第29卷第9期2010年9月 种子(Seed) Vo1.29 No.9 Sep.2010 盐碱胁迫对小冰麦种子萌发和早期幼苗生长的影响 贾娜尔・阿汗, 张相锋。赵玉 (新疆伊犁师范学院化学与生物科学学院, 新疆伊宁835000) 摘要:分别将两种中性盐(NaC1和Na:sO )与两种碱性盐(NaHCO,和N%CO )均按摩尔比9:1混合,在模拟出不同强度 的盐碱胁迫条件。比较了盐碱胁迫对小冰麦种子萌发、早期幼苗生长及幼苗中Na 、K 离子含量的影响。结果表明,碱 胁迫对小冰麦种子萌发的抑制作用明显大于盐胁迫,而碱胁迫对萌发的抑制可能是致死的。碱胁迫对早期幼苗生长的 抑制作用也明显大于盐胁迫,尤其对幼根的抑制作用。碱胁迫明显破坏根的结构和功能,导致根活力急剧下降。盐碱胁 迫均造成芽和幼根Na 含量上升而K 含量下降,Na /K 也随之升高。但若两种胁迫相比,碱胁迫下Na 含量及 Na /K 比值上升幅度和K 含量下降幅度均大于盐胁迫。小冰麦的Na 、K 含量变化特点表明,碱胁迫造成的高pH 干扰了根系选择性吸收K 、Na 的能力,而造成了植物体内Na 、K 不均衡,这可能是碱胁迫对小冰麦的伤害作用大于 盐胁迫的原因所在。 关键词:小冰麦;盐胁迫;碱胁迫;萌发;离子 中图分类号:S512.1 文献标志码:A 文章编号: 1101—4705(2010)09-0052-04 Effects of Salt Stress and Alkali Stress on Germination and Growth of Wheat—wheatgrass Earliest Young Seedling JIA Na-er・ahan,ZHANG Xiang-feng,ZHAO Yu (College of Chemistry and Biological Science,Yili Normal University,Yining Xinjiang 835000,China) Abstract:Seeds and young seedlings of Wheat—wheatgrass were stressed with a range of salt stress(molar ratio of NaCI:Na2SO4=9:1)or alkali stress(molar ratio of NaHCO3:Na2CO3=9:1).Effects of both stresses on the germination,growth of earliest young seedling,contents of Na 、K in young seedling were compared.The results showed that the inhibitory effects of alkali stress on germination and growth of young seedling were much stronger than those of salt stress.Alkali stress especially inhibited the growth of young root,and leaded to he severe reductitons in young root activity.In addition,with increasing stress,the contents of Na and Na / K ratio in young seedling increased,while the K content decreased,and the changes under alkali stress were greater than those under salt stress.This indicated that high pH caused by alkali stress interfered the selective absorption of K 一Na in roots and resulted in imbalance of intracellular K 一Na ,which might be the main reason that the harmful action of alkali—stress on Wheat-wheatgrass was stronger than that of salt—stress. Key words: Wheat—wheatgrass;salt stress;alkali stress;germination;ion 土地盐碱化已成为世界性的环境问题,是限制农 0.56×10 hm (37%)的苏打土。