油菜苗期对盐碱胁迫的离子响应机制

孙鲁鹏， 杨洋， 王卫超， 傅廷栋， 周广生， 张凤华*

（1.石河子大学新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆 石河子 832003；2.华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室，武汉 430070）

盐渍化是影响作物生长、限制农牧业可持续发展的重要因素之一[1]。盐碱胁迫对植物的毒害作用包括盐胁迫下高浓度离子产生的离子毒害和渗透损伤以及碱胁迫下的高pH毒害[2]。盐碱胁迫下，土壤中高浓度的盐分离子（如Na+、Cl-和CO2-3）限制了根系对K+、Ca2+和Mg2+等养分离子的吸收[2]，并导致植物体内产生氧化损伤和渗透胁迫，最终导致离子毒害，进而影响植物体内离子稳态[3]。Ca2+在植物信号传导中作为第二信使，有助于细胞生长和质膜稳定[4]。Mg2+是叶绿素合成的重要组成成分，盐碱胁迫下植物选择性吸收Mg2+及其选择性运输和再分配，可促进叶片叶绿素合成，进而提高植物光合作用，同时对维持植物体内离子稳态平衡[5]及提高耐盐性具有重要意义[6]。植物受到盐碱胁迫时，选择性吸收和转运K+、Ca2+、Mg2+等矿质离子到不同部位，调节植物体内的离子平衡，从而维持正常的细胞代谢，提高其耐盐性[7]。盐碱土壤中存在高浓度的盐分，植物在该环境下生存会被迫吸收积累大量的Na+[8]，而Na+在地上部的过量积累是植物遭受离子毒害的主要原因[9]。

近年来，我国油菜（Brassica napus）种植面积和总产量均已占到全球的1/3左右[10]，油菜不仅是重要的油料作物，其菜用、饲用和肥用价值也日益凸显[11]。‘华油杂62号’油菜品种具备抗性强、营养价值高等特点[12]，是一种优质饲草。新疆盐碱地面积大，作为重要的畜牧业基地之一，饲草短缺等问题一直是限制畜牧业可持续发展的重要影响因素，开发经济效益、生态效益较高的盐碱土壤饲草资源已成为目前关注的热点问题。‘华油杂62号’油菜品种苗期长且生长缓慢[13]，研究油菜苗期的耐盐性、提高油菜在盐碱地上的种植推广显得十分重要。苗期是植物对盐分胁迫非常敏感的时期，选择这个时期研究油菜的耐盐性也较为理想[14]。目前国内外学者对盐胁迫下植物的耐受性研究主要是基于小麦、玉米等禾本科植物，且都是单一的盐或碱胁迫，而复合盐碱胁迫下油菜耐盐性的研究较少。此外，将苗期划分成不同生长阶段分析其对盐碱胁迫的离子响应差异的研究较少。

本研究以‘华油杂62号’为研究材料，通过测定复合盐碱胁迫下油菜苗期不同生长阶段的干重和不同部位Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量的变化，分析不同程度复合盐碱胁迫对油菜苗期离子运输及分配的影响，揭示苗期不同生长阶段离子分布和吸收对复合盐碱胁迫的响应机制，以期为盐碱地的开发利用和油菜的种植推广提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试‘华油杂62号’种子来源于华中农业大学。为了避免不同程度盐碱土壤养分含量的不同，该试验供试土壤为田间采集土壤，其基本理化性状详见表1。

表1 供试土壤主要参数Table 1 Main soil parameters

1.2 试验方法

1.2.1 复合盐碱土的配制 基于新疆盐碱土特征，参考史晓艳等[15]的土壤盐渍化程度划分标准和罗家雄[16]提出的新疆土壤盐渍化程度等级划分标准，分为轻度（3～5 g·kg-1）、中度（5～10 g·kg-1）、重度（10～20 g·kg-1）。盐碱处理配制如下：将NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3按照12∶9∶8∶1（摩尔比）比例配制，分别称取配制的混合盐7.5、12.5和25.0 g溶于100 mL超纯水中，均匀拌入2.5 kg土中，装盆（规格15 cm×17 cm），每个处理18盆，共54盆。不同盐碱胁迫处理的盐分种类及含量见表2。

