高鹽脅迫下小麥幼苗離子吸收動(dòng)態(tài)及耐鹽性篩選*

董宏圖, 解超杰, 侯佩臣, 李?lèi)?ài)學(xué), 王曉冬**

高鹽脅迫下小麥幼苗離子吸收動(dòng)態(tài)及耐鹽性篩選*

董宏圖1, 解超杰2, 侯佩臣1, 李?lèi)?ài)學(xué)1, 王曉冬1**

(1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心 北京 100097; 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 北京 100193)

耐鹽能力評(píng)價(jià)是小麥引種、篩選和育種的研究基礎(chǔ)。為利用離子流檢測(cè)技術(shù)快速篩選耐鹽小麥品種提供依據(jù), 本文以普通小麥耐鹽品種‘德抗961’和‘薛早’、中度耐鹽材料3D232、鹽敏感品種‘遼春10號(hào)’和‘京411’為試驗(yàn)材料, 利用動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè)技術(shù)對(duì)250 mmol?L?1NaCl脅迫下小麥苗期根部對(duì)K+、Na+、Cl-的吸收情況進(jìn)行檢測(cè), 并對(duì)小麥生長(zhǎng)性狀及離子濃度變化進(jìn)行測(cè)定, 以確立離子吸收與小麥耐鹽性的關(guān)系。研究結(jié)果表明: 1)與無(wú)鹽脅迫(CK)相比, 250 mmol?L?1NaCl脅迫24 h后, 鹽敏感小麥品種‘遼春10’和‘京411’的K+由內(nèi)流轉(zhuǎn)變?yōu)橥饬? 中等耐鹽材料3D232表現(xiàn)出K+外流速度減少, 耐鹽品種‘德抗961’和‘薛早’則表現(xiàn)出維持K+的內(nèi)流或K+外流變?yōu)閮?nèi)流; Na+均表現(xiàn)為脅迫后外排速度增大, 速度值區(qū)間由13.86~46.88 pmol?cm?2?s?1變?yōu)?1~150 pmol?cm?2?s?1; 相較Na+, Cl-外排速度升高幅度較大, 其中‘遼春10號(hào)’外排量變化最大, 外排速度是脅迫前的10倍, Na+、Cl-外排速度變化與品種耐鹽性無(wú)明顯相關(guān)性。2)高鹽脅迫下, 鹽敏感小麥的根苗比降低, 耐鹽小麥根苗比升高; 鹽敏感小麥品種鮮重較CK顯著下降, 耐鹽小麥品種變化不顯著。3)鹽脅迫條件下, 耐鹽及中等耐鹽小麥品種, 根部及地上部K+含量較CK分別增加57%~88%和18%~112%, 鹽敏感小麥則分別降低40%~44%和24%~42%; 耐鹽小麥地上部Na+增加倍數(shù)小于鹽敏感材料, 將更多的Na+阻隔在根部, 表現(xiàn)出了較好的區(qū)隔Na+能力。4)鹽脅迫后K+流速與耐鹽性評(píng)價(jià)指標(biāo)根冠比變化量、鮮重變化率均呈高度的相關(guān), 其擬合度分別為0.972和0.832。250 mmol?L?1NaCl脅迫24 h后小麥根部成熟區(qū)K+流速可以作為小麥耐鹽性篩選的重要生物標(biāo)記。

小麥; 鹽脅迫; 離子流; 耐鹽性; 動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè); 非損傷微測(cè)技術(shù)

土壤鹽漬化是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量提高的重要非生物逆境之一, 嚴(yán)重制約著作物的生長(zhǎng)發(fā)育[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]全世界有超過(guò)8億hm2的土地受鹽害影響, 約占世界總陸地面積的7%, 這極大程度上降低了作物的產(chǎn)量。小麥()作為一種淡土植物, 生長(zhǎng)期易受到鹽堿和水分等非生物因素影響[3-4],因而, 篩選耐鹽性較強(qiáng)的小麥品種對(duì)于合理利用鹽堿地, 提高小麥產(chǎn)量具有重要意義。一直以來(lái), 人們期望通過(guò)提高小麥的耐鹽能力來(lái)解決鹽害給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)的不良影響[4]。由于小麥的生理和遺傳復(fù)雜性, 當(dāng)前小麥耐鹽鑒定還停留在對(duì)形態(tài)和生理指標(biāo)的鑒定階段, 如測(cè)定根冠比、生物量、離子含量等[5], 鑒定過(guò)程繁瑣、周期長(zhǎng)且重復(fù)性較差, 缺乏快速可靠的品種篩選技術(shù)是當(dāng)前作物耐鹽育種程序的瓶頸之一。

