鹽脅迫下不同大麥品種根系中離子微域分布的研究

鹽脅迫下不同大麥品種根系中離子微域分布的研究

沒有足夠的證據(jù)證明硅是植物生長的必要因素。研究表明，硅可以提高植物對(duì)非生物脅迫（如鐵、錳、鋁等）等有害和生物脅迫的抗性。根據(jù)最近的研究，適量添加硅可以顯著提高植物的抗鹽性，并減少對(duì)植物的鹽損害。結(jié)果表明，通過添加硅作為一個(gè)整體，可以顯著提高作物的耐鹽性，降低小麥對(duì)鈉的吸收。根據(jù)一些研究，在水培條件下加入硅可提高山羊和小麥的耐鹽性，促進(jìn)山羊?qū)︹涬x子的吸收，抑制鈉離子的吸收，提高鉀和鈉的選擇性比例（sk，na）。研究還表明，硅降低了大麥葉片的耐鹽性，提高了山羊葉片超氧化酶（sod）的活性，降低了丙二醇（mda）的含量。結(jié)果表明，硅可以降低鹽中大麥脂質(zhì)化的影響。鹽脅迫下，大麥超微結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，兩個(gè)葉綠體膜退化，基質(zhì)片層結(jié)構(gòu)受損。鹽脅迫下，通過x射線勘探法研究了不同耐鹽性水稻根系中離子微帶的影響，尤其是與植物耐鹽密切相關(guān)的鉀、鈉、氯等。闡明了硅提高麥耐鹽性的機(jī)制，為加快農(nóng)地開發(fā)提供了重要依據(jù)。1材料和方法1.1營養(yǎng)液體系和處理采用兩個(gè)大麥(HordeumvulgareL.)品種,即耐鹽大麥鑒4和鹽敏感大麥科品7號(hào).種子用1.0g/L的HgCl2消毒10min,然后用蒸餾水反復(fù)沖洗,最后將種子鋪在濾紙上置于25℃恒溫箱內(nèi)催芽.將萌芽后的種子播在裝有石英砂的瓷盆內(nèi),置于溫室內(nèi)生長.其間用1/4Hoagland營養(yǎng)液滴澆.待出現(xiàn)第2片完全葉時(shí),選擇10株勻稱、健壯的幼苗移栽到塑料杯中.塑料杯周圍包有遮光黑布.每只塑料杯盛有1000mL營養(yǎng)液,第1周用1/2Hoagland營養(yǎng)液,第2周起改用完全營養(yǎng)液.營養(yǎng)液連續(xù)通氣,每周更換1次.溫室內(nèi)光照約12h,白天最高溫度25℃,夜間最低溫度15℃.營養(yǎng)液每天用KOH或H2SO4稀溶液調(diào)節(jié)至pH6.2.從第2周起對(duì)大麥苗進(jìn)行鹽和硅處理,試驗(yàn)處理為:(i)加120mmol/L氯化鈉和不加硅處理(Si-NaCl+);(ⅱ)加120mmol/L氯化鈉和1.0mmol/L硅(Si)處理(Si+NaCl+).每個(gè)處理3次重復(fù),完全隨機(jī)排列,共有2×3×2=12缽.加硅處理所用的硅源為化學(xué)純(K2SiO3·nH2O),由硅酸鉀所引入的鉀量從配制Hoagland營養(yǎng)液所用的KNO3中扣除,由此而引起的損失用稀硝酸補(bǔ)償.配制營養(yǎng)液的水為蒸餾水.1.2耐鹽天麻正解層的掃描掃描能譜分析按施衛(wèi)明等人所述的方法進(jìn)行樣品制備.大麥移栽后30d用雙面刀片取距根尖3～4cm的根段,在50g/L的瓊脂液中迅速浸一下,然后播入樣品座的小孔中,用雙面刀片切一橫斷面迅速投入液氮(-196℃)中冷凍.然后經(jīng)真空干燥,噴鍍碳膜后在JSM-6300(JEOL公司)掃描電子顯微鏡下觀察,能譜儀為美國KEVEX公司的Sigma能譜儀,加速電壓為15kV,速流為0.07μA,樣品傾斜角為0°,樣品與探針間的角度為35°,工作距離為12.0mm.