鹽脅迫對(duì)苗期湖南稷子K+、Na+含量與分布的影響

陸安橋，張峰舉，王學(xué)琴，許 興，，*

(寧夏大學(xué) a.農(nóng)學(xué)院；b.環(huán)境工程研究院，寧夏 銀川 750021)

全球鹽漬土地面積約為8.0×109hm2，占全部土地面積的6%[1]。由土壤鹽漬化導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境惡化問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)鹽漬土分布廣泛，總面積約為3 600×104hm2，占全國(guó)可利用土地面積的4.88%[2]。由于不合理的施肥灌溉與降雨的缺乏加劇了鹽漬化程度，使土壤鹽漬化面積逐年增加[3]。鹽脅迫對(duì)植物造成的傷害主要表現(xiàn)為離子毒害、滲透脅迫和營(yíng)養(yǎng)失衡[4]。鹽漬環(huán)境下高濃度的鹽離子，特別是Na+和Cl-對(duì)植物的危害較重[5]，過(guò)量的Na+滲入植株體內(nèi)，抑制了對(duì)其他離子(如K+、Ca2+等)的吸收[6]，特別是Na+對(duì)K+的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用[7]，造成植物的單鹽毒害、滲透失調(diào)和營(yíng)養(yǎng)虧缺[8]。營(yíng)養(yǎng)離子的動(dòng)態(tài)平衡是植物體內(nèi)進(jìn)行正常生理代謝的基礎(chǔ)[9]，植物往往通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)離子的選擇性吸收來(lái)維持離子的動(dòng)態(tài)平衡以緩解鹽脅迫傷害的影響[10]。鹽脅迫下，不同植物不同器官對(duì)離子的選擇性吸收有所差異，但大量研究表明，植物體內(nèi)維持較高的K+/Na+與其耐鹽性有關(guān)[11]。因此，研究植物對(duì)鹽離子的吸收與分布特征，對(duì)提高植物的耐鹽能力和抗鹽性育種具有重要理論指導(dǎo)與現(xiàn)實(shí)意義。

湖南稷子(Echinochloafrumentacea)是禾本科稗屬一年生C4牧草[12]，具有適應(yīng)性廣、耐逆性強(qiáng)、產(chǎn)草量和產(chǎn)籽量高等優(yōu)良特性[13]。湖南稷子能夠在含鹽量為0.6%、pH為9.3的鹽堿荒地上正常發(fā)芽和生長(zhǎng)[14]，是理想的鹽堿地改良植物。關(guān)于湖南稷子的耐鹽特性與鹽脅迫下湖南稷子的離子運(yùn)輸與分配鮮有報(bào)道。張金林等[15]、王鎖民等[16]通過(guò)施加外源激素研究了湖南稷子整株水平Na+、K+離子的選擇性吸收規(guī)律，而王鎖民等[17]對(duì)大田條件下湖南稷子抽穗初期的K+、Na+吸收與分配進(jìn)行了初步研究。前人研究認(rèn)為，鹽分對(duì)植物的危害不僅與濃度和成分有關(guān)，而且與生育期也有極大關(guān)系，牧草一般在發(fā)芽期和苗期對(duì)鹽分最為敏感[18]。為探明鹽脅迫下湖南稷子對(duì)K+、Na+的吸收與分配規(guī)律，本試驗(yàn)研究了在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子苗期各器官內(nèi)K+和Na+的含量與分布，旨在了解湖南稷子通過(guò)K+、Na+調(diào)節(jié)適應(yīng)鹽脅迫的機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料

湖南稷子(海子1號(hào))種子由寧夏千葉青農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司提供。選取籽粒飽滿、大小一致的種子用4% NaClO消毒15 min，蒸餾水沖洗4～5次，最后用濾紙吸干表面水分備用。

1.2 方法

試驗(yàn)于2019年7—9月在寧夏大學(xué)生態(tài)中心人工氣候室進(jìn)行。用NaCl、Na2SO4作為鹽脅迫處理，脅迫濃度均設(shè)置為0、25、50、75、100、125、150、200 mmol·L-1。試驗(yàn)采用盆栽法，盆栽裝置為長(zhǎng)方形塑料盆和規(guī)格為長(zhǎng)530 mm×寬280 mm的50孔育苗盤。在裝有蛭石的育苗盤中每孔播種5粒種子，并覆約0.5 cm蛭石，每個(gè)處理3次重復(fù)，置于溫度為(25±1)℃/(20±1)℃(晝/夜)、光照周期為14 h/10 h(L/D)的人工氣候室中培養(yǎng)，用水澆灌至萌發(fā)后間苗；每孔留1株并用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌，待幼苗長(zhǎng)至2葉1心期后，進(jìn)行鹽脅迫處理。為避免鹽激效應(yīng)，鹽脅迫溶液(將鹽充分溶于Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中)以每天遞增25 mmol·L-1的鹽濃度澆灌，對(duì)照只澆Hoagland營(yíng)養(yǎng)液；待鹽脅迫溶液達(dá)最終濃度后，每2 d更換1次鹽脅迫溶液(期間采用稱重法補(bǔ)充所蒸發(fā)的水分)。培養(yǎng)15 d后取樣進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