鹽脅迫下植物能否維持體內(nèi)的離子平衡對(duì)其適應(yīng)高鹽環(huán)境至關(guān)重要, 目前很多學(xué)者圍繞鹽脅迫下小麥的離子吸收情況開(kāi)展了相關(guān)研究。Cuin等[6]發(fā)現(xiàn),基因家族調(diào)控著小麥根部細(xì)胞Na+的一個(gè)主動(dòng)外排過(guò)程, 耐鹽小麥品種能夠?qū)a+區(qū)域化到液泡中, 并且Na+外排活性最強(qiáng), 鹽敏感小麥中Na+大量聚集在根部細(xì)胞質(zhì)中, 擾亂了細(xì)胞質(zhì)的Na+/K+平衡, 表明植物的耐鹽性與其體內(nèi)Na+的分布之間有一定的聯(lián)系, 細(xì)胞質(zhì)外排Na+是植物抵抗外界高鹽環(huán)境的重要措施。以上研究表明在遭受鹽害后根部維持離子平衡的能力可能是衡量植物耐鹽性的一個(gè)重要特征, 但對(duì)于鹽脅迫下小麥植株耐鹽性強(qiáng)弱與哪種離子相關(guān)性最密切則鮮見(jiàn)報(bào)道。

非損傷微測(cè)技術(shù)(non-invasive micro-test technique, NMT)是一種離子流動(dòng)態(tài)檢測(cè)的技術(shù), 該技術(shù)能夠不接觸被測(cè)樣品, 通過(guò)在其表面進(jìn)行活體、無(wú)損傷測(cè)量獲取被測(cè)樣本與外界離子的交互信息, 獲取樣品進(jìn)出離子/分子的流動(dòng)方向、速度等信息, 在保持樣本完整度的同時(shí), 揭示植物的生理生化機(jī)理[7]。該技術(shù)目前已被應(yīng)用于植物耐鹽性研究中, Sun等[8]利用非損傷微測(cè)結(jié)合激光共聚焦技術(shù), 研究了胡楊()細(xì)胞響應(yīng)初始鹽脅迫的生理機(jī)制, 建立了胡楊K+/Na+平衡調(diào)控的鹽脅迫信號(hào)通路; 馬榮等[9]研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下根系K+外流及Na+過(guò)量積累導(dǎo)致小麥組織中Na+/K+上升, 推斷小麥根系對(duì)K+的保有能力可作為小麥耐鹽性評(píng)價(jià)指標(biāo), 但該研究并未建立K+流速變化與耐鹽性之間的關(guān)聯(lián)。因此, 在前人及本實(shí)驗(yàn)室前期研究基礎(chǔ)上, 本文使用動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè)技術(shù), 通過(guò)測(cè)定鹽脅迫條件下K+、Na+、Cl-的流速變化, 分析這些離子與耐鹽生理指標(biāo)根苗比變化量、鮮重變化量的相關(guān)性, 選出與植物耐鹽性強(qiáng)弱最為密切的離子流速作為評(píng)價(jià)小麥品種耐鹽性強(qiáng)弱的生理標(biāo)記, 為小麥的耐鹽性研究、重要品種資源的耐鹽性無(wú)損鑒定提供技術(shù)支持, 進(jìn)而加速小麥耐鹽育種進(jìn)程[10-11]。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為不同耐鹽性小麥品種/材料, 包括耐鹽品種‘德抗961’和‘薛早’, 中等耐鹽材料3D232, 鹽敏感品種‘遼春10號(hào)’和‘京411’。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 小麥幼苗的培養(yǎng)

取每種小麥種子240粒, 10% NaClO室溫下消毒10 min, 蒸餾水沖洗5~6次, 分別放入10 cm′10 cm′5 cm的發(fā)芽盒中, 底部墊1張離子水浸濕的濾紙為宜, 置于24 ℃的培養(yǎng)箱中黑暗催芽24 h后置于正常條件下培養(yǎng), 光照周期12 h/12 h, 溫度周期24 ℃/22 ℃, 待苗齡至4 d, 將其轉(zhuǎn)至改良的1/2-Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中, 置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。待苗齡為7 d時(shí), 以1/2-Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為對(duì)照(CK), 含250 mmol?L?1NaCl的1/2-Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為處理,每種小麥選取長(zhǎng)勢(shì)相同的幼苗180株, 每組30株, 每個(gè)處理3次重復(fù), 24 h后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。

