李长有+倪福太

摘要：本实验以较耐盐碱的高梁品种四杂25号（SIZA25）为实验材料，选择碱度不同的三个土壤样区，定为无碱胁迫（C）、轻度碱胁迫（M）和重度碱胁迫（S）进行实验，分别对无机离子和相溶性溶质进行测定，并进行两年的对比实验，以探讨土壤碱化对高粱离子平衡的影响。

关键词：高粱;天然碱胁迫;离子平衡

基金项目：国家自然科学基金项目（30671491）资助;吉林省教育厅科技计划项目（吉教科合字〔2011〕第 164 号）

中图分类号： S514                                     文献标识码：  A                               DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.24.0019

1 前言

土壤碱化对植物代谢特别是根生理功能有严重和复杂的影响。虽然世界陆地面积占地约13.2×109公顷，不超过7×109公顷属于潜在的可耕地，只有1.5×109公顷目前可供栽培。约0.34×109公顷（23%）的耕地是盐水，另0.56×109公顷（37%）的耕地是钠质[1]。碱化土壤存在于超过100个国家，并覆盖约10%的总耕地面积。在盐碱土壤中Na+、Ca2+、Mg2+和K+是可溶性的矿物盐的主要阳离子， Cl-、SO42-、HCO3-、CO32-，和NO3- 是相应的主要阴离子[1]。这些离子都来自中性盐或碱性盐。报告清楚地表明，碱胁迫对植物影响非常有害[2-7]。实际上，土壤盐碱化即由于碱性盐如NaHCO3和Na2SO4引起的问题，可能比土壤盐渍化即由中性盐如NaCl和Na2SO4引起的问题更加严重[2]。根部周围的高pH环境可导致根的正常生理功能的丧失，破坏根细胞的结构[5-7];抑制离子的摄取如Cl-、NO3 -和H2PO4-;大大影响K+的Na+的选择性吸收，并破坏离子平衡[6，8]。土壤碱化在一些地区是严重的问题。例如，在中国东北，碱化草地覆盖总面积的70%以上，并继续蔓延[1，9]。然而，大多数的报道迄今已普遍强调了盐胁迫[9];关于植物对盐碱胁迫的生理反应的报道很少[5-8，10-12]。诱导碱胁迫的基因表达是基于实验室研究得出的结果[13-14]。碱化土壤构成复杂的挑战：盐的组合物以及中性至碱性的盐的比例甚至可以在一个小的区域不同。因此，通过这样的土壤对植物施加的压力比由单一的盐或碱在受控条件下实施更复杂 ，并可能涉及渗透胁迫，离子损伤，高pH的应力，并且从不同的离子间的相互作用。因此，在碱化土壤田间试验是理解耐碱性尤为重要的。

高粱（Sorghum bicolor L）是一种生活中在半干旱地区的主要食品、饲料及能源作物。高粱有许多优点，例如：抗干旱、水涝、盐以及即使在贫瘠的土壤中也能生长的能力。这种作物广泛的分布于干旱和半干旱的地区，以及低洼地区。由于天气的原因、土壤盐渍化和干旱，全球的高粱产量和质量都会受到严重的影响。在本实验中，耐碱的高粱品种（SIZA25）生长于碱化的耕地，然后对于无机离子和相溶性溶质进行测定，以探讨土壤碱化对高粱离子平衡的影响。

2 材料与方法

2.1 植物材料和天气状况

SIZA25，耐碱高粱品种被选为测试品种。在长岭马场的东北师范大学草地生态研究站于2009年和2010年进行的实验（吉林省东北师范大学草地生态研究站，位于松嫩南部。气候属半湿润半干旱温带，年降水量310～580毫米，年蒸发量为1136～1565年毫米，年积温为2579℃～3144℃，日平均气温在作物生长阶段的总和;用作测量热量在作物生长阶段的规则）。在2009年和2010年从4～10月，吉林省气象台记录平均降水量168.6毫米和249.4毫米，在2009年和2010年累计最高温度分别为4747℃和4080℃。

2.2 实验地点

该实验包括三个地块：一个中度退化的地点，一个严重退化的地点，一个非退化的地点，其中非退化的地点作为对照。这三个采样点主要是在不同的含盐量（电导率）和pH值：地点C（对照区）记录的低导电率（212.33±5.53 DS/ m）和pH（8.38±0.04）;相应的值中度退化的地点分别为1038.83±67.71 DS/m和8.62±0.14（中等胁迫的M点），高度退化的地点为1420.33±53.57 DS/m，9.56±0.06（严重胁迫的S点）。土壤样品（重300克/个）从每个地点的根际收集，放置在土壤采样袋中，在室内在4℃下存放备用。在实验室中，土壤样品进行空气干燥和过筛（孔径小于2毫米）。采用混合等重量的土壤和水的土壤样品悬浮液进行测量电导率（EC）和pH值。

