乌拉尔甘草叶片的泌盐特性及生理适应性

石灵玉，马 淼，2

(1.石河子大学生命科学学院，新疆石河子 832003； 2.石河子大学甘草研究所，新疆石河子 832003)

许多矿质元素是植物生长发育所必需的，参与着许多重要的新陈代谢活动[1]，其数量不足会使植物的生长或繁殖受阻[2]。然而，环境中的矿质元素如果过量，也会对其中的植物造成胁迫[3]，甚至伤害。土壤盐渍化就是由于某些矿质元素过量造成的，尤其是过量的Na+会破坏土壤的团粒结构[4]、影响植物对K+的吸收[5]、破坏质膜的K+/Na+平衡[6]等。盐生植物作为在盐渍土上唯一能够生存的植被类型，在长期的进化过程中形成了拒盐、聚盐、泌盐和稀盐等有成效的盐分适应机制[7]，使其能在盐土中正常生长。

乌拉尔甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)是豆科(Leguminosae)甘草属(Glycyrrhiza)多年生草本植物，是中药材甘草的原植物之一[8]。以根和根状茎入药，具有抗炎[9]、抗过敏、抗病毒[10]、抗癌[11]、抗辐射[12]等疗效，所以备受医药界的重视。甘草的适应性很广，常分布于田间、路旁及盐湖周围的盐化生境，被认为是一种拒盐的盐生植物[13]。然而，笔者所在课题组前期的野外研究发现，生活在盐化低地草甸中的乌拉尔甘草叶片表面有分泌盐分的习性[14]，大量的盐分通过盐腺和气孔分泌到了叶片表面(图1-A至图1-F)。说明乌拉尔甘草并非是拒盐植物，其根系会从土壤中吸收大量盐分，并通过叶片将多余部分排出体外，应当是一种泌盐植物。然而，其不同部位的叶片间是否存在泌盐能力的差异，叶内较高浓度的盐分是否会对叶片造成胁迫伤害，以及叶片是如何适应盐胁迫环境的等问题却一直未见研究报道，故本研究以生长在高盐环境中的野生乌拉尔甘草为研究对象，比较了其不同部位叶片的泌盐能力，可溶性糖、可溶性蛋白质、脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)的含量以及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等保护酶的活性，以期为乌拉尔甘草耐盐机制的研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验样地和材料

乌拉尔甘草样地选自新疆阿勒泰地区的盐化低地草甸，属于温带大陆性气候，冬季漫长而寒冷，夏季短促、气温平和，全年无霜期平均为151 d，最冷月为1月，平均气温为 -16 ℃，最热月7月，平均气温为21 ℃，年平均降水量为 200 mm。样地中的乌拉尔甘草种群生活在极端高盐的土壤环境中，地表白色盐分的厚度超过了5 cm，0～10 cm土层的电导率值为8.49 dS/m，pH值为10.33。然而乌拉尔甘草长势良好，开花结实率正常(图1-A)，野外试验在2016年7月进行。

1.2 试验方法

1.2.1 乌拉尔甘草不同部位叶片泌盐性能的比较

1.2.1.1 甘草不同部位叶片腺体和气孔泌盐的观察 选取开阔地乌拉尔甘草植株，依株高平均分为上、中、下3段，取上部、中部和下部健康的完全展开叶若干，将近叶尖1/3处叶片切成0.5 cm×0.5 cm的小块(过主脉)，置于甲醛-乙酸-乙醇固定液(FAA)中固定 48 h，之后将固定好的材料粘在样品台上，进行离子溅射镀金，镀金后的材料放在扫描电子显微镜(SU8010)下进行观察并拍照，重复测量5个材料，观察乌拉尔甘草上部、中部、下部叶片泌盐的情况。在600×视野下随机选取5个视野，计数视野中的腺体和气孔总数以及泌盐腺体和泌盐气孔的数量，计算泌盐腺体和泌盐气孔的百分数，取平均值。