表2 复合盐碱盐分种类及含量Table 2 Salt types and content of combined saline-alkali salt

1.2.2 油菜盆栽试验 选取圆润饱满的油菜种子，均匀播种于装有混合盐碱土的盆中，每盆播种3颗，每2 d灌200 mL（保证水分未流出盆底）超纯水。约出苗后25 d，待幼苗生长到2～3叶期进行间苗，每盆保留长势一致的油菜1株，分别于5叶期（约出苗后45 d，苗前期）和油菜现蕾前（约出苗后65 d，苗后期）进行取样，备用。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 离子含量测定 植株矿质离子含量的测定：准确称0.1000 g粉碎后的烘干样品，于550 ℃马福炉中灰化4 h，用超纯水将灰分转移至100 mL容量瓶中，定容。采用离子色谱仪测定K+、Ca2+、Na+、Mg2+含量。

供试土壤离子含量的测定：准确称量10 g供试土壤，50 mL超纯水，水土比5∶1，震荡30 min后过滤。采用离子色谱仪测定Na+、Cl-、SO42-含量。

1.3.2 离子运输比的计算 离子选择性运输系数计算公式如下。

式中，X为K+、Ca2+和Mg2+中任意之一。SX,Na+值越大表示源器官（根部）控制Na+、促进X向库器官（茎）的运输能力越强，即库器官（茎叶）的选择性运输能力越强。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0进行数据的统计分析。采用Sigma Plot 14.0制图。

2 结果与分析

2.1 复合盐碱胁迫对油菜幼苗不同时期生长的影响

由表3可知，随盐碱程度增加，苗前期和苗后期油菜幼苗茎叶与根干重均呈现降低趋势，且油菜幼苗茎叶和根干重在不同浓度复合盐碱胁迫处理间差异显著。在苗前期，中度和重度盐碱胁迫处理的茎叶干重较轻度处理分别降低32.18%和77.20%；根干重分别降低17.74%和66.13%。在苗后期，中度和重度处理的茎叶干重较轻度处理分别降低29.74%和80.55%；根干重分别降低36.06%和89.42%。

表3 复合盐碱胁迫下油菜苗期不同生长阶段的生物量和根冠比Table 3 Biomass and root/shoot ratio of canola at different seedling stages under combined saline-alkali salt stress

随复合盐碱浓度增加，苗前期油菜幼苗根冠比呈增加趋势，但不同处理间差异不显著，中度和重度处理分别较轻度处理增加16.47%，48.83%。苗后期油菜幼苗根冠比呈降低趋势，且轻度和中度处理与重度处理间差异显著，中度和重度处理较轻度处理分别降低9.06%和45.49%。

2.2 不同程度复合盐碱胁迫对油菜幼苗不同时期矿质离子含量的影响

2.2.1 不同程度复合盐碱胁迫对油菜幼苗中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量的影响 对于Na+，随盐碱程度的增加，油菜幼苗茎叶和根部Na+含量在苗前期和苗后期均呈逐渐增加趋势，且重度盐碱处理显著大于轻度、中度处理（图1）。在苗前期，重度盐碱处理下茎叶Na+含量分别较轻度、中度处理增加124.72%、99.66%；根部Na+含量分别增加332.94%、56.32%。在苗后期，重度盐碱处理下茎叶Na+含量分别较轻度、中度处理增加208.55%、56.68%；根部Na+含量分别增加236.27%、21.21%。

图1 复合盐碱胁迫下油菜苗期不同生长阶段的Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量Fig. 1 Na+，K+，Ca2+，Mg2+ contents of canola seedling in different growth stages under combined saline-alkali stress

对于K+，随盐碱程度的增加，茎叶K+含量在苗前期和苗后期均呈逐渐增加趋势，其中重度处理显著高于轻度处理。根部K+含量在苗前期呈先增加后降低趋势，且处理间差异显著；苗后期轻度和中度处理间差异不显著，但均显著低于重度处理（图1）。在苗前期，中度、重度处理下茎叶K+含量分别较轻度处理显著增加15.20%、149.14%；根部K+含量分别显著增加95.79%、31.09%。在苗后期，中度、重度处理下茎叶K+含量分别较轻度处理显著增加171.67%、197.83%；根部K+含量分别显著增加25.00%、29.54%。

