盐胁迫下不同大麦品种根系中离子微域分布的研究

盐胁迫下不同大麦品种根系中离子微域分布的研究

没有足够的证据证明硅是植物生长的必要因素。研究表明，硅可以提高植物对非生物胁迫（如铁、锰、铝等）等有害和生物胁迫的抗性。根据最近的研究，适量添加硅可以显著提高植物的抗盐性，并减少对植物的盐损害。结果表明，通过添加硅作为一个整体，可以显著提高作物的耐盐性，降低小麦对钠的吸收。根据一些研究，在水培条件下加入硅可提高山羊和小麦的耐盐性，促进山羊对钾离子的吸收，抑制钠离子的吸收，提高钾和钠的选择性比例（sk，na）。研究还表明，硅降低了大麦叶片的耐盐性，提高了山羊叶片超氧化酶（sod）的活性，降低了丙二醇（mda）的含量。结果表明，硅可以降低盐中大麦脂质化的影响。盐胁迫下，大麦超微结构发生显著变化，两个叶绿体膜退化，基质片层结构受损。盐胁迫下，通过x射线勘探法研究了不同耐盐性水稻根系中离子微带的影响，尤其是与植物耐盐密切相关的钾、钠、氯等。阐明了硅提高麦耐盐性的机制，为加快农地开发提供了重要依据。1材料和方法1.1营养液体系和处理采用两个大麦(HordeumvulgareL.)品种,即耐盐大麦鉴4和盐敏感大麦科品7号.种子用1.0g/L的HgCl2消毒10min,然后用蒸馏水反复冲洗,最后将种子铺在滤纸上置于25℃恒温箱内催芽.将萌芽后的种子播在装有石英砂的瓷盆内,置于温室内生长.其间用1/4Hoagland营养液滴浇.待出现第2片完全叶时,选择10株匀称、健壮的幼苗移栽到塑料杯中.塑料杯周围包有遮光黑布.每只塑料杯盛有1000mL营养液,第1周用1/2Hoagland营养液,第2周起改用完全营养液.营养液连续通气,每周更换1次.温室内光照约12h,白天最高温度25℃,夜间最低温度15℃.营养液每天用KOH或H2SO4稀溶液调节至pH6.2.从第2周起对大麦苗进行盐和硅处理,试验处理为:(i)加120mmol/L氯化钠和不加硅处理(Si-NaCl+);(ⅱ)加120mmol/L氯化钠和1.0mmol/L硅(Si)处理(Si+NaCl+).每个处理3次重复,完全随机排列,共有2×3×2=12钵.加硅处理所用的硅源为化学纯(K2SiO3·nH2O),由硅酸钾所引入的钾量从配制Hoagland营养液所用的KNO3中扣除,由此而引起的损失用稀硝酸补偿.配制营养液的水为蒸馏水.1.2耐盐天麻正解层的扫描扫描能谱分析按施卫明等人所述的方法进行样品制备.大麦移栽后30d用双面刀片取距根尖3～4cm的根段,在50g/L的琼脂液中迅速浸一下,然后播入样品座的小孔中,用双面刀片切一横断面迅速投入液氮(-196℃)中冷冻.然后经真空干燥,喷镀碳膜后在JSM-6300(JEOL公司)扫描电子显微镜下观察,能谱仪为美国KEVEX公司的Sigma能谱仪,加速电压为15kV,速流为0.07μA,样品倾斜角为0°,样品与探针间的角度为35°,工作距离为12.0mm.对两个品种的各处理进行了点分析(每个处理3次重复,每个样品分别扫描5次,获得的结果一致),计算机在自动扣除各元素的背景值后根据点分析图谱中各元素峰谱通过面积分法计算出相对含量百分数,并对耐盐大麦品种进行了面扫描分析.2结果2.1耐盐天麻鉴4根尖离子微域分布图1是Si-NaCl+处理的盐敏感大麦科品7号在分蘖后期根尖的X射线电子探针点分析结果.从图中可以看出,无论在表皮、皮层还是中柱细胞,钾离子和钙离子的X射线峰较低,而氯离子的峰较高.各部位氯离子相对重量分别为74.05%,57.08%和39.87%,钠离子的相对重量分别为1.40%,21.54%和14.69%,钾离子的相对重量分别为8.29%,6.99%和13.53%(表1).图2是Si+NaCl+处理盐敏感大麦科品7号根尖表皮、皮层和中柱的X射线电子探针元素点分析图谱.从图中可以看出,一个最明显的特征是钾离子的峰大幅度提高,而氯离子峰显著降低.钾离子表皮、皮层和中柱的相对重量分别为40.55%,31.34%和43.48%,氯离子分别为10.85%,6.11%和36.12%,而钠离子分别为14.30%,39.55%和9.88%,表明钠离子有向表皮和皮层细胞积聚的趋势(表2).对照表1和2可以发现,Si+NaCl+处理的根尖表皮、皮层和中柱的钠离子相对重量分别是Si-NaCl+处理的10.21,1.84和0.67倍,氯离子的相对重量分别是Si-NaCl+处理的14.6%,10.7%和90.6%,而钾离子的相对重量分别比Si-NaCl+处理提高了389.1%,348.4%和221.4%.同时,加硅处理后,硅在表皮、皮层和中柱中显著提高,但主要在表皮细胞中,表皮和皮层细胞中钙离子的相对含量亦有增加的趋势(表1和2).