NaCl胁迫对西伯利亚白刺根系生长及K+/Na+平衡的影响

唐晓倩,李焕勇,杨秀艳,武海雯,刘晓威,张华新

(1国家林业和草原局盐碱地研究中心，北京 100091；2林木遗传育种国家重点实验室，北京 100091)

土壤盐渍化是一个全球性的资源与生态问题。据统计，全世界盐碱地面积超过8×106km2[1]。由于受全球气候变暖引起的海平面上升、干旱等自然灾害频繁发生以及工业高速发展和不合理灌溉等因素的影响，全球盐渍化土壤仍以每年1.0×106～1.5×106km2的速度增加[2]，尤其是在干旱和半干旱等生态脆弱地区，土壤盐渍化现象更为严重，给当地人们的生产和生活、经济发展乃至生态环境带来了严重威胁[3]。植物根系是植物吸收水分和养分的主要器官，而根系的形态特征与其功能的发挥有直接关系[4]。盐胁迫下，根系是最早感受盐胁迫信号、也是最直接应对盐胁迫的首要器官，其形态特征和活力等是植物有效吸收和利用土壤养分的重要适应特征[5-6]，因此根系对植物的耐盐能力具有至关重要的作用[7]。研究发现，盐生植物具有较强的耐盐性,这与其根系形态和生理学特性有密切关系[8-9]，因此了解盐胁迫下盐生植物根系的形态特征，对解析其耐盐性具有重要的意义。

西伯利亚白刺(NitrariasibiricaPall.)为蒺藜科白刺属(NitrariaL.)落叶具刺灌木，具有较强的耐盐性，对重盐碱地、盐渍土壤具有改良作用，可以明显改良土壤物理性状，提高土壤肥力，是沙漠和盐碱地区重要的耐盐固沙植物[10]。目前有关西伯利亚白刺对盐胁迫的响应研究主要涉及种子萌发[11]、渗透调节[12]、抗氧化防御[13]、离子代谢[14]及代谢组[15]等领域，但对其根系响应盐胁迫的策略研究还未见报道。本研究以西伯利亚白刺水培幼苗为材料，通过测量不同浓度NaCl处理下西伯利亚白刺根系生长、吸收面积及根部离子含量的变化情况，探讨西伯利亚白刺根系的耐盐特性，从而为丰富植物耐盐机理和盐碱地改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2016年10月下旬，于青海柴达木盆地可鲁克湖湖边盐碱滩地采集成熟的西伯利亚白刺果实，脱去果皮，洗净种子，晾干后于4 ℃冰箱中保存备用。当年12月上旬将种子与湿沙混合进行沙藏催芽，次年3月中旬将萌动露白的种子挑选出来播种到营养钵中，选择上口径150 mm、下口径110 mm、高132 mm的软塑料花盆，每盆装珍珠岩和蛭石(体积比1∶3)组成的混合基质，每盆播种2～3粒种子。在中国林业科学研究院科研温室中进行盆栽育苗，育苗期间进行常规的水分管理和病虫害防治，以保证幼苗正常生长。

1.2 试验方法

幼苗生长2个月，长至高15 cm左右时，选取长势基本一致的幼苗定植于容积为10 L的塑料盆中进行水培，培养前期用自来水培养直到幼苗生出新根，以使其适应水培环境，正常生长，然后换1/2 Hoagland营养液进行水培，24 h通气，每4 d更换1次营养液。

首次更换营养液3 d后对其进行盐处理，试验共设5个NaCl浓度水平，即0(CK)，100，200，300，400 mmol/L，每盆20株，每个处理3个重复。为避免盐浓度短时间内的快速升高对幼苗造成渗透休克，参照刘正祥等[3]的方法采取每天增加50 mmol/L NaCl的方式进行递增施盐，各处理在同一天达到预定浓度,此时计为盐胁迫的第0天。NaCl处理14 d后取样进行各指标的测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 根系生长参数的调查 每个处理随机选择6株西伯利亚白刺幼苗，将完整植株小心从培养盆中取出，先用自来水冲洗植株根部表面的杂质，然后用去离子水漂洗根部，用吸水纸吸干根系表面水分，并将根部和地上部于茎基切断分开，将根系放在扫描仪的托盘中，将盛有清水的托盘置于扫描仪上，用毛刷和镊子等工具使根系完全展开，最后利用根系分析系统(WinRHIZO，Regent Instruments Inc. Cancand)对其进行扫描和分析。

