（植物学专业论文）三角叶滨藜对盐胁迫的响应及其适应机制研究.pdf

山东师祀大学预仁学位论文 三角肿滨藜对盐胁迫的晌应及其适应机制研究 摘要 盐胁迫对植物的影响及植物的抗盐机理一直是人们普遍关注的问题。但对盐胁 迫下植物吸水机制的研究还没有形成成熟的理论，对耐盐蔬菜三角叶滨藜( a t r i p l e x t r i a n 寥a l a r l r ) 抗盐的机理了解更少。本试验以木质部压力测定技术，结合能谱技术、 原子吸收以及红外分析技术，研究三角叶滨藜在盐胁迫下水分、盐分吸收的特点以 及盐分在体内的积累、分布与其渗透调节的机制，并分析盐胁迫对其光合、蒸腾特 性的影晌及其适应机理。试验结果显示，在5 0 - - 4 0 0m m a l ln a c i 的浓度范围内，三 角叶滨藜根的径向反射系数随着盐胁迫强度的增加逐渐减小，根木质部伤流液中h a * 含量则随着盐胁迫强度的增加而逐渐增加，但根木质部伤流液中以根外溶液盐浓度 为基础的+ 的相对含量则随着根外溶液盐浓度的升高两逐渐减小。同时，虽然根 系吸水所需的木质部负压力及根木质部伤流液中n a 含量随着盐胁迫强度的增加都 有所上升，但两者共同作用使木质部水势下降的幅度远远小于根外溶液水势( 渗透 势) 下降的幅度，甥随着根外溶液盐浓度的势高，根术质部溶液的总水势逐渐高出 根外溶液的渗透势，形成可达1m p a 以上的水势差而不造成植物脱水。并且，三角 叶滨藜根的径向反射系数的减小并不导致进入根木质部盐离子的大幅度增加，表明 三角时滨藜在盐胁追下能够用较小的木质部负压力来抵抗外界溶液的低渗透势而反 渗透吸水。 试验还表明三角叶滨藜在盐胁迫下能够将吸收的盐分主要区域化到液泡内来调 节渗透势，同肘又避免过多盐分对细胞的伤害。而盐囊泡积累和分泌盐的能力有限， 在三角叶滨藜抗盐中并没有实质性的作用。 另外，三角叶滨藜在盐胁迫下可以通过适当降低蒸腾作用来减少水分的损失， 同肘通过自身的调节来维持耀对较高的光合作用，从蔚提商水分利用率，保证了其 在较强盐胁迫下的生长。 根据本试验结果可以认为，在盐胁迫下三角叶滨掣利用较低的木质部负压来抵 抗根夕 溶液的低渗透势丽反渗透吸水；利用棂细胞对盐分的较强过滤作用来避免从 环境摄取过量的盐分，并将吸收的盐分主要区域化到液泡内来调节渗透势，避免钝 ； 坐壅业苎盔堂堡圭堂丝鲨塞 - 分对细胞的伤害；适当降低蒸腾作用来减少水分的损失，同时通过自身的调节来维 持相对较高的光合作用，提高水分利用率。这些共同构成了三角叶滨藜具有较强抗 盐性的生理基础。 关键词：三角叶滨藜；赫胁迫；木质部压力；根系径向反射系数；盐囊泡 分类号：q 9 4 5 7 8 山东师范大学硕 ：学位论文 s t u d yo nt h er e s p o n s eo fa r r o w l e a fs a l t b u s ht os a l ts t r e s sa n dt h er e l a t e d a d a p t a t i o nm e c h a n i s m s a b s t r a c t a l t h o u g ht h ei m p a c to fs a l i n es t r e s so np l a n t sa n dm e c h a n i s m so fs a l tr e s i s t a n c ei n p l a n t sa r ei s s u e st h a th a sa t t r a c t e de x t e n s i v ec o n c e r n , n os a t i s f a c t o r yt h e o r yi sf o r m u l a t e d i nt e r m so ft h em e c h a n i s m so fh o wp l a n t sf i g h ta g a i n s ts a l ts t r e s st oa b s o r bw a t e ru n d e r s a l i n a t i o nu pt on o w , a n ds t i l ll e s si sk o w nf o rs a l t - r e s i s t a n tm e c h a n i s m so fa r r o w l e a f s a l t b u s hw h i c hi sah i g h l ys a l t - r e s i s t a n th y l o p h y t ea n di sc u l t i v a t e da san o v e lv e g e t a b l e i nt h i ss t u d y , t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e ra n ds a l tu p t a k e ，a sw e l la st h em e c h a n i s m s i n v o l v e di nt h ea c c u m u l a t i o n , d i s t r i b u t i o