碱胁迫对猴樟幼苗钾钠离子吸收与分配的影响

张丽华，韩浩章，李素华，王 芳，赵 荣，王晓立，张 颖

（宿迁学院，江苏 宿迁 223800）

猴樟（Cinnamomun bodinieriLevl.）为樟科樟属常绿乔木，多分布于我国云南、川东、湖北、湘西、贵州等省，是重要的造林绿化树种和经济树种。江西［1］、河南［2］和江苏［3］地区的引种结果认为猴樟的生长速度和抗性优于香樟［C.camphora（L.）presl.］，因此猴樟作为绿化树种在我国北方地区推广栽培成为可能。研究表明，和是引起苏北地区土壤碱化和樟属植物黄化的主要原因，土壤中pH较高会影响Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+等元素的溶解度，使植物根际周围形成离子耗尽区［4］，影响植物对养分的吸收。K+参与植物响应碱胁迫过程［5-7］，如碱胁迫下流苏大大提高茎中K+/Na+比值［8］，白榆加大对K+的选择性吸收，维持叶中较高的K+/Na+比值［9］。过表达的GmHKT1、GmHKT4可以使大豆体内积累更多的K+并排除过多的Na+，维持碱胁迫下植物体内K+/Na+的动态平衡［10］。樟属植物在碱胁迫下对K+的吸收量会迅速增加，推测K+与猴樟幼苗响应碱胁迫有关［5］。目前关于猴樟在碱胁迫下对钾离子的吸收、分配规律未见报道。基于此，本研究以猴樟幼苗为材料，研究碱胁迫下猴樟对钾、钠离子吸收与分配规律，以期为猴樟耐碱机理研究提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选自宿迁学院园林实验基地猴樟苗圃地中正常生长、长势一致的1年生猴樟幼苗，苗高10±0.5 cm，叶片数量统一为5片。试验材料共180株，分4个处理，每处理45株，每处理分3个生物学重复，每重复15株，2020年8月20日将幼苗移入水培箱（600 mm×420 mm×380 mm，营养液体积40 L）中培养，采用KT板进行固定，利用增氧泵24 h充氧。试验所用的营养液配方为法国国家农业研究所普及NET之用（1977），通用于喜酸性作物配方，微量元素和铁盐配方为通用配方，所用化学药品均为分析纯，采用蒸馏水进行配制［11］。

1.2 材料处理

材料培养2周后，基于课题组前期研究，于2020年9月3号向4个处理营养液中加入Na2CO3，浓度分别为0、10、20、30 mmol/L（超过30 mmol/L则出现幼苗逐步死亡现象），营养液pH分别为6.68、7.49、8.48、9.32，之后每2 d用蒸馏水补充营养液体积至40 L。分别于之后的6、12、24、48、72、120、168 h随机选取各重复幼苗，测定其根、茎、叶器官中的K+含量、Na+含量。

1.3 试验方法

采用原子吸收分光光度计法测定K+含量、Na+含量［12］，并计算根、茎、叶器官中K+/Na+比值；植株不同部位对K+选择性运输能力计算公式［8］：SK，Na（根-茎）=茎（［K+］/［Na+］）/根（［K+］/［Na+］）；SK，Na（根-叶）=叶（［K+］/［Na+］）/根（［K+］/［Na+］）。式中，SX，Na+值越大表示源器官控制Na+、促进K+向库器官的运输能力越强，即库器官的选择性运输能力越强。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007整理与分析数据，用SPSS21.0进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 碱胁迫对猴樟幼苗根系中K+/Na+比值的影响

由图1可以看出，随着碱胁迫处理浓度的增加，猴樟根系中K+/Na+比值越来越低，并且均显著低于对照。随着胁迫时间的延长，对照根系K+/Na+比值呈现节律性变化，最高点出现在48 h和120 h；碱胁迫处理的K+/Na+比值最高点出现在6 h和12 h，变化趋势平缓，节律性不明显。

图1 碱胁迫下不同处理时间猴樟幼苗根系中K+/Na+比值变化Fig.1 The K+/Na+ratio in root system of C.bodinieri at different treatment timesunder alkali stress

2.2 碱胁迫对猴樟幼苗茎中K+/Na+比值的影响

由图2可以看出，猴樟茎中K+/Na+比值随碱胁迫处理浓度增加而降低。10 mmol/L碱处理的K+/Na+比值在6～24 h时高于对照，24 h之后与对照差异不显著；20 mmol/L碱处理的K+/Na+比值和30 mmol/L碱处理的K+/Na+比值仅在6 h时高于对照，处理6 h后则低于对照。随着胁迫时间的延长，对照的K+/Na+比值均呈现节律性变化，最高点出现在48 h和120 h时；碱处理的K+/Na+比值最高点出现在6 h时，之后呈下降趋势，节律性不明显。

