（生态学专业论文）碱地肤抗盐碱生理生态机制研究.pdf

摘要 本论文以具有较高抗盐碱能力的牧草碱地肤( 廊幽蛔j 据v p 坩砌”口) 为实验材料，研 究了不同单盐( n a c l 、n a 2 s 0 4 、n a h c 0 3 、n a 2 c 0 3 ) 、不同比例混合盐处理对碱地肤发 芽阶段、幼苗阶段生理特性的影响，总体趋势是：碱性盐的胁迫危害大于中性盐，混合 盐中随着碱性盐比例的增加，对碱地肤种子、幼苗的影响也加大；同时以碱地肤为重 点，结合生境相近、抗性相似的一些盐生植物( 碱蓬、虎尾草、羊草) ，分析、比较其 在野外环境下季节生长的规律。 在碱地肤种子的发芽阶段，低浓度的单盐处理( 2 0 - 8 0 m m 卜a c l ，2 0 4 0 m mn a 2 s 0 4 ， 1 0 m m n a h c 0 3 ，5 m m n a 2 c 0 3 ) 促进了碱地肤种子的发芽，刺激了胚根、胚轴的伸长， 提高了碱地肤的发芽指数( g i ) 和活力指数( v i ) 。随着不同单盐浓度的增加、混合盐 中碱性盐比例的增大，碱地肤种子发芽率、发芽指数( g i ) 和活力指数( v i ) 逐步降低， 胚根、胚轴的生长受到不同程度的抑制，其中以胚根生长受到的抑制作用最明显。随着 单盐浓度的增加，幼苗中n a + 含量增加，k + 、c a 2 + 、m 孑+ 含量降低，n a ：k 增加；但是 对于碱地肤来讲，不同部位n a ：k 有差异，地下部分高于地上部分。这说明尽管n a + 是盐生植物的必需元素，但其含量范围不能过高，否则将干扰其他离子的正常生理功能。 碱地肤之所以适应在高盐环境生长的原因就是由于可以有效地吸收、控制n a + 向地上部 分转移。实验中，中性盐、碱性盐不同程度的刺激了碱地肤幼苗中有机酸的积累，在低 浓度的处理中，碱地肤幼苗以草酸积累为主；随着盐分含量的增加，苹果酸比例增大， 其他有机酸含量由高到低依次是琥珀酸、酒石酸，柠檬酸的含量最低。分析有机酸在植 株中的分布规律可以看出有机酸的积累与阳离子的分布相似，即地下部位有机酸的含量 高于地上部分，这说明有机酸的合成和积累与中和阳离子有关。碱处理( n a h c o 。 n a 2 c 0 3 ) 的幼苗中有机酸的含量高于中性盐( n a c l 、n a 2 s 0 4 ) 处理，这说明有机酸对 于维持内环境p h 的稳定有更重要的意义。 在不同盐碱环境下，碱地肤幼苗、植株中渗透调节物质( 脯氨酸) 的积累、抗氧化 酶系的活性都呈规律性的变化。经盐碱处理后，四周龄的植株中抗氧化酶系活性、渗透 调节物质( 脯氨酸) 的含量均高于幼苗阶段，这可能就是幼苗阶段植株抗逆性较低的原 因之一。 在野外条件下，不同表型的碱地肤植株不同部位的物质积累、能量代谢呈规律的变 化。在同一组织中，随着植株高度的增加，n a + 含量降低，c a 2 + 、k + 、m 9 2 + 含量升高， 渗透调节物质( 脯氨酸) 降低，其热值也逐步增加。在同一表型的植株中，叶片中脯氨 酸的含量高于茎部；n r 含量最高的部位是叶片，k 十、c a 2 + 、m 孑+ 含量最高的部位是种 子；各部位的热值由高到低的顺序依次是：根系、茎部、种子、叶片。以上结果说明， 在野外环境下，盐胁迫诱导植物体内进行无机离子的积累、渗透物质的合成，由此改变 了植物内部能量分配方向，即用于渗透调节的能量增加，而用于植物生长的能量降低。 外界的胁迫强度越大，能量的消耗越大，植物贮存的能量越低。所以，外界环境胁迫强 度的不同，植物体内物质的积累、能量的分配不同，导致植物不同的表型。同样条件下， 以碱地肤为重点，我们分析了不同植物群落( 碱蓬、碱地肤、虎尾草、羊草) 季节变化 与土壤理化性质的关系。随着生长季节的延长，各植株株高、生物量呈s 型生长大周期 生长的规律，单位面积上的植株数目不同幅度的降低，通过比较各个群落生物量、土壤 电导率、p h 、土壤含水量的季节性变化，我们分析了四种群落对盐碱的抗逆性高低，碱 蓬 碱地肤 虎尾草 羊草。 