NaCl脅迫對西伯利亞白刺根系生長及K+/Na+平衡的影響

唐曉倩,李煥勇,楊秀艷,武海雯,劉曉威,張華新

(1國家林業(yè)和草原局鹽堿地研究中心，北京 100091；2林木遺傳育種國家重點實驗室，北京 100091)

土壤鹽漬化是一個全球性的資源與生態(tài)問題。據統(tǒng)計，全世界鹽堿地面積超過8×106km2[1]。由于受全球氣候變暖引起的海平面上升、干旱等自然災害頻繁發(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1.0×106～1.5×106km2的速度增加[2]，尤其是在干旱和半干旱等生態(tài)脆弱地區(qū)，土壤鹽漬化現象更為嚴重，給當地人們的生產和生活、經濟發(fā)展乃至生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重威脅[3]。植物根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，而根系的形態(tài)特征與其功能的發(fā)揮有直接關系[4]。鹽脅迫下，根系是最早感受鹽脅迫信號、也是最直接應對鹽脅迫的首要器官，其形態(tài)特征和活力等是植物有效吸收和利用土壤養(yǎng)分的重要適應特征[5-6]，因此根系對植物的耐鹽能力具有至關重要的作用[7]。研究發(fā)現，鹽生植物具有較強的耐鹽性,這與其根系形態(tài)和生理學特性有密切關系[8-9]，因此了解鹽脅迫下鹽生植物根系的形態(tài)特征，對解析其耐鹽性具有重要的意義。

西伯利亞白刺(NitrariasibiricaPall.)為蒺藜科白刺屬(NitrariaL.)落葉具刺灌木，具有較強的耐鹽性，對重鹽堿地、鹽漬土壤具有改良作用，可以明顯改良土壤物理性狀，提高土壤肥力，是沙漠和鹽堿地區(qū)重要的耐鹽固沙植物[10]。目前有關西伯利亞白刺對鹽脅迫的響應研究主要涉及種子萌發(fā)[11]、滲透調節(jié)[12]、抗氧化防御[13]、離子代謝[14]及代謝組[15]等領域，但對其根系響應鹽脅迫的策略研究還未見報道。本研究以西伯利亞白刺水培幼苗為材料，通過測量不同濃度NaCl處理下西伯利亞白刺根系生長、吸收面積及根部離子含量的變化情況，探討西伯利亞白刺根系的耐鹽特性，從而為豐富植物耐鹽機理和鹽堿地改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2016年10月下旬，于青海柴達木盆地可魯克湖湖邊鹽堿灘地采集成熟的西伯利亞白刺果實，脫去果皮，洗凈種子，晾干后于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?。當?2月上旬將種子與濕沙混合進行沙藏催芽，次年3月中旬將萌動露白的種子挑選出來播種到營養(yǎng)缽中，選擇上口徑150 mm、下口徑110 mm、高132 mm的軟塑料花盆，每盆裝珍珠巖和蛭石(體積比1∶3)組成的混合基質，每盆播種2～3粒種子。在中國林業(yè)科學研究院科研溫室中進行盆栽育苗，育苗期間進行常規(guī)的水分管理和病蟲害防治，以保證幼苗正常生長。

1.2 試驗方法

幼苗生長2個月，長至高15 cm左右時，選取長勢基本一致的幼苗定植于容積為10 L的塑料盆中進行水培，培養(yǎng)前期用自來水培養(yǎng)直到幼苗生出新根，以使其適應水培環(huán)境，正常生長，然后換1/2 Hoagland營養(yǎng)液進行水培，24 h通氣，每4 d更換1次營養(yǎng)液。

首次更換營養(yǎng)液3 d后對其進行鹽處理，試驗共設5個NaCl濃度水平，即0(CK)，100，200，300，400 mmol/L，每盆20株，每個處理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，參照劉正祥等[3]的方法采取每天增加50 mmol/L NaCl的方式進行遞增施鹽，各處理在同一天達到預定濃度,此時計為鹽脅迫的第0天。NaCl處理14 d后取樣進行各指標的測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 根系生長參數的調查 每個處理隨機選擇6株西伯利亞白刺幼苗，將完整植株小心從培養(yǎng)盆中取出，先用自來水沖洗植株根部表面的雜質，然后用去離子水漂洗根部，用吸水紙吸干根系表面水分，并將根部和地上部于莖基切斷分開，將根系放在掃描儀的托盤中，將盛有清水的托盤置于掃描儀上，用毛刷和鑷子等工具使根系完全展開，最后利用根系分析系統(tǒng)(WinRHIZO，Regent Instruments Inc. Cancand)對其進行掃描和分析。

