NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗生長及礦質(zhì)離子吸收和分配的影響

唐曉倩，白應(yīng)飛，劉廣亮，劉廣全

(1中國水利水電科學研究院，北京，100038；2國家林業(yè)局鹽堿地研究中心，北京，100091；3延安市退耕還林工程管理辦公室，陜西 延安，716000; 4 吳起縣林業(yè)局，陜西吳起 717600；5國際泥沙研究培訓中心，北京，100048)

土壤鹽漬化是一個全球性的資源與生態(tài)問題。據(jù)統(tǒng)計，全球鹽堿地面積超過8×106km2[1]，由于受全球氣候變暖引起的冰川融化海平面上升，森林、草地和濕地等面積減小，干旱等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生以及工業(yè)高速發(fā)展和不合理灌溉等因素的影響，全球鹽漬化土壤仍以每年(1.0×106)～(1.5×106) km2的速度增加[2]。我國各類鹽漬土面積約為1×106km2[3]，尤其是西北干旱和半干旱等生態(tài)脆弱地區(qū)，土壤鹽漬化現(xiàn)象尤為嚴重[4]。鹽漬化對植物的傷害作用，主要包括滲透脅迫、離子毒害及營養(yǎng)失衡等，最終表現(xiàn)為抑制植物生長，甚至導致死亡[5]。鹽脅迫下，植物依靠自身積累無機鹽離子進行滲透調(diào)節(jié)，但高濃度的鹽脅迫(高濃度Na+)會抑制植物對K+、Ca+、Mg2+等礦質(zhì)元素的吸收[6-7]，一方面抑制了以K+為輔助因子的多種酶的活性;另一方面影響了細胞膜的穩(wěn)定性和地上部光合作用，造成植物體內(nèi)礦質(zhì)元素比例失調(diào)，影響植物正常的生長和發(fā)育[8]。因此，鹽脅迫下維持和重建植物細胞中的離子平衡，對植物正常的生理活動具有重要意義。

側(cè)柏(Platycladusorientalis(L.) Franco)為柏科側(cè)柏屬常綠喬木，中國特產(chǎn)，除青海、新疆外，全國其余省(自治區(qū))均有分布，其適應(yīng)性強，耐寒、耐旱、抗鹽堿、耐污染，是我國應(yīng)用最為普遍的觀賞和造林樹種[9]。目前針對側(cè)柏耐鹽生理的研究主要集中在種子萌發(fā)、幼苗生長、光合生理、滲透調(diào)節(jié)及耐鹽能力評價等方面[10-13]，而對其礦質(zhì)離子研究,僅從參試的不同樹種離子積累差異的角度分析其鹽適應(yīng)性強弱[12-13]，而未見從離子在側(cè)柏幼苗體內(nèi)不同器官間運輸和分配角度對其鹽適應(yīng)機制進行研究的報道。本試驗以當年生側(cè)柏幼苗為材料，通過溫室土培模擬NaCl不同梯度脅迫試驗，研究NaCl脅迫對幼苗生物量積累及根、莖、葉中K+、Na+、Ca+、Mg2+的吸收、運輸與分配的影響，以期從離子積累與分配的角度進一步探討側(cè)柏的耐鹽生理機制，為側(cè)柏在困難立地造林提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設(shè)計

供試側(cè)柏種子采自河南省安陽市林州縣。試驗于2016年4-8月在中國林業(yè)科學研究院科研溫室內(nèi)進行。側(cè)柏種子用溫水浸泡24 h，與濕沙混合催芽，2016年4月中旬，將萌動露白的種子播種到營養(yǎng)缽中，每缽播種2粒，于溫室內(nèi)育苗。待幼苗生長2個月后，選取長勢一致的幼苗移栽至30 cm×30 cm(直徑×高度)的塑料盆中，盆中加入等量基質(zhì)，基質(zhì)成分為蛭石和珍珠巖，按照體積比3∶1混合，裝盆前栽培基質(zhì)和塑料盆用多菌靈進行全面消毒處理。鹽脅迫前，側(cè)柏幼苗緩苗1個月左右，以適應(yīng)土培條件，達到正常生長。

試驗采用單因素完全隨機設(shè)計，設(shè)置0 (CK)，100和200 mmol/L NaCl 3個鹽脅迫水平，每個處理3次重復。NaCl處理按每天50 mmol/L濃度增至目標濃度，各處理在同一天到達預(yù)定濃度。NaCl脅迫處理21 d后進行各項指標的測定。