关键词l 碱地肤( c 而缸j 招w 坶抽h 口) ；中性盐；碱性盐；混合盐：有机酸；热值 渗透调节 i i a b s t a c t t h e s ee x p 谢m e m sw e r ec o n d u c t e dt oi n v e s t i g a t e 也ee 彘c t so f s i n g l es a l ta n dm i x e d - s a l t o nt l l es e e dg e m l i n a t i o na i l ds e e d l 血g s 罂o w t li n 助c 厅ms 耙v p 坩m 力nr ng e n e r a 工：e 饪b c t so f a l k a l i cs a l t s 、e r em o r es e r i o u sm 姐也o s eo fn e u t r a ls a l t s w i t hi n c r e a s m go fa l k a l i cs a l t s c o n c 髓嘲o n s ，e 丘宅c t so fa l k a l i cs a l t so ns c e d sa n ds e e d l i n g sw e r em o r es e v e r e w ea l s o i n v e s t i g a t e dg r o 、v t hr e g u i a t i o no f f o u rk m d so f c o m m u n i t i e si nd i m l r e n ts e a s o n g e m 血a t i o np e r c e n t a g e ，g r o 叭ho fh y p o c o t ) r la 1 1 dr a d i c l e ，g e m i n a t i o ni n d e xa n dv i t a l i n d e x 、e r ea l ls t i m u l a t e dm l d e rt h el o ws a l i n ec o n c e n t r a t i o n w i t hi n c r e a s i n go fs a l t c o n c e n 舡a t i o n ，g e m i n a t i o np e r c e n t a g e ，g e 皿【l i n a t i o ni n d e xa n dv i t a li n d e xw e r ed e c r e a s e d u n d e rt h es a m ec o n d i t i o 芏l ，伊。刚ho f h y p o c 啷la i l dr a d i d ew e r ei n m b i t e d e 髓c to fs a l to n r a d i c l e 伊o w mw a sm o r es e r i o u st h a n 也a to fb y p o c a 哆1 s n 矿c o n c e n t r a t i o nw e r ei n c r e a s e d ， w h e r c a sk + ，c 一+ ，m 一+ c o n c e n t r a t i o n sw e r ei n c r c a s e dw i t hi n c r e 船i n go f s i n 西es a l t r a t i oo f n a 十t ok + i 1 1 尼j 把v p 坶胁门口r o o tw a sl l i g h e rt h a n 也a to fs h o o t a l m o u g hn 矿i sa 虹n do f e s s e n t i a le l e m e n to f h a l o p h y t e ，n a + c o n c e n 仃a t i o ni np l a n tt i s s u em u s tb er e 蚰面n e d i ns p e c i a l c o n c e n t r a t i o n o t l l c r 耐s e ，h i 曲e rn a 十c o n c e m r a t i o nw o l l l dd i s t l l r bo t h e rc a t i o nm e t a b o l i s m 月_ 0 c 厅蛔5 f p w 坶胁”口c a na b s o r bn a 十e f f b c t i v e l ya 1 1 dp r e v e n te x c e s s i v en a + f r o m 仃a n s p o n i n gt o t h ec o t y l e d o n hm a yb e 廿1 er e a s o n 协a t 置j f p v 已坩f 鲫口c a ns u i v ei nh i g hs a l tc o n c e n t r a t i o n t h eo 昭a 1 1 i ca c i da c c u m m a t i o n si n 比j 把v p 删f 册口s e e d