鹽脅迫下不同鹽生植物滲透調節的生理響應1)

武 香 倪建偉 張華新 劉 濤

(中國林業科學研究院，北京，100091)

我國的鹽堿地總面積在0.33億hm2以上，主要分布在濱海、東北、西北、黃河上中游和黃淮海平原地區在內的17個省份，其中具有農業利用潛力的鹽堿荒地和鹽堿障礙耕地面積近0.13億hm2，利用潛力巨大［1］。改良和利用鹽堿地有助于緩解我國的人口和環境壓力，而篩選和推廣耐鹽堿植物是改良利用鹽堿地的有效措施之一，因此，培育和篩選能適應高鹽環境的鹽生植物，利用生物措施改良鹽堿土，對于改善鹽堿地生態系統和提高土地資源利用率具有重要意義。

鹽堿脅下植物受到滲透脅迫和離子毒害，高等植物通過調節無機離子比例、數量和積累細胞無毒的有機物(脯氨酸、可溶性糖等)來進行滲透調節以提高其耐鹽性［2］。目前，植物的耐鹽性研究主要集中在利用生長指標和幾個生理指標進行耐鹽能力綜合評價和耐鹽機理研究等方面［3－8］，對于鹽脅迫下耐鹽機理不同的鹽生植物以及同一屬的不同種植物滲透調節響應的研究較少。本試驗以3種柳樹、3種檉柳和2種白刺為試材，研究其在不同濃度鹽脅迫下滲透調節物質含量變化的差別，并分析這種差別與其耐鹽機理的關系，為進一步了解滲透調節物質在植物耐鹽過程中的作用和研究拒鹽植物、泌鹽植物、稀鹽植物的耐鹽性差別提供了理論依據。

1 材料與方法

試驗在北京市昌平區半壁店村的大棚溫室內進行。供試材料為竹柳(Salix(trade name))、沙柳(Salix psammophila)、烏柳(Salix cheilophila)、中華檉柳(Tamarix chinesis Lour).、甘蒙檉柳(Tamarix austromongolica)、剛毛檉柳(Tamarix hispida)、唐古特白刺(Nitraria tangutorum)、西伯利亞白刺(Nitraria Sibirica Pall.)的1年生苗木。2011年4月初，將試驗材料定植在30 cm×24 cm的底部帶托盤的塑料盆中。定植所用基質為V(腐殖質土)∶V(草炭)∶V(珍珠巖)=1∶3∶1混合均勻且質量相等，用多菌靈進行消毒。定植后進行常規管理。6月底，選擇長勢相對一致的苗木進行不同濃度的NaCl脅迫處理。試驗采用完全隨機區組設計，以不加NaCl為對照，共設4 個鹽濃度處理，分別為 100、200、300、400 mmol/L，3次重復，每個小區8株苗木。采取分次澆灌的施鹽方式。鹽脅迫期間，定期定量澆水，漏于花盆托盤中的鹽溶液或水倒回盆中，防止鹽分流失。鹽脅迫處理歷時30 d。

采用磺基水楊酸比色法測定［9］脯氨酸，采用蒽酮比色法測定［9］可溶性糖，采用考馬斯亮藍法測定［9］可溶性蛋白，礦質元素參照王寶山［10］和於丙軍［11］的方法，Na+和K+用原子吸收分光光度計法測定，Cl－用自動滴定儀測定。試驗數據采用SPSS分析軟件進行方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫對8個樹種有機滲透調節物質的影響

30 d鹽脅迫后，各樹種葉片中的脯氨酸質量分數變化有所不同，除烏柳在400 mmol/L時的低于對照外，其他與對照相比均有不同程度的增加，鹽脅迫對中華檉柳、剛毛檉柳、唐古特白刺、西伯利亞白刺的脯氨酸質量分數影響顯著(P＜0.05)(表1)。其中，3種柳樹在低鹽濃度脅迫下呈增加趨勢，沙柳鹽脅迫前后無明顯差別，竹柳、沙柳、烏柳分別在400、100、200 mmol/L時達到最大值，比對照增加了13.65%、11.69%、12.95%;中華檉柳隨鹽濃度的上升呈先增后降的趨勢，剛毛檉柳與鹽濃度呈明顯的正相關，甘蒙檉柳除在300 mmol/L時略有下降外基本呈增加趨勢;唐古特白刺的脯氨酸質量分數隨鹽濃度上升而增加，西伯利亞白刺的變化與甘蒙檉柳相似。

鹽脅迫30 d對竹柳和唐古特白刺葉片中可溶性糖質量分數的影響顯著(P＜0.05)(表2)。其中，3種柳樹鹽脅迫后相比對照均有不同程度的增加，沙柳和烏柳僅在高鹽濃度下與對照有較大差異;3種檉柳除中華檉柳和剛毛檉柳在鹽濃度為400 mmol/L時低于對照外，其他處理均高于對照，且隨鹽濃度增加的變化趨勢相同，均先增后降;唐古特白刺在400 mmol/L時可溶性糖質量分數低于對照，西伯利亞白刺隨鹽質量分數的變化呈先增后降的變化趨勢，與檉柳相似。甘蒙檉柳、竹柳和唐古特白刺的增幅最大，分別為 60.56%、54.32%和 41.08%。

