碱性盐胁迫对水稻苗期生长及离子吸收和转运的影响

张丽丽等

摘要：采用水培试验，研究了不同浓度碱性盐处理对水稻幼苗生长及苗期离子吸收与转运的影响。结果表明，碱性盐胁迫使参试材料苗长下降、生物量积累减少，长白9号降幅均较小。碱性盐胁迫下，参试材料生长叶Na+浓度增幅为长白9号小于越光。成熟叶变化规律和生长叶基本一致。茎中Na+浓度增幅为长白9号高于越光。根中Na+浓度均大于地上部各部位。Na2CO3+NaHCO3胁迫下，各器官K+浓度均降低，长白9号K+浓度降幅小于越光。长白9号叶片和根部K+/Na+均显著高于越光，且叶片高于根。Na2CO3+NaHCO3胁迫下各器官的Ca2+吸收量降低，长白9号各器官降幅低于越光。X-射线微区分析结果显示，长白9号液泡和细胞壁具有较强的Na+区域化能力。

关键词：碱性盐胁迫；水稻；苗期生长；离子吸收与转运；X-射线微区分析

中图分类号：Q945.78；S511 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）12-2874-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.12.016

Effects of Alkaline Stress on Seedling of Rice and Absorption and Transportation of Ions

ZHANG Li-li1，MA Dian-rong2，ZHANG Zhan1，ZHAO Yi-zhou1，LI xin1，MAO Ting1，LIU Yan1，CHEN Wen-fu2

（1.Liaoning Saline-alkali Land Utilization and Research Institute， Panjin 124010， Liaoning， China； 2.Rice Research Institute，Shenyang Agricultural University， Shenyang 110886， China）

Abstract： Based on water culture， the effects of the Na2CO3+NaHCO3 stress on growth and ions absorption and transportation of seedling were studied. The results showed that the height decreased and the biomass reduced. The damage rate of Changbai9 was less than Koshihikari. Under the stress of Na2CO3+NaHCO3， the Na+ concentrations in growth leaf of Changbai 9 increased less than Koshihikari， and the mature leaf was the same. The Na+ concentrations in stem of Changbai 9 increased more than Koshihikari. Na+ concentrations in roots were greater than those in different parts of shoots. The K+ concentrations in different organs decreased under the stress of Na2CO3+NaHCO3， and K+ concentrations of Changbai9 decreased less than Koshihikari. The ratio between K+and Na+ in leaf and root of Changbai9 were significantly higher than Koshihikari， and the leaf was higher than the root. The Ca2+ absorption of different organs decreased under the stress of Na2CO3+NaHCO3， and the decreasing range of different organs of Changbai9 was lower than Koshihikari. The results of X-ray microanalysis showed that Na+ content in cytoplasm of Changbai9 was significantly lower than that of and Koshihikari， while it was obviously higher than that of Koshihikari in cell wall and vacuole.

Key words： alkaline salt； rice； seedling period growth； absorption and transportation of ions；X-ray microanalysis

目前，世界上至少20%的耕地受到盐碱化的影响，但盐碱化的程度存在差异[1]。我国盐碱化土地面积近1亿hm2，潜在盐碱地面积达1 733万hm2 [2]。土地盐碱化严重抑制了农业发展，已经引起世界性的关注，也成为科研工作的研究热点。Na2CO3和NaHCO3等成分组成的碱性盐对植物的损伤远远大于中性盐[3]，植物遭受盐分和高pH的双重伤害，影响细胞正常代谢，进而抑制植物生长发育。

水稻是重要的粮食作物，提高水稻产量对促进国民经济发展，保证中国人的粮食安全具有重要作用。因此，深入探讨水稻耐盐机理，筛选和培育耐盐品种具有重要意义。前人对水稻的耐盐机理做了大量的研究，但是从细胞和器官水平上研究的较少，为此研究不同碱性盐浓度水平下水稻苗期生长及离子吸收和转运，以期为探讨水稻耐盐机制和耐盐育种提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

以长白9号和越光为试验材料。

1.2 幼苗培养和处理

参试材料幼苗使用人工气候箱砂培培养，并在3叶1心时期在培养液里加入碱性盐，碱性盐由Na2CO3+NaHCO3（m/m，1∶3）配比组合，共4个胁迫处理，浓度分别为0、10、20、30 mmol/L，胁迫7 d后取样测定相关指标。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长量 包括苗长、地上部干重、地下部干重、地上部鲜重、地下部鲜重。

1.3.2 在器官水平上离子的吸收和转运 准确称取通过0.25 mm筛的烘干植物样品0.5 g，置于消煮管中，加入30 mL浓硝酸摇匀，在通风橱中过夜，加3 mL高氯酸摇匀，180 ℃加热，让黄棕色烟雾挥发掉，再逐步升高温度至300 ℃，待出现大量的烟且消化液仍为棕色时取下冷却，继续加入2 mL浓硝酸，直至无色为止。冷却后用去离子水冲洗消煮管过滤定容至100 mL，稀释后用火焰光度计和原子吸收分光光度计测定钾、钙、钠含量。

