陸安橋，張峰舉，王學(xué)琴，許 興，，*

(寧夏大學(xué) a.農(nóng)學(xué)院；b.環(huán)境工程研究院，寧夏 銀川 750021)

全球鹽漬土地面積約為8.0×109hm2，占全部土地面積的6%[1]。由土壤鹽漬化導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境惡化問題，嚴(yán)重阻礙了現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。我國鹽漬土分布廣泛，總面積約為3 600×104hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[2]。由于不合理的施肥灌溉與降雨的缺乏加劇了鹽漬化程度，使土壤鹽漬化面積逐年增加[3]。鹽脅迫對植物造成的傷害主要表現(xiàn)為離子毒害、滲透脅迫和營養(yǎng)失衡[4]。鹽漬環(huán)境下高濃度的鹽離子，特別是Na+和Cl-對植物的危害較重[5]，過量的Na+滲入植株體內(nèi)，抑制了對其他離子(如K+、Ca2+等)的吸收[6]，特別是Na+對K+的競爭性抑制作用[7]，造成植物的單鹽毒害、滲透失調(diào)和營養(yǎng)虧缺[8]。營養(yǎng)離子的動(dòng)態(tài)平衡是植物體內(nèi)進(jìn)行正常生理代謝的基礎(chǔ)[9]，植物往往通過對無機(jī)離子的選擇性吸收來維持離子的動(dòng)態(tài)平衡以緩解鹽脅迫傷害的影響[10]。鹽脅迫下，不同植物不同器官對離子的選擇性吸收有所差異，但大量研究表明，植物體內(nèi)維持較高的K+/Na+與其耐鹽性有關(guān)[11]。因此，研究植物對鹽離子的吸收與分布特征，對提高植物的耐鹽能力和抗鹽性育種具有重要理論指導(dǎo)與現(xiàn)實(shí)意義。

湖南稷子(Echinochloafrumentacea)是禾本科稗屬一年生C4牧草[12]，具有適應(yīng)性廣、耐逆性強(qiáng)、產(chǎn)草量和產(chǎn)籽量高等優(yōu)良特性[13]。湖南稷子能夠在含鹽量為0.6%、pH為9.3的鹽堿荒地上正常發(fā)芽和生長[14]，是理想的鹽堿地改良植物。關(guān)于湖南稷子的耐鹽特性與鹽脅迫下湖南稷子的離子運(yùn)輸與分配鮮有報(bào)道。張金林等[15]、王鎖民等[16]通過施加外源激素研究了湖南稷子整株水平Na+、K+離子的選擇性吸收規(guī)律，而王鎖民等[17]對大田條件下湖南稷子抽穗初期的K+、Na+吸收與分配進(jìn)行了初步研究。前人研究認(rèn)為，鹽分對植物的危害不僅與濃度和成分有關(guān)，而且與生育期也有極大關(guān)系，牧草一般在發(fā)芽期和苗期對鹽分最為敏感[18]。為探明鹽脅迫下湖南稷子對K+、Na+的吸收與分配規(guī)律，本試驗(yàn)研究了在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子苗期各器官內(nèi)K+和Na+的含量與分布，旨在了解湖南稷子通過K+、Na+調(diào)節(jié)適應(yīng)鹽脅迫的機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 材料

湖南稷子(海子1號)種子由寧夏千葉青農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司提供。選取籽粒飽滿、大小一致的種子用4% NaClO消毒15 min，蒸餾水沖洗4～5次，最后用濾紙吸干表面水分備用。

1.2 方法

試驗(yàn)于2019年7—9月在寧夏大學(xué)生態(tài)中心人工氣候室進(jìn)行。用NaCl、Na2SO4作為鹽脅迫處理，脅迫濃度均設(shè)置為0、25、50、75、100、125、150、200 mmol·L-1。試驗(yàn)采用盆栽法，盆栽裝置為長方形塑料盆和規(guī)格為長530 mm×寬280 mm的50孔育苗盤。在裝有蛭石的育苗盤中每孔播種5粒種子，并覆約0.5 cm蛭石，每個(gè)處理3次重復(fù)，置于溫度為(25±1)℃/(20±1)℃(晝/夜)、光照周期為14 h/10 h(L/D)的人工氣候室中培養(yǎng)，用水澆灌至萌發(fā)后間苗；每孔留1株并用Hoagland營養(yǎng)液澆灌，待幼苗長至2葉1心期后，進(jìn)行鹽脅迫處理。為避免鹽激效應(yīng)，鹽脅迫溶液(將鹽充分溶于Hoagland營養(yǎng)液中)以每天遞增25 mmol·L-1的鹽濃度澆灌，對照只澆Hoagland營養(yǎng)液；待鹽脅迫溶液達(dá)最終濃度后，每2 d更換1次鹽脅迫溶液(期間采用稱重法補(bǔ)充所蒸發(fā)的水分)。培養(yǎng)15 d后取樣進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.3 指標(biāo)測定

