外源Ca2+對鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開度的調(diào)節(jié)

王黎敏，黃丹楓，張屹東

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海，200240）

外源Ca2+對鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開度的調(diào)節(jié)

王黎敏，黃丹楓，張屹東

（上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海，200240）

研究了鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開度變化及外源Ca2+對甜瓜葉片氣孔開度的調(diào)節(jié)作用。研究結(jié)果表明，鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開度顯著增加，此變化是由NaCl促進氣孔寬度增加引起的，而其對氣孔長度無調(diào)節(jié)作用。同時，外源Ca2+對鹽脅迫下的甜瓜氣孔開度的調(diào)節(jié)也是反映在對氣孔寬度的調(diào)節(jié)上，該調(diào)節(jié)效應(yīng)受外界鹽脅迫狀況的影響。低濃度Ca2+（0.1 mmol/L）會促進鹽脅迫誘導(dǎo)的氣孔開放，高濃度的Ca2+（10 mmol/L）能抑制鹽脅迫誘導(dǎo)的氣孔開放，起緩解鹽脅迫的作用。

甜瓜葉片；氣孔；鹽脅迫；外源Ca2+

全球7%的土壤深受鹽漬化的影響，其中包括將近1/3的作物耕地面積。土壤的鹽漬化嚴重降低了作物產(chǎn)量及品質(zhì)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來很大的損失[1]。鹽脅迫最大的為害是植物可利用水的虧缺，而植物散失的水分90%左右是經(jīng)氣孔排出的[2]，因此氣孔的運動變化與植物抵抗鹽脅迫密切相關(guān)。早期研究發(fā)現(xiàn)，外源NaCl處理可誘導(dǎo)植物氣孔運動[3～4]。

Ca2+是多種信號途徑的第二信使[5]，其參與CO2，水楊酸，脫落酸，過氧化氫誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，這些因子都會使得保衛(wèi)細胞內(nèi)質(zhì)體內(nèi) Ca2+濃度（[Ca2+]cyt）上升[6～10]。若利用EGTA除去胞外Ca2+（[Ca2+] ext），會使得CO2、過氧化氫誘導(dǎo)的[Ca2+]cyt上升現(xiàn)象消失[6，11]。有趣的是，Ca2+還參與氣孔開放。藍光誘導(dǎo)的氣孔開放會引起胞質(zhì)Ca2+濃度的提高，然而，提高胞外Ca2+濃度會抑制藍光誘導(dǎo)的氣孔開放[12]。Ca2+在調(diào)節(jié)這些生物及非生物脅迫中所扮演的兩面角色，使其研究熱點經(jīng)久不衰。近年來，Ca2+與植物耐鹽性的關(guān)系引起了廣泛的關(guān)注，越來越多的證據(jù)表明，Ca2+能緩解鹽脅迫[13～14]，但關(guān)于Ca2+在鹽脅迫下對植物氣孔的調(diào)節(jié)主要集中在對蠶豆（Vicia faba）及擬南芥（Arabidopsis thaliana）保衛(wèi)細胞的研究上，而到目前為止關(guān)于Ca2+對甜瓜保衛(wèi)細胞的氣孔調(diào)節(jié)的研究未有報道。甜瓜（Cucumis meloL.）具有喜肥耐鹽特性，能適應(yīng)的臨界NaCl濃度達100～ 150 mmol/L，在0～100 mmol/L濃度內(nèi)，甜瓜對NaCl脅迫有緩沖、調(diào)節(jié)、適應(yīng)能力[15]。因此，本研究以網(wǎng)紋甜瓜（春麗）為試驗材料，通過研究其在鹽脅迫下的氣孔特征變化，及外源Ca2+的調(diào)節(jié)作用，探討鹽脅迫下Ca2+對甜瓜葉片氣孔調(diào)節(jié)的潛在生理功能，旨在服務(wù)于耐鹽性作物的生產(chǎn)管理，為改善鹽漬土壤的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試品種為網(wǎng)紋甜瓜春麗1號（上海農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝所提供）。種子進行簡單消毒后，播種于培養(yǎng)土中，放在人工氣候箱中培養(yǎng)，甜瓜生長的光／暗周期為12 h／12 h，光照強度為0.2～0.3 mmol·m-2·s-1，晝夜溫度分別為（28±2）℃和（20±2）℃，相對濕度在60%左右，生長期間無脅迫。

