朱志明,毛桂蓮,許 興,王 盛,鄭 蕊,楊淑娟
(1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021;3.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 寧夏 銀川 750021)
近年來(lái),土壤鹽漬化問(wèn)題日益突出,全球近20%的耕地都不同程度的受到土壤鹽堿化的影響,成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境中一個(gè)全球性問(wèn)題[1]。鹽脅迫對(duì)植物的傷害主要表現(xiàn)為Na+在細(xì)胞中大量累積,使細(xì)胞內(nèi)代謝活動(dòng)受到抑制,離子平衡被破壞[2]。高Na+通過(guò)直接干擾和抑制細(xì)胞質(zhì)膜對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素(K+和Ca2+)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),造成離子失衡和營(yíng)養(yǎng)缺乏。有研究表明,在鹽脅迫下植物能否維持細(xì)胞內(nèi)的離子平衡,尤其是Na+/K+平衡,是其耐鹽性強(qiáng)弱的決定性因素[3]。Zhu J K等[4]研究了植物細(xì)胞Na+/K+平衡的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò);檀葉青等[5]對(duì)胡楊細(xì)胞Na+/K+平衡及其耐鹽機(jī)理方面做了大量研究,揭示了耐鹽林木通過(guò)其質(zhì)膜上的Na+/H+逆向運(yùn)輸系統(tǒng),將胞內(nèi)過(guò)量Na+排出胞外,同時(shí)抑制K+外排,保持細(xì)胞內(nèi)較低的Na+/K+,從而增加其耐鹽性。鹽生植物寧夏枸杞(LyciumbarbarumL.)具有耐鹽堿、耐旱、繁殖能力強(qiáng)等特點(diǎn),是寧夏特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)之一,對(duì)于其耐鹽性及耐鹽機(jī)理,毛桂蓮等[6]研究了NaHCO3脅迫下3種灌木Na+、K+、Ca2+的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn),以及堿脅迫對(duì)寧夏枸杞葉中Na+、K+、Ca2+動(dòng)態(tài)變化的影響[7]。但對(duì)于NaCl脅迫下寧夏枸杞根系Na+/K+調(diào)控機(jī)制,以及耐鹽機(jī)理仍未明確,且目前大多研究集中在離子平衡靜態(tài)方面,對(duì)其動(dòng)態(tài)變化研究鮮有涉及。非損傷微測(cè)技術(shù)在不損傷植物體的情況下,能獲得持續(xù)、穩(wěn)定、活體離子流信息,為研究離子動(dòng)態(tài)變化提供了便利。本試驗(yàn)采用非損傷微測(cè)技術(shù),探討鹽脅迫下寧夏枸杞根系Na+、K+離子平衡及抑制劑對(duì)其影響,以期為寧夏枸杞耐鹽機(jī)理及鹽堿地枸杞栽培研究提供理論依據(jù)。
供試材料為寧夏育新枸杞公司育種基地的枸杞品種“寧杞1號(hào)”。
取一年生“寧杞1號(hào)”硬枝扦插苗為試驗(yàn)材料,采用沙土(沙土比1∶1)于2016年4月在寧夏大學(xué)農(nóng)科基地溫室培養(yǎng),定期澆水,保持土壤濕度。并每?jī)芍軡惨淮稳珷I(yíng)養(yǎng)液,于2016年5月中旬選取長(zhǎng)勢(shì)良好一致的土培苗轉(zhuǎn)入含1/4濃度Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的水培瓶(口徑15 cm,高25 cm)中進(jìn)行水培,每瓶5株,定期更換新鮮營(yíng)養(yǎng)液。整個(gè)試驗(yàn)期間按水培常規(guī)管理方法進(jìn)行管理。待新根長(zhǎng)出后,選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗,在含1/4濃度Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中加入鹽溶液進(jìn)行處理。每天更換含預(yù)定處理鹽濃度的營(yíng)養(yǎng)液以保證處理期間鹽濃度保持不變。每個(gè)處理重復(fù)10瓶。具體處理方法見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)處理方法
注:表中處理D、E是將NaCl處理7 d的枸杞根系放在抑制劑中孵育30 min后測(cè)定離子流速。
Note: The treatments of D and E in the table are the determination of the ion velocity after the NaCl treatment of 7 d in the root of theLyciumbarbarumL. and incubated with 30 min inhibitor.