對(duì)兩個(gè)品種的各處理進(jìn)行了點(diǎn)分析(每個(gè)處理3次重復(fù),每個(gè)樣品分別掃描5次,獲得的結(jié)果一致),計(jì)算機(jī)在自動(dòng)扣除各元素的背景值后根據(jù)點(diǎn)分析圖譜中各元素峰譜通過面積分法計(jì)算出相對(duì)含量百分?jǐn)?shù),并對(duì)耐鹽大麥品種進(jìn)行了面掃描分析.2結(jié)果2.1耐鹽天麻鑒4根尖離子微域分布圖1是Si-NaCl+處理的鹽敏感大麥科品7號(hào)在分蘗后期根尖的X射線電子探針點(diǎn)分析結(jié)果.從圖中可以看出,無論在表皮、皮層還是中柱細(xì)胞,鉀離子和鈣離子的X射線峰較低,而氯離子的峰較高.各部位氯離子相對(duì)重量分別為74.05%,57.08%和39.87%,鈉離子的相對(duì)重量分別為1.40%,21.54%和14.69%,鉀離子的相對(duì)重量分別為8.29%,6.99%和13.53%(表1).圖2是Si+NaCl+處理鹽敏感大麥科品7號(hào)根尖表皮、皮層和中柱的X射線電子探針元素點(diǎn)分析圖譜.從圖中可以看出,一個(gè)最明顯的特征是鉀離子的峰大幅度提高,而氯離子峰顯著降低.鉀離子表皮、皮層和中柱的相對(duì)重量分別為40.55%,31.34%和43.48%,氯離子分別為10.85%,6.11%和36.12%,而鈉離子分別為14.30%,39.55%和9.88%,表明鈉離子有向表皮和皮層細(xì)胞積聚的趨勢(shì)(表2).對(duì)照表1和2可以發(fā)現(xiàn),Si+NaCl+處理的根尖表皮、皮層和中柱的鈉離子相對(duì)重量分別是Si-NaCl+處理的10.21,1.84和0.67倍,氯離子的相對(duì)重量分別是Si-NaCl+處理的14.6%,10.7%和90.6%,而鉀離子的相對(duì)重量分別比Si-NaCl+處理提高了389.1%,348.4%和221.4%.同時(shí),加硅處理后,硅在表皮、皮層和中柱中顯著提高,但主要在表皮細(xì)胞中,表皮和皮層細(xì)胞中鈣離子的相對(duì)含量亦有增加的趨勢(shì)(表1和2).對(duì)于耐鹽大麥鑒4來說,根尖離子的微域分布趨勢(shì)與上述鹽敏感品種相似.從圖3中可以清楚地看出,Si-NaCl+處理的大麥根尖表皮、皮層和中柱中鈉離子、氯離子的X射線峰較高,而鉀離子的峰較低.在表皮、皮層和中柱中鈉離子的相對(duì)重量分別為7.22%,8.19%和1.16%,氯離子分別為39.40%,42.93%和37.45%,而鉀離子分別為30.30%,30.79%和35.18%(表3).圖4是Si+NaCl+處理的耐鹽大麥鑒4根尖表皮、皮層和中柱的X射線電子探針元素點(diǎn)分析圖譜.由圖可見,表皮、皮層和中柱中鈉離子、氯離子峰較低,而鉀離子峰較高.在表皮、皮層和中柱的鈉離子相對(duì)重量分別為5.22%,3.32%和0.66%,氯離子的相對(duì)重量分別為40.74%,37.16%和29.02%,而鉀離子的相對(duì)重量分別為32.83%,42.43%和49.05%(表4).比較表3和4發(fā)現(xiàn),Si+NaCl+處理的根尖表皮、皮層和中柱的鈉離子相對(duì)重量分別為Si-NaCl+處理的72.3%,40.5%和56.9%;氯離子的相對(duì)重量分別為Si-NaCl+處理的103.4%,86.6%和77.5%,而鉀離子的相對(duì)重量分別比Si-NaCl+處理提高8.3%,37.8%和39.4%.圖5和6分別是Si-NaCl+和Si+NaCl+處理的耐鹽大麥鑒4在分蘗后期根尖元素分布的X射線電子探針面掃描圖,圖中IM是根尖橫切面掃描電子顯微鏡圖.從圖5中可以非常清晰地看出,鹽脅迫下,Si-NaCl+處理大麥根尖橫切面鈉離子、氯離子含量較高,且較集中分布于皮層和表皮細(xì)胞中,而中柱部位含量較低;鉀離子含量較低,分布也較均勻.