油菜苗期對鹽堿脅迫的離子響應機制

孫魯鵬， 楊洋， 王衛(wèi)超， 傅廷棟， 周廣生， 張鳳華*

（1.石河子大學新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子 832003；2.華中農(nóng)業(yè)大學作物遺傳改良國家重點實驗室，武漢 430070）

鹽漬化是影響作物生長、限制農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1]。鹽堿脅迫對植物的毒害作用包括鹽脅迫下高濃度離子產(chǎn)生的離子毒害和滲透損傷以及堿脅迫下的高pH毒害[2]。鹽堿脅迫下，土壤中高濃度的鹽分離子（如Na+、Cl-和CO2-3）限制了根系對K+、Ca2+和Mg2+等養(yǎng)分離子的吸收[2]，并導致植物體內(nèi)產(chǎn)生氧化損傷和滲透脅迫，最終導致離子毒害，進而影響植物體內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)[3]。Ca2+在植物信號傳導中作為第二信使，有助于細胞生長和質(zhì)膜穩(wěn)定[4]。Mg2+是葉綠素合成的重要組成成分，鹽堿脅迫下植物選擇性吸收Mg2+及其選擇性運輸和再分配，可促進葉片葉綠素合成，進而提高植物光合作用，同時對維持植物體內(nèi)離子穩(wěn)態(tài)平衡[5]及提高耐鹽性具有重要意義[6]。植物受到鹽堿脅迫時，選擇性吸收和轉(zhuǎn)運K+、Ca2+、Mg2+等礦質(zhì)離子到不同部位，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的離子平衡，從而維持正常的細胞代謝，提高其耐鹽性[7]。鹽堿土壤中存在高濃度的鹽分，植物在該環(huán)境下生存會被迫吸收積累大量的Na+[8]，而Na+在地上部的過量積累是植物遭受離子毒害的主要原因[9]。

近年來，我國油菜（Brassica napus）種植面積和總產(chǎn)量均已占到全球的1/3左右[10]，油菜不僅是重要的油料作物，其菜用、飼用和肥用價值也日益凸顯[11]?！A油雜62號’油菜品種具備抗性強、營養(yǎng)價值高等特點[12]，是一種優(yōu)質(zhì)飼草。新疆鹽堿地面積大，作為重要的畜牧業(yè)基地之一，飼草短缺等問題一直是限制畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要影響因素，開發(fā)經(jīng)濟效益、生態(tài)效益較高的鹽堿土壤飼草資源已成為目前關注的熱點問題?！A油雜62號’油菜品種苗期長且生長緩慢[13]，研究油菜苗期的耐鹽性、提高油菜在鹽堿地上的種植推廣顯得十分重要。苗期是植物對鹽分脅迫非常敏感的時期，選擇這個時期研究油菜的耐鹽性也較為理想[14]。目前國內(nèi)外學者對鹽脅迫下植物的耐受性研究主要是基于小麥、玉米等禾本科植物，且都是單一的鹽或堿脅迫，而復合鹽堿脅迫下油菜耐鹽性的研究較少。此外，將苗期劃分成不同生長階段分析其對鹽堿脅迫的離子響應差異的研究較少。

本研究以‘華油雜62號’為研究材料，通過測定復合鹽堿脅迫下油菜苗期不同生長階段的干重和不同部位Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量的變化，分析不同程度復合鹽堿脅迫對油菜苗期離子運輸及分配的影響，揭示苗期不同生長階段離子分布和吸收對復合鹽堿脅迫的響應機制，以期為鹽堿地的開發(fā)利用和油菜的種植推廣提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試‘華油雜62號’種子來源于華中農(nóng)業(yè)大學。為了避免不同程度鹽堿土壤養(yǎng)分含量的不同，該試驗供試土壤為田間采集土壤，其基本理化性狀詳見表1。