盐土和苏打土分布 于100多个国家,大约覆盖了全世界可耕地面积的 业发展的重要因素。虽然全球陆地面积为13.2×10 hm ,但具有开垦价值的部分不超过7×10 hm。,其中 10%。在盐碱土中可溶性盐分的阳离子主要包括 Na 、Ca¨、Mg¨、已开垦为耕地的部分仅为1.5 x 10 hm 。在现有的耕 地中,大约有0.34×10 hm。(23%)的盐土,另外还有 K 等,阴离子主要包括Cl一、SO 卜、 HCO 一、CO 一和NO 一等H J。这些离子均来自中性盐 或碱性盐,事实上,由NaHCO,、Na CO,等碱性盐所造 成的碱胁迫对植物的破坏作用明显大于由NaC1、 收稿日期:2010—04—25 基金项目:自治区高校科研计划项目(No:XJEDU 2008136)资助。 Na,SO 等中性盐所造成的盐胁迫 。而土壤中一旦 作者简介:贾娜尔・阿汗,(1967一),女(哈萨克族),新疆伊犁人;副教 授,主要从事植物逆境生理方面的研究;E—mail:jianaerahan@ gmail.con。 含有HCO 一,CO 。一导致土壤pH值升高之后,植物不 仅受到盐胁迫,而且还受到高pH胁迫。高pH是碱胁 ・52・ 研究报告 贾娜尔・阿汗等:盐碱胁迫对小冰麦种子萌发和早期幼苗生长的影响 迫区别于盐胁迫的关键所在,高pH胁迫会破坏土壤 结构引起土壤板结,严重的抑制植物生长,是中国草原 退化的主要原因之一。然而时至今13人们对碱胁迫这 一严重的环境问题却很少有认识。土壤碱化与盐化往 往相伴而生,在一些地区土壤既盐化又碱化的现象格 外突出【3],但植物抗碱机制却很少有人涉及 。 有大量研究证实盐胁迫明显抑制种子萌发。而种 子刚萌发后的幼苗阶段是对盐碱胁迫最敏感的时期, 而很少有关于这个时期对盐碱胁迫响应的报道。在这 个研究中,我们选择抗盐碱性较强的小麦品种小冰麦 为试验材料,比较了盐碱胁迫对其种子萌发、早期幼苗 生长及离子含量的影响,为揭示植物抗碱机制以及盐 碱地的恢复与治理提供一定的理论依据。 1材料和方法 1.1盐碱胁迫条件设计 将两种中性盐NaC1、Na:SO 按摩尔比9:1混合作 为盐胁迫组,再将两种碱性盐NaHCO Na:CO,按摩 尔比9:1混合作为碱胁迫组。两种胁迫组设50、100、 150、200、250 mmolfL 5个浓度处理。盐胁迫组pH为 6.45~6.89,碱胁迫组pH为9.20~9.27。碱胁迫甚 于盐胁迫的本质原因在于高pH。本实验设计的就是 针对这一差异,保证了两种胁迫包含相同的离子强度 但不同的pH。 1.2对种子的胁迫处理 小冰麦33(Triticum aestivum L.-Agropyron interme— dium)是东北师范大学遗传与细胞研究所运用现代生 物技术将天蓝冰草(Agropyron intermedium)部分染色 体转移给普通小麦,建立了小冰麦异附加系选育而成。 目前在吉林省西部已有较大面积推广,抗盐碱性较强。 挑选均一饱满的小冰麦33种子,用HgC1:消毒后用于 萌发试验。将经挑选和消毒的100粒种子放置在铺有 双层滤纸的培养皿中,4个培养皿为4次重复,培养皿 放置在气候培养箱中。用上述设计好的处理液处理种 子,去离子水为对照。每天用去离子水补充蒸发掉的 水分,每天统计发芽数,第7天计算发芽率。将各个培 养皿中未萌发的种子转移到去离子水中在气候培养箱 继续培养7 d,统计发芽数,计算恢复后的发芽率。整 个实验在气候培养箱内进行(温度白天25℃,夜间 20℃),每天光照16 h。 1.3对小冰麦早期幼苗的胁迫处理 将若干小冰麦种子放在内有去离子水的托盘中, 在气候培养箱中培养2 d,此时幼芽平均长度是1.2 cm,幼根平均长度是1.7 cm。选取萌发均匀一致的种 子将其放在铺有双层滤纸的培养皿中,每个处理4个 培养皿为4次重复,每个培养皿包含5O个萌发的种 子。直接用等体积的包含相应胁迫盐的一倍营养液进 行胁迫处理,一倍营养液为对照,每天用去离子水补充 蒸发掉的水分。处理3 d后,收苗。整个实验在气候 培养箱内进行(温度白天25℃,夜间20℃),每天光照 16 h。 