na n dt h eo s m o r e g u l a t i o ni na r r o w l e a fs a l t b u s h p l a n t su n d e rs a l ts t r e s sw e r ei n v e s t i g a t e d 、撕也t h ee m p l o y m e n to fr o o tp r e s s u r ep r o b ei n c o m b i n a t i o nw i t ht h ea u g e re l e c t r o ns p e c t r o s c o p ya n da t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y t h ee f f e c to fs a l i n i t yo nt h et r a n s p i r a t i o na n dp h o t o s y n t h e s i s ，a sw e l la st h em e c h a n i s m s o fa d a p t a t i o no ft h ep l a n tt os a l ts t r e s s ，w o l f ea l s os t u d i e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta l o n g w i t ht h ei n c r e a s ei nt h ei n t e n s i t yo fs a l i n es t r e s si nt h ee x o - r o o ts o l u t i o n s , t h er a d i a l r e f l e c t i o nc o e f f i c i e n to fr o o td e c l i n e ds t e p w i s ea c c o m p a n i e db yi n c r e a s ei nt h en a + c o n t e n ti nx y l e me x u d a t e s ，b u tt h en a + c o n t e n ti nx y l e me x u d a t e sb a s e do nt h e c o r r e s p o n d i n gn a c ic o n c e n t r a t i o ni ne x o r o o ts o l u t i o n ss h o w e dat e n d e n c yo fr e d u c t i o n f o l l o w i n gt h ed e c l i n eo f r a d i a lr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n ta n dt h ee l e v a t i o no f n a c ll e v e li nt h e e x o - r o o ts o l u t i o n s a l t h o u g hb o t ht h en e g a t i v ep r e s s u r e sa n dt h en a * c o n t e n ti nx y l e m e x u d a t e si n c r e a s e dw i t ht h ei n t e n s i t yo fs a l i n es t r e s s e s ，t h es u mo ft h ei n c r e a s ew a sf a r b e l o wt h ee x t e n to ft h ed e c r e a s eo ft h eo s m o t i cp o t e n t i a l si ne x o - r o o ts o l u t i o n s t h et o t a l w a t e rp o t e n t i a lo f x y l e ms a pi na r r o w l e a f s a l t b n s hr o o t sw a sc l o s et ot h eo s m o t i cp o t e n t i a l o f e x o - r o o ts o l u t i o n sw h e nt h es a l i n es t r e s sw a sl o w ；h o w e v e r , w i t ht h ee l e v a t i o ni ns a l i n e s t r e s sl e v e l s ，t h et o t a lw a t e rp o t e n t i a lo f x y l e ms a pi na r r o w l e a f s a l t b n s hr o o t so v e l t a nt h e o s m o t i cp o t e n t i a lo f t h ee x