外源Ca2+和IBA对NaCl胁迫下能源植物杂交狼尾草幼苗生长的影响

王宇鹏，张圣强，刘晓娟，林　静，齐　艳，陈　敏

山东师范大学生命科学学院，山东省逆境植物重点实验室，济南　250014



外源Ca2+和IBA对NaCl胁迫下能源植物杂交狼尾草幼苗生长的影响

王宇鹏，张圣强，刘晓娟，林静，齐艳，陈敏*

山东师范大学生命科学学院，山东省逆境植物重点实验室，济南250014

摘要:以能源植物杂交狼尾草(Pennisetum americanum×P.purpureum)为实验材料，在NaCl胁迫条件下用外源IBA(100 mg/L)，CaCl2(浓度分别为0、1、2、5 mmol/L)处理杂交狼尾草幼苗，处理3周后测定植物的存活率、鲜重、干重、株高、生根数和地上部分、地下部分的离子含量。结果表明，经过IBA溶液预处理的杂交狼尾草幼苗的存活率、鲜重、干重、株高、生根数明显高于未处理的幼苗;在NaCl胁迫下，随着外源Ca(2+)浓度的升高，杂交狼尾草幼苗的存活率、鲜重、干重、株高、生根数以及Ca(2+)含量都明显升高并在CaCl2浓度为2 mmol/L时达到最大值;随着外源Ca(2+)浓度的升高，Na+含量、Na+/K+降低，当CaCl2的浓度为2 mmol/L时，Na+含量、Na+/K+最低。以上结果表明外源Ca(2+)和IBA对NaCl胁迫下杂交狼尾草幼苗生长有促进作用，可以缓解NaCl胁迫对杂交狼尾草幼苗生长的抑制作用，提高杂交狼尾草幼苗在NaCl胁迫下的成活率;缓解盐害的最适的Ca(2+)浓度为2 mmol/L。

关键词:杂交狼尾草; IBA(吲哚丁酸); Ca(2+); NaCl胁迫;生长

王宇鹏，张圣强，刘晓娟，林静，齐艳，陈敏.外源Ca2+和IBA对NaCl胁迫下能源植物杂交狼尾草幼苗生长的影响.生态学报，2016，36(2): 369-376.

Wang Y P，Zhang S Q，Liu X J，Lin J，Qi Y，Chen M.Effects of exogenous Ca2+and IBA on seedlings growth of energy plant hybrid Pennisetum under NaCl stress.Acta Ecologica Sinica，2016，36(2): 369-376.

在盐渍化土壤中生长的植物，由于受到高浓度Na+的胁迫，植物代谢紊乱［1-2］，经常表现出缺Ca2+的症状［3］。有研究表明施加适量的钙，一方面可以缓解因Ca2+不足引起的矿质营养胁迫，另一方面可以增强质膜的稳定性和钙信号系统的正常发生和传递，阻止细胞内K+的外流和Na+的大量进入，以维持细胞内离子平衡［4-6］。大量研究表明［7-8］，外源Ca2+能够缓解植物的盐害。吲哚丁酸(IBA，Indole-3-Butytric acid)是一种使用安全的高效植物生长调节剂，主要用于促进插条生根和根系发育［9-11］，研究表明［12-14］，IBA处理不仅能提高植物的扦插繁殖效率，还对盐胁迫有一定的缓解作用。

研究选用的材料杂交狼尾草(Pennisetum americanum×P.purpureum)为禾本科狼尾草属多年生草本，它是以象草(Pennisetum purpureum Schum)为父本、美洲狼尾草(Pennisetum americanum L.)为母本的杂交种［15］。杂交狼尾草作为最具潜力的能源植物，被大量种植［16］。杂交狼尾草的广泛种植不可避免地带来了“与粮争地”的问题，因此利用现有的盐碱荒地种植杂交狼尾草就很好地解决了这一问题。杂交狼尾草为三倍体的杂交种，只能以营养体扦插繁殖，在扦插繁殖期间，易遭受盐胁迫伤害［17］，导致成苗率低，但是成苗后具有一定的耐盐性［16，18］。为了解决上述问题，本实验采用IBA预处理杂交狼尾草插段，然后将其种植在含有不同浓度NaCl的培养盆中(装有干净细沙)，同时用不同浓度的CaCl2处理，目的是探究在NaCl胁迫下提高杂交狼尾草成活率的最适Ca2+浓度，以及其在盐碱地上生长的最佳条件，为在盐碱地上大面积种植杂交狼尾草提供理论依据。

