鹽脅迫下鉀離子對甜高粱碳同化和光系統Ⅱ的影響

葛江麗，姜闖道

（1.黑龍江省牡丹江林業科學研究所，黑龍江 牡丹江 157009；2.中國科學院植物研究所，北京 100093）

干旱和半干旱地區土壤鹽漬化已成為限制農作物產量的重要因素，甜高梁（Sorghum bicolor L.）是目前光合效率最高的植物。光系統Ⅱ對環境脅迫非常敏感。有研究表明，鹽脅迫誘導的PSⅡ活性下降與PSⅡ氧化損傷有關[1]。但有研究認為，單純鹽脅迫不會傷害光系統Ⅱ的最大光化學效率[2]。

鉀是三大營養元素之一，鉀離子在膜上的轉運系統同樣可以允許鈉離子通過，由于鉀離子和鈉離子有著相似的水合離子半徑，因此鹽脅迫條件下，鈉離子其中一個有害影響就是與鉀離子競爭跨膜轉運位點[3]，從而破壞鈉離子與鉀離子平衡。所以，研究認為植物抵御鹽脅迫的能力一定程度上依賴于鉀的供應水平[4]，維持K+/Na+比例在一個合理范圍內對抗鹽性具有重要意義。也有研究表明，植物體內的鉀鈉比例與抗鹽性無關[5]。為此，本文針對鹽脅迫下鉀離子與鈉離子的關系進行深入研究。本試驗研究KCl濃度對NaCl脅迫下甜高粱碳同化、離子積累及光系統Ⅱ行為變化影響，闡述鉀離子濃度，尤其是低鉀對甜高粱抗鹽性影響的可能機制，從而為研究鹽脅迫條件下植物響應機理提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 材料

以甜高粱（Sorghum bicolor L.）為試材。于2009年6月將甜高粱播種在蛭石中，發芽期正常澆水。當幼苗長到2葉期時，每天澆兩次營養液。待小苗長出3片葉子后移出，置于盛有Hoagland營養液（30 cm×50 cm）的塑料桶中水培。每盆1株，每3 d更換一次營養液。水培苗放置在中國科學院植物研究所溫室內（室內光強6.7×104lx；溫度24℃；相對濕度20%）。移栽緩苗1周后開始處理。

1.2 方法

為避免引入K+，采用改動后的Hoagland營養液，即用NH4NO3代替KNO3，作為基礎營養液（溶液pH調節為5.6左右）。在每個KCl濃度里分別施加0、100和200 mmol·L-1NaCl。用KCl作為外源鉀，本試驗共設5個KCl梯度，分別是0、2、5、14和49 mmol·L-1。由于Hoagland營養液中本身有1 mmol·L-1的KH2PO4，所以K+最終濃度分別是1、3、6、15和50 mmol·L-1。處理兩周后分別選取第4片葉子進行各項生理指標測量，每個處理至少3次重復。

1.3 測試指標

1.3.1 氣體交換參數的測定

便攜式光合作用測定系統（LI-6400 USA）在室溫（30 ℃）、360 μmol CO2·mol-1和不同光強下（4.4×104和6.7×104lx）測定光合速率、細胞間隙CO2濃度及氣孔導度等參數；在室溫（30℃）、光強6.7×104lx（飽和光強）和不同CO2濃度（360、1400 μmol CO2·mol-1）條件下測定光合速率對CO2濃度的響應。

1.3.2 葉綠素熒光參數的測定

葉綠素熒光使用便攜式光合作用測定系統（LI-6400 USA）測定，方法參照文獻[6]。

1.3.3 Na+和 K+的測定

取10 g烘干至恒重的材料置于50 mL三角瓶中，加入25 mL 0.1 mol·L-1硝酸，室溫浸提72 h，過濾定容至100 mL，Na+和K+含量用火焰光度計（6410型，中國）測定。

2 結果與分析

2.1 NaCl脅迫下K＋對葉片離子含量的影響

從圖1中可以看出，相同NaCl濃度下，甜高粱葉片K+含量隨著KCl濃度的增加而增大，Na+含量則隨之減少。隨著鹽濃度的增加，K+含量不斷下降，而Na+含量不斷增加。K+/Na+比值變化趨勢與KCl濃度變化趨勢相同。說明培養液中K+和Na+濃度改變可影響甜高粱葉片鈉和鉀離子含量。

圖1 鹽脅迫下K+對甜高粱地上部分離子分布的影響Fig.1 Effects of K+on aerial partions distributing in sweet sorhum under salt stress

2.2 NaCl脅迫下K＋對植物光合速率、氣孔導度和細胞間隙CO2濃度的影響

由圖2、3可知，隨著NaCl濃度增加，光合速率和氣孔導度下降，但是在相同的NaCl濃度下，隨著KCl濃度增加，光合速率和氣孔導度也不斷增加，在KCl濃度達到6 mmol·L-1時，光合速率和氣孔導度達到最高值，此后隨著KCl濃度增加光合速率和氣孔導度不斷下降。由圖4可知，細胞間CO2濃度變化則與其相反，在6 mmol·L-1KCl濃度下細胞間CO2濃度值最低，隨著NaCl濃度增加，細胞間CO2濃度也不斷增加。這說明鹽脅迫抑制甜高粱的碳同化能力和氣孔導度，但細胞間CO2濃度并未隨著NaCl濃度增加而下降，說明光合速率下降原因可能不是氣孔限制造成，而且適當增加K元素可以緩解鹽脅迫對光合速率和氣孔導度的影響，但是過量的K元素同樣也會對光合速率和氣孔導度產生抑制作用。