1.2.1.2 甘草不同部位叶片表面淋溶物Na+和K+的含量 将开阔地乌拉尔甘草植株依株高平均分为上部、中部、下部，从不同部位叶片中随机选取15张完全展开的叶片，3个重复。用去离子水将叶片上下表面清洗干净，做好标记。7 d后，用洁净的毛笔蘸去离子水再次刷洗标记过的叶片，将叶片表面的分泌物淋洗并收集，定容至10 mL。用ICP(thermo scientific icap 6000 serirs，USA)测定淋溶物中Na+和K+的含量，依次对不同部位叶片的泌盐性能进行比较。

1.2.2 乌拉尔甘草不同部位叶片生理指标的测定 取乌拉尔甘草上部、中部、下部叶片若干，测定可溶性糖、可溶性蛋白质、脯氨酸、MDA含量和SOD、POD、CAT活性等生理生化指标，每个部位叶片重复测量3次，结果取均值。可溶性糖、MDA、脯氨酸(Pro)含量测定参考《现代植物生理学实验指南》[15]。可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝染色法测定[16]。SOD、POD、CAT活性测定参照文献[17]进行。

1.3 数据统计与分析

用SPSS 19.0软件进行试验数据的统计分析，用Duncan’s多重比较检测不同处理间的差异显著性水平。

2 结果与分析

2.1 乌拉尔甘草不同部位叶片泌盐性能的比较

通过扫描电镜观察乌拉尔甘草叶片，发现叶片表面气孔和腺体均有泌盐的现象(图1-D至图1-F)。且不同部位叶片盐分分泌情况存在显著差异，上部叶片气孔通透，其中未见盐分积累；下部叶片气孔的泌盐性能强烈，所有气孔中都堆积有大量的盐分，部分气孔已经被盐分完全堵塞；而中部叶片只有78%的气孔有泌盐现象，且泌盐性能微弱，气孔中仅有少量盐分积存(表1、图1-G至图1-I)。不同部位叶片的盐腺都有泌盐现象，且视野中100%的盐腺都分泌了盐分，但不同部位叶片盐腺泌盐程度存在差异，上部叶片泌盐量少，中部和下部叶片分泌了大量的盐分。

表1 乌拉尔甘草不同部位叶片气孔和腺体的泌盐状况比较

注：“-”表示无盐分分泌，“+”表示有少量盐分分泌，“++”表示有大量盐分分泌。

收集叶片表面分泌物，对叶片表面淋溶物中Na+和K+的含量进行测定(图2)，结果显示，虽然不同部位叶片均有泌盐的功能，但上部叶片的泌盐功能微弱，下部叶片分泌的Na+的量远远高于上部和中部叶片，约为上部叶片分泌量的9倍和中部叶片分泌量的12倍；下部叶片分泌的K+的量约为上部叶片分泌量的4.7倍和中部叶片的3.8倍。说明乌拉尔甘草叶片的盐分分泌主要是靠下部叶片来实现的。

2.2 乌拉尔甘草上部、中部、下部叶片渗透调节物质含量的比较

渗透调节是植物在逆境下降低渗透势和维持一定膨压、抵御逆境胁迫的一种重要方式，可溶性糖、可溶性蛋白质及脯氨酸(Pro)是重要的渗透调节物质。从图3至图5可以看出，乌拉尔甘草上部、中部、下部叶片渗透调节物质的含量存在显著性差异(P<0.05)。甘草上部嫩叶可溶性糖含量最少，下部叶片可溶性糖含量最高，中部叶片含量适中。乌拉尔甘草叶片中可溶性蛋白质含量以及脯氨酸含量与可溶性糖含量趋势相同。

2.3 乌拉尔甘草上部、中部、下部叶片保护酶活性的比较

作为生物体内重要的活性氧清除酶，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)在消除超氧化物自由基、减轻脂质过氧化作用和膜伤害方面起重要作用[18]，是酶促防御系统(即保护酶系统)的重要组成成分。