與不加硅的Si-NaCl+處理相比,Si+NaCl+處理根尖橫切面中鈉離子、氯離子含量極顯著降低,且較均勻地分布于整個(gè)根尖橫切面,而鉀離子含量極顯著地增加,在根橫切面上的分布也較均勻.還可看出,磷在根尖橫切面上的分布受硅的影響較小,加硅處理的根尖橫切面上硅含量比對(duì)照稍高些.3鹽脅迫對(duì)硅系h+-atp酶活性的影響鹽分(NaCl)對(duì)植物的危害很大程度上取決于鹽分離子在植物體內(nèi)的濃度、分布及植物對(duì)鹽分的耐性.鹽分對(duì)植物毒害的機(jī)制之一是植物體內(nèi)過高的鹽分離子對(duì)植物產(chǎn)生的離子毒害效應(yīng).過去的一些研究已證明了植物體內(nèi)的過量鈉離子、氯離子是植物產(chǎn)生鹽害的重要原因之一.前人的研究表明,加硅可降低水稻和小麥體內(nèi)鈉離子的濃度,從而提高植物對(duì)鹽害的抗性.還有研究表明,水培條件下加硅可提高鹽脅迫大麥葉片的光合作用速率,促進(jìn)大麥對(duì)鉀離子的吸收,抑制對(duì)鈉離子的吸收,從而提高鉀、鈉選擇性比率(SK,Na).進(jìn)一步的研究還表明,鹽脅迫下加硅不但可顯著提高大麥葉片中SOD活性,降低MDA濃度,而且還提高根系H+-ATP酶活性.鹽脅迫下硅對(duì)根系H+-ATP酶活性的提高可能是硅提高鉀、鈉選擇性比率的原因.本試驗(yàn)的結(jié)果顯示,鹽脅迫下加硅可明顯降低大麥根系表皮、皮層和中柱細(xì)胞中鈉離子,氯離子的X射線峰,提高鉀離子的X射線峰,而且不管是鹽敏感大麥還是耐鹽大麥均獲得了較一致的結(jié)果.這一發(fā)現(xiàn)為硅提高鹽脅迫大麥體內(nèi)鉀離子濃度,降低鈉、氯離子濃度,進(jìn)而提高大麥的耐鹽性提供了直接的證據(jù).硅一方面顯著降低了鹽脅迫大麥對(duì)鈉離子的吸收,減少大麥組織中鈉離子的濃度,一方面使鈉離子和氯離子在根系中的微域分布變得均勻,從而提高了大麥的耐鹽性,這是硅提高大麥耐鹽性和減輕大麥鹽害的重要機(jī)制.據(jù)報(bào)道,硅提高水稻、蠶豆對(duì)錳毒害的機(jī)制是硅使過量錳在葉片中的分布變得均勻,而不是硅降低錳的吸收.看來,硅改變無機(jī)離子在植物體內(nèi)的分布,尤其是微域分布狀況不但是硅提高植物對(duì)重金屬抗性的重要機(jī)制,也是硅降低鹽分離子對(duì)植物毒害的一個(gè)原因.眾所周知,植物的耐鹽性存在著顯著的基因型差異.本研究中,相同鹽濃度下,不加硅處理的鑒4大麥根尖表皮、皮層和中柱細(xì)胞中鉀離子的峰高(圖1和3)和鉀離子相對(duì)含量(表1和3)比科品7號(hào)大麥高,表明鑒4大麥耐鹽性強(qiáng)于科品7號(hào)大麥.而加硅后,兩個(gè)品種大麥根尖表皮、皮層和中柱細(xì)胞中鉀離子的峰高(圖2和4)和鉀離子相對(duì)含量(表2和4)均比不加硅的對(duì)應(yīng)處理增加,但科品7號(hào)的增加幅度更大,表明硅可以減輕大麥鹽害.硅可提高作物對(duì)鋁毒和重金屬脅迫抗性的機(jī)制已有較多的報(bào)道[[1,2,4,13,14,15,16].一般認(rèn)為,硅與鋁或重金屬在介質(zhì)和植物體內(nèi)形成共沉淀使之鈍化是其重要的機(jī)制之一.但硅對(duì)作物鹽害的影響及其機(jī)制的研究資料較少,應(yīng)引起重視.硅改變過量鹽分離子(Na+,Cl-)在植物組織中的微域分布有待進(jìn)一步研究,這方面的深入研究有利于闡明硅提高非生物脅迫的機(jī)制,并可為論證硅的生物學(xué)功能提供新的認(rèn)識(shí)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)證據(jù).值得一提的是,本