图2 碱胁迫下不同处理时间猴樟幼苗茎中K+/Na+比值变化Fig.2 The K+/Na+ratio in stem of C.bodinieri seedlings at different treatment times under alkalistress

2.3 碱胁迫对猴樟幼苗叶片中K+/Na+含量的影响

由图3可以看出，猴樟叶片中K+/Na+比值在6 h时随着碱胁迫处理浓度的增加而增加，处理12 h后则随着碱胁迫处理浓度的增加而降低。其中，10 mmol/L碱处理的K+/Na+比值在12 h时高于对照，其余时间则低于对照；20 mmol/L碱处理的K+/Na+比值均低于对照；30 mmol/L碱处理的K+/Na+比值仅在6 h时高于对照，处理6 h后则低于对照。随着胁迫时间的延长，对照和碱处理的猴樟叶片中K+/Na+比值均呈现节律性变化，其中对照的最高点出现在6 h、48 h和120 h；10 mmol/L碱处理的K+/Na+比值最高点出现在12 h、48 h和120 h；20 mmol/L碱处理的K+/Na+比值和30 mmol/L碱处理的K+/Na+比值最高点出现在6 h、48 h和120 h。

图3 碱胁迫下不同处理时间猴樟幼苗叶片中K+/Na+比值变化Fig.3 The K+/Na+ratio in leaves of C.bodinieri seedlings at different treatment times under alkali stress

2.4 碱胁迫对猴樟幼苗SK，Na（根-茎）的影响

由图4可以看出，碱胁迫处理后，猴樟SK，Na（根-茎）均高于对照，在处理6 h时尤其明显。处理6～12 h，碱处理的浓度越高，猴樟幼苗SK，Na（根-茎）越低，处理24 h以后碱处理的猴樟SK，Na（根-茎）相互之间差异不明显。随着胁迫时间的延长，对照的SK，Na（根-茎）呈缓慢下降趋势；而碱处理的SK，Na（根-茎）在第6 h最高，处理6 h后则迅速下降，自12 h后呈先缓慢升高再缓慢下降趋势，节律性不明显。

图4 碱胁迫下不同处理时间猴樟幼苗SK，Na（根-茎）变化Fig.4 The SK，Na（root-stem）of C.bodinieri seedlings at different treatment times under alkali stress

2.5 碱胁迫对猴樟幼苗SK，Na（根-叶）的影响

由图5可以看出，猴樟SK，Na（根-叶）在碱胁迫处理后均高于对照，在处理的第6 h，20 mmol/L碱处理的SK，Na（根-叶）和30 mmol/L碱处理的SK，Na（根-叶）尤其明显，处理12 h后，碱胁迫处理的SK，Na（根-叶）相互之间差异不明显。随着胁迫时间的延长，对照的SK，Na（根-叶）呈缓慢下降趋势，节律性不明显；碱处理的SK，Na（根-叶）均呈现节律性变化，其中10 mmol/L碱处理的最高点出现在12 h、48 h和120 h，20 mmol/L碱处理的和30 mmol/L碱处理的最高点出现在6 h、48 h和120 h。

图5 碱胁迫下不同处理时间猴樟幼苗SK，Na（根-叶）变化Fig.5 The SK，Na（root-leaf）of C.bodinieri seedlings at different treatment times under alkalistress

