NaCl胁迫下黑果枸杞幼苗生长及Na+、K+吸收与分配的变化

魏 佳Richard John Tiika段慧荣马彦军张永涛马 瑞

(1.甘肃农业大学 林学院,兰州 730070;2.中国农业科学院 兰州畜牧与兽药研究所,兰州 730050;3.兰州市经济作物试验推广站,兰州 730050)

土壤盐碱化是世界上主要的生态环境问题之一,严重制约着农业的发展[1]。目前全球盐碱地面积已达9.54 亿hm2,且每年正以1×106～1.5×106hm2的速度在增长,中国在世界盐碱地分布最多的国家中排名第三[2]。盐胁迫作为植物主要的非生物胁迫之一,会改变植物的新陈代谢,引起作物减产,甚至导致植株死亡[3-5]。盐生植物在长期进化过程中逐渐形成多种特殊的有效机制,从而减轻盐分伤害,维持自身正常生理活动[6]。

通常,盐生植物提高自身盐胁迫抗性的主要方式之一是调节体内钠离子(Na+)与钾离子(K+)的转运[7]。K+是植物体内含量最多的无机阳离子,同时也是植物必须的营养元素,在植物光合作用、气孔运动、渗透调节、细胞膨压与伸长等多种生理活动中具有重要作用[8-9]。在高浓度NaCl处理下,盐生植物罗布麻(ApocynumvenetumLinn.)[10]和西伯利亚白刺(NitrariasibiricaPall.)[11]在吸收大量Na+的同时能维持地上部较稳定的K+浓度。此外,高浓度的Na+会改变植株体内的渗透势,从而破坏地下和地上部的膜完整性[12-14],但在一定浓度阈值范围内(>10 mmol/L),Na+对植物的生长发育具促进作用[15],如增加植物根和地上部的生物量等[16]。就盐生植物自身而言,植株体内的Na+、K+浓度及K+/Na+的变化是衡量其耐盐性的重要指标,维持高K+/Na+比更是多数盐生植物的重要生长机制[17]。

黑果枸杞(LyciumruthenicumMurr.)系茄科(Solanaceae)枸杞属(LyciumL.)多棘刺灌木[18-19],因具极高的营养价值和药用价值而备受关注[20],且喜生于各种类型的盐碱土荒地,沙地,具强萌蘖能力和高耐盐(≤400 mmol/L)的生态学特性[21],是中国西北地区特有的野生优良水土保持植物[22-23]。由于其对荒漠区生态系统的恢复至关重要[24],因此可作为盐碱化土地植被恢复的备选植物。盐胁迫下黑果枸杞的耐盐性已有报道[25],然而,在响应不同处理时段盐胁迫的过程中,黑果枸杞的耐盐性及离子积累与分配的变化模式尚缺乏系统研究。因此,本研究以4周龄黑果枸杞幼苗为材料,比较7 d 和20 d 不同浓度NaCl处理后其幼苗的生长变化,分析Na+、K+吸收和分配的变化规律,以揭示Na+、K+在黑果枸杞耐盐性中发挥的作用,为黑果枸杞耐盐性的分析提供材料。

1 材料与方法

1.1 材料

以黑果枸杞组培苗为材料,在甘肃农业大学林学院组培室进行试验。选择生长健壮的黑果枸杞组培苗,剪取5 cm 左右的茎段移入改良的1/2 MS培养基中进行扩繁,培养基配方(p H=5.7)为:1/2 MS培养基2.3 g/L,蔗糖30 g/L,琼脂11 g/L,NAA 0.02 mg/L,IBA 0.06 mg/L。扩繁2周后,开盖炼苗3 d,快速用蒸馏水冲洗根部杂质并移入含1/2 Hoagland营养液的容器中水培2周。1/2 Hoagland营养液配方(p H=5.7)为:2 mmol/L KNO3,0.5 mmol/L KH2PO4,0.5 mmol/L MgSO4·7H2O,0.5 mmol/L Ca-(NO3)2·4 H2O,50μmol/L H3BO3,10μmol/L MnCl2·4H2O,1.6μmol/L ZnSO4·7H2O,0.6 μmol/L CuSO4,0.05 μmol/L Na2Mo O4·2H2O,0.06μmol/L Fe-citrate·2H2O。温室的昼夜温度约为(22±2)℃/(20±2)℃,光照时长约16 h/d,相对湿度约65%。