表1 供試土壤主要參數(shù)Table 1 Main soil parameters

1.2 試驗方法

1.2.1 復合鹽堿土的配制 基于新疆鹽堿土特征，參考史曉艷等[15]的土壤鹽漬化程度劃分標準和羅家雄[16]提出的新疆土壤鹽漬化程度等級劃分標準，分為輕度（3～5 g·kg-1）、中度（5～10 g·kg-1）、重度（10～20 g·kg-1）。鹽堿處理配制如下：將NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3按照12∶9∶8∶1（摩爾比）比例配制，分別稱取配制的混合鹽7.5、12.5和25.0 g溶于100 mL超純水中，均勻拌入2.5 kg土中，裝盆（規(guī)格15 cm×17 cm），每個處理18盆，共54盆。不同鹽堿脅迫處理的鹽分種類及含量見表2。

表2 復合鹽堿鹽分種類及含量Table 2 Salt types and content of combined saline-alkali salt

1.2.2 油菜盆栽試驗 選取圓潤飽滿的油菜種子，均勻播種于裝有混合鹽堿土的盆中，每盆播種3顆，每2 d灌200 mL（保證水分未流出盆底）超純水。約出苗后25 d，待幼苗生長到2～3葉期進行間苗，每盆保留長勢一致的油菜1株，分別于5葉期（約出苗后45 d，苗前期）和油菜現(xiàn)蕾前（約出苗后65 d，苗后期）進行取樣，備用。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 離子含量測定 植株礦質(zhì)離子含量的測定：準確稱0.1000 g粉碎后的烘干樣品，于550 ℃馬福爐中灰化4 h，用超純水將灰分轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，定容。采用離子色譜儀測定K+、Ca2+、Na+、Mg2+含量。

供試土壤離子含量的測定：準確稱量10 g供試土壤，50 mL超純水，水土比5∶1，震蕩30 min后過濾。采用離子色譜儀測定Na+、Cl-、SO42-含量。

1.3.2 離子運輸比的計算 離子選擇性運輸系數(shù)計算公式如下。

式中，X為K+、Ca2+和Mg2+中任意之一。SX,Na+值越大表示源器官（根部）控制Na+、促進X向庫器官（莖）的運輸能力越強，即庫器官（莖葉）的選擇性運輸能力越強。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。采用Sigma Plot 14.0制圖。

2 結果與分析

2.1 復合鹽堿脅迫對油菜幼苗不同時期生長的影響

由表3可知，隨鹽堿程度增加，苗前期和苗后期油菜幼苗莖葉與根干重均呈現(xiàn)降低趨勢，且油菜幼苗莖葉和根干重在不同濃度復合鹽堿脅迫處理間差異顯著。在苗前期，中度和重度鹽堿脅迫處理的莖葉干重較輕度處理分別降低32.18%和77.20%；根干重分別降低17.74%和66.13%。在苗后期，中度和重度處理的莖葉干重較輕度處理分別降低29.74%和80.55%；根干重分別降低36.06%和89.42%。

表3 復合鹽堿脅迫下油菜苗期不同生長階段的生物量和根冠比Table 3 Biomass and root/shoot ratio of canola at different seedling stages under combined saline-alkali salt stress

隨復合鹽堿濃度增加，苗前期油菜幼苗根冠比呈增加趨勢，但不同處理間差異不顯著，中度和重度處理分別較輕度處理增加16.47%，48.83%。苗后期油菜幼苗根冠比呈降低趨勢，且輕度和中度處理與重度處理間差異顯著，中度和重度處理較輕度處理分別降低9.06%和45.49%。