1.2 測算指標及其方法

1.2.1 生物量 小心將植株從培養(yǎng)基質(zhì)中取出，先用自來水沖洗凈植株表面的雜質(zhì)，然后用去離子水沖洗5遍，吸干水分，分別將根、莖、葉裝入信封中編號放入烘箱，105 ℃殺青30 min，70 ℃烘至恒質(zhì)量(DW)，自然冷卻后分別測定其生物量，并計算冠生物量、全株生物量、根冠比以及相對生物量。

冠生物量=莖生物量+葉生物量；

全株生物量=根生物量+冠生物量；

根冠比=根生物量/冠生物量；

相對生物量=某處理的平均總生物量/CK的平均總生物量×100%。

1.2.2 礦質(zhì)離子含量 分別稱取各處理側(cè)柏幼苗根、莖、葉研磨粉碎后的樣品約0.1 g，用V(HNO3)∶V(HClO4)=10∶ 1于100 ℃左右電熱板上加熱消解，最后用去離子水定容至10 mL，參考劉正祥等[4]的方法采用電感耦合等離子體光譜儀(ICP-OES)測定K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量。

1.2.3 離子選擇性運輸能力SX,Na為不同器官對離子的選擇性運輸系數(shù)，其計算公式為：SX,Na=庫器官[X/Na+]/源器官[X/Na+]，其中X代表K+、Ca2+和Mg2+中任意1種離子的含量。SX,Na值越大，表示源器官控制Na+、促進X向庫器官運輸?shù)哪芰υ綇?，即庫器官選擇性運輸能力越強[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2007 軟件進行數(shù)據(jù)整理和做圖，采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗生物量積累的影響

表1顯示，鹽脅迫可促進側(cè)柏幼苗根生物量的積累，100和200 mmol/L NaCl脅迫幼苗根生物量較對照分別提高24.62%和0.76%。隨著鹽脅迫濃度的增加，側(cè)柏幼苗的莖、葉、冠及全株生物量總體顯著降低，而根冠比顯著增大。經(jīng)100和200 mmol/L NaCl脅迫后，幼苗植株的相對生物量分別為CK的98.61%和68.53%。

表1 不同濃度NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗生物量積累和根冠比的影響Table 1 Effect of different NaCl concentrations on biomass accumulation and root/shoot ratio of Platycladus orientalis seedlings

注：表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”,同列數(shù)據(jù)后標不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。下表同。
Note:Data in the table are ‘mean±standard error’,different small letters in each column indicate significant difference atP<0.05 level.The same below.

2.2 NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗根、莖、葉中離子含量的影響

2.2.1 Na+和K+含量 由圖1可以看出，NaCl脅迫下，側(cè)柏幼苗各器官中Na+含量急劇增加，抑制了對K+的吸收，且同一器官不同處理間Na+含量差異達到了顯著水平。

不同小寫字母代表不同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)，下圖同Different small letters represent significant difference at P<0.05 among treatments,while different capital letters represent significant difference at P<0.05 among organs.The same below.圖1 不同濃度NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗各器官中Na+和K+含量的影響Fig.1 Effects of different NaCl concentrations on contents of K+ and Na+ in different organs of Platycladus orientalis seedlings

與CK相比，100 mmol/L NaCl脅迫植株各器官Na+含量的順序為根>莖>葉，莖和葉中Na+含量分別為根中的54.0%和29.4%；200 mmol/L NaCl脅迫植株Na+含量則為根>葉>莖，葉和莖中Na+含量分別為根中的74.9%和74.5%。隨NaCl濃度的升高，側(cè)柏幼苗根、莖、葉中K+含量呈顯著下降的趨勢，且根中K+含量下降的幅度最大，葉中K+含量變化較小。0(CK)、100和200 mmol/L NaCl脅迫下植株K+含量在不同器官間具有相同的變化規(guī)律，即葉>莖>根，且各器官間的差異均達到顯著水平。

2.2.2 Ca2+和Mg2+含量 由圖2可見，側(cè)柏幼苗根中Ca2+含量隨NaCl濃度的增加顯著增加，葉中Ca2+含量隨NaCl濃度的增加先上升后下降，而莖中Ca+含量則呈先下降后升高的趨勢。其中100 mmol/L NaCl脅迫處理下，根和葉中Ca2+含量分別比CK增加了2.31%和2.46%，而莖中Ca2+含量較CK下降了8.09%。但無論是CK還是2個NaCl脅迫處理幼苗，各器官中Ca2+含量順序相同，即莖中Ca2+含量最高，其次是葉，根中最低，且Ca2+含量在各器官間的差異達到顯著水平。

