（草业科学专业论文）盐草（distichlis+spicata）耐盐生理及na转运机理研究.pdf

中国农业科学院博士学位论文 摘要 摘要 本研究着眼于植物耐盐性和n a + 转运的研究，对盐生植物盐草话咖i i l 脑s p i c a t a ) 和甜土 植物高羊茅( f e s t u c aa r u n d i n a c e a ) 彭j 耐盐生理特性进行了研究，并从个体和细胞水平两个不同 的研究层面测定了n a + 的分布、转运，分析了各自相关的耐盐机制。研究内容及主要结果概括如 下： 1 盐草和高羊茅耐盐生理特性及抗氧化体系反应机制。实验测定了2 5 0 r a mn a c l 处理盐草和 高羊茅植株o 、5 、l o 、1 5 、2 0 天后，其生物量、净光合速率、细胞膜透性、脯氨酸含量以及抗 氧化体系的变化。结果表明，随着盐胁迫时间的延长，盐草和高羊茅的生物量和净光合速率都小于 对照，但是高羊茅下降的幅度明显大于盐草；盐胁迫导致两种参试材料叶中细胞膜透性增加，高 羊茅叶中的细胞膜透性高于盐草；而脯氨酸的含量在两种参试材料中的变化并不明显；盐胁迫导 致两种参试材料根组织和叶组织中s o d 酶活性增高，而盐草叶组织和根组织中s o d 活性高于高 羊茅，说明盐草对0 2 。有更高的清除效率；盐草叶组织中a p x 活性显著高于高羊茅，但是根组 织中a p x 活性在两种参试材料之间差异不大，说明a p x 酶和s o d 酶联合变化清除s o d 反应产 生的h 2 0 2 ，而且其作用部位主要是植物的叶组织。在盐胁迫条件下，盐草叶组织中c a t 酶活性 显著升高，而高羊茅叶组织中c a t 酶活性变化不大。 2 盐胁迫下n a + 在盐草和高羊茅体内不同部位的积累和转运以及相关离子的变化。实验测定 了2 5 0 m mn a c i 处理0 、5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 天后，盐草和高羊茅根、茎、叶中n a + 、k + 、c a 2 + 、 m 9 2 + 离子含量变化。盐胁迫会导致盐草和高羊茅根、茎、叶中n a + 含量升高，在盐胁迫1 5 天后 盐草叶中n a + 含量显著低于高羊茅俨 0 8 4 3 ) ，而盐草在 上午9 ：0 0 时盐分分泌速度最大，达到6 1 3u m o ln a + g - 1 f w t h 一。对不同元素的分泌数量排序为： n a k c a m g 。 5 利用分子生物学技术获得了盐草液泡膜n a + h + a n t i p o r t e r 基因中间片段，大约为6 0 0 b p ， 通过序列比对发现它和其他植物的相同基因具有很高的同源性，确定为我们希望得到的目的片 段。利用x m y 技术分析了盐处理0 、5 、1 0 、1 5 、2 0 、2 5 天后n a + 在盐草细胞不同部位的积累( 细 胞质、液泡和细胞间质) ，发现液泡和细胞间质中n a + 含量明显增加，表明进入叶片中的n a + 主要 区隔在液泡中和控制在细胞间质中。同时测定了盐草叶组织质膜和液泡膜h + - a t p a s e 质子泵的活 性，发现盐胁迫处理使液泡膜w - a t p a s e 的活性显著升高，而盐草质膜h t - a t p a s e 活性并没有明 显的升高，表明细胞液泡中h a + 的积累会激活液泡膜h + a t p a s e 质子泵的活性。通过r e a l - t i m ep c r 技术检测了盐草液泡膜n a + h + a n t i p o r t e r 的基因表达随时间的变化，发现随着盐胁迫时间的延长， n a + h + a n t i p o r t e r 表达量显著升高，说明盐诱导会导致n a + h + a n t i p o r t e r 超量表达。综合分析发现， 随着盐胁迫时间的延长，盐草叶中增加的n a + 一部分会积累到细胞液泡中形成区隔化，在区隔化 的过程中液泡膜h + - a t p a s e 质子泵的活性增强使离子转运过程的驱动力加大，同时液泡膜n a + h + a n t p o r t e r 作为转运载体表达量也会协同增高。细胞间质中n a + 也会增高，但是质膜h + - a t p a s e 质 子泵并没有明显变化，表明细胞可能通过控制n a + 在细胞膜上的通透来抑制n a + 进入到细胞质中。 关键词盐草，高羊茅，抗氧化体系，微区分析，泌盐，盐腺，离子区隔化。基因表达。 l i 中国农业科学院博十学位论文 s u m m a r y 曼i ； 一一一_ i i i 皇曼量曼曼舅曼曼曼鼍曼曼曼! 曼! 曼曼篁! 曼曼皇苎曼曼曼鼍量皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼! 曼曼量曼曼曼曼曼! 鼍! 