干旱胁迫下不同品种杨树矿质离子含量变化

朱 桐，金 华，邹吉祥，李新林，金纯伊，程文琼，刘思佳

（大连民族大学，辽宁 大连 116600）

干旱是限制植物生长、发育和分布的重要环境胁迫之一，干旱胁迫使植物的蒸腾、光合速率下降并抑制生长，其对植物造成的损害在所有非生物胁迫中占首位[1-3]。植物在生长过程中形成了许多适应干旱胁迫的机制，其中一个重要的生理机制是渗透调节，它是植物提高水分利用率以抵御干旱胁迫的一种适应性反应[4-5]。

干旱胁迫下植物需要发挥矿质离子在渗透调节和水分吸收中的作用，同时又要维持细胞质内的离子平衡，为此重建体内离子平衡来抵御水分胁迫伤害是植物抗旱性的一大特征，且植物通过矿质离子进行渗透调节比利用有机渗调物质要经济的多[6-7]。K+、Ca2+、Na+、Mg2+是植物生长发育所需的主要矿质元素，其中K+是植物所需的大量元素之一，在调节渗透、酶活性和气孔关闭等方面具有重要的作用，有研究表明水稻叶片中K+的积累调节细胞膨压[8-9]；Ca2+作为第二信使参与干旱胁迫下植物信号转导作用，同时还具有调节细胞渗透势的作用[10]；Na+极易随水迁移，因此根中高浓度的Na+在一定程度上降低了根细胞的渗透势，在调节根系的水分平衡中发挥着积极作用[11]；Mg2+是叶绿素的重要组成成分之一，对植物体内多种代谢活动有促进作用，叶片中Mg2+含量下降直接影响植物的光合作用[12]。干旱胁迫影响植物对水分的利用，而植物对离子的利用离不开水，因此水分缺乏必定会干扰植物对矿质元素的吸收和利用。

关于干旱胁迫对植物矿质元素的吸收及分布的研究结果不尽相同[11]。但多数研究认为：在干旱条件下植物体内多数矿质元素含量下降，少数矿质元素含量上升，而不同植物体内的矿质元素含量变化并不一致。为了探索干旱条件下杨树体内矿质离子含量的变化及分布，本研究以3 种杨树为材料，探究干旱胁迫下根、茎、叶和质外体中离子含量的动态变化以及空间分布，为杨树在干旱环境中良好的生长及应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

选用一年生的杨树枝条进行盆栽。荷兰杨Populus×euramericana cv,‘N3930’ 及 吴 屯 杨Populus wutunensis均由阜新市林业局提供，新疆杨Populus bolleana Lauche由喀什市林业局提供。将3 个品种的杨树于2017年4月上旬扦插于普通塑料花盆中（上口直径10 cm，下口直径 7 cm，高8 cm），盆中基质为园土∶沙土=1∶1，将花盆放在温室进行培养，每隔3 天浇一次水并注意防治病虫害。种植2 个月后，于实验前2 周选出长势相同的30 盆植株放入光照培养箱培养。

1.2 处理方法

本实验设置对照组和干旱胁迫组，干旱胁迫组又分为中度干旱组和重度干旱组，每组的样品数量均为10 盆。实验样品的处理方法为：对照组正常浇水，确保花盆沙土混合物的水分含量保持在50%～60%，环境温度25 ℃。干旱胁迫组自实验开始后不再浇水直到到叶片严重枯萎,处理后第4 天为中度干旱组，用MS 表示，处理后第8 天为重度干旱组，用HS 表示。采样时间分别为处理后第0、4、8 天早上9:00，每组选取株高生长状态相似的3 棵杨树对其进行采样。

1.3 矿质离子的测定方法

1.3.1 根、茎、叶中矿质离子的测定

根、茎、叶中离子测定方法采用毛细管电泳法。分别称取烘干至恒质量的根、茎和叶样品粉末 0.2 mg，加入一定量去离子水煮沸1 h，冷却后定容，并于10 000 r/min 条件下离心8 min，所得上清液即为离子测定样品，使用Millipore-Q 超纯水作为对照。根据样品的实际情况对毛细管电泳的进样方法进行了优化，毛细管电泳仪的进样方法为电压力进样（2KV，4 s）。配制K+、Ca2+、Na+和Mg2+4种离子含量为0.20、0.49、0.98、1.95、3.91、7.81、15.63、31.25、62.5、125 和250 mg/L 的标准混合溶液，外标法定量分析。此部分实验采样和毛细管电泳均进行3 次重复，取平均值以用于后续分析。