K+、Na+含量測定參照王明泉[19]的方法。脅迫處理結(jié)束后，從每個(gè)鹽處理重復(fù)中選取3株幼苗，用蒸餾水洗凈后擦干表面水分，將根、莖、葉分開，置于烘箱中于105 ℃殺青30 min，然后用75 ℃烘干至質(zhì)量恒定。將干材料粉碎后過0.25 mm孔篩，準(zhǔn)確稱取0.2 g樣品，經(jīng)濃硫酸-過氧化氫消煮后，用雙蒸水定容至100 mL，取5 mL上清液定容至50 mL，用FP640火焰光度計(jì)測定。由于在200 mmol·L-1NaCl脅迫下湖南稷子幼苗植株枯萎死亡，因此下文結(jié)果與分析中沒有200 mmol·L-1NaCl脅迫下的數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差；采用DPS 7.05 Duncan分析法進(jìn)行差異顯著性分析；用Origin 2018軟件作圖。不同部位的K+和Na+運(yùn)輸選擇性系數(shù)參照王鎖民等[20]的方法。計(jì)算方法如下：

根系與莖鞘ST1K，Na(運(yùn)輸)=[(K+)莖鞘/(Na+)莖鞘]/[(K+)根/(Na+)根]；

莖鞘與綠葉ST2K，Na(運(yùn)輸)=[(K+)綠葉/(Na+)綠葉]/[(K+)莖鞘/(Na+)莖鞘]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對苗期湖南稷子不同部位K+含量的影響

短柵上不同小寫字母表示不同鹽濃度間差異顯著(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.圖1 鹽脅迫對植株不同部位K+含量的影響Fig.1 Effect of salt stress on K+ content in different organs of Echinochloa frumentacea seedlings

由圖1可知，隨著NaCl和Na2SO4脅迫濃度的增加，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系中K+含量均呈下降趨勢。除了Na2SO4脅迫濃度為25 mmol·L-1時(shí)根系的K+含量與對照沒有顯著差異外，其余鹽濃度下各部位中的K+含量均顯著(P<0.05)低于對照；相同濃度NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗莖鞘中的K+含量均不同程度的高于葉片和根系。在鹽濃度≥100 mmol·L-1時(shí)，根系中K+含量均低于葉片和莖鞘。葉片、莖鞘、根系中K+含量分別在NaCl和Na2SO4脅迫濃度為150 mmol·L-1和200 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最低值，分別為對照的53.99%、34.64%、36.15%和46.39%、25.07%、35.71%。在鹽濃度≥50 mmol·L-1時(shí)，NaCl脅迫下葉片中的K+含量高于同一濃度下的Na2SO4脅迫；在鹽濃度≤75 mmol·L-1時(shí)，NaCl脅迫下莖鞘中的K+含量高于同一濃度下的Na2SO4脅迫；而在鹽濃度>75 mmol·L-1時(shí)，莖鞘中的K+含量低于同一濃度的Na2SO4脅迫；除鹽濃度為50 mmol·L-1外，NaCl脅迫下根系中K+含量均低于同一濃度的Na2SO4脅迫。

2.2 鹽脅迫對苗期湖南稷子不同部位Na+含量的影響

圖2 鹽脅迫對植株不同部位Na+含量的影響Fig.2 Effect of salt stress on Na+ content in different organs of Echinochloa frumentacea seedlings