K+、Na+含量測(cè)定參照王明泉[19]的方法。脅迫處理結(jié)束后，從每個(gè)鹽處理重復(fù)中選取3株幼苗，用蒸餾水洗凈后擦干表面水分，將根、莖、葉分開(kāi)，置于烘箱中于105 ℃殺青30 min，然后用75 ℃烘干至質(zhì)量恒定。將干材料粉碎后過(guò)0.25 mm孔篩，準(zhǔn)確稱取0.2 g樣品，經(jīng)濃硫酸-過(guò)氧化氫消煮后，用雙蒸水定容至100 mL，取5 mL上清液定容至50 mL，用FP640火焰光度計(jì)測(cè)定。由于在200 mmol·L-1NaCl脅迫下湖南稷子幼苗植株枯萎死亡，因此下文結(jié)果與分析中沒(méi)有200 mmol·L-1NaCl脅迫下的數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差；采用DPS 7.05 Duncan分析法進(jìn)行差異顯著性分析；用Origin 2018軟件作圖。不同部位的K+和Na+運(yùn)輸選擇性系數(shù)參照王鎖民等[20]的方法。計(jì)算方法如下：

根系與莖鞘ST1K，Na(運(yùn)輸)=[(K+)莖鞘/(Na+)莖鞘]/[(K+)根/(Na+)根]；

莖鞘與綠葉ST2K，Na(運(yùn)輸)=[(K+)綠葉/(Na+)綠葉]/[(K+)莖鞘/(Na+)莖鞘]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對(duì)苗期湖南稷子不同部位K+含量的影響

短?hào)派喜煌懽帜副硎静煌}濃度間差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters above bars indicated significant differences at P<0.05 under the same salt stress among different salt concentrations. The same as below.圖1 鹽脅迫對(duì)植株不同部位K+含量的影響Fig.1 Effect of salt stress on K+ content in different organs of Echinochloa frumentacea seedlings

由圖1可知，隨著NaCl和Na2SO4脅迫濃度的增加，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系中K+含量均呈下降趨勢(shì)。除了Na2SO4脅迫濃度為25 mmol·L-1時(shí)根系的K+含量與對(duì)照沒(méi)有顯著差異外，其余鹽濃度下各部位中的K+含量均顯著(P<0.05)低于對(duì)照；相同濃度NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗莖鞘中的K+含量均不同程度的高于葉片和根系。在鹽濃度≥100 mmol·L-1時(shí)，根系中K+含量均低于葉片和莖鞘。葉片、莖鞘、根系中K+含量分別在NaCl和Na2SO4脅迫濃度為150 mmol·L-1和200 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最低值，分別為對(duì)照的53.99%、34.64%、36.15%和46.39%、25.07%、35.71%。在鹽濃度≥50 mmol·L-1時(shí)，NaCl脅迫下葉片中的K+含量高于同一濃度下的Na2SO4脅迫；在鹽濃度≤75 mmol·L-1時(shí)，NaCl脅迫下莖鞘中的K+含量高于同一濃度下的Na2SO4脅迫；而在鹽濃度>75 mmol·L-1時(shí)，莖鞘中的K+含量低于同一濃度的Na2SO4脅迫；除鹽濃度為50 mmol·L-1外，NaCl脅迫下根系中K+含量均低于同一濃度的Na2SO4脅迫。

2.2 鹽脅迫對(duì)苗期湖南稷子不同部位Na+含量的影響

圖2 鹽脅迫對(duì)植株不同部位Na+含量的影響Fig.2 Effect of salt stress on Na+ content in different organs of Echinochloa frumentacea seedlings