对于耐盐大麦鉴4来说,根尖离子的微域分布趋势与上述盐敏感品种相似.从图3中可以清楚地看出,Si-NaCl+处理的大麦根尖表皮、皮层和中柱中钠离子、氯离子的X射线峰较高,而钾离子的峰较低.在表皮、皮层和中柱中钠离子的相对重量分别为7.22%,8.19%和1.16%,氯离子分别为39.40%,42.93%和37.45%,而钾离子分别为30.30%,30.79%和35.18%(表3).图4是Si+NaCl+处理的耐盐大麦鉴4根尖表皮、皮层和中柱的X射线电子探针元素点分析图谱.由图可见,表皮、皮层和中柱中钠离子、氯离子峰较低,而钾离子峰较高.在表皮、皮层和中柱的钠离子相对重量分别为5.22%,3.32%和0.66%,氯离子的相对重量分别为40.74%,37.16%和29.02%,而钾离子的相对重量分别为32.83%,42.43%和49.05%(表4).比较表3和4发现,Si+NaCl+处理的根尖表皮、皮层和中柱的钠离子相对重量分别为Si-NaCl+处理的72.3%,40.5%和56.9%;氯离子的相对重量分别为Si-NaCl+处理的103.4%,86.6%和77.5%,而钾离子的相对重量分别比Si-NaCl+处理提高8.3%,37.8%和39.4%.图5和6分别是Si-NaCl+和Si+NaCl+处理的耐盐大麦鉴4在分蘖后期根尖元素分布的X射线电子探针面扫描图,图中IM是根尖横切面扫描电子显微镜图.从图5中可以非常清晰地看出,盐胁迫下,Si-NaCl+处理大麦根尖横切面钠离子、氯离子含量较高,且较集中分布于皮层和表皮细胞中,而中柱部位含量较低;钾离子含量较低,分布也较均匀.与不加硅的Si-NaCl+处理相比,Si+NaCl+处理根尖横切面中钠离子、氯离子含量极显著降低,且较均匀地分布于整个根尖横切面,而钾离子含量极显著地增加,在根横切面上的分布也较均匀.还可看出,磷在根尖横切面上的分布受硅的影响较小,加硅处理的根尖横切面上硅含量比对照稍高些.3盐胁迫对硅系h+-atp酶活性的影响盐分(NaCl)对植物的危害很大程度上取决于盐分离子在植物体内的浓度、分布及植物对盐分的耐性.盐分对植物毒害的机制之一是植物体内过高的盐分离子对植物产生的离子毒害效应.过去的一些研究已证明了植物体内的过量钠离子、氯离子是植物产生盐害的重要原因之一.前人的研究表明,加硅可降低水稻和小麦体内钠离子的浓度,从而提高植物对盐害的抗性.还有研究表明,水培条件下加硅可提高盐胁迫大麦叶片的光合作用速率,促进大麦对钾离子的吸收,抑制对钠离子的吸收,从而提高钾、钠选择性比率(SK,Na).进一步的研究还表明,盐胁迫下加硅不但可显著提高大麦叶片中SOD活性,降低MDA浓度,而且还提高根系H+-ATP酶活性.盐胁迫下硅对根系H+-ATP酶活性的提高可能是硅提高钾、钠选择性比率的原因.本试验的结果显示,盐胁迫下加硅可明显降低大麦根系表皮、皮层和中柱细胞中钠离子,氯离子的X射线峰,提高钾离子的X射线峰,而且不管是盐敏感大麦还是耐盐大麦均获得了较一致的结果.这一发现为硅提高盐胁迫大麦体内钾离子浓度,降低钠、氯离子浓度,进而提高大麦的耐盐性提供了直接的证据.硅一方面显著降低了盐胁迫大麦对钠离子的吸收,减少大麦组织中钠离子的浓度,一方面使钠离子和氯离子在根系中的微域分布变得均匀,从而提高了大麦的耐盐性,这是硅提高大麦耐盐性和减轻大麦盐害的重要机制.据报道,硅提高水稻、蚕豆对锰毒害的机制是硅使过量锰在叶片中的分布变得均匀,而不是硅降低锰的吸收.看来,硅改变无机离子在植物体内的分布,尤其是微域分布状况不但是硅提高植物对重金属抗性的重要机制,也是硅降低盐分离子对植物毒害的一个原因.众所周知,植物的耐盐性存在着显著的基因型差异.本研究中,相同盐浓度下,不加硅处理的鉴4大麦根尖表皮、皮层和中柱细胞中钾离子的峰高(图1和3)和钾离子相对含量(表1和3)比科品7号大麦高,表明鉴4大麦耐盐性强于科品7号大麦.而加硅后,两个品种大麦根尖表皮、皮层和中柱细胞中钾离子的峰高(图2和4)和钾离子相对含量(表2和4)均比不加硅的对应处理增加,但科品7号的增加幅度更大,表明硅可以减轻大麦盐害.硅可提高作物对铝毒和重金属胁迫抗性的机制已有较多的报道[[1,2,4,13,14,15,16].一般认为,硅与铝或重金属在介质和植物体内形成共沉淀使之钝化是其重要的机制之一.但硅对作物盐害的影响及其机制的研究资料较少,应引起重视.硅改变过量盐分离子(Na+,Cl-)在植物组织中的微域分布有待进一步研究,这方面的深入研究有利于阐明硅提高非生物胁迫的机制,并可为论证硅的生物学功能提供新的认识依据和实验证据.值得一提的是,本