Li+胁迫对罗布麻种子萌发、幼苗生长及离子分布的影响

高钢，哈尼帕·哈再斯，喻春明，陈平，陈继康，陈坤梅，刘宁，朱爱国*

（中国农业科学院麻类研究所，湖南长沙410205）

（伊犁州农业科学研究所，新疆伊宁835000）

夹竹桃科罗布麻属（Apocynum）的多年生宿根草本植物具有重要的经济价值，在纺织、医药、盐碱地改良、生态修复等领域均有广泛应用［1-3］。上世纪50年代农业经济学家董正钧在新疆罗布泊进行农业考察时，发现该属植物纤维品种优良，为有利于产业化推广，减少粮棉争地及满足日益增长的纤维需求，随发现地命名，把全国各地的夹竹桃科红、白野麻等罗布麻属植物统一称为罗布麻。关于这一类群植物的分类问题虽一直存在分歧，但经过半个多世纪的科研、生产等实践活动，“罗布麻（luobuma）”一词已为国内外各界所接受，从植物分类学的依据和生产实践的需求考虑，我国罗布麻属植物主要划分为1属2种，即罗布麻属，罗布白麻（Apocynum hendersonii Hook.f.）和罗布红麻（Apocynum venetum L.）［2，4-5］。

盐渍是限制植物生长和降低作物产量最主要的非生物胁迫之一，目前我国土壤盐碱化呈不断增加的趋势［6-10］。罗布麻类植物耐旱、耐盐碱，抗逆性强，是盐碱地、荒漠区生态修复和利用的首选植物。目前，对盐胁迫下罗布麻类植物的种子萌发、生理生态响应等情况已有相关报道。如，400 mmol/L NaCl胁迫下，罗布白麻种子的发芽率高于罗布红麻［11］，罗布白麻种子对几种不同类型钠盐的耐性强弱顺序为Na2SO4＞NaCl＞Na2CO3［12］；浓度为 400 mmol/L的 NaCl等钠盐胁迫下，罗布红麻仍有20%以上的发芽率，其中钠盐浓度越高，对罗布红麻发芽率、发芽指数的抑制作用越大［13，14］；此外，不同浓度海水对罗布红麻萌发和幼苗生长的影响研究发现，20%浓度的海水胁迫下种子萌发率最高，发芽率随海水浓度升高而降低［15］。

上述相关盐渍环境下罗布麻类植物种子萌发及生长发育研究，均是以钠盐胁迫下的发芽率、生长势和钠盐耐受性等指标为主。Li+也是动植物生长所需的微量矿质元素之一，但高浓度Li+会对动植物造成严重或慢性的毒害［16］。工业领域废弃Li+原料、荒漠矿区岩石风化等均能造成环境、土壤Li+污染，间接污染到农作物，是迫切需要解决的重大问题［17］。现有的研究报道发现罗布红麻对Li+具有较高的耐受性和积累吸附能力［18，19］，但对于广泛分布于荒漠盐碱地的罗布白麻则未有相关报道。罗布红麻和罗布白麻在环境分布、生理生态特性上都存在一定差异，本研究拟通过比较分析罗布白麻和罗布红麻对LiCl的耐受能力，及Li+在不同器官中的积累与亚细胞分布特征，以期为罗布白麻和罗布红麻特异性区域种植和植物生态修复应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 不同浓度LiCl溶液对罗布白麻和罗布红麻种子的胁迫处理

试验采用7个不同浓度梯度的LiCl溶液分别处理罗布白麻与罗布红麻种子，以加蒸馏水为对照，每个处理三次重复。Li+浓度分别为 0、50、100、200、300、400和 500 mmol/L。选取籽粒饱满大小均匀一致的种子，升汞消毒5 min，再用蒸馏水冲洗5～6次，然后用蒸馏水浸泡5 h，风干后置于放有2层滤纸的内径为11 cm的灭菌培养皿中，每皿100粒，分别加入处理溶液至滤纸饱和，25℃恒温培养箱光照和黑暗交替（光照时间14 h，黑暗时间10 h）条件下发芽8 d。72 h后开始记录发芽数，以后每天观察记录种子发芽数，萌发以胚根大于2 mm为标准，并补充蒸馏水使培养皿内的盐浓度保持稳定。

1.2 罗布白麻和罗布红麻植株LiCl胁迫处理与亚细胞组分分离

挑选生长一致的幼苗（10±1）cm置于水培仪中，每2个星期更换一次培养液，水培培养4个星期后，采用100 mmol/L浓度的LiCl溶液进行胁迫处理。分别设置对照组和处理组，每个处理3个重复，胁迫处理2个星期后分别收获根、茎、叶进行Li含量测定。

取罗布麻样品加入提取剂（250 mM蔗糖，50 mM Tris-HCl pH＝7.5，1mM DTT）充分研磨。采用差速离心法，将匀浆样品于4℃，3000 r/min条件下离心15min，收集沉淀部分获得细胞壁组分；取上清液4℃，15000 r/min条件下离心30 min，收集沉淀，获得细胞器组分；剩余的上清液为细胞可溶组分。取各组分样品分别进行Li+含量测定。

