盐胁迫对苗期湖南稷子K+、Na+含量与分布的影响

陆安桥，张峰举，王学琴，许 兴，，*

(宁夏大学 a.农学院；b.环境工程研究院，宁夏 银川 750021)

全球盐渍土地面积约为8.0×109hm2，占全部土地面积的6%[1]。由土壤盐渍化导致的生态环境恶化问题，严重阻碍了现代农牧业生产和农村经济的可持续发展。我国盐渍土分布广泛，总面积约为3 600×104hm2，占全国可利用土地面积的4.88%[2]。由于不合理的施肥灌溉与降雨的缺乏加剧了盐渍化程度，使土壤盐渍化面积逐年增加[3]。盐胁迫对植物造成的伤害主要表现为离子毒害、渗透胁迫和营养失衡[4]。盐渍环境下高浓度的盐离子，特别是Na+和Cl-对植物的危害较重[5]，过量的Na+渗入植株体内，抑制了对其他离子(如K+、Ca2+等)的吸收[6]，特别是Na+对K+的竞争性抑制作用[7]，造成植物的单盐毒害、渗透失调和营养亏缺[8]。营养离子的动态平衡是植物体内进行正常生理代谢的基础[9]，植物往往通过对无机离子的选择性吸收来维持离子的动态平衡以缓解盐胁迫伤害的影响[10]。盐胁迫下，不同植物不同器官对离子的选择性吸收有所差异，但大量研究表明，植物体内维持较高的K+/Na+与其耐盐性有关[11]。因此，研究植物对盐离子的吸收与分布特征，对提高植物的耐盐能力和抗盐性育种具有重要理论指导与现实意义。

湖南稷子(Echinochloafrumentacea)是禾本科稗属一年生C4牧草[12]，具有适应性广、耐逆性强、产草量和产籽量高等优良特性[13]。湖南稷子能够在含盐量为0.6%、pH为9.3的盐碱荒地上正常发芽和生长[14]，是理想的盐碱地改良植物。关于湖南稷子的耐盐特性与盐胁迫下湖南稷子的离子运输与分配鲜有报道。张金林等[15]、王锁民等[16]通过施加外源激素研究了湖南稷子整株水平Na+、K+离子的选择性吸收规律，而王锁民等[17]对大田条件下湖南稷子抽穗初期的K+、Na+吸收与分配进行了初步研究。前人研究认为，盐分对植物的危害不仅与浓度和成分有关，而且与生育期也有极大关系，牧草一般在发芽期和苗期对盐分最为敏感[18]。为探明盐胁迫下湖南稷子对K+、Na+的吸收与分配规律，本试验研究了在NaCl和Na2SO4胁迫下，湖南稷子苗期各器官内K+和Na+的含量与分布，旨在了解湖南稷子通过K+、Na+调节适应盐胁迫的机制。

1 材料与方法

1.1 材料

湖南稷子(海子1号)种子由宁夏千叶青农业科技发展有限公司提供。选取籽粒饱满、大小一致的种子用4% NaClO消毒15 min，蒸馏水冲洗4～5次，最后用滤纸吸干表面水分备用。

1.2 方法

试验于2019年7—9月在宁夏大学生态中心人工气候室进行。用NaCl、Na2SO4作为盐胁迫处理，胁迫浓度均设置为0、25、50、75、100、125、150、200 mmol·L-1。试验采用盆栽法，盆栽装置为长方形塑料盆和规格为长530 mm×宽280 mm的50孔育苗盘。在装有蛭石的育苗盘中每孔播种5粒种子，并覆约0.5 cm蛭石，每个处理3次重复，置于温度为(25±1)℃/(20±1)℃(昼/夜)、光照周期为14 h/10 h(L/D)的人工气候室中培养，用水浇灌至萌发后间苗；每孔留1株并用Hoagland营养液浇灌，待幼苗长至2叶1心期后，进行盐胁迫处理。为避免盐激效应，盐胁迫溶液(将盐充分溶于Hoagland营养液中)以每天递增25 mmol·L-1的盐浓度浇灌，对照只浇Hoagland营养液；待盐胁迫溶液达最终浓度后，每2 d更换1次盐胁迫溶液(期间采用称重法补充所蒸发的水分)。培养15 d后取样进行各项指标的测定。