2.2 不同程度復合鹽堿脅迫對油菜幼苗不同時期礦質(zhì)離子含量的影響

2.2.1 不同程度復合鹽堿脅迫對油菜幼苗中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量的影響 對于Na+，隨鹽堿程度的增加，油菜幼苗莖葉和根部Na+含量在苗前期和苗后期均呈逐漸增加趨勢，且重度鹽堿處理顯著大于輕度、中度處理（圖1）。在苗前期，重度鹽堿處理下莖葉Na+含量分別較輕度、中度處理增加124.72%、99.66%；根部Na+含量分別增加332.94%、56.32%。在苗后期，重度鹽堿處理下莖葉Na+含量分別較輕度、中度處理增加208.55%、56.68%；根部Na+含量分別增加236.27%、21.21%。

圖1 復合鹽堿脅迫下油菜苗期不同生長階段的Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量Fig. 1 Na+，K+，Ca2+，Mg2+ contents of canola seedling in different growth stages under combined saline-alkali stress

對于K+，隨鹽堿程度的增加，莖葉K+含量在苗前期和苗后期均呈逐漸增加趨勢，其中重度處理顯著高于輕度處理。根部K+含量在苗前期呈先增加后降低趨勢，且處理間差異顯著；苗后期輕度和中度處理間差異不顯著，但均顯著低于重度處理（圖1）。在苗前期，中度、重度處理下莖葉K+含量分別較輕度處理顯著增加15.20%、149.14%；根部K+含量分別顯著增加95.79%、31.09%。在苗后期，中度、重度處理下莖葉K+含量分別較輕度處理顯著增加171.67%、197.83%；根部K+含量分別顯著增加25.00%、29.54%。

對于Ca2+，在苗前期，隨鹽堿程度的增加莖葉Ca2+含量呈逐漸增加趨勢，處理間差異顯著，其中重度鹽堿處理較輕度、中度處理分別顯著增加116.89%、34.09%；根部Ca2+含量在輕度、中度處理間無顯著性差異，但均顯著低于重度處理，重度處理根部Ca2+含量較輕度、中度處理分別顯著增加11.77%、17.10%（圖1）。在苗后期，隨鹽堿程度的增加莖葉Ca2+含量呈先增加后降低趨勢，根部呈現(xiàn)出相反趨勢，且處理間差異顯著；重度處理莖葉Ca2+含量較輕度、中度處理分別顯著降低17.75%、34.46%，根部Ca2+含量分別顯著增加8.14 %、55.52%。

對于Mg2+，在苗前期，隨鹽堿程度的增加莖葉Mg2+含量呈逐漸降低趨勢，重度處理顯著低于輕度、中度處理，較輕度、中度處理分別顯著降低36.29%、29.56%；根部Mg2+含量呈先增加后降低趨勢，且處理間差異顯著，中度、重度處理較輕度處理分別顯著增加94.06%、31.64%（圖1）。在苗后期，隨鹽堿程度的增加莖葉Mg2+含量呈先降低后增加趨勢，且處理間差異顯著，中度、重度處理較輕度處理分別顯著降低77.63%、67.72%；根部Mg2+含量呈逐漸降低趨勢，中度、重度處理均顯著低于輕度處理，較輕度處理分別顯著降低92.81%、95.01%。

2.2.2 復合鹽堿脅迫對油菜幼苗Na+/K+、Na+/Ca2+、Na+/Mg2+的影響 由表4可知，與苗前期相比，苗后期莖葉Na+/K+在輕度、中度處理下降低，而重度處理下升高，且輕度、中度處理下較苗前期分別降低3.36%和32.07%，苗后期根中Na+/K+顯著升高，較苗前期分別增加7.12（輕度）、15.56（中度）、5.66倍（重度）；苗后期莖葉Na+/Ca2+顯著增加，較苗前期分別增加7.67（輕度）、18.21（中度）、30.46倍（重度），根中Na+/Ca2+顯著增加，較苗前期分別增加1.23（輕度）、2.06（中度）、0.79倍（重度）；莖葉中Na+/Mg2+在輕度處理下顯著降低，中、重度處理下顯著增加，且中、重度處理下較苗前期分別增加2.81、0.52倍，根中Na+/Mg2+顯著增加，較苗前期分別增加0.66（輕度）、44.11（中度）、33.12倍（重度）。

