鹽脅迫對燕麥幼苗Na+、K+吸收和離子積累的影響

海 霞，劉景輝，楊彥明，趙 洲，陳曉晶，賈 碩

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/全國農(nóng)業(yè)科研杰出人才及其創(chuàng)新團隊/內(nèi)蒙古“草原英才”創(chuàng)新團隊，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

燕麥作為糧飼兼用的作物，具有抗寒、耐貧瘠、耐鹽堿等特性，是鹽堿地改良的作物之一[6]。研究燕麥的耐鹽性機理，對耐鹽品種篩選和抗鹽栽培具有重要意義。在鹽脅迫下，燕麥植株體內(nèi)Na+積累量增加，K+積累量降低，葉片中Ca2+、Mg2+分配較多，從而保持葉生物膜的完整性、選擇性，同時將胞質(zhì)中的Na+區(qū)隔化入液泡來維持葉片中合理的Na+/K+比[7-11]。另外，增加植物根系Na+的外排，限制Na+吸收和區(qū)域化分布，減少體內(nèi)K+流失，可維持植株體內(nèi)K+/Na+平衡，提高耐鹽性[12-14]。在鹽脅迫下，植物會吸收更多的Na+，只有小部分可以通過韌皮部再循環(huán)到根，在很大程度上植物的耐鹽性取決于對Na+從根到莖的凈轉(zhuǎn)運的限制，這依賴于幾個關(guān)鍵的機制，其中之一是Na+從根到外部介質(zhì)的高效外排[15]。由于陽離子競爭效應(yīng)，Na+的積累會減少對K+、Ca2+以及Mg2+的吸收，導(dǎo)致植物體內(nèi)自身的離子平衡被擾亂，所以植物通過重建體內(nèi)離子平衡來抵御鹽漬傷害[16-17]。

目前，對小麥[18]、向日葵[19]、沙棗[20]等耐鹽性研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫造成植物根系Na+過量積累和K+大量外排，使組織器官中Na+/K+失衡。耐鹽品種具有較強的Na+外排能力和較弱的K+流失，可通過驅(qū)動根系Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運體將Na+排出，并通過區(qū)域化Na+來提高耐鹽性。以上研究均基于不同鹽濃度或不同處理方式下對作物幼苗根系離子流速、流向進行測定，而針對鹽脅迫時間長短對根系離子流影響的研究鮮見報道，尤其是燕麥。本試驗采用“非損傷微測技術(shù)”[21]對燕麥根毛區(qū)Na+、K+流速和流向進行測定，并結(jié)合各器官中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的積累，分析離子在植物體內(nèi)的分布規(guī)律，從離子流動、吸收、分配角度揭示燕麥耐鹽性，以期為燕麥耐鹽品種的篩選及栽培提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

本試驗于2016-2017進行，供試燕麥品種為加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)食品部渥太華研究發(fā)展中心提供的Vao-9( 耐鹽性較強)和吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的白燕5號(耐鹽性較弱)。

挑選大小一致的燕麥種子，用3%的NaClO消毒10 min，再用蒸餾水沖洗3次，用濾紙吸凈表面的水分，均勻放入發(fā)芽盒中發(fā)芽。發(fā)芽盒內(nèi)鋪有2層濾紙，加入蒸餾水，以濾紙和種子浸濕為宜，放入恒溫箱培養(yǎng)。恒溫箱培養(yǎng)條件：16 h光照(25 ℃)，8 h黑暗(20 ℃)，濕度80%，冠層強光400 μmol·m-2·s-1。待發(fā)芽盒中種子長出子葉且胚根長度達到3～5 cm時，移至裝有1/2 Hoagland營養(yǎng)液的聚乙烯盆中，營養(yǎng)液上放泡沫板固定燕麥幼苗，每盆48孔，每孔1株，放到溫室培養(yǎng)，用電動氣泵連續(xù)通氣，每2 d更換一次營養(yǎng)液。溫室培養(yǎng)條件：16 h光照(25～30 ℃)，8 h黑暗(15～18 ℃)，采用自然光照和植物補光燈補光。待燕麥兩葉一心時，用70 mmol·L-1混合鹽(NaCl和Na2SO4摩爾比1∶1，以下簡稱鹽脅迫)處理0、24、48、72 h，重復(fù)3次。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1 Na+、K+離子流檢測