1.2.2 生長(zhǎng)量測(cè)定

根/苗長(zhǎng)測(cè)定: NaCl脅迫24 h后, 將小麥幼苗從培養(yǎng)溶液中取出, 量取小麥根長(zhǎng)和苗長(zhǎng), 稱取植株鮮重, 每個(gè)小麥品種統(tǒng)計(jì)10株, 每組3個(gè)重復(fù)。

根苗比=植物根長(zhǎng)/植物苗長(zhǎng) (1)

根苗比變化量=對(duì)照組小麥根苗比?鹽脅迫組小麥根苗比 (2)

鹽脅迫后植株鮮重變化率=(對(duì)照組鮮重?鹽脅迫組鮮重)/正常條件生長(zhǎng)小麥鮮重 (3)

1.2.3 K+、Na+、Cl-離子流的測(cè)定

采用植物微觀動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè)設(shè)備(BIO-IFDD-001)測(cè)定苗齡8 d對(duì)照和250 mmol?L?1NaCl脅迫24 h的小麥根部成熟區(qū)離子流的變化情況[9-10]。取尖端直徑4~5 μm的玻璃微電極, 從后端灌沖約10 mm的離子灌充液(K+, 100 mmol?L?1KCl; Cl-, 100 mmol?L?1KCl; Na+, 250 mmol?L?1NaCl), 通過(guò)灌裝泵向電極的尖端灌充相應(yīng)的LIX (K+,180 μm; Cl-, 15~50 μm; Na+, 15~50 μm)。將制作好的電極安裝在氯化的Ag/AgCl電極固定架上, 使Ag/AgCl銀絲前段浸入到灌充液中, 并將其連接到前置放大器上, 參比電極為固體電極。

離子流檢測(cè)前, 對(duì)新灌制電極進(jìn)行兩濃度校正(K+: 0.1, 1 mmol?L?1KCl; Na+: 0.5, 5 mmol?L?1NaCl; Cl-: 0.1, 1 mmol?L?1KCl)。能斯特斜率符合58±5的電極用于檢測(cè)。測(cè)量區(qū)域是距根尖10 mm左右的根系成熟區(qū)。將電極尖端置于距離根表面10 μm位置, 電極垂直于根表面進(jìn)行兩點(diǎn)往復(fù)移動(dòng), 獲得兩點(diǎn)的電壓差, 兩點(diǎn)移動(dòng)距離為30 μm, 每個(gè)樣品穩(wěn)定測(cè)量10 min、8個(gè)重復(fù), 結(jié)果取每分鐘流速平均值及總流速平均值[12]。

1.2.4 離子含量的測(cè)定

分別選取生長(zhǎng)均勻一致的對(duì)照及處理小麥幼苗各90株, 將地上部、根分開(kāi)并迅速用自來(lái)水沖洗后, 用去離子水沖洗3次, 用紙吸干表面水分, 稱取鮮重。將處理好的苗子105 ℃下殺青15 min, 后80 ℃下烘至恒重。將烘干后的材料研磨成粉末用于離子含量測(cè)定, 每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù)。K+、Na+離子含量檢測(cè)參考王寶山等[13]的方法略做修改后進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理, 采用SAS軟件進(jìn)行方差分析, Duncan法進(jìn)行多重比較, 使用Origin 2019b軟件完成作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對(duì)小麥幼苗離子吸收的影響

2.1.1 對(duì)K+離子流的影響

耐鹽小麥‘德抗961’正常生長(zhǎng)條件下K+為內(nèi)流狀態(tài), 平均離子流速為-54.17 pmol?cm?2?s?1, 鹽脅迫條件下K+流速變化不顯著, 平均流速為-34.64 pmol?cm?2?s?1; ‘薛早’正常條件下K+內(nèi)流, 平均離子流速為-2.36 pmol?cm?2?s?1, 鹽脅迫24 h后K+內(nèi)流速度顯著增大, 平均流速為-14.41 pmol?cm?2?s?1。中等耐鹽小麥3D232幼苗正常生長(zhǎng)條件下K+外流, 平均離子流速為42.90 pmol?cm?2?s?1, 脅迫后K+外流速度顯著下降為4.57 pmol?cm?2?s?1。與耐鹽小麥相比, 鹽敏感小麥‘遼春10號(hào)’和‘京411’離子流速均由內(nèi)流變?yōu)轱@著外流, 其中‘京411’的流速受NaCl脅迫的影響最大, 流速?gòu)恼l件的-44.20 pmol?cm?2?s?1變?yōu)?16.86 pmol?cm?2?s?1, 相對(duì)外流速度增大了161 pmol·cm-2·s-1(圖1)。同時(shí), 從K+實(shí)時(shí)流速變化可看出, 在10 min離子動(dòng)態(tài)測(cè)量中各小麥材料離子流速相對(duì)穩(wěn)定(圖2), 并未出現(xiàn)離子流速隨時(shí)間逐漸升高或降低的現(xiàn)象, 說(shuō)明對(duì)離子流速平均值的計(jì)算可以代表離子的實(shí)時(shí)吸收狀態(tài)。在鹽脅迫條件下, 耐鹽小麥材料保K+能力高于鹽敏感材料, 且耐鹽能力越高, 鉀離子流失量越少。

