NaCl脅迫下南荻多倍體的無機(jī)鹽離子吸收特征

段鈞譯，石艷蘭，林宇環(huán)，黃紅梅,2，劉清波,2，易自力,2，陳智勇,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128； 2.芒屬植物生態(tài)應(yīng)用技術(shù)湖南省工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410128)

南荻(Miscanthuslutarioriparius)是我國特有的芒屬植物，具有生物質(zhì)產(chǎn)量高，耐貧瘠，成熟時幾乎全部干枯，落葉較少，儲運(yùn)方便，耐澇的優(yōu)點(diǎn)，是目前較有發(fā)展前途的生物質(zhì)能源植物之一[1]。南荻的主要生態(tài)效益為固土保水、凈化水質(zhì)和空氣[2]，經(jīng)濟(jì)效益非常廣泛，可用于造紙、制造生物炭、制作板材[2]，且南荻作為第二代生物質(zhì)能源，其豐富的纖維素可以用于生產(chǎn)生物柴油和生物乙醇等清潔能源[3]?；凇安慌c糧爭地”原則，南荻及其他芒屬植物的種植地只能是廣闊的邊際性土地，這其中，鹽堿地在全世界的面積約為9.543 8億hm2，在我國的面積約為9 913萬hm2，而且每年呈不斷增加的趨勢[4]。南荻多倍體的產(chǎn)量高，可從其中選育出高耐鹽的南荻新品種，利用其發(fā)達(dá)的根系、較強(qiáng)的固持土壤能力的特點(diǎn)，來綜合治理鹽漬土，改善生態(tài)環(huán)境，同時利用邊際性土地開發(fā)能源植物，打破我國缺乏自主創(chuàng)制能源草原料的瓶頸，逐步實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化[5-6]。

Na+過量吸收引起滲透脅迫，是植物遭受鹽脅迫傷害的重要原因。從細(xì)胞水平上講，耐鹽能力的大小主要取決于細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的能力；從植株個體水平上講，耐鹽能力的大小主要取決于植株對水分的吸收及利用效率[7]。為了避免滲透脅迫傷害，植物細(xì)胞會積累一些不影響細(xì)胞正常生化反應(yīng)的可溶性物質(zhì)來降低細(xì)胞內(nèi)的滲透勢。其中，無機(jī)滲透調(diào)節(jié)是滲透調(diào)節(jié)機(jī)制的一大類。鹽脅迫條件下，植物為了避免脫水，降低鹽害，常常從外界吸收和積累無機(jī)鹽離子來增加細(xì)胞離子濃度，降低滲透勢。除了滲透調(diào)節(jié)以外，在受到鹽脅迫時，植物還能通過對其他離子的選擇性吸收以及對Na+的區(qū)域化來維持細(xì)胞內(nèi)的離子平衡，以適應(yīng)外界的脅迫環(huán)境[8]。通常，植物靠吸收K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-、SO42-和NO3-等無機(jī)鹽離子來進(jìn)行無機(jī)滲透調(diào)節(jié)[9]，例如，高等甜土植物和鹽生植物的無機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)分別是K+和Na+或Cl-[10]。

鄭鋮等[11]對芒屬植物南荻、荻(M.sacchariflorus)、芒(M.sinensis)和雜交種的種子及幼苗進(jìn)行NaCl脅迫試驗(yàn)，測定了種子發(fā)芽率、種子活力指數(shù)、胚芽長度和胚根長度等，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這4種材料耐鹽性強(qiáng)弱的順序?yàn)殡s交種>荻>南荻>芒，但該研究材料均為二倍體，對于多倍體材料的耐鹽性并沒有涉及。宗俊勤等[12]對芒屬植物苗期耐鹽性進(jìn)行了測定，以水培法模擬鹽脅迫，對36份芒和荻的幼苗進(jìn)行了鹽處理，通過對相對生長高度、地上部相對生物量、根系相對生物量、相對根冠比4個數(shù)據(jù)的測量，發(fā)現(xiàn)芒屬植物通過在鹽脅迫初期促進(jìn)根系生長以適應(yīng)脅迫環(huán)境。在林聰[13]對芒屬植物進(jìn)行大田鹽脅迫的研究中則發(fā)現(xiàn)南荻在輕度(含鹽量0.3%～0.5%，平均0.4%)和中度(含鹽量0.3%～0.7%，平均0.5%)的鹽堿地上耐鹽能力均較強(qiáng)。而NaCl脅迫下多倍體南荻的無機(jī)鹽離子吸收特征目前未見報道。