CK及100和200 mmol/L NaCl脅迫處理的側(cè)柏幼苗中，Mg2+含量最高的器官均是葉，其次是根，莖中最低，且在同一處理不同器官間Mg2+含量具有顯著差異。隨著NaCl脅迫濃度的升高，葉片中Mg2+無顯著變化，根中Mg2+含量逐漸升高，莖中Mg2+含量先下降后上升。

圖2 不同濃度NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗各器官中Ca2+和Mg2+含量的影響Fig.2 Effects of different NaCl concentrations on contents of Ca2+ and Mg2+ in different organs of Platycladus orientalis seedlings

2.3 NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗各器官離子含量比值的影響

由圖3～5可以看出，鹽脅迫下側(cè)柏幼苗根、莖、葉中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+均大幅低于CK，且隨著NaCl濃度的增加均呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖3 不同濃度NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗各器官K+/Na+的影響Fig.3 Effects of different NaCl concentrations on K+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings圖4 不同濃度NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗各器官Ca2+/Na+的影響Fig.4 Effects of different NaCl concentrations on Ca2+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings

圖5 不同濃度NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗各器官Mg2+/Na+的影響Fig.5 Effects of different NaCl concentrations on Mg2+/Na+ ratios in different organs of Platycladus orientalis seedlings

100 mmol/L NaCl脅迫下，側(cè)伯根、莖、葉中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+較CK均下降了65%以上；當NaCl濃度繼續(xù)增加到200 mmol/L時，根、莖、葉中的離子含量比值分別比CK相應(yīng)器官下降84.13%，92.38%和93.41%(K+/Na+)，78.41%，91.90%和92.82%(Ca2+/Na+)，77.80%，91.84%和93.05%(Mg2+/Na+)。在同一NaCl濃度處理下，側(cè)柏幼苗葉片和莖中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+均高于根中。

2.4 NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗離子選擇性運輸?shù)挠绊?/h3>

由表2可以看出，隨著NaCl脅迫濃度的增大，側(cè)柏幼苗由根部向莖部的離子運輸能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na總體上顯著降低，且對K+的選擇性運輸大于Ca2+和Mg2+。這說明側(cè)柏根系選擇性運輸Na+，而抑制K+、Ca2+和Mg2+進入莖中，且對Ca2+和Mg2+的抑制作用大于K+。

表2 NaCl脅迫下側(cè)柏幼苗地上器官對K+、Ca2+和Mg2+的選擇性運輸Table 2 Selective transportation of K2+,Ca+and Mg2+ in organs of Platycladus orientalis seedlings under NaCl stress

由表2還可以看出，葉片對營養(yǎng)元素的選擇性吸收能力與莖部不同，100 mmol/L NaCl 脅迫下，側(cè)柏幼苗由莖部向葉片的離子運輸能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na與CK相比呈顯著上升的趨勢；200 mmol/L NaCl脅迫下，由莖部向葉片的運輸能力SK,Na、SCa,Na、SMg,Na較CK下降，但差異均不顯著。總體而言，由莖部到葉片的離子運輸能力SMg,Na高于SK,Na和SCa,Na。

3 討論與結(jié)論

3.1 NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗生長的影響

鹽脅迫對植物造成的危害有滲透脅迫、離子毒害和營養(yǎng)元素虧缺[15]，最終體現(xiàn)為生長受到抑制、生物量積累下降、根冠比增加等[1,16]。然而對于鹽生植物或某些耐鹽性較強的甜土植物而言，適度的鹽脅迫不僅不會抑制其生長，反而會促進其生長和生物量的積累[17]，如弗吉尼亞櫟[17]、木麻黃[18]等。本研究發(fā)現(xiàn)，NaCl脅迫顯著提高了側(cè)柏幼苗根生物量并改變了生物量分配的格局，具體表現(xiàn)為根生物量、根冠比隨著NaCl濃度的升高顯著增加，同時側(cè)柏幼苗植株的相對生物量隨NaCl濃度的升高顯著下降。這表明NaCl脅迫促進了側(cè)柏幼苗根系的生長和發(fā)育，根系通過擴大生長量以平衡鹽脅迫對根系吸收功能的損傷，這對于維持植株地上部的正常生長發(fā)育具有重要意義[17]。