对于Ca2+，在苗前期，随盐碱程度的增加茎叶Ca2+含量呈逐渐增加趋势，处理间差异显著，其中重度盐碱处理较轻度、中度处理分别显著增加116.89%、34.09%；根部Ca2+含量在轻度、中度处理间无显著性差异，但均显著低于重度处理，重度处理根部Ca2+含量较轻度、中度处理分别显著增加11.77%、17.10%（图1）。在苗后期，随盐碱程度的增加茎叶Ca2+含量呈先增加后降低趋势，根部呈现出相反趋势，且处理间差异显著；重度处理茎叶Ca2+含量较轻度、中度处理分别显著降低17.75%、34.46%，根部Ca2+含量分别显著增加8.14 %、55.52%。

对于Mg2+，在苗前期，随盐碱程度的增加茎叶Mg2+含量呈逐渐降低趋势，重度处理显著低于轻度、中度处理，较轻度、中度处理分别显著降低36.29%、29.56%；根部Mg2+含量呈先增加后降低趋势，且处理间差异显著，中度、重度处理较轻度处理分别显著增加94.06%、31.64%（图1）。在苗后期，随盐碱程度的增加茎叶Mg2+含量呈先降低后增加趋势，且处理间差异显著，中度、重度处理较轻度处理分别显著降低77.63%、67.72%；根部Mg2+含量呈逐渐降低趋势，中度、重度处理均显著低于轻度处理，较轻度处理分别显著降低92.81%、95.01%。

2.2.2 复合盐碱胁迫对油菜幼苗Na+/K+、Na+/Ca2+、Na+/Mg2+的影响 由表4可知，与苗前期相比，苗后期茎叶Na+/K+在轻度、中度处理下降低，而重度处理下升高，且轻度、中度处理下较苗前期分别降低3.36%和32.07%，苗后期根中Na+/K+显著升高，较苗前期分别增加7.12（轻度）、15.56（中度）、5.66倍（重度）；苗后期茎叶Na+/Ca2+显著增加，较苗前期分别增加7.67（轻度）、18.21（中度）、30.46倍（重度），根中Na+/Ca2+显著增加，较苗前期分别增加1.23（轻度）、2.06（中度）、0.79倍（重度）；茎叶中Na+/Mg2+在轻度处理下显著降低，中、重度处理下显著增加，且中、重度处理下较苗前期分别增加2.81、0.52倍，根中Na+/Mg2+显著增加，较苗前期分别增加0.66（轻度）、44.11（中度）、33.12倍（重度）。

表4 油菜幼苗不同生长阶段的离子比Table 4 Ion ratio in canola seedlings at different growth stages under combined saline-alkali stress

2.3 不同程度复合盐碱胁迫对油菜幼苗不同时期离子运输及分配的影响

由表5可知，随盐碱程度的增加，幼苗SK+,Na+在苗前期呈逐渐增加的趋势，且轻、中、重度盐碱胁迫处理之间差异均显著（P＜0.05）；在苗后期则呈先增加后降低的趋势，中度处理显著高于重度处理，且二者均显著高于轻度处理。苗后期SK+,Na+均大于苗前期，且分别较苗前期增加7.81（轻度）、23.30（中度）和5.30倍（重度）。

表5 复合盐碱胁迫下油菜苗期不同生长阶段的离子选择性运输系数Table 5 Ion selective transport coefficient of canola seedling at different growth stages combined saline-alkali stress

在苗前期与苗后期，幼苗SCa2+,Na+均随着盐碱程度增大呈现先增加再降低的趋势，且苗后期小于苗前期，较苗前期分别降低74.23%（轻度）、84.14%（中度）和94.28%（重度）。在苗前期，中度、重度处理间差异不显著，但均显著高于轻度处理；在苗后期，中度处理显著高于轻度处理，而重度处理显著低于轻度处理。

在苗前期，油菜幼苗SMg2+,Na+在处理间差异不显著；在苗后期，幼苗SMg2+,Na+随着盐碱程度增大呈逐渐升高趋势，且处理间差异显著。苗后期SMg2+,Na+均大于苗前期，较苗前期分别增加1.97（轻度）、10.11（中度）和21.46倍（重度）。