表4 油菜幼苗不同生長階段的離子比Table 4 Ion ratio in canola seedlings at different growth stages under combined saline-alkali stress

2.3 不同程度復合鹽堿脅迫對油菜幼苗不同時期離子運輸及分配的影響

由表5可知，隨鹽堿程度的增加，幼苗SK+,Na+在苗前期呈逐漸增加的趨勢，且輕、中、重度鹽堿脅迫處理之間差異均顯著（P＜0.05）；在苗后期則呈先增加后降低的趨勢，中度處理顯著高于重度處理，且二者均顯著高于輕度處理。苗后期SK+,Na+均大于苗前期，且分別較苗前期增加7.81（輕度）、23.30（中度）和5.30倍（重度）。

表5 復合鹽堿脅迫下油菜苗期不同生長階段的離子選擇性運輸系數(shù)Table 5 Ion selective transport coefficient of canola seedling at different growth stages combined saline-alkali stress

在苗前期與苗后期，幼苗SCa2+,Na+均隨著鹽堿程度增大呈現(xiàn)先增加再降低的趨勢，且苗后期小于苗前期，較苗前期分別降低74.23%（輕度）、84.14%（中度）和94.28%（重度）。在苗前期，中度、重度處理間差異不顯著，但均顯著高于輕度處理；在苗后期，中度處理顯著高于輕度處理，而重度處理顯著低于輕度處理。

在苗前期，油菜幼苗SMg2+,Na+在處理間差異不顯著；在苗后期，幼苗SMg2+,Na+隨著鹽堿程度增大呈逐漸升高趨勢，且處理間差異顯著。苗后期SMg2+,Na+均大于苗前期，較苗前期分別增加1.97（輕度）、10.11（中度）和21.46倍（重度）。

3 討論

3.1 鹽堿脅迫對油菜苗期不同生長階段生物量積累及根冠比的影響

生物量作為評價植物耐鹽堿能力的主要參考指標之一，也是植物在鹽堿脅迫下的綜合表現(xiàn)[17]。研究表明，鹽堿脅迫下植物幼苗鮮干重均受到抑制，且脅迫程度越大，抑制作用越顯著[18]；但可以促進某些植物根系生長，增加根冠比，提高植物根系吸收水分和礦質(zhì)養(yǎng)分的能力，有利于維持地上部的生長[19-20]。本研究表明，重度處理油菜幼苗的莖葉和根干重在苗前期和苗后期分別較輕度脅迫處理降低77.20%、66.13%和80.55%、89.42%；在苗前期，油菜幼苗根冠比隨著復合鹽堿濃度的增加呈逐漸增加趨勢，表明復合鹽堿脅迫在苗前期對油菜幼苗莖葉生長的抑制作用大于根部，與前人研究結果一致[21]；而在苗后期，油菜幼苗根冠比呈逐漸降低趨勢，說明鹽堿脅迫在苗后期對油菜幼苗根生長的抑制作用大于莖葉。

