生态学报  2014, Vol. 34 Issue (2): 326-336

文章信息

刘正祥, 张华新, 杨秀艳, 刘涛, 狄文彬
LIU Zhengxiang, ZHANG Huaxin, YANG Xiuyan, LIU Tao, DI Wenbin
NaCl胁迫下沙枣幼苗生长和阳离子吸收、运输与分配特性
Growth, and cationic absorption, transportation and allocation of Elaeagnus angustifolia seedlings under NaCl stress
生态学报, 2014, 34(2): 326-336
Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(2): 326-336
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201303270530

文章历史

收稿日期:2013-3-27
修订日期:2013-8-13
NaCl胁迫下沙枣幼苗生长和阳离子吸收、运输与分配特性
刘正祥1, 2, 张华新1, 2 , 杨秀艳1, 2, 刘涛1, 2, 狄文彬3    
1. 国家林业局盐碱地研究中心, 北京 100091;
2. 林木遗传育种国家重点实验室, 北京 100091;
3. 北京市林业勘察设计院, 北京 100029
摘要:沙枣(Elaeagnus angustifolia L.)耐盐性强,是我国北方生态脆弱地区造林绿化的一个先锋树种。为探讨沙枣的盐适应机制,研究了不同浓度NaCl(0、100和200 mmol/L)胁迫30d对其水培幼苗生物量累积以及不同组织(根、茎、叶)K+、Na+、Ca2+和Mg2+吸收、运输与分配的影响。结果表明:盐胁迫不同程度地促进了沙枣苗根系生长;100 mmol/L NaCl胁迫对幼苗生物量累积无明显影响,而200 mmol/L则显著抑制了生物量累积;盐胁迫幼苗根、茎、叶中Na+含量以及K+-Na+选择性运输系数(SK,Na)和Ca2+-Na+选择性运输系数(SCa,Na)显著或大幅度增加,而K+、Ca2+、Mg2+含量以及K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值则显著或大幅度下降;200 mmol/L NaCl胁迫沙枣根Na+含量和根Na+净累积量分别为22.15 mg/g干重和1.87 mg/株(是对照的16.20倍和20.06倍),根成为Na+净累积量增加幅度最大的组织和Na+含量最高的组织;200 mmol/L NaCl胁迫沙枣茎、叶中的Na+含量以及冠组织Na+净累积量分别高达5.15、7.71 mg/g干重和3.29 mg/株(是对照的7.22倍、9.58倍和5.45倍),但幼苗仍能正常生长。综合分析认为,沙枣的盐适应机制是根系拒盐和冠组织耐盐,主要通过根系的补偿生长效应、根系对Na+的聚积与限制作用以及冠组织对Na+的忍耐来实现的,同时也与根、茎和叶对K+、Ca2+选择性运输能力显著增强有关。
关键词沙枣    NaCl胁迫    生物量    阳离子    
Growth, and cationic absorption, transportation and allocation of Elaeagnus angustifolia seedlings under NaCl stress
LIU Zhengxiang1, 2, ZHANG Huaxin1, 2 , YANG Xiuyan1, 2, LIU Tao1, 2, DI Wenbin3    
1. Research Center of Saline and Alkali Land of State Forestry Administration, Beijing 100091, China;
2. State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Beijing 100091, China;
3. Beijing Forestry Survey and Design Institute, Beijing 100029, China
Abstract:As a salt-tolerant shrub/tree species, Elaeagnus angustifolia L. is widely planted for afforestation in many marginal lands or environmentally harsh conditions in northern China. Although E. angustifolia is well known for its strong adaptation to harsh conditions, the underpinning physiological mechanisms associated with ion transport and homeostasis under high-salt conditions have not been revealed. Has it developed some physiological mechanisms to avoid the high Na+ in soil or sequester the Na+ in some specific tissues or organs? The use of E. angustifolia to answer these questions can greatly enhance our understanding of the general physiological mechanisms that plants deploy to combat the environmental challenges.