1材料和方法

1.1材料

实验材料为杂交狼尾草(Pennisetum americanum×P.purpureum)，由中国农业大学草业研究中心张蕴薇教授提供，2013年8月移栽到山东师范大学生命科学院北温室旁空地。

1.2实验材料的取材、培养和处理

选取长势相近的杂交狼尾草植株，剪取自下向上第3至5节间，挑选有着大致相同的芽的茎节150根，分成两组:其中一组(75根)放于100 mg/L的IBA溶液中(pH 7.0)促进其生根;另一组(75根)放于去离子水中(pH 7.0)作为对照，浸泡7h。取出，分别栽入盛有干净细沙的营养盆中。

再将上述的每一组分别用3个NaCl浓度处理，第一处理为含有0％ NaCl的Hoagland营养液，第二处理为含有0.4％ NaCl的Hoagland营养液，第三处理为含有0.6％ NaCl的Hoagland营养液。

上述每个NaCl浓度处理中又分成4个不同的CaCl2梯度处理，即在Hoagland营养液里分别加入0、1、2、5 mmol/L CaCl2。

每天用上述溶液浇灌幼苗两次，早晚各1次。以从底部流出的溶液体积占浇灌总体积的一半为标准，处理3周后进行各指标的测定，整个实验重复进行3次，挑选每个处理中数据可靠地6个重复的数据进行综合分析。

1.3生理指标的测定

1.3.1成活率的测定

统计每组处理中杂交狼尾草的存活状况，汇总并计算其成活率。

1.3.2植物干、鲜重的测定

小心将幼苗从营养盆中取出，去离子水洗净后迅速用吸水纸吸干，去掉已经枯死的叶片，分别称量地上部分和地下部分的鲜重。105℃杀青15 min，70°C烘至恒重，再次称量为干重。

1.3.3株高、根长以及根的数目的测量

用米尺分别测量每株幼苗的高度、根的长度并记录每株根的数目。

1.3.4不同部位离子含量的测定

分别取烘为恒重功能叶0.05 g和根0.05 g，分别置于坩埚中放入马伏炉进行灰化，500℃，8 h，冷却后小心取出，在每个坩埚中滴入两滴浓硝酸，加入去离子水冲洗多次并倒入25 mL容量瓶中定容至25 mL。用410型火焰光度计(Sherwood Scientific Ltd.，Cambridge，UK)测量Na+、K+和Ca2+的含量，并计算Na+/K+。

1.4数据分析

本实验的数据都采用SAS 6.12统计软件对钙浓度和盐分进行双因素显著性分析。同一处理各参数均以平均值加减标准偏差(mean±SD)表示，P＜0.05，表示差异显著，采用字母标注法。

2　结果

2.1外源Ca2+和IBA对于不同浓度NaCl胁迫下杂交狼尾草幼苗成活率的影响。

幼苗的成活率对于杂交狼尾草在盐碱地上的种植至关重要，经过3次重复测定存活率(图1)，结果表明，所有处理中经过IBA溶液预处理的杂交狼尾草幼苗的成活率明显高于未经IBA处理的幼苗，在NaCl胁迫下杂交狼尾草幼苗的成活率降低，但外源Ca2+可以增加同等NaCl浓度处理下的幼苗成活率，当外源Ca2+浓度为2 mmol/L时，杂交狼尾草的成活率最高(图1，表1)。

图1　外源Ca2+和IBA对于不同浓度NaCl处理下杂交狼尾草幼苗成活率的影响Fig.1 Effects of exogenous Ca2+and IBA on survival rate of hybrid Pennisetum seedlings under different NaCl stress(mean±SD，n=6)IBA(Indole-3-Butytric acid)，图中数据为6个重复的平均值±SD(n=6)不同字母代表差异显著(P＜0.05)

表1　外源钙素对经IBA处理的盐胁迫下杂交狼尾草幼苗生长指标的三因素分析结果Table 1 Results of a three-way ANOVA of parameters for hybrid Pennisetum