o r o o ts o l u t i o n sg r a d u a l l yu pt o1m p aw i t h o u tt h ed e h y d r a t i o n o ft h ep l a n t s a n y h o w , t h ef a c tt h a tt h er e d u c t i o ni nt h er a d i a lr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n to f r o o t si na r r o w l e a f s a l t b u s hd i dn o tr e s u l ti nh u g ei n f l u xo f n a c li nr o o tx y l e ms a pa n dt h e ；“ 山东! | i i j 范大学硕士学位论文 f a c tt h a tt h et o t a lw a t e rp o t e n t i a lc o u l db em u c hh i g h e rt h a nt h eo s m o t i cp o t e n t i a lo f e x o r o o ts o l u t i o n i m p l i e d t h a tt h ep l a n t sc o u l d e m p l o ys m a l lx y l e mp r e s s u r e t o c o u n t e r b a l a n c et h es a l i n es t r e s s e sw i t h o u tt h eu p t a k eo f s a l ti nl a r g eq u a n t i t i e s t h ee x p e r i m e n t sa l s os h o w e dt h a ta r r o w l e a fs a l t b u s hp l a n t sc o u l dl o c a l i z et h es a l t a b s o r b e da c t i v e l yo rp a s s i v e l yt ot h ev a c u o l e si no r d e rt or e g u l a t et h eo s m o t i cp o t e n t i a lo f c e l l sa n dt h u sa v o i d e dt h ei n j u r yo fe x c e s s i v es a l tt oc e l l s c o n t r a r yt ot h ec o n v e n t i o n a l v i e w , i tw a ss h o w nt h a tt h ec a p a c i t yo fs a l tb l a d d e ri ns a l ta c c u m u l a t i o na n ds a l ts e c r e t i o n w a sv e r yl i m i t e da n dn os u b s t a n t i a le f f e c to ft h es a l tb l a d d e r so nt h es a l tr e s i s t a n c eo f a r r o w l e a f s a l t b u s hc o u l d b ea t t r i b u t e d a d d i t i o n a l l y , i tw a so b s e r v e dt h a ta r r o w l e a fs a l t b u s hp l a n t sc o u l dr e d u c e t h e t r a n s p i r a t i o na n dk e e par e l a t i v e l yh i g hl e v e lo fp h o t o s y n t h e s i sv i as e l fr e g u l a t i o nt o r e d u c ew a t e rl o s s ，t h u st h ew a t e ru s ee f f i c i e n c yw a se l e v a t e da n dt h eg r o w t hc o u l db e m a i n t a i n e du n d e ri n t e n s i v es a l ts t r e s s i ti st h e r e f o r ec o n c l u d e dt h a ta r r o w l e a fs a l t b u s hp l a n t sc o u l de m p l o yar e l a t i v e l y s m a l lx y l e mt e n s i o nt oa b s o r bw a t e ra g a i n s tt h el o wo s m