魯曉宇,郭家鑫,陶一凡,葉 揚,桂誠浩,郭慧娟,閔 偉

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)系 石河子 832003)

鹽堿脅迫是抑制作物生長和降低產(chǎn)量的重要非生物逆境脅迫之一[1],給新疆棉花(Gossypium hirsutumL.)生產(chǎn)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計,新疆灌區(qū)鹽堿地面積占耕地總面積的37.72%[2]。新疆鹽堿地不僅面積大,鹽漬化類型也更為繁雜,主要包括碳酸鹽土、氯化物鹽土和硫酸鹽土,這對新疆的鹽堿地棉花生產(chǎn)提出了更高的要求。

鹽堿土的高滲環(huán)境對作物造成滲透脅迫,使得作物吸水困難,從而導(dǎo)致作物生長受到抑制[3-4],為應(yīng)對滲透脅迫,作物從土壤中吸收大量的Na+,而過量的Na+會造成Na+毒害,抑制作物生長,加速作物衰老和葉片脫落甚至導(dǎo)致作物死亡[5-8]; 除了積累無機離子外,植物會積累一些小分子可溶性物質(zhì),如甜菜堿、脯氨酸、多胺和多元醇等參與滲透調(diào)節(jié)[9]。與此同時,由于離子競爭的緣故,鹽堿脅迫還會阻礙作物對礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收[10-11],造成作物器官中礦質(zhì)養(yǎng)分失衡[12]。Na2SO4鹽土中含有大量的S 元素,會導(dǎo)致植物組織中大量S 的積累[13],S 雖然是高等植物生長的必需營養(yǎng)元素,對于構(gòu)成細(xì)胞組織和行使生物功能具有重要作用,但有研究[14-16]表明植物體內(nèi)積累過多的S 會導(dǎo)致代謝紊亂,抑制作物生長。伴隨堿脅迫產(chǎn)生的高pH 脅迫會降低土壤中許多礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性,并對根造成更嚴(yán)重的氧化損傷[17-18]。大多數(shù)研究[19-21]認(rèn)為根中有機酸積累和有機酸代謝增強,能抵消堿脅迫下高pH 的負(fù)面影響,是應(yīng)對堿脅迫的重要適應(yīng)機制。而在葉片中,鹽脅迫下與能量供應(yīng)有關(guān)的糖類代謝、光合作用和TCA 循環(huán)都受到抑制[22]。而在堿脅迫下,β-氧化、糖酵解、檸檬酸循環(huán)和氨基酸代謝對提高耐堿能力起著重要作用[23-24]。

新疆多樣化的鹽堿脅迫對棉花生產(chǎn)造成了不利影響。雖然,棉花耐鹽機制方面的相關(guān)研究已有報道,但棉花如何通過調(diào)節(jié)營養(yǎng)元素吸收轉(zhuǎn)運以及代謝通路適應(yīng)不同鹽堿脅迫的機制以及它們之間的差異還尚不明確。

本研究選用‘魯棉研24 號’為試驗材料,探究不同鹽堿脅迫對棉花葉和根中營養(yǎng)元素和代謝物含量的影響,闡明不同鹽堿脅迫下棉花營養(yǎng)元素吸收轉(zhuǎn)運以及代謝通路的響應(yīng)特征及其差異。研究結(jié)果為新疆不同鹽堿地類型上的棉花栽培提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站玻璃溫室進行(44°18′52″N,86°3′23″E)。氣候?qū)贉貛Ц珊祬^(qū),年平均氣溫7.8 ℃,年平均降水量210 mm,年平均蒸發(fā)量1660 mm。試驗期間,溫室的最低溫度和最高溫度分別為15.7 ℃和35.5 ℃。供試土壤采自石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站,土壤類型為灌耕灰漠土,質(zhì)地為壤土。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下: 有機質(zhì)14.8 g·kg-1,全氮1.0 g·kg-1,堿解氮40.2 mg·kg-1,速效磷10.7 mg·kg-1,速效鉀234 mg·kg-1。供試棉花品種為‘魯棉研24 號’。