3.2 鹽堿脅迫對油菜苗期不同生長階段體內(nèi)鹽離子含量及分布的影響

鹽堿土壤中的鹽分濃度較高會使得植物被迫吸收并積聚大量Na+，而Na+與K+存在相近水合半徑，體內(nèi)Na+過多會通過競爭K+吸收位點，從而阻礙K+的吸收，致使依賴K+的酶活性及其代謝過程受到限制，進而抑制植物生長[22]。鹽堿脅迫下，植物體內(nèi)離子平衡遭到破壞，主要原因是Na+的增加不僅抑制根系對K+的吸收，同時還抑制了Ca2+、Mg2+等離子的吸收或運輸[23]。本研究表明，輕度和重度處理莖葉Na+含量在苗前期顯著高于根，而在苗后期顯著低于根，可能是由于在鹽堿脅迫下植物優(yōu)先將Na+積累在莖葉中，從而維持根系相對較低的Na+濃度，促進根系優(yōu)先發(fā)育[24]。也有研究表明，地上部的Na+含量過多是植物遭受Na+毒害的主要原因[9]。Yang等[25]對不同基因型油菜品種葉片Na+的分布研究表明，Na+含量在葉片不同部位存在較大差異。此外，葉中相對較高的離子濃度有利于根中水分和礦質(zhì)元素向上運輸[20]。本研究表明，油菜幼苗在苗后期根部的Na+含量高于莖葉，這可能是油菜幼苗在苗后期根系組織發(fā)育進一步完善，通過將Na+區(qū)隔于根成熟區(qū)的液泡中以減輕離子毒害，保持幼苗正常生長。徐靖宇[26]研究表明，植物通過在根部積累更多的Na+來降低地上部的離子毒害，提高自身耐鹽性。由此可見，減少地上部Na+的積累和將Na+從根部向地上部轉(zhuǎn)移是提高植株耐鹽性的重要措施[27]。此外，Wu等[28]研究表明根系成熟區(qū)細胞液泡Na+的吸收與耐鹽能力呈顯著正相關。

本研究表明，在苗前期，中度和重度鹽堿脅迫下油菜幼苗莖葉中Ca2+含量大于根部；但在苗后期，各處理根部的Ca2+含量大于莖葉。車永梅等[29]研究表明，莖葉中較高的Ca2+含量可降低質(zhì)膜透性，阻止胞內(nèi)K+外排和Na+吸收，維持莖葉中離子平衡，從而提高植物耐鹽能力。但本研究中苗后期各處理結果與苗前期表現(xiàn)出相反的趨勢，這可能是由于苗后期大量Na+被保留在根部，而Ca2+是細胞結構的重要組成部分，在植物生理代謝和調(diào)節(jié)機體發(fā)育過程中具有十分重要的作用[30]，此外，根部較多的Ca2+能夠緩解Na+對根部細胞的損傷[31]。各處理根部K+含量在苗前期和苗后期均大于莖葉，說明油菜在鹽堿脅迫下根部會優(yōu)先吸收和積累K+，積累介質(zhì)中有效性較低的礦質(zhì)養(yǎng)分，這可能是植物長期適應鹽生生境的結果[32]。在苗前期，中度和重度鹽堿脅迫處理幼苗根部的Mg2+含量大于莖葉；這可能是由于苗前期根部需要較多的Mg2+作為催化劑來激活根部的相關酶類[8]；但苗后期則相反，可能是由于苗后期Na+、K+、Ca2+在根部的含量均大于莖葉，植物需要向地上部分運輸更多的Mg2+，以維持地上部的營養(yǎng)供給。此外，Mg2+是形成葉綠素的重要組成，苗后期莖葉中較高的Mg2+含量不僅可以調(diào)節(jié)氣孔關閉，還可作為催化劑激活光合作用的部分酶類，從而提高光合作用，增強植物耐鹽性[33]。

