劉 暢,于 濤,高戰(zhàn)武,于達(dá)夫,藺吉祥,*

1 東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 哈爾濱 150040 2 東北林業(yè)大學(xué)鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心,東北油田鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040 3 白城師范學(xué)院地理系, 白城 137000 4 東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所, 植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130024

燕麥對(duì)松嫩草地三種主要鹽分脅迫的生理適應(yīng)策略

劉 暢1,于 濤2,高戰(zhàn)武3,于達(dá)夫4,藺吉祥2,*

1 東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院, 哈爾濱 150040 2 東北林業(yè)大學(xué)鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心,東北油田鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150040 3 白城師范學(xué)院地理系, 白城 137000 4 東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所, 植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長春 130024

為明確燕麥幼苗對(duì)松嫩鹽堿草地3種主要鹽分NaCl、NaHCO3和Na2CO3的適應(yīng)機(jī)制,設(shè)定不同濃度梯度(48—144 mmol/L)的脅迫處理液,測(cè)定燕麥幼苗的生長與生理指標(biāo)變化。結(jié)果表明,盡管試驗(yàn)設(shè)定的NaCl濃度并不影響幼苗的存活率,但在各組脅迫處理下,隨著濃度的增加,燕麥幼苗的分蘗數(shù)、植株高度、莖葉與根系的生物量均呈下降趨勢(shì),下降幅度為Na2CO3>NaHCO3>NaCl。另外,與NaCl脅迫相比,Na2CO3與NaHCO3脅迫下莖葉與根中積累了更多的有毒Na+,同時(shí)K+下降幅度也更大,并且根系中含有更高的Na+與更低的K+以及更高的Na+/K+。在NaCl脅迫下,燕麥幼苗積累大量的無機(jī)Cl-和脯氨酸來維持細(xì)胞內(nèi)的滲透與離子平衡,而NaHCO3與Na2CO3脅迫造成了燕麥幼苗體內(nèi)陰離子的虧缺,此時(shí)幼苗主要通過積累大量的有機(jī)酸和更多的脯氨酸來維持滲透與離子平衡。上述結(jié)果表明,堿性鹽Na2CO3與NaHCO3對(duì)植物的脅迫傷害程度大于中性鹽NaCl, 并且Na2CO3的毒害效應(yīng)最強(qiáng),而燕麥幼苗對(duì)不同的鹽分脅迫傷害也有會(huì)產(chǎn)生不同的生理適應(yīng)策略。

燕麥；有機(jī)酸；適應(yīng)策略；鹽脅迫；堿脅迫

土地鹽堿化已經(jīng)成為人類面臨的主要生態(tài)危機(jī),也是制約農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的重要因素。鹽土和蘇打土廣泛分布于100多個(gè)國家,覆蓋全世界可耕地面積的10%左右,并且面積仍在不斷擴(kuò)大。東北松嫩平原的蘇打鹽堿地是世界上三大鹽堿地之一,面積達(dá)到2.39×106hm2[1],與濱海鹽漬土(主要鹽分NaCl)不同的是,松嫩平原鹽堿土壤既有NaCl,同時(shí)也富含大量的NaHCO3和Na2CO3,致使土壤pH值升高,因此植物不僅僅受到鹽脅迫的傷害,還要受到破壞力更強(qiáng)的高pH堿脅迫傷害[2- 4]。

如何改良恢復(fù)退化鹽堿土壤一直以來是人們關(guān)注的熱點(diǎn),而利用生物改良選育種植耐鹽堿優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物無疑是最為經(jīng)濟(jì)有效的手段。燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬一年生作物,它抗逆性強(qiáng),適應(yīng)范圍廣,對(duì)栽培土壤要求不嚴(yán)格,可以在鹽堿土壤上良好生長,同時(shí)又具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值,是干旱半干旱地區(qū)的優(yōu)質(zhì)糧飼兼用作物、綠色營養(yǎng)保健作物[5- 6],近年來也被廣泛認(rèn)為是鹽堿地改良的優(yōu)質(zhì)作物,具有很高的研發(fā)前景。

目前對(duì)于植物抗逆性的研究多集中于糧食作物,如小麥[7-8]、水稻[9]以及抗性強(qiáng)的牧草,如堿蓬[10]、羊草[11]和虎尾草[12]等,也初步明確了這些植物的抗鹽堿機(jī)理。但是不同植物對(duì)鹽堿脅迫的適應(yīng)策略存在一定的差異,而對(duì)燕麥抗鹽堿機(jī)理的研究還不多見,特別是關(guān)于其不同營養(yǎng)器官響應(yīng)東北松嫩平原3種主要鹽分脅迫傷害機(jī)理還從未見報(bào)道。為此,本文通過盆栽控制試驗(yàn),用NaCl、NaHCO3和Na2CO3模擬土壤鹽分對(duì)燕麥進(jìn)行脅迫處理,測(cè)定燕麥的生長情況及主要的生理變化,以明確燕麥抗鹽堿機(jī)理,為燕麥的抗逆生理學(xué)研究及鹽堿土的改良與恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 植物材料