To unravel the underlying physiological mechanisms responsible for the extra-ordinary adaptation to high salt in E. angustifolia, we used the well-controlled water culture experiment in greenhouse to investigate the biomass accumulation, and the absorption, transportation and allocation of multiple ions including K+, Na+, Ca2+ and Mg2+ in different plant tissues (roots, stems and leaves) of E. angustifolia seedlings upon being challenged by different NaCl concentrations (0, 100 and 200 mmol/L) for 30 days. Interestingly, the root growth was stimulated to a different extent by salt stress. The biomass accumulation of E. angustifolia seedlings was not obviously affected by 100 mmol/L NaCl stress, whereas it was significantly inhibited by 200 mmol/L NaCl stress. Compared with non-salt control, the K+-Na+ selective transportation coefficients (SK, Na) and Ca2+-Na+ selective transportation coefficients (SCa, Na) of different plant tissues (roots, stems and leaves) under two salt concentrations were all significantly elevated, while the contents of K+, Ca2+ and Mg2+, and the ratios of K+/Na+, Ca2+/Na+ and Mg2+/Na+ in the three plant tissues were all significantly decreased. The Na+ concentration and net Na+ accumulation in 200 mmol/L NaCl-stressed seedlings' roots were 22.15 mg/g DW and 1.87 mg/plant, respectively, which were 16.20 and 20.06 times higher than that in the control roots, respectively. The concentration and the accumulating amplitude of Na+ in roots were more conspicuous than any of other two tissues, implicating that roots may contribute vitally to the observed salt-tolerance of E. angustifolia. The Na+ concentration in stems and leaves of 200 mmol/L NaCl-stressed seedlings increased to 5.15 and 7.71 mg/g DW, which were 7.22 and 9.58 times the content in corresponding control, respectively, and net Na+ accumulation in 200 mmol/L NaCl-stressed seedlings' shoots was 3.29 mg/plant (5.45 times as much as in control shoot). However, all seedlings stressed by two salt concentrations exhibited a normal growth, no typical salt-damaged symptoms like succulent shoot and abscised leaves in treated seedlings were observed, indicating that shoots (including stems and leaves) can tolerate high concentration's Na+ stress. In conclusion, our findings suggested that the salt-adaptation mechanisms of E. angustifolia are root salt-rejection and shoot salt-tolerance, which are primarily implemented by root growth stimulation, root Na+ accumulation and restriction, and shoot Na+ endurance, and are also correlated with a remarkably increased ability of K+ and Ca2+ selective transportation in roots, stems and leaves.

Key words: Elaeagnus angustifolia    NaCl stress    biomass    cation    

受气候变暖引起的海平面上升、干旱等自然灾害发生更为频繁、不合理的灌溉措施等诸多因素影响,如今全球盐碱地正以每年超过1.0×104—1.5×104 km2的速度在增长[1],给当地人们的生产、生活、经济发展乃至生态环境带来严重威胁。研究表明,与埋设暗管、抬高地势、局部设置隔离层等工程措施相比,利用耐盐碱植物,尤其是耐盐碱林木,改良盐碱地具有投资小、适用范围广和可持续性强等优点,生物治理已经成为盐碱地改良与利用的根本措施[2, 3]。因此,培育耐盐碱植物,研究其耐盐机制对于耐盐碱植物选育、盐碱地生态系统恢复与重建以及现代盐土农业发展具有重要的理论和现实意义。

沙枣(Elaeagnus angustifolia L.)为胡颓子科(Elaeagnaceae)胡颓子属(Elaeagnus L.)落叶灌木或小乔木,在我国主要分布于西北各省和内蒙古西部,少量分布到华北北部、东北西部,并在山东、河北、天津等地有引种栽培。沙枣分布广,生活力强,具有抗风沙、耐盐碱、耐贫瘠等特性,兼具生态、经济和药用价值[4, 5],已经成为我国北方生态脆弱地区造林绿化的一个先锋树种。在沙枣耐盐生理方面,研究涉及种子萌发、水分与渗透调节、抗氧化防御、光合生理等领域[6, 7, 8, 9, 10];而对其矿质离子研究不够深入和系统[11, 12, 13],且仅从参试树种之间盐离子累积量差异的角度研究了其盐适应类型,但并未从盐离子在沙枣体内不同组织间累积与分配的角度对其耐盐机制做进一步探讨[14, 15]。因此,沙枣表现出较强耐盐性中的一些关键问题有待解决:NaCl胁迫下沙枣离子选择性吸收(或运输)特性以及离子平衡的破坏程度如何?研究者们在盐碱胁迫研究中较为关注的、毒害性较强的Na+在植株体内是否聚积,聚积(若有)的程度如何,在各组织水平上又是如何区隔化的?此外,众多研究表明,植物的盐适应机制主要包括避盐和耐盐[16, 17],那么典型的耐盐植物沙枣又是通过何种机制来实现的?

