文章信息
- 乌凤章, 朱心慰, 胡锐锋, 王贺新, 陈英敏
- Wu Fengzhang, Zhu Xinwei, Hu Ruifeng, Wang Hexin, Chen Yingmin
- NaCl胁迫对2个蓝莓品种幼苗生长及离子吸收、运输和分配的影响
- Effects of NaCl Stress on Growth Ion Uptake, Transportation and Distribution of Two Blueberry(Vaccinium corymbosum) Cultivars Seedlings
- 林业科学, 2017, 53(10): 40-49.
- Scientia Silvae Sinicae, 2017, 53(10): 40-49.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20171005
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文章历史
- 收稿日期:2016-12-23
- 修回日期:2017-01-13
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作者相关文章
2. 大连大学生命科学与技术学院 大连 116622
2. School of Life Science and Technology, Dalian University Dalian 116622
蓝莓(Vaccinium corymbosum)为杜鹃花科(Ericaceae)越橘属(Vaccinium spp.)植物,果实中的花色苷有抗氧化、清除自由基、抗癌和改善视力等生物活性,具有巨大的保健功能(Bornsek et al., 2012)。我国自20世纪80年代开始引种蓝莓,至2015年栽培面积近3万hm2,产量达到2.5万t(吴林,2015)。蓝莓作为新型经济树种在发展农村经济中起到了重要作用,但由于我国沿海和北方地区的盐渍化土壤不利于其生长发育,限制了其栽培区域的扩大。此外,在蓝莓生产中灌溉水、有机肥料以及酒糟的施用(Möller et al., 2014)都可导致土壤Na+及Cl-的积聚,发生盐害,从而影响蓝莓果实产量及品质。因此,选育耐盐蓝莓品种是盐渍化土壤蓝莓开发利用的重要手段之一。
不同种和品种蓝莓对盐胁迫的敏感性不同(Patten et al., 1989; Wright et al., 1992)。Barrett(2011)研究表明,高丛蓝莓(Vaccinium corymbosum)对低浓度盐分具有一定耐性,但对高浓度盐分、Na+和Cl-毒性敏感(Muralitharan et al., 1992; Wright et al., 1992; 郭晓光,2005)。50 mmol· L-1 NaCl可使北高丛蓝莓‘蓝丰’ (V. corymbosum. cv. ‘Bluecrop’)根、茎和叶Na+、Cl-积累量明显增加; K+含量明显下降;可溶性糖、苹果酸含量明显提高(Muralitharan et al., 1992)。较高浓度的NaCl胁迫使‘蓝丰’净光合速率下降,抑制生长(乌凤章,2015)。而有关不同类型高丛蓝莓品种耐盐性差异,以及NaCl胁迫下其矿质离子吸收、运输和分配特征的报道很少。本文在温室盆栽条件下,以北高丛,蓝莓‘蓝丰’和南高丛蓝莓‘奥尼尔’(V.corymbosum. cv. ‘O′Neal’)幼苗为材料,研究NaCl胁迫下干物质累积、叶片受害情况以及根、茎、叶中K+、Na+、Ca2+、Mg2+和Cl-的吸收、运输和分配特性,以期深入了解蓝莓的盐适应机制,为在盐碱地开发利用及合理栽培蓝莓提供理论基础和科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料选用2年生北高丛蓝莓‘蓝丰’和南高丛蓝莓‘奥尼尔’扦插苗,苗木由大连森茂现代农业有限公司提供。