不同鹽脅迫對湖南稷子幼苗不同部位Na+含量的影響如圖2所示，隨著NaCl和Na2SO4濃度的增加，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系中的Na+含量均較對照顯著增加(P<0.05)，不同鹽脅迫下，不同部位間的Na+含量均表現(xiàn)出根系>莖鞘>葉片，且根系中的Na+含量均顯著高于葉片和莖鞘(P<0.05)。NaCl脅迫下，湖南稷子不同部位的Na+含量均隨鹽濃度的增加呈顯著上升趨勢(P<0.05)，在鹽濃度為150 mmol·L-1時(shí)，葉片、莖鞘和根系的Na+含量分別是對照的5.77、6.39和7.15倍；不同鹽濃度下，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系中的Na+含量均差異顯著(P<0.05)。Na2SO4脅迫下，隨著鹽濃度的增加，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘與根系中Na+含量均呈先升高后降低的變化趨勢，葉片和莖鞘的Na+含量在鹽濃度為100 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，分別是對照的5.18和5.88倍；根系的Na+含量在鹽濃度為125 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，是對照的8.22倍。鹽濃度<125 mmol·L-1時(shí)，除在鹽濃度為25 mmol·L-1時(shí)Na2SO4脅迫下葉片中的Na+含量略低于NaCl脅迫外，湖南稷子幼苗葉片和莖鞘中的Na+含量在Na2SO4脅迫下高于相同濃度的NaCl脅迫；當(dāng)鹽濃度≥125 mmol·L-1時(shí)，葉片和莖鞘中的Na+含量在Na2SO4脅迫下低于相同濃度的NaCl脅迫；湖南稷子幼苗根系中的Na+含量在Na2SO4脅迫下均顯著高于相同濃度的NaCl脅迫(P<0.05)。

2.3 鹽脅迫對苗期湖南稷子不同部位K+/Na+的影響

由表1可知，在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系K+/Na+均隨鹽濃度的增加呈降低趨勢，且鹽脅迫下均顯著(P<0.05)低于對照。在NaCl濃度為150 mmol·L-1時(shí)，葉片、莖鞘和根系K+/Na+均為最低，分別是對照的9.32%、5.37%和5.11%；當(dāng)Na2SO4濃度為200 mmol·L-1時(shí)，葉片、莖鞘和根系K+/Na+達(dá)到最低值，分別是對照的9.89%、5.17%和4.79%。NaCl脅迫下，在NaCl≤125 mmol·L-1時(shí)，除在鹽濃度為25 mmol·L-1的葉片K+/Na+和鹽濃度為125 mmol·L-1時(shí)莖鞘K+/Na+略低于相同濃度的Na2SO4脅迫外，葉片、莖鞘和根系K+/Na+均高于相同濃度的Na2SO4脅迫；當(dāng)鹽濃度>125 mmol·L-1時(shí)，葉片、莖鞘和根系K+/Na+在Na2SO4脅迫下趨于穩(wěn)定且略高于相同濃度的NaCl脅迫。湖南稷子幼苗K+/Na+在低鹽濃度(25和50 mmol·L-1)時(shí)，NaCl脅迫下表現(xiàn)出莖鞘>葉片>根系，在中、高鹽濃度下表現(xiàn)出葉片>莖鞘>根系；Na2SO4脅迫下K+/Na+表現(xiàn)為葉片>莖鞘>根系。

表1 鹽脅迫對植株不同部位K+/Na+的影響

2.4 鹽脅迫對苗期湖南稷子K+、Na+選擇性運(yùn)輸?shù)挠绊?/h3>

如圖3-A所示，在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗根系向莖鞘的運(yùn)輸選擇性系數(shù)(ST1K，Na)隨著鹽濃度的增加均呈先升高后降低的趨勢。ST1K，Na值分別在NaCl濃度為100 mmol·L-1和Na2SO4濃度為150 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大，分別是對照的1.13和1.36倍(P<0.05)；除NaCl脅迫濃度為25 mmol·L-1時(shí)ST1K，Na值與對照沒有差異外，其他濃度下NaCl脅迫和Na2SO4脅迫的ST1K，Na值均顯著(P<0.05)高于對照；在鹽濃度為50～100 mmol·L-1時(shí)，ST1K，Na值在NaCl脅迫下高于同一濃度的Na2SO4脅迫，其他鹽濃度下均低于同一濃度的Na2SO4脅迫，總體表現(xiàn)出Na2SO4脅迫下的ST1K，Na值較NaCl脅迫下高。