l i l l g sw e r es t i m u l a t e di nt b es a h ( n e u 昀ls a l t a n da l k a l i cs a l t ) s t 陀s s u n d e rt h e1 0 wc o n c c i l t 洲o nt r e a t m e n t ，o x a l i ca c i d a c c u m u l a t i o nw a sd o m i n a n ta t l e 丘j 把v e 船泐嘏s e e d l i r 崆s m a l i ca c i dc o n c e i l m m o w 鼬 i n c r e a s e d 诵也i i l c r e a s i r 塔t h es t r e s s ，e v e ni fi t sc o n c e n 打a t i o n 、v a sh i 曲e rt 1 1 a nt h a to f o x a l i c a c i d - t h ec o n c e 曲i o n so fo m e ro r g a n i ca c i d s 、e r ei nt h eo r d e ro fs u c c i i l i ca c i d t a r t a r j ca c i d 孤dc i t r i ca c i dc o n c e n t 阳t i o nw a st h el o w e s t t h eo r g a n j ca c i dd i s t r i b u t i o nw a ss i m i l a rt o c a t i o nd i s t r i b u t i o n i no t h e rw o r d s ，t h ec o n c e n t r a d o n so fo r g 孤i c i da n dc a 虹o ni nj t s 抬v 既y 缸似r o o tw e r e 撕曲e rt h lt 1 1 0 s eo fs h o o t t h ea b o v ef i n d i n g sc a i ln o w e x p l a i nt h a t o r g a l l i ca c i d sc o m b i n e dw i t hc a 垃o n sc a nd e c f e a s ei o nt o x i c i 够a c c u m u l 蕊o n so fo r g a n c a c i d si na l k a l i cs a l t st r e a 恤l e n t 、v e r el l i g h c rt k mt l l o s ei nn e u t r a ls a l tt r e a 恤e n t s ow e c o n c l u d e dt h a ti tw a si m p o n a n tf o r 足j 据w 册蛔聆口s e e d l i n g st oa c c m u l a t eo r g a i l i ca c i da i l d m a i n t a i nt h es t a b i l i z a t i o no fi m e m a le n v i r o n m e n t b a s e do nm ev a r i a t i o no f p r o l i n cc o n c e n t r a t i o na n da i i t i o x i d a s e 枷v i t y ，w es h o u l dm a k e ac o m p a i i s o nb e 眦e nt h ef b u 卜w e c kp l 趾t s 柚ds e e m i n g s p r 0 1 i n ec o n c e t r a t i o na l l d i i i a n t i o x i d a s ea c t i 、，i t yo ff o u r _ w e e kp l a n t sw e r eh i 曲e rt h a nt h o s eo fs e e d l 证g s s o ，f b u r w e e k p l a n t sw e r cl e s ss e n s i t i v et l l a ns e e d l i n g su n d e rt l l ee x t r e m ee r w i r o n m e n t m a t t e ra c c 