（细胞生物学专业论文）盐胁迫对甜高粱幼苗碳同化及生理生化指标的影响.pdf

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，也不包含为获得沈阳农业大学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： 葛嘲 时间：刁年月 日 导师签名； 体协尹时间：2 司年月 日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使 用学位论文的规定，即：学校有权保窜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。同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：鸣吐钼 导师签名： 4 够冬节肜 时间：纠年6 月 日 ， 时间：w 年月日 沈阳农业大学硕士学位论文 摘要 本文报告了盐胁迫对甜高粱的影响机理，主要研究了盐胁迫对甜高粱幼苗的生长发 育、生理生化的影响、光合作用的变化及盐胁迫条件下k + 浓度对甜高粱生长及碳同化能 力的影响。试验结果表明： 1 5 0 r e t o o l - l 。1 n a c i 处理并没有对甜高梁幼苗的生长、生物量、相对含水量、相对电导 率和根活力造成影响，而1 0 0 r e t o o l l - 1 n a c i 处理的生长、生物量、相对含水量、相对电 导率和根活力也没有受到较大的影响，只有在重度盐胁迫下( 2 0 0 r e t o o l l 1 n a c l ) 甜高 粱幼苗的生长、生物量积累、相对含水量和根活力才有较大幅度的降低，相对电导率也 上升较大。 2 随着n a c l 胁迫的加剧( 当n a c i 浓度大于5 0 r e t o o l l d 时) 甜高粱幼苗膜脂过氧化程 度不断加大，膜系统受到破坏：膜保护酶( p o d ，s o d ，c a t ，a p x ) 活性降低， 2 0 0 r e t o o l - l 。1 n a c i 处理的酶活下降最大，1 0 0 r e t o o l l 4 n a c i 处理次之，使体内酶促和非酶 促防御系统均遭到破坏，活性氧含量增加对幼苗产生毒害。其中，1 0 0 r e t o o l l 1 n a c i 处 理后膜脂过氧化程度较轻，膜系统受害程度也轻于2 0 0 r e t o o l l - 1 n a c l 处理。 3 用5 0 和1 0 0 m m o l l 1 的盐( n a c l ) 处理对叶绿素含量影响很小；2 0 0 r e t o o l l - 1 n a c i 处理导致叶绿素含量明显下降。5 0 r e t o o l l 1 n a c i 处理未影响甜高粱幼苗的净光合速率； n a c l 浓度大于5 0 r e t o o l l - 1 时，净光合速率开始迅速降低；同时，气孔限制值( 厶) 也 减小；而且，光合能力的下降未能通过增加c 0 2 浓度得以恢复。甜高粱幼苗的初始荧光 ( f 0 ) 、最大荧光产量( ， m ) 和最大光化学效率( f , 。f a t ) 只在2 0 0 r e t o o l l 。n a c i 处理时 有较大程度的下降。此外，5 0 m r n o l l - 1 n a c i 胁迫也没有影响甜高粱幼苗的荧光猝灭动力 学参数；当n a c i 浓度大于5 0 r e t o o l - l - 1 时，光系统开放反应中心转化效率( r ，r ) ， 光化学猝灭系数( 知 和光系统n 实际光化学效率( 口j p s ) 开始下降，而非光化学猝灭 ( n p q ) 提高。因此，认为盐胁迫导致的碳同化能力的降低属于非气孔限制；碳同化能 力的降低改变了甜高粱光系统的激发能利用和分配。1 0 0 r e t o o l - l 1 盐胁迫条件下，甜 高粱幼苗主要通过增加热耗散来消耗过多的激发能，而2 0 0 r e t o o l l - 1 盐胁迫条件下通过 减少光能吸收和增加热耗散来维持光能捕获和利用的平衡。 4 随着盐浓度的增加植物的光合速率和生物量下降，而且k + 含量也下降，这可能是碳 同化能力下降的原因。随着k c ! 浓度的增加n a + 含量降低，当k c i 浓度达到6 m m o l l i 时光合速率最高，此后k c i 浓度再继续增加则光合速率开始下降。这可能是k 十毒害和 捐要 过多的k + 限制了作为渗透调节物的n a + 的吸收造成的。 5 实验证明：轻度的盐胁迫不会对甜高粱幼苗产生抑制作用，只有当盐浓度超过 l o o m m o l l d 时才会对甜高粱幼苗造成影响。盐胁迫所导致的碳同化能力的下降可以通 过适当的增加外源k + 得到缓解，而过多的k + 也会抑制植物的光合速率。因此在农业生 产中适当的施加一些k + 可以弥补盐对农作物产量的影响。 