1.2 盐处理

挑选长势一致的4周龄黑果枸杞幼苗,分别设置0、50、100、150、200、250、300 mmol/L NaCl 7个处理梯度,每个处理设6次生物学重复(每重复1 株)。每隔2 d 用含相应NaCl浓度的1/2 Hoagland营养液等量灌溉以补充盐分。在NaCl处理后的第7天和第20天分根、茎、叶和刺进行取样及测定相关指标。

1.3 测量指标及方法

1.3.1 株高和根长 肉眼观测各植株表型性状的变化并拍照,用直尺测量各自的株高与根长。

1.3.2 生物量 蒸馏水快速清洁植株表面数次后,用滤纸吸干多余水分,将其根部置于20 mmol/L CaCl2(预冷)中润洗2次(每次4 min),用以交换细胞壁间的Na+。用电子分析天秤分别称取根、茎、叶和刺的鲜质量,称取后的样品用信封袋封存后置于烘箱,于105 ℃杀青处理10 min,80 ℃下烘4～5 d至恒质量后,用电子分析天秤称取干质量(Dry mass)。

1.3.3 Na+、K+离子浓度 将干样放入20 m L玻璃试管中,加入10 m L 的100 mmol/L 冰乙酸,密封试管,90 ℃恒温温浴2 h,自然冷却后过滤两次,稀释适当倍数后,量取30μL 待测液上机,用火焰分光光度计(2655-00,美国)测定溶液中的Na+、K+浓度。Na+和K+标液校准时标准曲线均满足R2≥99.9%,组织中Na+、K+浓度(mmol/g)=待测液浓度(mmol/L)×浸提剂体积(L)/组织干质量(g)。

Na+、K+净吸收速率的计算参考 Wang等[26]的方法,略有改动。公式如下:Na+净吸收率=(处理n天后整株Na+浓度-BT 的整株Na+浓度)/根鲜质量(n天后根鲜质量)/△时间。K+净吸收率=(处理n天后整株K+浓度-BT的整株K+浓度)/根鲜质量(n天后根鲜质量)/△时间,其中BT(before treatment)为NaCl处理之前。在盐处理之前,幼苗并未产生刺,因此,刺的Na+、K+净吸收速率未计算。

Na+相对分配=处理n天后各器官的Na+浓度/处理n天后的整株Na+浓度;K+相对分配=处理n天后各器官的K+浓度/处理n天后的整株K+浓度;各器官K+/Na+=各器官K+浓度/各器官Na+浓度。

1.4 数据处理

应用Microsoft Exeel 2010录入数据并绘制柱状图,使用SPSS 25.0统计软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA),用Duncan氏法进行多重比较。所得数据以“平均值±标准误”表示。

2 结果与分析

2.1 NaCl处理对黑果枸杞幼苗株高和根长的影响

NaCl处理对黑果枸杞幼苗株高与根长的影响见图1。不同浓度NaCl处理7 d后,根长未产生显著差异,株高在0～150 mmol/L NaCl处理之间维持稳定,随NaCl浓度增加,株高显著下降。然而,不同浓度NaCl处理20 d后,株高和根长受到不同程度的抑制,随着NaCl浓度的增加(150～300 mmol/L),株高下降到一定程度后维持稳定,根长则持续下降(图1)。可见,株高和根长对盐处理不同时间的响应不同。

图1 NaCl处理后黑果枸杞幼苗株高和根长Fig.1 Plant height and root length of L.ruthenicum under treatment of NaCl stress

2.2 NaCl处理对黑果枸杞幼苗鲜质量和干质量的影响

NaCl处理7 d后,黑果枸杞幼苗根、茎、叶和刺的鲜、干质量呈先升后降的趋势,均在150 mmol/L下达到最大值(显著高于对照),鲜质量分别是对照的1.3、1.2、1.8、2.4倍,干质量分别是对照的1.4、1.3、1.7、2倍(表1)。其中,高浓度NaCl处理下(250和300 mmol/L),根和茎的鲜、干质量显著低于对照,叶和刺的鲜、干质量与对照无显著差异。

NaCl处理20 d后,与对照相比,黑果枸杞幼苗各器官鲜、干质量均有所下降(表1)。其中,除300 mmol/L NaCl显著抑制叶鲜质量外,各器官鲜、干质量在150～300 mmol/L NaCl处理之间无显著差异。300 mmol/L NaCl处理下,根、茎、叶、刺的鲜质量仅分别是对照的0.4、0.2、0.3、0.3倍,各组织干质量仅分别是对照的0.4、0.3、0.3、0.4倍。