3.3 鹽堿脅迫對苗期不同生長階段油菜幼苗Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+的影響

鹽堿脅迫下，通常用Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+來反映離子穩(wěn)態(tài)受到破壞的程度，比值越高，表明K+、Ca2+和Mg2+吸收受到的抑制作用越強，鹽害越嚴重[34]。本研究中，在復合鹽堿脅迫下，苗前期和苗后期油菜莖葉中Na+/K+均大于根；這可能是由于根系從土壤介質(zhì)中吸收了大量Na+，通過根向莖葉運輸?shù)腘a+較多,維持了莖葉較高Na+/K+和根部較低的Na+/K+，從而較好地適應鹽堿脅迫[35]；但苗后期根中Na+/K+大于苗前期，可能是苗后期根系組織發(fā)育完善，能夠?qū)a+區(qū)隔于根部成熟區(qū)的液泡中，以減輕離子毒害，從而提高耐鹽性[27-28]。在苗前期，輕度處理下油菜幼苗莖葉Na+/Ca2+大于根，中度和重度處理下莖葉中Na+/Ca2+小于根；在苗后期，莖葉Na+/Ca2+大于根。李玉梅等[24]研究表明，莖葉對Ca2+的相對吸收能力高于根，這有利于維持光合器官的正常生理功能。而本研究中重度處理下的結果相反，說明苗后期根部Ca2+含量高于莖葉，以應對根部較高的Na+脅迫[31]。這可能與莖葉細胞質(zhì)膜上Ca2+被高活性的Na+取代有關。在苗前期，莖葉Na+/Mg2+大于根；在苗后期，莖葉Na+/Mg2+小于根。薩如拉等[36]研究表明，長期堿脅迫下，耐堿性強的燕麥莖葉中保持較低Na+/Mg2+，有助于建立新的離子平衡，從而提高光合作用，這可能是苗后期油菜耐堿性較強的關鍵。但苗前期與之不同，可能是由于苗前期幼苗是通過降低根中Na+對Mg2+吸收的抑制效應在根中建立離子平衡，使其在苗前期較好的適應鹽堿脅迫。

3.4 油菜苗期體內(nèi)離子分配和運輸對鹽堿脅迫的響應

離子選擇性運輸系數(shù)（SX,Na+）通常用來反映植物在非生物脅迫下從根部向地上部選擇性運輸?shù)V質(zhì)離子的能力，其值越大，表明植株在逆境脅迫下選擇性向地上部運輸養(yǎng)分離子的能力越強，越多的Na+被限制在根中，植株在鹽脅迫下受到的損傷越小[37]。研究表明，鹽處理下，藍莓品種的耐鹽性越強，其K+和Mg2+的離子運輸能力越強，有利于維持離子平衡能力[38]。

本研究表明，在苗前期油菜幼苗由根向莖葉選擇性運輸Ca2+的能力較強，選擇性運輸K+、Mg2+的能力較弱；而苗后期恰好相反，油菜幼苗由根部向莖葉選擇性運輸K+、Mg2+的能力較強，運輸Ca2+的能力較弱。這表明在鹽堿脅迫下，油菜根系對礦質(zhì)離子的吸收減少，但為避免生理代謝受阻，油菜幼苗在苗前期通過維持較高的由根到莖葉的Ca2+選擇性運輸，在苗后期維持較高的由根到莖葉的K+、Mg2+選擇性運輸，從而降低因吸收受阻產(chǎn)生的不利影響，維持莖葉中礦質(zhì)離子與Na+相對穩(wěn)定的比值，減輕脅迫對植株生長的不利影響。

綜上所述，苗前期油菜幼苗的根冠比增加，且莖葉中Na+、Ca2+含量大于根部，Mg2+、K+含量小于根部，這說明油菜通過維持莖葉中較高的Na+含量和根系中較低的Na+含量，優(yōu)先促進根系生長發(fā)育；苗后期油菜幼苗根冠比下降，根部的Na+含量大于莖葉，這可能是由于苗后期油菜將更多的Na+區(qū)隔在根系成熟區(qū)的液泡中，從而維持莖葉中較低的Na+和較高的Mg2+含量，降低復合鹽堿脅迫對莖葉的損傷，提高光合作用，促進地上部生長發(fā)育。華油雜62號油菜幼苗在苗期不同生長階段可能具有不同的耐鹽機制，在苗前期，油菜根部Na+含量小于莖葉，優(yōu)先促進根系生長發(fā)育，同時通過增加根部對K+、Mg2+的吸收和根部向莖葉選擇性運輸Ca2+緩解鹽堿脅迫；而苗后期，油菜幼苗根部的Na+含量大于莖葉，同時增加根部對K+、Ca2+吸收以及根部向莖葉選擇性運輸K+、Mg2+，促進地上部生長發(fā)育。