1.2 试验设计选取生长良好且规格相对一致的蓝莓幼苗并移栽到花盆(盆高24 cm、口径29.5 cm、底径21.5 cm)中,每盆栽植1株。栽培基质为草炭土:园土=1:1,pH为5.2。分别设0、100、200、300 mmol·L-1 NaCl 4个处理,每个处理3次重复,每个重复3盆。每隔5天用相应浓度的盐溶液浇灌,每盆浇0.5 L,花盆底放塑料托盘,若有溶液流出,则回倒入盆中。每次浇灌前用去离子水充分淋洗基质,以确保实验设计的准确性。试验在现代农业试验基地温室内进行,2015年7月14日—8月23日,共胁迫处理40天。环境温度为25~35 ℃,相对湿度为40%~70%。
1.3 测定指标与方法 1.3.1 干物质质量测定胁迫处理结束后,每个处理随机选择幼苗3株,分别采集根、茎和叶,在105 ℃下杀青15 min,然后80 ℃烘至恒质量,自然冷却后分别测定各组分的干物质质量,并计算全株总干质量(根干质量+茎干质量+叶干质量)以及相对干物质质量。
1.3.2 盐害指数测定盐害分级标准参照李庆贱(2010)的方法进行统计;盐害指数参照刘炳响等(2012)的方法计算:
盐害指数=∑(盐害级数×相应盐害级植株数)/(总株数×盐害最高级数)×100%。
1.3.3 矿质离子含量的测定准确称取烘干并粉碎的植物样品0.5 g置于马福炉(550 ℃)中灰化4 h。然后用浓硝酸溶解,采用原子吸收光度计测定K+、Na+、Ca2+和Mg2+含量;采用AgNO3滴定法测定Cl-含量。计算各组织中K+/Na+、Ca2+/Na+、Mg2+/Na+值。
1.3.4 离子选择性运输能力植株不同部位对离子选择性运输(SX,Na+)能力计算公式:
SX,Na+=库器官{[X]/[Na+]}/源器{[X]/[Na+]}。
式中,X为K+、Ca2+和Mg2+中任意之一,SX,Na+值越大表示源器官控制Na+、促进X向库器官的运输能力越强,即库器官的选择性运输能力越强。
1.4 数据处理采用SPSS统计软件对数据进行差异显著性分析与多重比较、简单相关分析; 应用Exeel 2010绘制数据图表。所得数据为平均值±标准误差。
2 结果与分析 2.1 NaCl胁迫对干质量的影响生长抑制、干质量降低是盐胁迫下植物最敏感的生理响应。随着NaCl浓度增大,‘奥尼尔’全株干质量明显减少;在低浓度NaCl处理下,‘蓝丰’全株干质量与对照无明显差异,随着Nacl浓度加大而明显低于对照(P < 0.05) (表 1)。在200和300 mmol·L-1 NaCl胁迫下,‘奥尼尔’总干质量分别比对照下降39.84%和57.34%,而‘蓝丰’总干质量分别比对照下降29.04%和45.59%。2个蓝莓品种盐害指数随NaCl浓度增大而明显增大,相同浓度下‘奥尼尔’盐害指数大于‘蓝丰’(表 1)。这说明低盐胁迫对‘蓝丰’生长影响较小,高盐胁迫显著抑制2个蓝莓品种正常生长,导致叶片受害,但‘蓝丰’受影响程度低于‘奥尼尔’,由此推断‘蓝丰’耐盐性强于‘奥尼尔’。
除‘蓝丰’茎外,随着NaCl浓度增大,蓝莓各器官Na+含量呈明显增加趋势(图 1)。在100~200 mmol·L-1 NaCl处理下,蓝莓叶Na+含量明显高于根和茎(P < 0.05),但从Na+含量增幅来看,叶和根的增幅差距不明显,但二者明显高于茎的增幅,说明在此浓度盐处理下除叶积聚了较多的Na+外,根也截留了一定数量的Na+。在300 mmol·L-1 NaCl处理下,叶Na+含量及增幅都明显高于根和茎,而根和茎的差别不明显,说明此浓度盐处理下,Na+主要积累在叶中。不同浓度NaCl处理下,‘蓝丰’叶和茎Na+含量及增幅均小于‘奥尼尔’(图 1)。说明盐胁迫对‘蓝丰’Na+吸收的影响小于‘奥尼尔’。
随着NaCl浓度增大,蓝莓根、茎和叶Cl-含量均明显增加(P < 0.05);在相同NaCl浓度处理下,Cl-含量大小依次为叶>茎>根(图 2)。在100 mmol·L-1 NaCl处理下,蓝莓根Cl-含量增幅略高于茎和叶; 随着NaCl处理浓度加大,根Cl-含量增幅减小,茎和叶增幅加大。当NaCl处理浓度达到300 mmol·L-1时,茎和叶Cl-含量增幅接近,且明显高于根系Cl-含量增幅(P < 0.05)。这说明在低盐处理下,蓝莓根系具有较强的截留Cl-能力,但在高盐处理下,这种能力减弱,从而使地上部分积聚较多的Cl-。在NaCl处理下,‘奥尼尔’各器官Cl-含量均明显高于‘蓝丰’。说明盐胁迫对‘蓝丰’Cl-吸收的影响小于‘奥尼尔’。
