干旱胁迫直接影响植物对必需矿质元素的吸收和利用, 当植物受到干旱等逆境胁迫后, 使其对干旱等逆境的适应性增强, 体内的离子分布发生了变化, 通过改变Na⁺、K⁺等离子含量来降低逆境胁迫对植物造成的伤害^[1-2]。在水分胁迫下植物通过积累大量的钠离子来降低细胞内的水势, 对植物保卫细胞的影响使钾离子和氯离子大量流失而钙离子吸收增加。由于水分匮乏而引起的干旱, 钾、钙离子的吸收对植物的生长是至关重要的, 重建体内离子平衡来抵御水分胁迫伤害是植物抗旱性的一大特征^[3-4]。

苜蓿 (Medicago sativa L.) 是一种全球性栽培、适应性广泛、品质优良的豆科饲料作物, 在干旱和盐碱环境下生长良好, 还可以作为绿肥改良土壤, 有利于农业生态环境的改善^[5-6]。本文选取了2种抗旱性不同的苜蓿, 用不同质量分数聚乙二醇 (polyethylene glycol, PEG) 进行模拟干旱胁迫, 着重比较了两者对Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的吸收和这些离子在各器官的分布变化趋势, 从离子平衡方面探讨2种苜蓿耐干旱的差异, 以期对苜蓿在PEG渗透胁迫下的抗性机制有更深入的认识。

以2种抗旱性不同的苜蓿品种为试验材料, 分别为草原1号 (抗旱型) 和龙牧81(旱敏感型), 均由黑龙江省畜牧研究所提供。草原1号苜蓿具有抗旱、耐风沙, 对土壤要求不严格, 适合干旱地区栽培。龙牧81苜蓿抗旱性较差, 适合在半干旱地区栽培。

取2个抗旱性不同的苜蓿种子, 利用土培的方法将其种植在营养钵中, 定期浇水, 待幼苗长至三叶一心期后, 将苜蓿幼苗取出, 用清水洗净根部, 转移至1/2 Hoagland营养液中^[5-7], 进行预培养 (3~5 d)。将放在1/2 Hoagland营养液培养 (3~5 d) 后的苜蓿幼苗取出, 放在5个梯度不同的胁迫液中进行处理48 h。植物生长期间, 用气泵不断向培养液中通气。

处理液成分:CK为1/2 Hoagland营养液即对照；A为1/2 Hoagland营养液+PEG 10%；B为1/2 Hoagland营养液+PEG 15%；C为1/2 Hoagland营养液+PEG 20%；D为1/2 Hoagland营养液+PEG 25%。

每个处理取15个单株, 每3个单株为1组, 分成根、茎和叶3部分。分离后的根、茎和叶用于其他参数的测定。取各处理的苜蓿根、茎、叶片0.1 g, 用去离子水冲洗2~3次, 用滤纸吸干表面的水分, 600 ℃煅烧30 min, 加1 mL硝酸 (3 mol/L) 溶解, 用二次去离子水定容至50 mL, 原子吸收光谱仪测定Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量, 每项指标测定为3次重复。

式中:C为利用标准曲线求的值，mg/L；V为定容体积，mL；W为样品质量，g。

以上测定均设3次重复, 结果以“平均数±标准差”计, 利用Excel 2003作图、SPSS 17.0进行统计分析。

干旱胁迫下, 植物体内Na⁺含量会明显升高, 2种苜蓿表现出相同的变化规律。如图 1所示, PEG胁迫处理中, 苜蓿各器官中的Na⁺含量随PEG质量分数的升高有增加的变化趋势。根和茎的Na⁺含量均在PEG为25%时达到最大值, 叶的Na⁺含量在PEG为20%时达到最大值, 各器官中Na⁺含量从高到低的分布次序为叶＞茎＞根。

图1(Figure 1)

柱状图上不同小写字母表示在同一苜蓿营养器官不同PEG质量分数间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant differences in the same vegetative organs of alfalfa under different PEG concentrations at the 0.05 probability level. 图1 营养器官中Na+含量的变化 Fig. 1 Changes of Na+ content in nutritional organs

在相同质量分数PEG处理下, 除25% PEG胁迫下的根外, 耐旱性较强的草原1号根、茎和叶中Na⁺含量明显高于耐旱性弱的龙牧81;草原1号和龙牧81根中最高Na⁺含量分别比对照增加了241.61%和159.16%, 茎中最高Na⁺含量分别比对照增加了104.85%和165.99%, 叶中最高Na⁺含量分别比对照增加了126.10%和181.78%。各器官相比, 草原1号根中增加幅度最大, 叶次之, 茎增加幅度最小; 龙牧81则在叶中增加幅度最大, 其次为根和茎。草原1号根中除Na⁺含量增加幅度大于龙牧81外, 茎和叶的Na⁺含量增加幅度均小于龙牧81。