曼鼍鼍 s u m m a r y t h ep h y s i o l o g i c a lr e s p o n s eo fs a l t g r a s s ( h a l o p h y t e ) a n dt a l lr e s c u e ( g l y c o p h y t e ) t os a l ts t r e s s ，a s w e l la st h ed i s t r i b u t i o na n dt r a n s p o r to fn a + ，w e r es t u d i e de x p e r i m e n t a l l ya tb o t hc e l l a ra n dw h o l ep l a n t l e v e l st ob e t t e ru n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo fs a l tt o l e r a n c ea n dn a + t r a n s p o r ti nh i g h e rp l a n t s t h e r e s e a r c hw o r ka n dm a i nr e s u l t sa r es u m m a r i z e db e l o w 1 t h ep h y s i o l o g i c a lr e s p o n s ea n dt h ea c t i v i t yo fa n t i o x i d a t i v ee n z y m e so fs a l t g r a s sa n dt a l lr e s c u e u n d e rs a l ts t r e s sw e r es t u d i e d p l a n tg r o w t h , n e tp h o t o s y n t h e s i s , r e l a t i v ee l e c t r o l y t el e a k a g e p e r c e n t a g e ( r e l p ) ，p r o l i n ec o n t e n ta n da c t i v i t yo fa n t i o x i d a t i v ee n z y m e sw e r em e a s u r e da f t e ro 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0d a y so f2 5 0 m mn a c lt r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h o o tw e i g h ta n dn e t p h o t o s y n t h e i so fb o t hs a l t g r a s sa n dt a l lr e s c u ew e r ed e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t hp r o l o n g e ds a l ts t r e s s ， w i ht h er e d u c t i o nb e i n gm o r ee v i d e n ti nt a l lf e s c u et h a ni ns a l t g r a s s s a l ts t r e s sl e dt oa l li n c r e a s ei n r e l pi nl e a ft i s s u e si nb o t hs p e c i e sb u ti ti sh i g h e ri nt a l lf e s c u e ，w h i l en os i g n i f i c a n tc h a n g ei np r o l i n e c o t e n tw a sd e t e c t e di nb o t hs p e c i e s s a l ts t r e s sa l s oi n c r e a s e dt h es o da c t i v i t yi nl e a v e sa n dr o o t so f b o t hs p e c i e s ，w i t ht h a to fs a l t g r a s sb e i n gh i g h e rt h a ni nt a l lr e s c u e ，s u g g e s t i n gt h a tt h es a l t g r a s sh a d b e t t e ra b i l i t yo f0 2 r a d i c a ls c a v e n g i n g w i t hi n c r e a s e ds a l ts t r e s s ，l e a fa p xa c t i v i t yi ns a l t g r a s sw a s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a ni nt a l lf e s c u e ，b u tt h e r ew a sn os i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei nr o o ta p xb e t w e e nt h e t h et w os p e c i e s t h e s es u g g e s t e dt h a ta p xa n ds o de n z y m e sj o i n t l yc o n t