鹽、堿脅迫對(duì)藥用植物堿地膚生長(zhǎng)及其莖葉離子含量的影響

麻 瑩，郭立泉，張淑芳，田小海，孫吉鳳，陸靜梅

(1.長(zhǎng)春醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)部，吉林 長(zhǎng)春 130031；2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130117；3.東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

鹽、堿脅迫對(duì)藥用植物堿地膚生長(zhǎng)及其莖葉離子含量的影響

麻 瑩1，2，郭立泉2，張淑芳1，田小海1，孫吉鳳1，陸靜梅3

(1.長(zhǎng)春醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)?；A(chǔ)醫(yī)學(xué)部，吉林 長(zhǎng)春 130031；2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)濕地生態(tài)與植被恢復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130117；3.東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

對(duì)堿地膚(Kochiasieversiana)幼苗進(jìn)行鹽脅迫或堿脅迫動(dòng)態(tài)處理，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)堿地膚的生長(zhǎng)及無(wú)機(jī)離子含量等指標(biāo)的變化情況，探討了堿地膚生長(zhǎng)及離子積累的動(dòng)態(tài)特點(diǎn).結(jié)果表明：隨著鹽、堿脅迫的延長(zhǎng)，堿地膚含水量、鮮重和干重等生長(zhǎng)指標(biāo)均不同程度地受到影響，且堿脅迫影響更大.鹽、堿脅迫均抑制堿地膚的生長(zhǎng)，堿脅迫抑制更為嚴(yán)重.堿地膚并非肉質(zhì)化植物，其在長(zhǎng)時(shí)間的滲透脅迫和高pH下仍能保持高含水量，此特殊現(xiàn)象可能是決定堿地膚具有高度抗鹽堿特性的生理特點(diǎn)之一.隨著鹽、堿脅迫的延長(zhǎng)，堿地膚植株對(duì)K+，Na+吸收不存在拮抗競(jìng)爭(zhēng)，且在144 h的鹽、堿脅迫下仍保持著較低的bNa+/bK+比值，這種排Na+、吸K+的特殊吸收機(jī)制對(duì)堿地膚的抗鹽、堿性具有重要意義.此外，與鹽脅迫相比，堿脅迫下其bNa+/bK+比值更低，這可能是堿地膚適應(yīng)高pH鹽堿生境的重要原因之一.

堿地膚；鹽、堿脅迫；無(wú)機(jī)離子；生長(zhǎng)

堿地膚(Kochiasieversianus)是一種能夠在pH高達(dá)10以上的土壤生境下生存的抗鹽堿的藜科牧草[3].堿地膚還具有一定的藥用價(jià)值，其全草及種子均可以當(dāng)作中藥材使用.[4]由于其既具有極強(qiáng)的耐鹽堿能力又具有很好的藥用價(jià)值，因而成為中國(guó)東北治理堿化草地的首選牧草之一.目前，有關(guān)堿地膚耐鹽堿性的研究，主要涉及鹽、堿脅迫下堿地膚的種子萌發(fā)、生長(zhǎng)、莖葉溶質(zhì)積累及其有機(jī)酸的分布等生理特點(diǎn)方面.[5-7]然而以上研究，主要以不同濃度的鹽、堿處理為脅迫變量，本文突破以往鹽堿處理方法，采用相同濃度的鹽或堿進(jìn)行脅迫，以不同脅迫時(shí)間作為脅迫變量，探討了堿地膚生長(zhǎng)及其莖葉無(wú)機(jī)離子含量的動(dòng)態(tài)變化情況.

堿地膚屬富集 Na+，K+等離子的鹽堿植物之一[3]，主要通過(guò)選擇吸收耗能低的Na+，K+，Cl-等無(wú)機(jī)離子來(lái)降低細(xì)胞滲透勢(shì)[6].然而，有關(guān)鹽堿生境中堿地膚體內(nèi)無(wú)機(jī)離子動(dòng)態(tài)積累的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，了解鹽堿脅迫對(duì)堿地膚生長(zhǎng)及離子含量的動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，將對(duì)鹽堿草原的治理及恢復(fù)有著極其重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