啪u l a t i o n a n de n e 理了m e t a b o l i s mo fd i f f b r e n tt i s s u e si nt h r e ep h e n o 郇e so f 置s j p v e 船f 口玎口w e r e c h a n g e dr e g u l a d yi n 廿l es 锄et i s s u e s ，t h ec o n c e n 仃a t i o n so fn 矿a n dp r o l i n ew e r ed e c r e a s e d 、i t hi n c f e a s i n gt h eh e i g h to fd i 仃酿mp h e n o 帅e s 1 1 1 ec o n c e n a t i o n so fk + ，c a 2 十，m 矿a i l d c a l o r i 矗cv a l u ew e r ei n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n gm eh e 追h to fd i 虢嗽l tp h c n o t y p e s t h ep r 0 1 i n e c o n c e m r a t i o n so f1 e a v e sw e r el l i g h e rt l l 趾t h o s eo fs t e m si nt h es 锄ep h e n o t y p e s n f c o n c e n n 州o n so fl e a v c s 、v e r et h eh i 曲e s t 锄o n ga 1 1m et i s s u e s ，w m l ecc a 寸m 矛+ c o n c e n t r a t i o n so fs e e d sw e r et l l el l i g h e s ta m o n ga ut h et i s s u e s 砧ec a l o r i f i cv a l u e sw e r ei n t l l eo r d e ro fr o o t s s t e m s s e e d s l e a v e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c a 蜘u l a t i o n so f i n o r g a l l i ci o n sa n dt h es y n 恤s i so fo s m o r e g u l a t i o nm a t t e r sw c r ei n d u c e db ys a l ti nt h ef i e l d 1 1 1 ee n e r g ) rd i s t r i b u t i o n 吼sc h a n g e d1 1 1 1 d e r 也es a l ts t r e 鹳t h eh i 曲e rt l l es t r c s ss 订e n g t l lo f e n v i m m e n t 、v a s ，t h eh i 曲e rt 1 1 ee n e 唱yc o n s u m p t i o no fs e e d l i n gw a s s o ，t h ed i 仃b r e n t p b c n o 姊e sw e r ei n d u c e du n d e rt b ee x t r e m ee n v i r o n m e n t w ea l s oi n v e s t i g 砒e d t h e r e l a t i o n s h j pb e t 、v e c n 让旧s e a s o n a l 野o 、v t ho fd i 饪b r c mc o m m u 血t i e sa n ds o i lp h y s i c o c h e n l i c a l p m p e r t i e s t _ h ch e i g h ta 1 1 dt h eb i o m a s so f d i 彘r e n tc o 衄u 碰t i e se m e 唱e dt h e 肿n dp e r i o do f g r o 锕hw 岫v 撕a t i o no fg f o w m s e a s o f r o mt h ed a t i mo fb i o m 髂so f d i 彘r e n tc o m m l 】1 1 i t i e s ， c o n d u c t i v i t ya n dp ho fs o i l s ，w e n c l u d e dm a t 鼽口口d 矗j 口b w a so n eo ft h em o s tt o l e r 柚c e p a 5 n l r c s t h e 。