燕麥根際Na+、K+離子流檢測利用非損傷微測系統(tǒng)(BIO-001B,Younger USA Sci.&Tech.Corp.,USA)完成(北京市農(nóng)林科學(xué)院提供此儀器測定)，以非損傷性掃描離子選擇電極技術(shù)獲取進出燕麥根毛區(qū)的Na+、K+濃度、流速及流向信息。離子選擇性微電極使用之前需要校正，Na+和K+的校正斜率為58±3。

測試之前，將燕麥幼苗根系置于測試液中浸泡10 min。測試時，用小石塊將測試部位固定壓好。每個樣品至少測6個重復(fù)，結(jié)果取平均值。測量區(qū)域是位于距離根尖15 mm左右的根毛區(qū)。電極尖端置于距離根表面10 μm處作為原點，在垂直于根表面的方向進行兩點往復(fù)移動，從而獲得兩點的電壓差，兩點移動距離為30 μm，每個樣品穩(wěn)定測量15 min[22]。

1.2.2 離子含量測定

幼苗根、莖、葉Na+、K+、Ca+、Mg2+含量采用原子吸收分光光度計(島津AA-7000)測定。用去離子水洗凈待測幼苗，用濾紙吸干表面水分，將幼苗根、莖、葉分開，剪2 cm左右的小段混勻，精確稱量0.2 g鮮樣，放入消解罐，再加入5 mL HNO3和2 mL H2O2，蓋上內(nèi)蓋，安裝好保護套消解12 h，然后將消解罐放入微波消解系統(tǒng)，設(shè)置微波消解程序(20 min，100 ℃；15 min，130 ℃；30 min，160 ℃)，開始消解。消解結(jié)束后，取出內(nèi)罐，用漏斗轉(zhuǎn)移消解液于50 mL容量瓶，并用去離子水多次洗滌消解罐，加2.5 mL的掩蔽劑，用0.1% HNO3的定容混勻，用于測定Na+、K+、Ca+、Mg2+含量，生物重復(fù)3次，技術(shù)重復(fù)2次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用旭月科技有限公司開發(fā)的Mage flux軟件計算離子流速，用Excel 2003整理數(shù)據(jù)和制圖，用SAS 9.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫時間對燕麥根系Na+流速的影響

在鹽脅迫前后兩個燕麥品種幼苗根系Na+均表現(xiàn)為外排，且隨鹽脅迫時間的增加，燕麥根系成熟區(qū)Na+外排流速先增后降(圖1)。在鹽脅迫0 h下，白燕5號Na+外排的凈流量顯著高于Vao-9；鹽脅迫24 h時，白燕5號Na+外排的凈流量大于Vao-9，但兩個燕麥品種間差異不顯著；鹽脅迫48 h時，Vao-9根系Na+外排的凈流量是白燕5號的3倍，且差異顯著；鹽脅迫72 h時，白燕5號Na+外排的凈流量大于Vao-9，兩個燕麥品種間差異顯著。

不同小寫字母表示不同鹽脅迫時間差異顯著(P<0.05)。不同大寫字母表示品種間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different lowercase letters above the columns indicate significant differences among different salt stress time at 0.05 level. Different capital letters above the columns indicate significant differences between varieties at 0.05 level. The same below.

圖1 不同鹽脅迫時間下燕麥根系Na+平均流速

Fig.1Average flow rate of Na+in the roots of oat under different salt stress duration

2.2 鹽脅迫時間對燕麥根系K+流速的影響

鹽脅迫0～72 h后，兩個燕麥品種根系K+積累量下降，同時鹽脅迫時間越長，其根毛區(qū)K+外流的凈流量越大，兩者結(jié)果相吻合，表明鹽脅迫造成了植株K+流失。鹽脅迫0 h下，兩個燕麥品種K+內(nèi)流和外排相對穩(wěn)定，鹽敏感白燕5號的K+凈流量顯著低于耐鹽品種Vao-9；而鹽脅迫24、48和72 h時，白燕5號的K+凈流量顯著高于Vao-9，且品種間差異顯著(圖2)。