鑒于分布有堿地膚的中國(guó)東北堿化草地土壤含鹽特點(diǎn)，本文分別用中性鹽(NaCl，Na2SO4)和堿性鹽(NaHCO3，Na2CO3)模擬鹽、堿脅迫條件，并對(duì)堿地膚(K.sieversiana)的幼苗進(jìn)行脅迫處理[7]，通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)堿地膚生長(zhǎng)及其莖葉無(wú)機(jī)離子積累的變化特點(diǎn)，探討了堿地膚特殊的離子積累的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，以為堿地膚適應(yīng)鹽堿生境的特殊生理機(jī)制研究提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)

堿地膚(K.sieversiana)種子采集于吉林省西部天然草原.將種子播種于直徑17 cm盛有干凈細(xì)砂的塑料花盆內(nèi)，出苗后每2天用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液透灌1次，其他時(shí)間用蒸餾水補(bǔ)充水分蒸發(fā).每盆定苗16株.實(shí)驗(yàn)在室外進(jìn)行，3次重復(fù)[7]，處理期間人工遮雨.

1.2 鹽脅迫和堿脅迫條件

分別將2種中性鹽NaCl，Na2SO4和2種堿性鹽NaHCO3，Na2CO3按照物質(zhì)的量比1∶1混合，分別作為鹽脅迫組和堿脅迫組[7].鹽、堿脅迫組的總鹽濃度均為200 mmol/L，以保證兩種脅迫處理液的Na+濃度和總離子濃度相同，只有pH不同，而且堿脅迫組溶液的pH值與典型的堿地膚生境的pH值相近(9.80～10.10)[8].以不含脅迫鹽的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液作為對(duì)照組.鹽脅迫組、堿脅迫組和對(duì)照組溶液的pH值分別為6.58，9.96及6.56.

1.3 脅迫處理

苗齡6周后，選取66盆長(zhǎng)勢(shì)一致的堿地膚苗，隨機(jī)分為22組，每組3盆(3次重復(fù)).其中：8個(gè)組為對(duì)照組(CK)，只澆營(yíng)養(yǎng)液，在8個(gè)時(shí)間點(diǎn)(0，16，24，36，48，72，96，144 h)取樣；7個(gè)組為鹽脅迫組，用中性鹽處理，在7個(gè)時(shí)間點(diǎn)(16，24，36，48，72，96，144 h)取樣；7個(gè)組為堿脅迫組，用堿性鹽處理，在7個(gè)時(shí)間點(diǎn)(同鹽脅迫組)取樣.進(jìn)行處理時(shí)，以含有相應(yīng)脅迫鹽的營(yíng)養(yǎng)液作為處理液，每盆苗用500 mL鹽或堿的處理液澆灌，2次/d透灌，使植株處于完全脅迫狀態(tài)；對(duì)照組只澆500 mL營(yíng)養(yǎng)液.

1.4 取樣

分別按不同的處理時(shí)間點(diǎn)逐盆取出堿地膚植株，分別用自來(lái)水、蒸餾水沖洗植株，用濾紙吸干植株表面水分.在子葉痕處剪開(kāi)，將植株分成莖葉和根2個(gè)部分，分別稱取以上部分的鮮重(WF).分別稱取5 g 莖葉部分凍干，并記錄其干重，凍干樣品用于離子含量測(cè)定；其余鮮樣105℃殺青15 min后，40℃下真空干燥至恒重，計(jì)算總干重(WD).

1.5 指標(biāo)測(cè)定

(1) 生長(zhǎng)指標(biāo)：含水量(%)=(WF-WD)/WF×100%.干重、鮮重均以每株莖葉部分質(zhì)量表示(g).

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理等統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS完成.結(jié)果數(shù)據(jù)均用3次重復(fù)數(shù)據(jù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差表示，檢驗(yàn)水平P<0.05.

2 結(jié)果分析

2.1 鹽、堿脅迫下堿地膚動(dòng)態(tài)生長(zhǎng)情況

鹽、堿脅迫下堿地膚的地上部分含水量、鮮重、干重的動(dòng)態(tài)變化情況見(jiàn)圖1.從圖1A可以看出，鹽、堿脅迫條件下，堿地膚地上部分含水量均降低(P<0.01).而堿脅迫(F=191.80)下降幅度明顯大于鹽脅迫(F=29.57)，但在長(zhǎng)時(shí)間(144 h)的堿脅迫下仍能保持較高的含水量(75%)，而這不是肉質(zhì)化的結(jié)果，這一特殊的耐鹽機(jī)制值得深入研究.