r i b u t e dt os c a v e n g i n go fh 2 0 2 r e s u l t e df r o ms o dr e a c t i o na n dt h ea c t i t i v yt o o kp l a c em a i n l yi nl e a ft i s s u e s t h ea c t i v i t yo fc a ti n l e a ft i s s u e so fs a l t g r a s si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t hi n c r e a s e ds a l ts t r e s s ，h o w e v e rt h a to ft a l lf e s c u ew a s n o ta f f e c t e ds i g n i f i c a n t l yb ys a l ts t r e s s 2 t h ee f f e c t so fe x o g e n o u sn a c io ni o nd i s t r i b u t i o na n dt r a n s p o r tw e r ei n v e s t i g a t e di nb o t h s p e c i e s n a + ，k + ，c a 2 + , m 9 2 + c o n t e n ti nr o o t ，s h o o ta n dl e a fw e r em e a s u r e da f t e r0 ，5 ，1 0 ，1 5 ，2 0d a y so f 2 5 0 m mn a c it r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tn a + c o n t e n ti nr o o t ，s h o o ta n dl e a ft i s s u e si n c r e a s e da s ar e s p o n s et oi n c r e a s e ds a l ts t r e s s a f t e r1 5d a y so fn a c it r e a t m e n t ，n a + c o n t e n ti nl e a fo fs a l t g r a s sw a s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to ft a l lf e s c u e ( p o 8 4 3 ) ，w i t ht h ee x c r e t i o nr a t eb e i n gt h e h i g h e s ta t9 ：0 0a m ( 6 1 3 比m o ln a + g - 1 l w th - 1 ) n ei o n sc o u l db er a n k e d ，a c c o r d i n gt ot h e i re x c r e t i o n r a t e ，a sn a k c a m g 5 as e g m e n to fv a c u o l a rn a + h + a n t i p o r t e rg e n ew a sc l o n e df r o ms a l t g r a s su s i n gp c ra n da s e q u e n c eo f6 0 0b pi nl e n g t hw a so b t a i n e d t h es e q u e n c ew a sh i g h l yh o m o l o g o u sw i t ht h en a + m + a n t i p o r t e rg e n e sf r o mo t h e rp l a n t s x r a ym i c r o a n a l y s i sw e r eu s e dt oi n v e s t i g a t e t h en a + c e l l a r d i s t r i b u t i o ni ns a l t g r a s sa f t e r0 , 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5d a y so fn a c it r e a t m e n t 1 1 l er e s u l t ss h o w e dt h a tn a + i n c y t o p l a s mw a sc o m p a r t m e n t e di n t ov a c u o l ea n da p o p l a s t m e a n w h i l et h ea c t i v i t y o fv a c u o l a r h + - a t p a s ei n c r e a s e da f t e rs a l tt r e a t m e n t w h i l et h ea c t i v i t yo fp l a s m ah + 一a t p a s ed i dn o ti n c r e a s e a n d