与相应的对照相比 (图 2), 各质量分数PEG处理的2种苜蓿幼苗各器官K⁺含量均下降, 且下降幅度表现出不同的变化规律, 草原1号和龙牧81苜蓿根的K⁺含量分别在PEG为15%、20%时达到最小值, 茎和叶的K⁺含量分别在PEG为25%或20%时达到最小值。除25% PEG胁迫下的茎外, 各器官K⁺含量从高到低的分布次序均为叶＞茎＞根, 并且随PEG质量分数增加, 叶片中K⁺含量下降幅度明显高于根和茎。在高质量分数PEG处理下, 耐旱性强的草原1号根、叶中K⁺含量大于龙牧81。在高质量分数下处理, 茎中K⁺含量小于龙牧81。草原1号和龙牧81根中最低K⁺含量分别比相应的对照降低了11.03%和25.79%, 茎中最低K⁺含量分别比对照降低了12.36%和15.20%, 叶中最低K⁺含量分别比对照降低了24.61%和30.40%, 各器官相比, 草原1号和龙牧81在叶中降低幅度最大, 其次为根和茎。除了低质量分数处理时草原1号叶中K⁺含量低于龙牧81外, 其他各器官在PEG处理下的K⁺含量增幅均高于龙牧81。

图2(Figure 2)

柱状图上不同小写字母表示在同一苜蓿营养器官不同PEG质量分数间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant differences in the same vegetative organs of alfalfa under different PEG concentrations at the 0.05 probability level. 图2 营养器官中K+含量的变化 Fig. 2 Changes of K+ content in nutritional organs

干旱胁迫下, 植物体内Ca²⁺含量会明显下降, 2种苜蓿表现出相同的变化规律。如图 3所示, 在PEG胁迫处理中, 苜蓿各器官中的Ca²⁺含量随PEG质量分数的升高而降低。根、茎和叶的Ca²⁺含量均在PEG为25%时达到最小值, 各器官中Ca²⁺含量从高到低的分布次序为茎＞叶＞根。在相同质量分数PEG处理下, 耐旱性较强的草原1号根、茎和叶中Ca²⁺含量明显高于耐旱性弱的龙牧81;在高质量分数处理下, 草原1号叶片中Ca²⁺含量明显高于龙牧81。草原1号和龙牧81根中最低Ca²⁺含量分别比对照降低了77.80%和84.67%, 茎中最低Ca²⁺含量分别比对照降低了60.48%和49.80%, 叶中最低Ca²⁺含量分别比对照降低了63.00%和78.41%。各器官相比, 草原1号和龙牧81根中降低幅度最大, 叶次之, 茎降低幅度最小。除低质量分数PEG胁迫下的叶外, 草原1号的根、茎中Ca²⁺含量均高于龙牧81。

图3(Figure 3)

柱状图上不同小写字母表示在同一苜蓿营养器官不同PEG质量分数间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant differences in the same vegetative organs of alfalfa under different PEG concentrations at the 0.05 probability level. 图3 营养器官中Ca2+含量的变化 Fig. 3 Changes of Ca2+ content in nutritional organs

与相应的对照相比 (图 4), 各质量分数PEG处理的2种苜蓿幼苗各器官Mg²⁺含量均下降, 且下降幅度表现出相同的变化规律, 草原1号和龙牧81苜蓿根和叶的Mg²⁺含量均在PEG为25%时达到最小值, 茎的Mg²⁺含量分别在PEG为20%或25%时达到最小值。各器官Mg²⁺含量从高到低的分布次序草原1号为根＞茎＞叶, 龙牧81为茎＞根＞叶。并且随PEG质量分数增加, 叶片中Mg²⁺含量下降幅度明显高于根和茎。在高质量分数PEG处理下, 耐旱性强的草原1号的根、叶中Mg²⁺含量大于龙牧81, 茎中Mg²⁺含量小于龙牧81。草原1号和龙牧81根中最低Mg²⁺含量分别比相应的对照降低了38.77%和30.65%, 茎中最低Mg²⁺含量分别比对照降低了30.71%和25.45%, 叶中最低Mg²⁺含量分别比对照降低了41.96%和73.51%。各器官相比, 草原1号和龙牧81叶中Mg²⁺降低幅度最大, 根次之, 茎降低幅度最小。除茎外草原1号的根和叶中Mg²⁺含量均高于龙牧81。

图4(Figure 4)

柱状图上不同小写字母表示在同一苜蓿营养器官不同PEG质量分数间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant differences in the same vegetative organs of alfalfa under different PEG concentrations at the 0.05 probability level. 图4 营养器官中Mg2+含量的变化 Fig. 4 Changes of Mg2+ content in nutritional organs

在干旱胁迫下, 对2种苜蓿根、茎和叶中的Na⁺、K⁺、Ca²⁺和Mg²⁺含量的影响, 导致K⁺/Na⁺、Ca²⁺/Na⁺和Mg²⁺/Na⁺比值的不同变化。如图 5~7所示, 与相应的对照相比, 各质量分数PEG处理的2种苜蓿幼苗各器官K⁺/Na⁺、Ca²⁺/Na⁺和Mg²⁺/Na⁺比值均下降, 且下降幅度表现出基本相同的变化规律, 根、茎和叶的K⁺/Na⁺、Ca²⁺/Na⁺和Mg²⁺/Na⁺比值均在PEG为25%或20%时达到最小值。在高质量分数PEG胁迫下, 根和叶中3种离子的比值和茎的Ca²⁺/Na⁺均为草原1号高于龙牧81。