全钾含量=[（标准曲线查得测读数中钾的浓度×测读液测定容体积×分取倍数）/（M×106）]×100%，式中测读液测定容体积为25 mL，分取倍数=待测液总体积/吸取待测液体积，M为样品质量。

钙和钠含量测定及计算方法同钾，稀释倍数略有不同。

1.3.2 在细胞水平上的离子区域化 测定叶肉细胞细胞器中Na+。采用X-射线微区分析法，方法为供试材料3叶1心时期经碱性盐胁迫处理7 d后，采集叶片放入铁网中，立即置入液氮中，之后转入冷冻干燥机中，-70 ℃冷冻干燥7 d后，放入干燥器中保存。样片制备及观察参照Fritz[4]的方法进行。

1.4 数据分析

采用DPS软件和EXCEL软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 幼苗生物量

由表1可知，碱性盐胁迫抑制苗长伸长，且不同材料间受抑制程度不同。随处理浓度增大，供试材料苗长降幅增大，均极显著低于对照。长白9号在10、20、30 mmol/L Na2CO3+NaHCO3处理下苗长与对照相比分别降低了6.4%、11.4%、16.0%，越光在10、20、30 mmol/L Na2CO3+NaHCO3处理下苗长与对照相比分别降低了5.6%、14.7%、20.0%。

Na2CO3+NaHCO3胁迫抑制参试材料生物量积累，且浓度越大，影响越大。30 mmol/L浓度胁迫下，长白9号地上部鲜重和干重分别降低了49.0%和33.7%，越光地上部鲜重和干重分别降低了61.0%和44.6%。地上部鲜重降幅大于地上部干重，这说明碱性盐胁迫浓度达到一定数值时，组织表现出生理性缺水。

随Na2CO3+NaHCO3胁迫浓度加大，供试材料地下部鲜重和干重下降，各材料存在差异。30 mmol/L胁迫下，长白9号地下部鲜重和干重分别降低了47.1%和37.5%，越光地下部鲜重和干重分别降低了69.2%和64.3%。

2.2 叶片在器官水平上的吸收与转运

由图1a可以看出，Na2CO3+NaHCO3胁迫下Na+浓度随胁迫浓度增大而显著升高，不同材料和不同部位存在差异。处理前参试材料的各个部位的Na+含量均较低，随胁迫浓度增加，各部位Na+含量均显著上升。长白9号各部位Na+含量增幅变化为根>茎>叶。处理浓度较低时，越光各部位Na+含量增幅表现为根>茎>叶，但高浓度处理时，各部位Na+含量增幅为叶>茎>根。就生长叶而言，Na+含量增幅表现为长白9号<越光，成熟叶变化规律和生长叶基本一致。茎Na+浓度随盐胁迫增大而急剧上升，Na+浓度增幅为长白9号>越光。

图1b表示Na2CO3+NaHCO3胁迫对K+浓度的影响，Na2CO3+NaHCO3胁迫下，K+浓度随胁迫浓度增大而降低，不同材料不同部位的K+浓度对胁迫响应不同。10 mmol/L Na2CO3+NaHCO3胁迫下，长白9号生长叶K+浓度降幅较小，与对照相比仅下降了9.0%；根和茎K+浓度下降幅度较大，与对照相比仅下降了22.6%、16.7%。越光叶、根和茎部均显著下降，且根和茎部下降的幅度大于叶，根最大降幅达59.3%。从部位看，各处理水平下，生长叶K+浓度下降幅度小于成熟叶，叶降幅小于茎，根的降幅大于地上部。从材料上看，长白9号降幅小于越光。

对各器官中Ca2+含量的分析表明（图1c），在Na2CO3+NaHCO3胁迫下，参试材料各器官中Ca2+含量均下降，且降低幅度随浓度增加而增大。不同材料不同器官中Ca2+含量对胁迫的响应存在差异。各处理水平下，长白9号根中Ca2+含量降幅显著低于地上部各器官。生长叶中Ca2+含量降幅高于成熟叶，叶片降幅大于茎。随胁迫增大，越光各器官中Ca2+含量急剧下降。同样处理水平下，Ca2+含量降幅表现为生长叶>成熟叶>茎>根。从材料上来看，不同材料相同器官Ca2+含量降幅表现为越光>长白9号。

2.3 叶片Na+在细胞水平上的区域化

由表2可知，未经Na2CO3+NaHCO3处理的长白9号和越光叶片，Na+在细胞质、液泡和细胞壁中浓度无显著差异。Na2CO3+NaHCO3处理后，各材料Na+在细胞质、液泡和细胞壁中的浓度呈增加趋势，且随胁迫浓度加剧，增幅变大。各Na2CO3+NaHCO3处理梯度下，长白9号细胞质中Na+增幅低于越光。长白9号液泡中Na+浓度急剧上升，显著高于越光。20、30 mmol/L Na2CO3+NaHCO3处理下，越光液泡内Na+浓度小于细胞质中Na+浓度。