表1 不同处理时间下黑果枸杞鲜质量、干质量响应NaCl胁迫的变化Table 1 Change of fresh,dry mass of L.ruthenicum response to NaCl stress under different treatment times

2.3 NaCl处理对黑果枸杞幼苗Na+、K+浓度的影响

随NaCl处理浓度的增加,黑果枸杞幼苗各器官内的Na+浓度均显著增加,各器官在20 d NaCl处理后积累了更多的Na+,约为7 d NaCl处理的2.7～3.3倍,积累量呈现叶>茎>根>刺的变化规律(表2)。300 mmol/L NaCl处理7 d后,根、茎、叶、刺Na+浓度分别为对照的18.1、15.9、9.7、26倍,300 mmol/L NaCl处理20 d后各组织Na+浓度分别为对照的21.6、21.9、14.7和19倍。

盐处理下,与对照相比,黑果枸杞幼苗各器官内的K+浓度呈下降趋势,且20 d处理下各器官内的K+浓度下降幅度显著高于7 d处理。值得注意的是,随着NaCl处理浓度的增加,各器官中的K+浓度并没有持续下降,而是维持相对稳定(表2)。

表2 NaCl处理后黑果枸杞幼苗Na+、K+浓度Table 2 Na+,K+concentration of L.ruthenicum under treatment of NaCl stress

2.4 NaCl处理对黑果枸杞幼苗Na+、K+净吸收速率的影响

NaCl处理下,黑果枸杞体内Na+净吸收速率显著高于对照,且浓度越高,增幅越大。200～300 mmol/L NaCl处理7 d后,Na+净吸收速率无显著差异,但200～300 mmol/L NaCl处理20 d后,Na+净吸收速率差异显著(P<0.05)(图2-A)。

NaCl处理下,黑果枸杞体内K+净吸收速率均下降,但在7 d和20 d处理下变化程度显著不同(图2-B)。0～150 mmol/L NaCl 7 d处理下,K+净吸收速率较对照呈下降趋势,但当NaCl≥200 mmol/L时,K+吸收速率能维持相对稳定,且不同浓度NaCl 7 d处理之间的K+净吸收速率没有差异。20 d处理下的K+净吸收速率均低于对照,但随NaCl浓度的增大,各NaCl处理组间K+净吸收速率维持相对稳定。

图2 NaCl处理后黑果枸杞幼苗Na+和K+净吸收速率Fig.2 Na+and K+net absorption rate of L.ruthenicum under treatment of NaCl stress

2.5 NaCl处理对黑果枸杞幼苗Na+、K+相对分配的影响

盐处理下,黑果枸杞各器官内Na+和K+的相对分配比例为叶>茎>根>刺(图3)。7 d处理下,随NaCl浓度增加,在300 mmol/L 时根与茎中Na+相对分配比例明显增加,刺中影响不大。K+的相对分配主要集中在叶中,根和茎中的K+相对分配与对照相比,略有下降,刺中变化不大。20 d处理下,Na+仍主要集中于叶,刺中所占比例最小,其他器官变化不大,但K+的相对分配相较于7 d 处理,在根与茎中所占比例明显增加。

图3 NaCl处理后黑果枸杞幼苗Na+和K+相对分配Fig.3 Na+and K+relative distribution of L.ruthenicum under treatment of NaCl stress

2.6 NaCl处理对黑果枸杞幼苗K+/Na+的影响

由表3可见,NaCl的添加显著降低各器官的K+/Na+,但随着NaCl浓度的增加,各器官中的K+/Na+值却保持恒定,未产生显著差异。300 mmol/L NaCl处理7 d 后,根、茎、叶和刺中的K+/Na+值仅是对照的0.03、0.03、0.06、0.02倍;300 mmol/L NaCl处理20 d后,根、茎、叶和刺中的K+/Na+值仅是对照的0.003、0.005、0.004、0.002倍。

表3 NaCl处理后黑果枸杞幼苗K+/Na+之值Table 3 K+/Na+ration of L.ruthenicum under treatment of NaCl stress