关键词：甜高粱幼苗盐胁迫碳同化生理生化指标 2 沈阳农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee f f e c tm e c h a n i s mo fs a l t - s t r e s so ns w e e ts o r g h u mw a ss t u d i e da n dd i s c u s s e d t h e g r o w t h , p h y s i o l o g ya n dp h o t o s y n t h e s i so fs w e e ts o r g h u mw e r ea l s os t u d i e d t h er e s u l t o b t a i n e df i o me x p e r i m e n t sa r es h o w e da sf o l l o w s ： 1 t h e r ew a sn oe f f e c to i ld r yw e i g h t , r e l a t i v ec o n d u c t a n c ea n dr e l a t i v ew a t e rc o n c e n t r a t i o ni n 5 0 r e t o o l l - t n a c lt r e a t m e n t h o w e v e r , t h e r ew a sn o l a r g e e f f e c t0 1 11 0 0 m m o l l l n a c l t r e a t m e n t ，d r yw e i g h ta n dr a l e t i v ew a t e re o n t e r l to f2 0 0 m m o l l - n a c it r e a t m e n t sh a dl a r g e d e c l i n e 2 a b o v e5 0 r e t o o l l _ 1 n a c lr e s u l t e di nm e m b r a n el i p i dp e r - o x i d a t i o n , a n dm e m b r a n es y s t e m w a s d e s t r o y s , t h e a c t i o no fp o d ，s o d ，c a ta n da p xd e c l i n e d e n z y m ea c t i o no f 2 0 0 r e t o o l l n a c lt r e a t m e n t sh a dt h el a r g e s td e s c e n d e n c e 1 0 0 m m o l l 1 n a c it r e a t m e n t sw e r e , l e s st h a n2 0 0 m m 0 1 l 1 n a c lt r e a t m e n t s 3 w es u g g e s tt h a tt h ed e c r e a s e dp h o t o s y n t h e t i cr a t e ( 尸n ) i ns a l t - s t r e s s e ds w e e ts o r g h u m s e e d l i n g si sm a i n l yd u et on o n - s t o m a t a ll i m i t a t i o n ；t h ed e p r e s s i o no fc a r b o na s s i m i l a t i o n c a p a c i t ys i g n i f i c a n t l ya l t e r st h ee x c i t e de n e r g yd i s t r i b u t i o n u n d e rm o d e r a t es a l ts t r e s s ( 1 0 0 m m o l l 1 n a c l ) ，i ti st h ee n h a n c e m e n to ft h e r m a ld i s s i p a t i o nt h a td i s s i p a t ee x c e 路 e x c i t e de n e r g yp r o t e c t i n gs w e e ts o r g h u ms e e d l i n g sa g a i n s tp h o t o d a m a g e ；h o w e v e r , s e v e r e l y s a l tt r e a t m e n t ( 2 0 0 r e t o o l l 1 n a c l )c a u s e st h er e d u c t i o no fl i g h ta b s o r p t i o na n d i m p r o v e m e n to f t h e r m a ld i s s i p a t i o nf o rk e e p i n gt h eb a a n c ei nl i g h tc a p t u r ea n du t i l i z a t i o n 4 w i t ht