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【摘 要】:本实验以150ml/L的NaCl胁迫处理小麦幼苗,测量其生理指标和微观结构的变化。结果表明,盐胁迫对于小麦幼苗的生长有一定的抑制作用。肉眼观察,幼苗变得矮小,枯黄,瘦弱,易倒伏。测量观察,12天以后出现对株高、叶片数生长的抑制作用。同时,组织含水量降低, Fv/Fm降低,生理的变化导致形态的变化。石蜡切片显示,在盐胁迫处理下,小麦叶片中导管直径变小,叶肉细胞变小,叶片厚度变薄。
【关键词】:盐胁迫 小麦幼苗 形态特征 生理特性
中图分类号:S512.1 文献标识码:A 文章编号:1003-8809(2010)06-0018-02
0引言
盐渍土是地球上分布广泛的一种土壤类型[1,2],目前全世界的耕地中接近一半的灌溉地受到盐碱的威胁,作物在这种土壤中生长会受到盐胁迫。盐胁迫是指土壤中盐分过多对植物生长发育产生的危害。盐胁迫会改变植物一系列的生理生化过程,可使植物体内活性氧积累, 启动膜脂过氧化, 导致细胞膜结构和蛋白的损伤[3-4]。也可破坏植物组织和细胞的结构功能, 抑制植物的生长发育, 如减少叶绿素质量分数、导致植物光合速率下降等[5]。
本试验通过Hoagland营养液培养,比较精确地控制小麦的盐胁迫环境,在150 mM NaCl浓度[6]下对小麦幼苗的各项参数,包括小麦幼苗形态、叶绿素动力学、组织含水量、MDA等进行测定,试图了解这些生理指标的变化与小麦耐盐性提高的关系, 揭示小麦对盐环境的适应机理。
1材料与方法
1.1植物材料与盐胁迫处理
选用小麦为植物材料。小麦种子放入塑料杯中,用次氯酸钠溶液消毒10min。室内浸种、催芽24h。取盆钵、盆垫7套,将催好芽的种子均匀间隔移入,每盆约10-15株,再均匀撒盖上石英砂生长。小麦长至子叶完全展开后,开始用1/4Hoagland营养液培养。小麦长至3叶期后,选定6盆生长良好一致的,标记盆号,取其中3盆为对照,另3盆为150mM NaCl处理。处理期间继续定期加营养液,并分别在0d,4d,8d,12d和16d进行非损坏性生长观察。
1.2生长测量
每盆中标定3株,在0d,4d,8d,12d和16d连续调查株高和叶片数,并做记录。叶片为上位第一叶,第二叶和第三叶。
1.3组织含水量测定
16d NaCl处理后,取上述观察的完整植株,除去附在根系上的石英砂,分别称量地上部分和地下部分的鲜重(FW)。将测量过FW的材料分别放入标记好的纸袋中,70℃烘箱中烘干约24h直至恒重,称干重(DW)。分别计算地上部分与地下部分的组织含水量(water content,WC):WC(%)=(FW-DW)/FW×100。
1.4叶绿素荧光动力学参数的测定
从未经人为机械伤害的植株上取上位展开叶片,每盆取3片,剪去叶片基部和尖部,平铺在铝箔纸中包起,暗适应30min。暗中放入Handy PEA植物效率分析仪(Hansatech,British)的暗适应夹中,连接PEA主机,打开主菜单,直接测定叶绿素荧光。记录每份样品测定结束后主机屏幕上显示的荧光参数Fv/Fm。
1.5石蜡切片
从培养16天的小麦幼苗分别选取对照和处理各3片叶,剪去叶片尖部和基部,使长和宽均为一厘米。将剪好的材料放入FAA固定液(75%乙醇:冰乙酸:甲醛=18:1:1)中固定并抽气。将材料从固定液中取出进行脱水并渗蜡。
此后经包埋与修块后的材料用手摇切片机切片并烫平。待切片完全干燥后,将其浸入二甲苯梯度脱蜡,用番红和固绿依次染色后,浸入酒精梯度脱水,再返回二甲苯梯度使所染切片透明。用中性树胶进行封片,树胶凝固之后切片即可在显微镜下观察。并利用软件测量导管直径、叶片厚度、叶肉细胞大小,重复3次。
1.6 统计分析
所有数据按照完全随机设计进行单元方差统计分析,各测定项目分别计算NaCl处理与对照的平均值和标准误,并作最小显著差数(LSD,least significant difference)分析。
2结果与分析
2.1 对照组与150mM NaCl盐胁迫下小麦幼苗的生长情况差异
在对处理组施加150mM NaCl后的8天内,处理组与对照组株高、叶片数基本一致,表明对照组叶片生长基本正常,并没有表现出明显的抑制现象。盐胁迫对于株高和叶片数的影响从第12天开始显现,表现出明显的抑制作用。
2.2对照组与150mM NaCl盐胁迫下小麦幼苗组织含水量的差异
表1显示了地上部分的鲜重(FW)之间及地下部分干重(DW)之间存在显著的差异。从高盐影响地下部分干重而没有影响地上部分干重的结果中可以推测高盐条件下最先影响的是地下部分,因为根部最先接触NaCl的胁迫,影响到了其有机物质的积累。