1.3 指标测定

K+、Na+含量测定参照王明泉[19]的方法。胁迫处理结束后，从每个盐处理重复中选取3株幼苗，用蒸馏水洗净后擦干表面水分，将根、茎、叶分开，置于烘箱中于105 ℃杀青30 min，然后用75 ℃烘干至质量恒定。将干材料粉碎后过0.25 mm孔筛，准确称取0.2 g样品，经浓硫酸-过氧化氢消煮后，用双蒸水定容至100 mL，取5 mL上清液定容至50 mL，用FP640火焰光度计测定。由于在200 mmol·L-1NaCl胁迫下湖南稷子幼苗植株枯萎死亡，因此下文结果与分析中没有200 mmol·L-1NaCl胁迫下的数据。

1.4 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2010计算平均值、标准差；采用DPS 7.05 Duncan分析法进行差异显著性分析；用Origin 2018软件作图。不同部位的K+和Na+运输选择性系数参照王锁民等[20]的方法。计算方法如下：

根系与茎鞘ST1K，Na(运输)=[(K+)茎鞘/(Na+)茎鞘]/[(K+)根/(Na+)根]；

茎鞘与绿叶ST2K，Na(运输)=[(K+)绿叶/(Na+)绿叶]/[(K+)茎鞘/(Na+)茎鞘]。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对苗期湖南稷子不同部位K+含量的影响

短栅上不同小写字母表示不同盐浓度间差异显著(P<0.05)。下同。Different letters above bars indicated significant differences at P<0.05 under the same salt stress among different salt concentrations. The same as below.图1 盐胁迫对植株不同部位K+含量的影响Fig.1 Effect of salt stress on K+ content in different organs of Echinochloa frumentacea seedlings

由图1可知，随着NaCl和Na2SO4胁迫浓度的增加，湖南稷子幼苗叶片、茎鞘和根系中K+含量均呈下降趋势。除了Na2SO4胁迫浓度为25 mmol·L-1时根系的K+含量与对照没有显著差异外，其余盐浓度下各部位中的K+含量均显著(P<0.05)低于对照；相同浓度NaCl和Na2SO4胁迫下，湖南稷子幼苗茎鞘中的K+含量均不同程度的高于叶片和根系。在盐浓度≥100 mmol·L-1时，根系中K+含量均低于叶片和茎鞘。叶片、茎鞘、根系中K+含量分别在NaCl和Na2SO4胁迫浓度为150 mmol·L-1和200 mmol·L-1时达到最低值，分别为对照的53.99%、34.64%、36.15%和46.39%、25.07%、35.71%。在盐浓度≥50 mmol·L-1时，NaCl胁迫下叶片中的K+含量高于同一浓度下的Na2SO4胁迫；在盐浓度≤75 mmol·L-1时，NaCl胁迫下茎鞘中的K+含量高于同一浓度下的Na2SO4胁迫；而在盐浓度>75 mmol·L-1时，茎鞘中的K+含量低于同一浓度的Na2SO4胁迫；除盐浓度为50 mmol·L-1外，NaCl胁迫下根系中K+含量均低于同一浓度的Na2SO4胁迫。

2.2 盐胁迫对苗期湖南稷子不同部位Na+含量的影响

图2 盐胁迫对植株不同部位Na+含量的影响Fig.2 Effect of salt stress on Na+ content in different organs of Echinochloa frumentacea seedlings

