過葉片對Na+區(qū)隔，加強根系對Na+的外排和K+內流，進而維持植株根系K+/Na+的相對平衡，以此適應鹽漬環(huán)境。

西伯利亞白刺；NaCl脅迫；離子流；K+/Na+平衡

鹽脅迫是影響植物生長和作物產量最嚴重的環(huán)境限制之一[1]。一般鹽分對植物造成直接或間接的傷害：首先,土壤中高濃度可溶性鹽導致可用水減少，引起滲透脅迫；其次,植物過量積累有毒離子(特別是Na+)引起離子毒害和營養(yǎng)元素虧缺；最后,引起的氧化脅迫[2-4]。這些傷害都與植物對鹽離子的吸收、在植物體內的積累及分配密切相關。因此，植物的耐鹽能力與植物體對鹽離子的吸收、運輸、積累和分配調控能力有關。鹽脅迫下，植物維持體內相對較高的K+/Na+是植物耐鹽性強的一種表現(xiàn)。Shabala等[5]指出,維持細胞質中較高的K+/Na+比值比單純的維持低Na+含量和高K+吸收更重要，因此，植物能否在鹽漬條件下生存很大程度上取決于鹽脅迫條件下植物體內保持K+/Na+平衡的能力[6]。植物可以通過限制Na+的吸收、增加Na+外排、Na+區(qū)隔化到液泡及限制K+的流失來維持細胞質中K+/Na+的有效平衡。對大麥[7]、小麥[8]、胡楊[9]等植物的研究發(fā)現(xiàn)，耐鹽性品種在鹽脅迫下比鹽敏感性品種具有更強的Na+外排能力或限制K+流失的能力；同時,圍繞鹽脅迫對植物體內鹽離子的吸收、運輸、積累和分配的研究一直是研究者關注的熱點。

1 試驗材料與試驗設計

西伯利亞白刺種子于2015年10月下旬采自青海柴達木盆地可魯克湖湖邊鹽堿灘地。試驗于2016年4—9月在中國林業(yè)科學研究院科研溫室進行。種子用溫水浸種24 h后，與濕沙混合催芽，于4月中旬將萌動露白的種子播種到裝有蛭石的營養(yǎng)缽中。生長2個月后，選取長勢一致的幼苗定植到含有改良的1/2 Hoagland營養(yǎng)液的塑料盆(長×寬×高：40 cm×30 cm×15 cm)中水培，24 h通氣，每4 d更換1次營養(yǎng)液。培養(yǎng)5 d后進行NaCl脅迫處理，NaCl處理濃度為0、200、300 mmol·L-1，每盆20株，每處理3個重復。為避免鹽濃度短時間內的快速升高對幼苗造成滲透休克，采取每天增加50 mmol·L-1NaCl的方式進行施鹽，各處理在同一天達到預定濃度。鹽脅迫24 h后檢測K+、Na+離子流，并取樣測定K+和Na+含量。

2 試驗方法

2.1 Na+和K+含量的測定

取出盆中待測植株，用去離子水沖洗3遍，并用吸水紙吸干表面水分。將幼苗根、莖、葉分開，于105℃殺青30 min后，80℃下烘至恒質量，將烘干后的植株粉碎過篩，用于測定Na+和K+含量。Na+和K+含量參照劉正祥等[16]的方法略有改進，用HNO3消解后采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(iCAP 6300 ICP-OES Spectrpmeter, Thermo Scientific, USA)進行測定。

2.2 離子流的測定

Na+、K+離子流利用非損傷微測技術中的掃描離子選擇微電極技術(SIET, BIO-IM-008, Younger USA Sci. & Tech. Corp., USA)進行測定。Na+、K+測試液的成分為：0.1 mmol·L-1KCl, 0.1 mmol·L-1MgCl2, 0.5 mmol·L-1NaCl, 0.1 mmol·L-1CaCl2, 0.3 mmol·L-1MES, pH值5.7。

2.3 數(shù)據處理與分析

離子流測定數(shù)據根據旭月科技有限公司開發(fā)的Mageflux 軟件(Younger USA Sci & Tech Corp, USA)進行計算，利用SPSS 16.0軟件對數(shù)據進行標準化，去除異常值，用Microsoft Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行數(shù)據整理、方差分析和作圖。