h ei n c r e a s i n go f n a c le o n e e n 仃a f i o n p h o t o s y n t h e s i s 、d r yw e i g h ta n dk 十c o n e e n t r a t o n d e c l i n e d t h er e a s o nm a yb et h ed e c l i n eo fc a r b o na s s i m i a t i o nc a p a c i t y , w h e r ek c i c o n c e n t r a t i o nr i s e d , n a + c o n c e n t r a t i o n 砌d a w n p h o t o s y n t h e s i sr i s e dt h et o pw h e nk c i c o n c e n t r a t i o nw a s 6 m m 0 1 l h e n c e f o r t h , p h o t o s y n t h e s i s f a l ld o w n f o l l o w i n g k c i c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s i n g 5 n 皓e x a m i n a t i o np r o v et h a tb e l o w5 0 r e t o o l l 1 n a c lc o n c e n t r a t i o nc a nn o tr e s t r a i ns w e e t s o r g h u m t h ed c l i n eo fc a r b o na s s i m i a t i o nc a p a c i t yi n d u c i n gb ys a l t - s t r e s sc a na l l e v i a t eb y a d d i n gk 十h o w e v e r , m o r ek ? a l s or e s u a i l lp h o t o s y n t h e s i s k e yw o r d s ：s w e e ts o r g h u ms e e d l i n g , s a l t - s t r e s s ，c a r b o na s s i m i l a t i o n c a p a c i t y , p h y s i o l o g i c a lb i o c h e m i c a li n d e x 3 刖肓 1 1 植物抗盐机理研究进展 盐渍土是地球上分布广泛的一类土壤。全世界约有3 8 x 1 0 8b a n 2 土地不同程度的盐渍 化，约占可耕地面积的l o ( 王遵亲等，1 9 9 3 ) 。我国约有2 o x t 0 7h m 2 盐荒地和6 7 x 1 0 6 h m 2 盐渍化土壤，约占全国土地面积的2 5 和可耕地面积的1 0 左右。此外，许多良田由于 灌溉不当，也使相当大面积的土壤盐溃化。自二十世纪中叶起。土壤盐胁迫影响作物产 量的问题引起了世界各国政府及科学家的高度重视。解决这问题的途径一是从土壤本 身着手，即改良土壤：二是从农作物品种着手，选育适宜于在盐碱地种植的农作物品种 植( 石元春等，1 9 9 7 ) 。土壤改良的工作在我国已取得了显著成效，特别是自二十世纪 7 0 年代末以来我国在黄淮海平原进行的大规模土地综合治理对缓解该地区土壤盐胁迫 问题产生了积极的作用。然而，土壤改良工程耗资及工作量巨大，而且随后的旱、涝、 洪灾及不适的农业灌溉又可能使土壤迅速地重新盐渍化。采用传统的方法选育抗盐农作 物品种不仅进展缓慢，而且由于植物抗盐生理的复杂性，很难获得可持续表现稳定抗盐 性状的作物品种。因而人们希望通过生物技术手段，最终达到改良利用盐碱地的目的。 开展生物技术研究的前提是开展植物抗盐生理学的研究。目前，国内外学者针对盐分对 植物的伤害及植物对盐渍环境的适应机理，在整体水平、器官水平、细胞水平、分子水 平等不同层次上进行了深入地研究，所取得的研究成果主要集中于以下几个方面。 1 1 1 盐胁迫对植物的伤害机理 植物赖以生存的环境是多种多样的。为了生长发育和繁衍后代，植物对各种不同环 境因子以不同方式加以感受、识别，并作出相应的生理反应，最终适应环境。通常将这 种在植物适应过程中环境因素对植物的作用称为胁迫，而植物生长发育过程中遭受的盐 胁迫是指当植物的生活环境中( 如土壤中) 含有高浓度的盐离子( 一般指钙盐、镁盐和 钠盐离解后产生的c a 2 + 、m 孑+ 、n a + 、c i 。及s 0 4 2 等离子) 时，土壤溶液的水势较低， 从而使得植物的生长发育受到胁迫；另一方面，这些离子在植物细胞内的过量积累也使 植物的生长发育受到胁迫。总的来说，盐胁迫主要包括渗透胁迫、离子毒害和离子不平 衡或营养缺乏，使植物生长受到抑制，光合能力下降，能耗增加，加速衰老，导致植株 最终因饥饿而死亡。 1 1 1 1 生长抑制 生长抑制是植物对盐渍响应最敏感的生理过程。