为探讨上述问题,本文在温室水培条件下,以沙枣实生幼苗为材料,研究了NaCl胁迫下幼苗生物量累积以及根、茎、叶各组织中K+、Na+、Ca2+、Mg2+矿质离子的吸收、运输和分配特性,以期深入了解沙枣的盐适应机制,为其在盐碱地生物治理中的规模化推广与应用提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法 1.1 供试材料

2011年10月下旬,在新疆北部的昌吉市大西渠乡采集沙枣成熟果实,脱去果皮,洗净种子,置于4 ℃冰柜内贮藏备用。

1.2 试验方法

试验在中国林业科学研究院科研温室内进行。2012年6月上旬,将经过低温沙藏并萌动露白的种子播种到装有蛭石的营养钵中。每盆播种1粒,置于温室中育苗。待幼苗生长至8片或10片叶龄、株高约为10 cm时,选取长势一致的幼苗定植到塑料容器中进行水培。盐胁迫前,对沙枣幼苗进行为期18d的预培养,以使其适应水培条件,正常生长。

2012年7月15日进行盐处理,试验共设3个浓度水平,即(1)CK:1/4 Hoagland + 0 mmol/L NaCl;(2)1/4 Hoagland + 100 mmol/L NaCl;(3)1/4 Hoagland + 200 mmol/L NaCl,并在处理当天采集幼苗样品用于测定初始生物量和各种矿质离子的初始含量(最终用于计算Na+的净累积量)。每个盐处理培养幼苗4盆,每盆容器中培养幼苗24株。为避免对幼苗造成渗透休克,采取每天增加50 mmol/L NaCl的方式递增施盐,各处理在同一天(即7月15日)到达预定浓度,此时计为盐胁迫的第0天。试验期间,每4d更换1次营养液(pH值=6.0),全天通气培养。试验于8月14日结束,共胁迫处理30d,采样用于各项指标的测定。

1.3 测定指标与方法 1.3.1 生物量的累积与分配

试验结束时,每个盐处理随机选择幼苗20株(5株/盆×4盆),分别采集幼苗的根、茎和叶,在105 ℃下杀青15 min,然后80 ℃烘至质量恒定(干重,DW),自然冷却后分别测得各组分的生物量,并计算冠生物量(=茎生物量+叶生物量)、全株总生物量(=根生物量+冠生物量)、相对生物量(=某处理的平均总生物量/对照的平均总生物量×100%)以及根冠比值(=根生物量/冠生物量)。

1.3.2 矿质离子含量的测定

准确称取烘干并粉碎的植物样品约0.1 g(共3份),于50 mL小烧杯中,加入10 mL HNO3和1 mL HClO4,置于电热板上100 ℃左右低温加盖消解,蒸发至约剩0.5 mL时,开盖继续加热蒸发至近粘稠状,并加热至白烟冒尽。加0.5 mL HNO3微加热,用亚沸水冲洗内壁,冷却后,定容至5 mL或10 mL(最终体积依待测成分的含量而定),静止过夜,此溶液即为待测液。采用电感耦合等离子体光谱仪ICP-OES(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer,Optima 5300DV,Pekin-Elmer,USA)测定沙枣幼苗根、茎和叶中K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量,并计算各组织中的K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值。

1.3.3 离子选择性运输能力的计算

根据王磊等[18]的方法计算沙枣根、茎、叶中K+-Na+选择性运输(/吸收)系数(SK Na)和Ca2+-Na+选择性运输(/吸收)系数(SCa,Na)。

1.3.4 Na+净累积与分配的计算

沙枣幼苗不同组织Na+净累积(ΔNa+tissue,mg/株)根据下列公式计算:

ΔNa+tissue =[Na+tissue]t1× Wtissue,t1 - [Na+tissue],t0 × Wtissue,t0

式中,[Na+tissue]为组织(根、茎或叶)中Na+浓度(mg/g干重);Wtissue为组织干质量(g/株);t1和t0为2个时间节点,本研究中分别指盐处理前(0d)和试验结束时(30d)。冠Na+净累积(ΔNa+shoot)、全株Na+净累积(ΔNa+plant)以及不同组织Na+相对含量则分别按下式计算:

ΔNa+shoot = ΔNa+stem + ΔNa+leaf

ΔNa+plant = ΔNa+root + ΔNa+shoot

组织Na+相对含量= 组织Na+净累积 /全株Na+净累积 × 100%

1.4 数据处理与分析

所有数据均在Microsoft Excel 2003软件中进行整理和作图,采用PASW Statistics 18统计软件对数据进行方差分析(one-way ANOVA)和差异显著性比较(Duncan新复极差法)。

2 结果与分析 2.1 NaCl胁迫对沙枣幼苗生物量累积与分配的影响

表 1可以看出,盐胁迫促进了沙枣幼苗根生物量的累积,其中,100 mmol/L NaCl胁迫幼苗根生物量比对照的高26.5%,2者之间差异达到显著水平;而200 mmol/L胁迫植株的根生物量也比对照的高2.4%。在100 mmol/L条件下,幼苗的茎、叶、冠以及全株总生物量仅略低于对照植株相应组织的生物量;而200 mmol/L胁迫植株的茎、叶、冠和全株总生物量均显著低于对照植株相应组织的生物量。经100和200 mmol/L NaCl胁迫后,幼苗植株的总生物量分别为对照植株的99.1%和63.9%,而根冠比值则随盐胁迫浓度的升高呈现出依次显著增加的趋势。上述结果表明,100 mmol/L NaCl胁迫对植株生物量累积并没有产生明显的影响,而200 mmol/L NaCl胁迫则具有显著的抑制效应,且两种浓度盐胁迫均显著改变了幼苗生物量的分配格局。