3 結果與分析

3.1 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗各組織Na+和K+含量的影響

3.1.1 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗各組織Na+積累的影響 圖1A 表明：NaCl脅迫顯著增加了西伯利亞白刺幼苗根、莖、葉中的Na+含量。200 mmol·L-1NaCl脅迫下，幼苗根中的Na+含量顯著高于對照，莖和葉中的Na+含量與對照差異不顯著；300 mmol·L-1NaCl脅迫下，幼苗根、莖、葉中的Na+含量均顯著高于對照。不同處理葉片中的Na+含量均顯著比根和莖中的高，其中，200、300 mmol·L-1NaCl脅迫下，幼苗葉片中的Na+含量分別是根的3.14、3.07倍。上述結果表明，鹽脅迫下，西伯利亞白刺幼苗吸收了大量的Na+，并將絕大部分Na+貯藏在葉片中。

3.1.2 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗各組織K+積累的影響 由圖1B可知：隨著NaCl濃度的升高，西伯利亞白刺莖、葉中的K+含量變化相對平穩(wěn)，莖中的K+含量在200 mmol·L-1NaCl 脅迫時下降，在300 mmol·L-1NaCl 脅迫時上升至對照水平；葉片中的K+含量在NaCl 脅迫下均比對照的低，但差異不顯著。隨著NaCl脅迫的增強，根系對K+的吸收逐漸增強，300 mmol·L-1NaCl脅迫下，根中的K+含量比對照增加了31.1%。以上結果表明，鹽脅迫下，西伯利亞白刺幼苗根系對K+的吸收增加，向地上部分的運輸也未受到明顯的抑制。

圖中不同小寫字母表示不同NaCl處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示不同器官間差異顯著(P<0.05)；下同。Different small letters respresent significant differernce between diffeent NaCl concentrations(P<0.05); different capital letters indicate significant differernce bewteen diffeent plant organs(P<0.05); the same as following圖1 NaCl脅迫下西伯利亞白刺幼苗各組織Na+和K+積累情況Fig.1 The accumnlation of Na+ and K+ in different tissues of Nitraria sibirica Pall. seedlings under NaCl stress

3.1.3 NaCl脅迫對西伯利亞白刺各組織K+/Na+的影響 圖2表明：隨著NaCl濃度的升高，西伯利亞白刺幼苗根、莖、葉中K+/Na+均呈下降趨勢；與對照相比，200、300 mmol·L-1NaCl脅迫下，根中K+/Na+顯著下降，而2個脅迫濃度的差異不顯著；隨著NaCl脅迫濃度的升高，葉中的K+/Na+顯著下降；在300 mmol·L-1NaCl脅迫下，莖中的K+/Na+顯著低于對照和200 mmol·L-1NaCl脅迫處理。在同一處理不同組織間，葉中的K+/Na+最低，且與根、莖中的K+/Na+差異顯著。上述結果表明，鹽脅迫下，西伯利亞白刺根系吸收Na+的同時加強了對K+的吸收，從而保持根中的K+/Na+平衡。由于葉片中積累的Na+含量最高，導致葉片中的K+/Na+最低。

圖2 不同濃度NaCl脅迫對西伯利亞白刺各組織K+/Na+比值的影響Fig. 2 Effects of different NaCl concentrations on K+/Na+ ration in different tissues of Nitraria sibirica Pall. seedlings

3.2 NaCl脅迫下西伯利亞白刺根系離子流的變化

圖3 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗根系穩(wěn)態(tài)Na+流的影響Fig.3 Effect of NaCl stress on steady Na+ fluxes at roots of Nitraria sibirica Pall. Seedlings

圖4 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗根系穩(wěn)態(tài)K+流的影響Fig.4 Effect of NaCl stress on steady K+ fluxes at roots of Nitraria sibirica Pall. seedlings