t h ee x p r e s s i o no fv a c u o l a rn a + h + a n t i p o r t e ri n c r e a s e du s i n gr e a l t i m ep c r i ns u m ，w ef o u n dt h a ta p a r to fn a + w h i c hi n c r e a s e di nl e a fo fs a l t g r a s sw a sa c c u m u l a t e di nv a c u o l a ra n dw a gc o m p a r t m e n t e d i nt h ep r o c e e do nc o m p a r t m e n t ，m o r ee n e r g yw a ss u p p l i e df o rn a + t r a n s p o r tb yt h ei n c r e a s eo f v a c u o l a r h + - a t p a s e ，i nc o o r d i n a t i o ne x p r e s s i o no fv a c u o l a rn a + i - i + a n t i p o r t e ra sc a r r i e rw a sa l s oi n c r e a s i n g h o w e v e rt h ea c t i v i t yo fh + - a t p a s ei np l a s m ah a dn o ts i g n i f i c a n tc h a n g ea l t h o u g ht h en a + i na p o p l a s t i n c r e a s e d i ts u g g e s t e dt h a tm a y b es o m ei o nc h a n n e l sw e r ec o t r o l l e dt oi n h i b t a t e dn a + i n t oc y t o l p l a s m k e y w o r d ：d i s t i c h l i ss p i c a t av a r f e s t u c aa r u n d i n a c e a a n t i o x i d a t i v ee n z y m e s m i c r o d i s t r i b u t i o ns a l ts e c r e t i o ns a l tg l a n d t r a n s p o r t i o nc o m p a r t m e n t a l i z a t i o n i v 中国农业科学院博士学位论文 英文缩略表 英文缩略表 英文缩写 r o s c 灯 a p x s o d p v p n b t p d a b a a m p l b o d p c r r p m s d s p d x - g a l 英文全称 r e a c t i v eo x y g e ns p e i c e s c a t a l a s e a s c o r b a t ep e r o x i d a s e s u p e r o x i d ed i s m u t a s e p o l y a c r y l a m i d eg e l n i t r o b l u e t e t r a z o l i u m p o t e n t i a l d i f f e r e n c e a b s c i s i ca c i d a m i n o b e n z y lp e n i c i l l i n l u r i ab e r t a n i ( m e d i u m ) o p t i c a ld e n s i t y p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n r e v o l u t i o n sp e rm i n u t e s o d i u md o d e c y ls u l f a t e p o t e n t i a ld i f f e r e n c e 5 b r o m o - 4 - c h l o r o 3 - i n d o l y l p d - g j a c t o s i d e i x 中文名称 活性氧 过氧化氢酶 抗坏血酸过氧化物酶 超氧化物歧化酶 聚乙烯吡咯烷酮 氦蓝四唑 压力差 脱落酸 氨苄青霉素 l b ( 培养基) 光密度 聚合酶链反应 转分钟 十二烷基磺酸钠 压力差 5 溴_ 4 氯3 吲哚b d 半乳糖苷 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得中国农业科学院或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 喷五碡t 时间：2 0 0 8 年6月 1日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国农业科学院有关保留、使用学位论文的规定，即：中国农业科 学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业科学院可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 论文作 导师签 时间：8 年多月t o 日 时间：矽以年衫月t o日 中国农业科学院博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 土壤盐渍化是一个世界性的环境和生态问题。