1.3.2 质外体中矿质离子的测定

质外体中离子测定方法采用毛细管电泳-液相色谱连用法。质外体取样过程以透析原理为基础，探针半透膜内外存在浓度梯度，离子沿浓度梯度逆向扩散。取样中使用的灌注液是Millipore-Q 超纯水，探针膜外离子浓度高于膜内，离子向膜内扩散后随即被膜内流动的灌注液带出探针进入样品收集器或HPLC 系统，这使得探针膜内的离子浓度将总是低于膜外质外体空间，保证了连续动态取样过程的实现。

液相色谱所用色谱柱为Inertsil ODS-SP C18色谱柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱温30℃；流动相A 为流动相V（色谱纯甲醇）:V（超纯水，0.2%分析纯磷酸）＝60∶40，柱温30 ℃，流速 0.6 mL/min，检测波长为220 nm，进样量20 μL。所有溶液均用Millipore-Q 超纯水配置，准确称取Na+、K+、Ca2+和Mg2+标准品10 mg，置于50 mL容量瓶内，用流动相定容至50 mL，制成标准溶液，并用来进行校准曲线的制作，采用外标法定量分析。透析液在上述色谱条件下直接进样分析，同时测定以上4种矿质离子的含量。

2 数据分析

数据分析使用Excel 2010 和SPSS22.0 软件。

3 结果与分析

3.1 干旱胁迫对杨树K+含量的影响

本研究对3 种杨树不同部位内K+含量进行测量，可以看出干旱胁迫下，3 种杨树根、茎、叶和质外体K+含量相比于对照组均明显增加 （P＜0.05），中度胁迫时对比对照组变化不显著，重度干旱下新疆杨叶片中K+含量对比对照组提高了91.65%，茎和根中分别提升了79.68%和53.57%，荷兰杨茎中K+含量变化相比对照提升了52.26%，叶和根中含量分别提升了35.81%和28.27%，吴屯杨根、茎、叶中K+含量相比对照分别上升了29.34%、21.29%和19.47%。干旱胁迫下不同品种杨树的各个器官中K+的含量分布的总体趋势来看，叶的K+含量较多，根和茎K+含量较少（图1）。具体表现为吴屯杨和新疆杨中：叶＞ 根＞茎，吴屯杨：叶＞茎＞根。3 种杨树质外体中K+含量呈现不同程度的增加，新疆杨和吴屯杨质外体中K+含量提高了24%，荷兰杨质外体中K+提升也变化了18%。

植物气孔启闭由保卫细胞的胀缩决定，有关气孔运动的机理有多种学说，其中由K+积累的渗透调节学说比较普遍[13-14]。本研究中K+在杨树各个器官的含量明显增加，这与前人研究结果一致，即K+是渗透调节物质家族中重要的一员，干旱胁迫时含量会显著增加[15-16]。研究发现K+主要分布在杨树的叶片中可能用于调节气孔开闭。综合质外体中K+含量的变化，可以推测干旱胁迫下杨树通过根部吸收K+并通过茎和质外体运输至叶片的生理活动，重度干旱下杨树没能将根部吸收的K+运送至叶片，导致了质外体中K+含量升高。同时3 种杨树体内K+的分布也不同，存在品种间差异。

图1 干旱胁迫对3 种杨树根茎叶中K+含量的影响Fig.1 Effect of drought stress on K+ content in roots and stems of three poplar trees