o t i cp o t e n t i a l so f t h er o o tb a t h i n g s o l u t i o ni n d u c e db ys a l t ；a n dt h ep l a n t sc o u l dg e tr i do fs a l t 岫u r yv i a t h er e l a t i v e l yh i g h u l t r a f i l t r a t i o no fr o o tc e l l ss oa sn o tt ot a k ee x c e s s i v es a l tf r o mt h ee n v i r o n m e n t ，a n dv i a t h el o c a l i z a t i o no fs a l tt ov a c u o l e st or e g u l a t et h ec e l lo s m o t i cp o t e n t i a l ；a n da d d i t i o n a l l y , t h ep l a n t sc o u l dr e d u c et h et r a n s p i r a t i o na n dk e 印ar e l a t i v e l yh i g hl e v e lo fp h o t o s y n t h e s i s v i as e l fr e g u l a t i o nt or e d u c ew a t e rl o s sa n de n h a n c ew a t e rl l s ee f f i c i e n c y a l lt h ef a c t o r s m e n t i o n e da b o v ec o u l db et h ep h y s i o l o g i c a lf o u n d a t i o no ft h el f i 【g hs a l i n er e s i s t a n c ei n a r r o w l e a f s a l t b u s hp l a n t s k e yw o r d s ：a r r o w l e a fs a l t b u s h ( a t r i p l e xt r i a n g u l a r i sw i l l d ) ；s a l ts t r e s s ；x y l e mp r e s s u r e ； r a d i a lr e f l e c t i o nc o e f f i c i e n to f r o o t ；s a l tb l a d d e r c a t e g o r yn u m b e r ：q 9 4 5 7 8 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其 他需要特别声明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 卜沃确 多 导师签字： 衫力 二 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权堂撞可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本 授权书) 学位论文作者签名： 卜及乖氆 多 导师签字： 己 乡 签字日期：2 0 0 7 年6 月锢 签字日期：2 0 07 年j 可c o l e l 山东师范大学颀 学位论文 1 文献综述 1 1 盐渍化土壤的现状及其开发利用 盐渍土是地球陆地上分布十分广泛的一类土壤。目前全世界约有不同程度的盐 渍化土地3 8 1 0 b h m 2 ，据世界粮农组织和教科文组织的统计，世界上盐渍化土壤约 占可耕地面积的l o 。我国约有2 1 0 7h m 2 盐荒地和7 1 0 h m 2 盐渍化土壤，约占全国 可耕地面积的2 5 【i 。”。此外，由于灌溉不当、化肥使用不当、植被破坏、工业污染 加剧和海水入侵等因素，次生盐渍化土壤面积还在继续扩大“1 。与此同时，地球上 的淡水资源仅占地球表面水资源的1 6 ，这对于1 0 0 多力种动植物和5 0 多亿人口而 言，显然是不足的嗍。土壤盐渍化与淡水资源严重匮乏已成为限制农业发展的世界 性问题。 如何利用大面积的盐土和丰富的咸水资源发展农业。这是国际上和生物科学技 术迫切需要解决的重大课题。长期以来，我国对盐土的改良利用开展了广泛研究。 近年来，改良和利用盐土的研究已由2 0 世纪5 0 - 6 0 年代的农业措施和7 0 年代以后 的工程措施转向生物学措施”。主要包括；提高植物耐盐性研究( 使原本不耐盐 的植物能够在盐渍土壤上生长) 、驯化种植有价值的赫生植物和耐盐植物、培育抗盐 植物新品种等，其中驯化种植耐盐植物无疑是最为经济有效的途径“。 从世界范围来看，开发利用耐盐植物是发展可持续农业的一个明智选择：从资 源保护的观点来看，盐渍化土地的更新利用比新开垦土地更可取。因此，许多国家 都在不断开发耐盐植物以节约淡水资源。