当植物被转移到盐环境中几分钟以 4 鲨堕壅些查堂堡主堂垒堡塞 后生长率印有所下降，其下降程度与渗透压呈正比。n a c i 胁迫下外加一定浓度的c a c h 可以缓解盐胁迫对生长的抑制，说明这种抑制作用既有渗透效应也有离子效应。生长抑 制机制是近几年研究的热点之一。细胞扩展生长过程开始于胞壁的松弛，后者又引起膨 压及细胞永势的下降，当细胞外水分迸入细胞内后，细胞水势上升，胞外溶质进入胞内， 造成渗透势下降及膨压上升。当膨压超过屈服阀值后，细胞不可逆扩展( m u n n s r ，1 9 9 3 ) 。 细胞壁松弛的基础是多糖的裂解，i a a 或酸诱导木葡聚糖和果胶多聚体等壁衬质多 聚体降解，从而加速生长。n a c i 显著抑制由葡萄糖合成壁多糖的过程，盐胁迫降低细胞 壁多聚体氧化交联的潜势，从而抑制细胞生长。相反，抗盐野生大麦在盐胁迫下根细胞 壁蛋白和芳香族化合物含量基本不变，多糖含量比栽培大麦高3 9 ，钙含量是栽培大麦 的2 倍。 另一个研究热点是关于逆境信号的传感。生长于干早中的小麦幼苗可产生化学信号 控制叶片的伸展( 刘宛等，1 9 9 2 ) ，这一信号可能是植物激素，如a b a 含量增加，g a 与c t k 含量下降。 1 1 1 2 光会能力下降、能耗增加 光合作用是植物生产力构成最主要因素，对植物光合作用规律的充分认识有利于采 取适当的栽培措施提高植物的光合生产能力，从而提高产量。很多报道认为盐胁迫能抑 制植物的碳同化能力。但对于盐胁追下植物净光合速率降低的原因至今还未形成统一的 认识，有学者认为主要是气孔限制，也有的认为是非气孔限制，还有人提出短期盐胁迫 下以气孔限制为主，之后才发生非气孔限制。光系统i i 对环境胁迫非常敏感。有研究表 明盐胁追诱导的p s 活性下降与p si i 氧化侧的损伤有关。但是，也有部分研究认为单纯 盐胁迫不会伤害光系统i i 的最大光化学效率。因此，盐胁迫是否影响光系统的活性尚 需进一步研究。 从能量的角度来看，光合作用是植物叶片将捕获的激发能用于光化学反应和碳同化 的过程。一般情况下，光合机构能够有效地调节光能捕获和利用，从而保障光合机构的 正常运转。当叶片捕获的激发能超过碳同化所能利用的最大范围时，会导致光合电子传 递的过还原和叶绿素分子的过激发，进而产生活性氧伤害光合机构。事实上，植物可以 通过下调光化学效率，改变光能利用方式，增加热耗散来避免强光下光合机构的伤害。 光化学调节能力的强弱是植物能否适应强光环境的重要表现。 盐胁迫降低植物的光合作用，在较长期盐胁迫下，叶肉导度和光合面积下降是植物 5 生长受抑制的主要原因( c r a m e rg r ，1 9 9 0 ) 。 植物在逆境下生长发育需要额外的能量消耗，包括合成有机渗透溶质，离子主动吸 收运输与区域分配以及盐诱导的代谢变化所消耗的能量，统称为盐诱导维持呼吸 ( m a i n t e n a n c er e s p i r a t i o n ，r m ) 。盐胁迫下植物r m 由非盐胁迫下的基础维持呼吸和诱 导维持呼吸两部分组成。盐诱导r m 峰出现的早迟决定于植物耐盐性，盐诱导r m 峰与c 0 2 同化的叶肉阻力开始增加相致。对于生长于0 5m p a n a c i 浓度中的苍耳属植物，盐诱 导i i i l l 消耗约占植物干物质积累的2 5 ( g a l ej e t a l ，1 9 8 5 ) 。 1 1 ，1 3 加速衰老 细胞中盐分积累促进细胞衰老和死亡。盐分促进衰老的机理可能是对膜系统和酶类 的直接伤害、活性氧伤害以及质外体盐分积累导致的渗透效应。 ( 1 ) 盐分对细胞膜和酶类的直接伤害 随着外界盐分浓度的增加，细胞膜透性增大。用等渗的n a c i 和p e g 6 0 0 0 或山梨醇 处理相同的植物，n a c i 的效应大于p g g 6 0 0 0 ，说明盐分对细胞膜的伤害不仅仅是渗透 效应，更主要是离子效应。高浓度n a c l 可置换质膜和细胞内膜系统所结合的c a 2 + 。膜所 结合的离子q a n a + c a 2 + 比增加，膜结构完整性及膜功能改变，促进细胞内k + ，磷及有机 溶质等胞内物质的外渗；盐分胁迫导致细胞质膜透性的增加，细胞质内k 佩a + 下降，液 泡膜焦磷酸酶活性和细胞中彤跨膜运输受抑，跨液泡膜的p h 梯度下降，液泡碱化，不 利于n a + 在液泡内积累；并且还诱导气孔关闭等。外源c a 2 + 产可明显缓解上述n a c l 胁追 效应( 钱黔等，1 9 9 5 ；p e r e r ae ta l ，1 9 9 5 ；f l o w e r s tjc ta l ，1 9 8 6 ；刘婉等，1 9 9 7 ) 。 ( 2 ) 活性氧伤害 与其他生物相比，植物细胞中的氧浓度最高，叶绿体和线粒体电子传递链中泄露的 电子都可能与0 2 反应生成0 2 。，h 2 0 2 和o h 。在光下叶绿素分子可将其激发能传递给0 2 而生成。盐胁迫下植物光能利用和c 0 2 同化受抑制，促进了活性氧的生成和脂质过氧化， 并对蛋自质和核酸等造成伤害。 ( 3 ) 渗透效应 在盐逆境条件下，土壤环境水势下降，抑制了根系对水分的吸收，并造成了植物体 内水分的暂时亏缺。