鹽脅迫影響豆科牧草種子萌發(fā)的生理機制

管 峰

（長春大學(xué)，吉林 長春 130000）

1 研究背景

豆科牧草富含蛋白質(zhì)、纖維、鈣和維生素，深受家畜的喜愛。同時，豆科牧草的根瘤菌能結(jié)合固定空氣中的游離氮，具有增加土壤肥力和改善土壤的作用，還具有防風(fēng)固沙、水土保持、園林綠化等功能。堿茅具有降低土壤耕作層鹽分、減少土壤蒸發(fā)層積累鹽分和改良鹽漬土的優(yōu)點[1]。星星草、羊草等耐鹽性牧草在改良鹽漬化土壤方面具有良好的效果[2-4]。在相同鹽脅迫下，耐鹽性強的牧草可獲得更穩(wěn)定的收獲。因此，在鹽堿地種植優(yōu)質(zhì)牧草品種是提高地方經(jīng)濟水平的好方法。不同豆科牧草品種之間耐鹽性存在差異，選育耐鹽能力較強的品種在鹽漬化土地大面積種植十分重要，因此對豆科牧草耐鹽性的研究具有十分重要的意義。

2 國內(nèi)外研究進展

2.1 種子吸脹萌發(fā)時生理生化變化

2.1.1 吸水過程的變化

種子吸水具體分為三個階段：第一階段吸水速率加快，這是種子快速吸水的過程，這個過程主要是種子內(nèi)的親水性膠體吸脹作用引起的，無論種子休眠還是不休眠都可以進行吸水。通常來說，種皮松散、蠟質(zhì)和脂質(zhì)含量少的種子吸水速率快，相反則慢。第二階段是吸水速率減慢階段，在這一階段種子內(nèi)部的一些酶開始合成并進行一系列的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，為種子發(fā)芽形態(tài)做好準備，種子的鮮重增大并逐漸穩(wěn)定，這一階段持續(xù)的時間與種子的種類及溫度有密切關(guān)系。第三階段是重新恢復(fù)快速吸水速率階段，吸水速率加快的原因是胚生長引發(fā)的滲透吸水。在這個階段，由于種子內(nèi)生理生化變化和種子生長的需要，吸水速率加快，吸水率提高，鮮重顯著增加，但干重在逐漸降低。

2.1.2 呼吸作用的變化

種子萌發(fā)呼吸過程分為四個階段。第一階段為快速上升階段，干燥的種子CO2的釋放和O2的吸收很難被測定，呼吸速率很低。但隨著種子吸水后，氣體交換速率加快，呼吸作用迅速增加，這可能與線粒體酶活性和三羧酸循環(huán)有密切的關(guān)系。第二階段是吸水滯緩階段，吸水滯緩階段主要是無氧呼吸，這是因為O2的消耗量低于CO2的排放量。第三個階段是再次快速上升階段，這個階段O2的消耗量高于CO2的排放量，這個階段主要是氧呼吸。第四個階段是顯著下降階段，在這一階段貯存物質(zhì)分解，呼吸逐漸減少。細胞呼吸加快使物質(zhì)轉(zhuǎn)化加快，為種子的萌發(fā)和生長提供所需要的營養(yǎng)。

2.1.3 有機物質(zhì)的轉(zhuǎn)化

在胚乳中進行了一系列的轉(zhuǎn)化過程，將蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為氨基酸，將麥芽糖、淀粉轉(zhuǎn)化為單糖，將脂肪轉(zhuǎn)化為脂肪酸和甘油。這些轉(zhuǎn)化的物質(zhì)都用來合成植物的生命物質(zhì)，可以用來生產(chǎn)新的器官。但是，胚中的可溶性小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為難以分解轉(zhuǎn)化的大分子物質(zhì)，簡單的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的物質(zhì)，與胚乳中相反，最終形成新的細胞結(jié)構(gòu)?？傮w來說。在種子發(fā)芽期間，一些貯藏物質(zhì)比如淀粉、脂肪、蛋白質(zhì)等都經(jīng)過了一系列的水解、運輸和重建的代謝過程。