1.3.2 生物量的积累与分配 根系生长参数调查完成后，分别将根、茎、叶分开，然后编号装入信封中放入烘箱，105 ℃杀青30 min，75 ℃烘至恒质量，自然冷却后测定各组织干质量，并计算相关生物量。冠层生物量=茎生物量+叶生物量，根冠比=根生物量/冠层生物量。

1.3.3 离子含量的测定 参考刘正祥等[3]的方法,将上述烘干的样品粉碎过筛，准确称取样品0.1 g，用V(HNO3)∶V(HClO4)=10∶1的混合液于100 ℃左右电热板上加热消解，最后用去离子水定容至10 mL，用电感耦合等离子体光谱仪(ICP-OES)测定K+、Na+含量。

Cl-含量的测定参考Song等[16]的方法，采用氯离子定量计(PXSJ-216，Leici Ltd，Shanghai)测定。

1.3.4 盐耐受指数(STI)的计算 盐耐受指数(STI)根据Rejili等[17]和Khayat等[18]的方法计算，计算公式如下:

STI= (DWNaCl/DW对照)×100%。

式中：DWNaCl表示盐处理下植株的干质量，DW对照表示对照植株的干质量。

1.4 数据分析

所有数据均在Excel 2007软件中进行整理和作图，采用SPSS 16.0软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 NaCl胁迫对西伯利亚白刺幼苗生长和根生物量的影响

由表1可以看出，不同浓度NaCl处理后，西伯利亚白刺幼苗根、茎、叶、冠层及全株总生物量均呈现出相同的变化趋势，即随着NaCl浓度的升高，各部位生物量先升高后降低。与对照(CK)相比，100，200，300 mmol/L NaCl处理促进了西伯利亚白刺幼苗各部位生物量的积累，其中200 mmol/L NaCl处理下，西伯利亚白刺幼苗根、茎、叶、冠层及全株总生物量达到最大值，较对照分别增加了42.14%，22.54%，26.73%，24.95%和29.35%。400 mmol/L NaCl处理下，根、茎、叶、冠层及全株生物量较对照均有下降，分别下降了13.21%，11.27%，9.75%，3.04%和5.65%。上述结果表明，西伯利亚白刺对盐生环境表现出较强的生长适应性，且盐浓度≤300 mmol/L促进了西伯利亚白刺幼苗的生长，而在盐浓度达400 mmol/L时对其生长表现出抑制作用。

表1 不同浓度NaCl处理下西伯利亚白刺幼苗生物量的变化Table 1 Biomass accumulation of Nitraria sibirica seedlings under different NaCl concentrations

注：表中数据为重复的“平均值±标准差”，同列数据后标不同小写字母表示差异达P<0.05显著水平。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，随着NaCl浓度的升高，西伯利亚白刺幼苗根冠比呈先升高后降低的趋势。100 mmol/L NaCl处理下，根冠比较对照略有增加，但差异不显著(P>0.05);而200 mmol/L NaCl处理下，根冠比显著高于对照;NaCl浓度大于300 mmol/L时，根冠比逐渐降低到与对照相当或低于对照水平。这说明高浓度NaCl胁迫对西伯利亚水培幼苗根系的抑制作用要大于地上部分。

2.2 NaCl胁迫对西伯利亚白刺幼苗根系生长的影响

由图1-A可以看出，西伯利亚白刺幼苗根长随着NaCl浓度的增加呈先上升后降低的趋势，100和200 mmol/L NaCl处理下幼苗根长逐渐增加，分别较对照增加了10.15%和23.30%；当NaCl浓度超过300 mmol/L时，幼苗根长开始下降；400 mmol/L NaCl处理显著降低了幼苗根长，仅为对照的74.51%。

西伯利亚白刺幼苗根系平均直径随着NaCl浓度的升高呈先升高后降低的趋势(图1-B)。与对照相比，仅400 mmol/L NaCl处理显著降低了幼苗根系平均直径(P<0.05);100，200，300 mmol/L NaCl处理下幼苗根系平均直径较对照略有增加，但差异不显著。