為此，以NaCl為脅迫因子，以南荻多倍體群體和奇崗為研究對象，測定在NaCl脅迫下試驗(yàn)材料對K+、Ca2+、Mg2+、SO42-和NO3-的吸收利用率，以期對南荻的耐鹽能力與其在NaCl脅迫下對無機(jī)鹽離子吸收能力的相關(guān)性進(jìn)行研究，為南荻在鹽堿地種植開發(fā)提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

10份南荻三倍體(此群體中纖維素含量最高且基因型不同的10份材料，材料編號為L1，L2，L3，…，L10)，采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物資源圃(28°11′ N，113°04′ E)；此群體母本南荻四倍體(P1)，采自江蘇南京(32°04′ N，118°50′ E)；對照材料奇崗(G)，由北京市農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心(39°56′ N， 116°16′ E)范希峰博士贈送；P1和G現(xiàn)均存于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物資源圃。此群體為母本南荻四倍體P1與父本南荻二倍體P2雜交所得，現(xiàn)存于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物資源圃。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1材料培養(yǎng) 參考陳靜波等[14]的方法取試驗(yàn)材料的地下根狀莖，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物研究所煉苗室進(jìn)行培養(yǎng)。將12份材料的地下莖洗凈后分別置于育苗盤(54 cm×28 cm×6 cm)中，用濕紗布覆蓋進(jìn)行保濕，待地下莖發(fā)芽后，種植于底部帶孔的塑料缽中，用洗凈的河沙固定，每份材料種植40缽，每缽1～2株苗，然后置于育苗盤上在煉苗室內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，每個育苗盤內(nèi)放置10個塑料缽并裝1/2 Hoagland’s營養(yǎng)液3 L。塑料缽上直徑9.5 cm，下直徑5.6 cm，高13.6 cm，每個缽底具4個直徑4 mm的小孔，并在缽底墊一塊合適大小的紗布，防止沙子外漏。培養(yǎng)溫度為25 ℃，光照時間8 h。

為保證材料適應(yīng)沙培環(huán)境并減少生長差異，待材料長至20 cm時，在距沙面5 cm處將材料剪斷，然后待材料繼續(xù)生長，1個月后選出長勢均一的材料進(jìn)行鹽脅迫，每份材料24缽。

1.2.2NaCl脅迫處理及樣品收集 NaCl濃度為0、0.2%、0.5%和0.8%，用1/2 Hoagland’s營養(yǎng)液進(jìn)行配置，一次添加進(jìn)各育苗盤，每個處理6缽材料，放置在同一個育苗盤上。鹽脅迫開始后的第18天，每缽材料用超純水淋洗3次以消除檢測元素被河沙吸附的誤差，隨后用濾紙過濾收集樣品，并收集相應(yīng)育苗盤中的營養(yǎng)液。

1.2.3不同元素利用率測定 試驗(yàn)測定K+、Ca2+、Mg2+、SO42-和NO3-的含量。其中K+、Ca2+和Mg2+含量用ICP-OES法[15]進(jìn)行測定；SO42-用離子色譜法[16]進(jìn)行測定；NO3-的測定用吸光光度法[17]。元素利用率計算公式：

元素利用率=(相應(yīng)育苗盤中營養(yǎng)液元素含量-淋洗液中營養(yǎng)液元素含量)∕相應(yīng)育苗盤中營養(yǎng)液元素含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013應(yīng)用軟件進(jìn)行圖表繪制，用DPS 12.30數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用二因素方差分析，并用Tukey法對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 各試驗(yàn)材料在不同濃度NaCl脅迫下存活率

在0.2% NaCl脅迫下全部存活的材料為L3、L7、L8、L9和P1，材料L4和L5存活率最低，只有33.33%。在0.5% NaCl脅迫下，材料L8的存活率為100%，其次是材料L9，存活率為83.33%，最低的是材料L4和L5，僅為16.67%。NaCl濃度為0.8%時，材料L8和L9的存活率依舊最高，均為66.67%，而L2、L4、L5和G的存活率最低，為16.67%。