随着NaCl浓度增大,蓝莓根、茎和叶K+含量持续下降,且明显低于对照;相同NaCl浓度处理下,K+含量大小依次为叶>茎>根(图 3)。随着盐浓度的增大,蓝莓根K+含量降幅大于叶和茎,而叶K+含量降幅较小。这说明盐胁迫显著抑制了植株对K+的吸收,其中叶K+吸收受到的抑制作用小于根和茎,这对于叶片维持正常的生理活动具有重要作用。
在不同浓度NaCl处理后,‘奥尼尔’根Ca2+含量明显低于对照(P < 0.05),茎Ca2+含量与对照无显著差异(P>0.05);在100~200 mmol·L-1 NaCl处理下,‘蓝丰’根和叶以及‘奥尼尔’叶Ca2+含量与对照无明显差异,在300 mmol·L-1 NaCl处理下其明显低于对照;在NaCl处理下,‘蓝丰’茎Ca2+含量明显高于对照,‘蓝丰’叶Ca2+含量与对照无显著差异(图 4)。在200、300 mmol·L-1 NaCl处理下,‘蓝丰’根和茎Ca2+含量明显高于‘奥尼尔’。这说明盐胁迫对‘蓝丰’根Ca2+积累影响小于‘奥尼尔’,而且明显促进‘蓝丰’茎对Ca2+的吸收。
在100 mmol·L-1 NaCl处理下,2个蓝莓品种根和茎Mg2+含量与对照无显著差异;在200、300 mmol·L-1 NaCl处理下,均明显低于对照(P < 0.05)。2个蓝莓品种叶Mg2+含量与对照无显著差异(P>0.05)(图 5)。在NaCl处理下,‘蓝丰’根、茎、叶Mg2+含量均高于‘奥尼尔’。这说明低盐胁迫没有影响蓝莓根和茎对Mg2+的吸收,而高盐胁迫对其抑制作用较大;盐胁迫没有影响叶对Mg2+的吸收,从而使植株叶片所受盐害降到最低水平。
K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比常用来表征盐胁迫对离子平衡的破坏程度,比值越低表明Na+对K+、Ca2+和Mg2+吸收的抑制效应越强,受盐害越严重。在NaCl处理下,蓝莓根、茎、叶中K+/Na+、Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值明显低于对照(P < 0.05) (表 2),这说明盐胁迫破坏了2个蓝莓品种幼苗各器官的离子平衡。NaCl处理下,2个蓝莓品种茎K+/Na+和Ca2+/Na+值明显高于其他器官,而且‘蓝丰’茎Ca2+/Na+和K+/Na+离子比降幅明显低于‘奥尼尔’,这可能与‘蓝丰’的盐适应能力较强有关。
SX,Na+值反映了植物根系中Na+、K+、Ca2+和Mg2+向地上部分运输的选择性,同时也反映了植物受胁迫的程度。由表 3、表 4、表 5可知,在NaCl处理下,2个蓝莓品种由根部到茎部运输SK+,Na+和SCa2+,Na+明显高于对照(P < 0.05),而SMg2+,Na+与对照大体上无明显差异(P>0.05);在200~300 mmol·L-1 NaCl处理下,‘蓝丰’由根部向茎部运输的SK+,Na+值增幅明显大于‘奥尼尔’, 这说明盐胁迫加强或维持蓝莓幼苗由根部向茎部K+、Ca2+和Mg2+的运输。
在NaCl胁迫下,2个蓝莓品种从茎到叶运输能力SK+,Na+在100 mmol·L-1 NaCl处理下与对照无明显差异,其余处理明显低于对照;在NaCl处理下,‘蓝丰’SCa2+,Na+明显低于对照,而‘奥尼尔’保持稳定;在100 mmol·L-1 NaCl处理下SMg2+,Na+明显低于对照,随着NaCl处理浓度增大,明显高于对照或维持稳定。在100~200 mmol·L-1 NaCl处理下‘蓝丰’由茎部向叶片的运输能力SCa2+,Na+和SMg2+,Na+高于‘奥尼尔’。上述结果说明盐胁迫抑制了2个蓝莓品种由茎到叶K+和‘蓝丰’由茎到叶Ca2+的运输;高盐胁迫促进了由茎到叶Mg2+运输,而且对‘蓝丰’的促进作用更大。