1.3.1 Na+、K+含量的測(cè)定 分別取處理24 h、7 d后的枸杞根系烘干粉碎后稱(chēng)取50 mg干樣,用10 ml去離子水沸水條件下浸提60 min,采用原子分光光度計(jì)(TAS-990,Purkinje General,北京)測(cè)定根系中Na+、K+含量[8]。每個(gè)處理重復(fù)5次。
1.3.2 Na+、K+離子流速的測(cè)定 利用非損傷微測(cè)技術(shù)(NMT)檢測(cè)(旭月(北京)科技有限公司NMS系統(tǒng)(Younger USA LLC, Amherst, MA 01002, USA))測(cè)定根細(xì)胞Na+、K+離子流,具體檢測(cè)方法及原理參照相關(guān)文獻(xiàn)[9-11]。
測(cè)定過(guò)程中將選擇性離子電極在尖端不觸碰根表面的情況下盡量靠近根面。選擇性離子電極以此為起點(diǎn),沿x、y、z軸三個(gè)方向進(jìn)行三維立體往復(fù)測(cè)試。電極運(yùn)動(dòng)一次間距(從近待測(cè)根表面一端到遠(yuǎn)待測(cè)根表面一端)為30 μm,運(yùn)動(dòng)頻率為0.3~0.5 Hz。測(cè)試離子流速可通過(guò)Fick′s 擴(kuò)散法則計(jì)算得出,公式如下:
J=-D(dc/dx)
式中,J為x方向的離子流;D為在特定介質(zhì)中離子或分子擴(kuò)散常數(shù);dc/dx為離子濃度梯度。離子流數(shù)據(jù)根據(jù)旭月公司提供的Mage Flux在線(xiàn)軟件( http: www.youngerusa.com)計(jì)算得出。本試驗(yàn)中陽(yáng)離子外流表示為正值,內(nèi)流為負(fù)值,且所得數(shù)據(jù)是凈離子流速,即內(nèi)流與外流相抵消后的離子流速。
K+流速測(cè)定:微電極前端灌充有15~25 μm選擇性的K+的液態(tài)交換劑,其后灌充10 mm左右的電解液柱(100 mmol·L-1KCl),將電極固定器上的Ag/AgCl絲從電極后面插入,使其與電解液接觸,固體電極作為參比電極。玻璃微電極需要校正后使用。K+校正液為0.05、0.1 mmol·L-1和0.5 mmol·L-1緩沖液(K+測(cè)試液為0.1 mmol·L-1)。
Na+流速測(cè)定:微電極前端灌充15~25 μm選擇性Na+的液態(tài)交換劑,其后灌充有10 mm左右的電解液柱(250 mmol·L-1NaCl),玻璃微電極器上的Ag/AgCl絲從電極后面插入,使其與電解液接觸,固體電極作為參比電極。玻璃微電極需要校正后使用。Na+校正液為0.5、0.9 mmol·L-1和5.0 mmol·L-1緩沖液(Na+測(cè)試液為0.9 mmol·L-1)。
H+流速測(cè)定:微電極前端灌充15~25 μm選擇性的H+的液態(tài)交換劑,其后灌充有10 mm左右的電解液柱(40 mmol·L-1KH2PO4+15 mmol·L-1NaCl),玻璃微電極器上的Ag/AgCl絲從電極后面插入,使其與電解液接觸,固體電極作為參比電極。玻璃微電極需要校正后使用。H+校正液為0.1 mM NaCl、0.1 mM MgCl2、0.1 mM CaCl2和0.5 mM KCl(H+測(cè)試液為0.1 mM NaCl,0.1 mM MgCl2,0.1 mM CaCl2,0.5 mM KCl和2.5%蔗糖,用HCl和KOH調(diào)節(jié)pH至5.5)。
離子流檢測(cè)數(shù)據(jù)由旭月(北京)科技有限公司的統(tǒng)計(jì)軟件完成,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和作圖采用Excel和SPSS1 7.0軟件進(jìn)行。