表1 不同浓度NaCl胁迫对沙枣幼苗生物量累积和根冠比值的影响 Table 1 Effects of different NaCl concentrations on biomass accumulation and root/shoot ratio of Elaeagnus angustifolia seedlings
盐浓度 Salt concentration / (mmol/L)生物量累积 Biomass accumulation/(g/株) 相对生物量 Relative biomass /%根冠比值 Root/ shoot ratio
根 Root茎 Stem叶 Leaf冠 Shoot全株 Whole plant
表中数据为平均值±标准误,n=20;同列中不同小写字母表示盐处理之间具有显著差异(P<0.05)
00.083±0.006 b0.405±0.035 a0.426±0.036 a0.832±0.0693 a0.915±0.075 a100.00.103±0.004 c
1000.105±0.006 a0.380±0.023 a0.422±0.025 a0.802±0.0475 a0.907±0.053 a99.10.132±0.004 b
2000.085±0.009 ab0.216±0.018 b0.284±0.022 b0.500±0.039 b0.585±0.047 b63.90.166±0.006 a
2.2 NaCl胁迫对沙枣幼苗不同组织阳离子含量的影响 2.2.1 K+含量

图 1可以看出,对照、100和200 mmol/L NaCl 处理植株K+含量在不同组织之间具有相同规律,即叶>根>茎,且各组织间的差异均达到显著水平。在不同处理之间,随着NaCl胁迫浓度的升高,幼苗根、茎、叶中K+含量均呈现出依次显著下降的趋势,其中,与相应的对照相比,200 mmol/L NaCl胁迫植株茎K+含量的下降幅度最大(为35.6%),根和叶中的降幅较为一致(分别为24.6%和24.8%)。这说明,盐胁迫幼苗植株体内的K+优先向根和叶分配,以避免K+营养亏缺、提高其自身的耐盐性,从而维持植株正常的生理活动。

图 1 不同浓度NaCl胁迫对沙枣幼苗各组织K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量的影响 Fig. 1 Effects of different NaCl concentrations on K+,Na+,Ca2+ and Mg2+ content in different plant tissues of Elaeagnus angustifolia seedlings 图中误差棒为平均值的标准误,n=3;不同小写字母表示离子含量在相同组织(根、茎或叶)不同盐处理之间具有显著差异(P<0.05),而不同大写字母则表示离子含量在相同盐处理(0、100或200 mmol/L NaCl)不同组织之间具有显著差异(P<0.05)
2.2.2 Na+含量

经盐胁迫后,沙枣幼苗植株各组织Na+含量急剧增加,同一组织不同处理之间以及同一种处理各组织之间均具有显著差异(图 1)。其中,100 mmol/L NaCl胁迫幼苗根、茎、叶中Na+含量分别为对照相应组织Na+含量的8.56、6.03和4.50倍,而200 mmol/L胁迫植株Na+含量则是对照相应组织的16.20、7.22和9.58倍。对于100 mmol/L NaCl胁迫植株,各组织Na+含量顺序为根>茎>叶,茎和叶中的Na+含量分别为根中的36.7%和30.9%;而200 mmol/L处理植株Na+含量则为根>叶>茎,叶和茎中的Na+含量分别为根中的34.8%和23.3%。上述结果表明,2种浓度盐胁迫沙枣幼苗均吸收了大量的Na+,并将绝大部分的Na+贮藏、限制在根组织中,且盐胁迫改变了茎和叶中的Na+含量顺序。

2.2.3 Ca2+含量

图 1看出,无论是对照、100或200 mmol/L NaCl胁迫幼苗,其各组织Ca2+含量顺序相同,即叶Ca2+含量最高,其次是根,茎中最低,且Ca2+含量在各组织间的差异均达到显著水平。随着NaCl胁迫浓度的升高,根Ca2+含量依次显著下降,100和200 mmol/L NaCl处理植株根Ca2+含量则分别为对照植株的77.3%和66.6%。经100或200 mmol/L的NaCl胁迫后,幼苗茎和叶Ca2+含量均显著低于对照,但茎、叶Ca2+含量在100与200 mmol/L处理之间较为一致、无显著差异。这表明,即使在200 mmol/L的高浓度盐胁迫下,沙枣幼苗地上部分仍能保持较高的Ca2+含量,有利于缓解NaCl对冠组织(尤其是叶片)的伤害。