3 讨论

3.1 盐碱胁迫对油菜苗期不同生长阶段生物量积累及根冠比的影响

生物量作为评价植物耐盐碱能力的主要参考指标之一，也是植物在盐碱胁迫下的综合表现[17]。研究表明，盐碱胁迫下植物幼苗鲜干重均受到抑制，且胁迫程度越大，抑制作用越显著[18]；但可以促进某些植物根系生长，增加根冠比，提高植物根系吸收水分和矿质养分的能力，有利于维持地上部的生长[19-20]。本研究表明，重度处理油菜幼苗的茎叶和根干重在苗前期和苗后期分别较轻度胁迫处理降低77.20%、66.13%和80.55%、89.42%；在苗前期，油菜幼苗根冠比随着复合盐碱浓度的增加呈逐渐增加趋势，表明复合盐碱胁迫在苗前期对油菜幼苗茎叶生长的抑制作用大于根部，与前人研究结果一致[21]；而在苗后期，油菜幼苗根冠比呈逐渐降低趋势，说明盐碱胁迫在苗后期对油菜幼苗根生长的抑制作用大于茎叶。

3.2 盐碱胁迫对油菜苗期不同生长阶段体内盐离子含量及分布的影响

盐碱土壤中的盐分浓度较高会使得植物被迫吸收并积聚大量Na+，而Na+与K+存在相近水合半径，体内Na+过多会通过竞争K+吸收位点，从而阻碍K+的吸收，致使依赖K+的酶活性及其代谢过程受到限制，进而抑制植物生长[22]。盐碱胁迫下，植物体内离子平衡遭到破坏，主要原因是Na+的增加不仅抑制根系对K+的吸收，同时还抑制了Ca2+、Mg2+等离子的吸收或运输[23]。本研究表明，轻度和重度处理茎叶Na+含量在苗前期显著高于根，而在苗后期显著低于根，可能是由于在盐碱胁迫下植物优先将Na+积累在茎叶中，从而维持根系相对较低的Na+浓度，促进根系优先发育[24]。也有研究表明，地上部的Na+含量过多是植物遭受Na+毒害的主要原因[9]。Yang等[25]对不同基因型油菜品种叶片Na+的分布研究表明，Na+含量在叶片不同部位存在较大差异。此外，叶中相对较高的离子浓度有利于根中水分和矿质元素向上运输[20]。本研究表明，油菜幼苗在苗后期根部的Na+含量高于茎叶，这可能是油菜幼苗在苗后期根系组织发育进一步完善，通过将Na+区隔于根成熟区的液泡中以减轻离子毒害，保持幼苗正常生长。徐靖宇[26]研究表明，植物通过在根部积累更多的Na+来降低地上部的离子毒害，提高自身耐盐性。由此可见，减少地上部Na+的积累和将Na+从根部向地上部转移是提高植株耐盐性的重要措施[27]。此外，Wu等[28]研究表明根系成熟区细胞液泡Na+的吸收与耐盐能力呈显著正相关。

本研究表明，在苗前期，中度和重度盐碱胁迫下油菜幼苗茎叶中Ca2+含量大于根部；但在苗后期，各处理根部的Ca2+含量大于茎叶。车永梅等[29]研究表明，茎叶中较高的Ca2+含量可降低质膜透性，阻止胞内K+外排和Na+吸收，维持茎叶中离子平衡，从而提高植物耐盐能力。但本研究中苗后期各处理结果与苗前期表现出相反的趋势，这可能是由于苗后期大量Na+被保留在根部，而Ca2+是细胞结构的重要组成部分，在植物生理代谢和调节机体发育过程中具有十分重要的作用[30]，此外，根部较多的Ca2+能够缓解Na+对根部细胞的损伤[31]。各处理根部K+含量在苗前期和苗后期均大于茎叶，说明油菜在盐碱胁迫下根部会优先吸收和积累K+，积累介质中有效性较低的矿质养分，这可能是植物长期适应盐生生境的结果[32]。在苗前期，中度和重度盐碱胁迫处理幼苗根部的Mg2+含量大于茎叶；这可能是由于苗前期根部需要较多的Mg2+作为催化剂来激活根部的相关酶类[8]；但苗后期则相反，可能是由于苗后期Na+、K+、Ca2+在根部的含量均大于茎叶，植物需要向地上部分运输更多的Mg2+，以维持地上部的营养供给。此外，Mg2+是形成叶绿素的重要组成，苗后期茎叶中较高的Mg2+含量不仅可以调节气孔关闭，还可作为催化剂激活光合作用的部分酶类，从而提高光合作用，增强植物耐盐性[33]。

