盐分胁迫对啤酒大麦幼苗生长、离子平衡和根际pH变化的影响

岳小红,曹 靖,耿 杰,李 瑾,张宗菊,张琳捷

兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室，生命科学学院， 兰州 730000

盐胁迫是影响植物生长和作物产量的非生物胁迫因素之一[1]。自然环境中,盐胁迫主要由土壤中高浓度的Na+和Cl-诱发[2]。Na+和Cl-等无机离子在植物体内过量累积会破坏细胞内的水分平衡、离子平衡以及增加膜透性,进而出现盐害现象[3- 4]。植物在盐胁迫条件下,细胞离子平衡首先会受到破坏。郭瑞等[5]研究表明增加土壤中性和碱性混合Na盐含量,亚麻地上部分和根系K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+大幅降低,植物体内离子平衡发生了改变。盐分胁迫所造成的植物细胞离子失衡、渗透胁迫等不良现象会影响植物的正常生长,进而影响作物产量。植物为适应盐生环境必需进行渗透调节,并在细胞内重新建立离子稳态[6],这也是植物体重要的耐盐机制之一。

啤酒大麦是一种较耐盐碱的一年生禾本科植物[19],是干旱半干旱地区主要的经济作物之一[20]。有关盐胁迫对啤酒大麦的研究主要集中于生理生态方面,如光合作用、细胞结构的改变和农学性状的变化等方面[4,19,21],而有关盐分胁迫对啤酒大麦根际的影响关注较少；另外,有关单一盐分NaCl胁迫、中性盐和碱性盐对植物生长、离子平衡等的影响研究报道较多[18-19,22-23],而对于不同类型中性盐分胁迫对离子平衡特征和根际pH变化影响的研究甚少。因此,本研究通过水培实验探究啤酒大麦对不同类型盐胁迫的生理生态响应,为揭示其对盐胁迫环境的适应机制及根际环境的变化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

啤酒大麦(Hordeumvulgarevar.vulgare)：由兰州市农业研究中心提供,千粒重50.80 g,腹径3.5—5 mm,籽粒饱满,无虫害,种子表面无损伤。

1.2 试验处理和培养

试验在兰州大学人工气候室内进行,温室条件为：昼/夜温度28℃/23℃,湿度70%,光周期14 h,光强为400—450 μmol m-2s-1。培养容器为不透光的长方形塑料盆,体积为19 L,在厚1.2 cm塑料泡沫盖板上打25个直径为1 cm的圆孔。选择大小均一、籽粒饱满的啤酒大麦种子消毒,用常规方法催芽并萌发。把露白的啤酒大麦种子转移到盛有9 L 1/4 Hoagland营养液(用H2SO4/KOH调整营养液pH至6.8—7.0)的塑料盆中生长7 d,每两天更换一次营养液。待出现三片子叶时在1/2 Hoagland营养液中添加相应盐分,参照Tavakkoli等[23]的方法进行盐分处理,对照组(CK)为不加盐分的营养液,盐分处理分别为混合Na盐、混合Cl盐和100 mmol/L的NaCl,每个处理重复3次。混合Na盐的组分为15 mmol/L Na2SO4、15 mmol/L Na2HPO4和40 mmol/L NaNO3；混合Cl盐的组分为15 mmol/L CaCl2、15 mmol/L MgCl2和40 mmol/L KCl。盐分处理以每天25 mmol/L的速度递增,达到既定浓度后继续培养7 d,分别收获地上部和根系。另选用同样规格的盆钵,溶液培养和盐分处理同上,让种子在萌发纸中间生长[24],使得根系沿着同一平面生长,每张萌发纸上分别放置3粒露白的大麦种子,待处理一段时间后仔细取出根系用于琼脂显色,培养期间管理条件同上。

1.3 植株生长指标的测定

培养结束时,每个处理选取2盆供测,每5株一个重复,吸干植株上的水分,将根系和地上部分开,分别称鲜重；根系用EPSON 4990进行扫描,用Scion Image软件分析根长、根表面积等形态学参数。根系扫描完成后,将根系和地上部放入105℃烘箱中杀青30 min,70℃烘干至恒重。