2.2 鹽脅迫對種子萌發(fā)的影響

種子吸脹是種子萌芽的第一步，當(dāng)種子與水直接接觸，它會迅速吸收水分并膨脹，直到細胞中的水分達到一定的飽和狀態(tài)。影響種子吸脹的因素有很多，鹽分是影響種子吸脹的重要環(huán)境因素之一，土壤溶液中鹽濃度過高會抑制種子對水分的吸收，主要是通過滲透脅迫和離子毒害來影響種子的吸脹萌發(fā)。

2.2.1 滲透脅迫

滲透脅迫主要是由于溶液的滲透性降低，隨著土壤鹽分增加導(dǎo)致土壤水勢下降，種子內(nèi)水勢的增加限制了種子的吸水，甚至使種子脫水。種子發(fā)芽需要大量的水，在鹽脅迫下，種子發(fā)芽吸水被抑制。溶液的滲透勢能主要取決于溶液的濃度，但不同溶液在相同濃度下的滲透勢能有很大不同。隨著含鹽量的增加，土壤溶液的滲透勢下降，種子內(nèi)部高水勢會抑制種子吸水。如果鹽濃度太高，種子就無法發(fā)芽。同時，鹽濃度過高的溶液會使種子萌發(fā)后脫水，降低幼苗的生長速度，甚至?xí)狗N子死亡。有研究表明，鹽脅迫會導(dǎo)致種子的萌發(fā)和吸水變得困難。當(dāng)鹽濃度上升時，種子的吸水能力會下降。將種子在NaCl 溶液中處理一天后，種子吸脹率開始明顯增加。當(dāng)NaCl 濃度低于0.6%時，種子吸脹率也呈上升趨勢，但吸脹率相比對照組有所降低。當(dāng)NaCl 溶液濃度大于0.9%時，各處理的種子的吸脹率不再隨脅迫時間而變化[5]。

2.2.2 離子毒害

離子毒害主要是土壤溶液中鹽離子對種子的影響[6]。一方面，鹽離子滲透種子，降低種子滲透勢，加速種子吸水，促使種子發(fā)芽；另一方面，鹽離子直接毒害種子，鈉離子積累直接抑制種子發(fā)芽。當(dāng)鹽濃度較低時，鹽對種子的影響較小，但隨著鹽溶液濃度的增加，種子的發(fā)芽變得困難。當(dāng)鹽濃度超過種子的抗性能力范圍時，種子就不會萌發(fā)。

土壤溶液中鹽濃度過高會產(chǎn)生大量的活性氧，破壞活性氧代謝系統(tǒng)的平衡，活性氧的代謝系統(tǒng)被破壞，生成大量的自由基，引起細胞膜脂質(zhì)的過氧化[7]。細胞膜脂質(zhì)被過氧化，其組成、通透性、離子量都受到影響和變化。細胞膜脂質(zhì)過氧化會對細胞膜的功能、細胞的新陳代謝、細胞的生理功能產(chǎn)生不同程度的影響[8]。離子毒害也會在種子發(fā)芽后積累有毒代謝物，對種子發(fā)芽后的幼苗產(chǎn)生不良影響[9]。

2.3 鹽脅迫對豆科牧草生理指標的影響

在鹽脅迫下，豆科牧草種子的吸脹會受到抑制，導(dǎo)致種子吸水能力減弱，使種子萌發(fā)變得困難，甚至使種子失水而死亡。同時鹽脅迫還會損傷細胞膜結(jié)構(gòu)，使細胞膜的透性、組分等產(chǎn)生變化，導(dǎo)致種子萌發(fā)受阻。在逆境環(huán)境下，植物內(nèi)部生理指標會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，來抵抗鹽脅迫所帶來的不利影響，使植物抗逆性增強。