由圖3-B可知，在NaCl和Na2SO4脅迫下，莖鞘向葉片的運(yùn)輸選擇性系數(shù)(ST2K，Na)變化趨勢不一致，但均顯著高于對照(P<0.05)。在NaCl脅迫下，湖南稷子幼苗ST2K，Na值隨鹽濃度的增加呈先升高后降低的變化趨勢，在鹽濃度為100 mmol·L-1時(shí)ST2K，Na值達(dá)到最大，是對照的1.83倍(P<0.05)；除125 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl脅迫之間ST2K，Na值沒有顯著差異外，其他各濃度之間的ST2K，Na值均差異顯著(P<0.05)。在Na2SO4脅迫下，ST2K，Na值隨鹽濃度的增加呈上升趨勢，Na2SO4濃度為200 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，是對照的1.89倍(P<0.05)；Na2SO4濃度為25～150 mmol·L-1時(shí)，ST2K，Na值在各處理之間沒有顯著差異(P>0.05)。在低鹽濃度(25和50 mmol·L-1)下，Na2SO4脅迫下的ST2K，Na值高于相同濃度的NaCl脅迫，隨鹽濃度的增加，NaCl脅迫下ST2K，Na值高于相同濃度的Na2SO4脅迫。

圖3 鹽脅迫對K+、Na+運(yùn)輸選擇性系數(shù)的影響Fig.3 Effect of salt stress on K+， Na+ transport selectivity coefficient of the Echinochloa frumentacea seedling

3 結(jié)論與討論

3.1 鹽脅迫對湖南稷子幼苗生長和不同部位K+、Na+含量的影響

植物對鹽離子的過量吸收和拮抗作用是造成鹽脅迫傷害的重要因素之一。Na+是造成植物鹽害與產(chǎn)生鹽漬生境的主要離子[21]，過多的Na+在細(xì)胞內(nèi)聚集會對植物產(chǎn)生毒害作用[22]。K+是植物體生長發(fā)育所必須的大量元素，在鹽脅迫下調(diào)控離子平衡、滲透調(diào)節(jié)、維持細(xì)胞膨壓和蛋白質(zhì)合成等方面具有重要作用[23]。由于K+和Na+具有相似的離子半徑和水合能[21]，因此鹽漬環(huán)境下主要限制了K+的吸收，造成K+虧缺，最終導(dǎo)致植物生長發(fā)育受阻。本研究中，在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗各器官中Na+含量增加，K+含量下降，這與李品芳等[5]、董秋麗等[24]、董放等[25]的研究結(jié)果相似。湖南稷子幼苗各器官中K+含量在低鹽脅迫下表現(xiàn)為莖鞘>根系>葉片，可能由于根系和莖鞘首先受到Na+脅迫，為了保證K+、Na+離子平衡，使K+含量高于葉片；當(dāng)鹽濃度大于75 mmol·L-1時(shí)，K+含量呈現(xiàn)出莖鞘>葉片>根系，且下降趨勢趨于穩(wěn)定，說明在中、高鹽濃度脅迫下，湖南稷子幼苗地上部具有較好的維持K+穩(wěn)態(tài)的能力。根系作為首先受到影響的器官，Na+在根部累積從而減少向地上部的運(yùn)輸，減輕了地上部Na+的毒害作用[26]。王志春等[27]對水稻的研究表明，Na+含量在各器官中的分布為根>葉鞘>葉，本研究結(jié)果與此相似；這說明湖南稷子根部表現(xiàn)出較好的限鈉能力，是其應(yīng)對鹽脅迫的一種生理機(jī)制。本研究結(jié)果顯示，鹽濃度≥50 mmol·L-1時(shí)，NaCl脅迫下葉片K+含量高于同一濃度下的Na2SO4脅迫；中、高鹽濃度(>75 mmol·L-1)時(shí)，NaCl脅迫下莖鞘和根系K+含量均低于同一濃度的Na2SO4脅迫；鹽濃度≥125 mmol·L-1時(shí)，NaCl脅迫下葉片和莖鞘中的Na+含量均高于同一濃度的Na2SO4脅迫。說明中、高鹽濃度下，Na2SO4脅迫下湖南稷子莖鞘和根系能維持較高的K+含量，同時(shí)其限制地上部對Na+的吸收作用強(qiáng)于NaCl，從而表現(xiàn)出較高的耐鹽性。