在鹽處理濃度(50、100 mmol·L-1)相同條件下,隨著脅迫時(shí)間的增加,枸杞根系中Na+含量總體呈升高趨勢(shì),其中7 d,100 mmol·L-1處理的Na+含量最高,與其它處理之間的差異顯著。在相同的脅迫時(shí)間內(nèi)(24 h),隨著脅迫濃度的升高,不同處理間的Na+含量差異不顯著。當(dāng)處理時(shí)間為7 d時(shí),Na+含量總體呈上升趨勢(shì),50 mmol·L-1處理與對(duì)照差異不顯著,100 mmol·L-1處理與對(duì)照及50 mmol·L-1處理差異均達(dá)到顯著水平。同一脅迫時(shí)間(24 h)內(nèi),隨著脅迫濃度的增加,K+含量呈先升后降趨勢(shì),不同處理之間的差異顯著,且顯著高于對(duì)照。處理時(shí)間為7 d時(shí)兩種鹽濃度處理間的差異不顯著;與對(duì)照相比,兩種鹽處理的K+含量均顯著升高。同一脅迫濃度下(50、100 mmol·L-1),隨脅迫時(shí)間的增加,K+含量呈緩慢上升趨勢(shì);長(zhǎng)時(shí)間的鹽處理增加了枸杞根系中K+含量。
圖1不同濃度鹽處理下鈉離子、鉀離子含量
Fig.1 Na+and K+contents under different treatments
相同的脅迫時(shí)間內(nèi),隨著脅迫濃度的增加,寧夏枸杞根系中Na+/K+呈先降后升趨勢(shì),24 h,50 mmol·L-1處理下Na+/K+最低,比對(duì)照下降了38.6%,7 d,100 mmol·L-1處理下Na+/K+比對(duì)照下降了18.2%,比同濃度24 h處理增加了16.7%。不同濃度處理與對(duì)照的差異顯著,Na+/K+在24 h處理下顯著低于對(duì)照(圖2)。相同脅迫濃度下,隨著脅迫時(shí)間的增加Na+/K+呈上升趨勢(shì)。
NaCl脅迫下不同處理Na+外排速率均顯著高于對(duì)照(CK),外排明顯增加。24 h,50 mmol·L-1處理的平均凈Na+外排速率最高,較對(duì)照增加了83.6%(圖3a)。相同脅迫時(shí)間內(nèi),隨著脅迫濃度的增加,平均凈Na+外排速率表現(xiàn)為先升后降趨勢(shì),且始終高于對(duì)照,與對(duì)照差異顯著。隨著脅迫時(shí)間的增加,同一脅迫濃度下Na+外排速率降低,脅迫24 h后,不同濃度處理之間的差異顯著,處理時(shí)間增加到7 d后,不同濃度處理與對(duì)照相比差異顯著(圖3b)。NaCl脅迫下K+外排明顯增加,顯著高于對(duì)照(圖3c)。在相同的脅迫時(shí)間內(nèi)(24 h),隨著脅迫濃度的增加,平均凈K+流速先增加,后下降,不同濃度間的差異顯著。脅迫時(shí)間為7 d時(shí),隨脅迫濃度增加K+外排持續(xù)增加,處理間的差異達(dá)到顯著水平。7 d,100 mmol·L-1處理的平均凈K+外排速率最大,較對(duì)照增加了94.8%,較同時(shí)間的50 mmol·L-1處理增加了67.3%。在相同脅迫時(shí)間內(nèi)(7 d),隨著脅迫濃度的增加,K+流速呈先下降后上升趨勢(shì)(圖3 d)。H+內(nèi)流速率(除24 h,50 mmol·L-1處理外)隨著脅迫時(shí)間和脅迫濃度的增加而顯著增加,處理間的差異達(dá)到顯著水平(圖3e)。
圖2不同處理下枸杞根系中Na+/K+
Fig.2 Na+/K+under different treatments
圖3 NaCl脅迫下枸杞根系凈Na+、K+、H+轉(zhuǎn)運(yùn)
Fig.3 Effect of NaCl stress on Na+,K+,H+fluxes in root ofLyciumbarbarumL.