本試驗(yàn)所用燕麥種子(千粒重30 g)是由吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院以加拿大引入的燕麥F4代(編號(hào)為B07046)材料為基礎(chǔ),經(jīng)系譜法選育而成的裸燕麥品種“白燕2號(hào)”,生育期為80—85 d,是一種小粒水澆類型燕麥新品種。

挑選飽滿度一致的燕麥種子播種在直徑20 cm,里面裝有細(xì)沙的塑料花盆中,每盆定苗20株,置于室外人工搭建大棚中,注意遮雨。待幼苗出土以后,每天下午用Hoagland營養(yǎng)液進(jìn)行透灌1次。

1.2 鹽堿脅迫處理

根據(jù)前期預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別配置不同濃度梯度(48,72,96,120,144 mmol/L)的NaCl,NaHCO3和Na2CO3溶液,共模擬15種鹽堿條件。通過pH計(jì)測(cè)定NaCl處理組pH范圍7.03—7.16,NaHCO3處理組pH范圍9.84—10.39,Na2CO3處理組pH范圍9.91—11.27。

挑選生長4周且長勢(shì)一致的燕麥苗48盆,分為16組。其中1組為對(duì)照,其余的15組用于脅迫處理。每一處理3次重復(fù)。每天于17：00用含有相應(yīng)混合鹽的Hoagland營養(yǎng)液500 mL為處理液分3次進(jìn)行透灌,對(duì)照組每天只澆灌Hoagland營養(yǎng)液,連續(xù)處理9 d。

1.3 生長與生理指標(biāo)的測(cè)定

在最后一次處理后的第2天調(diào)查各處理下燕麥幼苗的存活率(存活株數(shù)/總株數(shù)=n/N)和株高,之后將每盆燕麥幼苗取出,并用自來水沖洗再用蒸餾水沖洗3遍,量取植株高度,并將莖葉與根分開,先在105℃烘干15 min,然后在70℃烘箱烘至恒重,稱取莖葉與根的干重,同時(shí)計(jì)算莖葉的含水量。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析,結(jié)果用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤表示,單因素方差分析(ANOVA)后做多重比較(LSD),顯著水平為0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種鹽分脅迫對(duì)燕麥幼苗生長的影響

各個(gè)濃度NaCl脅迫并不影響燕麥幼苗的存活率,NaHCO3脅迫下只有在最高濃度144 mmol/L時(shí),存活率比對(duì)照下降了13%(P<0.05),而Na2CO3脅迫當(dāng)濃度達(dá)到72 mmol/L時(shí),存活率就顯著下降了40%,當(dāng)脅迫濃度增大到120 mmol/L以上時(shí),存活率為0,達(dá)到完全致死的濃度(P<0.01)(圖1)。

在NaCl脅迫下,當(dāng)濃度為48—120 mmol/L時(shí)分蘗數(shù)與對(duì)照相比并無顯著差異,而在144 mmol/L時(shí)顯著下降(P<0.05)；在NaHCO3脅迫下,當(dāng)濃度≤96 mmol/L時(shí)分蘗數(shù)與對(duì)照相比并無顯著變化,而當(dāng)脅迫濃度達(dá)到120 mmol/L時(shí)極顯著下降(P<0.01),在最高脅迫濃度144 mmol/L下,與對(duì)照相比分蘗數(shù)下降了67%；在Na2CO3脅迫下,分蘗數(shù)均低于對(duì)照,隨濃度增加分蘗數(shù)顯著降低,當(dāng)脅迫濃度>96 mmol/L時(shí),分蘗數(shù)為0(P<0.01)(圖1)。

在3種鹽分脅迫下,隨著濃度的增加,株高顯著降低(P<0.05),降低幅度為NaCl

在3種鹽分脅迫下,隨著鹽濃度的增加,各組處理的地上生物量均小于對(duì)照且NaHCO3脅迫下的燕麥生物量高于NaCl,Na2CO3對(duì)莖葉生長的抑制作用明顯大于NaCl和NaHCO3的抑制作用；而在根中,NaCl脅迫并未對(duì)根系產(chǎn)生顯著影響,而NaHCO3與Na2CO3則顯著降低根系生物量(P<0.05),Na2CO3對(duì)根生長的抑制作用同樣最強(qiáng)(圖1)。