1.3 测定方法

1.3.1 种子发芽率等指数测定

发芽率（GP）（%）＝发芽终期全部正常发芽粒数/供试种子粒数×100%

相对发芽率（RGP）（%）＝处理的发芽率/对照发芽率×100%

发芽势（GV）（%）＝第四天的发芽种子数/供试种子数×100%

胚根长度（mm）：每皿随机取10棵萌发的幼苗，测最长的主根长度

发芽指数（GI）＝∑（Gt/Dt），Gt为 t时间内的发芽种子粒数，Dt为相应的发芽天数

活力指数（VI）＝GI×S（S为胚根长）

耐盐指数＝VI/VI［20］盐水

试验数据通过Excel绘制成表格，运用SPSS软件进行数据的差异显著性比较。

1.3.2 罗布白麻和罗布红麻植株及亚细胞组分中Li+含量测定

罗布麻根、茎、叶经95℃，10min杀青后，65℃烘干24 h，然后用打粉机粉碎。称取0.1 g粉碎后样品，加入5 mL纯HNO3溶液于180℃条件下进行测定消煮，消煮完全后的混合溶液定容至50 mL；亚细胞组分中的细胞壁及细胞器组分样品经烘干粉碎后加入HNO3溶液，按上述同样方法消煮、定容。细胞可溶组分样品中加入1 mM EDTA后直接定容。经定容后的根、茎、叶样品及亚细胞组分样品均采用电感耦合等离子体发射光谱法进行Li+含量测定［19］。

2 结果与分析

2.1 不同浓度LiCl胁迫对种子发芽率、发芽势、发芽指数的影响

如表1所示，LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻种子的萌发存在显著影响。随着LiCl浓度的增大，种子发芽率、发芽势、发芽指数等均呈下降趋势，但在不同浓度胁迫条件下，罗布白麻种子发芽率、发芽势及发芽指数略高于罗布红麻；LiCl浓度高于200 mmol/L时子的发芽率、发芽势、发芽指数开始急剧下降；当LiCl浓度达400 mmol/L，罗布白麻种子发芽率、发芽势、发芽指数分别仅为5.56±1.20%，2.52±1.0%，3.38±1.30%，而罗布红麻种子发芽率、发芽势、发芽指数均为0；当 LiCl浓度达500 mmol/L，罗布白麻种子也未能萌发。

表1 不同浓度LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻种子萌发的影响Table 1 Effects of LiCl concentration on seed germination of A.venetum and A.hendersonii

2.2 不同浓度LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻胚根长度的影响

LiCl胁迫下罗布白麻和罗布红麻幼根的生长受到了不同程度的抑制。在低浓度（50 mmol/L）胁迫条件下，罗布白麻和罗布红麻胚根的生长便受到明显抑制，胚根长度分别为5.92±0.83 cm和5.73±0.86 cm；随着盐浓度的升高，胚根长度均呈下降趋势，盐浓度越高，胚根生长受抑制越严重。

不同浓度LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻胚根生长的抑制也存在一定的差别。LiCl对罗布白麻胚根的抑制作用相对较轻。各LiCl浓度梯度条件下，罗布白麻种子胚根长度均大于罗布红麻种子胚根长度，高浓度LiCl胁迫下（400 mmol/L）罗布白麻的胚根仍能生长，长度为0.2±0.1 cm，而在LiCl浓度为400 mmol/L时，罗布红麻种子的胚根已不能正常生长。

表2 不同LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻种子胚根长度的影响Table 2 Effects of LiCl concentration on radicle length of A.venetum and A.hendersonii seeds

2.3 不同浓度LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻种子萌发活力指数的影响

罗布白麻和罗布红麻种子萌发活力均随着LiCl浓度的升高而降低，不同LiCl浓度梯度下，罗布红麻种子萌发活力指数均低于罗布白麻种子；在LiCl浓度达400 mmol/L时，罗布红麻种子的活力指数已为0，罗布白麻种子的活力指数也仅为0.68±0.21（表3）。从种子萌发活力指数看，LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻的作用存在显著差异，罗布白麻种子对不同浓度梯度LiCl的耐受性强于罗布红麻。

表3 不同浓度LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻种子活力指数的影响Table 3 Effects of LiCl concentration on vigor index of A.venetum and A.hendersonii seeds LiCl处理浓度/（mmol·L-1） 罗布白麻 罗布红麻

2.4 不同浓度LiCl胁迫对罗布白麻和罗布红麻种子耐盐指数的影响

随着盐浓度增高，罗布白麻和罗布红麻种子耐盐指数呈下降趋势，其中当LiCl浓度达200 mmol/L时，罗布白麻和罗布红麻种子耐盐指数均急剧下降，耐盐指数分别均为0.06±0.01，LiCl浓度达400 mmol/L时耐盐指数均为0。从耐盐指数看，不同LiCl浓度梯度下，罗布白麻和罗布红麻的耐盐指数存在明显差异，但在同一浓度LiCl胁迫下罗布白麻和罗布红麻之间的耐盐指数差异不显著（P＜0.05，表 4）。