2.1.2 對(duì)Na+離子流的影響

對(duì)照條件下小麥幼苗根系均表現(xiàn)為Na+外排, 除‘薛早’Na+外排速度較小外, 其他4個(gè)小麥品種Na+外排速度差異不顯著(圖3)。平均流速為13.86~46.88 pmol?cm?2?s?1。同時(shí), 從Na+實(shí)時(shí)流速變化情況可以看出(圖4A), 在10 min離子動(dòng)態(tài)測(cè)量中Na+離子流速呈震蕩外排狀態(tài), 外排趨勢(shì)穩(wěn)定。與對(duì)照相比, NaCl脅迫24 h使Na+外排速度均顯著升高, ‘德抗961’ ‘薛早’ ‘3D232’ ‘遼春10號(hào)’和‘京411’外排平均流速分別提高到61.19 pmol?cm?2?s?1、112.54 pmol?cm?2?s?1、81.36 pmol?cm?2?s?1、150.70 pmol?cm?2?s?1和74.11 pmol?cm?2?s?1, 其中‘遼春10號(hào)’外流速度變化最大, 平均流速比對(duì)照增加104.5 pmol?cm?2?s?1, ‘薛早’次之, 平均流速增大了88.68 pmol?cm?2?s?1。同時(shí)鹽脅迫后Na+實(shí)時(shí)離子流速呈震蕩變?nèi)?、比較平緩的外排狀態(tài)(圖4B)。結(jié)果表明, 高鹽脅迫會(huì)提高小麥幼苗Na+外排速度, 但外排速度變化量大小與材料的耐鹽性強(qiáng)弱并不一致。

不同小寫(xiě)字母表示不同品種及兩個(gè)處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among different varieties and NaCl treatments at<0.05 level.

A圖為對(duì)照的K+流速, B圖為250 mmol?L?1NaCl脅迫24 h后的K+流速。每株小麥幼苗持續(xù)測(cè)定10 min, 每一點(diǎn)均為≥3個(gè)重復(fù)的平均值。當(dāng)流速值為負(fù)時(shí), 表示根吸收離子, 反之為釋放離子。Fig. A shows the K+flux of the control, fig. B shows the K+flux after 250 mmol?L?1NaCl stress for 24 h. Each seedling is measured for 10 min, and each value is an average of ≥3 replicates. When the flux is negative, it means that the root absorbs ions, and vice versa.

2.1.3 對(duì)Cl-離子流的影響

相對(duì)于Na+的外排速度, 鹽脅迫處理24 h的Cl-外流速度變化更大(圖5、圖6)。正常條件下小麥幼苗根系對(duì)Cl?均表現(xiàn)為少量外排, 平均流速: ‘德抗961’為205.75 pmol?cm?2?s?1、‘薛早’為110.58 pmol?cm?2?s?1、3D232為55.21 pmol?cm?2?s?1、‘遼春10號(hào)’為581.90 pmol?cm?2?s?1、‘京411’為444.52 pmol?cm?2?s?1, 耐鹽及中等耐鹽小麥流速無(wú)明顯差異。除‘遼春10號(hào)’呈現(xiàn)震蕩外排外, 其余4種小麥材料均呈平穩(wěn)外排(圖6A)。鹽脅迫條件下所有小麥的Cl?外排速度均顯著提高, 分別為: ‘德抗961’ 2234.64 pmol?cm?2?s?1、‘薛早’ 1108.04 pmol?cm?2?s?1、3D232 1335.14 pmol?cm?2?s?1、‘遼春10號(hào)’ 6066.18 pmol?cm?2?s?1、‘京411’ 1080.97 pmol?cm?2?s?1, 外排速度分別是對(duì)照的10.86倍、10.02倍、24.18倍、10.42倍和2.43倍, 變化幅度最大的為3D232, 幅度最小的為鹽敏感小麥‘京411’, 其余3種材料變化基本一致。表明鹽脅迫會(huì)導(dǎo)致Cl?大量積累, 但Cl?變化大小與小麥耐鹽性之間無(wú)明顯一致性。

不同小寫(xiě)字母表示不同品種及兩個(gè)處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among different varieties and NaCl treatments at<0.05 level.