2.3 鹽脅迫對燕麥各器官Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量的影響

正常條件下燕麥幼苗的各器官Na+含量很少，K+在莖稈和葉中的含量大于根系，兩個品種表現(xiàn)一致。隨鹽脅迫時間的延長，幼苗莖、葉Na+積累量明顯高于根系，呈增加趨勢，根系Na+累積量相對較少，呈先增后降趨勢(圖3)。與鹽脅迫0 h相比，鹽脅迫24、48和72 h時，兩個燕麥品種間根、莖、葉Na+積累量差異顯著(P<0.05)；鹽脅迫48 h時，兩個燕麥品種間根和莖中的Na+積累量差異不顯著，而白燕5號葉中Na+積累量顯著高于Vao-9；鹽脅迫72 h時，白燕5號根、莖、葉中Na+分配比例分別為12.3%、43.1%和44.6%；Vao-9分別為10.1%、50.5%和39.4%，且白燕5號莖中Na+積累量顯著低于Vao-9，葉片中Na+積累量顯著高于Vao-9。

兩個燕麥品種根、莖、葉的K+隨鹽脅迫時間的延長呈減少趨勢(圖3)。鹽脅迫24 h時，白燕5號葉中K+含量顯著高于Vao-9；鹽脅迫48 h時，白燕5號莖中K+含量顯著高于Vao-9；鹽脅迫72 h時，白燕5號根、莖、葉中K+分配比例分別為21.15%、36.50%和42.36%，Vao-9分別為13.76%、40.30%和45.84%，Vao-9根中K+含量顯著低于白燕5號，而葉片和莖稈中K+含量高于白燕5號，但差異不顯著。

隨鹽脅迫時間的延長，兩個品種根、莖中Ca2+含量呈減少趨勢，白燕5號葉片Ca2+含量呈增加趨勢，而Vao-9葉片Ca2+含量先降再升(圖4)。兩個品種間莖稈中的Ca2+含量在鹽脅迫0、24、48、72 h時差異顯著(P<0.05)，且鹽脅迫下白燕5號莖和葉中的Ca2+含量始終小于Vao-9。

圖2 不同鹽脅迫時間下燕麥根系K+平均流速及流向

圖3 鹽脅迫下燕麥不同部位的Na+、K+含量

白燕5號和Vao-9根中Mg2+含量隨鹽脅迫時間的延長呈減少趨勢，莖中Mg2+含量呈先降后升趨勢，而葉中Mg2+含量呈先升后降趨勢(圖4)。鹽脅迫24 h時，Vao-9根和葉中Mg2+含量較白燕5號多15.8%和8.7%；鹽脅迫72 h時，兩個品種間莖中Mg2+含量差異顯著，Vao-9較白燕5號多4.2%。

2.4 鹽脅迫下Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+值的變化

由表1可知，隨鹽脅迫時間的增加，兩個燕麥品種根、莖、葉Na+/K+均呈上升趨勢，白燕5號根、莖Na+/K+上升趨勢明顯弱于Vao-9，而葉的Na+/K+上升趨勢強于Vao-9。鹽脅迫24 h時，白燕5號根和葉的Na+/K+顯著低于Vao-9；鹽脅迫72 h時，白燕5號根Na+/K+較Vao-9低26.3%，莖Na+/K+較Vao-9低17.8%，而葉Na+/K+較Vao-9高12.4%，且兩個燕麥品種間根和莖Na+/K+差異顯著。

鹽脅迫下，Na+/Ca2+表現(xiàn)為莖>根>葉，兩個燕麥品種間根、莖、葉Na+/Ca2+隨著鹽脅迫時間的延長呈增加的趨勢。鹽脅迫48 h時，白燕5號莖Na+/Ca2+顯著高于Vao-9；鹽脅迫72 h時，Vao-9根、莖、葉Na+/Ca2+值比白燕5號低22.0%、12.2%和18.6%，且白燕5號根中Na+/Ca2+顯著高于Vao-9。

鹽脅迫下，Na+/Mg2+表現(xiàn)為莖>葉>根，隨鹽脅迫時間的增加，兩個燕麥品種間根中Na+/Mg2+先升后降，莖和葉中Na+/Mg2+逐漸上升。鹽脅迫24 h、48 h和72 h時，白燕5號根和葉 Na+/Mg2+值大于Vao-9，而莖Na+/Mg2+值小于Vao-9；特別是鹽脅迫72 h時，白燕5號葉片中的Na+/Mg2+顯著高于Vao-9。