r l e x t 、张s 足5 f p v p 耶f 研t 丑一一p z ”。卸瑚埘l c 矗伽p 珊pw a sm o r es e n s i 廿v e 也锄五 s i e v e r s t 口n aa n as d e d 口s n l s n ? k e yw o r d s ：勋c 矗蛔j f 口v b 瑚j 册碍n e l m ms a l t ；a l k a l i cs a l t ；m i x e ds a l t ；o 唱a n i ca n i d ； c a l o r i f i cv a l u e ；o s m o r e g u l a d o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得东北师范大学或其他教 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谢意。 学位论文作者签名：建西。赶毫日期：2 1 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：趣霎 指导教师签名学位论文作者签名：8 丛篓指导教师签名 日 期：) 迦& ，s 日 期 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 壅j e 盟煎盔堂皇盒整堂堂瞳 电话 邮编 0 4 3 l 一5 7 0 9 6 3 1 1 3 0 0 2 4 引言 从世界范围来看，非生物因素是影响农作物生长和产量的最主要因子，其中最为严 重的是盐胁迫和干旱胁迫。所谓的盐胁迫是由于l 一壤中的盐分过多，对植物产生的伤害。 自然界中土壤的盐分除了来自于火山喷发以及宇宙灰尘外，还来自海洋、岩石、土壤和 人类活动。特别是人类对自然资源的不合理的开发和利用，如：农业生产中采用矿化度 高的水浇灌农田，或者灌溉方法不当，例如大水漫灌，使地下水位上升，从而增加土壤 含盐量，形成所谓的次生盐渍化土壤；再有，过度的放牧，导致大面积的水土流失，地 下水位的上升，导致土壤的盐碱化。据统计，目前盐胁迫已经影响了将近8 千万公顷的 耕地，更为严重的是这种影响有持续的增加趋势“1 。有文献表明，大约有5 0 的灌溉的 土壤受盐害的侵蚀。3 ；再有，人口的增长，物资、能量消耗的增加，导致了耕地的荒漠 化以及破坏。因此，合理的开发、治理盐碱地以及利用盐水灌溉已经成为农业发展急需 解决的问题。 正是因为如此，近年来有关植物的抗盐性生理工作的研究也日益受到人们的重视， 其中涉及分子生物学、植物生理学、生态学的研究：从低等微生物到高等作物以及一些 典型的盐生植物；从光台作用、呼吸作用的研究到植物体的渗透调节物质的积累以及能 量代谢的分析；从质膜、液泡膜上离子通道的研究到宏观上海水灌溉作物以及盐碱地的 治理和改造，等等。尽管如此，由于植物对盐的抗性是由多基因控制的结果，所以有关 植物抗盐性机制的研究仍需要在多方面继续深入。 一、盐分对植物的影响 ( 一) 水分胁迫 无论是何种环境( 低温、高温、干旱、盐碱) 条件下，植物首先面i 临的都是各种环 境因子造成的水分胁迫。尤其是在高赫的环境条件下，由于土壤环境中离子含量过高， 导致水势降低，植物的根系没有足够的渗透压吸收水分，导致生理干旱；严重的会导致 植物失水、发生萎蔫，甚至是死亡。所以，一些生活在盐碱环境下的盐生植物，通常要 积累大量的盐分来调节外界环境下较低的水势：同时，会通过特殊的代谢途径，合成、 积累有机物质( 糖类、糖醇、有机酸、含氮化台物) “1 ，调节细胞内的渗透压的平衡， 从而保证植物在盐碱环境下正常的生理代嘲活动。 ( 二) 离子胁迫 在盐离子浓度较高的情况下，除了由于环境水势降低对植物产生水分胁迫外；植物 还要尽可能的避免由于离子的大量的积累对植物生物代谢中酶的活性产生的离子毒害 还要尽可能的避免由于离子的大量的积累对植物生物代谢中酶的活性产生的离子毒害 作用。“。例如许多细胞质中酶活性对n a + 都特别敏感，这些酶遇到n a + 后，很容易失活， 并能引起它们的进一步降解，干扰植物的正常代谢，导致植物中毒。c l 一虽然是植物的必 需元素，n 矿也是c 。植物的矿质养分，但浓度超过其必需范围以后，则会引起伤害。