满足农业的需要。丌发利用耐赫植物，首 先必须了解植物的抗盐机理。 1 2 植物的抗盐机理 植物对盐胁迫的抗性有两种主要形式：耐盐性( s a l t t o l e r a n c e ) 与避盐性 ( s a l t a v o i d a n c e ) 。抗盐性= 耐盐性+ 避盐性1 。避盐性指植物没有去除或减少外界 环境中盐胁迫的能力，但能在体内建立某种屏障、机制或机构，部分阻止盐分进入 体内或植物体的某个部分，或者在盐分进入植物体后。再以某种方式将盐分排除体 外，从而避免或减轻盐分的伤害作用，以保证其正常的生理活动。耐盐性指植物无 法阻止和排除盐分，盐分进入体内后，通过不同生理途径忍受或部分忍受盐分对它 们的作用，而不致受害。 植物的抗盐性是由多基因决定的数量性状，是多种抗盐性状的综合体现。一般 l 山东师范丈学硕十学位论文 来讲，植物的抗盐性与盐分的吸收、运输、排泄、分配、生物膜功能、离子区域化 作用以及抗盐物质的合成和积累密切相关。近年来，人们从组织、器官、细胞及分 子水平等不同的角度对植物的抗盐性进行了深入广泛的研究，取得了一系列的成果。 现就国内外植物的抗盐机制从组织器官水平和分子细胞水平进行综述。 1 2 1 植物在组织器官水平上的抗盐机制 植物体内离子平衡对植物进行正常的生命活动具有极其重要的意义。生活在高 盐环境中的植物，除了降低根对离子的吸收和阻止离子向地上部的运输外，还利用 还利用泌盐结构将已吸收进入体内的n a 排出体外，以维持体内离子平衡，避免产 生毒害作用。 就腺是一些耐盐植物在叶片、茎的表面形成的一种泌盐结构。根据盐腺的泌赫 方式不同将盐腺分为两类，即盐腺和盐囊泡，盐腺和盐囊泡的区别主要是：前者主要 通过分泌细胞的分泌孔将盐排出体外，而后者则通过盐囊泡的破裂将盐排出。盐囊 泡的结构一般比盐腺的结构简单。赫囊泡的功能和盐腺的功能有较大的差别。盐腺 将植物体内的盐分排出体外，而赫囊泡则将植物体内的盐分贮存在泡状细胞的大液 泡中，积累到一定数量后，泡状细胞破裂，从而把盐分排出“”。关于盐腺的泌赫机理， 目前只知道它是一个主动过程，其所需要的能量均由代谢过程产生和提供，其他方 面仍停留在假说阶段“3 。 降低植物地上部分盐分浓度是植物耐盐的重要机理之一。根据王宝山等“、任 东涛等“”、田中“”的试验研究，说明植物体内存在着明显的排钠机制。目前认为， 植物的排钠机制主要涉及下列过程“”。植物体不将n a 吸入根细胞内，即使进入 细胞也通过n a i - r 泵再排出，内皮层细胞内的n a 也同样被排出。这可能与植物的 细胞质膜组成有关；植物体将吸收的n a 贮存于根茎基部，从而阻止n a + 向叶片运 输：植物体将吸收的n a + 在向木质部运输过程中，被木质部或韧皮部传递细胞吸 收，并分泌到韧皮部中再运回根中，最后分泌到环境中，亦即植物通过脉内再循环 把n a 再运到体外；在n a c l 胁迫下，植物吸收的n a 向地上部特别是向叶片和果 实的运输选择性降低，而k + 运输选择性增加。通过这些机制，可以有效降低植物体 内尤其是地上部分的n a + 浓度，提高k + n a + 比例，缓解n a + 对植物的伤害。 另外，在盐渍环境下，许多植物还具有选择性吸收土壤溶液中某些浓度较低的 必需元素，而少吸收非必需元素的特性。由于构成盐渍土的盐类大多为n a c l ，一般 k + 浓度很低。因此，选择吸收k 的机能对植物至少有下列意义油1 ：在高钠条件下 2 山东师范夫学硕h 擘位论文 k 的吸收被抑制，由于植物发挥了较强的选择吸收机能，可避免植物体因缺钾而抑 制其生长的现象：植物从高盐浓度土壤中吸收多量的钾，作为无机渗透调节物质， 可避免渗透胁迫；对钾的吸收可能与细胞拒钠有关“。 1 2 2 植物在分子细胞水平的抗盐机制 1 2 2 1 细胞内的渗透调节机制在盐胁迫下，由于外界渗透势较低，植物细胞会 发生水分亏缺现象，即渗透胁迫。植物为了避免这种伤害，在逆境情况下，必须产 生一种适应机制，即在盐胁迫下，植物细胞内会主动积累一些可溶性溶质来降低胞 内渗透势，以保证逆境条件下水分的正常供应。渗透调节机制分为无机渗透调节和 有机渗透调节。 无机渗透调节从土壤或细胞外界溶液中吸收积累各种无机离子，提高细胞内 赫分浓度，只要这些离子不致造成极高的浓度和表现出毒性，就能被植物吸收用以 提高细胞内渗透势。盐生植物和非盐生植物在以无机离子作为渗透调节物质方面， 其在离子种类上依然相同，所不同的是在量上的差异。盐生植物碱蓬啪1 、星星草、 碱草、獐茅“”体内以无机离子n a 、c i 。、k + 作为主要渗透调节物质，而非盐生植物 高粱“”、芦苇“等则主要以k + 和有机渗透调节物质为主。 有机渗透调节植物在盐胁迫下，可在细胞内合成可溶性有机物质作为渗透调 节物质，主要有脯氨酸j 甜菜碱、可溶性碳水化合物、多元醇类、有机酸等，这些 物质被证明是对细胞无毒，对代谢过程无抑制的。 脯氨酸，它水合趋势大，水合能力强，是水溶性最大的氨基酸，它的积累有助 于细胞和组织的保水，从而保护酶和细胞结构。盐胁迫下脯氨酸积累的机制，目前 认为主要有两种原因：一是脯氨酸合成被促进，即以谷氨酸和鸟氨酸为合成前体， 在限速酶毗咯啉一5 一羧酸合成酶( p 5 c s ) 催化下合成嘲；二是脯氨酸氧化被抑制，即在 赫胁迫条件下，n a c i 抑制了脯氨酸氧化酶活性，而促进了脯氨酸合成“。