2.2.4 Mg2+含量

对照、100和200 mmol/L NaCl 胁迫沙枣幼苗中Mg2+含量最高的组织均是根系,其次是叶片,茎最低,且Mg2+含量在同一处理不同组织之间均具有显著差异(图 1)。随着胁迫溶液中NaCl浓度依次升高,叶片中的Mg2+含量依次显著下降,而根和茎中的Mg2+含量则先显著下降而后显著升高,且与对照相比,根系中Mg2+含量的下降幅度最大(为36.1%)。

2.3 NaCl胁迫对沙枣幼苗各组织离子含量比值的影响

K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值常用来表征盐胁迫对离子平衡的破坏程度,比值越低,表明Na+对K+、Ca2+和Mg2+吸收的抑制效应越强,受盐害越严重。由图 2可以看出,盐胁迫沙枣幼苗根、茎、叶中的K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值均大幅度低于对照,且随着盐胁迫浓度的增加总体上均呈现出下降的趋势。其中,100 mmol/L NaCl胁迫下,根、茎、叶中的离子含量比值分别比对照相应组织下降了90.7%、88.2%、80.6%(K+/Na+比值),91.0%、86.8%、80.1%(Ca2+/Na+比值),以及92.5%、86.2%、81.4%(Mg2+/Na+比值)。当NaCl 胁迫浓度继续增加至200 mmol/L时,与100 mmol/L相比,根Mg2+/Na+比值以及茎中的Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值下降幅度均较小(无显著差异),而根、茎、叶中的其他离子含量比值降幅较大,差异均达到显著水平。在同一种盐处理下,沙枣幼苗叶片K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值均高于或显著高于根和茎中的相应比值。上述结果表明,在沙枣植株的3个组织中,根系中的Na+对其K+、Ca2+和Mg2+吸收的抑制效应最大,而叶片最小。同时,结合图 1分析可知,沙枣幼苗根、茎、叶中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值随盐胁迫浓度的增大而下降是由于各组织Na+含量急剧增加,K+、Ca2+和Mg2+含量依次下降所致。

2.4 NaCl胁迫对沙枣幼苗离子选择性吸收和运输的影响

表 2可知,在2种浓度NaCl胁迫下,沙枣幼苗根系的SK,NaSCa,Na远大于对照,叶片SK,NaSCa,Na也显著高于对照(100 mmol/L NaCl胁迫植株分别为对照的2.10和2.20倍);幼苗根系SK,Na和叶片SCa,Na在100与200 mmol/L 2个NaCl浓度之间相一致、无显著差异;但200 mmol/L NaCl胁迫幼苗的根系SCa,Na和叶片SK,Na反而显著低于100 mmol/L NaCl胁迫植株。这表明,与对照相比,盐胁迫幼苗根系和叶片具有很强的K+、Ca2+选择性运输能力,且随着根和叶中Na+浓度进一步升高,这种能力在100 mmol/L时已趋近(或达到)饱和。在茎组织中,SK,NaSCa,Na随NaCl胁迫浓度的升高依次显著增大,表明茎对K+、Ca2+选择性运输能力逐渐增强,试图将更多的Na+限制在根系中。

表2 不同浓度NaCl胁迫对沙枣幼苗各组织K+、Ca2+选择性吸收和运输的影响 Table 2 Effects of different NaCl concentrations on selective absorption-transportation of K+ and Ca2+ in different plant tissues of Elaeagnus angustifolia seedlings
盐浓度/ (mmol/L) Salt concentration SK,Na SCa,Na
根 Root茎 Stem叶 Leaf 根 Root茎 Stem叶 Leaf
表中数据为平均值±标准误,n=3;同一列不同小写字母表示离子选择性运输系数在相同组织(根、茎或叶)不同盐处理之间具有显著差异(P<0.05),而同一行不同大写字母则表示离子选择性运输系数在相同盐处理(0、100或200 mmol/L NaCl)不同组织之间具有显著差异(P<0.05)
00.01±0.00 bC1.72±0.05 cB2.21±0.08 cA0.00±0.00 cC0.70±0.02 cB2.82±0.05 bA
10076.57±0.38 aA2.19±0.01 bC4.64±0.00 aB26.98±0.03 aA1.02±0.01 bC6.20±0.06 aB
20076.79±0.21 aA3.29±0.02 aC3.72±0.01 bB24.55±0.06 bA1.93±0.02 aC6.19±0.10 aB
图 2 不同浓度NaCl胁迫对沙枣幼苗各组织K+/Na+、Ca2+/ Na+以及Mg2+/ Na+比值的影响 Fig. 2 Effects of different NaCl concentrations on K+/Na+,Ca2+/Na+ and Mg2+/ Na+ ratio in different plant tissues of Elaeagnus angustifolia seedlings