表1 不同濃度鹽脅迫對葉片中脯氨酸質量分數的影響

表2 不同濃度鹽脅迫對葉片中可溶性糖質量分數的影響

各樹種鹽脅迫后葉片中的可溶性蛋白質量分數的變化有所不同，鹽脅迫對烏柳的影響不顯著(P＞0.05)(表3)。其中，竹柳和沙柳的變化趨勢相同，除在300 mmol/L時略有下降外，基本呈增加趨勢，高濃度鹽脅迫對其影響較為明顯，烏柳隨鹽濃度呈先增后降的趨勢;鹽脅迫下中華檉柳和剛毛檉柳的可溶性蛋白質量分數均低于對照，甘蒙檉柳在低鹽濃度下明顯增加，高鹽濃度與對照含量相差不大;唐古特白刺的可溶性蛋白質量分數在200 mmol/L時達到最大，比對照增加了63.66%，西伯利亞白刺隨鹽濃度呈現明顯的先增后降的趨勢，在300 mmol/L時的含量最大，增幅為174.33%，在8個樹種中增幅最大。總體來說，除中華檉柳和剛毛檉柳以外的6個樹種在低濃度鹽脅迫下葉片中積累可溶性蛋白。

2.2 鹽脅迫對8個樹種無機滲透調節物質含量的影響

鹽脅迫后的Na+質量分數總體上是增加的，鹽脅迫對烏柳、中華檉柳、甘蒙檉柳、唐古特白刺的葉，竹柳的莖以及烏柳、甘蒙檉柳的根中的Na+影響顯著(P＜0.05)(表4)。低鹽濃度下，除剛毛檉柳和西伯利亞白刺的莖外，其他各樹種的根莖葉中的Na+質量分數增加。3種檉柳的葉、中華檉柳和唐古特白刺的莖、中華檉柳的根均隨鹽濃度的增加呈先增后降的趨勢。竹柳的葉以及竹柳、沙柳、烏柳、剛毛檉柳、唐古特白刺的根均與鹽脅迫濃度呈正相關。3種檉柳和2種白刺的莖中Na+質量分數的變化種間差別較大。

表3 不同濃度鹽脅迫對葉片中可溶性蛋白質量分數的影響

表4 不同濃度鹽脅迫對8個樹種Na+、K+質量分數及K+/Na+比值的影響

8個樹種鹽脅迫下各部位K+質量分數變化比較復雜(表4)。竹柳、沙柳、烏柳、甘蒙檉柳、西伯利亞白刺的葉和甘蒙檉柳的莖中的K+對鹽脅迫的響應不顯著(P＞0.05)，剛毛檉柳和沙柳的莖各鹽濃度處理的K+質量分數均與對照差異顯著(P＜0.05)。沙柳、中華檉柳的葉，竹柳、沙柳、甘蒙檉柳、西伯利亞白刺的莖和竹柳、烏柳的根各濃度鹽脅迫后的K+均低于對照，樹種間的下降幅度差異較大。甘蒙檉柳的根和唐古特白刺葉中的K+質量分數則高于鹽脅迫前。

鹽脅迫后8個樹種各部位的鉀鈉比除烏柳、剛毛檉柳、唐古特白刺的莖和中華檉柳、唐古特白刺的根在個別濃度鹽脅迫下高于對照外，其他都小于鹽脅迫前(表4)。竹柳、烏柳的葉和竹柳、沙柳、烏柳、剛毛檉柳、西伯利亞白刺的根的鉀鈉比均隨鹽濃度的升高而降低。3種柳樹鹽脅迫前后各部位的鉀鈉比葉＞莖＞根，檉柳和白刺根莖葉中的鉀鈉比葉中最小。

各樹種不同部位的Cl－質量分數變化趨勢及變化幅度是不同的，烏柳、中華檉柳的根，甘蒙檉柳的莖和中華檉柳、甘蒙檉柳、唐古特白刺的葉各濃度鹽脅迫后的Cl－質量分數與對照差異顯著(P＜0.05)(表5)。鹽脅迫后，竹柳、烏柳、中華檉柳、甘蒙檉柳、唐古特白刺的根和葉，甘蒙檉柳、剛毛檉柳的莖中的均高于對照。葉中增幅最大的是是剛毛檉柳和甘蒙檉柳，莖中的Cl－變化最大的是中華檉柳和剛毛檉柳，根中增加幅度最大的是烏柳和中華檉柳。白刺根莖葉中的Cl－質量分數大于柳樹和檉柳。