1.2 試驗設(shè)計

試驗用高20 cm、直徑15 cm 的花盆,每盆裝土4 kg。通過添加NaCl、Na2SO4、Na2CO3+NaHCO3模擬不同類型的鹽堿脅迫。共設(shè)置4 種鹽堿脅迫類型,分別為: 非鹽堿脅迫(CK,不添加鹽)、氯化鈉鹽脅迫(添加NaCl,CS)、硫酸鈉鹽脅迫(添加Na2SO4,SS)、堿脅迫(添加Na2CO3+NaHCO3,AS),每個處理重復(fù)3 次。在試驗開始前,將供試土壤自然風(fēng)干,碾碎后過2 mm 篩。分別將16 g NaCl、24 g Na2SO4、6 g Na2CO3+ NaHCO3(重量比1∶1)完全溶解,配成鹽溶液(Na 含量分別為6.29 g、7.77 g 和2.18 g),再將鹽溶液加入供試土壤(對照加同體積去離子水),放置一個月使土壤達(dá)到平衡,至此形成供試不同類型鹽漬土。再將處理后土壤風(fēng)干、碾碎后過篩,取樣測含鹽量、電導(dǎo)率、pH,各試驗處理的土壤鹽堿類型和鹽堿化程度見表1。2021年4月10日播種,每個盆栽播種20 株,采用干播濕出,幼苗生長至2 片真葉時,每個盆栽定植2 株棉花。為了保證充足的水分供應(yīng),試驗期間采用滴灌的方式定期補充水分,使土壤含水量保持在田間持水量的60%～80%。試驗在播種后60 d 結(jié)束。

表1 不同處理土壤鹽堿類型及鹽堿化程度Table 1 Type and degree of saline and alkaline in soil of different treatments

1.3 樣品采集與測定

苗期采集樣本,從每個處理中收集3 株有代表性的棉花植株,并將其分為3 部分: 根、莖和葉。在戶外時,將樣品放置在冰盒中保存。部分葉片樣品在液氮中冷凍干燥以供測定代謝組使用。

生物量測定: 棉花根、莖、葉在105 ℃下殺青30 min,之后在70 ℃下烘干至恒重,稱其干物質(zhì)量。

營養(yǎng)元素測定: 使用植物研磨機(Scientz-48,北京同元聚物科技有限公司)將生物量測定后的樣品研磨成粉末,并儲存在-80 ℃。N 元素分析前,植物樣品用濃H2SO4-H2O2消化,使用自動凱氏裝置(B-339,瑞士Buchi Labotechnik AG)測量氮含量。P、K、Ca、Mg 和S 采用ICP-MS 測定。具體操作如下: 定量稱取100 mg 棉花樣品于消解罐,加入10 mL 濃硝酸,在195 ℃下消解12 h,消解后蒸干,加入0.5 mL濃硝酸,0.5 mL 內(nèi)標(biāo)和3 mL 去離子水,溶解均勻后,最后取2 mL 溶解液用超純水(電阻率為18 MΩ·cm)稀釋至10 mL,采用ICP-MS 測定處理好的樣品。

代謝組樣品處理和測定: 稱取50 mg 樣品,加入1000 μL 提取液[甲醇∶乙腈∶水=2∶2 ∶1 (v/v),含內(nèi)標(biāo)4 μg·mL-1]; 渦旋混勻30 s,加入鋼珠,35 Hz 研磨處理4 min,冰水浴超聲5 min; 重復(fù)研磨,超聲處理2次; -40 ℃ 靜置1 h; 將樣品在4 ℃下,10 000 rpm 離心15 min,取上清250 μL 于EP 管中,真空干燥; 加入300 μL 50%乙腈復(fù)溶,渦旋30 s,冰水浴超聲10 min;將樣品在4 ℃下,13 000 rpm 離心15 min; 取75 μL上清液于進樣瓶中上機檢測; 所有樣品另取10 μL 上清混合成QC 質(zhì)控樣本。

參數(shù)設(shè)定: 使用Agilent 1290 (Agilent Technologies)超高效液相色譜儀,通過Waters ACQUITY UPLC BEH Amide (2.1×100 mm,1.7 μm)液相色譜柱對目標(biāo)化合物進行色譜分離。液相色譜A 相為25 mmol·L-1乙酸銨和25 mmol·L-1氨水,B 相為乙腈。采用梯度洗脫: 0～0.5 min,95% B; 0.5～7 min,95%～65% B; 7～8 min,65%～40% B; 8～9 min,40% B; 9～9.1 min,40%～95% B;9.1～12 min,95% B。流動相流速0.5 mL·min-1,柱溫25 ℃,樣品盤溫度4 ℃,進樣體積正離子模式(positive ion mode,POS) 2 mL,負(fù)離子模式(negative ionmode,NEG) 2 mL。離子源參數(shù)如下: 氣體1 壓強60 psi,氣體2 壓強30 psi,幕簾氣體壓強35 psi,源溫度(TEM) 600 ℃,脫團電位(DP) 60 V,離子噴射電壓(ISVF) POS 5000 V/NEG -4000 V。