2个蓝莓品种从根到叶的整体离子运输能力SK+,Na+、和SMg2+,Na+以及‘蓝丰’的SCa2+,Na+呈明显降低-稳定-降低趋势;‘奥尼尔’SCa2+,Na+保持稳定;在200、300 mmol·L-1 NaCl处理下,‘蓝丰’K+和Mg2+整体离子运输能力明显高于‘奥尼尔’。这说明盐胁迫抑制了蓝莓K+和Mg2+整体离子运输能力,但‘蓝丰’受抑制程度低于‘奥尼尔’。综上所述,‘蓝丰’维持离子平衡能力较强,整体离子运输能力受抑制程度低于‘奥尼尔’。
2.5 盐离子含量与生长和受害状况相关关系2个蓝莓品种叶Na+含量以及茎和叶Cl-含量与全株干物质量呈显著或极显著负相关(表 6)。此外‘蓝丰’根Cl-含量与全株干物质量呈显著负相关。可见,不同器官中Cl-含量对植株生长都有显著影响,据此推测蓝莓植株生长对Cl-较为敏感。2个蓝莓品种叶Na+和Cl-含量分别与植株盐害指数呈极显著和显著正相关。这说明植株体内的(尤其是叶)Cl-和Na+对其生长都有抑制作用,并导致其植株形态上出现受害症状。
干质量是植物对盐胁迫的综合反应,是表征其耐盐性的直接指标(Vicente et al., 2014)。本研究结果表明,在NaCl处理下,2个蓝莓品种幼苗生长受到抑制,表现出不同程度的受害症状,其中‘奥尼尔’生长受抑制程度及受盐害程度明显大于‘蓝丰’,这表明2个蓝莓品种对盐胁迫较为敏感,相对而言,‘蓝丰’植株对盐胁迫的适应性较强。由于盐胁迫降低了光合速率和单位面积的光合生产力,使植物全株干质量下降,这是植物对盐胁迫的一种适应(乌凤章,2015; 王素平等,2007),此外渗透调节能耗和维持生长能耗的增加,也会导致干物质积累量减少(罗庆云等,2001)。
莫海波等(2011)将相对干质量下降为对照植株的50%作为该树种的生长临界浓度。本研究中,与对照相比,200 mmol·L-1 NaCl胁迫导致2个蓝莓品种植株的相对干质量下降30%~40%,这说明在本试验条件下蓝莓生长临界NaCl浓度高于200 mmol·L-1。
3.2 NaCl胁迫下离子含量变化盐胁迫下,Na+与Cl-大量进入植株体内,并大量积累,引起渗透胁迫和离子毒害,最终导致植株生长发育受到抑制(吴运荣等,2014)。非盐生植物往往通过根的选择性吸收限制Na+进入,促进Na+外排,或通过离子区隔化维持离子平衡,提高耐盐性(Deinlein et al., 2014; 王树凤等,2010)。但不同植物的离子区隔化方式不同,如欧洲鹅耳枥(Carpinus betulus) Na+主要集中在茎部,而鹅耳枥(C.turczanzinowii)和弗吉尼亚栎(Quercus virginian) Na+主要集中在根部(周琦等,2015; 王树凤等,2010))。本研究中,2个蓝莓品种在100、200 mmol·L-1 NaCl胁迫下,Na+主要积聚在根和叶中,Cl-较为均匀地分布在根、茎、叶中,此时根系截留了一定数量的盐离子,以保持叶片组织相对低的盐离子水平,避免对叶片造成较大的伤害;当盐浓度增大到300 mmol·L-1时,叶成为Na+和Cl-主要积聚部位,此时盐浓度超过其能忍受的范围,这一平衡被打破,植株拒Na+和Cl-能力受到较大限制,导致生长严重受阻(Muralitharan et al., 1992; Wright et al., 1994; Wright et al., 1995)。
不同植物对Cl-和Na+的敏感性不同,如水稻(Oryza sativa)的盐胁迫伤害主要是由Na+引起的(Khare et al., 2015),而柑橘(Gitrus aurantium)、烟草(Nicotiana tabacum)等的盐胁迫伤害主要是由Cl-引起的(Moya et al., 2003; Karaivazoglou et al., 2005)。本研究中,2个蓝莓品种叶Cl-和Na+含量分别与全株干质量和盐害指数呈显著或极显著负相关和正相关,表明盐胁迫下Cl-和Na+的过度积累将引起离子毒害,从而阻止生长发育。这与加拿大狭叶越桔(Vaccinium angustifolium)叶片Na+和Cl-含量与灌丛高度和茎重量呈负相关的结果一致(Sheppard, 1991),也同土壤中Na+和Cl-含量与苇状羊茅(Festuca arundinacea) (李品芳等,2005)以及萨摩野菊(Dendranthema ornatum)生长受阻相关的结果一致(管志勇等,2010)。