2.2外源Ca2+和IBA对于不同浓度NaCl处理下杂交狼尾草幼苗干、鲜重的影响。

植物的生长量是衡量其生长情况的重要指标，对不同NaCl浓度处理、不同外源Ca2+浓度处理的杂交狼尾草幼苗进行了生物量的测定。结果如图2所示，经IBA处理和不经IBA处理的杂交狼尾草幼苗呈现相同的趋势，但经过IBA溶液预处理的杂交狼尾草不论是地上部分还是地下部分的干重、鲜重都明显高于不经IBA处理的植株，且地下部分更加显著(图2，表1)。所有处理的杂交狼尾草幼苗其干、鲜重都随着NaCl浓度的升高而显著降低，在相同NaCl浓度时，杂交狼尾草的干重、鲜重随着外源Ca2+含量升高而升高，当外源Ca2+浓度到达2 mmol/L时杂交狼尾草的干重、鲜重达到最大;当外源Ca2+浓度增加至5 mmol/L时，明显下降。上述结果表明，IBA预处理明显促进杂交狼尾草根的生长，经IBA处理的杂交狼尾草幼苗地上部分可能因为根的发达而受益，长势明显好于未经IBA处理的幼苗，在NaCl胁迫下，外源Ca2+浓度的升高，有助于杂交狼尾草幼苗地上和地下部分生物量的增长，当外源Ca2+浓度为2 mmol/L时增长最显著(图2，表1)。

2.3外源Ca2+和IBA对于不同浓度NaCl处理下杂交狼尾草幼苗株高、根长和根的数目的影响。

由图3可以看出，总体来看，杂交狼尾草幼苗株高、根长和根的数目随着NaCl浓度的升高而降低，经IBA溶液预处理的幼苗与未经IBA处理趋势相同，但经IBA溶液预处理幼苗的3项指标都高于未经IBA处理的幼苗，且根的数目和根长增加更显著。在无NaCl处理的情况下，幼苗的3项指标无明显变化;在NaCl处理的情况下，杂交狼尾草的3项指标大致呈现相同的变化趋势，即都随着外源Ca2+浓度的升高而升高，当外源Ca2+浓度为2 mmol/L时达到最大值。上述结果表明，IBA对于促进生根以及根的伸长有着很好的效果，在无NaCl胁迫下外源Ca2+对杂交狼尾草的株高、根长以及根数有少许抑制作用，但在不同浓度的NaCl胁迫下，外源Ca2+可以缓解盐害带来的生长抑制，当外源Ca2+浓度为2 mmol/L时，缓解盐害效果最明显(图3，表1)。

2.4外源Ca2+及IBA对于不同浓度NaCl处理下杂交狼尾草幼苗离子含量及分布的影响。

为了进一步探讨外源Ca2+及IBA预处理缓解杂交狼尾草盐害的机理。对处理3周的杂交狼尾草幼苗根和地上部分的Na+、K+、Ca2+进行了测定。结果如图4所示。经IBA处理的杂交狼尾草幼苗与未处理的幼苗离子含量趋势相同，含量也相差不大。图4中，总体上，地下Na+含量显著高于地上部分Na+含量，随着NaCl浓度的升高，根和地上Na+含量显著升高。相同NaCl浓度处理条件下，Na+含量随着外源Ca2+浓度的增加而降低(图4)，当外源Ca2+浓度为2 mmol/L时Na+含量到达最低值，外源Ca2+浓度为5 mmol/L时，Na+含量与2 mmol/L时大致相等(图4，表1)。随着NaCl浓度的升高，根和地上K+含量降低。在无NaCl处理条件下，随着外源Ca2+浓度的增加K+含量基本无变化，NaCl处理下，随着外源Ca2+浓度的增加K+含量小幅度升高;根和地上部分Ca2+浓度随着外源Ca2+含量的增加而明显增加。不论是经过IBA预处理的还是未经过IBA处理的，其地上部分和地下部分Na+/K+在无NaCl处理时随着外源Ca2+含量的增加而小幅度降低，在NaCl处理时，Na+/K+随着外源Ca2+浓度的增加明显降低，在2 mmol/L时达到最低，5 mmol/L变化不明显(图4，表1)。从上述结果可以看出杂交狼尾草是通过在根部积累大量Na+的拒盐方式来缓解盐害的，同时外源Ca2+通过降低Na+/K+缓解盐害。

