鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗生長、離子平衡和根際pH變化的影響

岳小紅,曹 靖,耿 杰,李 瑾,張宗菊,張琳捷

蘭州大學草地農業生態系統國家重點實驗室，生命科學學院， 蘭州 730000

鹽脅迫是影響植物生長和作物產量的非生物脅迫因素之一[1]。自然環境中,鹽脅迫主要由土壤中高濃度的Na+和Cl-誘發[2]。Na+和Cl-等無機離子在植物體內過量累積會破壞細胞內的水分平衡、離子平衡以及增加膜透性,進而出現鹽害現象[3- 4]。植物在鹽脅迫條件下,細胞離子平衡首先會受到破壞。郭瑞等[5]研究表明增加土壤中性和堿性混合Na鹽含量,亞麻地上部分和根系K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+大幅降低,植物體內離子平衡發生了改變。鹽分脅迫所造成的植物細胞離子失衡、滲透脅迫等不良現象會影響植物的正常生長,進而影響作物產量。植物為適應鹽生環境必需進行滲透調節,并在細胞內重新建立離子穩態[6],這也是植物體重要的耐鹽機制之一。

啤酒大麥是一種較耐鹽堿的一年生禾本科植物[19],是干旱半干旱地區主要的經濟作物之一[20]。有關鹽脅迫對啤酒大麥的研究主要集中于生理生態方面,如光合作用、細胞結構的改變和農學性狀的變化等方面[4,19,21],而有關鹽分脅迫對啤酒大麥根際的影響關注較少；另外,有關單一鹽分NaCl脅迫、中性鹽和堿性鹽對植物生長、離子平衡等的影響研究報道較多[18-19,22-23],而對于不同類型中性鹽分脅迫對離子平衡特征和根際pH變化影響的研究甚少。因此,本研究通過水培實驗探究啤酒大麥對不同類型鹽脅迫的生理生態響應,為揭示其對鹽脅迫環境的適應機制及根際環境的變化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

啤酒大麥(Hordeumvulgarevar.vulgare)：由蘭州市農業研究中心提供,千粒重50.80 g,腹徑3.5—5 mm,籽粒飽滿,無蟲害,種子表面無損傷。

1.2 試驗處理和培養

試驗在蘭州大學人工氣候室內進行,溫室條件為：晝/夜溫度28℃/23℃,濕度70%,光周期14 h,光強為400—450 μmol m-2s-1。培養容器為不透光的長方形塑料盆,體積為19 L,在厚1.2 cm塑料泡沫蓋板上打25個直徑為1 cm的圓孔。選擇大小均一、籽粒飽滿的啤酒大麥種子消毒,用常規方法催芽并萌發。把露白的啤酒大麥種子轉移到盛有9 L 1/4 Hoagland營養液(用H2SO4/KOH調整營養液pH至6.8—7.0)的塑料盆中生長7 d,每兩天更換一次營養液。待出現三片子葉時在1/2 Hoagland營養液中添加相應鹽分,參照Tavakkoli等[23]的方法進行鹽分處理,對照組(CK)為不加鹽分的營養液,鹽分處理分別為混合Na鹽、混合Cl鹽和100 mmol/L的NaCl,每個處理重復3次。混合Na鹽的組分為15 mmol/L Na2SO4、15 mmol/L Na2HPO4和40 mmol/L NaNO3；混合Cl鹽的組分為15 mmol/L CaCl2、15 mmol/L MgCl2和40 mmol/L KCl。鹽分處理以每天25 mmol/L的速度遞增,達到既定濃度后繼續培養7 d,分別收獲地上部和根系。另選用同樣規格的盆缽,溶液培養和鹽分處理同上,讓種子在萌發紙中間生長[24],使得根系沿著同一平面生長,每張萌發紙上分別放置3粒露白的大麥種子,待處理一段時間后仔細取出根系用于瓊脂顯色,培養期間管理條件同上。

1.3 植株生長指標的測定

培養結束時,每個處理選取2盆供測,每5株一個重復,吸干植株上的水分,將根系和地上部分開,分別稱鮮重；根系用EPSON 4990進行掃描,用Scion Image軟件分析根長、根表面積等形態學參數。根系掃描完成后,將根系和地上部放入105℃烘箱中殺青30 min,70℃烘干至恒重。