3.3 盐碱胁迫对苗期不同生长阶段油菜幼苗Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+的影响

盐碱胁迫下，通常用Na+/K+、Na+/Ca2+和Na+/Mg2+来反映离子稳态受到破坏的程度，比值越高，表明K+、Ca2+和Mg2+吸收受到的抑制作用越强，盐害越严重[34]。本研究中，在复合盐碱胁迫下，苗前期和苗后期油菜茎叶中Na+/K+均大于根；这可能是由于根系从土壤介质中吸收了大量Na+，通过根向茎叶运输的Na+较多,维持了茎叶较高Na+/K+和根部较低的Na+/K+，从而较好地适应盐碱胁迫[35]；但苗后期根中Na+/K+大于苗前期，可能是苗后期根系组织发育完善，能够将Na+区隔于根部成熟区的液泡中，以减轻离子毒害，从而提高耐盐性[27-28]。在苗前期，轻度处理下油菜幼苗茎叶Na+/Ca2+大于根，中度和重度处理下茎叶中Na+/Ca2+小于根；在苗后期，茎叶Na+/Ca2+大于根。李玉梅等[24]研究表明，茎叶对Ca2+的相对吸收能力高于根，这有利于维持光合器官的正常生理功能。而本研究中重度处理下的结果相反，说明苗后期根部Ca2+含量高于茎叶，以应对根部较高的Na+胁迫[31]。这可能与茎叶细胞质膜上Ca2+被高活性的Na+取代有关。在苗前期，茎叶Na+/Mg2+大于根；在苗后期，茎叶Na+/Mg2+小于根。萨如拉等[36]研究表明，长期碱胁迫下，耐碱性强的燕麦茎叶中保持较低Na+/Mg2+，有助于建立新的离子平衡，从而提高光合作用，这可能是苗后期油菜耐碱性较强的关键。但苗前期与之不同，可能是由于苗前期幼苗是通过降低根中Na+对Mg2+吸收的抑制效应在根中建立离子平衡，使其在苗前期较好的适应盐碱胁迫。

3.4 油菜苗期体内离子分配和运输对盐碱胁迫的响应

离子选择性运输系数（SX,Na+）通常用来反映植物在非生物胁迫下从根部向地上部选择性运输矿质离子的能力，其值越大，表明植株在逆境胁迫下选择性向地上部运输养分离子的能力越强，越多的Na+被限制在根中，植株在盐胁迫下受到的损伤越小[37]。研究表明，盐处理下，蓝莓品种的耐盐性越强，其K+和Mg2+的离子运输能力越强，有利于维持离子平衡能力[38]。

本研究表明，在苗前期油菜幼苗由根向茎叶选择性运输Ca2+的能力较强，选择性运输K+、Mg2+的能力较弱；而苗后期恰好相反，油菜幼苗由根部向茎叶选择性运输K+、Mg2+的能力较强，运输Ca2+的能力较弱。这表明在盐碱胁迫下，油菜根系对矿质离子的吸收减少，但为避免生理代谢受阻，油菜幼苗在苗前期通过维持较高的由根到茎叶的Ca2+选择性运输，在苗后期维持较高的由根到茎叶的K+、Mg2+选择性运输，从而降低因吸收受阻产生的不利影响，维持茎叶中矿质离子与Na+相对稳定的比值，减轻胁迫对植株生长的不利影响。

综上所述，苗前期油菜幼苗的根冠比增加，且茎叶中Na+、Ca2+含量大于根部，Mg2+、K+含量小于根部，这说明油菜通过维持茎叶中较高的Na+含量和根系中较低的Na+含量，优先促进根系生长发育；苗后期油菜幼苗根冠比下降，根部的Na+含量大于茎叶，这可能是由于苗后期油菜将更多的Na+区隔在根系成熟区的液泡中，从而维持茎叶中较低的Na+和较高的Mg2+含量，降低复合盐碱胁迫对茎叶的损伤，提高光合作用，促进地上部生长发育。华油杂62号油菜幼苗在苗期不同生长阶段可能具有不同的耐盐机制，在苗前期，油菜根部Na+含量小于茎叶，优先促进根系生长发育，同时通过增加根部对K+、Mg2+的吸收和根部向茎叶选择性运输Ca2+缓解盐碱胁迫；而苗后期，油菜幼苗根部的Na+含量大于茎叶，同时增加根部对K+、Ca2+吸收以及根部向茎叶选择性运输K+、Mg2+，促进地上部生长发育。