表 2还可以看出,SK,NaSCa,Na在不同组织之间具有较大差异。在无盐胁迫下,SK,NaSCa,Na均表现为叶>茎>根,即对K+与Na+、Ca2+与Na+选择性运输(或吸收)能力最强的组织是叶片,其次是茎,根系最弱;当NaCl浓度为100或200 mmol/L时,SK,NaSCa,Na均表现为根>叶>茎,幼苗根系转而成为离子选择性运输能力最强的组织。

2.5 NaCl胁迫下沙枣幼苗Na+净累积与分配特性

图 3可以看出,随着盐胁迫浓度的升高,根、叶、冠以及整株幼苗Na+净累积量均依次增加,而茎则先增加后减小。在100和200 mmol/L NaCl胁迫下,沙枣幼苗Na+净累积量分别是对照植株的12.87和20.06倍(根)、5.73和3.94倍(茎)、4.66和6.77倍(叶)、5.16和5.45倍(冠)以及6.19和7.41倍(全株),其中,根Na+净累积量增加幅度最大。当NaCl浓度由100 mmol/L升高至200 mmol/L时,整株幼苗Na+净累积量显著增加,但冠Na+净累积量增加有限(仅增加5.60%),说明根是Na+净累积量增加的主要组织。Na+净累积量在不同处理之间差异较大:在对照幼苗中,Na+净累积量顺序为叶>茎>根,叶与茎之间无显著差异,且均显著高于根;100 mmol/L NaCl胁迫植株中,Na+净累积量为茎>叶>根,茎与叶之间无显著差异,且均显著高于根;而经200 mmol/L NaCl胁迫后,Na+净累积量则为叶>根>茎,叶与根之间无显著差异,且均显著高于茎。

图 3 不同浓度NaCl胁迫下沙枣幼苗根、茎、叶、冠以及全株Na+净累积 Fig. 3 Net Na+ accumulation in root,stem,leaf,shoot and whole-plant of Elaeagnus angustifolia seedlings under different NaCl concentrations

以整株幼苗Na+净累积量为100%,探讨Na+在不同组织之间的相对含量,即Na+净增加量的分配格局。由图 4可以看出,随着培养溶液中NaCl浓度由0升高至100 mmol/L并最终达到200 mmol/L,根Na+相对含量显著增加(分别为13.40%、27.76%、36.22%),茎和冠均显著下降(分别为40.45%、37.46%、21.51%,以及86.60%、72.24%、63.78%),而叶则先显著下降后又显著升高至对照水平(分别为46.15%、34.78%、42.27%)。在不同组织之间,对照植株的Na+相对含量顺序为叶>茎>根,差异均达到显著水平;100 mmol/L NaCl胁迫植株为茎>叶>根,茎与叶之间无显著差异,且与根之间的差异均达到显著水平;而200 mmol/L NaCl胁迫植株则为叶>根>茎,相互之间的差异均达到显著水平。

图 4 不同浓度NaCl胁迫对沙枣幼苗根、茎、叶和冠中Na+分配的影响 Fig. 4 Effects of different NaCl concentrations on Na+ allocation in root,stem,leaf and shoot of Elaeagnus angustifolia seedlings
3 结论与讨论 3.1 NaCl胁迫下沙枣幼苗生长及其耐盐性

培养介质中的过量盐分主要通过离子毒害和渗透胁迫对植株造成伤害,生长抑制是植物对盐渍逆境最为常见的生理响应[19, 20]。然而,对于盐生植物或某些耐盐性较强的甜土植物来说,适度的盐胁迫不仅不会抑制甚至反而会促进其生长和生物量累积[21]。本项研究中,在100 mmol/L NaCl胁迫下,沙枣幼苗的茎、叶、冠以及整株生长并未受到明显影响,总生物量累积仍然维持在对照水平;而200 mmol/L NaCl处理30d时,幼苗的相对生物量为63.9%。可见,沙枣对盐胁迫具有较强的耐受性,这与杨升等[14]的研究结论是一致的。