因此，在盐胁迫条件下，叶片气孔关闭，与植物对水分胁迫的反应 相同( b a n u l se ta l ，1 9 9 2 ) 。当根系吸收大量的n a 后，在根系及叶片细胞的细胞壁和细 胞间隙积累，高浓度的n a + 使质外体水势远远低于原生质体的水势，从而使原生质体内 6 沈阳农业大学硕士学位论文 的水分外泄，造成细胞内的水分胁迫，并发生质壁分离现象( f l o w e r s ，1 9 8 6 ) 。植物对 渗透胁迫的自然反应气孔关闭，造成c 0 2 气体交换的减少，并使光合速率下降 ( l l o y d , 1 9 8 7 ) ，因此认为，气孔关闭、c 0 2 交换降低是盐胁迫影响植物光合作用的主 要原因。 ( 4 ) 离子毒害作用 在盐胁迫条件下，植物组织坏死和生长受阻的重要原因是n a + 和c l 的毒害作用 ( p i m m m ，1 9 8 4 ；f l o w e r s ，1 9 8 6 ；l l o y d ，1 9 8 7 ；w m k e r , 1 9 8 6 ；w r i g h t ，1 9 9 4 ) 。植物体内n a + 和 c l 街浓度随土壤盆胁迫的增加而增加。桃在0 3 和石榴在0 4 的n a c i 胁追下，植株体 内n a + 增加最快，可达0 6 - 0 8 m m o l g d w ，并开始出现盐害症状( 汪良驹等，1 9 9 5 ) ，在 其他许多植物上都有类似的结果( 严小龙等，1 9 9 2 ；钮福祥等，1 9 9 2 ；b o l a r i n e t a l ，1 9 9 3 ； t a r i n i ，1 9 9 4 ；p i c c h i o n ie ta l ，1 9 9 0 ；s t o r e ye ta l ，1 9 9 5 ；w r i g h t ，1 9 9 4 ) 。研究表明，n a * 的大量 积累增加了质膜的透性，并使大量电解质外渗( w i l s o n , 1 9 9 5 ；s u h a y d a , 1 9 9 0 ) 。同时， n d 的大量吸收积累，抑制了k + 和c a 2 + 的吸收，使植株体内x | + 、n a + 和c a 2 十失调，从而造 成植物生长发育受阻( b e h b o u d i a ne ta l ，1 9 8 6 ；p i c c h i o r t ie ta l ，1 9 9 0 ；s o n g ，1 9 9 6 ； s u b b a r a o 1 9 9 0 ) 。n a + 和c l 在细胞内的积累，还破坏了类囊体上的光合系统的组分和结 构，严重抑制了根系质膜和液泡膜上n a t p 酶的活性，使根系对离子的选择吸收下降 ( b e h b o u d i a ne ta l ，1 9 8 6 ) 。 ( 5 ) 营养物质失衡 盐胁迫条件下，n a + 和c i 在细胞内大量的积累，植物体内原有的养分平衡被打破。使 有些营养物质的吸收和运输受到严重抑制，从而造成植物体内的营养紊乱 ( w r i g h l l 9 9 4 ) 。某些矿物元素，在轻度盐胁迫下，其吸收和运输并无明显的影响，甚 至有一定的促进作用，如n 0 3 、c ( p e s s a r a k l i ，1 9 8 8 ) ，但高浓度盐胁迫则严重影响这 些离子的吸收和积累。n 0 3 的吸收决定于n 0 3 c 1 1 比。n 0 3 和c i 的吸收在同一位点， 且n a + 对膜引起严重的去极化作用( s u h a y d a , 1 9 9 0 ) 。因此，存在相互竞争和抑制的作用 ( c r a me t a l ，1 9 8 3 ) 。这可能是n 0 3 - 和c i 的吸收存在相互拮抗作用的原因所在。同样， k 十和n a + 之间也存在着相似的关系。有人认为二者进入原生质共用同一离子通道，并提 出t k + n a + 泵的假说( s t o r e yc t a l ，1 9 9 5 ) ，但二者虽然都是通过h + - a t p a 辩作用，进行 茸n d 或k + 的交换进入原生质体，但作用于二者是否是相同的h * - a t p a s e 尚无可信的证 据。目前也有人试图发现一种n a + 转一通道，但目前尚无结果。相反，也有实验证明， 7 前言 盐胁迫对k + 的吸收并无明显的影响，亦或仅有轻微的抑制作用，并不足以导致体内k + 营养的亏缺。这主要是不同基因型所决定的( j e s u s ，1 9 9 9 ) 。 盐逆境严重的影响c a 2 + 的吸收和运输，并造成植物体内c a 2 + 含量显著下降。因此， 在盐胁迫条件下，植物往往表现出却c a 2 + 的症状( c r a me ta l ，1 9 8 7 ) 。特别是顶端分生组 织中c a 2 + 的浓度降低，抑制了新生器官的分化( s t a s s a r t ，1 9 8 1 ) 。由于植物体内c a = 2 + 的缺 乏，细胞壁及质膜上聚集大量n a + 并取代了c a 2 + ，从而导致细胞壁的延展性下降和膜透 性的增加( s t a s s a r t ，1 9 8 1 ) 。