2.3对照组与150mM NaCl盐胁迫小下麦幼苗组织中叶绿素荧光动力学参数的差异
图5显示了150mM NaCl的盐胁迫对小麦叶片的叶绿素荧光动力学参数。Fv/Fm代表PSⅡ原初光能转化效率。150mM NaCl的盐胁迫处理的幼Fv/Fm有明显的下降,对照组与处理组显示出显著差异。
注:重复数为9。*表示显著性差异(P=0.05)。
图2 对照组与盐胁迫处理小麦叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm
2.4石蜡切片
表2显示了对照组与盐胁迫组小麦叶片维管束直径、导管直径、叶片厚度与叶肉细胞的大小。盐胁迫处理16天以后,小麦叶片的导管直径、叶片厚度与叶肉细胞较对照组相比均显著变小。
注:表中数值为平均值±标准误,重复数为3。*表示显著性差异(P=0.05)。
3讨论
盐胁迫处理后可见小麦幼苗的株高、叶片数都显著减小,幼苗组织含水量减少, Fv/Fm明显下降,石蜡切片显示导管直径、叶肉细胞、叶片厚度明显减小。
导管直径变小直接导致水分、无机盐的输送能力减弱,使得叶肉细胞得不到充足的养分,导致叶肉细胞体积也变小。而叶肉细胞的变小,又直接导致盐处理的叶片变薄。在形态学上表现出植株的矮小。幼苗组织含水量减小在形态学上则表现为植株的萎蔫。含水量的下降是植物处于渗透压胁迫之下所产生的全面的应激反应[8, 9],各种生理生化反应受到抑制,从而阻碍植株的生长。同时,含水量的下降又会导致细胞内积累高浓度的盐离子,而过量的盐离子使细胞内膜系统和细胞器的分室和重建过程受阻[10],造成细胞内电解质大量外渗。从而使电导率呈现增加趋势。
叶绿素荧光动力学参数显示Fv/Fm(光化学反应效率)下降,说明盐胁迫处理后的叶片中叶绿素含量较低[7]。盐胁迫下,随着叶绿体片层结构的逐渐降解,Fv/Fm不可避免的下降,导致同化能力减少,最终导致光合速率下降。另外,细胞中Na+和Cl-的积累不仅可以使得膜糖脂含量明显下降,而且可以使呈垛叠状态的类囊体膜的比例减小,并降低类囊体膜的垛叠能力,从而破坏叶绿体的结构,这是导致植物光合作用下降的重要原因。而光合作用受到抑制,必然导致叶片发黄,植株代谢紊乱,从而降低了植株的抗逆性。
参考文献:
[1] Zhu J K. Plant salt tolerance[J].Trends Plant Sci,2001,6:66—71.
[2]牛东玲,王启基. 盐碱地治理研究进展[J].土壤通报,2002,33(6):449-455.
[3] 师超,徐朗莱. 盐胁迫诱导小麦根尖细胞的氧化伤害及死亡[J].南京农业大学学报,2010,33(1):16-20.
[4] van Breusegem F, Dat J F. Reactive oxygen species in plant cell death [J]. Plant Physiol, 2006, 141: 384-390.
[5] Peng YH,Zhu YF,Mao YQ,et al. Alkali grass resists salt stress through high K+ and an endodermis barrier to Na+[J]. J Exp Bot,2004,55:939-949.
[6] Toshio Yamaguchi, Eduardo Blumwald. Developing salt-tolerant crop plants: challenges and opportunities. TRENDS in Plant Science, 2005, 10(12):616-620.
[7]蔡庆生,王庆亚.植物生物学大实验指导.
[8]Bertamini M, Zulini L, Muthuchelian K et al. Effect of water deficit on photosynthetic and other physiological responses in grapevine(Vitis vinifera L.cv Riesling) plants[J]. Photosynthetica, 2006, 44(1):151-154.
[9]Yazici I, Turkan I, Sekmen A H et al. Salinity tolerance of purslane(Portulaca oleracea L.) is achieved by enhanced antioxidative system, lower level of lipid peroxidation and proline accumulation[J]. Envir Expet Bot, 2007, 61(1):49-57.