上機測定: 使用Triple TOF 6600 高分辨質(zhì)譜,通過IDA (information-dependent acquisition)模式進行高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集。在IDA 這種模式下,數(shù)據(jù)采集軟件(Analyst TF 1.7,AB Sciex)依據(jù)一級質(zhì)譜數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn),自動選擇離子并采集其二級質(zhì)譜數(shù)據(jù)。每個循環(huán)選取12 個強度最強且大于100 的離子進行二級質(zhì)譜掃描,碰撞誘導(dǎo)解離的能量為30 eV,循環(huán)時間為0.56 s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016 軟件處理,使用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析,差異顯著性檢驗采用Duncan’s法。本研究使用京都基因和基因組百科全書(KEGG)數(shù)據(jù)庫,并使用在線MetaboAnalyst 5.0 軟件分析代謝通路(https://www.metaboanalyst.ca),差異代謝通路篩選標(biāo)準(zhǔn)為:P≤0.05,Impact≥0.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽堿脅迫對棉花生物量的影響

不同鹽堿脅迫顯著降低棉花葉、莖、根和總生物量(表2)。與CK 相比,CS 處理的葉、莖、根和總生物量分別顯著(P＜0.05,下同)降低48.0%、65.6%、32.1%和51.7%; SS 處理的葉、莖、根和總生物量分別顯著降低46.9%、51.2%、43.2%和47.8%; AS 處理的葉、莖、根和總生物量分別顯著降低60.0%、57.5%、31.2%和52.3%。

表2 不同鹽堿脅迫對棉花生物量的影響Table 2 Effects of different salt and alkaline stresses on cotton biomass

2.2 不同鹽堿脅迫對棉花葉莖根營養(yǎng)元素吸收和分配比的影響

鹽堿脅迫顯著影響棉花葉莖根中營養(yǎng)元素的含量(表3)。與CK 相比,CS 葉中N 含量顯著增加13.9%,CS 和AS 的莖中N 含量顯著降低6.2%和9.3%,CS和AS 根中N 含量分別顯著降低3.9%和40.0%; CS、SS 和AS 的葉中P 含量分別顯著降低19.9%、25.6%和14.1%,CS、SS 和AS 的莖中P 含量分別顯著降低8.1%、24.9%和16.7%,CS 根中P 含量顯著增加11.8%,SS 和AS 根中P 含量分別顯著降低22.1%和33.8%; CS 和AS 葉中K 含量分別顯著降低16.8%和10.7%,CS 莖中K 含量降低23.4%; CS、SS和AS 葉中Ca 含量分別顯著降低21.4%、26.0%和40.0%,CS、SS 和AS莖中Ca 含量分別顯著降低26.24%、33.9%和30.0%,CS 和SS 根中Ca 含量分別顯著降低14.2%和18.9%; CS、SS 和AS 葉中Mg含量分別顯著降低19.1%、13.5%和27.3%,CS、SS和AS 莖中Mg 含量分別顯著降低20.7%、17.2%和9.9%,CS、SS 和AS 根中Mg 含量分別顯著增加5.3%、24.9%和36.1%; CS 和AS 葉中S 含量分別顯著降低14.3%和17.6%,而SS 葉中S 含量顯著增加32.4%,CS 和AS 莖中S 含量分別顯著降低9.5%和14.1%,而SS 莖中S 含量顯著增加18.0%,SS 根中S含量顯著增加20.3%,而AS 根中S 含量顯著降低18.6%。