另 外，有一些植物，如花生、菜豆、大豆等豆科植物，对c 1 特别敏感，对的生长和光合 都有一定的抑制作用；而藜科的菠菜对c 1 一和n a + 的敏感性较小。 ( 三) 活性氧胁迫 活性氧是一类氧化能力异常强的物质，是植物体内的一种正常的代谢产物。在植物 体内的内源活性氧种类繁多，有单线氧( 1 0 。) ，超氧化阴离子( o 。) ，过氧化氢( h 2 如) ， 羟基自由基( 叫) 、超羟基自由基( 0 2 h ) 等。正常情况下，植物体内的活性氧的数量保 持一定的均衡水平，主要原因是活性氧在植物体内不断产生，同时也在不断被抗氧化剂 ( 抗坏血酸，b 一胡萝h 素，还原型谷胱苷肽，多胺，维生素e ，玉米黄素) 和抗氧化酶 ( 抗坏血锻过氧化物酶，过氧化氢酶，谷胱甘肽还原酶，谷胱甘肽，多胺及超氧岐化酶) 所清除。但是，在盐渍和干旱的条件下，由于代谢过程中光合作用中光合链的被抑制， 导致电子的大量积累，很容易致使植物体细胞的叶绿体、线粒体、过氧化物体上产生大 量内源活性氧。活性氧会使叶绿体发生明显的膨胀，使类囊体垛叠导致基粒松散或崩裂， 线粒体也会受到活性氧伤害。此外，活性氧还能破坏植物体内蛋白( 包括酶) 、核酸( d n a ) 等生物大分子，导致生物大分子失去活性、降解。活性氧还会诱发细胞膜脂过氧化 ( m e m b r a n el i p i dp e r o x i d a t i o n ) 。膜脂的过氧化作用的结果是使膜中不饱和脂肪酸含 量降低，膜脂由液晶态转化为凝胶态，膜流动性下降，质膜透性增大，大量外界离子渗 入，破坏细胞离子稳态；膜内一些小分子物质外渗，使细胞正常代谢紊乱，严重的甚至 导致植物体死亡。自然生存的盐生植物以及耐盐性较强的植物来讲，之所以在胁迫的环 境下有较好的适应能力就是由于植物体内合成的大量的抗氧化剂和抗氧化酶类的物质。 s r e e n i v a s u l u 等( 1 9 9 9 ) 发现：过氧化酶活力升高的程度与盐胁迫的严重程度及时间有 关”3 。盐胁迫除了引起植物过氧化酶活力升高之外，还可诱导植物表达几种新的耐热酸 性过氧化酶同功酶。与不耐盐品种相比，耐盐品种过氧化酶活力的升高幅度更大。一些 通过提高过氧化酶活力来提高转基因植物耐盐性的研究也证实了植物过氧化酶系统在 耐受盐胁迫过程中具有重要作用”“。 ( 四) 营养胁追 正常植物细胞中的各种离子为n a f 、k + 、c 1 一、c a ”等，均处于均衡状态，即离子均衡 ( i o nh o m e o s t a s i s ) 。当植物处于盐分存在的条件下，营养元素的吸收和利用有明显的 不同的。盐分较普遍的干扰矿质元素的机制是基质中主要离子( n a + ) 对营养元素的吸收 转运( 转运蛋白) 的直接影响“。一方面，盐分的存在增加了植物对矿质元素的需求； 同时，在高浓度c l + 和n a + 减少了营养元素的活性，k + ，c 矿，m g ”，n 0 。一，p o 。”等元素的吸 收均被抑制”4 “。营养元素的紊乱导致植物发育不正常、生长受到抑制。因此，在盐碱 地区的耕作中施加磷石膏( 包含：c a ，p ，s ，s i ，f e ，c u ) 以及菌根菌“”可以明显提高 植物耐盐力，提高作物的产量。其原因主要有：( 1 ) 石膏可以改良土壤结构和通气性； 增大c a ”：n 矿，可以增强根限制n a + 内流的能力。如：盐碱地施用石膏后马铃薯块茎产量 可以提高2 4 左右。( 2 ) 菌根菌的施加改善土壤理化性质，增加有机质含量，提高植物 对矿质元素的利用效率。 以上谈到的四种胁迫，离子胁迫是原初胁迫，水分胁迫、氧胁迫和营养胁迫都是次 生胁迫，都是由土壤中盐离子导致的。 二、盐分对植物的伤害机理 ( 一) 对膜结构的影响 在盐碱胁迫条件下，由于环境中n a + 的存在竞争性地取代了质膜上的c a 2 + 的位置，也 会使膜结构改变，稳定性下降，质膜的透性增强。植物一旦脱水，便会造成原初直接盐 害，影响膜上磷脂和蛋白质结构，使质膜透性增大和膜脂过氧化，从而影响膜的正常的 生理功能。所谓膜脂过氧化主要是膜中不饱和脂肪酸中所发生的系列活性氧自由基反 应，丙二醛( m d a ) 是脂质过氧化的主要产物之一，它在细胞中的积累反映活性氧毒害 程度。 正常情况下，细胞壁和质膜在膨压的作用下相互接触；当细胞处于高渗溶液中的时 候，细胞质会由于渗透作用而失水时质膜收缩，由于质膜与细胞壁的弹性不同，质壁的 相互“撅扯”导致质膜变形，产生机械胁迫，大量的溶质外渗，影响细胞的代谢活动。 这是胁迫所产生的原初间接伤害。 ( 二) 对光合作用的影响 盐分对光合作用有明显的影响。在盐胁迫的环境下，由于植物叶片气孔的关闭、叶 片叶肉细胞气体传导速率降低以及一些生化反应受限制导致了植物光合作用的降低“。 