西伯利亚白刺幼苗根系表面积总体的变化趋势与根长相同，即随着NaCl浓度的升高呈先升高后降低的趋势(图1-C)。根系表面积最大值出现在200 mmol/L NaCl处理时，但与对照差异不显著；100和300 mmol/L NaCl处理下幼苗根系表面积较对照略有增加，但差异不显著；400 mmol/L NaCl处理下幼苗根系表面积与对照差异不显著，但显著低于200 mmol/L NaCl处理时。

从图1-D可以看出，西伯利亚白刺幼苗根系根尖数的变化趋势与根长、平均直径及表面积变化趋势相同，即随着NaCl浓度的升高呈先增加后减少的趋势。其中200 mmol/L NaCl处理下西伯利亚白刺根尖数达到最大值，且与对照差异显著(P<0.05)；300和400 mmol/L NaCl处理下根尖数逐渐降低，其中400 mmol/L NaCl处理下幼苗根系根尖数较对照下降了20.53%。

柱上标不同小写字母代表NaCl处理间差异显著(P<0.05)。下同Different small letters represent significant difference at P<0.05 among different NaCl concentrations.The same below图1 不同浓度NaCl胁迫对西伯利亚白刺幼苗根系生长的影响Fig.1 Effect of different NaCl concentrations on root growth of Nitraria sibirica seedlings

2.3 NaCl胁迫对西伯利亚白刺幼苗根系离子吸收和积累的影响

由图2-A,B可以看出，随着NaCl浓度的升高，根系中Na+和Cl-含量均增加。根系中Na+含量在100和200 mmol/L NaCl处理下较对照显著增加，但2个处理间无显著差异；300和400 mmol/L NaCl处理下，根中Na+含量也较对照显著增加，且均为对照的3.69倍。根系中Cl-含量随着NaCl浓度的升高显著升高，与对照相比，100，200，300，400 mmol/L NaCl处理根中Cl-含量分别为对照的1.99，2.28，2.60和2.93倍。西伯利亚白刺根系中K+含量随着NaCl浓度的增加显著增加，其中100，200，300，400 mmol/L NaCl处理根中K+含量分别比对照增加了8.07%，14.26%，19.20%和23.58%(图2-C)。

通过对西伯利亚白刺幼苗根系K+/Na+的研究发现，随着NaCl浓度的升高，根系中K+/Na+逐渐下降，虽然100和200 mmol/L NaCl处理下根系K+/Na+较对照显著降低，但二者间无显著差异；300和400 mmol/L NaCl处理下根系K+/Na+显著低于对照及100和200 mmol/L NaCl处理，但二者间无显著差异(图2-D)。

2.4 NaCl胁迫对西伯利亚白刺幼苗盐耐受性的影响

不同浓度NaCl胁迫下西伯利亚白刺幼苗的盐耐受指数见图3。

图3 不同浓度NaCl胁迫下西伯利亚白刺幼苗的盐耐受指数Fig.3 Salt tolerance index of Nitraria sibirica seedlings under different NaCl concentrations

由图3可以看出，西伯利亚白刺幼苗对NaCl的耐受性随着NaCl浓度的升高呈先上升后下降的趋势，其中200 mmol/L NaCl处理下其耐受指数最高，随后开始下降，特别是在400 mmol/L NaCl处理下，其耐受指数明显下降。