2.2 鹽脅迫對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)性狀的影響

2.2.1 對(duì)根苗比的影響

植物幼苗的根苗比是衡量耐鹽性的一個(gè)重要指標(biāo)[14]。通過(guò)測(cè)定, 鹽脅迫對(duì)5種小麥幼苗根苗比影響顯著(圖7A)。NaCl脅迫引起了耐鹽小麥‘德抗961’ ‘薛早’及中等耐鹽小麥3D232根苗比顯著上升, 其中3D232根苗比提高幅度最大, 相較于對(duì)照提高41%;鹽敏感小麥‘遼春10號(hào)’ ‘京411’根苗比顯著下降, ‘京411’下降最多, 比對(duì)照降低26%?？傮w上, 鹽脅迫對(duì)鹽敏感小麥根苗比的抑制顯著高于耐鹽小麥。

2.2.2 對(duì)鮮重的影響

與對(duì)照相比, 鹽脅迫降低了小麥幼苗的鮮重(圖7B)。從總體趨勢(shì)上看, 鹽脅迫對(duì)耐鹽小麥鮮重降低的幅度小于鹽敏感材料, 耐鹽及中等耐鹽小麥鹽脅迫下植株鮮重下降不顯著, 而鹽敏感小麥在鹽脅迫條件下鮮重較對(duì)照顯著下降。其中, ‘3D232’脅迫前后植株鮮重基本保持不變, ‘德抗961’和‘薛早’小幅降低, 鹽敏感小麥‘遼春10號(hào)’和‘京411’鮮重較對(duì)照分別降低19%和29%。

2.3 對(duì)K+、Na+含量的影響

NaCl脅迫條件下, 耐鹽小麥‘德抗961’和‘薛早’根部K+含量升高, 與對(duì)照相比分別提高57%和88%; 中等耐鹽小麥3D232, 鹽脅迫后K+含量提高81%。與之相反, 鹽敏感小麥鹽脅迫后根部K+含量均顯著降低, ‘遼春10號(hào)’和‘京411’分別降低44%和40%(圖8B)。地上部鹽脅迫前后K+變化情況與根部基本一致, ‘德抗961’ ‘薛早’、3D232分別提高18%、112%和52%; ‘遼春10號(hào)’ ‘京411’分別降低24%和42%(圖8A)。耐鹽及中等耐鹽小麥鹽脅迫條件下維持了體內(nèi)較高的K+含量。

NaCl脅迫下5種材料根部、地上部Na+含量均顯著增加。‘德抗961’ ‘薛早’、3D232、‘遼春10號(hào)’ ‘京411’地上部Na+含量依次增加了40倍、9倍、27倍、77倍和56倍(圖8C), 根部Na+含量依次增加了37倍、63倍、38倍、27倍和34倍(圖8D)。耐鹽小麥表現(xiàn)出了較好的區(qū)隔Na+能力, ‘德抗961’ ‘薛早’和3D232地上部Na+增加倍數(shù)小于鹽敏感材料, 將更多的Na+保存在根部, 降低了鹽脅迫對(duì)小麥葉片的傷害, 而鹽敏感小麥地上部Na+含量增加倍數(shù)顯著高于其根部。

A圖為對(duì)照的Na+流速, B圖為250 mmol?L?1NaCl脅迫24 h的Na+流速。每株小麥幼苗持續(xù)測(cè)定10 min, 每一點(diǎn)均為≥3個(gè)重復(fù)的平均值。當(dāng)Flux值為負(fù)時(shí), 表示根吸收離子, 反之為根釋放離子。Fig. A shows the Na+flux of control; fig. B shows the Na+flux after 250 mmol?L?1NaCl stress for 24 h. Each seedling was measured for 10 min, and each value was an average of ≥3 replicates. When the flux is negative, it means that the root absorbs ions and vice versa.

不同小寫(xiě)字母表示不同品種及兩個(gè)處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among different varieties and NaCl treatments at<0.05 level.