图2　外源Ca2+和IBA对于不同浓度NaCl处理下杂交狼尾草幼苗干、鲜重的影响Fig.2 Effects of exogenous Ca2+and IBA on fresh weight，dry weight of shoot and roots of hybrid Pennisetum seedlings(mean±SD，n=6)图中数据为6个重复的平均值±SD(n=6)，不同字母代表差异显著(P＜0.05)

2.5三向方差分析

外源Ca2+和IBA溶液预处理对不同NaCl浓度胁迫下杂交狼尾草幼苗各项生理指标影响的三向方差分析见表1，从表中可以看出，单独的NaCl、Ca2+、IBA对杂交狼尾草幼苗的生理指标影响显著，IBA在一定程度上缓解NaCl胁迫，Ca2+缓解NaCl胁迫效果显著，3种因素共同作用对植物生长的影响显著，但NaCl和IBA共同作用对植物体中Ca2+含量没有影响。综上所述，外源Ca2+及IBA对NaCl胁迫下能源植物杂交狼尾草幼苗生长影响是显著的，它们缓解了NaCl对杂交狼尾草生长的胁迫，促进了植物的生长，以及植物体内的离子平衡。

图3　外源Ca2+和IBA对于不同NaCl处理下杂交狼尾草幼苗株高、根长、根的数目的影响Fig.3 Effects of exogenous Ca2+and IBA on the plant height、root length and the root numbers of hybrid Pennisetum seedlings(mean± SD，n=6)图中数据为6个重复的平均值±SD(n=6)，不同字母代表差异显著(P＜0.05)

图4　外源Ca2+和IBA对于不同浓度NaCl处理下杂交狼尾草幼苗Na+、K+、Ca2+含量及Na+/K+的影响Fig.4 Effects of exogenous Ca2+and IBA on the content of Na+，K+，Ca2+and Na+/K+of shoot and root of hybrid Pennisetum seedlings(mean±SD，n=6)图中数据为6个重复的平均值±SD(n=6)，不同字母代表差异显著(P＜0.05)

3　讨论

植物生长环境中的盐分超过其耐盐阈值时，就会引起植物有机体在所有功能水平上产生变化和反应，即发生胁变［19］。植物在盐胁迫下最明显的变化是生长受到抑制［20］。本实验结果表明，NaCl胁迫下杂交狼尾草的地上和地下部分的干、鲜重显著下降，地上部分的下降速率更快，但加入外源Ca2+之后，其各部分干、鲜重明显增加，当外源Ca2+浓度为2 mmol/L时增加最多，这证明适当的外源Ca2+浓度对处于NaCl胁迫条件下的杂交狼尾草幼苗的盐害有很好的缓解作用。此外，经过IBA溶液预处理的幼苗生长状况更加良好，这是由于IBA作为重要的植物生长调节剂，参与了根和茎的生长、维管束组织的形成和分化等［12］。IBA与外源Ca2+共同协作，对于NaCl胁迫起到了是双重缓解的作用。

植物受到盐分胁迫时，植物体内的离子平衡被打破，最终造成植物生理功能紊乱［21］。实验结果显示，杂交狼尾草的地下部分Na+含量明显高于地上部分，这是由于杂交狼尾草作为一种盐生植物用独特的拒盐方式来抵御外界盐害［18］，将大量Na+储存在根部，只让少量的Na+进入地上，对地上部分起到了很好的保护作用。植物细胞内Na+与K+浓度比例(Na+/K+)是影响植物的耐盐性的因素之一，本实验结果显示，随着植物的Ca2+含量上升，Na+/K+下降，当Ca2+浓度为2 mmol/L时，Na+/K+最低。Na+能置换细胞膜上的Ca2+，导致K+的大量外流。增加胞外Ca2+浓度，可以阻止这种由Na+引起的胞内K+的外流，降低细胞质中的Na+浓度［22］从而降低了细胞内Na+/K+，使植物在盐胁迫条件下维持正常生理功能［23］，增强了植物的抗逆性。