3 讨 论

3.1 西伯利亚白刺幼苗根系生长对NaCl胁迫的响应

植物主要依靠根系从土壤和培养介质中吸收矿质营养和水分，从而供给植物生长发育、新陈代谢等生理活动所必需的养分[9]。因此，根系的生长情况直接影响到整个植株的生长发育，当植物遭受盐胁迫时，植物根系感应并迅速发出信号，于是整个植株对胁迫作出反应，同时根系通过调整形态特征和生物量的分配来影响植物地上部的生长发育以适应盐胁迫环境[19]。不同的植物有不同的生物量分配策略来适应盐胁迫，如海滨锦葵(Kosteletzkyavirginica)[20]、圆柏(Juniperuschinensis)[21]等通过减少根系的生物量分配比例以降低盐分的吸收和向地上部的运输，而沙枣(Elaeagnusangustifolia[3]、麻栎(Quercusacutissima)和弗吉尼亚栎(Quercusvirginiana)[22]、盐地碱蓬(Suaedasalsa(L.)Pall.)[9]等则通过增加根系的生物量，提高根系对水分和养分的吸收，从而加快植物的生长以稀释进入体内的盐分；本研究发现，与对照相比，低盐(≤200 mmol/L NaCl)处理下西伯利亚白刺根、茎、叶生物量积累增加，根冠比增大，同时也提高了根长、平均直径、表面积、根尖数，且对NaCl的耐受性提高，这表明低盐(≤200 mmol/L NaCl)处理下，西伯利亚白刺通过提高生物量在根系的分配，增加根系对养分和水分的吸收，加快植物的生长以稀释进入体内的盐分；而高盐处理(>300 mmol/L NaCl)下,根系生物量降低，同时根长、平均直径、表面积、根尖数降低，耐受性下降，特别是400 mmol/L NaCl处理显著降低了西伯利亚白刺根系生物量的积累及根长和平均直径，这表明高盐(>300 mmol/L NaCl)处理下,西伯利亚白刺幼苗的生长受到抑制，根系生物量降低，从而减少对盐离子的吸收，降低盐分对植物体的伤害作用。

3.2 西伯利亚白刺幼苗根内离子平衡对NaCl胁迫的响应

盐胁迫下盐离子在植物体内大量积累会破坏植物细胞内的离子动态平衡，从而影响植物体内正常的生理代谢过程，最终对植物产生伤害作用[23]。盐生植物和耐盐性较强的甜土植物离子平衡能力较强，其能在体内积累一定量的离子来充当渗透调节物质，从而缓解盐胁迫引起的渗透胁迫，如长期生长在高盐环境的红树秋茄(Kandeliacandel)，会在体内积累一定量的盐离子来维持细胞的渗透势，从而促进根系对水分和养分的吸收[24]。本研究中，西伯利亚白刺幼苗根系中Na+和Cl-含量随着NaCl浓度的增加而提高，这表明盐生植物需要通过积累一定量的Na+和Cl-作为无机渗透调节物质，来提高根系细胞内与外部环境的渗透势差，促进植物对水分的吸收，从而稀释体内的盐离子，降低盐分过量积累对植物造成的伤害。

K+作为植物体内含量最多的阳离子，不仅是植物生长发育过程中所必需的大量元素，同时在调控离子平衡、渗透调节、维持细胞膨压及蛋白质合成等方面具有重要作用[25]。NaCl胁迫往往会引起植物细胞中K+含量的变化，导致K+/Na+降低，从而破坏K+激活酶的活性和细胞的渗透平衡[26]。同时，Na+和K+具有相似的水合半径，植物对其吸收具有拮抗作用[27]，因此盐胁迫下许多植物细胞中Na+的大量积累会抑制K+的吸收[3,21,28]。然而有研究表明，在适度盐胁迫下，盐生植物增加对Na+吸收的同时，没有影响甚至增加了对K+的吸收和运输[29-30]。本研究中，随着NaCl浓度的升高，西伯利亚白刺根系中K+含量显著增加，这表明盐胁迫下，西伯利亚白刺根系细胞膜上的K+转运蛋白受到了盐胁迫的诱导表达上调，从而提高了根系对K+的吸收能力，这可能是西伯利亚白刺耐盐的一个重要机制。另外，根系中K+/Na+则逐渐下降，这表明盐胁迫下，西伯利亚白刺根系细胞中离子平衡遭到不同程度的破坏，而其通过提高对K+的吸收，来降低根系中Na+的相对浓度，从而降低单盐毒害作用，维持根系正常的功能和离子的相对平衡，以提高植株对NaCl的耐受性。

4 结 论

综合本研究结果认为，西伯利亚白刺对NaCl胁迫具有较强的适应性，而且低盐与高盐胁迫环境中根系形态特征表现出一定差异。低盐(≤ 200 mmol/L NaCl)处理促进了西比利亚白刺各器官生物量的积累和根系的生长发育，增加根系对离子和水分的吸收，从而加快植物的生长以稀释进入体内的盐分；高盐(>300 mmol/L NaCl)处理下西伯利亚白刺根系加强了对K+的吸收，从而提高根系的保K+能力，缓解Na+对根系的毒害作用，维持根系相对稳定的K+/Na+，进而保证了地上部对矿质元素的需求，维持植株正常的生理活动。