2.4 生物變化量與鹽脅迫后K+離子流速的相關(guān)性

通過(guò)對(duì)K+、Na+、Cl-流速進(jìn)行測(cè)量, 與對(duì)照相比, 鹽脅迫下K+流速變化與5種小麥耐鹽性強(qiáng)弱較為一致, 為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性, 我們對(duì)鹽脅迫條件下K+流速與根苗比變化量及植株鮮重變化量之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析, 確定高鹽脅迫條件下K+流速作為衡量小麥耐鹽性強(qiáng)弱指標(biāo)的可靠性。

根苗比變化量與鹽脅迫條件下K+流速呈高度的相關(guān), 擬合度達(dá)0.972, 小麥幼苗的根苗比的變化量與鹽脅迫引起的K+流速變化趨勢(shì)基本一致, 表明鹽脅迫條件下的K+流速可作為衡量小麥耐鹽性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(圖9A)。

根苗比變化量與鹽脅迫條件下K+流速呈高度的相關(guān), 其擬合度達(dá)0.832。表明鹽脅迫條件下K+的流速與植物耐鹽性強(qiáng)弱具有較好的一致性, 可以作為衡量小麥耐鹽性的評(píng)價(jià)指標(biāo)(圖9B)。

A圖為對(duì)照的Cl?流速, B圖為250 mmol?L?1NaCl脅迫24 h后的Cl-流速。每株小麥幼苗持續(xù)測(cè)定10 min, 每一點(diǎn)均為≥3個(gè)重復(fù)的平均值。當(dāng)Flux值為負(fù)時(shí), 表示根吸收離子, 反之為釋放離子。Fig. A shows the Cl-flux of the control, fig. B shows the Cl-flux after 250 mmol?L?1NaCl stress for 24 h. Each seedling was measured for 10 min, and each point was an average of ≥3 replicates. When the flux is negative, it means that the root absorbs ions and vice versa.

不同小寫(xiě)字母表示不同品種及兩個(gè)處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among different varieties and NaCl treatments at<0.05 level.

不同小寫(xiě)字母表示品種及兩個(gè)處理間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences among different varieties and NaCl treatments at 0.05 level.

3 討論與結(jié)論

由于高鹽脅迫環(huán)境破壞了植物細(xì)胞膜的完整性,抑制了多種酶的活性, 降低了元素的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn), 打破了植物體內(nèi)的離子平衡[15]。植物在受到鹽脅迫后, 會(huì)通過(guò)離子平衡調(diào)節(jié)、滲透調(diào)節(jié)等途徑來(lái)減少對(duì)植物體的傷害[16]。

本試驗(yàn)利用動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè)技術(shù)測(cè)量了不同耐鹽小麥對(duì)K+、Na+、Cl-的吸收情況。檢測(cè)發(fā)現(xiàn), 鹽敏感小麥品種(‘遼春10號(hào)’和‘京411’)在鹽脅迫下K+表現(xiàn)為外流趨勢(shì), 而對(duì)照表現(xiàn)為K+內(nèi)流。與鹽敏感小麥不同, 耐鹽小麥在高鹽條件下則表現(xiàn)為K+外流速度降低(3D232)、內(nèi)流速度增大(‘薛早’), 或維持K+的內(nèi)流(‘德抗961’)。表明鹽脅迫下, 耐鹽植物通過(guò)吸收或保持體內(nèi)K+濃度, 維持體內(nèi)滲透壓, 降低鹽脅迫對(duì)自身的危害, 這與Cuin等[17]研究證實(shí)的鹽脅迫下小麥體內(nèi)K+的流失幅度大于耐鹽品種這一變化特點(diǎn)基本一致。同時(shí)相關(guān)性分析表明, 植株耐鹽性評(píng)價(jià)重要指標(biāo)生長(zhǎng)指標(biāo)——根冠比變化量及鮮重變化率與鹽脅迫K+離子流速變化量具有較好的一致性, 相關(guān)系數(shù)分別為0.972和0.832。由以上兩個(gè)結(jié)果表明, 鹽脅迫后K+離子流速可以用來(lái)作為衡量小麥耐鹽性高低的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。而Na+、Cl-在正常及鹽脅迫條件下的離子流速與小麥耐鹽性強(qiáng)弱之間并無(wú)明顯的一致性, 不同耐鹽性的小麥對(duì)Na+、Cl-的吸收表現(xiàn)出相同變化趨勢(shì), 即對(duì)照條件下少量外排, 高鹽脅迫下Na+、Cl-離子大量外排, 但小麥材料耐鹽性強(qiáng)弱與外流速度大小之間無(wú)明顯關(guān)聯(lián), 無(wú)法根據(jù)鹽脅迫下Na+、Cl-外流速度的大小判斷各小麥材料之間耐鹽性的強(qiáng)弱。