1.4生理指标测定 将幼苗的芽及幼根分开,分别测量长度,用TTC 法测定根活力 J.将剩余植物材料置于105 qC烘箱内 杀青15 min,再置于4O℃真空干燥箱内真空干燥至 恒重。用火焰光度计法测定K 、Na 含量¨引。 1.5统计分析 数据处理及方差等统计学分析均用统计学程序 SPSS完成。文中所有数据均以4次重复的平均值及 其标准误差(s.E)表示,检验水平为5%。 2结果与分析 2.1萌发 盐碱胁迫均明显抑制小冰麦种子萌发(P< 0.01),但碱胁迫对萌发的抑制作用明显大于盐胁迫 (图1)。将未萌发的种子转移到去离子水中,盐胁迫 下和低碱胁迫下未萌发的种子都再次萌发,而高碱胁 迫下则大部分不能重新萌发(图1)。 120 80 瓣 划 船 40 0 O 50 100 15O 200 250 盐浓度(iTImOl/L) 120 一 8O 褂 划 髂 40 0 0 50 10O 150 200 250 盐浓度(mD J/L) 图1 盐胁迫和碱胁迫对小冰麦种子萌发率的影响 注:盐碱胁迫比例(NaCI:Na2SO4=9:1;pH6.45~6.89) (NaHCO3:Na2CO3=9:1;pH9.20~9.27)。 ・53・ 第29卷第9期2010年9月 种子(Seed) 2o0 150 ^ \ E 矗1.2 100 斛 烘 褂 0.6 5O 士H 嘣 状 O 0 0 50 100 150 200 250 0 50 1O0 150 200 250 0 50 1O0 150 200 250 盐浓度(mmol/L) 盐浓度( oI/L) 盐浓度(moI/L) 图2盐碱胁迫对小冰麦早期幼苗生长的影响 注:萌发后1 d的小冰麦种子被施加盐(Nacl:Na ̄SO4=9:1;pH6.27-6.45)或碱胁迫(NaHCO3:Na2CO3=9:1;pH9.10—9.17)3 d。 2.2早期幼苗生长 Na CO ,具体机制有待进一步研究。研究表明,高pH 低强度盐胁迫和碱胁迫均提高小冰麦根系活力, 对种子萌发具有明显的抑制作用,在农业生产中,应重 当盐胁迫强度大于200 mmol/L时根活力低于对照,而 视土壤的pH对作物生长发育的影响。 高强度碱胁迫则导致根活力急剧下降,100 mmol/L强 3.2盐胁迫和碱胁迫对小冰麦早期幼苗生长和离 度下明显低于对照(图2,P<0.01)。芽的生长率随盐 子积累的影响 度增加而下降,盐碱胁迫下下降程度没有明显差异。 已有报道显示,NaHCO,、Na CO 碱性盐对成熟植 随着胁迫强度的增加,根的生长率在碱胁迫下的下降 物生长的抑制作用远远大于NaCI、Na SO 等中性 程度明显大于盐胁迫下。 盐 J。刚萌发后的幼苗阶段是对盐碱胁迫特别是碱 2.3早期幼苗中离子含量 胁迫最敏感的时期。碱胁迫甚于盐胁迫的根源在于高 幼根和芽中离子含量的变化比较类似。都是随着 pH。本实验设计针对这一差异,保证了两种胁迫包含 胁迫强度的增加,Na 含量和Na /K 明显增加,而 相同的离子强度和不同的pH,比较二者对小冰麦幼苗 K 含量明显下降,而碱胁迫下增加或下降程度明显大 的胁迫作用,进一步探讨小冰麦的抗碱机制。结果表 于盐胁迫下。而芽中的离子含量则要明显高于幼根 明,碱胁迫对这个时期芽和根生长的抑制作用也明显 (图3,P<0.01)。 大于盐胁迫,对根生长的抑制作用尤为突出(图2)。 3讨论 由NaC1、Na:SO 等中性盐造成的盐胁迫主要包括水分 3.1 盐胁迫和碱胁迫对小冰麦种子萌发的影响 胁迫和离子毒害。碱胁迫除水分胁迫和离子毒害之外 种子萌动过程吸水是关键,种子从外界吸收足够 还涉及到高pH胁迫。根环境的高pH会直接造成钙、 的水分后胚细胞中的蛋白质和贮存RNA活化,合成萌 镁、铁、铜、磷等元素大量沉淀¨ ,致使根系周围离子 发所需各种酶和结构蛋白,进而完成细胞分裂分化,胚 供应严重失衡。除此之外,高pH还会直接破坏根的 生长。盐胁迫普遍抑制种子萌发,低水势是其限制种 结构,使其功能丧失,甚至直接导致植物细胞死亡。如 子萌发的主要因素。然而我们的研究发现,碱胁迫对 图2所示,低强度碱胁迫增加根活力,高强度碱胁迫致 小冰麦种子萌发的抑制作用明显大于盐胁迫(图1), 使根活力急剧下降,数值接近零。低强度碱胁迫下,小 这表明高pH也会抑制种子萌发。将未萌发的种子转 冰麦可能提高根活力增强根呼吸作用用于释放CO: 移到去离子水中,盐胁迫下和低碱胁迫下未萌发的种 或H 调节根外pH。