在盐胁 迫条件下，植物体内的脯氨酸合成及含量发生了明显变化，但关于脯氨酸含量与植 物抗盐性关系目前看法还不一致吼“删，需作进一步的研究，目前只能将其作为一种 辅助指标慎重使用。 甜菜碱被认为是最好的渗透调节剂。r s t o r y 等。”最早观察到盐分或水分胁迫可 引起甜菜碱在植物中积累，且在许多植物上都能检测到。植物体内甜菜碱的合成主 要涉及以下过程：以丝氨酸和甘氨酸为合成前体，经过一系列反应生成胆碱；胆碱 在胆碱加氧酶( c m 0 ) 催化下合成甜菜碱醛；甜菜碱醛在b a d h 催化下合成甜菜碱。”1 。 山东师范人学硕士学位论文 其生理功能主要有：作为渗透调节物质；参与稳定生物大分子物质的结构与功能；影 响离子在细胞内的分布，即细胞内甜菜碱含量的增加可促进n a 从胞质向液泡流动， 提高液泡中n a + 浓度恤“】。总之，甜菜碱作为一种十分有用的细胞可溶性物质，其 生理功能和分子生物学的研究，在近2 0 年发展迅速。但关于甜菜碱所具有的某些生 理功能的理论解释尚不充分，对其生理功能的研究还有待深入。 此外，近几年来还发现了一些大分子量的蛋白质，如调渗蛋白、胚胎发育晚期 丰富表达蛋白l e a 等。这些溶质分子不但能降低细胞渗透势，增强吸水能力，以维 持细胞膨压，提高植物对逆境的适应能力，而且还能稳定酶、蛋白复合体( 如p si i 外周多肽) 等生物大分子的结构与功能，保持膜的有序态，在细胞内起渗透调节作用 脚1 。因此，这些物质一般也称之为渗透调节物质。 1 。2 。2 2 离子的区域化作用植物在受到盐胁迫时，往往把盐从细胞质和细胞器中 转移出去，使其集中于液泡中，这种现象称为盐的区隔化。通过区隔化作用，一方 面使渗透压保持一定梯度，让水分进入细胞；另一方面维持细胞质中j 下常的盐浓度， 避免高浓度盐离子对膜系统的伤害，保持生物酶的活性，维持细胞内的离子平衡。 如h - a t p a s e 是质膜与液泡膜上的一种h + 泵，可维持细胞质的n a + ，c 1 - 浓度。在外 界环境的n a + 浓度提高时，通过液泡膜上的n a h + a n t i p o r t e r 逆向转移将n a + 转运 到液泡中，实现n a + 区域化。在多数盐生植物中，消除n a 毒害的主要机制之一是将 吸收的n a + 区域化到液泡中来降低胞质中n a + 的浓度，即离子区域化机制十分重要 ：i j i 册；i t 辄3 9 枷 o h a r v e y 等“用组织化学定位方法证明，在盐胁迫下，作物的确把+ 、c l 一等离 子积累在液泡中。f l o w e r s 等“”经过体外试验证明，盐生植物和非盐生植物的细胞 质酶对n a + 非常敏感，n a 、c l 的区域化分配是植物对盐渍环境的适应结果。由于 离子区域化，使得液泡中的n a 浓度远大于细胞质中的+ 浓度，j e s c h k e ”对此结 果进行了详尽的研究和证明，并提出一个关于质膜上n a + k + 交换系统以及导致液泡 膜上对n a + 吸收和n a k + 交换的促进模型。近来的研究证明，在n a c i 胁迫下，通过 质膜进入细胞是一个顺电化学势梯度的被动运输过程，只有2 5 左右为主动运输过 程。但n a + 由细胞质进入液泡则是一个逆电化学势梯度的主动运输过程”。 1 2 2 3 活性氧清除机制植物的膜系统主要是由膜脂和膜蛋白组成的“”。当植物 受到盐胁迫时，体内会产生大量的氧自由基，即活性氧，从而引起膜脂的氧化伤害。 盐胁迫诱导产生的活性氧若不能被及时清除，就会导致氧化损伤及其损伤的转移。 4 山东师范大学顾 ：学位论文 活性氧在植物体内存在的时间取决于其抗氧保护体系的活力。植物体内的抗氧保护 体系包括酶促保护系统和非酶促保护系统( 小分子化合物) 。酶促保护系统包括超氧 化物歧化酶( s o d ) 、过氧化物酶( p o d ) 、过氧化氢酶( c a t ) 等酶；非酶促保护系统包括 还原型谷胱甘肽( g s h g ) 、抗坏血酸( a s a g ) 、维生素e ( v e ) 、类胡萝卜素等。此外酚 类、类黄酮化合物、脯氨酸、甘露醇、多胺、激动素等也有清除活性氧的功效“”。 在正常条件下，植物体内的活性氧的产生和猝灭是处于动态平衡的；盐胁迫下，这 种平衡被打破，若保护系统不能及时猝灭过量的活性氧，就可导致生物膜受损等一 系列伤害。因此，活性氧清除系统对植物抗盐生理有十分重要的作用。 1 3 提高植物抗盐性的基因工程 随着分子生物学的迅速发展，植物抗盐基因工程的研究也迅速开展起来。当植 物的某些耐盐机理被了解后，遗传学家便将控制这些机理的基因进行染色体定位， 然后通过基因工程的手段，将这些供体植物的目的基因转移到受体植物的基因组中。 近几年来，利用基因工程技术改良植物耐盐性的研究主要集中在以下三个方面“”。 1 3 1 导入清除活性氧的酶基因 胁迫所引起的植物伤害大部分与活性氧伤害有关，而防御这种伤害的最好方法 之一是提高植物体内s o d 、p o d 、c a t 酶的活性。在各种抗氧化酶类中，研究最深入 的是s o d 同工酶。