圖1 3種鹽分脅迫對(duì)燕麥幼苗存活率、分蘗數(shù)、株高、根長、葉與根干重的影響Fig.1 Effects of three kinds of salt stress on survival rate, tiller amount, plant height, root length, shoot and root dry weights of oat seedlings不同字母表示同一脅迫類型下不同濃度之間差異顯著(P<0.05)

3.2 3種鹽分脅迫對(duì)燕麥幼苗無機(jī)離子積累的影響

隨著NaCl 、NaHCO3和Na2CO3脅迫濃度的增大,根與莖葉中的Na+含量均顯著上升(P<0.05)。在144 mmol/LNaCl脅迫下,莖葉中Na+積累量是對(duì)照的7.4倍,根積累量是對(duì)照的6.5倍,而在此濃度NaHCO3脅迫下,莖葉Na+積累量是對(duì)照的11.3倍,根積累量是對(duì)照的11.4倍,Na2CO3脅迫下,莖葉Na+積累量是對(duì)照的46.6倍,比NaHCO3脅迫高出3.9倍,根積累是對(duì)照的42倍(圖2)。各脅迫處理下,K+含量則隨脅迫濃度的增加呈下降趨勢(shì),與Na+變化趨勢(shì)相反,無論莖葉還是根系中下降幅度均是NaCl

圖2 3種鹽分對(duì)燕麥幼苗莖葉與根中Na+、K+ 、Na+/K+ 的影響Fig.2 Effects of three kinds of salt stresses on the contents of Na+, K+, Na+/K+ in both shoot and root of oat seedlings

圖3 3種鹽分對(duì)燕麥幼苗莖葉與根中Cl-和的影響Fig.

3.3 3種鹽分脅迫對(duì)燕麥幼苗有機(jī)酸與脯氨酸含量的影響

隨著3種鹽脅迫濃度的增高,幼苗莖葉與根系中的脯氨酸含量均顯著增加(P<0.05),增加幅度為Na2CO3>NaHCO3>NaCl,在最高濃度脅迫下,NaCl,NaHCO3和Na2CO3處理下莖葉中含量分別比對(duì)照增加了3.26倍、9.99倍和11.87倍,根系分別比對(duì)照增加了3.41倍、6.27倍和11.2倍(圖4)。

NaCl脅迫對(duì)燕麥幼苗莖葉與根中有機(jī)酸含量均無顯著影響(圖4),而NaHCO3和Na2CO3脅迫下,有機(jī)酸含量隨鹽濃度的增加而增大(P<0.05,圖4)。在最高脅迫濃度下,NaHCO3莖葉中有機(jī)酸含量比對(duì)照高1.7倍,而Na2CO3比對(duì)照高4.1倍(圖4),NaHCO3對(duì)根系中有酸含量比對(duì)照高的1.9倍,而Na2CO3比對(duì)照高4.6 倍,根系有機(jī)酸含量大于莖葉。

圖4 3種鹽分對(duì)燕麥幼苗莖葉與根中脯氨酸和有機(jī)酸含量的影響Fig.4 Effects of three kinds of salt stresses on the proline and organic acid content in both shoot and root of oat seedlings

4 討論

存活率是反應(yīng)植物對(duì)外界逆境脅迫承受極限的重要指標(biāo)。本研究結(jié)果表明,一定濃度的中性鹽NaCl只是抑制了燕麥幼苗的正常生長,并不影響其存活,而兩種堿性鹽(NaHCO3和Na2CO3)在高濃度下則均對(duì)幼苗有致死效應(yīng),并且Na2CO3的毒害作用更強(qiáng),說明高濃度的堿性鹽脅迫由于高pH的存在,超過了植物的適應(yīng)閾值,能危及植物的生存,同時(shí)也說明燕麥對(duì)堿性鹽的抵御能力較中性鹽更低。此外,從圖1也可以得出相似結(jié)論,即堿性鹽特別是Na2CO3對(duì)燕麥幼苗生長的抑制作用更強(qiáng),這與前人的研究結(jié)果相似,主要是由于高pH能夠破壞根系,打破植物體內(nèi)離子平衡,使細(xì)胞代謝紊亂,為此植物需要付出更多的能量以抵御高pH傷害,所以燕麥幼苗在堿脅迫下受到的抑制作用更強(qiáng)。