圖4 鹽脅迫下燕麥品種不同部位的Ca2+、Mg2+含量

離子比值Ion ratio鹽脅迫間Salt stress time/h白燕5號 Baiyan 5根Root莖 Stem葉 LeafVao-9根Root莖 Stem葉 LeafNa+/K+00.02±0.003cA0.01±0.004cA0.01±0.004dA0.03±0.001dA0.01±0.003dA0.01±0.005cA240.50±0.007bB0.66±0.091bA0.48±0.028cB0.59±0.014cA0.71±0.011cA0.53±0.010bA480.71±0.094aA0.76±0.070bA0.80±0.110bA0.85±0.095bA0.83±0.102bA0.61±0.055bA720.70±0.074aB1.39±0.069aB1.27±0.069aA0.95±0.016aA1.69±0.037aA1.13±0.069aANa+/Ca2+00.44±0.071cA0.21±0.069cA0.106±0.05cA0.37±0.093cA0.13±0.056cA0.09±0.04bA248.32±0.891bA11.18±0.983bA4.73±0.52bA8.60±1.294abA10.02±0.295bA4.47±0.61aA4810.41±1.807aA12.83±0.982bA5.85±0.78abA10.27±1.765aA9.98±0.863bB4.28±0.63aA729.78±0.684abA23.66±1.816aA7.47±2.25aA7.63±0.595bB20.77±2.400aA6.08±1.92aANa+/Mg2+00.33±0.058cA0.24±0.095dA0.21±0.08cA0.31±0.028bA0.20±0.084dA0.23±0.10dA246.79±0.150bA11.30±1.157cA9.92±0.58bA6.56±0.480aA12.64±0.366cA9.89±0.31bA488.80±1.599aA14.33±1.207bA13.26±4.71bA7.24±2.026aA15.09±1.248bA7.96±1.30cA728.24±0.826abA20.56±0.804aA20.59±0.57aA6.54±0.854aA22.47±1.189aA17.96±1.25aB

同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示不同脅迫時間間差異顯著(P<0.05)。不同大寫字母表示品種間差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters following data indicate significant differences among different salt stress times at 0.05 level. Different capital letters indicate significant differences between varieties at 0.05 level.

3 討 論

3.1 鹽脅迫對不同燕麥品種Na+、K+吸收及根系離子流的影響

Na+主動外排、Na+區(qū)隔化以及減少胞質(zhì)中K+流失是維持Na+/K+平衡、提高植物耐鹽性的有效機制之一[23-26]?；旌消}脅迫下，燕麥植株Na+積累量增加，根、莖、葉Na+積累差異顯著。對小麥和玉米等[27-28]的研究表明，鹽脅迫下植株根部Na+含量明顯高于地上部分，耐鹽性強的品種將Na+主要儲藏在根部，從而降低過多的Na+對自身傷害。本研究結(jié)果則表明，在相同時間混合鹽脅迫下，燕麥莖、葉Na+積累量明顯高于根系，莖Na+積累量為根系的1.8～5.1倍，葉Na+積累量為根系的1.7～5.0倍，表明燕麥根系并無明顯貯存鹽分的作用[21]，這可能與作物基因型或處于不同生育時期有關(guān)。耐鹽品種Vao-9在鹽脅迫時間增加的情況下，將Na+優(yōu)先積累在莖中，阻止Na+向葉片運輸，從而降低對葉器官傷害，從而證明Na+在植物體不同器官中的積累分配是品種間耐鹽性差異的原因之一，該結(jié)果與薩如拉等[10]研究堿性鹽脅迫對燕麥礦質(zhì)離子吸收與分配的影響結(jié)果相似。有研究發(fā)現(xiàn)，耐鹽性較強的品種在鹽脅迫下具有較強的Na+外排能力[29]。本試驗中耐鹽品種Vao-9幼苗根系在鹽脅迫48 h下Na+凈流量明顯大于鹽敏感品種白燕5號，可能是質(zhì)膜Na+/H+轉(zhuǎn)運蛋白或質(zhì)膜H+-ATPase活性在鹽脅迫下被誘導(dǎo)合成或者激活，將細胞中大量的Na+區(qū)域化在莖稈的液泡里或者將Na+從細胞質(zhì)外排到細胞外，阻止Na+向葉片中的積累和運輸[30]。本研究還發(fā)現(xiàn)，Vao-9在24 h混合鹽脅迫下根、莖、葉中Na+積累量明顯高于白燕5號，但在72 h混合鹽脅迫下，葉Na+積累量顯著低于白燕5號，莖中Na+積累量顯著高于白燕5號，表明耐鹽品種Vao-9對鹽離子轉(zhuǎn)運及分配能力較強。