几种s o de d n a 已从植物中得到克隆并用来转化不同的植物，最终 获得s o d 活性增强的转基因植株。酵母线粒体m n s o d 在水稻叶绿体中的过量表达提 高了转基因植株对盐胁迫的耐受性，而且盐胁迫下转基因植株中s o d 和 a p x ( a s c o r b a t ep e r o x i d a s e ) 的活性都较对照植株提高了1 5 2 0 倍，c a t 活性降 低的程度也小于对照株“”。从拟南芥中获得的耐盐突变株幼苗s o d 和a p x 的活性分 别比野生型提高1 3 和3 倍“”。但并不是所有转基因植物都可获得耐盐性提高。转 f e s o d 基因烟草并没有得到盐和h ：o ：抗性“”。这主要是因为s o d 存在异构体，分别 位于细胞质( c u z n s o d ) 、线粒体( m n s o d ) 及质体( f e s o d 及c u z n s o d ) 嘲，它们可能受 不同的因素调控。a p x 或抗坏血酸循环途径中的酶类也存在这种现象，就a p x 而言， 至少六个不同的异构体分别存在于线粒体，叶绿体，细胞质或位于细胞质内膜系统 1 ，因此对一种酶类进行转基因所起的作用可能很小。 由于氧自由基的产生主要在叶绿体中，在基因工程中目的基因前边加上一段前 导信号肽序列从而使目的基因定向进入叶绿体，可对植物产生更好的保护作用” 1 3 2 导入编码催化产生的渗透调节物的酶基因 5 山东师范火学硕j 二学位论文 植物抗渗透胁迫是受多基因控制的复合遗传性状，与许多生理生化过程有关。 能否对抗渗透胁迫特征进行遗传改良，关键在于能否找到限速代谢步骤以及克隆到 限速酶的基因。 吡咯啉一5 一羧酸合成酶p 5 c s 是脯氨酸合成的关键限速酶。1 9 9 0 年，d e l a u n e y 等 ”在大豆中发现p 5 c s 酶与渗透调节有关，由此提取m r n a ，反转录获得e d n a ，进一 步筛选得到了p 5 c s 基因。到目前为止，p 5 c s 基因己经从紫花苜蓿、豌豆、拟南芥， 水稻等物种中克隆和鉴定。在紫花苜蓿、豌豆、拟南芥、水稻中的研究表明：盐处理 或干旱条件下p 5 c s 基因转录水平有很大程度的提高，并最终导致了脯氨酸含量的增 加1 。将大麦的p s c s 基因转移至烟草上，烟草体内脯氨酸含量增加了1 0 1 8 倍， 使烟草具有明显的抗渗透胁迫能力啉1 。 甜菜碱脱氢酶( b a d h ) 是胆碱合成甜菜碱的最后一个催化酶基因。f a l k e n b e r g 等 嘞1 从菠菜中克隆了b a d h 的e d n a 片段，并证明甜菜碱的增加与b a d h 的活性有关，b a d h 基因可增强植物的耐盐性。菠菜的b a d h 基因被先后转入烟草、草莓m 1 和小麦m 1 ，经 赫胁迫试验表明，转基因植物的b a d h 酶的活性升高，耐盐能力增强，说明b a d h 是 甜菜碱生物合成的限速酶。水稻是典型的非甜菜碱积累物种。但研究发现，它能低 水平表达b a d h 酶，根部能吸收外施的甜菜碱醛并转化为甜菜碱嘲1 。 除甜菜碱和脯氨酸外，其他渗透调节物甘露醇和山梨醇的合成关键酶卜磷 酸甘露醇脱氢( m t l d ) 和6 一磷酸山梨醇脱氢酶基因( g u t d ) 也相继从大肠杆菌中被克隆 出来，并已分别将这两种酶基因转移到烟草上，使转基因烟草中甘露醇和山梨醇的 含量明显增加，也同样增强了其耐盐性啪1 。 1 3 3 导入耐盐碱植物的d n a 将耐盐碱植物的d n a 直接导入大田农作物来提高作物的耐盐碱性，也是近几年 来遗传工程研究中的一个重要方面。陈翠霞等。4 利用花粉管通道技术将耐盐碱的罗 布麻i ) n a 导入陆地棉鲁棉6 号，并筛选出耐盐变异体，对耐盐变异体的抗盐分析表 明，在盐胁迫下，变异体有较高的渗透调节能力。林栖风、李冠一等“。州利用花粉 管通道技术，将海岸耐盐植物红树d n a 导入辣椒、茄子、番茄等，获得的转化株后 代已在海滩上试种，可以用含盐2 。5 的海水浇灌，部分植株能开花、结果，已繁殖 到第三代，而对照株几乎全部死亡。 但应当指出的是，尽管一些转基因作物在明间表现了耐盐性的提高。盐胁迫条 件下一些重要的农艺性状也得到改良，但由于知识和技术水平的限制，目前还有许 6 山东师范大学硕仁学位论文 多与抗盐性有关的基因尚未被分离和鉴别，而且许多转基因植物在非胁迫环境下形 态表现异常，生长缓慢，体内产生的渗压剂含量较低，使植株表现不出有效的耐盐 性。可以说真正意义的能用于生产的转基因抗盐作物尚未问世，仍有大量的工作等 待人们去完成。 综上所述，尽管不同的研究者从诸多方面对植物的抗盐机制作了大量的研究， 并已达到一定的广度和深度，但由于植物抗盐性是一个受多基因控制的复杂的数量 性状，其耐盐机制涉及到从植株到器官、组织、生理生化直至分子的各个水平。到 目前为止，植物抗盐机制研究中的一些重要而且基本的问题仍未被解决，如抗盐植 物抗盐的关键因子是什么至今未知，而这对于抗盐基因的分离和克隆、转基因植物 的培育和抗盐品种的培养却有着直接的影响。