1.2 試驗方法

表皮條的生物分析參照Zhang等[16]的方法，取3～4周齡甜瓜苗頂端第3～4片完全展開的葉片，用蒸餾水洗凈，撕下表皮，洗去葉肉細胞后，切成5 mm長的表皮條，暗處理3 h誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉。用10 mmol/L MES和10 mmol/L KCl（pH值5.6）開放緩沖液為對照，以緩沖液中加入NaCl（終濃度100，200 mmol/L）為鹽脅迫處理，在此基礎(chǔ)上施加CaCl2（終濃度0.1，1，10 mmol/L），同時在室溫下，光照（0.2～0.3 mmol·m-2·s-1）3 h。每個處理至少用3個表皮條，每個表皮條隨機測；每個視野隨機取10個氣孔器，然后在10×40倍倒置顯微鏡下用測微尺測定氣孔長度、寬度，并計算氣孔開口大小（長×寬）。測量氣孔器中啞鈴形體的長度為氣孔長度，垂直于啞鈴形體氣孔器的最寬值為氣孔寬度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件統(tǒng)計平均值和標準誤差，并作圖，用SAS 9.1統(tǒng)計軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開度變化

如圖1所示，與未處理相比，100，200 mmol/L NaCl處理后，甜瓜葉片氣孔開度分別增加了103.25%，50.28%，說明鹽脅迫明顯促進甜瓜葉片氣孔開放。但NaCl脅迫對甜瓜葉片氣孔開度的影響，主要表現(xiàn)為對氣孔寬度的調(diào)節(jié)，而對氣孔長度無調(diào)節(jié)作用。

圖1 不同鹽處理對甜瓜葉片氣孔長度、寬度及開口大小的影響

圖2 外源Ca2+對鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開口大小的調(diào)節(jié)

圖3 外源Ca2+對鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔寬度的調(diào)節(jié)

圖4 外源Ca2+對鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔長度的調(diào)節(jié)

2.2 外源Ca2+對鹽脅迫下甜瓜葉片氣孔開度的調(diào)節(jié)

鹽脅迫下，甜瓜葉片氣孔顯著受外源Ca2+調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)效應(yīng)與鹽處理濃度有關(guān)（圖2）。100 mmol/L NaCl脅迫下，低濃度的Ca2+（0.1 mmol/L CaCl2）可有效促進 NaCl誘導(dǎo)的氣孔開放，而中濃度的 Ca2+（1 mmol/L CaCl2）顯著抑制NaCl誘導(dǎo)的氣孔開放，使其開口減小25.33%，高濃度Ca2+（10 mmol/L Ca-Cl2）抑制效果則更加明顯。200 mmol/L NaCl脅迫下，低濃度的Ca2+（0.1 mmol/L CaCl2）仍促進NaCl誘導(dǎo)的氣孔開放，但此時中濃度的Ca2+（1 mmol/L CaCl2）也促進氣孔開放，使其開口增大17.56%，當濃度達到10 mmol/L時，則顯著抑制NaCl誘導(dǎo)的氣孔開放。

2.3 外源Ca2+對鹽脅迫下的甜瓜葉片氣孔寬度及長度的調(diào)節(jié)

鹽脅迫下Ca2+對甜瓜葉片氣孔開度的調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在對氣孔寬度的調(diào)節(jié)，二者變化趨勢一致（圖3）。100 mmol/L和200 mmol/L NaCl脅迫下，低濃度的Ca2+（0.1 mmol/L CaCl2）都可有效促進NaCl誘導(dǎo)的氣孔寬度增加，高濃度Ca2+（10 mmol/L Ca-Cl2）顯著抑制NaCl誘導(dǎo)的氣孔寬度增加。而中濃度Ca2+（1 mmol/L CaCl2）顯著抑制100 mmol/L NaCl誘導(dǎo)的氣孔開放，使其寬度減小25.78%，卻有效促進200 mmol/L NaCl誘導(dǎo)的氣孔寬度增加，使其寬度增加15.72%。

如圖4所示，NaCl脅迫下，不同Ca2+處理后甜瓜葉片氣孔長度無顯著變化，說明甜瓜葉片氣孔長度不受外界Ca2+的調(diào)節(jié)，且與外界鹽脅迫濃度無關(guān)。