從圖1B可以看出，三種生長(zhǎng)條件對(duì)堿地膚地上部分鮮重的影響不同：非脅迫條件下，堿地膚每株地上部分鮮重隨生長(zhǎng)時(shí)間顯著增加(P<0.01)；鹽脅迫下，鮮重增加不明顯(P>0.05)；而堿脅迫下，鮮重顯著降低(P<0.01)，這可能與堿脅迫下含水量顯著降低有關(guān).

從圖1C可以看出，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，非脅迫和鹽脅迫條件下，堿地膚每株地上部分干重顯著增加(P<0.01)，且非脅迫條件下其增加的幅度(F=25.43)大于鹽脅迫(F=5.62)；而堿脅迫下，其干重增加不明顯(P>0.05).可見(jiàn)，鹽堿脅迫特別是堿脅迫不利于堿地膚地上部分干重的增加.綜上，鹽、堿脅迫均抑制堿地膚的生長(zhǎng)，而堿脅迫抑制的更為嚴(yán)重.

圖1 鹽、堿脅迫下堿地膚的地上部分含水量、鮮重、干重的動(dòng)態(tài)變化

2.2 鹽、堿脅迫下堿地膚莖葉的陽(yáng)離子動(dòng)態(tài)積累特點(diǎn)

鹽、堿脅迫下Na+，K+的含量及bNa+/bK+比值的動(dòng)態(tài)變化情況見(jiàn)圖2.從圖2可以看出，堿脅迫下植株莖葉部分對(duì)K+，Na+離子的吸收高于鹽脅迫.在鹽、堿脅迫48 h內(nèi)，Na+含量隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)有所增加，且兩種脅迫的作用相近，一旦脅迫時(shí)間超過(guò)48 h，其含量急劇增加(P<0.01)，其中堿脅迫的作用更大(見(jiàn)圖2A).K+變化較為特殊，在16 h的鹽、堿處理下其含量均升高，而16 h后隨之下降；當(dāng)脅迫時(shí)間超過(guò)36 h后，鹽脅迫下其含量基本保持不變(P>0.05)，堿脅迫下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)其含量有所增加(見(jiàn)圖2B).在脅迫的整個(gè)過(guò)程中，堿脅迫下的K+含量始終大于鹽脅迫.可見(jiàn)，堿脅迫下Na+的急劇積累，并沒(méi)有抑制K+的吸收.從圖2C還可看出，隨著脅迫時(shí)間的增加，bNa+/bK+比值有所增加，但堿脅迫下bNa+/bK+小于鹽脅迫(96 h除外).動(dòng)態(tài)觀測(cè)到Na+大量積累而K+含量并不隨著降低，即堿地膚對(duì)K+，Na+吸收并不存在拮抗競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象[6]，這與多數(shù)鹽生植物的K+，Na+吸收機(jī)制不同[10].

圖2 鹽、堿脅迫下Na+(A)，K+(B)的含量及bNa+/bK+(C)的動(dòng)態(tài)變化

2.3 鹽、堿脅迫下堿地膚莖葉的陰離子動(dòng)態(tài)積累特點(diǎn)

圖3 鹽、堿脅迫下等陰離子含量的動(dòng)態(tài)變化

3 討論

3.1 鹽、堿脅迫對(duì)堿地膚生長(zhǎng)的影響

生長(zhǎng)受到抑制是植物對(duì)鹽、堿脅迫普遍而直接的反應(yīng)[11]，堿地膚也是這樣.與非脅迫條件相比，鹽、堿脅迫均不利于堿地膚干重、鮮重的積累，其中堿脅迫的抑制作用更強(qiáng).堿地膚要適應(yīng)堿脅迫(高pH)生境必然要消耗更多的物質(zhì)和能量，因此，其生長(zhǎng)受到抑制更嚴(yán)重.這也許是堿地膚在逆境下的重要生存對(duì)策之一.