表1 各試驗(yàn)材料在不同濃度NaCl脅迫下存活率Table 1 Survival rate of various lines treated with different NaCl concentrations %

2.2 不同濃度NaCl脅迫下試驗(yàn)材料對K+的利用率

試驗(yàn)材料L1、L6、L7和P1對K+的利用率隨NaCl濃度的上升而上升，其中，L1和P1在0.8% NaCl脅迫下對K+的利用率較于對照組漲幅最大，分別為238.00%和169.58%(P<0.05，圖1)。試驗(yàn)材料L2、L4和L9對K+的利用率在低濃度NaCl脅迫下有所降低，在高濃度NaCl脅迫下又逐漸增加，且在0.8% NaCl脅迫下L9對K+的利用率顯著高于對照組。試驗(yàn)材料L3、L5、L8和L10對K+的利用率雖然隨NaCl濃度的增加呈波動趨勢，但在0.8% NaCl濃度時L5顯著高于對照組。奇崗G對K+的吸收利用率則受到NaCl脅迫的限制，利用率逐漸降低。各試驗(yàn)材料對K+的利用率在不同NaCl濃度脅迫時差異極顯著(P<0.01，表2)。

2.3 不同濃度NaCl脅迫下試驗(yàn)材料對Ca2+的利用率

試驗(yàn)材料L5、L7、L8和L9對Ca2+的利用率隨NaCl濃度的增加而上升，其中試驗(yàn)過程中存活率較高的材料L8和L9在NaCl濃度為0.8%時，對Ca2+的利用率較對照組分別增加了340.93%和579.77%(P<0.05，圖2)。L1、L2、L4和P1在0.2% NaCl脅迫下與對照組相比對Ca2+的利用率略有下降，當(dāng)NaCl濃度升高時，對Ca2+的利用率明顯增加，在0.8% NaCl脅迫時的利用率均顯著高于0.2% NaCl。奇崗(G)對Ca2+的吸收利用率則受到NaCl脅迫的限制，所有NaCl濃度處理均低于對照，且在0.2%和0.8% NaCl脅迫下顯著低于對照組。各試驗(yàn)材料在NaCl濃度不同時，對Ca2+的利用率的差異極顯著(P<0.01，表3)。

圖1 各試驗(yàn)材料在不同濃度NaCl脅迫下對K+的吸收利用率Fig. 1 Utilization of K+ in the tested lines treated with different NaCl concentrations

不同小寫字母表示相同材料不同NaCl處理間差異顯著(P<0.05),下同。

Different lowercase letters indicatc signifant difference between different NaCl treatments in the same matgerial at the 0.05 level; similarly for the following figures.

表2 各被試材料在不同濃度NaCl脅迫下對K+吸收利用率的方差分析Table 2 Analysis of variance on the utilization of K+ in the tested lines treated with different NaCl concentrations

圖2 各試驗(yàn)材料在不同濃度NaCl脅迫下對Ca2+的吸收利用率Fig. 2 Utilization of Ca2+ in the tested lines treated with different NaCl concentrations

2.4 不同濃度NaCl脅迫下試驗(yàn)材料對Mg2+的利用率

除了試驗(yàn)材料L3和G在0.8% NaCl脅迫下對Mg2+的利用率低于對照組以外，其他試驗(yàn)材料在0.8% NaCl脅迫下對Mg2+的利用率均高于對照組，只是變化趨勢有所差異(圖3)。試驗(yàn)材料L5、L7和L9對Mg2+的利用率與NaCl的濃度呈正比，其中L5和L9在NaCl濃度為0.8%時的Mg2+的利用率顯著高于對照組。試驗(yàn)材料L1、L2、L4和P1在0.2% NaCl脅迫下對Mg2+的利用率較于對照組略微降低，而后隨著NaCl濃度的升高而上升，且在0.8% NaCl脅迫時L1對Mg2+的利用率顯著高于對照組。試驗(yàn)材料L8雖然在0.5% NaCl脅迫下對Mg2+的利用率比0.2% NaCl脅迫下小幅度降低，但總體較于對照組是大幅度上升的，在0.8% NaCl脅迫下比對照組增加了403.63%(P<0.05)，僅次于材料L9的增幅578.92%(P<0.05)。同樣，各試驗(yàn)材料對Mg2+的利用率在不同NaCl脅迫濃度區(qū)組間差異極顯著(P<0.01，表4)。