鹽堿脅迫顯著影響營養(yǎng)元素在棉花葉莖根中的分配比(表3)。N 在CS 和SS 莖中的分配比分別顯著降低36.4%和3.0%,在CS 和SS 根中的分配比分別顯著增加25.0%和8.3%; P 在AS 葉中的分配比顯著降低4.4%,在CS 和SS 莖中的分配比分別顯著降低25.0%和4.9%,在CS、SS 和AS 根中分別顯著增加85.7%、14.3%和28.6%; K 在CS 葉中的分配比顯著增加13.3%,在AS 葉中則顯著降低15.6%,在CS和SS 莖中的分配比分別顯著降低31.8%和9.1%,在CS 和AS 根中的分配比均顯著增加72.7%; Ca 在CS 和SS 葉中的分配比分別顯著增加6.7%和2.6%,在AS 葉中則顯著降低10.6%,在CS 莖和SS 莖中的分配比分別顯著降低31.8%和13.6%,在AS 莖中則顯著增加13.6%,在CS、SS 和AS 根中分別顯著增加66.7%、33.3%和166.7%; Mg 在CS 葉中的分配比顯著增加10.2%,在AS 葉中顯著降低18.6%,在CS 和SS 莖中的分配比分別顯著降低28.5%和11.4%,在AS 莖中顯著增加8.6%,在CS、SS 和AS根中的分配比分別顯著增加66.7%、50.0%和133.3%; S 在CS 和SS 葉中的分配比均顯著增加2.4%,在AS 葉中的分配比顯著降低3.6%,在CS 和SS 莖中的分配比分別顯著降低23.0%和15.4%,在CS 和AS 根中的分配比均顯著增加66.7%。

表3 不同鹽堿脅迫對棉花養(yǎng)分吸收和分配的影響Table 3 Effects of different saline alkali stresses on nutrient uptake and distribution in cotton

2.3 不同鹽堿脅迫對棉花代謝的影響

2.3.1 對根系代謝的影響

在NaCl 脅迫下,棉花根中共涉及7 條差異代謝通路(表4),分別為丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,丁酸代謝,泛酸和輔酶A 生物合成,精氨酸生物合成,半乳糖代謝,精氨酸和脯氨酸代謝以及磷酸肌醇代謝。只有精氨酸和脯氨酸代謝中4-乙酰氨基丁酸酯下調(diào)為74%,其余代謝通路中的差異代謝物全部上調(diào)。

表4 NaCl 脅迫下棉花根差異代謝通路和差異代謝物Table 4 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton roots under NaCl stress

在Na2SO4脅迫下,棉花根中共涉及29 條差異代謝通路(表5),包括11 條氨基酸類代謝途徑、7 條有機酸類代謝途徑、6 條糖類代謝途徑和5 條其他類代謝途徑。所有代謝通路中一共包含53 種差異代謝物,其中有12 種下調(diào),其余41 種均上調(diào)。半乳糖代謝中的甘油、水蘇糖和棉子糖含量分別上調(diào)到5.50 倍、2.92 倍和2.32 倍; 精氨酸生物合成中的L-瓜氨酸含量上調(diào)到3.58 倍; 硫代謝中的O-乙酰-L-絲氨酸含量上調(diào)到3.34 倍; 丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,光合生物的固碳作用以及氨酰tRNA 生物合成中的L-丙氨酸含量均上調(diào)到2.85 倍; 檸檬酸循環(huán)等4 條代謝途徑中的L-蘋果酸均上調(diào)到2.76 倍。

表5 Na2SO4 脅迫下棉花根差異代謝通路和差異代謝物Table 5 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton roots under Na2SO4 stress

續(xù)表5

在Na2CO3+NaHCO3脅迫下,棉花根中共涉及18條差異代謝通路(表6),包括6 條有機酸類代謝途徑,5 條氨基酸類代謝途徑,3 條糖類代謝途徑,4 條其他類代謝途徑。所有代謝通路中共包含31 種差異代謝物,其中8 種下調(diào),其余23 種均上調(diào)。戊糖磷酸途徑中的D-核糖5-磷酸含量下調(diào)到0.15 倍,精氨酸生物合成中的N-乙酰-L-谷氨酸下調(diào)到0.28 倍; 半乳糖代謝中的水蘇糖和棉子糖含量上調(diào)到4.37 倍和2.29倍; 檸檬酸循環(huán)中的L-蘋果酸和琥珀酸含量上調(diào)到4.20 倍和2.91 倍; 丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝中的L-丙氨酸含量上調(diào)到3.29 倍。

表6 Na2CO3+NaHCO3 脅迫下棉花根差異代謝通路和差異代謝物Table 6 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton roots under Na2CO3+NaHCO3 stress