降低自身含水量是植物響應(yīng)滲透脅迫進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)的一種既迅速又經(jīng)濟(jì)的途徑[12]，堿地膚也不例外，隨著鹽、堿脅迫強(qiáng)度的增大其含水量逐漸下降(見(jiàn)圖1A).與蘆葦(Phragmitesaustralis)相比[12]，在長(zhǎng)時(shí)間(144 h)的堿脅迫下堿地膚仍能保持較高的含水量(75%)，而堿地膚并非肉質(zhì)化植物，其在長(zhǎng)時(shí)間的滲透脅迫和高pH下仍能保持高含水量，這一特殊現(xiàn)象可能正是堿地膚具有高度抗鹽堿特性的生理特點(diǎn)之一.細(xì)胞含水量高必然引起液泡體積增大、細(xì)胞表面積增大、原生質(zhì)層變薄等后果，而這些因素更加能夠促進(jìn)Na+，K+(見(jiàn)圖2A和圖2B)的進(jìn)入，同時(shí)高含水量還可以最大限度地濃縮細(xì)胞質(zhì)中溶質(zhì)濃度，稀釋液泡中有害離子的濃度[12].

3.2 鹽堿脅迫對(duì)堿地膚莖葉無(wú)機(jī)離子動(dòng)態(tài)積累的影響

植物的主要抗鹽機(jī)制就是Na+及其他離子的代謝機(jī)制.堿地膚通過(guò)體內(nèi)大量積累Na+來(lái)降低細(xì)胞滲透勢(shì)，緩解鹽害[6].Na+主要通過(guò)非選擇性陽(yáng)離子通道和高親和K+通道兩種途徑進(jìn)入根細(xì)胞[13].由于Na+和K+水合半徑相似，致使大量Na+競(jìng)爭(zhēng)K+通道，從而抑制了K+的吸收.而鹽、堿脅迫下堿地膚對(duì)K+，Na+吸收不存在拮抗競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，這與我們以前的研究結(jié)果一致[6].K+作為植物生長(zhǎng)的必需元素，其選擇吸收既可以降低細(xì)胞滲透勢(shì)，保持細(xì)胞質(zhì)內(nèi)外滲透平衡，還可緩解鹽、堿脅迫導(dǎo)致的K+虧缺而引起的生長(zhǎng)抑制[6]，因此，K+特殊的吸收機(jī)制可能對(duì)堿地膚的抗鹽、堿特性具有重要意義，尚有待進(jìn)一步研究.

越來(lái)越多的結(jié)果表明，在鹽脅迫條件下，限制Na+吸收、增加Na+外排，同時(shí)保證K+的吸收，維持細(xì)胞質(zhì)低bNa+/bK+是植物抗鹽性的關(guān)鍵[14].眾所周知，高pH的堿脅迫對(duì)植物的傷害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鹽脅迫.而堿脅迫下堿地膚的bNa+/bK+低于鹽脅迫，這對(duì)堿脅迫下堿地膚可維持正常的生理代謝是非常有利的.這可能也是堿地膚適應(yīng)高pH(9.8～10.2)天然鹽堿生境的重要原因之一[8].

[1] YANG C W，CHONG J N，LI C Y，et al.Osmotic adjustment and ion balance traits of an alkali resistant halophyteKochiasieversianaduring adaptation to salt and alkali conditions [J].Plant Soil，2007，294：263-276.

[2] 石德成，殷立娟.鹽(NaCl)與堿(Na2CO3)對(duì)星星草脅迫作用的差異[J].植物學(xué)報(bào)，1993，35(2)：144-149.

[3] 鄭慧瑩，李建東.松嫩平原鹽生植物及鹽堿草地恢復(fù)[M].北京：科學(xué)出版社，1999：12.

[4] 翟延君，馮夏紅，康延國(guó)，等.堿地膚的生藥鑒定[J].中藥材，1996，19(6)：283-285.

[5] 顏宏，趙偉，秦峰梅，等.鹽堿脅迫對(duì)堿地膚、地膚種子萌發(fā)以及幼苗生長(zhǎng)的影響[J].東北師大學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，38(4)：117-123.

[6] 麻瑩，曲冰冰，郭立泉，等.鹽堿混合脅迫下抗堿鹽生植物堿地膚的生長(zhǎng)及其莖葉中溶質(zhì)積累特點(diǎn)[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2007，16(4)：25-33.