全球大约有l o 亿公顷的土地遭受盐渍化侵害， 占陆地面积的7 。在我国约有盐渍化土壤0 3 6 9 亿公顷，占现有耕地的1 4 。尤为重要的是，土 壤盐渍化的问题正日趋严重，这主要是由于不合理的农业管理造成的，大量的灌溉耕地尤其面临 这种危险，大约有1 ：3 的可灌溉耕地正遭受盐害的影响。因此，土壤盐渍化治理对农业生产意义 深远。目前对于盐渍化土壤的改造主要通过改良田问管理措施，或者通过工程治理措施，但是受 到气候、水文、资金条件的严重限制，改造效果不是很明显，且适用范围很有限。除此之外，通 过对植物抗盐机理的研究，选择、引种和培育新的抗盐作物，使其适应盐渍土环境，或者利用盐 生植物的抗盐特性，对盐渍化土壤的生态环境进行改良，已经越来越受到人们的重视。盐生植物 在长期的进化过程中形成了一系列生理生化适应机制，通过对这些盐生植物耐盐机理的研究，可 以进一步了解盐生植物的适应机制，为利用分子生物和遗传工程技术对现有的植物品种进行改良 提供了理论支持，使利用生物方法对现有的盐渍化土地进行改良成为可能，并产生可观的经济价 值和生态价值。此外，盐生植物本身就是一个蕴涵丰富资源的抗盐基因库，通过对盐生植物在盐 胁迫条件下的分子调控机理的研究，可以有助于提高和改善一些栽培植物的抗盐性，例如近代分 子生物学家将控制盐生植物抗渗透胁迫的基因一合成脯氨酸基因p 5 c s 或甘露醇基因m t l d 转入到 敏盐植物中，从而提高其合成渗透物质脯氨酸和甘露醇的能力，加大了其渗透调节水平去适应盐 分胁迫而产生的渗透胁迫( t a r c z y n s k i ，j e n s e ne ta l 。1 9 9 2 ；m o l i n a r i ，m a r u re ta l 。2 0 0 7 ) 。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 盐分对植物的伤害作用及其机理 生境中盐分超过一定浓度就会对植物( 盐生植物和非盐生植物) 造成伤害。在盐渍化生境中， 土壤中的盐会对植物产生离子和渗透胁迫，这些胁迫可以在不同的研究层次上进行区分。对于敏 盐植物，在盐胁迫几小时后，叶和部分根的生长将持续的减少，但是这种对植物生长的抑制作用 并不是随着敏盐植物组织中n a + 含量的增加而增加，而是和外界培养液的渗透势有关( m u n n s ， t o n n e te ta 1 1 9 8 8 ) ，而n a + 的专一性毒害作用主要和n a + 在植物叶中的积累并导致老叶的坏死有 关。单个叶片生命周期的因此而缩短，导致植物生长和产量的降低的( m u n n s ，t o n n e te ta 1 1 9 8 8 ； f l o w e r sa n dd a l m o n d1 9 9 3 ) 。在时间尺度上n a + 对植物造成损害的程度主要由n a + 在叶中积累速 率，以及n a + 在叶组织和细胞中区隔定位有关。通常n a + 的毒害作用是叠加在n a c 所造成的渗透 胁迫之上的，但是和和渗透胁迫作用不同，n a + 的专一性毒害作用会因为植物的不同而产生很大 的差异。 同时土壤中高浓度的盐分也会导致其它一些营养元素的缺乏，并且和其他的环境因子产生互 作作用，例如干旱会导致n a + 毒害的恶化。升高的n a + 会抑止其它营养元素的吸收，导致植物产 生营养缺乏症，通常n a + 抑止其他营养元素的吸收主要通过以下几种方式：1 ) 直接通过干扰细胞 质膜上营养元素的转运，影响营养元素的吸收例如干扰f 通道运转，造成植物k 元素的缺乏； 1 中国农业科学院博士学位论文第一章绪论 鲁曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇鼍ii i i _ ；i； 一_ n 鼍曼曼舅曼曼皇! 曼曼曼曼寰 2 ) 土壤中的n a + 会破坏土壤原有的结构造成不利的影响以及n a + 产生的渗透作用会抑止植物根的 生长。从而导致植物对水分和生长必需营养元素( 例如p ，f e 或z n ) 的吸收以及和土壤微生物群系 ( 例如共生菌) 互助作用受到抑制。可是这些抑止作用并不能不能认为是n a + 对植物的所造成的直 接毒害作用。 1 2 2n a + 毒害的主要原理 在植物的茎叶组织中，高浓度的盐会导致一系列的渗透和代谢问题。通常对于n a + ，植物的 叶部比根部更敏感，因为n a + ( 和a 一) 在叶中比在根中更容易积累。植物的根组织比较容易维持 n a c i 含量的相对稳定。根可以通过将n a + 转运到叶中或者排入到土壤中来维持根中n a c l 浓度的 相对稳定。n a + 可以通过木质部在蒸腾流的驱动下从根中转运到叶中，但是只能通过韧皮部返回 到根中。目前只有很少的证据可以证明叶中大量的n a + 转运到根中，表明n a + 转运很大程度上是 不定向的。 