3.2 鹽脅迫對湖南稷子幼苗不同部位K+/Na+和K+、Na+運(yùn)輸選擇性的影響

植物保持細(xì)胞內(nèi)的離子平衡對維持正常生長至關(guān)重要。由于Na+和K+的競爭性抑制作用，鹽脅迫下Na+過量積累、K+大量外流，因而植物細(xì)胞質(zhì)保持高K+/Na+的能力是植物進(jìn)行正常生理代謝的決定性因素[28]，同時(shí)K+/Na+是禾本科牧草重要的耐鹽指標(biāo)之一[29]。本試驗(yàn)中，在NaCl和Na2SO4脅迫下，湖南稷子幼苗葉片、莖鞘和根系K+/Na+呈降低趨勢，這與張永亮等[7]、李品芳等[18]的研究結(jié)果一致。鹽脅迫下，湖南稷子幼苗葉片和莖鞘中的K+/Na+顯著高于根系，表明湖南稷子通過離子選擇分配來首先保證地上部幼嫩組織維持較高K+/Na+，以抵御鹽害[11]。NaCl脅迫下湖南稷子幼苗各部位K+/Na+均高于Na2SO4脅迫，這可能是因?yàn)橄嗤瑵舛萅a2SO4中Na+濃度是NaCl中Na+濃度的2倍造成的[24]。隨著鹽濃度的增加，NaCl脅迫下湖南稷子幼苗莖鞘和葉片中K+/Na+顯著下降，而在鹽濃度≥100 mmol·L-1時(shí)，Na2SO4脅迫下葉片和莖鞘中K+/Na+保持穩(wěn)定，可見湖南稷子對Na2SO4有較強(qiáng)的耐性，這可能是因?yàn)镹aCl脅迫下湖南稷子幼苗同時(shí)受到了高濃度Na+和Cl-的脅迫。

植物對鹽漬化生境下的Na+和K+進(jìn)行選擇性吸收，是植物減輕鹽害的重要機(jī)制。STK，Na是表示植物不同器官之間對Na+、K+的選擇性運(yùn)輸能力，STK，Na值越大，表明控制Na+和對K+的選擇性運(yùn)輸能力越強(qiáng)[20]。試驗(yàn)結(jié)果表明，鹽脅迫下，根系向莖鞘的運(yùn)輸選擇性系數(shù)(ST1K，Na)和莖鞘向葉片的運(yùn)輸選擇性系數(shù)(ST2K，Na)均顯著高于對照(P<0.05)，且ST1K，Na值大于ST2K，Na值，說明鹽脅迫下湖南稷子幼苗由根系向莖鞘運(yùn)輸K+的能力高于由莖鞘向葉片運(yùn)輸K+的能力，這與王鎖民等[17]對抽穗初期湖南稷子的研究有所差異，可能不同生育時(shí)期也影響鹽脅迫下湖南稷子對K+、Na+的選擇性吸收。ST1K，Na、ST2K，Na在NaCl脅迫下均先升高后降低，而ST2K，Na在Na2SO4脅迫下呈逐漸上升的變化趨勢；高鹽濃度(大于100 mmol·L-1)下Na2SO4脅迫的ST1K，Na值顯著高于NaCl脅迫；鹽濃度為25～150 mmol·L-1時(shí)，在Na2SO4脅迫下ST2K，Na值沒有顯著差異，而在NaCl脅迫下顯著升高，可能是NaCl脅迫下湖南稷子幼苗遭受的離子毒害作用更強(qiáng)，從而增加K+由莖鞘向葉片等光合器官運(yùn)輸來減緩離子毒害，而N2SO4鹽對湖南稷子幼苗的毒害作用沒有NaCl強(qiáng)，故K+運(yùn)輸緩慢增加。

本研究結(jié)果表明，鹽脅迫下，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間的累積次序?yàn)楦?莖鞘>葉片，K+含量在不同器官中的分布隨著鹽濃度的增加有所差異，但總體表現(xiàn)為地上部大于根部，地上部K+/Na+明顯高于根部。鹽脅迫下，湖南稷子幼苗ST1K，Na值高于ST2K，Na值，說明湖南稷子根系對K+的吸收具有較高的選擇性。高鹽濃度(≥125mmol·L-1)下，Na2SO4脅迫下地上部K+/Na+趨于穩(wěn)定，莖鞘和根系中K+含量和ST1K，Na值高于相同濃度的NaCl脅迫，而葉片和莖鞘中Na+含量低于NaCl脅迫；ST2K，Na值在Na2SO4脅迫下呈上升趨勢，在NaCl脅迫下先升高后降低。綜上，高鹽濃度下湖南稷子對Na2SO4具有更強(qiáng)的耐性。