中国的耕地普遍缺钙，而且盐碱地钙素缺乏更为严重，这严重限制了作物的生长，致使作物病害增加和品质下降，甚至出现减产的现象［24］。本实验应用外源Ca2+及IBA溶液预处理对于不同NaCl胁迫下杂交狼尾草幼苗的成活率和生长做了深入的研究，证明了外源Ca2+及IBA溶液预处理明显缓解杂交狼尾草的盐害，并找到了最佳的缓解NaCl胁迫的外源Ca2+浓度(2 mmol/L)，为在盐碱地上大面积种植杂交狼尾草，提高其成活率和产量、合理施用钙肥提供理论依据。

参考文献(References):

［1］赵可夫，范海，宋杰，周三.中国盐生植物的种类、类型、植被及其经济潜势//2001年盐生植物利用与区域农业可持续发展国际学术研讨会，2001.

［2］Kholová J，Hash C T，Kumar P L，Yadav R S，Kocˇvá M，Vadez V.Terminal drought-tolerant pearl millet［Pennisetum glaucum(L.)R.Br.］have high leaf ABA and limit transpiration at high vapour pressure deficit.Journal of Experimental Botany，2010，61(5): 1431-1440.

［3］赵可夫，范海.盐生植物及其对盐渍生境的适应生理.北京:科学出版社，2005: 2-3.

［4］Cramer G R，Läuchli A，Polito V S.Displacement of Ca2+by Na+from the plasmalemma of root cells: A primary response to salt stress?.Plant Physiology，1985，79(1): 207-211.

［5］赵可夫，王韶唐.作物抗性生理.北京:中国农业科学出版社，1990: 25-41.

［6］赵可夫，卢元芳，张宝泽，衣建龙.Ca对小麦幼苗降低盐害效应的研究.植物学报，1993，35(1): 51-56.

［7］周芬，曾长立，王建波.外源钙降低拟南芥幼苗盐害效应.武汉植物学研究，2004，22(2): 179-182.

［8］刘丽云，侯传本，王明友，郑延海，贺明荣.外源钙离子对盐胁迫下小麦萌发的影响.山东农业科学，2007，(5): 60-62.

［9］王小玲，赵忠，权金娥，张晓鹏，张博勇.外源激素对四倍体刺槐硬枝扦插生根及其关联酶活性的影响.西北植物学报，2011，31(1): 116-122.

［10］王海南，沈海龙，杨立学.紫椴嫩枝扦插繁殖技术研究.经济林研究，2012，30(3): 106-110.

［11］Christensen M V，Erinksen E N，Andesen A S.Interaction of stock plant irradiance and auxin in the propagation of apple rootstocks by cuttings.Scientia Horticulturae，1980，12(1): 11-17.

［12］吕剑，喻景权.植物生长素的作用机制.植物生理学通讯，2004，40(5): 624-628.

［13］邓涛，何永艳，周太久，盘波，唐文秀，仇硕，邹玲俐.外源IBA对5种苦苣苔科植物扦插繁殖的影响.经济林研究，2013，31(3): 68-71.

［14］李婧男，刘强，李升.生长素和氯化钙对盐胁迫下沙冬青幼苗的缓解作用.植物研究，2010，30(1): 27-31.

［15］陈志彤，应朝阳，林永生，黄毅斌.白三叶的栽培技术与利用价值.福建农业科技，2005，(6): 45-46.

［16］杨运生，李荣，徐宝琪，顾洪如.杂交狼尾草无性繁殖利用研究.中国草业科学，1987，(2): 14-18.

［17］李海云，赵可夫.盐对盐生植物种子萌发的抑制作用.山东农业大学学报:自然科学版，2002，33(2): 170-173.

［18］王殿，袁芳，王宝山，陈敏.能源植物杂交狼尾草对NaCl胁迫的响应及其耐盐阈值.植物生态学报，2012，36(6): 572-577.

［19］王宝山.逆境植物生物学.北京:高等教育出版社，2010: 47-50.

［20］王宝山，赵可夫，邹琦.作物耐盐机理研究进展及提高作物抗盐性的对策.植物学通报，1997，14(S): 25-30.

［21］Kholova J，Sairam R K，Meena R C.Osmolytes and metal ions accumulation，oxidative stress and antioxidant enzymes activity as determinants of salinity stress tolerance in maize genotypes.Acta Physiologiae Plantarum，2010，32(3): 477-486.