不同盐胁迫对湖南稷子幼苗不同部位Na+含量的影响如图2所示，随着NaCl和Na2SO4浓度的增加，湖南稷子幼苗叶片、茎鞘和根系中的Na+含量均较对照显著增加(P<0.05)，不同盐胁迫下，不同部位间的Na+含量均表现出根系>茎鞘>叶片，且根系中的Na+含量均显著高于叶片和茎鞘(P<0.05)。NaCl胁迫下，湖南稷子不同部位的Na+含量均随盐浓度的增加呈显著上升趋势(P<0.05)，在盐浓度为150 mmol·L-1时，叶片、茎鞘和根系的Na+含量分别是对照的5.77、6.39和7.15倍；不同盐浓度下，湖南稷子幼苗叶片、茎鞘和根系中的Na+含量均差异显著(P<0.05)。Na2SO4胁迫下，随着盐浓度的增加，湖南稷子幼苗叶片、茎鞘与根系中Na+含量均呈先升高后降低的变化趋势，叶片和茎鞘的Na+含量在盐浓度为100 mmol·L-1时达到最大值，分别是对照的5.18和5.88倍；根系的Na+含量在盐浓度为125 mmol·L-1时达到最大值，是对照的8.22倍。盐浓度<125 mmol·L-1时，除在盐浓度为25 mmol·L-1时Na2SO4胁迫下叶片中的Na+含量略低于NaCl胁迫外，湖南稷子幼苗叶片和茎鞘中的Na+含量在Na2SO4胁迫下高于相同浓度的NaCl胁迫；当盐浓度≥125 mmol·L-1时，叶片和茎鞘中的Na+含量在Na2SO4胁迫下低于相同浓度的NaCl胁迫；湖南稷子幼苗根系中的Na+含量在Na2SO4胁迫下均显著高于相同浓度的NaCl胁迫(P<0.05)。

2.3 盐胁迫对苗期湖南稷子不同部位K+/Na+的影响

由表1可知，在NaCl和Na2SO4胁迫下，湖南稷子幼苗叶片、茎鞘和根系K+/Na+均随盐浓度的增加呈降低趋势，且盐胁迫下均显著(P<0.05)低于对照。在NaCl浓度为150 mmol·L-1时，叶片、茎鞘和根系K+/Na+均为最低，分别是对照的9.32%、5.37%和5.11%；当Na2SO4浓度为200 mmol·L-1时，叶片、茎鞘和根系K+/Na+达到最低值，分别是对照的9.89%、5.17%和4.79%。NaCl胁迫下，在NaCl≤125 mmol·L-1时，除在盐浓度为25 mmol·L-1的叶片K+/Na+和盐浓度为125 mmol·L-1时茎鞘K+/Na+略低于相同浓度的Na2SO4胁迫外，叶片、茎鞘和根系K+/Na+均高于相同浓度的Na2SO4胁迫；当盐浓度>125 mmol·L-1时，叶片、茎鞘和根系K+/Na+在Na2SO4胁迫下趋于稳定且略高于相同浓度的NaCl胁迫。湖南稷子幼苗K+/Na+在低盐浓度(25和50 mmol·L-1)时，NaCl胁迫下表现出茎鞘>叶片>根系，在中、高盐浓度下表现出叶片>茎鞘>根系；Na2SO4胁迫下K+/Na+表现为叶片>茎鞘>根系。

表1 盐胁迫对植株不同部位K+/Na+的影响

2.4 盐胁迫对苗期湖南稷子K+、Na+选择性运输的影响

如图3-A所示，在NaCl和Na2SO4胁迫下，湖南稷子幼苗根系向茎鞘的运输选择性系数(ST1K，Na)随着盐浓度的增加均呈先升高后降低的趋势。ST1K，Na值分别在NaCl浓度为100 mmol·L-1和Na2SO4浓度为150 mmol·L-1时达到最大，分别是对照的1.13和1.36倍(P<0.05)；除NaCl胁迫浓度为25 mmol·L-1时ST1K，Na值与对照没有差异外，其他浓度下NaCl胁迫和Na2SO4胁迫的ST1K，Na值均显著(P<0.05)高于对照；在盐浓度为50～100 mmol·L-1时，ST1K，Na值在NaCl胁迫下高于同一浓度的Na2SO4胁迫，其他盐浓度下均低于同一浓度的Na2SO4胁迫，总体表现出Na2SO4胁迫下的ST1K，Na值较NaCl胁迫下高。