正常情况下,植物根、冠的大小和功能是平衡的。但在受到资源限制时,这种平衡随即被打破,植物通常会调节生物量分配以适应环境变化,而根冠比值是衡量生物量分配受逆境影响的重要指标[22]。本研究结果显示,100 mmol/L NaCl胁迫植株的根生物量和根冠比值均显著高于对照;当NaCl浓度升高至200 mmol/L时,其根生物量虽然较100 mmol/L胁迫植株下降了19.0%,但仍比对照植株高2.4%,而根冠比值则进一步显著增加。这表明,两种浓度(特别是100 mmol/L)盐胁迫促进了沙枣幼苗根系的生长和发育,根系能够通过扩大生长量以补偿盐胁迫对其吸收功能的损伤,这种根系补偿生长效应对于维持植株地上部分的正常生长和水分需求具有重要意义[21]

莫海波等[23]将相对生物量下降为对照植株的50%和植株死亡率达到50%时所对应的盐浓度分别作为该树种的生长临界浓度(C50)和半致死浓度(HLC50)。本研究中,与对照相比,100 mmol/L NaCl胁迫植株的相对生物量下降0.9%,死亡率为3.1%;即使在200 mmol/L的高浓度下,相对生物量也仅下降36.1%,死亡率仅为4.9%,且植株仍能正常生长并未出现典型的盐害症状。这说明,在本试验条件下,沙枣的C50HLC50均高于200 mmol/L,且HLC50高于C50。同时,相关研究也指出,100 mmol/L NaCl胁迫对沙枣盆栽幼苗的生长几乎没有影响[14, 24],而在含盐量为0.8%—1.2%的田间盐渍生境中沙枣也能够正常生长[24],这与本试验水培条件下得出的结论是相吻合的。然而,对于沙枣在水培条件下的耐盐极限、C50HLC50,有待随后的试验进一步明确。

3.2 NaCl胁迫对沙枣幼苗离子平衡的影响

K、Ca和Mg是植物生长所必需的大量矿质元素,具有重要的生理功能;Na作为有益元素参与气孔调节、C4和CAM植物PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)的催化再生、盐生植物的渗透调节等生理活动。但是,这些离子只有处于相对平衡时才能发挥正常的生理作用,而平衡关系的破坏将对其生理作用产生不利影响[25]。本研究结果显示,与对照相比,盐胁迫沙枣幼苗根、茎、叶中Na+含量均大幅度增加,而K+、Ca2+、Mg2+含量则显著下降,导致各组织K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+值大幅度降低,说明盐胁迫下Na+的大量进入,阻碍了沙枣各组织对营养离子的吸收,最终破坏了各组织的离子平衡。然而,与本结论不同的是,公勤等[12]研究发现:随着NaCl胁迫浓度的增加,沙枣幼苗根、茎、叶中K+、Ca2+、Mg2+含量变化不大,但作者并未对盐胁迫研究中人们最为关注的Na+含量以及各种离子间的平衡做进一步探讨。

SK,NaSCa,Na表征植物对离子选择性运输(或吸收)的能力,其值越大,表明植物从根系向地上部分选择性运输(或根系从介质中选择性吸收)K+和Ca2+的能力越强,运输或吸收Na+的能力越弱,留在根系中的Na+越多[26]。在100和200 mmol/L NaCl胁迫下,沙枣幼苗根SK,Na和根SCa,Na远大于其他组织SK,NaSCa,Na,说明盐胁迫下根系选择性运输K+和Ca2+的能力大幅度提高,尽可能多的截留Na+,以消弱Na+在冠组织(尤其是叶)中聚积带来的负面影响、维持植株体内的离子平衡。随着NaCl浓度的升高,叶片SK,Na先显著增加后显著降低(但仍显著高于对照),而其SCa,Na则显著增加到一个稳定的水平,表明沙枣幼苗具有较高的根系向叶片选择性运输K+和Ca2+的能力,有助于提高细胞膜的稳定性和对盐渍逆境的适应性。但在200 mmol/L高浓度条件下,叶片中Na+大量聚积、K+吸收量显著减少,最终使得叶片K+/Na+比值和根系向叶片选择性运输K+的能力均显著低于100 mmol/L NaCl胁迫,这可能是“Na+和K+竞争相同的吸收位点和活性位点”[27]所致。

3.3 NaCl胁迫下沙枣幼苗Na+累积与分配特性

本研究中,盐胁迫沙枣根Na+含量远大于茎和叶(其中,200 mmol/L处理植株根Na+含量分别是茎和叶的4.30倍和2.87倍),根系成为Na+含量最高的组织;同时,盐胁迫改变了茎和叶中的Na+含量顺序。分析认为,低浓度盐胁迫下茎能够有效地限制Na+向叶片运输,成为贮藏Na+的次要组织,从而使得功能叶片中的Na+维持在一个相对较低的水平,保证了植株生物量的正常累积;而当NaCl浓度升高至200 mmol/L时,茎中积累的Na+可能超出了其有效控制范围,并将过多的Na+运向功能叶片,使得叶片最终成为贮存Na+的次要组织,以致Na+聚积到影响植株正常生长的水平,这与两种浓度盐胁迫下沙枣生物量累积的结果是相符合的。