表4 不同浓度LiCl胁迫对罗布麻种子耐盐指数的影响Table 4 Effects of LiCl concentration on salt tolerance index of A.venetum and A.hendersonii seeds

2.5 Li在罗布白麻和罗布红麻植株中的积累与亚细胞分布特征

由表5可见，从罗布麻植株各部分Li+的积累量来看，两个罗布麻品种叶中Li+的含量均明显高于根、茎，不同器官中Li+的含量为叶＞茎＞根。比较两个罗布麻品种发现，罗布白麻叶、根器官中Li+含量显著高于罗布红麻叶、茎，其中罗布白麻叶中Li+含量达1938.42±45.33mg/kg DW。罗布白麻茎中Li+含量略高于罗布红麻，但差异并不显著。

表5 罗布白麻和罗布红麻植株不同器官中Li+含量Table 5 Li+content in different organs of A.venetum and A.hendersonii seedlings

在亚细胞水平上，罗布白麻和罗布红麻根、茎、叶器官中Li+主要积累在细胞可溶组分。在罗布麻叶中，Li+在两个种罗布麻细胞可溶组分的分配率分别为70.65%（罗布白麻）和65.15%（罗布红麻）；Li+在两个种罗布麻根、茎细胞可溶组分中所占比例（分配率为58.37-63.48%之间）低于在叶细胞可溶组分中所占比例。

表6 Li+在罗布白麻和罗布红麻中的亚细胞分布Table 6 Subcellular distribution of Li+in A.venetum and A.hendersonii

3 讨论与结论

锂盐LiCl胁迫条件下，罗布白麻和罗布红麻种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均受到抑制，并且随着盐浓度的升高逐渐降低。LiCl浓度达200 mmol/L时，罗布红麻和罗布白麻种子均保持有60%以上的发芽率；相对于与LiCl性质较为接近的NaCl，以及Na2CO3等其他化学形态的钠盐［12，21］，罗布麻种子对LiCl具有更高的耐受性；相关的研究报道发现低浓度（≤50mmol/L）的钠盐能够促进罗布麻种子的萌发、提高种子发芽率［14，21］。在本项研究中则发现在50mmol/L轻度Li+胁迫时，罗布白麻和罗布红麻种子发芽率分别为90.1±1.57%和86.3±2.55%，均低于蒸馏水中种子的萌发率（99%以上），未发现低浓度LiCl胁迫对种子萌发有促进作用；不同种的罗布麻种子对盐胁迫的敏感程度有差异，种子耐盐性也不同。综合现有的研究报道发现［12-14，23］：罗布白麻种子对钠、钾盐胁迫的耐受性较高，并且无盐环境更适宜于罗布麻种子的萌发。罗布麻对Li盐的耐受特征与对Na、K盐的耐受特征基本一致［24］，其中罗布白麻对LiCl盐胁迫的耐受性也高于罗布红麻。不同种的罗布麻在地理分布上的明显差异可能也与其耐盐能力密切相关，如罗布红麻在西部地区、黄河沿岸、山东、江苏、吉林等地均有广泛分布；而罗布白麻则主要分布在新疆库尔勒、喀什、阿克苏等地荒漠化或盐渍程度较为严重的区域。

Li被称为21世纪的驱动力，但巨大的产业链也带来严重的污染问题。植物生态修复是应对Li等金属污染的有效途径之一。植物吸收的重金属大部分分布在地上部，具有较高的地上部/根浓度比率；体内某一元素浓度大于一定的临界值（是普通植物在同一生长条件下的100倍）；在重金属污染土壤上能正常生长，不会出现重金属毒害现象，是超富集植物应同时具备的3个基本特征［25，26］。已有的研究报道发现罗布红麻是理想的Li+超富集植物［18，19］，我们通过比较试验进一步证实罗布红麻对Li+的强耐受能力，并且Li+主要在罗布红麻叶器官中的超富集（1496.55 mg/kg Dw）；罗布白麻对Li+的耐受性和富集能力均要强于罗布红麻，Li+同样也主要富集在罗布白麻叶器官（1957.79 mg/kg Dw），与莴苣（lettuce plant）、蓟属植物 Cirsium arvense以及茄属植物 Solanum dulcamera（1000 mg/kg Dw以上）［27，28］相比罗布麻属的罗布红麻和罗布白麻具有更高的 Li+富集能力。

Li+主要富集在罗布白麻和罗布红麻的叶器官，说明植株对Li+具有较高的转运效率。植物对元素的吸收利用中，Li+采用与K+相同的转运载体系统［29］，这可能促进对Li+的吸收转运，但罗布麻属植物中Li+的转运机制更有待进一步的深入研究。亚细胞区室化有助于植株应对毒性离子危害［30，31］。与Cd等重金属离子主要分布在植物细胞壁组分中不同［32］，罗布白麻和罗布红麻细胞可溶性组分中Li+的含量最高。细胞壁中的果胶、多糖以及螯合蛋白等物质能阻止重金属离子进入细胞造成伤害，此外细胞可溶组分中的液泡等贮藏器官也能有效降低金属离子对植株的毒害。Cd、Li等金属离子在植株亚细胞组分中的分布不同可能与其化学性质有关［33］。