4 討論

鹽離子區(qū)隔到不同組織或細胞中的能力是植物耐鹽的關鍵機制，同時也是維持細胞質中低濃度有毒離子和體內離子動態(tài)平衡的主要途徑之一[19-20]。本研究中，鹽脅迫顯著提高了西伯利亞白刺根、莖、葉中的Na+含量，根系中的Na+含量增加比例最大，葉片中的Na+增加量最大，且葉片中的Na+含量顯著高于根中的，說明根系作為最早感受NaCl脅迫的位點，將大量吸收的Na+運輸?shù)饺~片中，這與鹽生植物鹽地堿蓬(Suaedasalsa(L.) Pall.)[21]和唐古特白刺(NitrariatangutorumBobr.)[22]等的研究結果一致。這一方面降低了Na+對根系的傷害作用，保證了植物對其他營養(yǎng)元素的吸收作用；另一方面，Na+作為滲透調節(jié)物質，在葉片中積累，增大了地上部和地下部的滲透勢差，促進植物對水分吸收，從而稀釋體內的鹽離子，降低鹽分過量積累對植物造成的傷害；然而，Na+在葉片中的大量積累，葉片并未出現(xiàn)鹽害的癥狀，因此，推測可能與Na+區(qū)隔化到液泡中有關，這可能是稀鹽鹽生植物西伯利亞白刺適應鹽脅迫的一個重要途徑。

根系對K+的保有能力也是植物耐鹽的重要方面。K+作為植物體內質量分數(shù)最多的陽離子，不僅是植物生長發(fā)育過程中所必需的大量元素，同時在鹽脅迫下調控離子平衡、滲透調節(jié)、維持細胞膨壓及蛋白質合成等方面具有重要作用[23]。鹽脅迫下，鹽生植物對Na+吸收增加，而在適度的鹽濃度下會增加對K+的吸收[24]。Carden等[25]發(fā)現(xiàn)，耐鹽性大麥品種比鹽敏感型品種能更好的維持根細胞質中的K+含量。本研究中，隨著NaCl濃度的升高，西伯利亞白刺根、莖、葉中的K+含量保持平穩(wěn)或升高，特別是根中的K+含量顯著增加。K+通過高親和性K+吸收系統(tǒng)和K+通道進入植物體內，根中的K+含量增加，說明鹽脅迫下根系細胞膜上的K+轉運蛋白未受到影響或鹽脅迫誘導其表達上調來加強對K+的選擇性吸收，從而在一定范圍內維持根部離子的相對平衡，降低Na+的傷害作用，提高植物的耐鹽性。

鹽脅迫條件下，植物維持體內高的K+/Na+是植物耐鹽性的決定性因素[26-27]。植物可以通過增加Na+的外排或區(qū)隔化，減少K+的外流來有效維持細胞質中K+/Na+的平衡[5, 28]。本研究中，NaCl脅迫下，根中的K+/Na+顯著下降，200、300 mmol·L-1NaCl 脅迫下，根中的K+/Na+無顯著變化。掃描離子選擇微電極技術結果顯示，Na+凈流量在200、300 mmol·L-1NaCl 脅迫下顯著高于對照，且這2個脅迫濃度的差異顯著。K+流速研究發(fā)現(xiàn)，200 mmol·L-1NaCl脅迫下，西伯利亞白刺根系K+凈流量未受影響，300 mmol·L-1NaCl脅迫下K+流變?yōu)轱@著的內流，這與生化檢測根系中K+含量增加基本一致，說明短期NaCl脅迫下，西伯利亞白刺根系加強了對Na+外排和K+內流能力。在小麥[8, 29]的研究中也發(fā)現(xiàn)相似的結果，耐鹽性強的品種均為K+外流減少或變?yōu)閮攘?，造成這一現(xiàn)象的原因可能是離子轉運蛋白表達的上調，或是離子通道被激活，或是Na+大量積累破壞了細胞膜結構造成的。Na+外排的增加可能是由于鹽脅迫誘導質膜Na+/H+逆向轉運蛋白的合成，從而將Na+從細胞質中排出。植物中Na+的外排、Na+的長距離運輸、細胞中K+的平衡由質膜Na+/H+逆向轉運蛋白(SOS1)調控[18]，質膜H+-ATPase水解ATP建立的H+跨膜電化學勢為Na+的外排提供能量。在胡楊根系K+/Na+平衡調控機制的研究中發(fā)現(xiàn)，胡楊質膜H+-ATPase驅動的Na+/H+逆向轉運蛋白PeNhaD1和PeSOS1負責鹽脅迫下胡楊細胞的Na+外排[6]。Ma等[30]對霸王(Zygophyllumxanthoxylon(Bunge) Maxim.)研究表明，質膜逆向轉運蛋白(ZxSOS1)在調控霸王體內Na+、K+轉運和空間分配上起重要作用。另外，鹽脅迫能顯著提高植物細胞膜和液泡膜質子泵的活性，質子泵不僅能為Na+的跨膜外排提供能量，還能重新使細胞膜電位極化，從而阻止高鹽脅迫下Na+通過非選擇性陽離子通道(NSCCs)進入細胞[31]。因此，質子泵活性與植物耐鹽性具有非常密切的關系，筆者下一步將對長期NaCl脅迫下西伯利亞白刺體內離子的分配及其離子轉運的驅動力(質子泵活性)做進一步研究，以期深入了解西比利亞白刺離子平衡的機制。