1.4 离子含量的测定

1.5 根际pH的可视化

萌发纸中生长的植物收获时小心取出,用去离子水冲洗,仔细地把根分开,用吸水纸吸干备用。制备琼脂-溴甲酚紫指示培养基[26],同时加入相应浓度的盐分(CK,混合Na盐、混合Cl盐和NaCl),使混合培养基pH在5.0—5.5之间,把琼脂凝胶倒在四周垫有硅胶条的有机玻璃槽中,琼脂厚度为3 mm,然后把植物根系铺展在琼脂凝胶膜上,盖上大小一致的有机玻璃板,用铝箔包裹避免光透射到根区域,植株及培养装置倾斜30°角放置,放在1.2所述的生长箱中显色8 h,每个处理重复3次。琼脂显色及图像数字化处理参见Rao等[26]。根据指示剂显色原理,琼脂-溴甲酚紫指示剂混合液颜色显黄色表示酸化,显蓝紫色则表示碱化。

1.6 数据处理

运用SPSS 17.0进行数据处理及统计分析,用One-way ANOVA、LSD最小显著差异法对啤酒大麦各生长参数、离子平衡和根际pH进行差异性检验,显著水平为P<0.05。利用SigmaPlot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同类型盐胁迫对啤酒大麦幼苗生长的影响

2.1.1 对啤酒大麦幼苗生物量和含水量的影响

不同类型盐分胁迫下,啤酒大麦生物量的分配受到不同程度的影响(表1)。NaCl胁迫下啤酒大麦幼苗地上部干重与对照(CK)相比降低了17.88%,且差异显著(P<0.05)；混合Na盐和混合Cl盐胁迫下,地上部干重与对照(CK)相比差异不显著。在NaCl胁迫下,大麦幼苗根干重和根冠比与对照相比分别增加了19.12%和43.86%(P<0.05),但在混合Cl盐和混合Na盐胁迫下增加不显著。以上结果表明,在盐分胁迫下啤酒大麦向根系分配更多的生物量,而且100 mmol/L NaCl胁迫对啤酒大麦幼苗干物质的累积和生物量的分配影响最显著(表1)。啤酒大麦幼苗地上部含水量在3种不同类型盐分胁迫下较CK相比均有所降低,但差异不显著,表明啤酒大麦比较耐盐。

表1不同类型盐分胁迫对啤酒大麦幼苗地上部、根系干重、根冠比及地上部含水量的影响

Table1Effectsofdifferenttypesofsaltstressondryweightofshootsandtheroots,root/shootratioandwatercontentforbeerbarleyseedlings

处理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对照CK Control29.76a16.79b0.57b88.26a混合Na盐 Mixed sodium salt27.43ab16.81b0.62b85.23a混合Cl盐 Mixed chlorine salt28.60a18.79ab0.66b86.68aNaCl24.44b20.00a0.82a86.86a

同列不同小写字母表示不同盐分处理间差异显著(P<0.05)

2.1.2 对啤酒大麦根系形态的影响

从图1可知,在3种不同类型盐分胁迫下,啤酒大麦幼苗的根长较对照都有所降低,在混合Na盐胁迫下根长较CK降低了14.07%(P<0.05),而混合Cl盐和NaCl胁迫下降低不明显,表明不同类型盐分胁迫对啤酒大麦幼苗根长有不同程度的抑制作用。

图1 不同类型盐分胁迫对啤酒大麦幼苗根系形态学参数的影响Fig.1 Effects of different types of salt stress on root morphological parameters of beer barley seedlings

啤酒大麦幼苗根表面积和根系体积在3种不同类型盐分胁迫下均呈增加的趋势(图1)。在混合Cl盐胁迫下,根表面积和根体积显著高于其他处理,与CK相比分别增加了41.76%和84.38%；在混合Na盐和NaCl胁迫下,与对照相比根系体积分别增加了50.35%和49.96%,而根表面积则增加不明显,且不同类型盐分处理间差异不显著。

2.2 不同类型盐分胁迫对啤酒大麦幼苗离子分配和阴阳离子平衡的影响

表2 不同类型盐分胁迫对啤酒大麦幼苗地上部离子分配的影响

从啤酒大麦幼苗的阴阳离子平衡计算结果可以看出(表3),CK处理下阴阳离子计算结果为21 μmol/g DW,表明根际发生微弱的酸化现象,而不同类型盐分胁迫下计算结果则均为负值,表明根际呈碱化现象。在混合Cl盐胁迫下,啤酒大麦幼苗阴阳离子平衡结果负值最大(表3),表明碱化程度最强,可能与对Cl-的大量吸收有关,其次是NaCl胁迫,其离子平衡结果为-388.0 μmol/g DW,混合Na盐胁迫下,离子平衡结果显示碱化程度相对较弱。