因此，有必要加强对盐生植物抗赫生 理的广泛研究，尤其是对一些抗盐性较强的、有较大经济价值的地方植物进行抗盐 生理研究，一方面可为植物抗盐理论研究积累经验，另一方面也为有经济价值盐生 植物的引种栽培提供理论依据，这对开发利用我国大面积的盐碱地和次生盐溃土具 有十分重要的意义。 2 本工作的目的和意义 三角叶滨藜( a t r i p l e xt r i a n g u l a r i s ) 是一种高耐盐优良蔬菜作物，可在海水灌溉 条件下生长，其口感类似菠菜，具有低脂肪和高维生素c 的特点( 相当于菠菜v c 的 1 5 倍) ，具有很高食用及营养价值。同时，种植三角叶滨藜能改良盐渍化土壤， 降低其盐分含量1 。有关三角叶滨藜耐盐性和引种栽培研究在国内已有报道“， 但三角叶滨藜作为种沿海沼泽边缘筛选出来的新颖蔬菜作物，关于其高度耐盐的 机制目前了解的并不多。 植物在受到盐胁迫时，首先要面对如何克服盐离子造成的低渗透势而吸收水分 的问题1 。由于植物根系内皮层细胞壁上凯氏带的存在，土壤溶液中的水分和溶质 在进入植物根系的木质部导管时要经过内皮层细胞膜的过滤”一。有些植物还具有 带凯氏带结构的外皮层细胞m ”1 ，水分和溶质在进入木质部前就要经过外皮层和内 皮层两层细胞的细胞膜过滤，即4 次过滤。生物膜对溶质越膜有不同程度的阻挡作 用，这种作用一般用膜的反射系数。来表示o ”，对于完全无选择性的膜，o = o ； 对于理想半透膜，0 = l ；对于一般的生物膜，o 0 l 。由于根细胞膜不是理想 的半透膜，植物根的径向反射系数一般也表现出非理想半透膜的性质，即进入根木 山东师范大学硕士学位论文 质部的溶液中溶质的含量直接与根的径向反射系数有关，因此植物根的径向反射 系数与植物的抗盐性也有关。 对于大多数植物来说，由于不允许大量盐离子进入根木质部( 否则蒸腾作用使 水分蒸发将导致大量盐分在叶片细胞间隙积累，最终导致叶片的伤害或死亡) ，根系 主要是靠蒸腾拉力造成的木质部负压力克服低渗透势反渗透吸水。对于较高浓度的 盐胁迫，植物就需要木质部溶液有非常大的负压力。由于溶液中低于真空的负压力 是处在亚稳态，随时有可能因环境因素导致空化栓塞o ”，负压越大对植物越危险。 因此除少数极端耐旱的植物外，其他植物，甚至连生长在海水中的红树植物都避免 在木质部导管中发展出过大的负压力来简单地通过反渗透抵抗根外溶液的渗透势 “”。近年一些准确度高的实验证明，盐生植物木质部溶液的总水势可以远远高出根 外溶液的渗透势，伤流液或吐水收集液( 表明根压存在) 的渗透势也可明显高于根 外部的溶液的渗透势m “”1 ，但其根系仍然能从土壤溶液中吸收水分。从表面上看这 些现象是违背热力学第二定律的，这些试验结果对于现有理论简单地用木质部负压 力和溶液的渗透势的降低来解释根压形成和海水中红树植物以很弱的木质部负压力 克服环境低渗透势反渗透吸水的现象，提出了严峻挑战“”。因此，关于植物根 系如何从土壤溶液吸水这一植物水分生理中原来认为己经解决了的最基本的问题， 重新又摆在了人们面前。虽然有人从不同的研究角度提出了不同的解释，但没有能 够形成令人信服的理论。 我们知道在含盐高的土壤中生长的植物根系需要克服土壤溶液的低渗透势吸 水，植物根系从土壤中吸水的主要动力，一是蒸腾拉力；二是根系木质部溶液的渗 透势( 根压) 。然而，近年来的最新研究结果，对于简单用这两种动力解释根压和 海水中红树以很弱的木质部负压力克服低渗透势反渗透吸水的动力提出了挑战。有 实验证明，盐生植物木质部溶液的总水势可以远远高出根外溶液的渗透势。 本试验以木质部压力测定技术为基本技术方法，结合能谱技术、原子吸收以及 红外分析技术，研究三角叶滨藜在盐渍环境下水分、盐分吸收的特点以及盐分在体 内的积累、分布与其渗透调节的机制，并分析盐胁迫对其光合、蒸腾特性的影响及 其适应机理，从而可能对三角叶滨藜耐盐机制有一个初步的了解，并为植物抗盐性 的进一步研究提供参考。 8 山东师范火学硕i ：学位论文 3 材料与方法 3 1 材料的准备 三角叶滨藜( a t r i p l e x t r i a n g u l a r i s ) 种子播种在以蛭石为基质的苗床上，待长出 2 4 片真叶时起出幼苗，并小心冲洗根系吸附的蛭石，然后移栽至含有h o a g l a n d 营 养液( 见下表) 的培养槽内进行水培。整个培养过程中，用充气泵向溶液连续充气， 以保证根系的氧气供应。 h o a g l a a d 营养液配方 成分 腆m 删储篙度钎盖鬻张 大量元素 c a o q 0 3 4 h 2 0 k n 0 3 9 4 4 6 0 6 0 6 0 0 9 4 4 6 1 0 6 0 6 0 n h 4 h z p 0 4 2 3 0 2 02 3 0 2 1 0 坚g ! 鱼：! 生q! ! ! ：! ! 塾：箜! ! 铁盐 f 。( s 0 4 ) t h 2 0 5 5 72 7 9 2 n a 2 e i ) = t a 7 4 53 7 2 k c i h 3 8 0 3 微量元素 m “s 0 4 。h 2 0 z n s 0 4 7 h 2 0 c u s o d 5 8 5 0 h 2 m 0 0 4 3 7 3 1 5 5 0 3 4 0 5 8 0 1 2 0 0 8 3 2 试验方