不同鹽脅迫對(duì)湖南稷子幼苗不同部位Na+含量的影響如圖2所示，隨著NaCl和Na2SO4濃度的增加，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系中的Na+含量均較對(duì)照顯著增加(P<0.05)，不同鹽脅迫下，不同部位間的Na+含量均表現(xiàn)出根系>莖鞘>葉片，且根系中的Na+含量均顯著高于葉片和莖鞘(P<0.05)。NaCl脅迫下，湖南稷子不同部位的Na+含量均隨鹽濃度的增加呈顯著上升趨勢(shì)(P<0.05)，在鹽濃度為150 mmol·L-1時(shí)，葉片、莖鞘和根系的Na+含量分別是對(duì)照的5.77、6.39和7.15倍；不同鹽濃度下，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系中的Na+含量均差異顯著(P<0.05)。Na2SO4脅迫下，隨著鹽濃度的增加，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘與根系中Na+含量均呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，葉片和莖鞘的Na+含量在鹽濃度為100 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，分別是對(duì)照的5.18和5.88倍；根系的Na+含量在鹽濃度為125 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，是對(duì)照的8.22倍。鹽濃度<125 mmol·L-1時(shí)，除在鹽濃度為25 mmol·L-1時(shí)Na2SO4脅迫下葉片中的Na+含量略低于NaCl脅迫外，湖南稷子幼苗葉片和莖鞘中的Na+含量在Na2SO4脅迫下高于相同濃度的NaCl脅迫；當(dāng)鹽濃度≥125 mmol·L-1時(shí)，葉片和莖鞘中的Na+含量在Na2SO4脅迫下低于相同濃度的NaCl脅迫；湖南稷子幼苗根系中的Na+含量在Na2SO4脅迫下均顯著高于相同濃度的NaCl脅迫(P<0.05)。

2.3 鹽脅迫對(duì)苗期湖南稷子不同部位K+/Na+的影響

由表1可知，在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系K+/Na+均隨鹽濃度的增加呈降低趨勢(shì)，且鹽脅迫下均顯著(P<0.05)低于對(duì)照。在NaCl濃度為150 mmol·L-1時(shí)，葉片、莖鞘和根系K+/Na+均為最低，分別是對(duì)照的9.32%、5.37%和5.11%；當(dāng)Na2SO4濃度為200 mmol·L-1時(shí)，葉片、莖鞘和根系K+/Na+達(dá)到最低值，分別是對(duì)照的9.89%、5.17%和4.79%。NaCl脅迫下，在NaCl≤125 mmol·L-1時(shí)，除在鹽濃度為25 mmol·L-1的葉片K+/Na+和鹽濃度為125 mmol·L-1時(shí)莖鞘K+/Na+略低于相同濃度的Na2SO4脅迫外，葉片、莖鞘和根系K+/Na+均高于相同濃度的Na2SO4脅迫；當(dāng)鹽濃度>125 mmol·L-1時(shí)，葉片、莖鞘和根系K+/Na+在Na2SO4脅迫下趨于穩(wěn)定且略高于相同濃度的NaCl脅迫。湖南稷子幼苗K+/Na+在低鹽濃度(25和50 mmol·L-1)時(shí)，NaCl脅迫下表現(xiàn)出莖鞘>葉片>根系，在中、高鹽濃度下表現(xiàn)出葉片>莖鞘>根系；Na2SO4脅迫下K+/Na+表現(xiàn)為葉片>莖鞘>根系。

表1 鹽脅迫對(duì)植株不同部位K+/Na+的影響

2.4 鹽脅迫對(duì)苗期湖南稷子K+、Na+選擇性運(yùn)輸?shù)挠绊?/h3>

如圖3-A所示，在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗根系向莖鞘的運(yùn)輸選擇性系數(shù)(ST1K，Na)隨著鹽濃度的增加均呈先升高后降低的趨勢(shì)。ST1K，Na值分別在NaCl濃度為100 mmol·L-1和Na2SO4濃度為150 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大，分別是對(duì)照的1.13和1.36倍(P<0.05)；除NaCl脅迫濃度為25 mmol·L-1時(shí)ST1K，Na值與對(duì)照沒(méi)有差異外，其他濃度下NaCl脅迫和Na2SO4脅迫的ST1K，Na值均顯著(P<0.05)高于對(duì)照；在鹽濃度為50～100 mmol·L-1時(shí)，ST1K，Na值在NaCl脅迫下高于同一濃度的Na2SO4脅迫，其他鹽濃度下均低于同一濃度的Na2SO4脅迫，總體表現(xiàn)出Na2SO4脅迫下的ST1K，Na值較NaCl脅迫下高。