由图3-B可知，在NaCl和Na2SO4胁迫下，茎鞘向叶片的运输选择性系数(ST2K，Na)变化趋势不一致，但均显著高于对照(P<0.05)。在NaCl胁迫下，湖南稷子幼苗ST2K，Na值随盐浓度的增加呈先升高后降低的变化趋势，在盐浓度为100 mmol·L-1时ST2K，Na值达到最大，是对照的1.83倍(P<0.05)；除125 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl胁迫之间ST2K，Na值没有显著差异外，其他各浓度之间的ST2K，Na值均差异显著(P<0.05)。在Na2SO4胁迫下，ST2K，Na值随盐浓度的增加呈上升趋势，Na2SO4浓度为200 mmol·L-1时达到最大值，是对照的1.89倍(P<0.05)；Na2SO4浓度为25～150 mmol·L-1时，ST2K，Na值在各处理之间没有显著差异(P>0.05)。在低盐浓度(25和50 mmol·L-1)下，Na2SO4胁迫下的ST2K，Na值高于相同浓度的NaCl胁迫，随盐浓度的增加，NaCl胁迫下ST2K，Na值高于相同浓度的Na2SO4胁迫。

图3 盐胁迫对K+、Na+运输选择性系数的影响Fig.3 Effect of salt stress on K+， Na+ transport selectivity coefficient of the Echinochloa frumentacea seedling

3 结论与讨论

3.1 盐胁迫对湖南稷子幼苗生长和不同部位K+、Na+含量的影响

植物对盐离子的过量吸收和拮抗作用是造成盐胁迫伤害的重要因素之一。Na+是造成植物盐害与产生盐渍生境的主要离子[21]，过多的Na+在细胞内聚集会对植物产生毒害作用[22]。K+是植物体生长发育所必须的大量元素，在盐胁迫下调控离子平衡、渗透调节、维持细胞膨压和蛋白质合成等方面具有重要作用[23]。由于K+和Na+具有相似的离子半径和水合能[21]，因此盐渍环境下主要限制了K+的吸收，造成K+亏缺，最终导致植物生长发育受阻。本研究中，在NaCl和Na2SO4胁迫下，湖南稷子幼苗各器官中Na+含量增加，K+含量下降，这与李品芳等[5]、董秋丽等[24]、董放等[25]的研究结果相似。湖南稷子幼苗各器官中K+含量在低盐胁迫下表现为茎鞘>根系>叶片，可能由于根系和茎鞘首先受到Na+胁迫，为了保证K+、Na+离子平衡，使K+含量高于叶片；当盐浓度大于75 mmol·L-1时，K+含量呈现出茎鞘>叶片>根系，且下降趋势趋于稳定，说明在中、高盐浓度胁迫下，湖南稷子幼苗地上部具有较好的维持K+稳态的能力。根系作为首先受到影响的器官，Na+在根部累积从而减少向地上部的运输，减轻了地上部Na+的毒害作用[26]。王志春等[27]对水稻的研究表明，Na+含量在各器官中的分布为根>叶鞘>叶，本研究结果与此相似；这说明湖南稷子根部表现出较好的限钠能力，是其应对盐胁迫的一种生理机制。本研究结果显示，盐浓度≥50 mmol·L-1时，NaCl胁迫下叶片K+含量高于同一浓度下的Na2SO4胁迫；中、高盐浓度(>75 mmol·L-1)时，NaCl胁迫下茎鞘和根系K+含量均低于同一浓度的Na2SO4胁迫；盐浓度≥125 mmol·L-1时，NaCl胁迫下叶片和茎鞘中的Na+含量均高于同一浓度的Na2SO4胁迫。说明中、高盐浓度下，Na2SO4胁迫下湖南稷子茎鞘和根系能维持较高的K+含量，同时其限制地上部对Na+的吸收作用强于NaCl，从而表现出较高的耐盐性。

