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不同浓度和时间 NaCl处理对水培冰菜生长和盐囊细胞的影响 李慧霞 路亚南 杨瑞 刘明星 周刚 吕福虎 包头市农牧业科学研究院 内蒙古包头 014013 摘要 以水培 非洲冰菜 为试验材料 研究不同浓度NaCl处理和不同处理时间对冰菜生长 无机离子含量和盐囊细胞数量和形态的影 响 试验1 分别设定0 0 05 0 15和 0 25 mol L NaCl 4 个处理 试验 2 设定 CK 始终不添加 NaCl 和分别在 0 7 和 14 d 后添加 0 05 mol L NaCl 4个处理 以日本园试营养液配方为基础培养液 栽培28 d 结果表明 随着盐处理浓度的增加 冰菜地上部和地下部干 鲜重减少 无机离子除Na增加外 K Ca Mg和P 的含量均随NaCl浓度的增加而减少 说明冰菜高产栽培最适盐浓度为0 05 mol L 但 冰菜地上部鲜重在0 25 mol L 处理下与对照差异不显著 说明冰菜还可以忍耐更高浓度的盐胁迫 随着盐浓度的增加 盐囊细胞因积 累大量的NaCl和水分而变得大而稀疏 此外 处理时间越早 冰菜干 鲜重越大 说明盐胁迫处理越早越好 但处理时间对无机离子的 含量影响不显著 关键词 冰菜 无土栽培 NaCl胁迫 盐囊细胞 中图分类号 S649 文献标识码 A 文章编号 0517 6611 2021 14 0057 04 doi 10 3969 j issn 0517 6611 2021 14 015 开放科学 资源服务 标识码 OSID Effects of Different Concentrations and Stress Time of NaCl Treatment on Growth and Epidermal Bladder Cells of Hydroponic Ice Plant LI Hui xia LU Ya nan YANG ui et al Institute of Agricultural Sciences of Baotou Baotou Inner Mongolia 014013 Abstract In this study hydroponic African ice plant was used as the experimental material to study the effects of different concentrations of NaCl treatment and different treatment time on Mesembryanthemum crystallinum L growth inorganic content and the number and morpholo gy of epidermal bladder cells EBCs Four NaCl treatments 0 0 05 0 15 and 0 25 mol L in experiment 1 and four NaCl treatment times CK always do not add NaCl and adding 0 05 mol L NaCl after 0 7 and 14 days in experiment 2 were set for 28 days based on the nutrient solutionthe of Japanese garden formula The results showed that with the concentration of salt treatment increase the dry and fresh weight of the shoot and root of ice plant decreased and the content of K Ca Mg and P decreased with the increase of NaCl concentration except Na con tents increased which indicated that the optimal salt concentration for high yield cultivation of ice plant was 0 05 mol L There was no signifi cant difference between 0 25 mol L treatment and the control of shoot fresh weight indicating that ice plant could