1.3.2 生物量的積累與分配 根系生長參數調查完成后，分別將根、莖、葉分開，然后編號裝入信封中放入烘箱，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘至恒質量，自然冷卻后測定各組織干質量，并計算相關生物量。冠層生物量=莖生物量+葉生物量，根冠比=根生物量/冠層生物量。

1.3.3 離子含量的測定 參考劉正祥等[3]的方法,將上述烘干的樣品粉碎過篩，準確稱取樣品0.1 g，用V(HNO3)∶V(HClO4)=10∶1的混合液于100 ℃左右電熱板上加熱消解，最后用去離子水定容至10 mL，用電感耦合等離子體光譜儀(ICP-OES)測定K+、Na+含量。

Cl-含量的測定參考Song等[16]的方法，采用氯離子定量計(PXSJ-216，Leici Ltd，Shanghai)測定。

1.3.4 鹽耐受指數(STI)的計算 鹽耐受指數(STI)根據Rejili等[17]和Khayat等[18]的方法計算，計算公式如下:

STI= (DWNaCl/DW對照)×100%。

式中：DWNaCl表示鹽處理下植株的干質量，DW對照表示對照植株的干質量。

1.4 數據分析

所有數據均在Excel 2007軟件中進行整理和作圖，采用SPSS 16.0軟件對數據進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗生長和根生物量的影響

由表1可以看出，不同濃度NaCl處理后，西伯利亞白刺幼苗根、莖、葉、冠層及全株總生物量均呈現出相同的變化趨勢，即隨著NaCl濃度的升高，各部位生物量先升高后降低。與對照(CK)相比，100，200，300 mmol/L NaCl處理促進了西伯利亞白刺幼苗各部位生物量的積累，其中200 mmol/L NaCl處理下，西伯利亞白刺幼苗根、莖、葉、冠層及全株總生物量達到最大值，較對照分別增加了42.14%，22.54%，26.73%，24.95%和29.35%。400 mmol/L NaCl處理下，根、莖、葉、冠層及全株生物量較對照均有下降，分別下降了13.21%，11.27%，9.75%，3.04%和5.65%。上述結果表明，西伯利亞白刺對鹽生環(huán)境表現出較強的生長適應性，且鹽濃度≤300 mmol/L促進了西伯利亞白刺幼苗的生長，而在鹽濃度達400 mmol/L時對其生長表現出抑制作用。

表1 不同濃度NaCl處理下西伯利亞白刺幼苗生物量的變化Table 1 Biomass accumulation of Nitraria sibirica seedlings under different NaCl concentrations

注：表中數據為重復的“平均值±標準差”，同列數據后標不同小寫字母表示差異達P<0.05顯著水平。下同。

Note:Data in the table is “mean±standard error”.Different small letters in each column indicate significant difference atP<0.05 level.The same below.

由表1可以看出，隨著NaCl濃度的升高，西伯利亞白刺幼苗根冠比呈先升高后降低的趨勢。100 mmol/L NaCl處理下，根冠比較對照略有增加，但差異不顯著(P>0.05);而200 mmol/L NaCl處理下，根冠比顯著高于對照;NaCl濃度大于300 mmol/L時，根冠比逐漸降低到與對照相當或低于對照水平。這說明高濃度NaCl脅迫對西伯利亞水培幼苗根系的抑制作用要大于地上部分。

2.2 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗根系生長的影響

由圖1-A可以看出，西伯利亞白刺幼苗根長隨著NaCl濃度的增加呈先上升后降低的趨勢，100和200 mmol/L NaCl處理下幼苗根長逐漸增加，分別較對照增加了10.15%和23.30%；當NaCl濃度超過300 mmol/L時，幼苗根長開始下降；400 mmol/L NaCl處理顯著降低了幼苗根長，僅為對照的74.51%。

西伯利亞白刺幼苗根系平均直徑隨著NaCl濃度的升高呈先升高后降低的趨勢(圖1-B)。與對照相比，僅400 mmol/L NaCl處理顯著降低了幼苗根系平均直徑(P<0.05);100，200，300 mmol/L NaCl處理下幼苗根系平均直徑較對照略有增加，但差異不顯著。