2.3.1 鹽脅迫對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

脯氨酸是參與滲透調(diào)節(jié)的主要物質(zhì)之一。在鹽脅迫下，一般會采取兩種方式積累脯氨酸。一種途徑是在遭遇鹽脅迫時，高鹽脅迫信號通過多種信號途徑傳遞，使與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)相關(guān)的基因表達（如脯氨酸合酶基因），產(chǎn)生（積累）脅迫誘導(dǎo)基因，進而維持細胞體內(nèi)水分的平衡。另一種方法是將液泡中的脯氨酸轉(zhuǎn)移到細胞質(zhì)中，使細胞中的脯氨酸含量不斷上升，從而抵抗高鹽度環(huán)境。脯氨酸能去除蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的有毒氨基酸，防止有毒氨基酸的積累[10]。鹽可使植物體內(nèi)脯氨酸含量發(fā)生明顯改變。5 項研究表明，脯氨酸含量在植物體內(nèi)積累有可能是受害的一種標志，當(dāng)鹽濃度上升時，脯氨酸的含量會出現(xiàn)上升的趨勢[11-15]。但也有研究表明，脯氨酸的含量隨鹽濃度的上升而下降[16]。目前對脯氨酸積累的原因還不是很明確，是鹽脅迫的結(jié)果還是植物耐鹽的原因仍存在分歧，需要進一步研究[17]。

可溶性糖可以為植物抵抗不良環(huán)境的影響，是一種有效滲透調(diào)節(jié)劑。在鹽脅迫下，植物體內(nèi)失水多，可溶性糖可以使植物體內(nèi)失水量減少，增強植物抵抗外來逆境的能力?？扇苄蕴强梢员３旨毎|(zhì)內(nèi)酶的活性，還可以保持液泡與原生質(zhì)之間的滲透平衡[18]。4 項研究表明，在鹽脅迫下，隨著鹽溶液濃度的上升，鹽脅迫下可溶性糖的含量上升[19-22]。

2 項研究表明，當(dāng)植物受到高濃度營養(yǎng)鹽的脅迫時，可溶性蛋白質(zhì)可以參與平衡植物的滲透，防止植物失水，減少鹽環(huán)境對植物的危害[23-24]。有研究表明，隨著鹽脅迫溶液濃度的增大，可溶性蛋白質(zhì)的含量不斷上升[25]。但也有研究表明，當(dāng)外部鹽濃度較低時，可溶性蛋白含量也會迅速上升；當(dāng)鹽濃度過高時，細胞中的可溶性蛋白會加速分解，從而影響植物的正常代謝活動[26]。這些結(jié)果可能因植物品種不同而出現(xiàn)差異。

2.3.2 鹽脅迫對SOD、CAT、POD三種酶活性的影響

在鹽漬環(huán)境中，會產(chǎn)生大量的活性氧，大量的活性氧會導(dǎo)致活性氧代謝系統(tǒng)失衡，形成大量自由基，引起細胞膜脂質(zhì)過氧化?；钚匝醮x系統(tǒng)主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）三種酶。SOD 是去除O2的主要酶，CAT 是去除H2O2的主要酶，SOD 和CAT 可以將O2和H2O2轉(zhuǎn)化為毒性低的物質(zhì)，減少膜質(zhì)的損傷，保護膜質(zhì)免受過氧化物的侵害，提高植物抗氧化的能力[27]。POD 酶主要與CAT 酶相互作用，去除SOD 中多余的H2O2。

3 前景與展望

鹽分是種子吸脹過程中重要的環(huán)境因子之一，高濃度的鹽會抑制種子的吸脹，還會導(dǎo)致植物生長不良，甚至造成植物死亡。近年來，在種子耐鹽脅迫實驗研究中，已取得了較大的進展，但實驗過程中更多地是去模擬鹽漬環(huán)境，這與自然環(huán)境對種子萌發(fā)會有一定的差異性，在今后的實驗中要盡可能地去還原外部環(huán)境，這對研究植物耐鹽性十分重要。同時，要重視對環(huán)境的保護，對鹽堿地進行改良：一是改善土壤，降低土壤中鹽離子的含量，創(chuàng)造適合植物生長的環(huán)境；二是馴化野生耐鹽植物；三是對耐鹽植物進行研究，選擇出適合的植物品種，耐鹽性植物品種受到了世界各地學(xué)者們的關(guān)注。

測定鹽脅迫下豆科牧草植物體內(nèi)各種生化參數(shù)的變化，以識別豆科牧草植物在鹽脅迫下的生理調(diào)節(jié)過程，從生理層面闡述了豆科植物的耐鹽性機制，為今后在鹽環(huán)境中種植豆科牧草植物提供了重要的理論指導(dǎo)。