由于Na+和K+有相似的離子半徑和水合能[31]，Na+競爭K+轉(zhuǎn)運位點，使K+吸收及轉(zhuǎn)運受到抑制，影響植物正常代謝，所以維持合理Na+/K+對植物具有重要意義[32-33]。有研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫使細胞去極化程度加強，促使外向K+通道和非選擇性陽離子通道外流的K+增加，但耐鹽性較強的品種能減少K+流失[34-35]。但也有研究顯示，根據(jù)K+外排不能預(yù)測不同基因型水稻的耐鹽性[36]。 本試驗研究發(fā)現(xiàn)隨混合鹽脅迫時間增加，兩個燕麥品種根系K+積累量呈下降趨勢，同時根毛區(qū)K+外排速率加快，表明鹽脅迫造成了植株K+流失；同時發(fā)現(xiàn)鹽敏感品種白燕5號K+外排速率顯著高于耐鹽品種Vao-9，證明在鹽脅迫條件下耐鹽品種減少K+流失的能力優(yōu)于鹽敏感品種，但具體的分子機理有待進一步研究。

3.2 鹽脅迫對不同燕麥品種Ca2+、Mg2+吸收的影響

植物受到鹽脅迫后，會吸收更多的Na+，減少對K+、Ca2+以及Mg2+的吸收[16-17]。Ca2+是植物代謝和發(fā)育的主要調(diào)控者[37]。高濃度Na+可置換質(zhì)膜和細胞內(nèi)膜上結(jié)合的Ca2+，破壞Ca2+平衡，增加膜透性，伴隨著K+吸收的減少，進一步影響Mg2+吸收[38-39]，所以在鹽堿脅迫下作物葉片中保持較低的Na+/K+、Na+/ Ca2+和Na+/Mg2+值，是衡量作物耐鹽堿的重要指標(biāo)[33]。薩茹拉等[11]研究表明，堿性鹽脅迫下，耐鹽品種在抽穗期有較高的Ca2+選擇吸收能力，對Mg2+吸收與不耐鹽品種差異不大，在根和葉中Ca2+、Mg2+含量最多，且向葉片中分配Ca2+、Mg2+能力較強。而在本試驗中，隨鹽脅迫時間的延長，兩個燕麥品種幼苗根系、莖中Ca2+、Mg2+含量下降，葉片中的Ca2+含量增加，Mg2+含量先增加后下降，這可能是鹽脅迫條件下不同生育時期耐鹽性存在較大差異所致。耐鹽品種Vao-9在鹽脅迫下莖和葉中的Ca2+、Mg2+含量始終大于鹽敏感品種白燕5號，且兩個燕麥品種間莖中Ca2+含量在72 h鹽脅迫下差異顯著。Ca2+能維持細胞質(zhì)膜的完整性，降低逆境下的膜透性等[39]。本試驗結(jié)果表明，在鹽脅迫下Vao-9較白燕5號莖中積累更多Na+，同時保證莖稈中Ca2+的高含量，可能與Ca2+降低莖稈細胞膜透性有關(guān)[40]，保持莖稈中離子平衡和細胞正常代謝，進而降低葉片中Na+含量。鹽脅迫下Vao-9保持葉片和莖中較低的Na+/Ca2+和Na+/Mg2+值有利于穩(wěn)定細胞質(zhì)膜的完整性，保證光合作用的正常進行，說明燕麥維持離子的選擇性吸收與分配能力與其耐鹽性有關(guān)[41]。