［22］Liu T，van Staden J，Cress W A.Salinity induced nuclear and DNA degradation inmeristematic cells of soybean(Glycine max(L.))roots.Plant Growth Regulation，2000，30(1): 49-54.

［23］Zhu J K.Genetic analysis of plant salt tolerance using Arabidopsis.Plant Physiology，2000，124(3): 941-948.

［24］马章全，冯忠义.杂交狼尾草.农村养殖技术，2002，(12): 27-27.

Effects of exogenous Ca2+and IBA on seedlings growth of energy plant hybrid Pennisetum under NaCl stress

WANG Yupeng，ZHANG Shengqiang，LIU Xiaojuan，LIN Jing，QI Yan，CHEN Min*
Key Laboratory of Plant Stress Research，College of Life Science，Shandong Normal University，Jinan 250014，China

Abstract:More than 6％ of the world's total land area is impacted by salt.Most cultivated plants are sensitive to salt stress，which triggers ionic disturbance and has osmotic and toxic effects due to high cellular Na+concentrations，which ultimately greatly reduces vegetative growth.Calcium is an indispensable nutrient for plant growth and development，and it also plays important role in plant response to abiotic stresses.Calcium deficiency phenomenon is universal in Chinese arable land and its shortage in salinized land is more intense and severely limits the growth of crops.Addition of Ca(2+)could reduce the growth inhibition induced by salt stress by increasing Na+/K+ratios，maintaining normal metabolism，stabilizing the cell membranes，and balancing absorbed ions.Hence，the liberal application of Ca(2+)fertilizers is the recommended treatment for enhancing soil Ca(2+)availability，stimulating plant yield，and preventing further deterioration of saline land.Indoyl-3-butyric acid(IBA)is a safe and efficient plant growth regulator，which is mainly used to promote rooting and root development.IBA，as an important plant hormone，participates in plant growth and development.Studies showed that IBA treatment can increase root growth and survival rate of plants under salt stress.A hybrid Pennisetum(Pennisetum americanum×P.purpureum)is now widely regarded to have substantial potential as a bioenergy plant and a forage source for livestock production.It has been characterized as having good stress resistance，fast growth，and high yield.Coastal areas arebook=370,ebook=98considered to be ideal sites for cultivation of energy plants since they are occupy large areas and usually cannot be used as farmland due to high soil salinity.Hence，the hybrid Pennisetum is an ideal crop for this type of land.Therefore，in order to better guide the bio-transformation of saline lands using this potential energy plant，the effects of exogenous Ca(2+)and IBA on the growth of seedlings of energy plant hybrid Pennisetum were examined under saline conditions.In a pot experiment，we investigated the effects of exogenous Ca(2+)and IBA on the survival rate，fresh weight，dry weight，plant height，root number，and ion content in the hybrid Pennisetum seedlings under NaCl treatment.The results indicated that the survival rate，fresh weight，dry weight，plant height，and root number of hybrid Pennisetum seedlings pre-treated with IBA were significantly higher than those in untreated，control plants.Under NaCl stress，the survival rate，fresh weight，dry weight，plant height，root number，and Ca(2+)content in hybrid Pennisetum seedlings significantly increased with increasing Ca(2+)content; the maximum effect was observed in treatment with 2 mmol/L Ca(2+).The content of Na+and Na+/K+ratio decreased with increasing Ca(2+)content reaching the maximum effect at 2 mmol/L Ca(2+).The results showed that exogenous Ca(2+)and IBA promoted the growth of the hybrid Pennisetum seedlings under NaCl stress，relieved the NaCl stress on the hybrid Pennisetum，and increased the survival rate and salt tolerance of the hybrid Pennisetum seedlings at the optimum content of 2 mmol/L Ca(2+).These findings provide a theoretical basis for practical application of IBA and Ca(2+)fertilizers when largescale cultivation of hybrid Pennisetum occurs on saline land.

Key Words:hybrid Pennisetum; IBA(indole-3-butytric acid); Ca(2+); NaCl stress; growth

*通讯作者

Corresponding author.E-mail: chenminrundong@ 126.com

收稿日期:2014-09-22;

修订日期:2015-07-16

基金项目:国家科技支撑计划项目(2009BADA7B05);国家自然科学基金项目(31400239);山东省科技发展计划项目(2013GNC11310)

DOI:10.5846/stxb201409221872