tolerate higher concentration of salt stress As the salt concentration increased the EBCs became larger and sparse due to the accumulation of a large amount of NaCl and water In addition the earlier the salt treatment time the greater the shoot fresh and dry weight of ice plant indicating that the earlier the salt stress treatment the better but the treatment time had no significant effect on the content of inorganic Key words Ice plant Soilless NaCl stress Epidermal bladder cells 基金项目 包头市青年创新人才项目 作者简介 李慧霞 1984 女 山西浑源人 助理研究员 博士 从事 设施无土栽培研究 通信作者 副研究员 从事设施蔬菜 栽培研究 收稿日期 2020 12 18 近年来 由于盐害造成的土壤盐碱化问题在全世界范围 内扩大 受盐害的地区超过 100 个国家 面积达 83 100万hm 2 1 土壤盐碱化是世界范围内普遍存在的问 题 严重影响植物的生长和发育 在盐胁迫栽培环境下 植 物常表现为叶色深绿 植株矮化 最终产量减少 且随着盐浓 度的增高和盐胁迫时间的加长 矮化越严重 一些耐盐性较 弱的植物生长受阻甚至枯死 2 4 因此 研究耐盐植物在盐 碱地环境下的耐盐机制 对沿海地区和内陆盐碱地的作物生 长和盐碱地改良等尤为重要 近年来 备受关注的可作为食 用盐性植物的冰菜 因其具有独特的耐盐机制 能在高盐的 土壤中生长繁殖 而被作为研究耐盐机制的模式植物 冰菜 Mesembryanthemum crystallinum L 又名冰叶日中 花 是番杏科日中花属一年生草本植物 其特点是在叶面和 茎上着生有大量的泡状细胞 称作盐囊细胞 epidermal blad der cells EBCs 在太阳光照射下像冰晶一样 因此而得 名 5 6 冰菜具有极强的抗旱性和耐盐性 是典型的泌盐植 物 在受到盐胁迫后能把吸收进去多余的盐分 通过茎 叶表 面密布的盐腺排到盐囊细胞中 因此 盐囊细胞对冰菜的耐 盐性起着关键作用 7 9 盐胁迫是影响作物产量的主要逆境胁迫之一 盐胁迫能 快速扰动植物初级代谢 使其生长受阻 气孔关闭 光合作用 下降 渗透性和离子失衡进而导致生理干旱 酶活性受损 细 胞损伤和坏死 2 10 但植物耐盐性是一个受多基因 复杂环 境控制的生理过程 且不同植物的耐盐机制也不尽相同 研 究表明 冰菜可在与海水相同浓度 含盐度35 0 5 mol L 的盐胁迫下正常生长 5 11 但也有研究表明冰菜在接近海水 高浓度盐胁迫处理下栽培生长受抑制甚至死亡 12 13 这可 能是试验的冰菜品种和试验条件不同而有所差异 且植物受 盐害程度不仅取决于盐胁迫水平 还取决于植物的抗盐能力 和盐胁迫的时间 4 10 国内外关于冰菜的耐盐机制研究 主 要集中在盐胁迫处理下不同信号物质在C3 CAM 转化过程 中的作用 14 另外 关于耐盐机理过程中Na H 逆向转运系 统 离子分布 15 以及盐胁迫下水通道蛋白调控和基因表 达 16 和抗氧化胁迫 13 等方面取得了一定的研究成果 笔者 以水培冰菜为试验材料 研究不同浓度盐胁迫和胁迫时间处 理对冰菜生长和离子吸收的影响 以及对盐囊细胞的数量和 形态变化的影响 旨在为揭示冰菜的耐盐机制提供理论 依据 1 材料与方法 1 1 试验材料 试验用冰菜品种为 非洲冰菜 种子购自 安徽农业科学 J Anhui Agric Sci 2021 49 14 57 60 北京凤鸣雅世科技发展有限公司 冰菜种子播于50穴穴盘 中 待长出4片真叶后移栽到装有陶粒的水培定植篮 直径 8 cm 放置于铺有塑料薄膜的苗盘中 浇1 2倍日本园试营 养液配方 直到8片真叶后开始试验 试验在包头市农牧业 科学研究院温室内进行 1 2 试验方法 采用日本园试配方 试验1 设定基本培养 液0 mol L 无NaCl 区为对照区 和在基本培养液中加入 0 05 0 15 0 25 mol L NaCl 共4个处理区 不同处理营养液 EC初始值和NaCl 添加量见表1 试验2 设定基本培养液 CK 始终不添加 NaCl 和分别在 0 7 和 14 d 后添加 0 05 mol L NaCl 