n a + 除抑制c a 2 + 在植物体内积累外，还明显影响了细胞质中 c a 2 + 活性( l y n c h ，1 9 8 9 ) ，c a 2 + 被n a + 从质膜上置换下来后，在细胞质内。c a 2 + 活性会瞬 时提高，并使细胞做出相应的生理反应。因此，c a 2 + 在植物耐盐性中有重要作用。但j e s u s ( 1 9 9 9 ) 报道了n a + 对c a 2 + 吸收并无明显的影响。 1 1 ，1 4 盐胁迫对植物细胞超微结构的影响 细胞是生命活动的基础单位。在盐逆境条件下，其超微结构发生了与盐伤害相应的 和盐适应性的系列交化。b r e s s a n 等( 1 9 9 0 ) 报道了盐适应性烟草细胞璧有明显的增厚 现象，耐盐型柑橘也发现了相同的结果( p i q u e r a s , 1 9 9 4 ) 。这可能是植物细胞在外部高 盐环境中保护其水势的适应性交化( s i n g hn k1 9 8 9 ) 。细胞质膜是盐离子作用的适应 性位点。龚明等( 1 9 8 9 ) 发现，随着盐胁迫时间的延长，质膜发生波状折叠并逐渐脱离 细胞壁丽发生质壁分离的现象。并且膜的透性增加，膜的完整性受到破坏。丽由膜组成 的内质网在细胞中有增加的趋势( p o l j a k o f f - m a y b e r a ，1 9 8 1 ) ，并且与核糖体的结合更 加紧密( p a r e e ka ，1 9 9 7 ) 。柑橘的细胞壁附近出现很多与壁成直角的粗面内质网，部分 渐变成滑面内质网，且偶与质膜连通，认为这种结构与细胞质消除盐害过程有关，可能 使质膜上的n a + 和c l 通过与膜相连的内质网直接进入液泡而减少在细胞质中的积累 ( p i q u e r a s ，1 9 9 4 ) 。 液泡被认为是n a + 名e 细胞内区格化最重的细胞器，在盐胁迫过程中，液泡内形成一 系列的膜并将大液泡区格化，增加液泡的表面积。随着盐胁迫时间的延长，细胞内产生 了一些由膜形成的囊泡，称之为自体吞噬囊泡，使细胞在胁迫时提高其内容物周转的产 物( p r o f u m op ，1 9 8 7 ) 。柑橘叶片中的线粒体的数目和大小虽无明显变化，但同对照相 比，出现了线装线粒体( p i q u e r a s ，1 9 9 4 ) ，线状线粒体的出现，是蛋白质合成对盐的适 应性交化。而水稻在盐胁迫四小时以后，线粒体嵴的数目减少，并最终解体( p a r e c k a ，1 9 9 7 ) 。 沈阳农业大学硕士学位论文 盐胁迫下，叶绿体的变化更为明显，淀粉粒增多，体积明显增大( k e i p e r e j ，1 9 9 8 ) ， 随着胁迫时间的延长，叶绿体膜逐渐降解，片层系统膨大，脂质小滴和嗜锇颗粒增多， 类囊体解体( 龚明等，1 9 8 9 ；k e i p e r f j ，1 9 9 8 ；m o r a l e sm a ，1 9 9 8 ) 。但盐适应性烟草细胞 的旰绿体与不耐盐的相比，淀粉粒明显减少，类囊体膜结构增加。同样，造粉体、脂质 体和变形质体等非绿色质体也有明显的变化。柑橘在高盐环境下，造粉体数量增加，淀 粉粒增多，基质减少( p i q u e r a s ，1 9 9 4 ) 。淀粉在细胞内的积累明显增多，可能是盐胁迫 是蔗糖磷酸途径受阻，而转为磷酸丙祷支路：或是叶绿体内离子组成的改变，破坏了与 淀粉降解有关的酶活性( k e i p e re j ，1 9 9 8 ：m o r a l e sm a ，1 9 9 8 ) 脂质体出现和增多，是 植物体细胞受盐胁迫时的明显变化( k c i p e re j ，1 9 9 8 ；m o r a l e sm a ，1 9 9 8 ；p i q u e r a s ，1 9 9 4 ) 。 说明质膜受到了盐伤害，膜上的脂类游离到细胞质中( p o l j a k o f f - m a y b e r a ，1 9 8 1 ；o i m o s e 。，1 9 9 7 ) 。大麦根细分生组织细胞，在盐诱导下产生变形质体( h u a n gc x e ta l ，1 9 9 0 ) ， t h o m s ow w ( 1 9 8 0 ) 认为，变形质体是前质体到叶绿体的过渡型。而他q 1 9 8 7 年研究 发现，变形质体的外缘内陷，并且有囊泡，形成了大的表面积与体积比。因此，认为是 蛋白质的合成与细胞质组成的盐适应性变化。 1 1 2 植物的抗盐机理 植物的抗盐机制是一个相当复杂的问题，有些机制虽然己研究得相当深入，但还不 能揭示植物抗盐性的实质。一般来讲，植物的抗盐性与盐分的吸收、运输、排泄、分配、 生物膜功能、离子区域化作用以及抗盐物质的合成和积累密切相关。 1 1 2 1 植物的吸钾排钠机制 高浓度的盐分通过离子毒害和渗透胁迫严重影响着植物的生长，在许多盐碱化土地 中，钠离子是主要的毒害阳离子，钠离子其中一个有害影响是扰乱了钾离子的平衡。在 根部介质中过量的钠离子会导致离子在植物中过量的积累，高的k + n r 比例会引起细胞 代谢紊乱例如蛋白质合成下降，酶活降低等。因此要把k + n a + 比例维持在个合理的范 围内。钾离子是三大营养元素之一，也是影响作物产量的决定性因素，同时它也是许多 酶的激活剂，在蛋白质的合成中也发挥了重要作用。