3.2 NaCl脅迫對側(cè)柏幼苗離子平衡的影響

離子區(qū)隔化是植物耐鹽性的重要特性之一，也是植物維持細胞內(nèi)離子平衡的重要機制之一[19-20]。不同植物根據(jù)自身的結(jié)構(gòu)特點表現(xiàn)出不同的離子區(qū)隔化方式，如牛疊肚[21]將Na+優(yōu)先積累在莖中，沙棗[4]、鵝耳櫪[22]等將Na+優(yōu)先積累在根中，唐古特白刺[23]等則將Na+優(yōu)先積累在葉片中。非鹽生植物的耐鹽性主要取決于植株根系對Na+的限制性吸收及維持葉片中較低的Na+含量。本研究結(jié)果顯示，隨著NaCl脅迫濃度的升高，側(cè)柏幼苗植株各器官Na+含量急劇增加，且在不同濃度NaCl脅迫下，根中Na+含量始終高于莖和葉。這說明鹽脅迫下，細胞幼苗優(yōu)先將Na+積累在根系中，這可以減輕Na+對代謝旺盛部位的干擾，同時可以利用積累在根部的Na+進行滲透調(diào)節(jié)，降低水勢，保持植物的吸水能力，減輕生理干旱[24]。這可能是側(cè)柏適應(yīng)鹽脅迫的一種機制。

高等植物通過調(diào)節(jié)礦質(zhì)離子的種類和數(shù)量來維持細胞質(zhì)中微環(huán)境的相對穩(wěn)定，通過保持較高的K+/Na+及礦質(zhì)離子平衡的能力來適應(yīng)鹽漬環(huán)境[25]。如沙棗[4]、西瓜[19]等植物在鹽脅迫下，植物根系吸收大量的Na+，抑制了植物對K+、Ca2+、Mg2+的吸收和運輸。植物體內(nèi)礦質(zhì)元素的含量和分布情況對其耐鹽能力有很大影響。本研究中，NaCl脅迫下側(cè)柏幼苗根、莖、葉中Na+及根中Ca2+和Mg2+含量增加，根、莖、葉中K+、K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+及莖、葉中Ca2+、Mg2+含量降低，這表明NaCl脅迫下，大量Na+進入側(cè)柏幼苗體內(nèi)，抑制了側(cè)柏幼苗對其他礦質(zhì)離子的吸收和運輸，導致側(cè)柏幼苗植株體內(nèi)離子失衡。由于離子區(qū)隔化作用，側(cè)伯莖和葉中維持了相對較高水平的K+、Ca2+、Mg2+，且莖和葉中K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+顯著高于根系。隨著NaCl脅迫濃度的升高，根系中Ca2+、Mg2+含量增加及根向莖和莖向葉中SCa,Na、SMg,Na的降低，說明側(cè)柏幼苗在NaCl脅迫下Ca2+向地上部的運輸能力降低，而根系中Ca2+含量增加可以激活Ca2+依賴的蛋白激酶(CDPK)、鈣結(jié)合蛋白等，以調(diào)節(jié)根細胞中礦質(zhì)離子的平衡來適應(yīng)鹽脅迫[26]。同時，大量研究表明，外施Ca2+可減少細胞內(nèi)凈Na+流入和促進細胞中K+和Na+穩(wěn)態(tài)的維持，從而提高植株的耐鹽性[27]。Ca2+通過活化SOS信號通路，增強SOS3-SOS2激酶復合體對SOS1的調(diào)控，提高植物對Na+的外排，以調(diào)節(jié)植株體內(nèi)的K+和Na+穩(wěn)態(tài)，從而促進植株體內(nèi)新的離子平衡的建立[15]。綜合本研究發(fā)現(xiàn)，NaCl脅迫下側(cè)柏幼苗葉片中的K+、Ca2+、Mg2+含量始終高于根或莖，這對于維持地上部的光合作用和細胞膜的穩(wěn)定性具有重要意義。

3.3 側(cè)柏幼苗對NaCl脅迫的適應(yīng)機制

綜合本研究結(jié)果認為，側(cè)柏幼苗對NaCl脅迫具有一定的耐受性，NaCl脅迫下側(cè)柏幼苗一是通過提高根系生物量來補償根系吸收功能的降低，二是將大量Na+限制、聚積在根系中，以維持地上部相對較高的K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+值，同時提高營養(yǎng)元素K+、Ca2+、Mg2+向地上部的選擇性吸收和運輸能力，以提高滲透調(diào)節(jié)能力，降低Na+在地上部積累造成的離子毒害作用并維持地上部離子的平衡，維持植株正常的生理活動，從而適應(yīng)鹽脅迫的生存環(huán)境。