然而,不同于上述结论,杨升[13]研究表明,沙枣根、茎、叶中Na+含量在0—400 mmol/L NaCl之间变化相对较小(依次为1.009—2.133、0.272—0.408、1.378—1.840 mg/g干重),即使在500 mmol/L高浓度条件下,植株各组织Na+含量也大幅度低于本研究200 mmol/L胁迫植株相应组织的Na+含量;在不同组织之间,根和叶Na+含量较为一致且均高于茎。而马正龙等[11]也发现,Na+含量在各组织间的顺序为成熟叶片>幼叶>根系>幼果。笔者分析认为,产生这种差异的原因可能有:1)培养介质。本研究采用营养液培养,介质中的盐分均匀一致;而盐分在盆栽容器介质中的均一性相当较差,且田间土壤中多呈斑块状分布;2)参试植物材料。本研究所用沙枣为生长75 d的幼苗;而杨升[13]中的则为2年生苗木;3)植物材料前处理方法。相对于常规的沸水浴提取,本研究采用强酸消解可能会使沙枣组织中矿质离子提取的更为完全;4)试验处理时间。本研究中盐胁迫处理30d,而杨升[13]中的则历时40d;5)试验分析仪器的差异。

此外,与对照相比,盐胁迫大幅度增加了沙枣幼苗根、茎、叶、冠以及全株Na+净累积量,其中,根Na+净累积量的增加幅度最大。从绝对值来看,对照、100和200 mmol/L NaCl胁迫植株中Na+净累积量最大的组织分别为叶、茎和叶;但从相对含量来看,3个处理植株的根生物量仅占各自总生物量的9.1%、11.6%和14.5%,却分别聚积了Na+净累积总量中的13.4%、27.8%和36.2%。同时,与100 mmol/L相比,200 mmol/L NaCl处理沙枣整株幼苗的Na+净累积量显著增加了19.6%,而冠组织仅增加了5.6%。由此可见,盐胁迫,尤其是高浓度盐胁迫,根虽然不是Na+净累积量最大的组织(因其相对生物量较小),但却是Na+净累积增加的主要组织,也是Na+含量最高的组织,在沙枣耐盐中具有重要作用。

3.4 沙枣幼苗对NaCl胁迫的适应机制

植物的盐适应机制主要包括避盐和耐盐,前者主要通过“拒盐”、“稀盐”或“泌盐”等方式避免盐离子的大量聚积(其中,拒盐机制主要是根部不让外界盐分进入体内,或进入植物体后贮存在根部而不向地上部分运输,或仅仅运输一部分,从而降低整体或地上部分的盐浓度,免遭盐离子毒害);而耐盐植物则能忍受体内较高浓度的盐离子,组织区隔化盐离子通常是其维持生理活跃区域内细胞离子平衡的主要途径[16, 17, 28]。本研究表明,盐胁迫沙枣根Na+含量、根SK,Na和根SCa,Na均远高于茎和叶,根也是Na+净累积量增加幅度最大的组织,且随着盐胁迫浓度的升高,Na+在根中的分配比例显著增加。说明盐胁迫改变了沙枣Na+的分配格局,将大量的Na+聚积、限制在根系中,并大幅度提高了根系向叶片选择性运输K+、Ca2+的能力,避免了Na+在冠中的大量累积,从而减轻了地上部分的离子毒害。因此,根系对盐离子的这种滞留作用成为沙枣最重要的拒盐机制,这是对杨升等[14]和赵可夫等[15]研究结论的必要补充和有力支持。

同时,本研究还发现,200 mmol/L NaCl胁迫沙枣茎、叶中的Na+含量以及冠Na+净累积量分别是对照植株的7.22、9.58和5.45倍,但植株仍能正常生长,叶片并未呈现出“叶尖或叶缘发黄、焦枯似灼烧状”等典型的盐害症状和肉质化特征,也并非像高浓度盐胁迫下四季竹(Oligostachyum lubricum)那样具有“通过叶片脱落将盐离子排除体外”这种典型的避盐机制[29],说明沙枣冠组织能够忍耐一定浓度(至少为200 mmol/L)的NaCl胁迫,即其盐适应机制是耐盐。

然而,本文仅从阳离子吸收、运输和分配的角度对沙枣耐盐机制进行了探讨,阴离子(如Cl-、NO-3、SO2-4等)对植物的耐盐性也具有较大影响[30, 31],有关这些离子在沙枣耐盐中的作用还有待进一步研究,才能为沙枣的盐适应机制提供更为全面的信息。

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