4个处理 试验 和试验 每个处理2个重 复 每隔7 d调节pH至6 0 并补充水分至原始设定值 处理 时间为28 d 表1 不同浓度盐处理下营养液EC初始值和NaCl含量 Table 1 EC value and NaCl content of nutrient solution in different NaCl treatments 浓度 Concentration mol L EC初始值 EC value ds m NaCl含量 NaCl content g L 0 2 1 0 0 05 7 2 2 9 0 15 16 9 8 7 0 25 25 4 14 5 1 3 测定项目与方法 最大叶长 叶幅每7 d测量一次 收 获后 分别测量地上和地下部分的鲜重和干重 计算植株含 水量 植株鲜重 植株干重 植株鲜重 100 干样测定无机成分含量 全氮采用凯氏定氮法测定 Na K采用火焰光度法测定 Mg Ca采用EDTA滴定法测定 P 采 用钒钼黄比色 紫外分光光度计测定 参照鲍士坦 17 的试验 方法测定 盐囊细胞用实体显微镜观察试验1得到的样品 调查盐 囊细胞数量和形态的差异 1 4 数据分析 试验数据采用Excel 2007和SPSS 20 0软件 进行统计分析 2 结果与分析 2 1 不同浓度盐处理对冰菜干鲜重的影响 不同浓度的 NaCl处理引起了冰菜干鲜质量的差异 表2 在0 05 mol L 处理下 各干鲜质量指标最大 且地上部干 鲜重显著高于对 照 分别为对照的1 7和2 2倍 随着 NaCl 浓度的增加 地 上部干鲜重和地下部干鲜重逐渐减少 NaCl浓度在0 05和 0 15 mol L处理下 地上部鲜重 地上部干重和地下部干重差 异不显著 当浓度达0 25 mol L时 地上干鲜重和对照相比 差异不显著 NaCl处理下冰菜地上部含水量均有不同程度 的增加 且在0 25 mol L处理达到最大 说明盐胁迫促进冰 菜叶片和茎对水分的储藏 2 2 不同浓度盐处理对冰菜叶片无机成分含量的影响 由 表3可知 矿物元素中Na含量随NaCl 浓度增加而增加 但 大量元素中K Ca Mg和P 的含量随NaCl 浓度的增加而减 少 且显著低于对照 NaCl各处理下N含量的变化不大 均 显著低于对照 盐处理下 除Na含量增加外 其他大量元素 均呈下降趋势 表2 不同浓度盐处理对冰菜干鲜重的影响 Table 2 Effect of different NaCl treatments on fresh and dry weight of ice plants 浓度 Con centra tion mol L 地上部 鲜重 Fresh weight of shoot g 株 地下部 鲜重 Fresh weight of root g 株 地上部 干重 Dry weight of shoot g 株 地下部 干重 Dry weight of root g 株 植株含 水量 Water content 0 215 1 b 17 5 ab 8 7 b 0 9 ab 96 0 b 0 05 482 1 a 25 1 a 14 5 a 1 1 a 97 0 a 0 15 393 7 ab 12 7 b 12 6 a 0 9 ab 96 8 ab 0 25 208 8 b 7 5 c 6 0 b 0 5 b 97 1 a 注 同列不同小写字母表示不同浓度间差异显著 P 0 05 Note The difference between different lowercase letters in the same column was significant P 0 05 表3 不同浓度盐处理对冰菜叶片矿物元素含量的影响 Table 3 Effect of different NaCl treatments on mineral element con tent in ice plant leaf mg g 浓度Concent ration mol L N K P Mg Ca Na 0 52 6 a 87 0 a 9 4 a 45 8 a 6 0 a 27 4 c 0 05 41 8 b 75 1 b 8 0 b 26 2 b 5 9 a 65 0 b 0 15 41 6 b 58 2 c 8 0 b 16 7 c 3 1 b 92 8 a 0 25 44 4 b 35 9 d 7 3 c 13 3 c 1 1 c 95 0 a 注 同列不同小写字母表示不同浓度间差异显著 P 0 05 Note The difference between different lowercase letters in the same column was significant P 0 05 