植物在鹽堿逆境下通常會(huì)積累大量的有毒Na+,并將其區(qū)隔至液泡中,使細(xì)胞免受毒害作用[13],與此同時(shí)K+的吸收也會(huì)因Na+的積累而受到顯著抑制,Na+和K+的代謝對(duì)植物適應(yīng)鹽堿脅迫具有重要意義。在本研究中,在3種鹽分脅迫下,隨著濃度的增加,燕麥幼苗根與莖葉均呈現(xiàn)Na+升高、K+下降并且Na+/K+增大的趨勢(shì),變化幅度為Na2CO3>NaHCO3>NaCl,說明二價(jià)堿性鹽Na2CO3對(duì)燕麥幼苗的傷害程度最大。通過分析不同營養(yǎng)器官Na+含量,可以發(fā)現(xiàn)燕麥幼苗在脅迫后根中積累Na+量更高,這也是其耐鹽性的主要表征之一,說明根中存在某種特定的抑制機(jī)制,阻斷有毒離子向地上運(yùn)輸,維持地上器官的正常生理功能[14]。

綜上所述：堿性鹽Na2CO3與NaHCO3對(duì)燕麥幼苗根與莖葉的脅迫傷害程度大于中性鹽NaCl,并且Na2CO3的毒害效應(yīng)最強(qiáng),而燕麥幼苗面對(duì)不同的鹽分脅迫傷害也有會(huì)產(chǎn)生不同的生理適應(yīng)策略, NaCl脅迫下,燕麥幼苗積累大量的無機(jī)Cl-和脯氨酸來維持細(xì)胞內(nèi)的滲透與離子平衡,而NaHCO3與Na2CO3脅迫造成了燕麥幼苗體內(nèi)陰離子的虧缺,此時(shí)幼苗主要通過積累大量的有機(jī)酸和更多的脯氨酸來維持滲透與離子平衡。

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Physiologically adaptive strategies of oat seedlings to the three main salts in the soils of the Songnen Plains grasslands

LIU Chang1, YU Tao2, GAO Zhanwu3, YU Dafu4, LIN Jixiang2,*

1NortheastForestryUniversitySchoolofLandscapeArchitecture,Harbin150040,China2AlkaliSoilNaturalEnvironmentalScienceCenter,NortheastForestryUniversity/KeyLaboratoryofSaline-alkaliVegetationEcologyRestorationinOilField,MinistryofEducation,Harbin150040,China3GeographyDepartmentofBaichengNormalUniversity,Baicheng137000,China4KeyLaboratoryofVegetationEcologyofMinistryofEducation,InstituteofGrasslandScience,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China

To identify the coping mechanisms and the adaptive strategies of oat seedlings exposed to NaCl, NaHCO3, and Na2CO3, the main salts in the soils of the salt-alkali grasslands of the Songnen Plains of China, growth rates and physiological indices of oat seedlings were measured in plants grown in soils with different concentrations (48—144 mmol/L) of the three salts. The result demonstrated that although oat seedling survival rates were unaffected by NaCl stress, the tiller number, plant height, and shoot and root dry weights decreased with increasing salt concentration, in the order of Na2CO3> NaHCO3> NaCl. In addition, higher concentrations of Na+accumulated in the shoots and roots of oat seedlings under Na2CO3stress and NaHCO3stress than in seedlings under NaCl stress. Reductions in concentrations of K+were also greater under both Na2CO3stress and NaHCO3stress than under NaCl stress, especially in the roots. Large amounts of Cl-and proline were found to accumulate in oat seedlings, most likely as a strategy for maintaining osmotic and ionic homeostasis under NaCl stress, whereas substantially higher accumulations of proline and organic acid were observed to balance cation deficiency under Na2CO3and NaHCO3stresses. These results indicated that the stress effects on oat seedlings of Na2CO3and NaHCO3exposure were greater than that of NaCl exposure, with Na2CO3stress having the strongest detrimental effect. In addition, oat seedlings responded to different levels of salt stress through the adoption of various physiological mechanisms.

oat; organic acid; adaptive strategy; salt stress; alkaline stress

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31502013)；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(C2015060)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資資助項(xiàng)目(2572015CA17)

2016- 07- 11;

2016- 09- 30

10.5846/stxb201607111417

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jixiang851012@gmail.com

劉暢,于濤,高戰(zhàn)武,于達(dá)夫,藺吉祥.燕麥對(duì)松嫩草地三種主要鹽分脅迫的生理適應(yīng)策略.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(21):6786- 6793.

Liu C, Yu T, Gao Z W, Yu D F, Lin J X.Physiologically adaptive strategies of oat seedlings to the three main salts in the soils of the Songnen Plains grasslands.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6786- 6793.