3 小结与讨论

3.1 幼苗生长及根系对碱性盐胁迫的响应

盐分胁迫严重抑制非盐生植物生长[5]，故生物量积累可以表征植物耐盐性大小。盐分对植物的伤害主要表现在抑制植物各部分生长发育，导致器官衰老、死亡乃至脱落，从而导致植株鲜干重下降。谢国生等[6]认为，NaHCO3胁迫处理明显抑制了幼苗生长。本研究结果也表明，不同浓度Na2CO3+NaHCO3胁迫均抑制了参试材料生长，且随胁迫浓度增加，苗高和生物量积累降低幅度增大，且材料间存在差异。长白9号苗高、地上部干鲜重和地下部干鲜重降幅均低于越光。夏阳等[7]认为耐盐性强的植物相对生物量较大，这与试验结果是一致的。碱性盐胁迫降低了生长和物质量的积累可以归因于生理干旱和离子毒性，以及需要释放更多的能量用于细胞渗透调节。从能力代谢角度分析，主要是两个原因：一是输入能力减少，二是输出能力增加。

3.2 幼苗在器官水平上矿物元素吸收对碱性盐胁迫的响应

Niu等[8]认为植物耐盐的主要机制是均衡离子。在正常生理条件下，细胞内的离子是平衡的。Na+过多对植物是有害的，而K+却是惟一一种植物所必需的而且必须以相对高浓度存在的离子，所以维持低的胞质Na+/K+对盐胁迫下植物的存活是必要的[9]。大多数植物对Na+、K+的吸收具有负相关性。曲元刚等[10]研究表明，玉米在NaCl和Na2CO3胁迫下，Na+含量显著增加。在Na2CO3胁迫下，叶片内的Na+/K+的上升幅度大于相同Na+浓度的NaCl胁迫。NaCl和Na2CO3胁迫下，根部Na+/K+都高于叶片Na+/K+。本研究表明，长白9号叶片Na+低于越光。低Na2CO3+NaHCO3胁迫下，参试材料叶片中Na+浓度增幅显著小于根部和茎中Na+浓度，但随胁迫浓度增加，越光叶片Na+浓度增幅大于根和茎。这表明在较低浓度胁迫下，试验材料都具有一定的拒盐能力，随Na2CO3+NaHCO3浓度增大，不耐盐材料的拒盐性就会减弱甚至丧失。研究还发现长白9号茎具有较强的贮盐能力，这可以减少Na+在叶片中的积累，对避免细胞受到离子胁迫和渗透胁迫，维持细胞正常的生理功能起到重要作用。

盐胁迫下在叶细胞中保持较高的K+浓度是植物耐盐的重要途径。本研究表明2个水稻品种的地上部K+/Na+比值高于根系，长白9号叶片K+/Na+显著高于越光。结果还表明，同样胁迫水平下，叶片K+/Na+高于根K+/Na+。这可能是Na+在向上部运输过程中经韧皮部环流到根系中，以维持叶片中较高的K+/Na+，减轻Na+对叶片的伤害，进而保证植物正常的生命过程。

Ca2+可以减少盐胁迫下植物对Na+的吸收，维持膜的稳定性和正常的生长速度。王宁[11]的研究表明，Na2CO3+NaHCO3胁迫时玉米植株Ca2+含量降低。本研究表明，Na2CO3+NaHCO3胁迫降低了各器官的Ca2+吸收量，随胁迫浓度增大，Ca2+的吸收量减少。生长叶对Na2CO3+NaHCO3胁迫响应最敏感，成熟叶次之，根的Ca2+降幅最小，长白9号各器官降幅低于越光。这说明在Na2CO3+NaHCO3胁迫下，长白9号可以保持较高的Ca2+含量，维护膜的完整性，减少对细胞的伤害。Ca2+吸收和转运的趋势与Na+、K+不同。

3.3 叶片Na+在细胞水平上的区域化对碱性盐胁迫的响应

X-射线微区分析显示，在同等处理条件下，长白9号细胞质中Na+浓度显著低于越光，而细胞壁和液泡中的Na+浓度都显著高于越光。这表明Na2CO3+NaHCO3胁迫下长白9号细胞具有较强的拒盐性，这可能是当细胞质中的Na+浓度升高时，为了维护离子平衡，将Na+从细胞质中排出，并将其贮存在细胞壁中。Na+的外排是通过质膜上的Na+/H+逆向转运蛋白进行的，同时长白9号液泡中Na+区域化能力也强于越光。中高浓度Na2CO3+NaHCO3处理条件下，越光细胞质内Na+增加辐度减小，浓度远远高于液泡和细胞壁内Na+浓度，这可能是由于高浓度Na2CO3+NaHCO3处理下，液泡膜质子泵的水解活性受到抑制，影响Na+区域化，进而造成对细胞的毒害，这与曲元刚等[10]的研究结果具有一致性。

综上所述，在碱性盐胁迫下，长白9号的叶片保持较高K+/Na+比值和较高的Ca2+含量，而且茎有较强的贮盐能力，同时液泡和细胞壁具备较强的细胞区域化能力，这些都是其耐盐碱的生理基础。

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