玉米幼苗对盐胁迫的生理响应

玉米幼苗对盐胁迫的生理响应

土壤盐渍化是目前危害农业生产的环境因子之一, 我国约有0.2亿多公顷盐渍土地, 因此研究盐分胁迫下农作物的基础生理响应, 在理论和实践上都有十分重要的意义。本文以玉米( Zea mays L", ) 为材料, 系统研究了盐胁迫下Na+ 、K+ 、Cl- 在植株各部位的分布及其光合能力、叶绿体超微结构的变化等指标, 探讨了玉米对NaCl 胁迫的生理响应。 1 、材料和方法

1、1 ", 材料的培养和处理

3 月初将玉米种子( 农大108) 播种于盛有干净细沙的塑料盆( 直径23 cm, 高26 cm) 中, 玉米长至5 cm 高时, 进行疏苗, 每盆保留5 株。玉米长至三叶一心时进行盐处理, 以0、50、100 mmol",L NaCl 处理7 d 后, 分别取样进行各项生理指标的测定, 每个处理3 次重复。 1",2 ", 鲜重、干重的测定

将植株从培养盆内取出, 用无离子水快速冲洗干净, 再用吸水纸吸干称鲜重; 鲜材料放105 的烘箱中杀青10min 后, 80", 烘干至恒重, 称干重。 1",3 ", 玉米地上部和根部Na+ 、K+ 、Cl- 含量的测定

将植物材料烘干、磨碎、称重后置马伏炉550", 灰化。灰分用浓硝酸溶解, 再用无离子水定容, 用原子吸收光谱仪( 日立Z",8000 型) 测定Na+ 、K+ 离子含量。用滴定法测定Cl- 含 量[1] 。

1",4 ", 液泡、细胞质、质外体中Na+ 含量的X",ray 微区分析

取植株第1 片完全伸展叶片的相同部位进行测定, 样品的制备按照Fritz ( 1989) [ 2] 和Li and Fritz ( 1990) [ 3] 的方法进行, 每一组织区域所测定的微区测试7 个点, 求出其平均值。

1",5 ", 净光合速率、气孔导度及细胞间隙CO2 浓度的测定

用LI",6400 便携式光合作用测定系统测定植株顶端向下第1 片完全伸展叶的净光合速率( P n) 、气孔导度( Gs ) 、细胞间隙的CO2 浓度( Ci ) 。 1",6", 叶绿素荧光测定及荧光参数的计算

采用英国Hansatech 公司生产的植物效率仪( PEA, 即非调制式荧光仪) 测定F o 和Fm , 计算Fv",Fo ( 光系统 的原初光能转化效率, 它表示天线色素吸收的光能向PS 转化的潜力, 能够反映光能吸收转化机构的完整性) 、Fv",Fm ( 光系统 的潜在活性) , 其中F v = Fm - Fo 。测定玉米第一片完全伸展叶, 测定前需暗适应20 min。 1",7", 叶绿体超微结构的观察

取叶片中部切成0", 5~ 1",0 mm2 小块, 按照王丽燕[ 4] 的实验方法, 在JEM",100CX 型透射电镜下观察拍照。 2 ", 结果与分析

2",1", 盐处理对玉米生长的影响 ", ", 如图1 所示, 随盐处理浓度的升高, 玉米的整株鲜重与干重都呈明显下降趋势, NaCl 浓度为50、1 00 mmol",L 时干重分别比对照下降33",47%和44",79%。 2",2", 盐处理对玉米各器官中离子含量的影响

2",2",1", 盐处理对玉米地上部和根部Na+ 、K+ 、Cl- 含量及玉 米地上部Na+ ",K+ 的影响 ", 由图2 可以看出, 随NaCl 处理浓度的升高, 玉米地上部和根部的Na+ 、Cl- 含量明显增加,相同处理条件下, 地上部的Na+ 、Cl- 含量都明显低于根部。盐处理时, 地上部和根部的K+ 含量下降, 相同盐度处理时,地上部的K+ 含量高于根部。如图3 所示, 盐胁迫条件下玉米地上部的Na+ ",K+ 比值明显升高。 2",2",2", 盐处理对玉米细胞不同区域Na+ 含量的影响 ", 如 图4 所示, 盐胁迫条件下, 玉米细胞质、液泡、质外体中Na+含量明显增加, 100 mmol",LNaCl

处理时, 液泡中的Na+ 含量明显高于细胞质中的Na+ 含量, 同时质外体中的Na+ 明显高 y 基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目( G1999011700) 。作者简介: 王丽燕, 女, 硕士, 主要从事植物逆境生理研究。* 通讯作者: 赵可夫, 男, 教授, 主要从事植物逆境生理研究。Received( 收稿日期) : 2003",11",24,Accept ed( 接受日期) : 2004",04",04", 图1 不同盐度下整株鲜重、干重的变化Fig",1 Effect of NaCl on the fresh weight and dry weight of whole plant图2 不同盐度下地上部和根部离子含量的变化Fig", 2 Effect of NaCl on ion content inshoots and roots of Zea mays

图3 不同盐度下玉米地上部Na+ ",K+ 的变化Fig",3 Effect of NaCl on Na+ ",K+ in shoots of Zea mays 于细胞质。

2",3 ", 盐处理对玉米叶片净光合速率、气孔导度及细胞间隙 CO2 浓度的影响

", ", 如表1 所示, 随盐处理浓度的升高, 叶片净光合速率降图4 盐胁迫下玉米叶片细胞质、液泡、质外体中Na+ 含量的变化( CPS= counts per second)Fig",4 Effect of NaCl on Na+ content in cytoplasm,vacuoles and apoplast of leaves of Zea mays低, 气孔导度降低, 细胞间隙CO2 浓度升高。表1 不同浓度NaCl 对玉米叶片光合速率、气孔导度及细胞间隙CO2 浓度的影响Table 1 Effect of NaCl on photosynthesis, stomatalconductance and substomatal CO2 concentrationNaCl 浓度NaCl content(mmol",L)净光合速率