[10] Toshio Yamaguchi, Eduardo Blumwald. Developing salt-tolerant crop plants: challenges and opportunities. TRENDS in Plant Science, 2005, 10(12):616-620.
【关键词】:盐胁迫 小麦幼苗 形态特征 生理特性
中图分类号:S512.1 文献标识码:A 文章编号:1003-8809(2010)06-0018-02
0引言
盐渍土是地球上分布广泛的一种土壤类型[1,2],目前全世界的耕地中接近一半的灌溉地受到盐碱的威胁,作物在这种土壤中生长会受到盐胁迫。盐胁迫是指土壤中盐分过多对植物生长发育产生的危害。盐胁迫会改变植物一系列的生理生化过程,可使植物体内活性氧积累, 启动膜脂过氧化, 导致细胞膜结构和蛋白的损伤[3-4]。也可破坏植物组织和细胞的结构功能, 抑制植物的生长发育, 如减少叶绿素质量分数、导致植物光合速率下降等[5]。
本试验通过Hoagland营养液培养,比较精确地控制小麦的盐胁迫环境,在150 mM NaCl浓度[6]下对小麦幼苗的各项参数,包括小麦幼苗形态、叶绿素动力学、组织含水量、MDA等进行测定,试图了解这些生理指标的变化与小麦耐盐性提高的关系, 揭示小麦对盐环境的适应机理。
1材料与方法
1.1植物材料与盐胁迫处理
选用小麦为植物材料。小麦种子放入塑料杯中,用次氯酸钠溶液消毒10min。室内浸种、催芽24h。取盆钵、盆垫7套,将催好芽的种子均匀间隔移入,每盆约10-15株,再均匀撒盖上石英砂生长。小麦长至子叶完全展开后,开始用1/4Hoagland营养液培养。小麦长至3叶期后,选定6盆生长良好一致的,标记盆号,取其中3盆为对照,另3盆为150mM NaCl处理。处理期间继续定期加营养液,并分别在0d,4d,8d,12d和16d进行非损坏性生长观察。
1.2生长测量
每盆中标定3株,在0d,4d,8d,12d和16d连续调查株高和叶片数,并做记录。叶片为上位第一叶,第二叶和第三叶。
1.3组织含水量测定
16d NaCl处理后,取上述观察的完整植株,除去附在根系上的石英砂,分别称量地上部分和地下部分的鲜重(FW)。将测量过FW的材料分别放入标记好的纸袋中,70℃烘箱中烘干约24h直至恒重,称干重(DW)。分别计算地上部分与地下部分的组织含水量(water content,WC):WC(%)=(FW-DW)/FW×100。
1.4叶绿素荧光动力学参数的测定
从未经人为机械伤害的植株上取上位展开叶片,每盆取3片,剪去叶片基部和尖部,平铺在铝箔纸中包起,暗适应30min。暗中放入Handy PEA植物效率分析仪(Hansatech,British)的暗适应夹中,连接PEA主机,打开主菜单,直接测定叶绿素荧光。记录每份样品测定结束后主机屏幕上显示的荧光参数Fv/Fm。
1.5石蜡切片
从培养16天的小麦幼苗分别选取对照和处理各3片叶,剪去叶片尖部和基部,使长和宽均为一厘米。将剪好的材料放入FAA固定液(75%乙醇:冰乙酸:甲醛=18:1:1)中固定并抽气。将材料从固定液中取出进行脱水并渗蜡。
此后经包埋与修块后的材料用手摇切片机切片并烫平。待切片完全干燥后,将其浸入二甲苯梯度脱蜡,用番红和固绿依次染色后,浸入酒精梯度脱水,再返回二甲苯梯度使所染切片透明。用中性树胶进行封片,树胶凝固之后切片即可在显微镜下观察。并利用软件测量导管直径、叶片厚度、叶肉细胞大小,重复3次。
1.6 统计分析
所有数据按照完全随机设计进行单元方差统计分析,各测定项目分别计算NaCl处理与对照的平均值和标准误,并作最小显著差数(LSD,least significant difference)分析。
2结果与分析
2.1 对照组与150mM NaCl盐胁迫下小麦幼苗的生长情况差异
在对处理组施加150mM NaCl后的8天内,处理组与对照组株高、叶片数基本一致,表明对照组叶片生长基本正常,并没有表现出明显的抑制现象。盐胁迫对于株高和叶片数的影响从第12天开始显现,表现出明显的抑制作用。
2.2对照组与150mM NaCl盐胁迫下小麦幼苗组织含水量的差异
表1显示了地上部分的鲜重(FW)之间及地下部分干重(DW)之间存在显著的差异。从高盐影响地下部分干重而没有影响地上部分干重的结果中可以推测高盐条件下最先影响的是地下部分,因为根部最先接触NaCl的胁迫,影响到了其有机物质的积累。
2.3对照组与150mM NaCl盐胁迫小下麦幼苗组织中叶绿素荧光动力学参数的差异
图5显示了150mM NaCl的盐胁迫对小麦叶片的叶绿素荧光动力学参数。Fv/Fm代表PSⅡ原初光能转化效率。150mM NaCl的盐胁迫处理的幼Fv/Fm有明显的下降,对照组与处理组显示出显著差异。