5 結論

西伯利亞白刺為稀鹽鹽生植物，具有較強的鹽適應性，綜合本研究結果認為，NaCl脅迫下，西伯利亞白刺幼苗各器官中的Na+、K+含量保持平穩(wěn)或上升，并將大量的Na+區(qū)隔化到葉片中；同時，西伯利亞白刺通過加強根對Na+的外排和K+的內流，從而維持根中K+/Na+的相對穩(wěn)定，保證鹽脅迫下西伯利亞白刺植株體內正常的生理生化活動，這是西伯利亞白刺對鹽脅迫具有適應性的原因。

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EffectsofShort-timeSaltStressonDistributionandBalanceofNa+andK+inNitrariasibiricaPall.Seedlings

TANGXiao-qian，LIHuan-yong，YANGXiu-yan，LIUZheng-xiang，ZHANGHua-xin

(Research Center of Saline and Alkali Land of State Forestry Administration，Beijing 100091，China;)

ObjectiveTo explore the salt adaptation mechanism ofNitrariasibiricaPall.MethodThe net fluxes of Na+and K+from apex root (using scanning ion-selective electrode technique) and the contents of Na+and K+in different organs (using ICP-OES Spectrpmeter) were investigated inN.sibiricaseedlings under the stress of different NaCl concentration (0, 200 and 300 mmol·L-1) for 24 hours.Result(1) Short-term NaCl stress significantly increased Na+content in roots, stems, and leaves ofN.sibiricaseedlings, and the Na+content in leaves was three times that in roots; the content of K+in roots, stems, and leaves ofN.sibiricaseedlings remained stable or increased. (2) The K+/Na+ration in roots, stems, and leaves ofN.sibiricaseedlings decreased under salt stress. The K+/Na+ration in roots showed no significant difference under 200 or 300 mmol · L-1NaCl stress. (3) The results of ion fiux showed that NaCl stress significantly increased the Na+efflux in roots. The net K+fluxes of control and 200 mmol·L-1NaCl stress were 156 pmol·cm-2·s-1and 159 pmol·cm-2·s-1respectively, and no significant difference was observed. 300 mmol · L-1NaCl stress significantly increased the influx of K+, the net K+flux was -370 pmol·cm-2·s-1.ConclusionIn conclusion,N.sibiricacan efficiently sequestrate Na+into leaves, as well as strengthen the roots Na+efflux and K+influx ability, and thus maintains the relative balance of K+/Na+in plant root, so as to adapt to the salty environment.

NitrariasibiricaPall.; NaCl stress; ion fluxes; K+/Na+homeostasis

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.06.020

2017-03-09

“十二·五”國家科技支撐計劃課題(2015BAD07B0102)

唐曉倩(1986—)，女，博士研究生.研究方向：耐鹽堿植物育種.E-mial:txqcaf@163.com

* 通訊作者：研究員，博士生導師，從事耐鹽堿植物遺傳育種方面的研究.

S722.3

A

1001-1498(2017)06-1022-06

徐玉秀)