1.4 離子含量的測定

1.5 根際pH的可視化

萌發紙中生長的植物收獲時小心取出,用去離子水沖洗,仔細地把根分開,用吸水紙吸干備用。制備瓊脂-溴甲酚紫指示培養基[26],同時加入相應濃度的鹽分(CK,混合Na鹽、混合Cl鹽和NaCl),使混合培養基pH在5.0—5.5之間,把瓊脂凝膠倒在四周墊有硅膠條的有機玻璃槽中,瓊脂厚度為3 mm,然后把植物根系鋪展在瓊脂凝膠膜上,蓋上大小一致的有機玻璃板,用鋁箔包裹避免光透射到根區域,植株及培養裝置傾斜30°角放置,放在1.2所述的生長箱中顯色8 h,每個處理重復3次。瓊脂顯色及圖像數字化處理參見Rao等[26]。根據指示劑顯色原理,瓊脂-溴甲酚紫指示劑混合液顏色顯黃色表示酸化,顯藍紫色則表示堿化。

1.6 數據處理

運用SPSS 17.0進行數據處理及統計分析,用One-way ANOVA、LSD最小顯著差異法對啤酒大麥各生長參數、離子平衡和根際pH進行差異性檢驗,顯著水平為P<0.05。利用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同類型鹽脅迫對啤酒大麥幼苗生長的影響

2.1.1 對啤酒大麥幼苗生物量和含水量的影響

不同類型鹽分脅迫下,啤酒大麥生物量的分配受到不同程度的影響(表1)。NaCl脅迫下啤酒大麥幼苗地上部干重與對照(CK)相比降低了17.88%,且差異顯著(P<0.05)；混合Na鹽和混合Cl鹽脅迫下,地上部干重與對照(CK)相比差異不顯著。在NaCl脅迫下,大麥幼苗根干重和根冠比與對照相比分別增加了19.12%和43.86%(P<0.05),但在混合Cl鹽和混合Na鹽脅迫下增加不顯著。以上結果表明,在鹽分脅迫下啤酒大麥向根系分配更多的生物量,而且100 mmol/L NaCl脅迫對啤酒大麥幼苗干物質的累積和生物量的分配影響最顯著(表1)。啤酒大麥幼苗地上部含水量在3種不同類型鹽分脅迫下較CK相比均有所降低,但差異不顯著,表明啤酒大麥比較耐鹽。

表1不同類型鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗地上部、根系干重、根冠比及地上部含水量的影響

Table1Effectsofdifferenttypesofsaltstressondryweightofshootsandtheroots,root/shootratioandwatercontentforbeerbarleyseedlings

處理Treatments地上部干重/(mg/株)Shoot dry weights根系干重/(mg/株)Root dry weighs根冠比Root/shoot ratio地上部含水量/%Water content對照CK Control29.76a16.79b0.57b88.26a混合Na鹽 Mixed sodium salt27.43ab16.81b0.62b85.23a混合Cl鹽 Mixed chlorine salt28.60a18.79ab0.66b86.68aNaCl24.44b20.00a0.82a86.86a

同列不同小寫字母表示不同鹽分處理間差異顯著(P<0.05)

2.1.2 對啤酒大麥根系形態的影響

從圖1可知,在3種不同類型鹽分脅迫下,啤酒大麥幼苗的根長較對照都有所降低,在混合Na鹽脅迫下根長較CK降低了14.07%(P<0.05),而混合Cl鹽和NaCl脅迫下降低不明顯,表明不同類型鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗根長有不同程度的抑制作用。

圖1 不同類型鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗根系形態學參數的影響Fig.1 Effects of different types of salt stress on root morphological parameters of beer barley seedlings

啤酒大麥幼苗根表面積和根系體積在3種不同類型鹽分脅迫下均呈增加的趨勢(圖1)。在混合Cl鹽脅迫下,根表面積和根體積顯著高于其他處理,與CK相比分別增加了41.76%和84.38%；在混合Na鹽和NaCl脅迫下,與對照相比根系體積分別增加了50.35%和49.96%,而根表面積則增加不明顯,且不同類型鹽分處理間差異不顯著。

2.2 不同類型鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗離子分配和陰陽離子平衡的影響

表2 不同類型鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗地上部離子分配的影響

從啤酒大麥幼苗的陰陽離子平衡計算結果可以看出(表3),CK處理下陰陽離子計算結果為21 μmol/g DW,表明根際發生微弱的酸化現象,而不同類型鹽分脅迫下計算結果則均為負值,表明根際呈堿化現象。在混合Cl鹽脅迫下,啤酒大麥幼苗陰陽離子平衡結果負值最大(表3),表明堿化程度最強,可能與對Cl-的大量吸收有關,其次是NaCl脅迫,其離子平衡結果為-388.0 μmol/g DW,混合Na鹽脅迫下,離子平衡結果顯示堿化程度相對較弱。