n a + 对植物的代谢毒害主要和f 竞争细胞膜上具有重要功能的结合位点，在植物中有大约5 0 种酶是由c 激活的，这种功能是n a + 无法替代的( b h a n d a la n dm a l i k1 9 8 8 ) ，因此高的n a + 水平， 或者高的n a + f 比值能导致细胞质中酶反应受到抑止。而且许多蛋白的合成也需要大量的c ， 因为只有f 可以将t r n a 和核糖体进行结合( b l a h a e t a l 2 0 0 0 ) 。n a + 的浓度的升高导致对蛋白合成 的干扰是n a + 直接毒害作用的重要方面。 渗透导致的细胞内缺水也会造成细胞质中高浓度的n a + ( o - i 能几百m i ) 的积累。n a + 通过木质 部蒸腾径流进入到叶片中，由于水分蒸腾作用而滞留在叶中。f l o w e r s 等人( 1 9 9 1 ) 通过x r a y 扫 描技术研究了水稻叶片细胞质中n a + 的含量也直接证明了这种理论。这些研究者通过计算得知在 中等盐胁迫的条件下大约有6 0 0 m m n a + 在水稻叶片的细胞质中积累。人们已经接受了细胞质中 n a + 含量对植物生存的重要性，通过渗出和快速离心的方法快速冲洗可以很容易得到，但是 m u h l i n g 和l a e u c h l i ( m u h l i n ga n dl a u c h l i2 0 0 2 ) 通过离心后用水迅速冲洗的方法并没有在耐盐玉 米和棉花的细胞质中并没有检测高浓度的n a + ，这些不同的结果说明在技术方面还是存在差异的。 细胞中的n a + 毒害导致另外一种渗透问题。植物需要维持内部的水势低于土壤的水势来维持 生长的活力和水分吸收。这就需要通过吸收土壤中的溶质或者合成良性代谢物质来提高植物的渗 透势。这种生理干旱导致植物处于两难的境地：首先，在盐渍土壤中最经济的溶质是n a + 和c l 一， 但是它们对植物的细胞质会产生毒害作用，有机的小分子溶质没有毒害但是能量耗费很大。在叶 片非质原体或者液泡中有高浓度盐分的情况下，植物细胞很难维持细胞质中低的n a + 浓度或者低 的n a + k 比值( m u n n se ta 1 1 9 8 8 ；g o r h a m1 9 9 0 ；d u b c o v s k ye ta 1 1 9 9 6 ；m a a t h u i sa n da m t m a n n 1 9 9 9 ) 。对生长在1 - - 2 0 0 m m 不同盐浓度下的植物利用x r a v 能谱或者离子感应电极进行测定分析 ( j e s c h k ea n dp a t e1 9 9 1 ) ，发现细胞质中n a + 浓度一般在1 0 - - 3 0m m 之间，但有些报道表明在盐渍 条件下n a + 的浓度可以达到l o o m m 或者更高( h a r v e y1 9 8 5 ；h a j i b a g h e r ie ta 1 1 9 8 7 ；c h e e s e m a n1 9 8 8 ； m u r m se ta 1 1 9 8 8 ) 。 1 2 3 研究n a + 毒害原理的方法 虽然分子和细胞技术的发展极大地推动了植物耐盐性生理研究的进展，但是还是有许多试验 2 中国农业科学院博+ 学位论文第一章绪论 皇曼曼! ! 曼舅苎鼍曼曼曼曼! iii m i 一一 一ii 一一一i i 曼曼曼曼皇曼曼皇曼皇曼量曼量曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 可以通过改善植物生长和处理的方法进一步改进。例如，通过迅速而且剧烈的盐分改变来测量植 物相应的反应来模拟研究生长在盐渍环境中的植物是不合理的，因为盐渍土壤中盐分的变化是缓 慢的，而且变化不大。 除此之外，如果要研究n a + 的专一毒害，就必须要要区分渗透胁迫对植物的作用。例如，生 长在蒸腾较弱的环境中的植物，很可能对盐分导致的渗透胁迫非常敏感( 因为n a + 转运至叶部的 能力减少了) 。同样，测定根的生长抑止可能难以解释n a + 的专性毒害，因为这和n a + 转运到植物 茎叶基本没有什么关系( m u n n sc ta 1 1 9 s s ) 。研究对象也是一个值得考虑的问题，例如，烟草对加 入n a c l 的营养液中产生的渗透胁迫比n a + 或者a 离子胁迫敏感( m u a h ya n dt e s t e r1 9 9 6 ) ，这类 植物研究其耐旱性比研究耐盐性更适合。 在比较生理学研究的领域，通过基因翻译水平检测技术、靶基因的协同表达和随机改变的基 因检测技术正在为更深入了解植物耐盐性研究提供技术保障。 1 2 4 植物的耐盐机理 在自然界中有些植物比其他植物更能忍耐土壤中高浓度的盐分；而且在特定的盐浓度下减产 程度也比其他植物低。在不同的植物种群间，相互亲缘关系密切的种质之间，以及不同品种之间 甚至相同的品种之间的不同个体都会存在这种差异。而亲缘关系相近的植物之间的差异更值得我 们关注，因为它们暗示着有可能通过研究来确定影响植物耐盐性的真正的调控因子。在盐胁迫下 田间不同植物的产量可以简单地反映植物活力之间的差异。例如，q u a r r i e 和m a h m o o d ( 1 9 9 3 ) 发 现，在对照和盐处理条件下，植物的产量呈正相关。