3 小結(jié)與討論

本研究通過對甜瓜葉片的表皮條生物分析，證明在NaCl脅迫下，Na+主要通過增加甜瓜葉片氣孔的寬度，來誘導(dǎo)氣孔開放。除此之外，從圖1我們可以看出，100 mmol/L Na+誘導(dǎo)的氣孔寬度增加幅度大于200 mmol/L Na+處理。氣孔開放主要是靠K+的吸收來調(diào)節(jié)保衛(wèi)細胞滲透勢，迫使其開放[17]。而此試驗中，Na+同樣也能誘導(dǎo)氣孔開放，說明Na+可代替K+，向胞內(nèi)運輸，誘導(dǎo)氣孔開放。至于Na+通過何種途徑進入保衛(wèi)細胞內(nèi)，目前學(xué)術(shù)界存在2種爭論，一是Na+通過內(nèi)向K+離子通道與K+競爭進入保衛(wèi)細胞內(nèi)[18]，二是通過外向K+離子通道進入保衛(wèi)細胞內(nèi)[4]。但Na+誘導(dǎo)的氣孔開放可能會造成細胞內(nèi)水分過多散失，從而不利于植物生長。

Ca2+作為公認的植物細胞第二信使，參與植物各種脅迫應(yīng)答過程。非鹽脅迫下，較高濃度的胞外Ca2+（2～10 mmo/L）可以誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉造成氣孔導(dǎo)度下降，而高濃度的胞外Ca2+（10 mmol/L）會顯著抑制鹽脅迫下所誘導(dǎo)的蠶豆氣孔開放[3，20，21]。本研究在甜瓜葉片中得到相似的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)外源Ca2+對葉片氣孔的調(diào)節(jié)與外界鹽濃度有關(guān)，如施加1 mmol/L胞外Ca2+在100 mmol/L鹽脅迫下促進氣孔開放，而在200 mmol/L鹽脅迫下，抑制氣孔開放（圖2）。高濃度的胞外Ca2+（10 mmol/L）在減少鹽脅迫下水分散失的同時，還可能使氣孔因過度關(guān)閉而影響其對CO2的吸收，進而影響光合作用。如圖2，100 mmol/L鹽脅迫下，10 mmol/L Ca2+時甜瓜葉片氣孔開度為20.14 μm2，顯著小于非鹽脅迫下的氣孔開度（26.94 μm2），此時就可能導(dǎo)致光合作用受阻。然而在200 mmol/L鹽脅迫，10 mmol/L Ca2+處理下，甜瓜葉片氣孔開度為27.13 μm2，剛好和非鹽脅迫下的氣孔開度保持同一水平，說明此濃度下的Ca2+既能緩解鹽脅迫下的水分散失，又能保證甜瓜葉片進行正常的光合作用。

因此，在鹽漬土壤的生產(chǎn)實踐中，依土壤的含鹽量狀況適當施加Ca2+以調(diào)節(jié)植物氣孔的形態(tài)特征，一方面可以防止因氣孔開口過大引起水分過度蒸騰而導(dǎo)致對植物的傷害，另一方面又可以確保CO2從氣孔進入細胞內(nèi)維持植物正常的光合作用。

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Effects of Exogenous Ca2+on Stomatal Morphological Character of Melon Leaf and Regulation under Salt Stress

WANG Limin,HUANG Danfeng,ZHANG Yidong
(School of Agriculture and Biology,Shanghai Jiaotong Unversity,Shanghai 200240)

This study was focused on the response of stomatal morphological character of melon leaf when applying different exogenous Ca2+under salt stress.The results presented a significant augmentation in stomatal aperture caused by the promotion of stomatal width instead of length under salt stress.Meanwhile,the regulation of stomatal aperture by exogenous Ca2+under salt stress was also reflected in the width of the stomatal regulation,and influenced by the external salt condition.Low concentrations of Ca2+(0.1 mmol/L)will promote stomatal opening which was induced by salt stress,while high concentrations of Ca2+(10 mmol/L)inhibited stomatal opening induced by salt stress,and relieve the threat.

Melon leaf;Stomatal;Salt stress;Exogenous Ca2+

10.3865/j.issn.1001-3547.2011.02.013

“上海市科技興農(nóng)推廣項目”蔬菜生產(chǎn)基地高效栽培技術(shù)的集成示范（滬農(nóng)科推字（2008）第4-1號）；甜瓜鉀離子通道提高植物耐鹽性的分子機理研究（09JC1408500）和上海市蔬菜學(xué)重點學(xué)科（B209）

王黎敏（1986-），女，碩士研究生，研究方向為蔬菜栽培與分子生物學(xué)，E-mail：wanglimin7700125@163.com

黃丹楓（1956-），女，通信作者，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：hdf@sjtu.edu.cn

2010-11-26