表3 不同類型鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗陰陽離子平衡的影響

2.3 啤酒大麥幼苗根際pH原位顯色特征

根際pH原位顯色(圖2)可見,所有處理下啤酒大麥幼苗根際pH均呈堿化現象(紫色),表明啤酒大麥幼苗根系釋放的OH-數量大于H+,從而導致根際pH呈堿化現象。將圖2圖像數字化處理得到圖3所示,負值表示分泌OH-,表明3種不同類型鹽分脅迫下,啤酒大麥單位根長OH-的分泌量均顯著高于CK。在混合Cl脅迫下,其根系OH-的分泌量最高,較CK高出88.94%,NaCl脅迫下根系OH-的分泌量在3種類型鹽分脅迫下相對較低。以上結果可見,3種類型鹽分脅迫對啤酒大麥根系pH原位顯色的影響與陰陽離子平衡計算結果趨勢一致。

圖2 不同類型鹽分脅迫下啤酒大麥幼苗根際pH變化及其可視化Fig.2 Rhizosphere pH changes and the visualizations of the beer barley under different types of salt stress

圖3 不同類型鹽分脅迫下啤酒大麥幼苗根系H+分泌量的變化(負值表示分泌OH-)Fig.3 Proton secretions in rhizosphere of the beer barley under different types of salt stress

3 討論

3.1 不同類型鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗生長的影響

生長抑制是植物在鹽脅迫下發生的最普遍和最直觀的過程,主要是通過減少單株植物的光合面積而造成植物碳同化量的減少。孫仁國等[29]研究表明,NaCl脅迫下,燕麥光合作用受到的抑制作用隨著鹽濃度的增加而增大,對燕麥葉面積、光合速率和干物質累積量抑制作用增強。本試驗中,啤酒大麥幼苗植株生物量對3種類型鹽分脅迫的響應不同,NaCl脅迫下啤酒大麥幼苗地上部干重降低最明顯,而根冠比和根干重則顯著增加,在混合Cl鹽和混合Na鹽脅迫下地上部干重的降低、根冠比和根干重的增加與對照相比均無顯著差異,可能是啤酒大麥同時受到高濃度的Na+和Cl-脅迫,導致碳同化量受到了更強烈的抑制,說明NaCl對啤酒大麥幼苗的脅迫傷害要大于混合Na鹽和混合Cl鹽脅迫,與其他類型鹽分脅迫相比,啤酒大麥幼苗對NaCl脅迫響應更敏感,其根干重和根冠比的增加進一步表明植物為維持地上部的正常生長,向根系分配了更多的生物量,以增加根系在脅迫環境中與生長介質的接觸面而獲得更多的營養物質和水分[30]。賀莉研究結果表明,野生大豆的根冠比隨著鹽分脅迫強度的增大而增加[31]；李先婷等試驗結果表明,啤酒大麥在NaCl漸進脅迫至小于85 mmoL/L時能促進根系的生長,漸進脅迫至較高濃度時根系生物量明顯增加[32],這些現象都與本研究結果相一致。

植物根系形態學變化是決定根系水分、養分吸收范圍和強度變化的重要參數。高濃度鹽分脅迫對根系的伸長和側根的發育產生抑制作用[33],主要是因為鹽脅迫下根的伸長區的伸長生長受到抑制,最終造成主根的生長受到抑制[34]；另外,研究發現,滲透脅迫下水稻幼苗的總根長、根總面積和根數都有顯著增加[35]。本試驗中,在3種不同類型鹽分脅迫下啤酒大麥幼苗根長較對照均有所降低,尤其在混合Na鹽脅迫下對根系伸長抑制作用最強,這可能與植株過量累積Na+,而對其他無機離子K+、Ca2+、Mg2+等的吸收降低有關,并且其含水量也較其他處理低,造成的啤酒大麥幼苗根系營養缺失和水分吸收受抑制,進而抑制了根系的伸長[36]。此外,在3種不同類型鹽分脅迫下啤酒大麥根表面積和根系體積都增大,這與以往的研究結果相一致[37],可能的機理是,在高濃度的鹽分脅迫下,根系在重建細胞內離子穩態和調節滲透平衡過程中為了更多的接觸外界環境和吸收養分和水分而做出的響應[30]。在混合Cl鹽脅迫下,啤酒大麥根表面積和根體積均顯著高于混合Na鹽和NaCl脅迫(圖1),表明根系對混合Cl鹽脅迫響應較敏感,可能刺激了根系的增殖；另一方面,由于混合Cl鹽培養液中K+含量較高,增加了植株對K+的吸收,提高了啤酒大麥的耐鹽性。Adams等[38]研究也表明細胞質中保持高于某特定值的K+質量分數會提高植物的耐鹽性。

3.2 不同類型鹽分脅迫對啤酒大麥幼苗陰陽離子平衡和根際pH的影響

4 結論