2.3.2 對葉片代謝的影響

在NaCl 脅迫下,棉花葉片共涉及7 條差異代謝通路(表7),分別為異喹啉生物堿生物合成,丙酮酸代謝,芪類、二芳基庚烷類和姜酚的生物合成,氰基氨基酸代謝,磷酸戊糖途徑,酪氨酸代謝,萜類骨架生物合成,7 條差異代謝通路的差異代謝物含量均上調(diào)。

表7 NaCl 脅迫下棉花葉差異代謝通路和差異代謝物Table 7 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton leaves under NaCl stress

在Na2SO4脅迫下,棉花葉片共涉及16 條差異代謝通路(表8),包括7 條氨基酸類代謝途徑、4 條有機酸類代謝途徑、3 條糖類代謝途徑以及2 條其他類代謝途徑。在檸檬酸循環(huán)以及乙醛酸和二羧酸代謝中檸檬酸含量上調(diào)到6.14 倍,亞油酸代謝中的亞油酸含量上調(diào)到4.24 倍,色氨酸代謝中的N-乙酰血清素含量上調(diào)到3.14 倍,半乳糖代謝中的棉子糖含量也上調(diào)到2.67 倍。

表8 Na2SO4 脅迫下棉花葉差異代謝通路和差異代謝物Table 8 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton leaves under Na2SO4 stress

續(xù)表8

在Na2CO3+NaHCO3脅迫下,棉花葉片共涉及8條差異代謝通路(表9),分別為亞油酸代謝,黃酮和黃酮醇生物合成,戊糖磷酸途徑,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,硫胺素代謝,賴氨酸降解,精氨酸和脯氨酸代謝,以及色氨酸代謝。在色氨酸代謝中的N-乙酰血清素含量上調(diào)到8.23 倍,亞油酸代謝中的亞油酸含量上調(diào)到3.47 倍,黃酮和黃酮醇生物合成中的山奈酚含量上調(diào)到2.87 倍,精氨酸和脯氨酸代謝中的L-精氨酸含量上調(diào)到2.59 倍,而硫胺素代謝和賴氨酸降解中的差異代謝物含量均下調(diào)。

表9 Na2CO3+NaHCO3 脅迫下棉花葉差異代謝通路和差異代謝物Table 9 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton leaves under Na2CO3+NaHCO3 stress

3 討論

生物量最能直觀地反映作物遭受脅迫后的生長情況。本研究結(jié)果顯示,不同鹽堿脅迫均顯著降低棉花生物量,使其生長受到抑制。鹽堿土壤中含有大量Na+,造成滲透脅迫導(dǎo)致水分虧缺、氣孔關(guān)閉以及光合作用受阻[25-26]。同時,大多數(shù)植物在葉片和其他代謝活躍的器官中積累過多的Na+,從而破壞細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié),抑制植物生長和生物量的積累[27]。然而鹽堿脅迫造成作物生長受到抑制的原因是多方面的,一方面離子穩(wěn)態(tài)失衡影響礦質(zhì)營養(yǎng)元素的吸收并且造成礦質(zhì)營養(yǎng)元素缺乏,另一方面作物為適應(yīng)脅迫帶來的生長阻力所作出的代謝改變也是影響作物生長的重要因素[28-31]。