从图6至图8可以看出，乌拉尔甘草不同部位叶片中抗氧化物酶活性也存在着差异。甘草下部叶片POD活性显著高于上部和中部的叶片，存在显著性的差异(P<0.05)，而上部和中部叶片的POD酶活性没有显著性的差异(P>0.05)。叶片中SOD、CAT酶活性的趋势相同，且这2种酶活性在不同部位叶片间存在显著性的差异(P<0.05)，即上部叶片酶活性最低，下部叶片酶活性最高，中部叶片适中。

2.4 乌拉尔甘草上部、中部、下部叶片丙二醛(MDA)含量的比较

MDA是生物膜氧化的产物，它的含量可以作为植物受到胁迫伤害程度的重要指标。从图9中可以看出乌拉尔甘草下部叶片MDA含量最多，中部叶片次之，上部叶片MDA含量最少，且不同部位叶片间MDA含量存在显著性的差异(P<0.05)。甘草不同部位叶片MDA的含量不同，说明不同部位叶片受到盐分胁迫的程度不同。

3 讨论

叶片是植物进行光合作用的主要器官，与周围环境关系密切，对生境条件的反应最为敏感，是与外界环境进行物质和能量交换的主要器官，因此植物对环境的适应也较多地反映在叶片上[19]。泌盐是植物重要的耐盐机制之一，目前已有的研究证据表明泌盐结构包括腺毛、盐腺、囊泡以及叶片表面的蜡质层[20-21]。本研究发现，长期生活在高盐环境下的乌拉尔甘草叶片具有泌盐现象，除了通过盐腺分泌盐分之外，还采用了以气孔泌盐的独特方式来适应高盐的土壤环境。

乌拉尔甘草上部叶片分泌盐分的能力较弱，叶片受盐分胁迫程度低，而下部叶片具有旺盛的盐分分泌能力，叶片受到高盐分胁迫，中部叶片泌盐能力及叶片受到盐分胁迫程度适中。渗透调节是植物抵抗逆境胁迫的一种重要生理机制，植物可以通过渗透调节物质的积累以及自身的渗透调节作用来维持正常的代谢活动[22]。其中含糖量的高低可以反映植物的抗胁迫能力，可溶性糖作为可溶性小分子化合物，可直接被利用或参与渗透调节作用，是逆境条件下植物的主要渗透调节剂[23]。乌拉尔甘草上部嫩叶可溶性糖含量最少，下部叶片可溶性糖含量最高，说明甘草下部叶片的高盐分胁迫促使下部叶片可溶性糖含量的增加，使甘草叶片具有较强的渗透调节能力，从而增强对逆境的适应。在渗透胁迫时，植物细胞可以通过脯氨酸积累量的增加提高胞质浓度，保持渗透平衡，防止细胞过度失水[24]，可溶性蛋白质也是植物细胞质中的重要渗透调节物质之一，可通过主动积累来降低渗透势[25]。研究结果表明，乌拉尔甘草下部叶片脯氨酸含量和可溶性蛋白质含量都显著高于上部和中部叶片，提高了老叶的抗盐性和保水性。

MDA含量高低可作为耐盐性高低的生理指标[29]，随着胁迫程度的提高，MDA含量升高。研究表明，乌拉尔甘草不同部位叶片内部受到盐分胁迫的程度存在差异，致使不同部位叶片中的丙二醛含量差异显著。下部叶片MDA含量最高，盐胁迫加剧了甘草叶片膜脂过氧化水平，降低膜的选择透性，膜受到了一定的损伤，而上部和中部叶片中MDA含量相应较低，盐胁迫对膜系统的破坏较小。

4 结论

综上所述，生长在高盐环境下的乌拉尔甘草叶片具有泌盐的现象，且不同部位叶片泌盐能力差别显著，受盐分胁迫的程度亦显著不同。下部叶片的盐分分泌量最大，受盐胁迫程度最高。乌拉尔甘草叶片通过排出多余盐分，提高脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质等渗透物质的含量以及SOD、POD和CAT等保护酶的活性来适应高盐环境，以减轻盐分对植物的伤害，使乌拉尔甘草种群能够在高盐环境中正常生长。