3.2 干旱胁迫对杨树Ca2+含量的影响

研究表明干旱胁迫下3 种杨树不同部位的Ca2+含量都有上升，但中度干旱下含量变化不明显，重度干旱胁迫下杨树体内Ca2+会明显升高，3 种杨树都表现出了相同的变化规律。对比重度干旱（图2），中度干旱处理时Ca2+含量没有显著升高（P＞0.05），说明中度干旱对杨树对吸收Ca2+影响较小，而重度干旱下杨树吸收更多的Ca2+以适应干旱。具体表现为重度胁迫下吴屯杨Ca2+含量茎和叶变化较大，分别达到了243.95%和234.60%，根部增长了34.38%。新疆杨叶片中Ca2+含量增长了115.80%，根和茎中Ca2+含量分别提升了44.93%和19.90%。荷兰杨茎和叶的增长趋势类似，分别为79.55%和77.31%，根部含量变化较少，只增长7.17%。离子分布上Ca2+在3 种杨树中分布情况相同，即：根＞叶＞茎。质外体中Ca2+含量在胁迫条件下明显增加，与对照组相比新疆杨质外体中Ca2+含量增加了197.87%，荷兰杨和新疆杨质外体中Ca2+含量分别增加了149.02%和89.06%。

Ca2+是植物体内尤为重要的一种离子，主要分布于杨树的根中，作为第二信使，它与很多功能息息相关，干旱胁迫下Ca2+提高了植物水分利用率[17]。研究发现在干旱胁迫下3 杨树不同部位Ca2+含量均有所上升，具体分布为：根＞叶＞茎。质外体中Ca2+显著上升，这个现象与Ca2+是第二信使并通过质外体进行运输的前人观点相符合。此外，干旱条件下各树种Ca2+吸收能力以及空间分配不同，这种Ca2+吸收和调配方式可能是水分缺乏时植株营养生长、细胞渗透调节和信号转导等活动的物质基础，通过信号传递以调节气孔开闭以，减少水分散失。目前，对于上述机制的细节还知之甚少，亟需深入研究。

图2 干旱胁迫对3 种杨树根茎叶中Ca2+含量的影响Fig.2 Effect of drought stress on Ca2+ content in roots and stems of three poplar trees

3.3 干旱胁迫对杨树Na+含量的影响

随着干旱胁迫的时间增加，Na+含量逐渐增加，具体表现为相较于对照组Na+含量在中度胁迫时变化不大，重度胁迫时明显增加。新疆杨叶部含量变化极为显著，提升了282.92%，其次是茎部升高了94.60%，根部升高了55.17%。吴屯杨的根部含量变化明显，提升了145.15%，茎和叶分别提升了126.86%和102.26%。荷兰杨叶部含量变化高于其他部位，达到了74.93%，根部其次，提升了48.93%，茎部变化最小，只有6.92%。从Na+分布上看，Na+在根部积累最多，茎和叶积累的较少，具体表现为吴屯杨：根＞茎＞叶，荷兰杨和新疆杨：根＞叶＞茎。质外体中Na+含量总体呈上升趋势，其中荷兰杨质外体中Na+含量提升了1 360.14%， 新疆杨和吴屯杨质外体Na+含量也分别提升了545.49%和62.09%。

干旱胁迫引发Na+积累主要是在根部，且中度干旱胁迫时含量变化较小，重度干旱时含量明显上升。由此可以看出当植株在干旱胁迫时首选积累的离子并不是Na+，只有当自身水分严重匮乏时才会主动积累。干旱胁迫下杨树体中Na+的变化规律与Na+的空间分布有关，根是植株从土壤吸收Na+的主要器官，质外体是连接植株各部的连续空间，干旱胁迫仅引起Na+在根和质外体的累积，这主要是因为植物根部对矿质离子具有选择透过性。杨树Na+在分布上存在品种间差异，从Na+的分配可以推测干旱限制了根部吸收Na+并向叶片运输的过程，抑制杨树生长，高浓度的Na+在根部调节根部细胞渗透势，以抵御干旱。