通過(guò)研究植株體內(nèi)鹽脅迫下K+、Na+變化, 發(fā)現(xiàn)高鹽脅迫下耐鹽小麥體內(nèi)的K+含量升高, 鹽敏感小麥的K+含量降低; 無(wú)論正常條件下還是鹽脅迫下, 耐鹽及中等耐鹽小麥地上部的K+含量均高于根部, 說(shuō)明在鹽脅迫條件下, 植物體通過(guò)維持地上部較高的K+含量, 以減少鹽脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)和光合作用的影響, 這與前人研究證實(shí)植株能否維持地上部較高的K+是決定植物耐鹽性主要因子的觀點(diǎn)基本一致[18]。同時(shí), 這一結(jié)果與動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè)中, 耐鹽及中等耐鹽小麥鹽脅迫條件下表現(xiàn)為K+外排速度減小或保持內(nèi)流的結(jié)果基本一致, 證明了耐鹽小麥維持體內(nèi)較高的K+濃度主要是通過(guò)維持K+的吸收速度來(lái)實(shí)現(xiàn)的[19]。對(duì)不同耐鹽小麥Na+含量比較, 無(wú)論耐鹽還是鹽敏感小麥都不能阻止Na+從根向地上部運(yùn)輸, 但耐鹽及中等耐鹽小麥地上部Na+增加倍數(shù)小于鹽敏感材料, 根部增加量大于鹽敏感小麥, 說(shuō)明耐鹽小麥根系具有一定的截留Na+作用, 使更多的Na+保存于植物根中, 減少對(duì)葉片的傷害, 這可能是由于耐鹽小麥能夠通過(guò)Na+/H+逆向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將過(guò)多的Na+區(qū)隔在液泡中實(shí)現(xiàn)的[20]。而鹽敏感小麥由于體內(nèi)較低的K+含量、高濃度的Na+含量, 導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)K+/Na+比值下降, 抑制了液泡膜上H+-PPase活性和H+跨液泡膜的運(yùn)輸, 進(jìn)而阻礙Na+在液泡內(nèi)的積累。這與前人證明的限制Na+吸收、增加Na+外排, 同時(shí)保證K+的吸收, 維持細(xì)胞質(zhì)較高的K+/Na+比是植物抗鹽性關(guān)鍵指標(biāo)的研究結(jié)果基本一致[21], 這可能是耐鹽小麥達(dá)到較高K+/Na+比值的途徑之一[22]。由于地上部對(duì)Na+的反應(yīng)更為敏感, 使鹽敏感小麥在高鹽環(huán)境下不能維持正常生長(zhǎng), 加劇了高鹽脅迫對(duì)植物的毒害作用。

研究中發(fā)現(xiàn), 不同耐鹽性小麥在高鹽脅迫下, 體內(nèi)Na+含量表現(xiàn)出明顯的差異, 但離子流檢測(cè)并未表現(xiàn)出明顯的差異性, 這可能是鹽脅迫條件下由于Na+和K+具有相似的離子半徑和水合能, 競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合K+跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)載體進(jìn)入植物體內(nèi)[23], 而耐鹽小麥的轉(zhuǎn)運(yùn)載體對(duì)K+更為敏感, 進(jìn)而阻止大量的Na+進(jìn)入小麥根中, 使耐鹽小麥體內(nèi)Na+含量小于鹽敏感小麥。這與Yang等[24]研究中, 高鹽環(huán)境下植物通過(guò)限制Na+攝取、增加Na+外排和細(xì)胞內(nèi)Na+的區(qū)隔化來(lái)降低細(xì)胞內(nèi)Na+積累的結(jié)果一致。說(shuō)明耐鹽性強(qiáng)的小麥材料雖然未表現(xiàn)出比鹽敏感小麥強(qiáng)的Na+外排能力, 但由于拒鹽作用使其體內(nèi)Na+含量低于鹽敏感小麥。耐鹽小麥具備較強(qiáng)的拒Na+、Na+區(qū)隔化及保K+能力是其具備強(qiáng)耐鹽性的主要原因。

本研究以耐鹽小麥品種‘德抗961’ ‘薛早’, 中等耐鹽小麥材料3D232, 鹽敏感小麥品種‘遼春10號(hào)’和‘京411’為試驗(yàn)材料, 以250 mmol?L?1NaCl為脅迫條件, 研究了根系對(duì)K+、Na+、Cl-吸收狀態(tài)與苗期小麥耐鹽性之間的相關(guān)性。結(jié)果表明, 耐鹽性強(qiáng)的小麥品種/材料具有強(qiáng)的保K+能力, 同時(shí)小麥幼苗除了具有Na+區(qū)域化的現(xiàn)象, 還具有拒鹽能力。動(dòng)態(tài)離子流檢測(cè)技術(shù)可以作為一種新的技術(shù)應(yīng)用于耐鹽小麥品種的篩選及耐鹽育種中。本研究結(jié)果表明, 可以利用250 mmol?L?1NaCl脅迫24 h條件下的小麥根部成熟區(qū)K+流速進(jìn)行小麥耐鹽性鑒定。