2 3 不同浓度盐处理对冰菜叶片盐囊细胞的影响 不同浓 度盐处理对冰菜盐囊细胞的影响见表4和图1 冰菜表面和 背面的盐囊细胞数量表现为 0 mol L 0 05 mol L 0 15 mol L 0 25 mol L 对照和0 05 mol L处理下盐囊细胞 小而密集 而0 15和0 25 mol L 处理下的盐囊细胞大而稀 疏 且大小分布不均 表4 不同浓度盐处理对冰菜盐囊细胞的影响 Table 4 Effect of different NaCl treatments on epidermal bladder cell of ice plants 个 cm 2 浓度Concen tration mol L 表面 Leaf surface 背面 Leaf back 0 118 2 a 100 0 a 0 05 98 4 b 82 8 b 0 15 70 1 c 51 3 c 0 25 64 6 c 57 7 c 注 同列不同小写字母表示不同浓度间差异显著 P 0 05 Note The difference between different lowercase letters in the same column was significant P 0 05 2 4 不同浓度盐处理对冰菜叶片形态的影响 不同浓度盐 处理叶片生长随处理时间变化见图2 由图2可知 随着定 植时间的推移 不同浓度NaCl 处理的冰菜植株叶长和叶宽 逐渐增大 定植 7 d 后 随着处理时间的增加 对照 0 05 mol L 和0 15 mol L 处理下叶长和叶宽增幅明显大于 0 25 mol L 处理 定植21 d后 对照处理下的叶片生长变缓 慢 在定植28 d后 0 05和0 15 mol L处理叶长和叶宽达到 85 安徽农业科学 2021年 最大 在整个生长过程中叶长和叶宽在盐处理0 25 mol L下 最小 说明高浓度的NaCl促使叶片短缩 图1 不同浓度盐处理下冰菜盐囊细胞显微镜图片 Fig 1 Epidermal bladder cell of ice plant leaf under different NaCl treatments 2 5 不同盐处理时间对冰菜叶片形态的影响 不同盐处理 时间对冰菜干鲜重和无机成分含量的影响见表5和6 由表5 和表6可知 处理时间越长 冰菜干 鲜重越大 说明冰菜喜盐 且盐处理时间越早越好 盐处理下N和P 含量减少 但不同 处理时间对N和P 含量的影响差异不显著 盐处理和处理时 间K含量变化不明显 但Na含量随处理时间越短 含量越少 3 结论与讨论 生物量是植物对盐胁迫反应的综合体现 也是体现植物 耐盐性的直接指标之一 18 盐胁迫下盐生植物不同器官存 在最适盐度 一定盐度范围对植物生长影响较小 该试验冰 菜在0 05和0 15 mol L NaCl 处理下 地上部生长量显著大 于对照 说明冰菜喜盐 这与大部分试验结果一致 但2个处 理下地下部鲜重差异显著 说明冰菜根系的最适盐胁迫处理 为0 05 mol L 但徐微风等 13 和段瑞军等 19 研究表明 灌 溉水中20 40 海水浓度的环境最适合冰菜生长 株高 叶 长 叶宽和分枝数均显著高于对照 且低浓度海水没有对冰 菜产生氧化胁迫和胁迫损伤 0 25 mol L NaCl 海水浓度 50 下地上部鲜重和对照差异不显著 说明冰菜还可以耐 受更高浓度的盐胁迫 但该处理7d后叶长和叶宽逐渐低于 图2 不同浓度盐处理对冰菜最大叶长和叶宽的影响 Fig 2 Effect of different NaCl treatments on leaf length and leaf width of ice plant 表5 不同盐处理时间对冰菜干鲜重的影响 Table 5 Effects of different NaCl stress time on fresh and dry weight of ice plants shoot and root g 处理时间 Treatment time d 鲜重 Fresh weight 干重 Dry weight CK 87 2 c 3 2 c 0 198 7 a 4 9 a 7 148 4 b 4 1 b 14 121 6 bc 3 7 c 注 同列不同小写字母表示不同处理时间间差异显著 P 0 05 Note The difference between different lowercase letters in the same column was significant P 0 05 其他处理和对照 虽然0 25 mol L处理对植株重量影响不显 著 但随着盐浓度的增加和处理时间的延长明显改变叶片的 形态建成 盐囊细胞 EBCs 