图5(Figure 5)

柱状图上不同小写字母表示在同一苜蓿营养器官不同PEG质量分数间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant differences in the same vegetative organs of alfalfa under different PEG concentrations at the 0.05 probability level. 图5 营养器官中K+/Na+比值的变化 Fig. 5 Changes of K+/Na+ ratio in nutritional organs

图6(Figure 6)

柱状图上不同小写字母表示在同一苜蓿营养器官不同PEG质量分数间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant differences in the same vegetative organs of alfalfa under different PEG concentrations at the 0.05 probability level. 图6 营养器官中Ca2+/Na+比值的变化 Fig. 6 Changes of Ca2+/Na+ ratio in nutritional organs

图7(Figure 7)

柱状图上不同小写字母表示在同一苜蓿营养器官不同PEG质量分数间在P < 0.05水平差异有统计学意义。 Different lowercase letters above the columns indicate statistically significant differences in the same vegetative organs of alfalfa under different PEG concentrations at the 0.05 probability level. 图7 营养器官中Mg2+/Na+比值的变化 Fig. 7 Changes of Mg2+/Na+ ratio in nutritional organs

植物必需矿质元素在植物的生长发育过程中起重要作用, 不同逆境胁迫会影响植物对矿质元素的吸收^[7-8]。在干旱条件下, 由于土壤中水分减少, 土壤中Na⁺、Cl^-相对含量会升高, 植物吸收过量Na⁺、Cl^-等离子会使K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等其他元素的吸收受到抑制^[9-12]。本试验研究发现, 随着PEG渗透胁迫的加深, 2种苜蓿根、茎、叶中Na⁺含量增加, K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量减少, 2个品种中Na⁺含量在PEG 20%或PEG 25%(中度或重度干旱) 有最大的积累量, 其中Na⁺积累量为叶＞茎＞根, 草原1号 (抗旱型) Na⁺积累量高于龙牧81(干旱敏感型), 由于Na⁺积累, 导致植物体内K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量降低, 以调节植物受到的干旱胁迫。2品种中K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量在PEG 20%或PEG 25%(中度或重度干旱) 有最小的积累量, K⁺积累量为叶＞茎＞根, Ca²⁺积累量茎＞叶＞根, Mg²⁺积累量为根＞茎＞叶。王磊等^[13]研究证明, 随水分胁迫的加剧菊芋体内钠离子含量增加而钾离子和钙离子含量降低, 致使其细胞矿质元素含量和渗透压失衡；王玉凤等^[14]研究证明, 随着胁迫的加剧玉米体内钾离子、镁离子和钙离子的含量均降低；杨子等^[15]研究证明，木薯在干旱胁迫后钾离子和钙离子的变化趋势从无到有, 从不相关转为负相关, 在吸收上表现为拮抗作用的结果一致。

通常植物受到逆境胁迫后会影响植物对基本养分离子的吸收, 从而破坏植物正常生长的养分离子平衡。一些研究已经证明在盐逆境胁迫条件下较高的K⁺/Na⁺对植物的抗盐能力是有益的, 叶中Mg²⁺/Na⁺比值通常是用来衡量植物受到Na⁺毒害程度的重要指标, 叶片的Ca²⁺/Na⁺值用来指示Ca²⁺被Na⁺的置换程度^[16], 但有关干旱逆境对植物离子含量变化的研究报道甚少。本试验研究发现随着PEG质量分数的增加, 2个苜蓿品种的K⁺/Na⁺、Ca²⁺/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺比值均有不同程度的减小, 均在PEG 20%或PEG 25%时值最小, 这是由于植物吸收了大量的Na⁺导致植物对K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺的吸收受到抑制。较高的K⁺/Na⁺、Ca²⁺/Na⁺、Mg²⁺/Na⁺比值有利于植物维持正常代谢和提高抗逆性, 重要养分离子在2种苜蓿植株根、茎、叶中的含量存在差异, 但草原1号苜蓿的根、茎、叶仍能保持一个相对较好的Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺养分离子比值状况, 可能与其抗旱性有关。

随着PEG质量分数的增加, 苜蓿根、茎、叶中Na⁺含量增加, K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺含量减少, K⁺/Na⁺比值、Ca²⁺/Na⁺比值、Mg²⁺/Na⁺比值均减小。PEG为25%时, 除Na⁺外其他离子含量和比值在根和叶中表现出规律性变化, 均为草原1号大于龙牧81, 而茎中变化规律不明显。干旱胁迫影响苜蓿幼苗对矿质元素在根、茎、叶营养器官的分布, 与苜蓿幼苗的抗旱性有一定的相关性。