2.5 不同濃度NaCl脅迫下試驗(yàn)材料對SO42-的利用率

試驗(yàn)材料L1和L6-L9在0.8% NaCl脅迫時對SO42-的利用率比對照組高，且在試驗(yàn)中存活率較高的試驗(yàn)材料L7和L8，在0.8%NaCl脅迫下對SO42-的利用率與對照組相比漲幅較多，分別為122.83%和168.99%(P<0.05)，其次為L9，漲幅為67.72%(圖4)。試驗(yàn)材料L2-L5、L10、P1和G在0.8% NaCl脅迫時對SO42-的利用率均比對照組低，且L2顯著低于對照組。各試驗(yàn)材料對SO42-的利用率在不同NaCl脅迫濃度區(qū)組和不同材料之間的差異均不顯著(表5)。

表3 各被試材料在不同濃度NaCl脅迫下對Ca2+吸收利用率的方差分析Table 3 Analysis of variance on the utilization of Ca2+ in the tested lines treated with different NaCl concentrations

圖3 各試驗(yàn)材料在不同濃度NaCl脅迫下對Mg2+的吸收利用率Fig. 3 Utilization of Mg2+ in the tested lines treated with different NaCl concentrations

變異來源Source of variation平方和Sum of square自由度Degree of freedom均方Mean squareFPNaCl濃度NaCl concentration1 915.030 13638.343 46.6020.001 3材料Material1 267.099 411115.190 91.1910.330 4誤差Error 3 190.554 93396.683 5總變異Total variation6 372.684 547

2.6 不同濃度NaCl脅迫下試驗(yàn)材料對NO3-的利用率

材料L7-L10對NO3-的利用率隨NaCl濃度的增加而持續(xù)上升，其中存活率較高的材料L9和L10在低濃度NaCl脅迫下增加緩慢，在0.8% NaCl脅迫時大幅度增加，且在0.8% NaCl脅迫下對NO3-的利用率相較于對照組漲幅較大，分別增加了669.49%和1 152.65%(P<0.05)，其次是L8，增加了431.42%(圖5)。試驗(yàn)材料L1、L4、L5、L6和P1在低濃度NaCl脅迫下對NO3-的利用率呈上升趨勢，在0.5% NaCl脅迫時達(dá)到峰值，且L6在NaCl濃度為0.5%時顯著高于其他濃度，而后在0.8% NaCl脅迫時降低。奇崗G對NO3-的利用率則在NaCl脅迫下有所波動。各試驗(yàn)材料對NO3-的利用率在不同NaCl脅迫濃度區(qū)組之間差異顯著(P<0.05)，且不同材料對NO3-的利用率也差異顯著(P<0.05，表6)。

圖4 各試驗(yàn)材料在不同濃度NaCl脅迫下對SO42-的吸收利用率Fig. 4 Utilization of SO42- in the tested lines treated with different NaCl concentrations

變異來源Source of variation平方和Sum of square自由度Degree of freedom均方Mean squareFPNaCl濃度NaCl concentration256.128 4385.376 10.2390.868 7材料Material3 497.575 311317.961 40.8890.560 1誤差Error 11 804.522 833357.712 8總變異Total variation15 558.226 547

圖5 各試驗(yàn)材料在不同濃度NaCl脅迫下對NO3-的吸收利用率Fig. 5 Utilization of NO3- in the tested lines treated with different NaCl concentrations

表6 各被試材料在不同濃度NaCl脅迫下對NO3-吸收利用率的方差分析Table 6 Analysis of variance on the utilization of NO3- in the tested lines treated with different NaCl concentrations

3 討論與結(jié)論

鹽脅迫對植物的影響主要是滲透脅迫和離子毒害[18]，非鹽生植物適應(yīng)鹽脅迫的關(guān)鍵是在鹽脅迫下能通過其他無機(jī)離子的吸收，維持滲透壓，維持離子平衡[19]。