表3 不同类型盐分胁迫对啤酒大麦幼苗阴阳离子平衡的影响

2.3 啤酒大麦幼苗根际pH原位显色特征

根际pH原位显色(图2)可见,所有处理下啤酒大麦幼苗根际pH均呈碱化现象(紫色),表明啤酒大麦幼苗根系释放的OH-数量大于H+,从而导致根际pH呈碱化现象。将图2图像数字化处理得到图3所示,负值表示分泌OH-,表明3种不同类型盐分胁迫下,啤酒大麦单位根长OH-的分泌量均显著高于CK。在混合Cl胁迫下,其根系OH-的分泌量最高,较CK高出88.94%,NaCl胁迫下根系OH-的分泌量在3种类型盐分胁迫下相对较低。以上结果可见,3种类型盐分胁迫对啤酒大麦根系pH原位显色的影响与阴阳离子平衡计算结果趋势一致。

图2 不同类型盐分胁迫下啤酒大麦幼苗根际pH变化及其可视化Fig.2 Rhizosphere pH changes and the visualizations of the beer barley under different types of salt stress

图3 不同类型盐分胁迫下啤酒大麦幼苗根系H+分泌量的变化(负值表示分泌OH-)Fig.3 Proton secretions in rhizosphere of the beer barley under different types of salt stress

3 讨论

3.1 不同类型盐分胁迫对啤酒大麦幼苗生长的影响

生长抑制是植物在盐胁迫下发生的最普遍和最直观的过程,主要是通过减少单株植物的光合面积而造成植物碳同化量的减少。孙仁国等[29]研究表明,NaCl胁迫下,燕麦光合作用受到的抑制作用随着盐浓度的增加而增大,对燕麦叶面积、光合速率和干物质累积量抑制作用增强。本试验中,啤酒大麦幼苗植株生物量对3种类型盐分胁迫的响应不同,NaCl胁迫下啤酒大麦幼苗地上部干重降低最明显,而根冠比和根干重则显著增加,在混合Cl盐和混合Na盐胁迫下地上部干重的降低、根冠比和根干重的增加与对照相比均无显著差异,可能是啤酒大麦同时受到高浓度的Na+和Cl-胁迫,导致碳同化量受到了更强烈的抑制,说明NaCl对啤酒大麦幼苗的胁迫伤害要大于混合Na盐和混合Cl盐胁迫,与其他类型盐分胁迫相比,啤酒大麦幼苗对NaCl胁迫响应更敏感,其根干重和根冠比的增加进一步表明植物为维持地上部的正常生长,向根系分配了更多的生物量,以增加根系在胁迫环境中与生长介质的接触面而获得更多的营养物质和水分[30]。贺莉研究结果表明,野生大豆的根冠比随着盐分胁迫强度的增大而增加[31]；李先婷等试验结果表明,啤酒大麦在NaCl渐进胁迫至小于85 mmoL/L时能促进根系的生长,渐进胁迫至较高浓度时根系生物量明显增加[32],这些现象都与本研究结果相一致。

植物根系形态学变化是决定根系水分、养分吸收范围和强度变化的重要参数。高浓度盐分胁迫对根系的伸长和侧根的发育产生抑制作用[33],主要是因为盐胁迫下根的伸长区的伸长生长受到抑制,最终造成主根的生长受到抑制[34]；另外,研究发现,渗透胁迫下水稻幼苗的总根长、根总面积和根数都有显著增加[35]。本试验中,在3种不同类型盐分胁迫下啤酒大麦幼苗根长较对照均有所降低,尤其在混合Na盐胁迫下对根系伸长抑制作用最强,这可能与植株过量累积Na+,而对其他无机离子K+、Ca2+、Mg2+等的吸收降低有关,并且其含水量也较其他处理低,造成的啤酒大麦幼苗根系营养缺失和水分吸收受抑制,进而抑制了根系的伸长[36]。此外,在3种不同类型盐分胁迫下啤酒大麦根表面积和根系体积都增大,这与以往的研究结果相一致[37],可能的机理是,在高浓度的盐分胁迫下,根系在重建细胞内离子稳态和调节渗透平衡过程中为了更多的接触外界环境和吸收养分和水分而做出的响应[30]。在混合Cl盐胁迫下,啤酒大麦根表面积和根体积均显著高于混合Na盐和NaCl胁迫(图1),表明根系对混合Cl盐胁迫响应较敏感,可能刺激了根系的增殖；另一方面,由于混合Cl盐培养液中K+含量较高,增加了植株对K+的吸收,提高了啤酒大麦的耐盐性。Adams等[38]研究也表明细胞质中保持高于某特定值的K+质量分数会提高植物的耐盐性。

3.2 不同类型盐分胁迫对啤酒大麦幼苗阴阳离子平衡和根际pH的影响

4 结论