注:重复数为9。*表示显著性差异(P=0.05)。
图2 对照组与盐胁迫处理小麦叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm
2.4石蜡切片
表2显示了对照组与盐胁迫组小麦叶片维管束直径、导管直径、叶片厚度与叶肉细胞的大小。盐胁迫处理16天以后,小麦叶片的导管直径、叶片厚度与叶肉细胞较对照组相比均显著变小。
注:表中数值为平均值±标准误,重复数为3。*表示显著性差异(P=0.05)。
3讨论
盐胁迫处理后可见小麦幼苗的株高、叶片数都显著减小,幼苗组织含水量减少, Fv/Fm明显下降,石蜡切片显示导管直径、叶肉细胞、叶片厚度明显减小。
导管直径变小直接导致水分、无机盐的输送能力减弱,使得叶肉细胞得不到充足的养分,导致叶肉细胞体积也变小。而叶肉细胞的变小,又直接导致盐处理的叶片变薄。在形态学上表现出植株的矮小。幼苗组织含水量减小在形态学上则表现为植株的萎蔫。含水量的下降是植物处于渗透压胁迫之下所产生的全面的应激反应[8, 9],各种生理生化反应受到抑制,从而阻碍植株的生长。同时,含水量的下降又会导致细胞内积累高浓度的盐离子,而过量的盐离子使细胞内膜系统和细胞器的分室和重建过程受阻[10],造成细胞内电解质大量外渗。从而使电导率呈现增加趋势。
叶绿素荧光动力学参数显示Fv/Fm(光化学反应效率)下降,说明盐胁迫处理后的叶片中叶绿素含量较低[7]。盐胁迫下,随着叶绿体片层结构的逐渐降解,Fv/Fm不可避免的下降,导致同化能力减少,最终导致光合速率下降。另外,细胞中Na+和Cl-的积累不仅可以使得膜糖脂含量明显下降,而且可以使呈垛叠状态的类囊体膜的比例减小,并降低类囊体膜的垛叠能力,从而破坏叶绿体的结构,这是导致植物光合作用下降的重要原因。而光合作用受到抑制,必然导致叶片发黄,植株代谢紊乱,从而降低了植株的抗逆性。
参考文献:
[1] Zhu J K. Plant salt tolerance[J].Trends Plant Sci,2001,6:66—71.
[2]牛东玲,王启基. 盐碱地治理研究进展[J].土壤通报,2002,33(6):449-455.
[3] 师超,徐朗莱. 盐胁迫诱导小麦根尖细胞的氧化伤害及死亡[J].南京农业大学学报,2010,33(1):16-20.
[4] van Breusegem F, Dat J F. Reactive oxygen species in plant cell death [J]. Plant Physiol, 2006, 141: 384-390.
[5] Peng YH,Zhu YF,Mao YQ,et al. Alkali grass resists salt stress through high K+ and an endodermis barrier to Na+[J]. J Exp Bot,2004,55:939-949.
[6] Toshio Yamaguchi, Eduardo Blumwald. Developing salt-tolerant crop plants: challenges and opportunities. TRENDS in Plant Science, 2005, 10(12):616-620.
[7]蔡庆生,王庆亚.植物生物学大实验指导.
[8]Bertamini M, Zulini L, Muthuchelian K et al. Effect of water deficit on photosynthetic and other physiological responses in grapevine(Vitis vinifera L.cv Riesling) plants[J]. Photosynthetica, 2006, 44(1):151-154.
[9]Yazici I, Turkan I, Sekmen A H et al. Salinity tolerance of purslane(Portulaca oleracea L.) is achieved by enhanced antioxidative system, lower level of lipid peroxidation and proline accumulation[J]. Envir Expet Bot, 2007, 61(1):49-57.
[10] Toshio Yamaguchi, Eduardo Blumwald. Developing salt-tolerant crop plants: challenges and opportunities. TRENDS in Plant Science, 2005, 10(12):616-620.