事实上，选育活力强的植物作为在盐渍土壤 上增加作物产量的有效农艺方法已经讨论过了( r i c h a r d s1 9 9 3 ) 。但是无论怎样，这种方法还是有 它的局限性( c o n w a y1 9 9 8 ) ，并且这种选择策略是为了保证在盐渍环境中的最大产量。如果只是因 为植物的生产性能而忽略了植物本身的耐盐特性是不对的。 通过选用在对照条件下生物量和生长速率相近的小麦品种，s c h a c h t m a n 和m u n n s ( 1 9 9 2 ) 发 现在盐胁迫条件下叶的生长和叶中的n a + 浓度相关，而和植物的活力无关。根据经验，对于大多 数植物而言，能耐受中等盐浓度环境的植物都具有较强的能力将茎中( 至少是叶缘中) 的n a + 排出， 或者能同时维持叶中高浓度的r 水平。在选育高耐盐性作物和作物亲缘种以及在进行作物耐盐 性鉴定的研究中，已经发现有这些现象。 这种相关性在禾本科植物种间表现得更加明显( a l b e r i c oa n dc r a m e r1 9 9 3 ；c r a m e re t a 1 1 9 9 4 ) 。由于盐分积累和叶的伸长相关，从而导致植物生长受到抑止并引起脱落酸( a b s c i s i ca c i d ， a b a ) 的增力d ( c r a m e ra n do u a r r i e2 0 0 2 ) 。水稻是一个例外，尽管水稻品种对盐的敏感性和n d 的积 累相关，但是f l o w e r s 等人的研究表明，水稻中n a + 的转运和其他的谷物截然不同，大量的n a + 通过内皮层渗入到根部( y e oe ta 1 1 9 7 7 ) 。双子叶植物的和单子叶植物在维持茎叶中低浓度的n a + 方面存在很大差异。比如，野生的耐盐番茄l y c o p e r s i c o np e r u v i a n u m 比敏盐的番茄l e s c u l e n t u m 能积累更多的盐分。更重要的是敏盐型野生型拟南芥和敏盐以及耐盐拟南芥的突变体的之间的耐 盐性并没有表现出和茎叶中的n a + 水平有很密切的相关。 生( n u b l a te ta 1 2 0 0 1 ) 。例如，敏盐型拟南 芥突变体比野生型拟南芥更能维持有较低的n a + 浓度和较少的n a + 流入( 至少是在低r 的情况 下) ( d i n ga n dz h u1 9 9 7 ) 。 3 中国农业科学院博士学位论文第一章绪论 对于盐生植物而言，耐盐性的高低和茎叶中b l a * 含量的正相关性也不存在( 限于那些在 3 0 0 m m n a c i 浓度下的生长不受影响的植物) 。有些盐生植物能在茎叶中积累过量的n a + ( 大于干重 的s o 了而不至于死亡。在茎叶中积累大量n a c i 的这种情况主要存在于双子叶盐生植物中，对这 些植物而言n a c i 的含量对茎叶中的总渗透势的调节很重要。也就是说n a c i 可以优先作为渗透调 节物质( f l o w e r sa n dy e o1 9 8 6 ) 。和双子叶盐生植物相比，单子叶盐生植物则更易维持高浓度的k 来替代n a + 的作用，通过糖合成而在一定程度上平衡渗透势。有趣的是盐生植物之间的耐盐策略 也有很大的不同。例如，藜科植物茎叶中n a + 的吸收程度和k 似a + 的比值有很大的不同，红树林 ( r h i - z o p h o r aa p i c u l a t ab l u m e ) 可以根据是否具有盐腺而产生不同的对策。尽管人们认为双子叶植物 经常在茎叶中积累大量的n a + ，但是事实上盐生植物的n a + 转运能力不一定比敏盐植物高，反而 是盐生植物控制n a + 的吸收的能力比敏盐植物强，这也可能是由于它们比甜土植物能生长更长的 时间，从而导致我们经常观察到盐生植物茎叶中的n a + 浓度大于甜土植物。在低盐浓度下对盐生 植物离子转运的研究通常会忽视这一点，由于在中等盐渍条件下( 不同的植物的适应生长环境可能 不同，最高可以达到4 0 0 m mn a c l 或者更高) n a c l 会在盐生植物体内聚集，所以在许多盐生植物 的生长介质中添加n a c i 可以促进生长。 尽管在低盐条件下盐生植物体中积累的n a c i 高于那些甜土植物，但是盐生植物对于盐分的 吸收并不是随着外界盐浓度的升高而线性升高，而是在高盐浓度下会减少( m u n n se ta 1 1 9 8 8 ； g l e n n ，b r o w ne ta 1 1 9 9 9 ) 。通过对比外界和木质部中n a + 的浓度，发现大约有9 7 的n a + 存在于根， 表明无论是在盐生植物还是甜土植物中盐分都会被排出。而且无论在盐生植物的什么部位检测会 发现在生长组织中n a + 浓度比成熟组织中的低，这也表明盐生植物和许多甜土植物在保护细胞活 性免受n a + 毒害的过程中所采用的策略一样( f l o w e r sa n dd a l m o n d1 9 9 3 ) 。因此，研究盐生植物调 节n a + 的含量和转运的机制对所有的植物都很重要。 尽管盐分在盐生植物体内的积累可能不会比甜土植物更快，但是盐生植物茎叶中n a + 浓度升 高并不会停止在甜土植物生存的阈值范围内。