是冰菜的耐盐特异化细胞 存在于除 根以外的所有组织表面 20 分布在叶片和肉质茎表面的盐 囊细胞在受到盐胁迫时 可以储存大量的NaCl和水 以促进 植物的生长发育 提高盐胁迫条件下的繁殖能力 7 21 研究 表明盐胁迫下的盐囊细胞呈隆状的凸起 可累积多达 1 2 mol L的NaCl 22 该试验盐处理下 EBCs 随 NaCl 浓度 的增加盐囊细胞数减少 排列稀疏 这是由于随着NaCl吸收 量的增加 在盐囊细胞内积蓄的NaCl和水量增加 导致细胞 膨胀 且盐浓度越高 细胞膨大越明显 但徐微风等 8 研究 表明 低浓度 40 冰菜表皮盐囊泡的数量和形态差异不 显著 这可能与水培条件下冰菜对Na 吸收量变大 导致对 盐胁迫缓冲作用变小 表6 不同盐处理时间下冰菜叶片无机成分含量 Table 6 Contents of inorganic nutrients in leaves of ice plants grown in different NaCl stress time mg g 处理时间 Treatment time d N K P Na CK 47 1 a 78 6 a 7 4 a 24 4 c 0 39 5 b 84 1 a 6 3 b 64 2 a 7 41 1 b 85 9 a 6 2 b 61 8 a 14 43 3 b 80 6 a 6 3 b 55 3 b 注 同列不同小写字母表示不同处理时间间差异显著 P 0 05 Note The difference between different lowercase letters in the same column was significant P 0 05 9549卷14期 李慧霞等 不同浓度和时间NaCl处理对水培冰菜生长和盐囊细胞的影响 此外 EBCs的另一个重要作用是渗透性调节作用 盐 胁迫下 植物可通过累积各种渗透调节物质来维持一定的渗 透势 使植物的生长 呼吸和光合作用等生理过程能正常进 行 23 渗透调节物质主要有两大类 一类是有机溶质 主要 包括游离的氨基酸 可溶性糖 多元醇和可溶性蛋白质等物 质 24 25 另一类是无机离子 如 Na K Ca 2 等 26 27 焦云 鹏 28 通过与几种叶菜类蔬菜 生菜 油麦菜 菠菜 进行对比 分析发现 冰菜含有丰富的 Na K Fe Zn 等矿物质 其中 Na K和Mg的含量分别为30 18和1 mg g 是其他叶菜类含 量的3 34倍 该试验水培条件下栽培的冰菜 非盐胁迫下矿 质离子除Na含量接近外 其他离子均明显大于土壤栽培 盐胁迫下 盐离子含量在细胞内的大量积累造成植物体 内离子毒害 对生物膜造成损害 进而影响植物的生长发育 Na 是盐胁迫的主要毒害离子 高盐浓度下 Na 与K Ca 2 等 其他阳离子竞争产生离子拮抗 从而引起植物体内K Ca 2 等的亏缺 26 29 因此 提高植物体内K Ca 2 Mg 2 等阳离子 与Na 的离子比 对提高植物耐盐性至关重要 该试验中 除 Na含量随盐胁迫浓度的增加而增加外 K Mg Ca等均随胁 迫浓度增加而减少 但胁迫时间对离子含量影响较小 综上所述 冰菜因含有丰富的 Na K 等 被认为是高营 养的生食蔬菜 该试验通过盐处理后 矿物质含量有减少的 倾向 在不影响产量和不损失高矿物质成分栽培条件下 冰 菜最适高产栽培应控制盐浓度在0 05 mol L NaCl浓度左右 该试验中高浓度下 海水浓度一半 盐胁迫对冰菜无机离子 吸收和盐囊细胞数量和大小有所影响 但地上部鲜重与非盐 处理差异不显著 说明冰菜还可以在更高盐浓度下生长 参考文献 1 MONTESANO F F VAN IE SEL M W Calcium can prevent toxic effects of Na on tomato leaf photosynthesis but does not restore growth J Journal of the American society for horticultural science 2007 132 3 310 318 2 BALL M C ANDE SON J M Sensitivity of photosystems to NaCl in rela tion to salinity tolerance Comparative studies with thylakoids of the salt tol erant mangrove Avicennia marina and the salt sensitive pea Pisum sati vum 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