3 讨论

对植物的个体生长发育而言,盐胁迫最显著且最直接的作用是影响组织形态的构建[27],作为盐胁迫反应的综合体现,生物量通常是植物耐盐性的直接指标[28-29]。本试验结果表明,50～150 mmol/L NaCl 7 d处理下,黑果枸杞能维持正常生长,且150 mmol/L NaCl显著促进各器官的生长,这与包灵[30]在盐角草和尤佳等[31]对黄花补血草中的研究结果相似。值得注意的是,对多数甜土植物而言,NaCl胁迫作为其生长发育中的有害物质,会显著降低植株生长量,但对耐盐植物而言,适度的NaCl反而促进其生长发育,这意味着Na+在液泡中的区域化使黑果枸杞将其作为有益的渗透调节剂,从而维持细胞渗透势,增加细胞含水量,以适应外界的高盐环境。此外,即使当黑果枸杞幼苗遭受7 d 较高浓度NaCl的胁迫时(200～300 mmol/L),叶和刺的鲜质量仍能保持和对照一致的水平甚至略高于对照。NaCl胁迫20 d后,虽然各器官生物量均受到一定程度的抑制,但随着盐浓度的增加,生长量却能维持相对稳定。可见,在面临20 d的高浓度NaCl处理时,黑果枸杞仍具较强的耐盐性。

离子稳态是植物获得耐盐能力的重要策略之一[32]。在高盐胁迫下,细胞内的Na+、K+平衡往往会被破坏,尤其是过量的Na+对植物细胞的代谢活动产生不利影响,会改变渗透势,降低植株生长量[33]。因此,植物不同部位在盐胁迫下对Na+、K+的选择性吸收能力就显得尤为重要。有研究表明[34-35],随着外界NaCl浓度的不断增大,植株各器官内Na+浓度逐渐升高,本试验结果与之一致(表2)。Na+浓度在植株体内的徒增势必会影响K+浓度,7 d处理下,黑果枸杞体内K+浓度与对照相比虽呈下降趋势,但随盐浓度的增大(≥200 mmol/L),其数值逐步维持在一个稳定状态(表2)。20 d 处理下,K+浓度的变化趋势与7 d NaCl处理类似,与对照相比显著下降,但不同NaCl处理组间能维持相对稳定的K+浓度。因此推测黑果枸杞在NaCl处理下为保持较高的耐盐性,在体内积累大量Na+的同时维持各器官相对稳定的K+浓度,这与夏曾润等[10]对罗布麻的研究结果相似。以上推测通过Na+、K+净吸收速率得到进一步验证。Na+净吸收速率在7 d与20 d NaCl处理下的上升趋势与NaCl浓度呈正相关(图2)。K+净吸收速率在7 d 与20 d NaCl处理下均能维持相对稳定的数值(图2),由此可见黑果枸杞可能对K+具高选择性吸收与运输能力,这或许是其维持较高耐盐性的原因之一。

通常,细胞质内的K+/Na+最小值在1 左右,但盐胁迫的影响会导致该值远低于细胞质内的正常水平[36]。因此,维持细胞质内的K+/Na+处于相对稳定的范围内是耐盐植物的主要特征之一[37]。首先,在7 d与20 d NaCl处理下,黑果枸杞根部的K+/Na+均高于茎部与叶部,这与王龙强等[38]对黑果枸杞和宁夏枸杞的研究结果一致。此外,与对照相比,黑果枸杞各器官间K+/Na+随NaCl浓度的增大而明显下降,但在不同盐浓度之间,均能维持一个较为稳定的K+/Na+。这表现出黑果枸杞对Na+与K+具较强的运输调控能力。由此可见,通过调控K+的选择性吸收与运输,从而保持叶部较高浓度的K+和各器官较为稳定的K+/Na+很可能是黑果枸杞适应盐胁迫的关键性因素之一。

4 结论

综合7 d与20 d NaCl胁迫下黑果枸杞幼苗各生物量的变化趋势,分析得出在两种不同时段的处理下,其幼苗均能维持生长,且表现出较强的耐盐性,20 d处理下,相同NaCl浓度对其幼苗的生长抑制程度大于7 d,适度NaCl(50～150 mmol/L)处理能促进其生长,且150 mmol/L NaCl是其生长的最佳条件。各器官内Na+浓度、Na+净吸收速率等结果显示盐胁迫显著增加黑果枸杞各器官中Na+的积累量,且20 d下的增幅远超7 d,但这也不同程度的抑制各器官中的K+浓度、K+净吸收速率及K+/Na+。值得关注的是在高浓度Na+的抑制下,其器官在各处理组间仍具维持K+相对稳定的能力。因此,在高盐胁迫下,黑果枸杞主要通过维持K+净吸收速率,稳定各器官中K+浓度和K+/Na+,并将Na+与K+更多地分配在地上部组织(叶部)等措施来减轻盐分损伤,这是黑果枸杞具较强耐盐性的主要原因之一。同时,本研究也为黑果枸杞在盐碱地的推广和应用提供了理论依据和实践基础。