2.3 生理指标的测定

在早晨收获植物，用蒸馏水洗涤，分离成根、茎、叶，在100℃鼓风干烘箱中杀青10分钟，然后在60℃至恒重。各干燥样品与10毫升去离子水混合，并保持在100℃下1小时，将萃取液用于测定游离的无机离子的含量：Cl-、NO3-、H2PO4-、SO42-，草酸盐，通过离子色谱法测定（DX-300离子色谱系统，AS4A-SC层析柱，流动相：Na2CO3/NaHCO3 = 1.7/1.8毫米;戴安，桑尼维尔，美国），Na+、K+、Ca2+和Mg2+通过原子吸收分光光度计测定（TAS-990，普析通用，北京）。脯氨酸的含量用茚三酮进行测定[15]。可溶性总糖采用蒽酮测定[15]。甘露醇含量使用张等人的方法进行测定[16]。游离氨基酸采用比色法测定[17]。

2.4 统计分析

所有的实验都是基于6个重复样本。对数据进行方差分析（ANOVA）用统计软件SPSS 14.0（SPSS公司，芝加哥，美国）单向分析。处理平均值由Student-Newman-Keuls 检验（q检验）进行比较。差异P <0.05为显著。

3 结果与分析

3.1 阴离子

天然的碱性胁迫刺激Cl-和NO3-在根、茎、叶的积累（如图1）。

图1天然的碱性胁迫对Cl-和NO3-积累和分布的影响

在根H2PO4-的含量并没有显著改变，其在茎含量随胁迫强度略有增加。然而，自然碱胁迫降低叶H2PO4-的含量，刺激H2PO4-的积累只能在适度范围（如图2）。

图2天然的碱性胁迫对H2PO4-积累和分布的影响

天然的碱性胁迫增加根SO42-含量，并减少其在叶片中含量， 在茎中含量在2009年下降，在2010年上升（如图3）。

图3天然的碱性胁迫对SO42积累和分布的影响

3.2 相溶性溶质

自然碱胁迫并没有影响可溶性糖的显著积累（如图4）。

图4天然的碱性胁迫对可溶性糖含量积累和分布的影响

在叶脯氨酸，甘露醇和氨基酸保持相对不变，而在根和茎的脯氨酸和氨基酸的积累，刺激甘露醇的降低（如图5）。

对草酸含量的影响只是轻微（如图6）。

图6天然的碱性胁胁迫对草酸含量积累和分布的影响

4 讨论与结论

4.1 比较

自然碱胁迫导致渗透胁迫和离子损伤[18]，加上各种离子之间的相互作用和高pH值增加的影响。因此，天然碱胁迫对高粱的生长有较强的抑制作用（如图7）。我们发现，碱性盐在根际造成高pH值和离子失衡的不利影响作出了重大贡献[19]。另外，天气也可能影响高粱植物的天然碱胁迫，图1表明，根，茎，叶的DW在2010年比2009年较高，这差异可能归因于2009年降水较低和温度较高。

图7天然的碱性胁胁迫对高粱生长有较强的抑制作用

4.2 渗透调节

天然的碱性应力降低K+和Ca2+含量，增加Na+含量，导致更高的Na+/K+和Na+/Ca2+泵比（如图8）。Na+已被证明只对某些物种是必不可少的，但似乎刺激其他物种的生长[20]。然而，K+是唯一的一价阳离子，是所有高等植物的生长所必需的，且已被报道在同化物的转运中发挥重要作用[21-22]。低Na +和高K +在细胞质中是必不可少的一些酶促过程。对高粱来说高含量的K被认为是比高含量的Na更有害。我们的结果表明，天然的碱性胁迫对Na+/K+比率在高粱叶片和茎仅有很小的影响，但是显着增加了根部Na+/ K+比率（如图8）。

天然的碱性胁迫增加根系和茎中Na+含量而不是影响叶（如图8），而在根中的K+含量比在叶片和茎低，Na+含量和Na+/ K+比率根部要比叶和茎高得多。这种差异表明，在根部保持相当高渗透势的水份吸收和限制钠离子到芽的扩散是高粱的适应性战略组成部分。高粱具有一个非常高效的机制以防止Na+从枝条进入到根[23-24]。天然的碱性应力降低K+在根部含量而不是在叶（图8D-F），这一发现与早期研究的结果不同。弗朗索瓦等[25]发现，盐胁迫并没有影响K+在高粱的积累，而我们的数据显示，天然的碱性胁迫下高粱叶子不会严重缺乏K+。在这样的压力，高粱可能会释放K+从根到芽，钾的又一作用机制提供给高粱忍受压力的能力。自然碱胁迫不仅影响阳离子的新陈代谢，也强烈干扰无机阴离子的积累和分布，通过降低Cl-和NO3-在根、茎、叶的含量，特别是在茎和叶。这可能是由于无机负电荷高粱严重缺乏，从而影响代谢的动态平衡。

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