注:圖中數(shù)據(jù)表示10 min內(nèi)枸杞根系凈Na+、K+、H+動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)(a,c,e圖)及10 min內(nèi)平均Na+、K+、H+轉(zhuǎn)運(yùn)速率(b,d,f圖)。圖中數(shù)據(jù)為每個(gè)測(cè)定區(qū)域內(nèi)數(shù)個(gè)測(cè)定位置的離子流速的平均值。
Note: Data are expressed as the Na+,K+,H+flux kinetics on the roots ofLyciumbarbarumL.(a,c,e figure) and the average Na+、K+、H+fluxes ofLyciumbarbarumL. in ten minutes(b,d,f figure). Data are the average of the ion velocity of a plurality of measurement positions in each measurement area.
圖4結(jié)果表明,與100 mmol·L-1不加抑制劑處理相比,兩種抑制劑處理下凈Na+外排速率顯著降低,兩者差異顯著,釩酸鈉處理的凈Na+外排速率較100 mmol·L-1不加抑制劑的處理降低了74.3%,差異達(dá)到顯著水平。阿米洛利處理的凈Na+外排速率較100 mmol·L-1不加抑制劑的處理降低了77.8%,兩者差異顯著。 與100 mmol·L-1不加抑制劑處理相比,釩酸鈉處理的凈H+內(nèi)流速率降低了15.7%,差異達(dá)到顯著水平。兩種抑制劑顯著降低了Na+外排及H+內(nèi)流速率;礬酸鈉抑制劑對(duì)H+內(nèi)流抑制作用更加明顯,阿米洛利抑制劑對(duì)Na+外排速率影響更明顯,兩種抑制劑對(duì)枸杞根系Na+外排及H+內(nèi)流具有顯著調(diào)控作用。
圖4抑制劑阿米洛利與礬酸鈉處理的枸杞根系Na+,H+轉(zhuǎn)運(yùn)
Fig.4 Effect of amiloride and vanadate on net Na+,H+fluxes in root ofLyciumbarbarumL.
注:圖中數(shù)據(jù)為每個(gè)測(cè)定區(qū)域內(nèi)數(shù)個(gè)測(cè)定位置的離子流速的平均值
Note: Data are the average of the ion fluxes of a plurality of measurement positions in each measurement area.
植物體內(nèi)積累過(guò)多Na+會(huì)對(duì)其產(chǎn)生毒害作用,耐鹽植物通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的離子平衡,降低離子毒害進(jìn)而增加其耐鹽性[12]。初始鹽脅迫下,枸杞根系中Na+含量增加緩慢,與對(duì)照差異不顯著,隨著脅迫時(shí)間及濃度的增加,Na+含量顯著增加。結(jié)合Na+流速結(jié)果分析,初始鹽脅迫下Na+外排迅速增加,隨著脅迫時(shí)間及濃度的增加外排減慢,但始終高于對(duì)照,表現(xiàn)為明顯的外排。上述結(jié)果表明,在短期低濃度鹽脅迫下,寧夏枸杞根細(xì)胞為了降低Na+毒害,將胞內(nèi)過(guò)多的Na+排出胞外,維持細(xì)胞內(nèi)較低的Na+濃度,從而降低了Na+毒害。
前人研究表明,K+在植物抗鹽性中起到重要作用,而高濃度Na+又會(huì)誘導(dǎo)組織內(nèi)K+含量降低,從而造成鹽害[11]。本試驗(yàn)中,與未經(jīng)處理的CK相比,鹽脅迫下寧夏枸杞根系中的K+含量會(huì)顯著增加,K+外流先增加后降低,分析其原因可能是由于初始脅迫下Na+進(jìn)入細(xì)胞會(huì)誘發(fā)質(zhì)膜電位去極化[13],并激活質(zhì)膜外向整流型K+通道(DA-KORCs)和非選擇性陽(yáng)離子通道(DA-NSCCs)[14],從而引起K+外流。隨著鹽脅迫時(shí)間延長(zhǎng)和脅迫濃度的增加,質(zhì)膜H+-ATPase降低了質(zhì)膜的去極化程度,減少了通過(guò)去極化激活通道的流失。K+外流由快減慢,進(jìn)而使胞內(nèi)含有較高的K+濃度。