由圖3-B可知，在NaCl和Na2SO4脅迫下，莖鞘向葉片的運(yùn)輸選擇性系數(shù)(ST2K，Na)變化趨勢(shì)不一致，但均顯著高于對(duì)照(P<0.05)。在NaCl脅迫下，湖南稷子幼苗ST2K，Na值隨鹽濃度的增加呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，在鹽濃度為100 mmol·L-1時(shí)ST2K，Na值達(dá)到最大，是對(duì)照的1.83倍(P<0.05)；除125 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl脅迫之間ST2K，Na值沒(méi)有顯著差異外，其他各濃度之間的ST2K，Na值均差異顯著(P<0.05)。在Na2SO4脅迫下，ST2K，Na值隨鹽濃度的增加呈上升趨勢(shì)，Na2SO4濃度為200 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，是對(duì)照的1.89倍(P<0.05)；Na2SO4濃度為25～150 mmol·L-1時(shí)，ST2K，Na值在各處理之間沒(méi)有顯著差異(P>0.05)。在低鹽濃度(25和50 mmol·L-1)下，Na2SO4脅迫下的ST2K，Na值高于相同濃度的NaCl脅迫，隨鹽濃度的增加，NaCl脅迫下ST2K，Na值高于相同濃度的Na2SO4脅迫。

圖3 鹽脅迫對(duì)K+、Na+運(yùn)輸選擇性系數(shù)的影響Fig.3 Effect of salt stress on K+， Na+ transport selectivity coefficient of the Echinochloa frumentacea seedling

3 結(jié)論與討論

3.1 鹽脅迫對(duì)湖南稷子幼苗生長(zhǎng)和不同部位K+、Na+含量的影響

植物對(duì)鹽離子的過(guò)量吸收和拮抗作用是造成鹽脅迫傷害的重要因素之一。Na+是造成植物鹽害與產(chǎn)生鹽漬生境的主要離子[21]，過(guò)多的Na+在細(xì)胞內(nèi)聚集會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用[22]。K+是植物體生長(zhǎng)發(fā)育所必須的大量元素，在鹽脅迫下調(diào)控離子平衡、滲透調(diào)節(jié)、維持細(xì)胞膨壓和蛋白質(zhì)合成等方面具有重要作用[23]。由于K+和Na+具有相似的離子半徑和水合能[21]，因此鹽漬環(huán)境下主要限制了K+的吸收，造成K+虧缺，最終導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育受阻。本研究中，在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗各器官中Na+含量增加，K+含量下降，這與李品芳等[5]、董秋麗等[24]、董放等[25]的研究結(jié)果相似。湖南稷子幼苗各器官中K+含量在低鹽脅迫下表現(xiàn)為莖鞘>根系>葉片，可能由于根系和莖鞘首先受到Na+脅迫，為了保證K+、Na+離子平衡，使K+含量高于葉片；當(dāng)鹽濃度大于75 mmol·L-1時(shí)，K+含量呈現(xiàn)出莖鞘>葉片>根系，且下降趨勢(shì)趨于穩(wěn)定，說(shuō)明在中、高鹽濃度脅迫下，湖南稷子幼苗地上部具有較好的維持K+穩(wěn)態(tài)的能力。根系作為首先受到影響的器官，Na+在根部累積從而減少向地上部的運(yùn)輸，減輕了地上部Na+的毒害作用[26]。王志春等[27]對(duì)水稻的研究表明，Na+含量在各器官中的分布為根>葉鞘>葉，本研究結(jié)果與此相似；這說(shuō)明湖南稷子根部表現(xiàn)出較好的限鈉能力，是其應(yīng)對(duì)鹽脅迫的一種生理機(jī)制。本研究結(jié)果顯示，鹽濃度≥50 mmol·L-1時(shí)，NaCl脅迫下葉片K+含量高于同一濃度下的Na2SO4脅迫；中、高鹽濃度(>75 mmol·L-1)時(shí)，NaCl脅迫下莖鞘和根系K+含量均低于同一濃度的Na2SO4脅迫；鹽濃度≥125 mmol·L-1時(shí)，NaCl脅迫下葉片和莖鞘中的Na+含量均高于同一濃度的Na2SO4脅迫。說(shuō)明中、高鹽濃度下，Na2SO4脅迫下湖南稷子莖鞘和根系能維持較高的K+含量，同時(shí)其限制地上部對(duì)Na+的吸收作用強(qiáng)于NaCl，從而表現(xiàn)出較高的耐鹽性。