3.2 盐胁迫对湖南稷子幼苗不同部位K+/Na+和K+、Na+运输选择性的影响

植物保持细胞内的离子平衡对维持正常生长至关重要。由于Na+和K+的竞争性抑制作用，盐胁迫下Na+过量积累、K+大量外流，因而植物细胞质保持高K+/Na+的能力是植物进行正常生理代谢的决定性因素[28]，同时K+/Na+是禾本科牧草重要的耐盐指标之一[29]。本试验中，在NaCl和Na2SO4胁迫下，湖南稷子幼苗叶片、茎鞘和根系K+/Na+呈降低趋势，这与张永亮等[7]、李品芳等[18]的研究结果一致。盐胁迫下，湖南稷子幼苗叶片和茎鞘中的K+/Na+显著高于根系，表明湖南稷子通过离子选择分配来首先保证地上部幼嫩组织维持较高K+/Na+，以抵御盐害[11]。NaCl胁迫下湖南稷子幼苗各部位K+/Na+均高于Na2SO4胁迫，这可能是因为相同浓度Na2SO4中Na+浓度是NaCl中Na+浓度的2倍造成的[24]。随着盐浓度的增加，NaCl胁迫下湖南稷子幼苗茎鞘和叶片中K+/Na+显著下降，而在盐浓度≥100 mmol·L-1时，Na2SO4胁迫下叶片和茎鞘中K+/Na+保持稳定，可见湖南稷子对Na2SO4有较强的耐性，这可能是因为NaCl胁迫下湖南稷子幼苗同时受到了高浓度Na+和Cl-的胁迫。

植物对盐渍化生境下的Na+和K+进行选择性吸收，是植物减轻盐害的重要机制。STK，Na是表示植物不同器官之间对Na+、K+的选择性运输能力，STK，Na值越大，表明控制Na+和对K+的选择性运输能力越强[20]。试验结果表明，盐胁迫下，根系向茎鞘的运输选择性系数(ST1K，Na)和茎鞘向叶片的运输选择性系数(ST2K，Na)均显著高于对照(P<0.05)，且ST1K，Na值大于ST2K，Na值，说明盐胁迫下湖南稷子幼苗由根系向茎鞘运输K+的能力高于由茎鞘向叶片运输K+的能力，这与王锁民等[17]对抽穗初期湖南稷子的研究有所差异，可能不同生育时期也影响盐胁迫下湖南稷子对K+、Na+的选择性吸收。ST1K，Na、ST2K，Na在NaCl胁迫下均先升高后降低，而ST2K，Na在Na2SO4胁迫下呈逐渐上升的变化趋势；高盐浓度(大于100 mmol·L-1)下Na2SO4胁迫的ST1K，Na值显著高于NaCl胁迫；盐浓度为25～150 mmol·L-1时，在Na2SO4胁迫下ST2K，Na值没有显著差异，而在NaCl胁迫下显著升高，可能是NaCl胁迫下湖南稷子幼苗遭受的离子毒害作用更强，从而增加K+由茎鞘向叶片等光合器官运输来减缓离子毒害，而N2SO4盐对湖南稷子幼苗的毒害作用没有NaCl强，故K+运输缓慢增加。

本研究结果表明，盐胁迫下，湖南稷子幼苗Na+含量增加，K+含量下降。Na+在湖南稷子植株不同器官之间的累积次序为根系>茎鞘>叶片，K+含量在不同器官中的分布随着盐浓度的增加有所差异，但总体表现为地上部大于根部，地上部K+/Na+明显高于根部。盐胁迫下，湖南稷子幼苗ST1K，Na值高于ST2K，Na值，说明湖南稷子根系对K+的吸收具有较高的选择性。高盐浓度(≥125mmol·L-1)下，Na2SO4胁迫下地上部K+/Na+趋于稳定，茎鞘和根系中K+含量和ST1K，Na值高于相同浓度的NaCl胁迫，而叶片和茎鞘中Na+含量低于NaCl胁迫；ST2K，Na值在Na2SO4胁迫下呈上升趋势，在NaCl胁迫下先升高后降低。综上，高盐浓度下湖南稷子对Na2SO4具有更强的耐性。