西伯利亞白刺幼苗根系表面積總體的變化趨勢與根長相同，即隨著NaCl濃度的升高呈先升高后降低的趨勢(圖1-C)。根系表面積最大值出現在200 mmol/L NaCl處理時，但與對照差異不顯著；100和300 mmol/L NaCl處理下幼苗根系表面積較對照略有增加，但差異不顯著；400 mmol/L NaCl處理下幼苗根系表面積與對照差異不顯著，但顯著低于200 mmol/L NaCl處理時。

從圖1-D可以看出，西伯利亞白刺幼苗根系根尖數的變化趨勢與根長、平均直徑及表面積變化趨勢相同，即隨著NaCl濃度的升高呈先增加后減少的趨勢。其中200 mmol/L NaCl處理下西伯利亞白刺根尖數達到最大值，且與對照差異顯著(P<0.05)；300和400 mmol/L NaCl處理下根尖數逐漸降低，其中400 mmol/L NaCl處理下幼苗根系根尖數較對照下降了20.53%。

柱上標不同小寫字母代表NaCl處理間差異顯著(P<0.05)。下同Different small letters represent significant difference at P<0.05 among different NaCl concentrations.The same below圖1 不同濃度NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗根系生長的影響Fig.1 Effect of different NaCl concentrations on root growth of Nitraria sibirica seedlings

2.3 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗根系離子吸收和積累的影響

由圖2-A,B可以看出，隨著NaCl濃度的升高，根系中Na+和Cl-含量均增加。根系中Na+含量在100和200 mmol/L NaCl處理下較對照顯著增加，但2個處理間無顯著差異；300和400 mmol/L NaCl處理下，根中Na+含量也較對照顯著增加，且均為對照的3.69倍。根系中Cl-含量隨著NaCl濃度的升高顯著升高，與對照相比，100，200，300，400 mmol/L NaCl處理根中Cl-含量分別為對照的1.99，2.28，2.60和2.93倍。西伯利亞白刺根系中K+含量隨著NaCl濃度的增加顯著增加，其中100，200，300，400 mmol/L NaCl處理根中K+含量分別比對照增加了8.07%，14.26%，19.20%和23.58%(圖2-C)。

通過對西伯利亞白刺幼苗根系K+/Na+的研究發(fā)現，隨著NaCl濃度的升高，根系中K+/Na+逐漸下降，雖然100和200 mmol/L NaCl處理下根系K+/Na+較對照顯著降低，但二者間無顯著差異；300和400 mmol/L NaCl處理下根系K+/Na+顯著低于對照及100和200 mmol/L NaCl處理，但二者間無顯著差異(圖2-D)。

2.4 NaCl脅迫對西伯利亞白刺幼苗鹽耐受性的影響

不同濃度NaCl脅迫下西伯利亞白刺幼苗的鹽耐受指數見圖3。

圖3 不同濃度NaCl脅迫下西伯利亞白刺幼苗的鹽耐受指數Fig.3 Salt tolerance index of Nitraria sibirica seedlings under different NaCl concentrations

由圖3可以看出，西伯利亞白刺幼苗對NaCl的耐受性隨著NaCl濃度的升高呈先上升后下降的趨勢，其中200 mmol/L NaCl處理下其耐受指數最高，隨后開始下降，特別是在400 mmol/L NaCl處理下，其耐受指數明顯下降。