3 讨论与结论

K+是植物生长发育必需的大量元素和渗透调节物质，涉及许多生理过程，包括酶活性调节、蛋白质合成及渗透调节等［13］，K+还参与光合作用，能促进叶绿素的合成和稳定［14］。碱环境通过离子胁迫、水分胁迫、高pH胁迫抑制植物的生长和发育［15］，植物体内的Fe2+、Zn2+等元素含量随碱胁迫浓度的增强表现为显著下降趋势，使植物难以吸收［16-17］。碱胁迫对K+有效性无显著影响，但在增加Na+吸收的同时，抑制植物对K+的吸收，进而抑制以K+为辅助因子的多种酶的活性，影响细胞膜的稳定性和地上部光合作用［5-6］。在本试验中，碱胁迫后猴樟根部的K+/Na+显著低于对照（P＜0.05），碱处理程度越高，K+含量越少，Na+含量越高，Na+与K+具有相同的电荷数目和相似的水合半径，介质中过多Na+的进入竞争性地抑制K+的吸收，导致根部组织中K+含量下降［18］。研究发现，碱胁迫下樟属植物将Na+主要保留在根系中，而降低其在茎、叶中的含量［19］，Na+在根部积累可以有效进行渗透调节、降低水势，保持其根系吸收水分的能力［9］，碱胁迫下植株保留在根中的Na+越多，其耐碱能力也就越强［20］。HAK/KUP/KT属高亲和K+转运蛋白家族，当盐碱条件下植株根部细胞膜电位改变或K+含量低于一定浓度时会诱导其进行高亲和性K+吸收和转运［21］，以保持植物器官或组织中较高的K+/Na+来适应盐碱环境。猴樟茎、叶器官中的K+/Na+的远高于根部器官，其原因可能是猴樟在碱胁迫下调控茎、叶器官对K+选择性运输，保持了茎、叶器官中较高的K+/Na+，保证地上部正常的生理代谢功能，提高叶片气孔对环境的敏感性［14］，这与张梦璇等［9］在白榆上、李娅等［22］在海州常山上的研究结果一致。在碱胁迫处理第6 h，10 mmol/L碱处理下茎器官中的K+/Na+比值提高至对照的5.40倍，叶器官中的K+/Na+比值显著低于对照；30 mmol/L碱处理条件下茎器官中的K+/Na+比值提高至对照的1.39倍，叶器官中K+/Na+比值提高至对照的1.73倍，说明猴樟对碱胁迫敏感，在胁迫处理的6 h内通过迅速加大K+的选择性运输的方式保持器官中较高的K+/Na+，使植物器官具备应对碱胁迫的能力；低浓度碱胁迫下，猴樟主要通过茎器官进行调控，而在高浓度碱胁迫下则是茎和叶器官协调参与调控，这可能与猴樟耐碱能力较强有关［3］。

植物膜系统对离子吸收、转运的调控能力与其耐碱性密切相关，耐盐碱能力强的植物细胞质膜ATPase活性在盐碱胁迫条件下上升，形成的质子跨膜梯度促进了K+进入细胞质，质膜上Na+/H+转运体被大量激活，进而提高K+的吸收和Na+的排放［6，10，23］。进入植物根部的盐分离子随水分代谢向地上部分运输，到达地上部分的盐分离子组分比例和数量由植物对盐分离子的运输选择性调控，离子选择性运输系数表征植物对离子的选择性运输能力，盐碱胁迫下离子选择性运输系数越大，表明植株促进营养离子的选择性运输和抑制Na+向上运输的能力越强［24］，耐盐植物的离子吸收系数与离子运输系数均显著高于盐敏感品种［20］。从本试验结果来看，碱胁迫处理后猴樟茎、叶器官对K+的选择性运输系数均高于对照，说明猴樟通过加大茎、叶器官对K+选择性运输的方式保持茎、叶器官中较高的K+/Na+，保证地上部正常的生理代谢功能，提高叶片气孔开闭的敏感性［14］。在培养的第6 h，10 mmol/L碱处理的猴樟SK，Na（根-茎）迅速提高至对照的7.95倍，而此时的SK，Na（根-叶）与对照差异不显著；30 mmol/L碱处理的SK，Na（根-茎）在处理的第6 h迅速提高至对照的5.53倍，SK，Na（根-叶）则迅速提高至对照的6.90倍，说明猴樟在6 h内就对碱胁迫做出响应，低浓度盐碱胁迫处理对猴樟叶片无显著影响，此时猴樟主要依靠茎器官进行调节；高浓度碱胁迫对猴樟叶片产生影响，茎、叶片均提高了对K+的选择性运输，茎、叶器官协同参与对碱胁迫的调控。另外，本试验对照根、茎、叶中的K+/Na+均在处理后的48 h和120 h时出现高峰，而SK，Na（根-茎）和SK，Na（根-叶）变化趋势表现平缓；碱胁迫处理的根部K+/Na+表现为第6～12 h较高，之后呈下降趋势；茎器官中的K+/Na+和SK，Na（根-茎）均在处理后的6～12 h显著提高，之后呈下降趋势，节律性表现不明显；而叶片中的K+/Na+和SK，Na（根-叶）均在处理后的6～12 h提高，在48 h和120 h时再次出现高峰，表现一定的节律性。猴樟幼苗的这种节律性变化可能与碱胁迫影响植物气孔开闭和水分运输有关［25］，具体原因尚需进一步研究。

综上所述，碱胁迫促进Na+的吸收，抑制K+的吸收，降低猴樟根系中K+/Na+的比值；猴樟通过提高茎叶器官对K+的选择性运输的方式提高茎、叶器官中K+/Na+的比值，应对碱协迫环境；低浓度碱胁迫下，猴樟茎器官中K+/Na+的比值在处理的第6 h时达到最高值；高浓度碱胁迫下，猴樟茎、叶器官中K+/Na+的比值在处理的6 h时迅速提高；猴樟对K+、Na+的吸收和运输具有节律性，碱胁迫影响了猴樟对K+、Na+的吸收和运输的节律性。