植物对抗盐胁迫的能力主要依赖于 钾营养元素的状况。通过生理实验表明，根部对钾离子的吸收至少通过两个机制来调控， 一种是高亲和性运输系统；另一种是低亲和性运输系统。由于土壤中钾离子含量般低 于1t 0 0 1 l - ，因此高亲和系统被看成钾离子运输的主要方式。细胞内离子吸收是渗透调 节系统对盐适应性的一个必需部分而过高的离子浓度对细胞的生理和生化特性都有 9 前言 毒害作用，因此，细胞内离子水平就必须控制在一定的范围之内。钠离子毒害与维持 t 钾离子的浓度和分布有紧密地联系。 渗透调节物质在细胞中积累能够提高细胞渗透调节能力，稳定其生物膜内大分子蛋 白的结构和功能。在盐胁迫时，甜菜碱、脯氨酸和可溶性糖的积累与植物的耐盐性有一 定的相关性。脯氨酸的作用是多方面的，除可作为渗透调节物质外，还可以作为细胞的 氮源和能量的代谢储存库。另外钙可以提高盐胁迫下细胞对k + 吸收的优先选择性。减少 细胞中n a + 。从而提高k + n a + 比值。在盐胁追下c a 2 + 浓度明显上升，引起一系列生理变化， 从而提高植物对逆境的适应性。史跃林等研究认为钙提高植物抗盐性可能是通过增加 c a m ( 如果是第一次出现，写出中文名) 含量，活化a c c 合成酶，促进乙烯合成实现 的。也可能是通过增加c m d 含量、活化a t e ，进而维持正常的能量代谢及相关生理生化 代谢过程实现的。此外，水杨酸在缓解盐害方面也有报导，但水杨酸减缓盐害机理的研 究比较少。还有待于进一步深入研究。 降低植物地上部分盐分浓度是植物耐盆的重要机理之一。小麦、水稻等作物在一定 范围的n a c i 胁迫下，根中n a + 比地上部高3 7 倍( 王宝山等，1 9 9 7 ) ；高粱在1 0 0m m o l l n a c l 胁迫7 d 后，其根和茎部中的n a + 比穗轴木质部高7 1 0 倍。任东涛等( 1 9 9 2 ) 研究发现， 芦苇耐盐的明显特点是限制n a + 向地上部运输，即使在5 0 0 m m o l l n a c i 胁迫下，其叶渗 透溶质也主要是k 十、c l 和蔗糖，n a + 还不到1 0 。田中( 1 9 7 4 ) 把9 种作物在0 7 8 6m m o l l 和1 7m m o l l 钠培养液中培养2 0 d 后，测定地上部和根的钠含量，结果发现早芹、萝p 是 含钠高的植物，而豌豆、小麦、芦苇、玉米是含钠低的植物，说明后者具有显著的排钠 机制。目前认为植物排钠机制涉及下列过程( d r e w m c e t a l ，1 9 8 5 ) ：植物体不将n a + 吸入细胞内即使进入细胞也通过n a 佃+ 泵再排出，内皮层细胞内的n a + 也同样被排出， 这可能与植物细胞质膜组成有关；植物体将吸收的n a + 贮存于根茎基部，从而阻止n 矿 向叶片运输；植物体将吸收的n a + 在向木质部运输过程中，被术质部或韧皮部传递细 胞吸收，并分泌到韧皮部中再运回根中，最后分泌到环境中，也即植物通过脉内再循环 把n a + 再运到体外，这一点在菜豆、高梁植物中均得到证明( 王宝山等，1 9 9 7 ；d r e wm c e t a l ，1 9 8 5 ) ；在n a c l 胁追下，植物吸收的套i a + 向地上部特别是向叶片和果实的运输选择 性降低，而k + 选择性增加。 此外，在盐渍环境下，许多植物还具有选择性吸收土壤溶液中某些浓度较低必需元 素而少吸收非必需元素的特性。由于构成盐渍土的盐类大多为n a c l ，一般k 十浓度非常 沈阳农业大学硕士学位论文 低，因此，选择吸收k + 的机能对植物至少有以下几方面的意义( 王宝山等，1 9 9 7 ；李景生 等，1 9 9 5 ) ；在高n a + 条件下，k + 的吸收被抑制，由于植物发挥了较强的选择吸收机能， 可避免植物体内因缺k + 而抑制其生长的现象；植物从高盐浓度土壤中吸收多量的k + ， 作为无机渗透调节物质，可避免渗透胁迫；对k 的吸收可能与细胞拒钠有关。 1 1 2 2 细胞内的渗透调节机制 在盐胁迫下，由于外界渗透势较低，植物细胞会发生水分亏缺现象，即渗透胁迫。 植物为了避免这种伤害，在逆境情况下必须产生一种适应机制，即在盐胁迫下，植物细 胞内会主动积累一些可溶性溶质来降低胞内渗透势，以保证逆境条件下水分的正常供 应。渗透调节机制分为无机渗透调节和有机渗透调节。 ( 1 ) 无机渗透调节物质 ，从土壤或细胞外乔溶液中吸收积累各种无机离子，提高细胞内盐分浓度，只要这些 离子不致造成极高的浓度和表现出毒性，就能被植物吸收用以提高细胞内的渗透势。盐 生植物和非盐生植物在以无机离子作为渗透调节物质方面，其在离子种类上依然相同， 所不同的是在量上的差异( j e s c h k ewd ，1 9 8 4 ) 。盐生植物碱蓬( 张海燕等，1 9 9 9 ) 、 星星草、碱草、樟茅( 赵可夫等，1 9 9 9 ) 体内以无机离子n a + ，k + ，c l - ：t 仁为主要的渗透调节 物质，而非盐生植物则主要以k + 和有机渗透调节物质为主。 ( 2 ) 有机渗透调节物质 植物在逆境胁迫下，可在细胞内合成可溶性有机物质作为渗透调节物质，主要有脯 氨酸、甜菜碱、可溶性碳水化合物、有机酸、游离氨基酸等，这些物质被证明是对细胞 无毒、对代谢过程无抑制的。 脯氨酸在盐胁迫条件下，植物体内蛋白质合成受到抑制，而分解被促进，结果 是氨基酸含量上升( 於丙军等，1 9 9 7 ) ，其中最突出的就是脯氨酸含量上升，而且随着盐 胁迫程度的加重，脯氨酸含量也呈上升趋势，这一点在小麦、羊草、苜蓿等植物上己得 到证明。盐分胁迫下脯氨酸积累的机制，目前认为主要有两种原因：一是脯氨酸合成被 促成，即以谷氨酸和鸟氨酸为合成前体，在限速酶吡咯琳一5 羧酸合成酶( p 5 c s ) 催化下 合成( 赵福庚等，1 9 9 9 ) ；二是脯氨酸氧化被抑制，即在盐胁迫条件卜，n a c i 抑制了脯 氨酸氧化酶活性，从而促进了脯氨酸的合成( 吕芝香等，1 9 9 2 ；s t e w a r tcr ，1 9 8 3 ) 脯氨 酸的生理功能，目前认为主要有以下几点( 王宝山等，1 9 9 7 ) ：作为渗透势可以平衡液泡 的低水势；具有保护植物细胞中生物聚合物结构的作用，使之不被n a c i 破坏，并维持完 前言 整的水合范围：解除n a c i 对植物叶绿素合成的抑制。有报道认为，叶绿素合成需要脯氨 酸，除可作为渗透调节物质外，脯氨酸还可作为细胞氮源和能量的代谢贮库( 汤章 城，1 9 8 4 ) 。外源脯氨酸对于缓解盐胁迫对植物的危害也有报道。外源脯氨酸可缓解生长 于含i n a c i 培养基上的冰叶松菊愈伤组织细胞内c a 2 * 和k + 含量的下降，并促进内源脯 氨酸含量、组织干重和鲜重的增加，也可促进水稻愈伤组织盐适应细胞在更高盐浓度下 生长。但也有的报道与此相反。孙金月等( 1 9 9 7 ) 认为，脯氨酸含量与植物抗盐性间虽 然存在一定的关系，但关于脯氨酸能否作为抗盐生理指标目前尚有争议。而傅秀云等 ( 1 9 8 8 ) 在小麦上的研究认为，脯氨酸在盐胁迫下的变化率可作为小麦抗盐指标。总之， 关于脯氨酸含量与植物抗盐性的关系目前看法还不尽一致，还需做进一步的研究，目前 只能将其作为辅助指标慎重使用。 甜菜碱r s t o w 等( 1 9 9 7 ) 最早观察到盐分或水分胁迫可引起甜菜碱在植物中的 积累，且在许多植物中都能检测到。植物体内甜菜碱的合成主要涉及以下过程：以丝氨 酸和苏氨酸为合成前体，经过一系列反应生成胆碱；胆碱在胆碱加氧酶催化下合成甜菜 碱醛；甜菜碱醛在b a d h 催化下合成甜菜碱( 傅彩霞等，1 9 9 5 ) 。在研究过的1 5 0 多种渗 透调节物质中，甜菜碱被认为是最好的渗透调节物质，其参与稳定生物大分子物质的结 构与功能，影响离子在细胞内的分布，即细胞内甜菜碱含量的增加可促进n a + 从胞质向 液泡流动，提高液泡中n a + 浓度( 傅彩霞等，1 9 9 5 ；梁峥等，1 9 9 5 ) 。植物体内合成的甜菜 碱主要定位于叶绿体中，而催化其合成的b a d h 酶的胞内定位尚无统一说法。s m p a n f 等( 1 9 8 1 ) 用差速离心法分离细胞各组分，在叶绿体和线粒体中未发现b a d h ，认为b a d h 为一种泡液酶；a d h a n s o n l 等( 1 9 8 5 ) 认为，b a d h 定位于叶绿体中，胞液中的b a d h 为其同工酶，b a d h 定位随植物种类的不同而异。在盐胁迫下，植物体内甜菜碱的含量 随着盐浓度的增加而呈上升趋势，而且在体内的积累呈现一种永久性或半永久性反应。 近几年来，关于外源甜菜碱的报道也较多。外源甜菜碱可明显提高小麦、白菜等作物的 耐盐性( 张士诚等，2 0 0 0 ；r a j a s e k a r a nlr e ta l ，1 9 9 7 ；钟国辉等，1 9 9 7 ) ，改善其体i 内n a + 。 c ，c l 。的分布及积累，并提高细胞内可溶物质的含量。总之，甜菜碱作为一种十分有用 的细胞可溶物质，近2 0 年来对其生理功能和分子生物学的研究成果不断出现。但关于甜 菜碱所具有的某些生理功能的理论解释尚不充分，对其生理功能的研究还有待深入。 其他有机渗透调节物质碳水化合物是植物对盐胁迫环境的适应性产物，由于碳 水化合物在细胞内的溶解度较大，因此在盐胁迫下，其含量的增加对增加细胞液的浓度、 沈阳农业大学硕士学位论文 降低细胞水势、提高植物的吸水能力十分有利。在抗盐生理中，碳水化合物主要作为渗 透调节剂，用于平衡液泡的低水势。有机酸是盐生植物体内一类重要的有机物，它不但 是一种渗透调节剂，更主要的是还可以作为平衡植物体内的n 矿，k + 、c a 2 + 、m 矿等过量 阳离予的阴离子，这对降低阳离子毒害具有重要的意义。大多数盐生植物中的有机酸以 草酸为主，草酸结合植物体内的c a 2 + 以草酸钙形式存在。 1 1 2 3 离子的区域化作用 大量的研究表明，植物吸收的n a * ，c i - 等离子必须积累在液泡中，否则会干扰细胞质 和叶绿体等的生理生化代谢过程，这种作用称之为离子区域化作用。 d m r h a r v e y 等( 1 9 7 9 ) 用组织化学定位方法证明，在盐胁迫下，作物的确把n a + 。c 卜 等离子积累在液泡中。t j f l o w e r s 等( 1 9 9 7