圖2 鹽脅迫下K+對甜高粱光合速率(Pn)的影響Fig.2 Effects of K+on photosynthetic rate in sweet sorhum under salt stress

圖3 鹽脅迫下K+對甜高粱氣孔導度(Gs)的影響Fig.3 Effects of K+on Gs in sweet sorhum under salt stress

圖4 鹽脅迫下K+對甜高粱細胞間隙CO2濃度(Ci)的影響Fig.4 Effects of K+on Ci in sweet sorhum under salt stress

2.3 CO2濃度對光合速率的影響

由圖5可知，在6.7×104lx光強和飽和CO2濃度（1400 μmol CO2·mol-1）下 ，100 和 200 mmol·L-1NaCl處理的光合速率仍低于對照，在KCl濃度達到6 mmol·L-1時光合速率達到最大?？梢娫黾覥O2濃度并不能緩解光合速率下降趨勢，說明光合速率的降低不是氣孔限制造成。

圖5 CO2濃度對甜高粱幼苗光合速率的影響Fig.5 Effects of CO2concentrations on photosynthetic rate in sweet sorghum seedlings

2.4 NaCl脅迫下K＋對葉綠素熒光的影響

由圖6可知，隨著NaCl濃度增加，Fo也不斷升高。相同鹽濃度下，隨著K+濃度增加，Fo呈先下降后上升趨勢，其中6 mmol·L-1KCl處理Fo較其他KCl濃度小，而且50 mmol·L-1KCl處理最高。而Fm和Fv/Fm變化趨勢則與之相反。由圖7、8可知，隨著鹽濃度的增加，實際光化學效率（ΦPSII）和光化學猝滅系數（qp）都隨之下降，相同鹽濃度下隨著K+濃度增加，ΦPSII和qp呈現出先上升后下降趨勢，當K+濃度在6 mmol·L-1時，ΦPSII和qp達到最大值?？梢姡m當的施加鉀可以提高激發能的有效利用率。

圖6 鹽脅迫下K+對甜高粱幼苗初始熒光(Fo，a)，最大熒光(Fm，b)和光合系統Ⅱ最大光化學效率(Fv/Fm,c)的影響Fig.6 Effects of K+on the initial fluorescence(Fo，a),maximum fluorescence(Fm，b)and photochemical efficiency of PSII(Fv/Fm,c)in sweet sorghum seedlings under salt stress

圖7 鹽脅迫下和K+對甜高粱實際光化學效率（ΦPSII）的影響Fig.7 Effects of K+on ΦPSIIin sweet sorghum under salt stress

圖8 鹽脅迫下K+對甜高粱光化學淬滅（qp）的影響Fig.8 Effects of K+on qpin sweet sorghum under salt stress

3 討論與結論

在本研究中，鹽脅迫條件下低鉀處理使甜高粱幼苗凈光合速率明顯下降，這種降低伴隨著氣孔導度下降和細胞間隙CO2濃度升高，且提高葉室CO2濃度未能改變凈光合速率下降，進一步肯定低鉀條件下鹽脅迫導致的碳同化能力受抑與氣孔限制無關。在研究NaCl單獨處理對甜高粱幼苗光合機構的影響時觀察到，嚴重鹽脅迫時葉片相對含水量下降、初始熒光水平提高，光合機構發生傷害[7]，本研究再次驗證這一結論。初始熒光水平增加意味著光系統Ⅱ天線的脫落或者光系統Ⅱ結構的傷害[8]，試驗推測PSⅡ反應中心可發生傷害。同時，最大熒光產量明顯下降（見圖6b），這種下降表明光系統Ⅱ反應中心還原輔酶A能力減弱，有活性的反應中心減少。由于低鉀條件下初始熒光產量升高和最大熒光產量下降，所以導致PSⅡ最大光化學效率下降。與單獨NaCl脅迫相比，低鉀導致最大光化學效率下降程度更加明顯，因此，認為低鉀加劇了NaCl誘導的傷害作用。由于碳同化能力下降和PSⅡ失活，導致光下實際光化學效率和光系統Ⅱ反應中心開放程度降低。

進一步研究揭示，高鉀會影響光系統Ⅱ活性和碳同化能力，但影響相對較小。但高鉀和鹽脅迫條件下這種影響明顯增強，表現為光系統Ⅱ發生傷害，并導致光下用于光化學反應的光能減少。此外，Cl-增加也會影響植物生長[9]。據報道，由于KCl處理導致玉米根系積累更多Cl-，抑制玉米生長[10]。所以，不能完全排除使用高KCl濃度處理時Cl-的影響。適鹽性植物一個主要特征是細胞質內K+/Na+比例維持在合適范圍之內[4]。有研究指出，在鹽脅迫下K+/Na+比例顯著下降[11]。這是過量的鈉離子在細胞質中積累[12]和鉀離子缺乏增加造成的[6]?？果}植物能夠維持較高的K+/Na+比例以確保鉀離子的濃度，使其在鹽脅迫中有更好的表現。有報道，向鹽脅迫小麥施加適量KNO3，可使K+/Na+恢復到合適水平，從而緩解小麥鹽脅迫癥狀[13]。本試驗中隨著K+濃度提高，K+/Na+比例提高，因此耐鹽性增強。但是當K+濃度過高，K+/Na+比例過高時則不利于植物生長。

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