K+具有调控离子平衡、调节渗透和细胞膨压等生理功能。由于Na+和K+具有相似的水合能和离子半径,盐胁迫下Na+竞争K+吸收位点及活性位点,根细胞中的K+会被Na+取代,再向地上部运输,导致K+吸收减少,依赖K+的酶活性及代谢过程受到抑制(Maathuis et al., 1999)。因此,保持细胞内较高的K+含量及较高的K+/Na+值可以减少盐对组织的伤害,是机体正常活动所必须的(Kopittke,2012)。本研究中,在低浓度盐胁迫下各器官K+含量降幅较小,从而对植株生长的影响也较小。当盐浓度增大时,蓝莓植株叶K+含量下降幅度较小,而根K+含量下降幅度要比叶大很多,表明蓝莓地上部具有一定的K+保有能力,以此来增强抗盐能力,这与时丽冉等(2014)对小黑麦(Triticosecale)的研究结果一致。
3.3 NaCl胁迫下离子分配和运输在盐渍环境下,盐离子与营养元素的比值会发生变化,从而改变植物的营养平衡,影响细胞正常的生理代谢。细胞质中高K+/Na+值对于植物的正常细胞功能是必需的。通常把K+/Na+作为鉴定植物耐盐性的有效指标,认为盐胁迫下K+/Na+值高的植物耐盐性强(王仁雷等,2002),其原因可能是耐盐品种根系细胞质膜ATPase活性上升,形成的质子跨膜梯度促进了K+进入细胞质,并激活质膜上Na+/H+转运体,从而提高K+的吸收和Na+的排放(靳娟等,2015)。本研究中,NaCl胁迫导致2个蓝莓品种各器官K+/Na+明显降低,这与刘正祥等(2014)对沙枣(Elaeagnus angustifolia)以及路斌等(2015)对野皂荚(Gleditsia microphylla)的研究结果一致。此外,Ca2+/Na+、Mg2+/Na+也可以作为许多植物耐盐指标。Dasgan等(2002)发现Ca2+/Na+值与番茄(Lycopersicon esculentum)耐盐性密切相关。本研究中,在盐胁迫下,2个蓝莓品种茎和叶对Ca2+和Mg2+的相对吸收保持稳定或明显增加,而Ca2+/Na+和Mg2+/Na+比值逐渐下降,且明显低于对照,说明矿质元素与Na+比值下降的原因主要是Na+的净增加。由于盐胁迫下Na+的大量进入,阻碍了蓝莓各器官对营养离子的吸收,最终破坏了各组织的离子平衡。在盐胁迫下,2个蓝莓品种茎K+/Na+和Ca2+/Na+明显高于其他器官;在高盐胁迫下,‘蓝丰’茎K+/Na+和Ca2+/Na+降幅明显低于‘奥尼尔’,这可能与‘蓝丰’对盐胁迫适应性较强有密切关系。
离子选择性运输系数可以反映植物对矿质离子向上运输的选择能力。盐胁迫下营养离子选择性运输系数越大,说明植株促进营养离子向上运输的能力就越强,留在根中的Na+越多,其耐盐能力也就越强(Teakle et al., 2007)。本研究中,随着盐浓度加大,2个品种蓝莓从根到叶整体离子运输能力SK+,Na+、SCa2+,Na+、SMg2+,Na+经历了降低-升高-降低过程或保持相对稳定,在200 mmol·L-1 NaCl处理下,离子运输能力维持在对照水平,这表明尽管此浓度盐胁迫下蓝莓根系矿质离子吸收降低,但为避免生理代谢受阻,蓝莓通过维持较高的从根到叶的矿质离子选择性运输,以尽量降低因吸收受阻造成的不利影响,维持叶相对稳定的矿质离子与钠离子的比值,减小盐胁迫对生长的影响。
4 结论盐胁迫显著提高了蓝莓幼苗不同器官Cl-和Na+的积累量;明显抑制了不同器官对K+的吸收;不同程度抑制了根对Ca2+的吸收以及根和茎对Mg2的吸收,但没有明显影响茎对Ca2+以及叶对Ca2+和Mg2的吸收。盐胁迫加强了植株从根到茎的K+和Ca2+的选择性运输;明显抑制了植株从根到叶K+和Mg2+的整体离子运输,从而破坏了叶离子平衡,导致离子毒害的发生和生长的受阻。但高浓度盐胁迫下,‘蓝丰’由根到叶片的K+和Mg2+离子选择性运输能力明显强于‘奥尼尔’,离子平衡能力强于‘奥尼尔’;叶Mg2+含量较高;叶Na+和Cl-含量较低,这些特征有利于植株生长和缓解离子毒害,说明‘蓝丰’耐盐能力强于‘奥尼尔’。
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