植物在鹽脅迫環(huán)境下維持細(xì)胞內(nèi)較低的Na+/K+平衡對(duì)其抗鹽性具有重要作用。對(duì)耐鹽胡楊的研究表明主要通過(guò)增加Na+外排,限制K+外流來(lái)調(diào)節(jié)鹽脅迫下組織或細(xì)胞中的Na+/K+平衡[4,15-16]。本試驗(yàn)中,寧夏枸杞根系中Na+/K+在NaCl脅迫下顯著低于對(duì)照,表明寧夏枸杞根系能夠調(diào)節(jié)胞內(nèi)Na+/K+平衡,促進(jìn)胞內(nèi)Na+外排,同時(shí)抑制K+外流,維持細(xì)胞內(nèi)較低的Na+/K+,進(jìn)而增加其耐鹽性。本試驗(yàn)研究結(jié)果與前人在耐鹽胡楊上的研究結(jié)果吻合。
抑制劑試驗(yàn)結(jié)果顯示,質(zhì)膜Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白抑制劑阿米洛利(Amiloride)和質(zhì)膜H+-ATPase 抑制劑礬酸鈉(Vanadate)都顯著降低了短期鹽脅迫下寧夏枸杞根系的Na+外流和H+內(nèi)流,表明在鹽脅迫下質(zhì)膜H+-ATPase水解ATP產(chǎn)生的能量將H+泵出,激活了Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)體的活性,H+進(jìn)入胞內(nèi)的同時(shí),Na+排出胞外[17]。試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明,寧夏枸杞根系能夠?qū)麅?nèi)過(guò)多的Na+排出胞外是源于其體內(nèi)的Na+/H+逆向運(yùn)輸。此研究結(jié)果與前人在木欖植物的研究成果相似[11]。
綜合上述,寧夏枸杞根系調(diào)控Na+/K+平衡可能有兩種方式:一是借助于質(zhì)膜上的Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白載體將胞質(zhì)中過(guò)量的Na+外排,質(zhì)膜上的H+-ATPase水解ATP產(chǎn)生能量,將H+從細(xì)胞質(zhì)中泵出,從而產(chǎn)生跨質(zhì)膜的H+電化學(xué)勢(shì)梯度,H+順著電化學(xué)勢(shì)梯度進(jìn)入細(xì)胞的同時(shí),Na+逆著電化學(xué)勢(shì)梯度被排出細(xì)胞,從而保持細(xì)胞內(nèi)較低的Na+含量;另一方面可能是通過(guò)提高質(zhì)膜H+泵活性來(lái)減少K+外流。提高質(zhì)膜H+泵活性可以在為Na+跨膜外排提供濃度梯度的同時(shí),降低質(zhì)膜去極化程度,進(jìn)而減少K+外流。從而保持細(xì)胞內(nèi)較低的Na+/K+,提高其耐鹽性。
本試驗(yàn)在前人研究基礎(chǔ)上,采用目前較為先進(jìn)的非損傷微測(cè)技術(shù)測(cè)定了活體植物離子流,可以更為準(zhǔn)確地揭示植物體內(nèi)離子流動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及植物耐鹽機(jī)理。然而植物耐受鹽脅迫是一個(gè)復(fù)雜的生理過(guò)程,本試驗(yàn)僅涉及了鹽脅迫下枸杞根系離子含量及其動(dòng)態(tài)變化,對(duì)于其莖葉中離子變化尚未涉及,在后續(xù)研究中可進(jìn)一步設(shè)置試驗(yàn)進(jìn)行深入探討。
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