依据w a l k e r ( 1 9 9 7 ) “”观点，盐分对植物光合作用的影响是由于植物体内水势的降低而 不是由于特殊离子的影响。再有，目前有一种被广泛接受的观点“，在高浓度的盐条件 下，植物叶片气孔的关闭是由于a b a 的合成、转运到地上部分，导致碳水化合物、 c 1 一、c a “在叶片保卫细胞中的积累，从而导致叶片保卫细胞水势的降低，气孔关闭。此 外，由于盐环境的条件下，活性氧的产生，细胞膜系统包括与光合作用相关的膜结构遭 到破坏，这样都会直接或者间接的影响植物体内光合色素的含量。同时，盐胁迫降低了 r u b i s c o 的活性和含量，从而降低了r u b p 及p i 的再生等，进一步影响了碳同化的进程， 降低了植物的光合速率。 ( 三) 对呼吸作用的影响 在盐碱条件下，植物的呼吸作用都会受到很大的影响。由于在恶劣的外界环境条件 下，植物首先面临的是渗透胁迫，所以植物体通常要积累、合成大量的无机离子( n a + 为主) 和有机物质( 脯氨酸、甜菜碱、甘油等等) 降低水势。无机离子的吸收和积累需 要质膜上一些特殊的运输蛋白( 如：n 矿，h 十jk + 等运输蛋白) 的活化，这一过程属于主 动吸收，因而需要呼吸作用所释放出来的a t p 为动力才能在特定的区域积累离子。有机 渗透调节物质的合成是需要植物改变代谢途径来完成的，这些生理生化过程的完成都需 要能量的消耗来维持。此外，植物为了抵御盐胁迫的伤害，必然要消耗额外的能量用于 更新和重建受损的组织结构。因此，受盐分胁迫的植物呼吸强度通常是先增强而后随时 间的延长而减弱。 ( 四) 物质代谢以及能量代谢的影响 生长在盐渍环境中的植物，从生长培养基中按不同比例地吸收离子，植物细胞的离 子含量和离子组成的变化诱导某些代谢系统活性的变化。植物组织的蛋白质含量在盐渍 条件下都是下降的，因为蛋白酶水解的增大和蛋白质合成的抑制，抑制转氨过程并导致 氨的积累。其中一些氨基酸在高浓度下对植物是有毒的，例如苯丙氨酸、天冬氨酸等。 最近的实验结果表明，植物缺k 时可以导致腐胺的积累；在n a + 干扰k + 的吸收时，同样 可以导致腐胺的积累。影响蛋白质合成系统的原因主要是：在蛋白质合成的启动阶段需 要m 矿参加，在n a + 存在时，n a + 取代了m g “，故抑制蛋白质合成。另外c 1 一促进核糖核酸 酶的释放和提高它们的活性，从而加速i r n a 的分解，也对蛋白质的合成不利。除了对 氮代谢有影响之外，盐分还可以利用影响植物体内硫代谢来间接的干扰蛋白质的合成， 如：n a c l 和n a 2 s 0 。这两种钠盐都抑制s o ；2 - 进入植物体内，导致植物缺s 现象，阻止进入 体内的s 0 4 ”还原成h 。s 和半胱氨酸，从而使蛋白质和含s 氨基酸代谢失调。 三、植物的抗盐性生理机制 ( 一) 渗透调节 由于盐渍土壤中盐离子浓度的增大所导致的土壤水势的降低，使生长在这种生境下 的植物吸水发生困难，严重时可以导致植物细胞失水。在这种情况下植物普遍的反应、 途径是在细胞中积累无机溶质和相溶无毒的小分子可溶性的代谢产物作为渗透调节物 质。这些物质在不影响正常代谢活动的同时发挥其作用：( 1 ) 可以降低细胞的渗透势， 提高细胞的吸水能力和保水能力；( 2 ) 典型的渗透调节物质是相溶的( c o m p a t i b l e ) 和 亲水性的，可以代替水在蛋白质表面、蛋白质复合物或膜上的功能，作为渗透保护物质 或作为低分子量分子伴侣；( 3 ) 可维持细胞膜及细胞超微结构稳定，减少离子对酶活性 的伤害；( 4 ) 可清除活性氧的毒害；( 5 ) 可以作为一种临时性的氮源和碳源储存。有机 的可溶性渗透调节物质主要包括糖类( 蔗糖，果糖) 、多醇类( 甘油，甘露醇，山梨糖 醇，海藻糖，果聚糖和甲基肌醇) 、含硫化合物( 硫酸胆碱，2 一甲基硫代异丙醇) 、季胺 盐、氨基酸及其衍生物( 脯氨酸，甘氨酸甜菜碱，脯氨酸甜菜碱) 等；无机盐类主要是 n a ，、c l 一、k + 、c a 2 + 等，其中n a 的作用尤为被人们关注。作为微量元素的n a + 一定程度上 可以刺激盐生植物的生长“”；同时，对于n 8 + 的积累对于盐生植物的羧化反应是必需的 ”“。但是有关n a + 在植物细胞中浓度的范围是决定植物抗逆性的关键。 虽然脯氨酸与盐胁迫之间的关系仍有争议，但是大多数的研究人员还是认为它是植 物为了对抗外界盐环境而采取的保护性的措施，它在防止蛋白质的降解和变性”、作为 碳、氮和能量储备”“1 、清除自由基“”、调节内环境的p h 值、防止细胞的酸化。”