而当碱胁迫强度超过小冰麦根 子基本都再次萌发,而高碱胁迫下则大部分不能重新 调节能力的时候,碱胁迫的高pH就会严重破坏根细 萌发(图1)。盐胁迫下未萌发的种子可能进入休眠而 胞结构导致幼苗根活力急剧下降。碱胁迫对根的伤害 躲避不良环境,然而碱胁迫对萌发的抑制可能是致死 可能是碱胁迫甚于盐胁迫的关键所在,根的pH调节 的,碱胁迫的高pH可能直接破坏了胚细胞的结构直 能力可能是植物抗碱的关键所在。 接导致细胞死亡。而这种致死性抑制只有在高盐度下 在盐碱胁迫下植物通常积累大量Na ,且将大量 才体现出来。在低碱胁迫下,胚细胞可能已将高pH Na 区隔到液泡中使细胞免受毒害¨ 。Na 、K 代谢 抵抗在细胞之外而避免细胞受害,胚细胞可能通过分 对植物适应盐渍环境具有重要意义,在盐碱胁迫下植 泌一些酸性物质或呼吸放出CO 来中和NaHCO,或 物通常是吸收Na 的同时抑制K 吸收 J,高K /Na ・54・ 研究报告 贾娜尔・阿汗等:盐碱胁迫对小冰麦种子萌发和早期幼苗生长的影响 全 e ^ 选择性是衡量植物耐盐性的重要指 标[1 。许多盐生植物Na /K 比 随胁迫强度的增大而增高 J,小 冰麦也是如此,盐碱胁迫均造成芽 和幼根Na 含量上升,而K 含量 1.5 1 星 O.5 唰 m Z 下降,Na /K 也随之升高。但若 两种胁迫相比,碱胁迫下Na 含量 及Na /K 比值上升幅度和K 含 量下降幅度均大于盐胁迫(图3)。 小冰麦的Na 、K 含量变化特点表 了根系选择性吸收K 、Na 的能 力,而造成了植物体内Na 、K 不 平衡 引。盐碱两种胁迫处理液含 O {呔 2 0 50 100 150 2oo 250 O 50 1O0 15O 200 250 (ITUROI/L) 盐浓度 0.9 盐浓度 (mmoI/L) 1.5 O 0.6 O.3 0.5 ^吞v^嚣/一olu 酬如 钛 明,碱胁迫造成的高pH可能干扰 0 O 5O 1O0 150 20o 250 0 0 5O 1O0 15O 2oo 250 ff110 J/L) 盐浓度 (f5 4 + (mmoI/L) 盐浓度 有相同的Na 浓度和总盐浓度,即 两处理的Na 离子毒害和渗透胁迫 3 ∞ 相同。而碱胁迫对小冰麦离子积累 的干扰明显大于盐胁迫,笔者认为, 碱胁迫对Na 、K 含量的影响可能 2 1 0 Z O 5O 1oo 150 200 250 不是对渗透胁迫和离子毒害的响 值得深入研究。此外,碱胁迫下钠 盐浓度(mmoI/L) 盐浓度(ITImOI/L) ^舌一^ Iol1) 钿+ez ^舌 ^量/一墓缸 爨 应,而是对高pH胁迫的特殊响应, Ql一=注:萌发后1 d的小冰麦种子被施加盐(NaCI:Na2SO4=9:1;pH6.27~6.45)或 碱胁迫(NaHCO3:Na2CO3=9:1;pH9.10~9.17)3 d。 图3盐碱胁迫对小冰麦幼苗Na 和K 离子含量的影响 含量急剧增加可能还与Na 外排作 用被抑制有关。众所周知,盐胁迫可防止体内积累过 [6]Yang C,Jianaer A,Li C,Shi C,Wang D.Comparison of the effects of salt——stress and alkali-stress on the photosynthetic production and energy storage of an alkali-resistnt haalophyte Chloris virgata.Photosynthetica 2008,46:273—278. 多的Na,使小冰麦根系中Na 外排-】 。这种外排作 用是由SOS 1(盐超敏感蛋白,一种Na/H逆向转运蛋 白)蛋白介导并依靠根细胞膜两侧的质子梯度导致 的,而碱胁迫的高pH导致根外质子亏缺,无法形成质 子梯度,因而抑制外排作用的机制,还有待进一步 研究。 [7]Yang C,Shi D,Wang D.Comparative efects of salt stress and alkali stress on growth,osmotic adjustment and ionic balance of an alkali resistant halophyte Suaeda glauca(Bge.).Plant Growth Regulation 2008,56:179—190. 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