3.4 干旱胁迫对杨树Mg2+含量的影响

干旱胁迫使杨树根、茎和叶内的Mg2+含量下降。研究发现干旱胁迫使根和叶中Mg2+含量急剧下降，茎中Mg2+含量变化不显著，新疆杨叶部Mg2+含量下降了91.24%，根部Mg2+含量下降50.65，茎部下降28.65%。吴屯杨根部Mg2+含量降低了57.96%，其次是茎部，降低了42.78，叶部变化最小，降低了23.32%。荷兰杨根、茎和叶中Mg2+含量变化情况相似，都下降了40%左右。3种杨树Mg2+分布情况类似：根＞叶＞茎。质外体中Mg2+含量较低，但是在干旱胁迫下其含量有略微升高的趋势。吴屯杨质外体中Mg2+含量上升了68.91%，新疆杨和荷兰杨质外体中Mg2+含量的变化量也分别达到了46.73%和39.46%。

在整个干旱过程中3 种杨树随着干旱胁迫的加剧都降低了自身对Mg2+的摄入，由此可以看出它不是干旱情况下调节渗透的主要离子，因此植物降低对Mg2+的需求。除此之外对于这种现象有研究称，Mg2+的吸收利用不仅受到周围环境因子包括地温、气温s 和干旱等情况的影响，还受到了干旱情况下植物细胞细胞壁破裂等因素的影响[18]。细胞壁的破裂导致了Mg2+的流失，进而导致了3种杨树体内Mg2+含量的下降。Mg2+在杨树中主要存在于根部和叶片。由于Mg2+含量的下降，直接导致叶绿素的含量下降，影响植物的光合作用。而本研究中3 种杨树的根、茎、叶的Mg2+含量均下降，只有质外体中Mg2+含量上升这可能是由于质外体作为离子转运通道，没有能量将Mg2+运送至叶片，所以滞留在质外体中。导致了质外体中Mg2+含量的上升。

图3 干旱胁迫对3 种杨树根茎叶中Na+含量的影响Fig.3 Effect of drought stress on Na+ content in roots and stems of three poplar trees

图4 干旱胁迫对3 种杨树根茎叶中Mg2+含量的影响Fig.4 Effect of drought stress on Mg2+ content in roots and stems of three poplar trees

4 结论与讨论

植物必需矿质元素在植物的生长发育过程中起重要作用，不同逆境胁迫会影响植物对矿质元素的吸收［19-20］。通过对干旱条件下杨树体内4种矿质离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+）含量的测定和分析，为杨树在干旱条件下更好地生长及发育提供理论依据。研究结果表明，干旱胁迫对3 种杨树不同部位的K+、Ca2+含量影响较大，这证明在干旱胁迫的环境下植株首选吸收的离子为K+、Ca2+。而Na+在中度胁迫时含量变化不显著，只有当重度胁迫时Na+的含量才发生明显的变化，这表明只有在严重干旱时植株才会选择吸收Na+离子。Mg2+含量则持续降低。由此推测3 种杨树中质外体和根、茎和叶中离子含量变化的原因不同，Na+、K+、Ca2+含量增加和Mg2+含量减少是离子在根、叶的累积或选择性运输的作用导致的，而质外体可能作为这些离子分配运输的通道，所以离子浓度的变化趋势与其他的不同。本研究使用的实验材料吴屯杨、新疆杨、荷兰杨均为抗旱品种，3 种杨树幼苗中离子含量及分布变化趋势大致相同，但仍然显示出矿质离子的含量及分布存在品种差异。由于本实验仅对离子的含量和分布进行测量，并未解析其具体的调控方式，因此进一步研究矿质离子在干旱胁迫下的调控机制，可为植物响应干旱胁迫下离子动态变化的研究提供依据。

综上所述，植株通过调节细胞矿质离子平衡来适应干旱环境。本实验得出以下结论：干旱胁迫使K+、Ca2+和Na+3 种离子含量上升，Mg2+含量下降；干旱胁迫下杨树首选吸收的离子是K+、Ca2+，K+主要分布于杨树叶片，其次是根部。Ca2+主要分布于杨树根部，通过根部吸收的Ca2+经质外体运输到叶片。重度胁迫下杨树会开始吸收Na+以调节抵抗干旱，Na+主要分布在杨树的根部，用以调节根部细胞渗透势保持水分。Mg2+主要分布在根部及叶片；不同品种杨树体内离子分布和吸收，都存在种间差异，本研究为离子调节杨树响应干旱的生理机制研究提供了依据。