3 討 論

3.1 西伯利亞白刺幼苗根系生長對NaCl脅迫的響應

植物主要依靠根系從土壤和培養(yǎng)介質中吸收礦質營養(yǎng)和水分，從而供給植物生長發(fā)育、新陳代謝等生理活動所必需的養(yǎng)分[9]。因此，根系的生長情況直接影響到整個植株的生長發(fā)育，當植物遭受鹽脅迫時，植物根系感應并迅速發(fā)出信號，于是整個植株對脅迫作出反應，同時根系通過調整形態(tài)特征和生物量的分配來影響植物地上部的生長發(fā)育以適應鹽脅迫環(huán)境[19]。不同的植物有不同的生物量分配策略來適應鹽脅迫，如海濱錦葵(Kosteletzkyavirginica)[20]、圓柏(Juniperuschinensis)[21]等通過減少根系的生物量分配比例以降低鹽分的吸收和向地上部的運輸，而沙棗(Elaeagnusangustifolia[3]、麻櫟(Quercusacutissima)和弗吉尼亞櫟(Quercusvirginiana)[22]、鹽地堿蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)[9]等則通過增加根系的生物量，提高根系對水分和養(yǎng)分的吸收，從而加快植物的生長以稀釋進入體內的鹽分；本研究發(fā)現，與對照相比，低鹽(≤200 mmol/L NaCl)處理下西伯利亞白刺根、莖、葉生物量積累增加，根冠比增大，同時也提高了根長、平均直徑、表面積、根尖數，且對NaCl的耐受性提高，這表明低鹽(≤200 mmol/L NaCl)處理下，西伯利亞白刺通過提高生物量在根系的分配，增加根系對養(yǎng)分和水分的吸收，加快植物的生長以稀釋進入體內的鹽分；而高鹽處理(>300 mmol/L NaCl)下,根系生物量降低，同時根長、平均直徑、表面積、根尖數降低，耐受性下降，特別是400 mmol/L NaCl處理顯著降低了西伯利亞白刺根系生物量的積累及根長和平均直徑，這表明高鹽(>300 mmol/L NaCl)處理下,西伯利亞白刺幼苗的生長受到抑制，根系生物量降低，從而減少對鹽離子的吸收，降低鹽分對植物體的傷害作用。

3.2 西伯利亞白刺幼苗根內離子平衡對NaCl脅迫的響應

鹽脅迫下鹽離子在植物體內大量積累會破壞植物細胞內的離子動態(tài)平衡，從而影響植物體內正常的生理代謝過程，最終對植物產生傷害作用[23]。鹽生植物和耐鹽性較強的甜土植物離子平衡能力較強，其能在體內積累一定量的離子來充當滲透調節(jié)物質，從而緩解鹽脅迫引起的滲透脅迫，如長期生長在高鹽環(huán)境的紅樹秋茄(Kandeliacandel)，會在體內積累一定量的鹽離子來維持細胞的滲透勢，從而促進根系對水分和養(yǎng)分的吸收[24]。本研究中，西伯利亞白刺幼苗根系中Na+和Cl-含量隨著NaCl濃度的增加而提高，這表明鹽生植物需要通過積累一定量的Na+和Cl-作為無機滲透調節(jié)物質，來提高根系細胞內與外部環(huán)境的滲透勢差，促進植物對水分的吸收，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。

K+作為植物體內含量最多的陽離子，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[25]。NaCl脅迫往往會引起植物細胞中K+含量的變化，導致K+/Na+降低，從而破壞K+激活酶的活性和細胞的滲透平衡[26]。同時，Na+和K+具有相似的水合半徑，植物對其吸收具有拮抗作用[27]，因此鹽脅迫下許多植物細胞中Na+的大量積累會抑制K+的吸收[3,21,28]。然而有研究表明，在適度鹽脅迫下，鹽生植物增加對Na+吸收的同時，沒有影響甚至增加了對K+的吸收和運輸[29-30]。本研究中，隨著NaCl濃度的升高，西伯利亞白刺根系中K+含量顯著增加，這表明鹽脅迫下，西伯利亞白刺根系細胞膜上的K+轉運蛋白受到了鹽脅迫的誘導表達上調，從而提高了根系對K+的吸收能力，這可能是西伯利亞白刺耐鹽的一個重要機制。另外，根系中K+/Na+則逐漸下降，這表明鹽脅迫下，西伯利亞白刺根系細胞中離子平衡遭到不同程度的破壞，而其通過提高對K+的吸收，來降低根系中Na+的相對濃度，從而降低單鹽毒害作用，維持根系正常的功能和離子的相對平衡，以提高植株對NaCl的耐受性。

4 結 論

綜合本研究結果認為，西伯利亞白刺對NaCl脅迫具有較強的適應性，而且低鹽與高鹽脅迫環(huán)境中根系形態(tài)特征表現出一定差異。低鹽(≤ 200 mmol/L NaCl)處理促進了西比利亞白刺各器官生物量的積累和根系的生長發(fā)育，增加根系對離子和水分的吸收，從而加快植物的生長以稀釋進入體內的鹽分；高鹽(>300 mmol/L NaCl)處理下西伯利亞白刺根系加強了對K+的吸收，從而提高根系的保K+能力，緩解Na+對根系的毒害作用，維持根系相對穩(wěn)定的K+/Na+，進而保證了地上部對礦質元素的需求，維持植株正常的生理活動。