表5 不同濃度鹽脅迫對8個樹種Cl－質量分數的影響

3 結論與討論

鹽脅迫下，植物通過合成和吸收積累滲透調節物質，維持高的細胞質滲透壓，以保證細胞的正常生理功能抵御鹽脅迫，脯氨酸、可溶性糖等是植物體內主要的滲透調節物質，這些物質的積累便于植物在高鹽條件下對水分的吸收，以保證細胞的正常生理功能［12－14］。其中，脯氨酸的大量積累，能夠降低細胞的水勢，調節滲透平衡，避免細胞在鹽脅迫下脫水死亡，但目前關于脯氨酸含量與植物抗鹽性關系仍有爭議，需作進一步的研究;可溶性糖可為有機物質的合成提供碳架和能量來源，起到穩定細胞膜的作用，是重要的滲透調節物質;可溶性蛋白也是一種重要的滲透調節物質，具有較強的親水性，對提高植物的滲透勢和抗逆性具有重要作用［15－18］。在本試驗中，8個樹種鹽脅迫后葉片中積累脯氨酸，而屬于拒鹽植物的竹柳、沙柳和烏柳不論是脯氨酸整體質量分數還是鹽脅迫后脯氨酸的最大增幅均低于屬于泌鹽植物的3種檉柳和稀鹽植物的2種白刺，可見相比檉柳與白刺，脯氨酸在柳樹滲透調節中發揮的作用較小，估計這種差別是由于柳樹不同于檉柳與白刺的耐鹽機理造成的，即不允許鹽分進入體內或把進入體內的鹽離子區域化到植物體安全部位而免受鹽分傷害，但其具體相關性還需要進一步研究。可溶性糖質量分數除中華檉柳、剛毛檉柳、唐古特白刺在400 mmol/L時低于對照外，其他處理均高于對照，低鹽濃度下8個樹種均積累可溶性糖抵御鹽脅迫。鹽脅迫前后，柳樹的可溶性糖均高于檉柳和白刺，增加幅度因樹種不同而存在差異。3種柳樹和2種白刺鹽脅迫后葉片中的可溶性蛋白質量分數增加，檉柳種間差別較大，由試驗可知可溶性蛋白不是甘蒙檉柳和剛毛檉柳的主要滲透調節物質。總體來說，不同植物在鹽脅迫環境中用于滲透調節的主要有機滲透調節物質不同，這與植物的耐鹽機理和種間差別存在一定的相關性。

鹽脅迫下，植物體內礦質元素的變化與分布狀況對植物的滲透調節能力和耐鹽能力有非常重要的影響。根系吸收過程中高濃度的Na+和Cl－存在，干擾了植物對營養元素K+、Ca2+和N的吸收，對植物產生毒害作用，決定林木耐鹽能力的關鍵之一在于林木對Na+、K+、Cl－等離子的吸收的調節能力，即限制Na+和Cl－進入體內，選擇性地吸收K+，才能提高其耐鹽能力［19］。本試驗中，8個樹種鹽脅迫后各部位Na+質量分數增加，3種柳樹根中的Na+質量分數最大，莖和葉中的Na+差別與柳樹品種有關，檉柳葉中最大，白刺含量最高的部位也是葉，莖略大于根，由此可見，耐鹽機理不同的植物根系對Na+離子的選擇性吸收及其在各部位的分配是不同的。K+質量分數變化比較復雜，總的來說，鹽脅迫使3種柳樹的K+減少，檉柳和白刺各部位的K+變化品種間的差異較大，從樹種的三個部位來看，葉中的K+明顯高于根和莖。8個樹種各部位的Cl－質量分數總體來說是增加的，葉片中的Cl－高于根和莖。鹽脅迫后8個樹種的鉀鈉比除根莖的個別處理高于對照外基本都是隨著鹽濃度的升高而降低的，可見Na+的吸收抑制了植物對K+的吸收，3種柳樹鉀鈉比葉＞莖＞根，3種檉柳不同部位的鉀鈉比差別較小，2種白刺葉中鉀鈉比最小，根和莖差別較小，這可能是由于拒鹽植物、泌鹽植物、稀鹽植物的不同耐鹽機理影響無機滲透調節物質在植物各器官、組織及細胞上的區域化分布相關。試驗中白刺根莖葉中的Na+和Cl－含量明顯大于檉柳與柳樹，這是因為白刺屬于稀鹽植物，在NaCl脅迫下，主要通過從外界吸收鹽離子，即利用液泡積鹽進行滲透調節，而屬于拒鹽植物的柳樹和屬于泌鹽植物的檉柳則是分別通過拒絕鹽分進入和利用鹽腺與鹽囊泡降低體內的鹽分水平。

滲透調節是植物在鹽漬環境中抵御鹽脅迫的重要生理機制，滲透調節物質復雜多樣，不同鹽生植物因耐鹽機理、種間差異等原因，其用于滲透調節的主要滲透調節物質有所不同，同一滲透調節物質的重要性也存在差別，因此關于拒鹽植物、稀鹽植物和泌鹽植物耐鹽機理與滲透調節機制的關系以及種間差異對植物滲透調節的影響，還需要結合同一耐鹽機理的其他樹種和更多的滲透調節指標如甜菜堿、多元醇、有機酸等，做更深入的研究。

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