因此，控制n a + 的转运可以通过几个不同的层面进 行分析：n a + 的进入和向茎叶部位的转运必须得到控制；进入茎叶部的n a + ( 或者根细胞内部的) 必 须区隔化，以避免渗透毒害和细胞毒害。有研究表明一些盐生植物可以在一定程度上调节细胞质 中一些酶的结构( f l o w e r sa n dd a l m o n d1 9 9 3 ) ，而这些酶可以将盐生植物茎叶中高浓度的n a + 区隔到 液泡中。单子叶盐生植物和双子叶盐生植物之间在n a + 控制上的差异有助于维持植物的水分和液 泡的容积。双子叶植物可以维持茎叶中高的n a + 浓度和n a + ，l 一委屯 越挈l避州dv 加 1 1 1 1 一= ，- 6 e 3一菪i一13口ao 堪蜒髓q o 中国农业科学院博七学位论文第二章盐胁迫下盐草和高羊茅的生理适应及抗氧化体系的变化 曼曼曼鼍皇曼曼曼! ! 曼璺曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼蔓蔓曼皇曼蔓蔓曼蔓皇曼曼曼曼i i i 曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼! 曼蔓皇曼皇曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼皇曼曼 盐胁迫处理1 0 天后两种参试材料根组织中s o d 活性显著高于对照组( 图2 - 7 ) 。但是在盐胁迫 2 0 天后，盐草根组织中s o d 活性呈下降的趋势，而此时高羊茅根组织中s o d 活性呈上升的趋势。 盐胁迫2 0 天导致两种参试材料根组织中s o d 活性分别增长了1 2 和2 0 倍。 魈 ! i g 溢 8 o 3 1 2 0 9 0 6 0 9 0 6 0 o51 01 52 0o5 1 0 1 52 0 处理时间t i m e ( d a y s ) 图2 - 7 参试材料根中s o d 酶活性的变化 f i g 2 7d y n a m i c so ft o t a ls o da c t i v i t yi nr o o t s 盐胁迫处理1 5 天，对照组和处理组中盐草叶组织中c a t 的活性不断增加，但是盐胁迫对高 羊茅叶组织中c a t 酶的活性影响不大( 图2 - 8 ) 。盐胁迫5 天后，盐草叶组织中c a t 的活性显著高 于对照组。 掣 蜒 避 誊 吾 基 3 2 1 o51 01 52 0o5 1 01 5 处理时间t i m e ( 由嘲 图2 8 参试材料叶中c a t 酶活性的变化 f i g 2 8d y n a m i c so ft o t a lc a ta c t i v i t yi nl e a v e s 2 1 =k-翻pe)v参一；o焉qo =止|口nonzloen)套i一 中国农业科学院博十学位论文 第二章盐胁迫下盐草和高羊茅的生理适应及抗氧化体系的变化 盐处理期间两种参试材料处理组和对照组的根组织中c a t 活性变化较大( 图2 - 9 ) ，但是盐 胁迫对盐草根组织中c a t 活性变化影响不大，而盐胁迫5 、1 0 、1 5 天高羊茅根组织中c a t 的活 性显著增加。 掣 艇 避 誊 2 4 讨论 秀 一 乏 【) 3 0 1 0 51 01 52 0o51 01 52 0 处理时间1 3 m e ( d a y s ) 图2 9 参试材料根中g 1 苘活性的变化 f i g 2 9t i m ec o u r s eo ft o t a lc a ta c t i v i t yi nr o o t s 研究中两种参试材料在耐盐性中表现出了明显的差异。作为引入的耐盐材料，盐草在长期的 盐胁迫过程中表现了很好的适应能力。和高羊茅相比较，盐草在盐胁迫下依然能维持较高的生长 速率。在盐胁迫的条件下，两种参试材料的光合速率均有下降，但是盐胁迫对高羊茅光合速率的 抑制作用大于盐草。前人的研究发现盐胁迫下植物体内的自由基增多，增加的自由基会导致植物 气孔的闭合，使进入植物叶绿体中的c 0 2 量减少，从而导致n a d p + 的减少s o u z ae ta 1 2 0 0 4 ) 。因 此，抵抗盐胁迫需要提高植物抗氧化体系的活性m e t oe ta 1 2 0 0 5 ) ，而s o d 、a p x 和c a t 酶是参 与植物抗氧化体系的主要酶。 土壤中高浓度n a c i 会影响植物质膜结构的稳定性，从而导致植物细胞膜k 、p 、有机质含量 和电导率的升高。我们的研究发现，盐胁迫条件高羊茅叶组织中细胞膜透性高于盐草叶组织，表 明盐胁迫条件下盐草更能维持相对稳定的细胞膜结构和功能。盐胁迫条件下，游离脯氨酸在盐草 和高羊茅叶组织中的积累没有显著差异，说明积累小分子有机物不是盐草适应盐渍环境的有效方 式。 s o d 在抗氧化体系中主要清除0 2 。，将0 2 转化为h 2 0 2 和0 2 。我们的研究发现，盐胁迫导致 两种参试材料根组织和叶组织中的s o d 酶活性增高。可是盐草叶组织和根组织中s o d 活性高于高 羊茅，说明盐草对0 2 。有更高的清除效率，从而减少了氧自由基对细胞膜的毒害作用，有利于在 = k i-西nonzopcjv参一 中国农业科学院博上学位论文第二章盐胁迫下盐草和高羊茅的生理适应及抗氧化体系的变化 曼i t l