鈣是植物體內(nèi)重要的營養(yǎng)元素，通過保護(hù)細(xì)胞質(zhì)膜結(jié)構(gòu)、維持正常的光合作用來提高植物的耐鹽性，也可通過作為第二信使感受刺激引起植物的生理反應(yīng)來減輕逆境脅迫的傷害[26]。有試驗(yàn)證明Ca2+能使植物的抗鹽能力得到提高[27-28]，主要原因是Ca2+能減少NaCl對膜透性的損害，在NaCl脅迫下Ca2+會抑制Na+的吸收，減少細(xì)胞質(zhì)膜和細(xì)胞壁對Na+的吸附，以維持植物體內(nèi)正常的生命活動[29-30]。在鹽脅迫下野黑麥(Hordeumbrevisubulatum)、玉米(Zeamays)和水稻(Oryzasativa)的Ca2+含量隨NaCl升高而增加[31]，這與本研究結(jié)果一致，本研究中存活率較高的材料L8和L9對Ca2+的利用率均顯著增加。

鎂是葉綠素的核心組成部分，直接影響光合作用，進(jìn)而影響到植物的產(chǎn)量[32]；并且它是各種酶的組成元素，在植物的新陳代謝中也具有重要作用[33]。陳少良等[34]的試驗(yàn)表明抗鹽能力較強(qiáng)的胡楊(Populuseuphratica)在鹽脅迫下增加了對Mg2+的吸收，而抗鹽能力弱的I-214楊和群眾楊則減少了對Mg2+的吸收。本研究中存活率較高的材料L8和L9對Mg2+的利用率也是增幅最大的。

在植物體內(nèi)，硫元素主要是以SO42-的形式被植物吸收利用[35]。硫元素在植物體內(nèi)參與一些氨基酸的組成，是蛋白質(zhì)形成所必需的，關(guān)系著某些酶的形成和活化[36]。硫元素以硫與同化反應(yīng)酸根的形式進(jìn)入植物體內(nèi)，經(jīng)過還原與同化反應(yīng)后組成半胱氨酸，半胱氨酸參與形成的代謝產(chǎn)物能直接影響植物耐逆境脅迫的能力[37]。雖然存活率較高的L7、L8和L9對SO42-的利用率增加的幅度最大，然而各個材料對SO42-的利用率在不同NaCl脅迫濃度區(qū)組和不同材料之間的差異都不顯著。以往的研需證明，無鹽脅迫時南荻的灰分中，SO42-的成分含量也較少，說明南荻本身對SO42-的需求并不大[38]。

氮元素是植物所必需的大量元素之一，不僅是構(gòu)成細(xì)胞的重要組成部分，而且對植物的新陳代謝、器官組成和生理過程都有重要的作用[39]。有許多研究表明，NO3-能提高植物的抗鹽能力，原因之一是Cl-和NO3-之間有拮抗作用[40]。龔明等[41]對大麥(Hordeumvulgare)品種進(jìn)行NaCl脅迫的試驗(yàn)結(jié)果表明，在NaCl脅迫下，抗鹽能力強(qiáng)的大麥品種鑒4對NO3-的吸收量顯著增加，而抗鹽能力弱的大麥品種洋麥草則對NO3-的吸收量顯著下降。在本研究中存活率較高的材料L8、L9和L10對NO3-的吸收與其他材料相比同樣是增幅最大的。

各試驗(yàn)材料南荻多倍體和奇崗在NaCl脅迫下對K+、Ca2+和Mg2+的吸收量存在一些共性，與對照相比較，隨NaCl濃度的增加呈上升趨勢；對NO3-的吸收率，在不同材料之間存在明顯差異；而對SO42-吸收的不同材料之間區(qū)別則不太明顯。因此，選擇性吸收利用鹽堿地的K+、Ca2+、Mg2+和NO3-可能是南荻多倍體的抗鹽能力提高的原因之一。

從本研究結(jié)果來看，在0.8% NaCl脅迫下，南荻三倍體L8和L9存活率最高，明顯優(yōu)于奇崗G；且L8和L9對Ca2+、Mg2+、SO42-和NO3-的吸收利用率明顯高于其他材料，為明確這兩個三倍體在鹽堿地的表現(xiàn)還需做進(jìn)一步種植驗(yàn)證。