3.2 鹽脅迫對(duì)湖南稷子幼苗不同部位K+/Na+和K+、Na+運(yùn)輸選擇性的影響

植物保持細(xì)胞內(nèi)的離子平衡對(duì)維持正常生長(zhǎng)至關(guān)重要。由于Na+和K+的競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用，鹽脅迫下Na+過(guò)量積累、K+大量外流，因而植物細(xì)胞質(zhì)保持高K+/Na+的能力是植物進(jìn)行正常生理代謝的決定性因素[28]，同時(shí)K+/Na+是禾本科牧草重要的耐鹽指標(biāo)之一[29]。本試驗(yàn)中，在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系K+/Na+呈降低趨勢(shì)，這與張永亮等[7]、李品芳等[18]的研究結(jié)果一致。鹽脅迫下，湖南稷子幼苗葉片和莖鞘中的K+/Na+顯著高于根系，表明湖南稷子通過(guò)離子選擇分配來(lái)首先保證地上部幼嫩組織維持較高K+/Na+，以抵御鹽害[11]。NaCl脅迫下湖南稷子幼苗各部位K+/Na+均高于Na2SO4脅迫，這可能是因?yàn)橄嗤瑵舛萅a2SO4中Na+濃度是NaCl中Na+濃度的2倍造成的[24]。隨著鹽濃度的增加，NaCl脅迫下湖南稷子幼苗莖鞘和葉片中K+/Na+顯著下降，而在鹽濃度≥100 mmol·L-1時(shí)，Na2SO4脅迫下葉片和莖鞘中K+/Na+保持穩(wěn)定，可見(jiàn)湖南稷子對(duì)Na2SO4有較強(qiáng)的耐性，這可能是因?yàn)镹aCl脅迫下湖南稷子幼苗同時(shí)受到了高濃度Na+和Cl-的脅迫。

植物對(duì)鹽漬化生境下的Na+和K+進(jìn)行選擇性吸收，是植物減輕鹽害的重要機(jī)制。STK，Na是表示植物不同器官之間對(duì)Na+、K+的選擇性運(yùn)輸能力，STK，Na值越大，表明控制Na+和對(duì)K+的選擇性運(yùn)輸能力越強(qiáng)[20]。試驗(yàn)結(jié)果表明，鹽脅迫下，根系向莖鞘的運(yùn)輸選擇性系數(shù)(ST1K，Na)和莖鞘向葉片的運(yùn)輸選擇性系數(shù)(ST2K，Na)均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，且ST1K，Na值大于ST2K，Na值，說(shuō)明鹽脅迫下湖南稷子幼苗由根系向莖鞘運(yùn)輸K+的能力高于由莖鞘向葉片運(yùn)輸K+的能力，這與王鎖民等[17]對(duì)抽穗初期湖南稷子的研究有所差異，可能不同生育時(shí)期也影響鹽脅迫下湖南稷子對(duì)K+、Na+的選擇性吸收。ST1K，Na、ST2K，Na在NaCl脅迫下均先升高后降低，而ST2K，Na在Na2SO4脅迫下呈逐漸上升的變化趨勢(shì)；高鹽濃度(大于100 mmol·L-1)下Na2SO4脅迫的ST1K，Na值顯著高于NaCl脅迫；鹽濃度為25～150 mmol·L-1時(shí)，在Na2SO4脅迫下ST2K，Na值沒(méi)有顯著差異，而在NaCl脅迫下顯著升高，可能是NaCl脅迫下湖南稷子幼苗遭受的離子毒害作用更強(qiáng)，從而增加K+由莖鞘向葉片等光合器官運(yùn)輸來(lái)減緩離子毒害，而N2SO4鹽對(duì)湖南稷子幼苗的毒害作用沒(méi)有NaCl強(qiáng)，故K+運(yùn)輸緩慢增加。

本研究結(jié)果表明，鹽脅迫下，湖南稷子幼苗Na+含量增加，K+含量下降。Na+在湖南稷子植株不同器官之間的累積次序?yàn)楦?莖鞘>葉片，K+含量在不同器官中的分布隨著鹽濃度的增加有所差異，但總體表現(xiàn)為地上部大于根部，地上部K+/Na+明顯高于根部。鹽脅迫下，湖南稷子幼苗ST1K，Na值高于ST2K，Na值，說(shuō)明湖南稷子根系對(duì)K+的吸收具有較高的選擇性。高鹽濃度(≥125mmol·L-1)下，Na2SO4脅迫下地上部K+/Na+趨于穩(wěn)定，莖鞘和根系中K+含量和ST1K，Na值高于相同濃度的NaCl脅迫，而葉片和莖鞘中Na+含量低于NaCl脅迫；ST2K，Na值在Na2SO4脅迫下呈上升趨勢(shì)，在NaCl脅迫下先升高后降低。綜上，高鹽濃度下湖南稷子對(duì)Na2SO4具有更強(qiáng)的耐性。