Photosynthesis( P n)( ",mol! m- 2!s- 1 )气孔导度Stomatalconductance( G s )( ",mol! m- 2!s- 1)细胞间隙CO2 浓度Substomatal CO2concentration( Ci )( ",L",L)0 26", 7? 2",4 0",135 ? 0",010 117 ? 1350 21", 8? __________2",2 0",113 ? 0",012 167 ? 15100 19", 4? 2",3 0",092 ? 0",008 215 ? 18 2",4", 盐胁迫对玉米叶片Fv",Fm 及Fv",Fo 的影响 如图5、图6 所示, 随盐处理浓度的升高, 玉米的Fv",Fm和Fv",Fo 下降。图5 盐处理对玉米叶片Fv",Fm 的影响Fig",5 Effect of NaCl on Fv",Fm of l eaves 2",5", 盐胁迫对玉米叶片叶绿体超微结构的影响

如图7 所示, 对照条件下, 玉米叶绿体呈椭圆状, 整齐地单行排列在细胞壁周围, 垛叠类囊体片层排列清晰, 100mmol",L NaCl 处理7 d, 玉米叶绿体的双层膜部分出现损坏,基粒片层之间的连接出现断裂, 类囊体内腔膨大。 3 ", 讨论

生长量是植物对盐胁迫响应的综合体现及对盐胁迫的综合适应。本实验结果表明, 玉米是一种典型的盐敏感作

第2期王丽燕等: 玉米幼苗对盐胁迫的生理响应26",5 ??6 盐处理对玉米叶片Fv",Fo 的影响Fig",6 Effect of NaCl on Fv",Fo of leaves

图7 盐处理对玉米叶绿体超微结构的影响Fig", 7 Effect of NaCl on ultrastructure of chloroplast of Zea maysA: NaCl 0 mmol",L ( # 8 000) 处理下,叶绿体结构完整, 类囊体片层排列清晰;B: NaCl 100 mmol",L ( # 10 000) 处理下,叶绿体膜受到破坏, 基粒片层解体。A:Treated by NaCl 0 mmol",L ( # 8 000) ", The st ructure ofchloroplast was integrated, and the grana lameuae were clear;B:Treat ed by NaCl 100 mmol",L ( # 10 000) ", The chloroplastmembrane was destruct ed and the grana lameuae were disintegrated??, 盐胁迫下玉米的生长受到明显的抑制( 图1) , 整株鲜重和干重都明显下降。盐分胁迫条件下, 玉米地上部和根部的Na+ 、Cl- 含量增加, 根部的Na+ 、Cl- 含量明显高于地上部( 图2) , 可见玉米幼苗主要将Na+ 、Cl- 储存在根部, 使地上部分盐分浓度保持较低水平, 从而减小盐分的伤害作用。有人认为K+ 营养是植物耐盐的关键性因素

[ 5] , 盐处理条件下玉米叶片及根部的K+ 离子含量降低, 生长受到抑制。随盐处理浓度的升高, 地上部Na+ ",K+ 水平升高, 但始终保持在较低水平( 最大不超过

3) 。盐胁迫下植物地上部Na+ ",K+ 比升高, 双子叶植物通过保持高的Na+ ",K- 比来提高其抗盐性, 而单子叶植物通过保持低的Na+ ",K+ 提高其抗盐性[6] 。离子区域化是植物避免Na+ 毒害的方式之一。本实验表明, 进入地上部的Na+ 通过离子区域化作用进入液泡, 100mmol",L NaCl 处理时液泡中Na+ 含量明显高于细胞质中的Na+ 含量( 图4) , 且玉米质外体中的Na+ 明显高于细胞质。盐胁迫条件下, 非盐生植物细胞质外体中离子不能很快进入 共质体, 导致质外体离子大量积累形成低水势引起原生质体脱水伤害[7] , 由此可以认为质外体中Na+ 的大量积累可能是玉米在盐胁迫下受伤害的原因之一。玉米在盐胁迫下净光合速率降低, 气孔导度降低, 细胞间隙CO2 浓度升高( 表1) , 可见, 玉米光合速率的降低并不是单纯由气孔因素引起的, 这与前人的结果一致[8] 。盐处理使玉米的Fv",Fm 和Fv",Fo 比值下降( 图5, 图6) , 说明PS 受到了损伤[9] , 因盐胁迫下玉米叶片积累Na+ 、Cl- , 加速荧光猝灭, 使PS 的光化学活性和原初光能转化率下降, 不利于叶绿体把光能转化为化学能。对玉米叶绿体超微结构的观察发现, 100 mmol",L NaCl 处理7 d, 使玉米叶绿体的双层膜部分损坏, 基粒片层之间的连接出现断裂( 图7) 。类囊体膜是叶绿体光能吸收、传递和转换的结构基础, 植物体从事光能吸收、传递和转换的各种色素蛋白复合体分布于类囊体膜上,叶绿体精细结构的解体, 必定导致色素蛋白复合体不稳定。有实验表明, NaCl 胁迫会导致PS 捕光色素蛋白复合体的伤害, 发生降解, 光能转换能力下降[10] , 必然降低叶绿体对光能的吸收利用。以上结果说明, 盐胁迫下叶绿体膜结构被破坏可能是玉米F v",Fm 及Fv",Fo 值下降、光合速率降低的主要原因。