一般而言,土壤中高含量的鈉鹽會降低養(yǎng)分的有效性,影響植物對營養(yǎng)元素的吸收運輸以及在體內(nèi)的分布。植物對營養(yǎng)元素的吸收是生物量積累的基礎(chǔ)[32],也是實現(xiàn)植物良好生長發(fā)育的關(guān)鍵。由于不同鹽堿脅迫土壤中的主要鹽分離子不同,這導(dǎo)致不同鹽堿脅迫下,棉花對養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)運的不同。在本研究中,NaCl 脅迫處理棉花N 的吸收能力降低,但轉(zhuǎn)運能力增加,更多的N 分配在葉和根中,Na2SO4脅迫處理下更多的N 分配在根中,Na2CO3+NaHCO3(堿脅迫)處理下根中N 含量顯著低于NaCl 脅迫和Na2SO4脅迫,棉花對N 的吸收能力被嚴(yán)重抑制,這可能是因為堿脅迫的CO32-和HCO3-導(dǎo)致的高pH 降低了負(fù)責(zé)吸收轉(zhuǎn)運N 的AMT 和NRT 蛋白活性,從而抑制了棉花對N 的吸收[33]。N 是植物必需的常量營養(yǎng)元素,對作物的許多生理過程、抗逆性和其他營養(yǎng)元素的利用均有重要的調(diào)節(jié)作用,并作為植物細(xì)胞的組成元素[34-35]。鹽堿脅迫干擾植物對氮素的獲取、利用和新陳代謝,是導(dǎo)致植物生長受抑制的重要原因[36]。NaCl、Na2SO4和堿脅迫處理下P 的轉(zhuǎn)運能力都降低,這就導(dǎo)致P 在根部進行了積累。P 作為一種必需的常量營養(yǎng)元素,參與植物許多代謝過程[37]。但是大量的P 無法轉(zhuǎn)運到葉片參與生理活動,這就導(dǎo)致作物生長和發(fā)育遲緩[38]。堿脅迫下,根中P 含量顯著低于其他處理,P 的吸收能力被抑制,這可能是高pH 降低了土壤中P 的有效性,使作物吸收P 變得困難。K 在植物新陳代謝中起關(guān)鍵作用,包括氣孔運動、蛋白質(zhì)合成和酶活化,土壤中過量的Na+會導(dǎo)致植物吸收更多的Na 并降低K 的吸收[39]。NaCl 脅迫下K 的轉(zhuǎn)運能力增加,更多的K 分配在葉和根中,K 向地上部分的更高轉(zhuǎn)運能力將有助于減輕葉細(xì)胞的離子毒性[40-41]。Na2SO4脅迫對K 的吸收轉(zhuǎn)運以及分配無顯著影響。堿脅迫下K 的轉(zhuǎn)運能力降低,更多的K 分配在根中,這可能是因為GhAKT基因的表達(dá)減少,降低了K 向地上部轉(zhuǎn)運的能力[42]。Ca 作為第二信使,通過提高植物的抗逆性在各種非生物脅迫下的植物生存中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[43-44]。NaCl 脅迫下Ca 的吸收轉(zhuǎn)運能力均降低,更多的Ca 分配在葉和根中。Na2SO4脅迫下Ca 的吸收轉(zhuǎn)運能力均降低,更多的Ca 分配在葉和根中。堿脅迫下Ca 的轉(zhuǎn)運能力降低,更多的Ca 分配在根中。Na+是植物生長鹽害的主要離子,它抑制Ca2+從土壤流入細(xì)胞[45-46]。Mg 是參與光合作用的葉綠素成分和激活劑,葉片Mg 含量的降低可能是光合作用損傷的一個原因[47]。NaCl 脅迫下Mg 吸收能力增加但是轉(zhuǎn)運能力降低,更多的Mg 分配在葉和根中。Mg2+的吸收和轉(zhuǎn)運增強可能在減輕鈉的毒性作用中發(fā)揮積極作用[48]。Na2SO4脅迫下Mg 吸收能力增加但是轉(zhuǎn)運能力降低,更多的Mg 分配在根中。堿脅迫下Mg 的吸收能力增加但是轉(zhuǎn)運能力降低,更多的Mg 分配在根中。在鹽脅迫下,土壤膠體中的Ca 和Mg 可以被Na 取代,導(dǎo)致有效Ca2+和Mg2+減少,從而部分導(dǎo)致植物生長受損。NaCl 脅迫下S 的轉(zhuǎn)運能力降低,更多的S 分配在葉和根中,Na2SO4脅迫下S 的吸收轉(zhuǎn)運能力增加,更多的S 分配在葉中,堿脅迫下S 的吸收轉(zhuǎn)運能力降低,更多的S 分配在根中。同樣有研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫抑制了S 的攝取[49],但是Na2SO4脅迫的土壤中含有大量的SO42-,在離子競爭過程中占據(jù)優(yōu)勢,使得棉花更容易吸收,從而在體內(nèi)積累大量的S。