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Dynamic of ionic absorption and salt tolerance screening in wheat seedling under salt stress*

DONG Hongtu1, XIE Chaojie2, HOU Peichen1, LI Aixue1, WANG Xiaodong1**

(1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 2. College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Salt tolerance evaluation is the basis of wheat introduction, screening, and breeding. Salt stress damages plants mainly through osmotic stress, ion toxicity, and other processes. In this study, salt-sensitive varieties ‘Liaochun10’ and ‘Jing411’, moderately salt-tolerant breeding material 3D232, and highly salt-tolerant varieties ‘DK961’ and ‘Xuezao’ of common wheat were used to analyze ion absorption, growth, and ion concentrations in seedlings under salt concentrations of 0 mmol?L?1(CK) and 250 mmol?L?1sodium chloride (NaCl). The ion flux and direction of potassium (K+), sodium (Na+), and chlorine (Cl-) around the roots of five wheat lines with different salt tolerances were measured by applying dynamic ion detection techniques. The relationship between ion flux and wheat salt tolerance was established by studying the mechanism of wheat salt tolerance, which provided a scientific basis for the rapid selection of salt-tolerant varieties using dynamic ion detection technology. The main results were: 1) the detection of dynamic flux demonstrated that the circulation of K+changed from influx to efflux in the salt-sensitive wheat varieties (‘Liaochun10’ and ‘Jing411’) under salt treatment, whereas in the medium salt-tolerant variety (3D232), the efflux of K+decreased. For the salt-resistant varieties, K+efflux changed to influx (‘Xuezao’) or maintained K+influx (‘DK961’). Na+effluxincreased after stress, and the velocity range changed from 23?47 pmol·cm?2·s?1to 61–150 pmol·cm?2·s?1.Compared with Na+, the Cl?efflux increased, and ‘Liaochun10’ showed the largest change; the efflux was 10 times higher than that under CK. Na+and Cl?efflux were not significantly correlated with salt tolerance. 2) Under salt stress, the root-seedling ratio of salt-sensitive wheat decreased, whereas that of salt-tolerant and mid-salt-tolerant wheat increased. The fresh weight of salt-sensitive wheat decreased significantly compared to CK, but the changes in salt-tolerant and mid-salt-tolerant wheat were not significant. 3) After salt stress, the content of K+in the roots and shoots of salt-tolerant and mid-salt-tolerant wheat increased by 57%–88% and 18%–112%, respectively, whereas in salt-sensitive wheat, it decreased by 40%–44% and 24%–42%, respectively. However, the Na+increase in the shoots of salt-tolerant wheat was less than that of salt-sensitive wheat, and more Na+was blocked in the roots. Salt-tolerant wheat was better able to separate Na+. 4) Under salt stress, the K+flux was highly correlated with changes in the root-seedling ratio and the rate change of fresh weight, with correlation coefficients of 0.972 and 0.832, respectively. In conclusion, under high salt environments, salt-tolerant lines have a stronger ability to protect K+, but K+can also be protected by regional Na+application and salt rejection mechanisms to enhance salt tolerance. The results of this study showed that K+flux in the mature zone of wheat roots can be used as a biomarker for wheat salt tolerance screening after 24 h of 250 mmol×L-1NaCl stress.

Wheat; Salt stress; Ion flux; Salt tolerance; Dynamic ion detection; Non-invasive micro-test technique (NMT)

10.13930/j.cnki.cjea.200664

董宏圖, 解超杰, 侯佩臣, 李?lèi)?ài)學(xué), 王曉冬. 高鹽脅迫下小麥幼苗離子吸收動(dòng)態(tài)及耐鹽性篩選[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2021, 29(4): 762-770

DONG H T, XIE C J, HOU P C, LI A X, WANG X D. Dynamic of ionic absorption and salt tolerance screening in wheat seedling under salt stress[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(4): 762-770

S529

* 廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019B020219003)和國(guó)家自然科學(xué)基金(32001410)資助

王曉冬, 主要研究方向?yàn)橹参锷硇盘?hào)檢測(cè)。E-mail: wangxd@nercita.org.cn

董宏圖, 主要研究方向?yàn)橹参镫x子吸收與養(yǎng)分利用。E-mail: donght@nercita.org.cn

2020-08-11

2020-09-23

* This study was supported by the Key-Area Research and Development Program of Guangdong Province (2019B020219003), and the National Natural Science Fundation of China (32001410).

, E-mail: wangxd@nercita.org.cn

Aug. 11, 2020;

Sep. 23, 2020