[7] 麻瑩，郭立泉，張淑芳，等.鹽堿脅迫下抗堿牧草堿地膚溶質(zhì)積累、分布特點(diǎn)及有機(jī)酸的生理貢獻(xiàn)[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2013，22(1)：193-200.

[8] MA Y，GUO L Q，WANG H X，et al.Accumulation，distribution，and physiological contribution of oxalic acid and other solutes in an alkali-resistant forage plant，Kochiasieversiana，during adaptation to saline and alkaline conditions[J].Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2011，174(4)：655-663.

[9] 王保山，趙可夫.小麥葉片中Na+和K+提取方法比較[J].植物生理學(xué)通訊，1995(3)：50-52.

[10] SHI D C，WANG D L.Effect s of various salt-alkali mixed stresses onAneurolepidiumchinense(T rin.)Kitag[J].Plant and Soil，2005，271：15-26.

[11] NALIWAJSKI M.R，SKLODOWSKA，M.The oxidative stress and antioxidant systems in cucumber cells during acclimation to salinity [J].J Plant Physiol，2014，58：47-54.

[12] LISSNER J，SCHIERUP H，COMN F A，et al.Effect of climate on the salt tolerance of twoPhragmitesaustralispopulations.-I.Growth，inorganic solutes，nitrogen relations and osmoregulation[J].Aquat Bot，1999，64：317-333.

[13] MUNNS R，TESTER M.Mechanisms of salinity tolerance[J].Annu Rev Plant Biol，2008，59：651-681.

[14] ZHU J K.Regulation of ion homeostasis under salt stress[J].Curr Opin Plant Biol，2003(6)：441-445.

(責(zé)任編輯：方 林)

Effects of salt and alkali stresses on growth and ions accumulation in shoot of medicinal plantKochiasieversiana

MA Ying1，2，GUO Li-quan2，ZHANG Shu-fang1，TIAN Xiao-hai1，SUN Ji-feng1，LU Jing-mei3

(1.Department of Basic Medicine，Changchun Medical College，Changchun 130031，China；2.State Environmental Protection Key Laboratory of Wetland Ecology and Vegetation Restoration，School of Environment，Northeast Normal University，Changchun 130117，China;3.School of Life Sciences，Northeast Normal University，Changchun 130024，China)

In this study，seedlings ofKochiasieversiana(Pall.)C.A.Mey were exposed to the dynamic treatment：salt stress and alkali stress.The dynamic characteristics ofK.sieversianagrowth and ions accumulation were investigated by determining and analyzing the growth index，the concentrations of ions and so on.The results showed that the growth indexes，such as water content，dry weight，fresh weight and so on，inK.sieversiana，were affected to various degrees with increasing stress time under salt and alkali stresses，and alkali stress was greater than salt stress.Clearly，both salt and alkali stresses inhibited the growth ofK.sieversiana，and the inhibition of alkali stress was more serious than salt stress.K.sieversianais not a kind of succulence plant，whereas it could still keep high water content under long-time osmotic stress and high pH condition，which may endow it with high saline-alkali tolerance as a primary physiological characteristic.There is no antagonism competition between absorption of K+and Na+inK.sieversianawith increasing stress time under salt and alkali stresses，and it could still low value ofbNa+/bK+under 144 h alkali stress.This kind of special absorption mechanism of K+and Na+may have great significance in saline-alkali tolerance ofK.sieversiana.Moreover，the value ofbNa+/bK+is lower under alkali stress than salt stress，which may be one of the important reasons for adaption to saline-alkaline habitat contained high pH inK.sieversiana.

Kochiasieversiana；salt/alkali stresses；inorganic ion；growth

1000-1832(2017)02-0111-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.02.021

2016-10-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41271231)；東北師范大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(130028691)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140204023NY)；吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(JJKH20171071KJ).

麻瑩(1981—)，女，博士，副教授，主要從事植物形態(tài)及逆境生理學(xué)研究；通訊作者：陸靜梅(1952—)，女，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事植物形態(tài)及生理學(xué)研究.

Q 945.78 [學(xué)科代碼] 180·5140

A