鹽堿脅迫顯著影響了棉花的代謝過程,從鹽堿類型上看,Na2SO4改變的棉花代謝途徑數(shù)量最多,對代謝的影響更大,其次是堿脅迫處理,影響最小的是NaCl 脅迫處理,棉花需要更復(fù)雜的代謝去應(yīng)對硫酸鹽脅迫。從器官種類來看,根中的代謝途徑變化數(shù)量多于葉,鹽堿脅迫對根的影響更大,根需要更復(fù)雜的代謝過程去適應(yīng)鹽堿脅迫。Na2SO4脅迫處理下棉花葉片和根中的氨基酸代謝途徑明顯增強,氨基酸數(shù)量明顯增多,這可能是因為Na2SO4脅迫處理土壤中含有大量的SO42-,棉花對S 的吸收轉(zhuǎn)運能力增加,在體內(nèi)積累了更多的S。S 是高等植物生長的必需營養(yǎng)元素,存在于蛋氨酸、半胱氨酸、膜硫脂、細(xì)胞壁、維生素和輔助因子以及具有不同生物功能的各種代謝物中[15-16]。同時,S 元素是二硫鍵形成的關(guān)鍵元素,這對于穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)十分重要[50]。而蛋白質(zhì)是代謝活動的承擔(dān)者,這可能是導(dǎo)致Na2SO4脅迫處理下代謝途徑變化數(shù)量以及生物量顯著高于NaCl 脅迫和堿脅迫處理的原因之一。在堿脅迫下,根中的有機酸代謝明顯增強,有機酸類代謝物明顯上調(diào),L-蘋果酸和琥珀酸含量分別上調(diào)至4.20 倍和2.91 倍。堿脅迫下土壤中的CO32-和HCO3-會導(dǎo)致土壤pH 升高,對植物造成氧化損傷,而根系作為植物與土壤的直接接觸器官,這就需要根系做出適當(dāng)反應(yīng)來改變根際土的微觀環(huán)境,使根際微環(huán)境得以改善,從而適合棉花生長。大量研究表明,堿脅迫會誘導(dǎo)作物根系分泌大量有機酸,緩沖堿脅迫帶來的高pH 脅迫,保持細(xì)胞內(nèi)的pH 穩(wěn)定和離子平衡[51-53]。根中有機酸代謝增強和有機酸的積累是分泌有機酸的基礎(chǔ),所以有機酸是棉花根系應(yīng)對堿脅迫的重要物質(zhì)。但葉片中有機酸代謝變化沒有根中的變化明顯,只有亞油酸代謝明顯增強,亞油酸也上調(diào)到3.47 倍。亞油酸積累可以促進脂肪酸的β-氧化,而β-氧化可以為作物的生長代謝提供大量能量,提高作物適應(yīng)脅迫環(huán)境的能力[54]。但是在葉中賴氨酸降解,硫胺素代謝以及色氨酸代謝,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝的部分過程被抑制。原因可能是上述代謝過程的部分底物轉(zhuǎn)運到根系去參與有機酸的轉(zhuǎn)化,正常情況下大約30%～40%的光合固定碳將作為根分泌物轉(zhuǎn)移到根際[55],但是堿脅迫下更多的有機酸分泌到根際中,這就需要更多的有機物從葉片轉(zhuǎn)移到根系進行補充。NaCl 脅迫下,棉花氨基酸和有機酸代謝明顯增強,但是代謝途徑的變化數(shù)量明顯不如Na2SO4脅迫和堿脅迫處理。這可能是因為NaCl 脅迫下棉花受到脅迫比較單一,鹽脅迫首先給棉花帶來的是滲透脅迫,積累氨基酸和有機酸等有機溶質(zhì)是作物應(yīng)對滲透脅迫的重要手段[56-57]。

4 結(jié)論

NaCl 脅迫抑制了棉花對P、Ca、Mg 和S 的轉(zhuǎn)運以及N 的吸收能力,但促進了對N 和K 的轉(zhuǎn)運能力; NaCl 脅迫對代謝的影響相對較小,只有氨基酸和有機酸積累。Na2SO4脅迫對N 和K 的吸收和轉(zhuǎn)運沒有顯著的抑制作用,反而促進了對Mg 和S 的吸收,但是抑制了棉花對Ca 的吸收轉(zhuǎn)運以及Mg 的轉(zhuǎn)運; Na2SO4脅迫對代謝影響明顯,棉花體內(nèi)顯著積累的S 促進了氨基酸類代謝,氨基酸代謝的增強也間接促進了其他代謝的強度,使得棉花耐受Na2SO4的能力較強。堿脅迫抑制了N 和S 的吸收以及P、K、Ca、Mg 和S 的轉(zhuǎn)運能力,但是增加了Mg 的吸收能力; 堿脅迫顯著改變了棉花的有機酸代謝,根部有機酸代謝增強且有機酸顯著積累,葉片中亞油酸顯著積累。