中都 起到了很重要的作用。另有一部分植物( 特别是藜科植物) 在盐渍条件下，不合成甘油， 4 也不合成脯氨酸，而合成大量的甜菜碱。它和脯氨酸一样，是目前研究较为深入的、广 泛存在与高等植物、动物和细菌中的一种相容性溶质。在平衡液泡中商浓度的盐分，它 可以有效地保持细胞与外界环境的渗透平衡和稳定复合蛋白四级结构的作用”7 ”1 。 ( 二) 离子的区域化分布与膜转运蛋白 一般来讲，在高盐条件下，盐生植物积累离子的能力不同于甜土植物，它们有能力 在叶片的细胞中积累大量的离子。这些离子很大程度上积累在液泡中，保证细胞液中离 子的浓度是液泡中离子浓度的1 2 到l 3 “1 。离子的这种分室效应是与膜上特殊的离子 蛋白有关的。我们把液泡膜上的n a + 一h + 反向运输蛋白主动运输、积累离子的过程称为细 胞中离子的区域化作用( i o n i cc o m p a r t m e n t a l i z a t i o n 或c o m p a r t m e n t a t i o n ) 。离子的 区域化分布可以避免盐离子对细胞质中的各种酶产生毒害作用，保持酶的活性；同时可 以起到维持细胞中离子的平衡以及液泡膨压，保证植株细胞进行正常的渗透调节的作 用。采用各种方法对不同植物组织进行的研究结果表明，植物的耐盐性与液泡区域化能 力的大小有关“。a t n h x1 是一种舰6 如劬s 如咖a j 鲫丑液泡膜n a _ 盯反向运输蛋白基 因，该蛋白可以主动将n a + 运输到液泡中。将该基因转入拟南芥、油菜、西红柿中以后， 转基因植物的耐盐性明显提高，可以耐受高达2 0 0i f l m 的n a c l ，这个盐浓度接近海水盐 浓度的二分之一，比西红柿的正常耐盐能力高5 0 倍“。将另一来源的液泡膜n a + h + 反向运输蛋白基因转入淡水力a 妇c 把订册$ 竹p 曲d c d c c “占翠p c c 7 9 4 2 以后甚至可 以使其在海水或o 5 mn a c l 条件下正常生长。“。液泡膜上的两种初级质子泵一一 v a t p a s e 和液泡h _ p p a s e 参与了对各种运输系统的能量供应”。l u t t a g e 等( 1 9 9 5 ) 发 现v a t p a s e 参与了对盐胁迫的响应，并发生了与胁迫有关的修饰。”。k i r s c h 等( 1 9 9 6 ) 用质子通道( c 亚基) 的部分c d n a 序列为探针进行的研究发现；甜菜在受到4 0 q 谳n a c l 胁迫4 8 小时后，c 亚基的m r n a 量大幅度增加，而且，v a t p a s e 蛋白及其催化皿基( a 亚基) 的m r n a 水平也相应地同步增加。然而，也有研究报道v a t p a s e 的活力在盐胁 迫时不发生变化”，有时只是a t p 水解活性增强。”，有时则是h 运输活性增强而a t p 水 解活性并不相应提高”8 “。对v a t p a s e 在植物适应盐胁迫时的变化仍需要进一步研究， 植物v a t p a s e 对盐胁迫的响应可能有多种方式。 ( 三) 水通道蛋白 人们很早就推测在质膜上存在着一种专一性运输的水孔蛋白，这种蛋白可以在膜上 形成通道并让水分子通过，与离子通道不同的是，这种通道的直径只能允许水分子通过， 而将离子和其他的有机物质拒之门外。现在，这种推测已经得到了证实，这种蛋白被统 称为水通道蛋白( 也称水孔蛋白，a q u a p o r i n ，简称a q p ) 。a q p 是一类膜内嵌蛋白( m e m b r a n e i n t r i n s i cp r o t e i n ，m i p ) ，包括液泡膜内嵌蛋白( t o n o p l a s ti n t r i n s i cp r o t e i n ， t i p ) 和质膜内嵌蛋白( p l a s m ai n t r i n s i cp r o t e i n ，p i p ) 两类“o 。植物水孔蛋白的功 能包括：促进水的长距离运输；促进细胞内水分的跨膜运输；调节细胞的伸缩以及运输 其他小分子物质。在植物中存在一个a q p 基因家族，不同的a q p 基因分别在不同的组织 与细胞中表达“，表明a q p 可能具有重要的生理功能。a q p 活力对于植物耐盐可能尤其 重要，有证据表明：在受到盐胁迫时，植物可以通过控制a q p 的活性“。在_ ，盆撕面p 占j s 疔a j a 加中，盐胁迫可以增加植物中a q p 的m r n a 含量“。午时花在受到盐胁迫时，a q p 的m r n a 含量逐渐下降，随后又随着甲基化肌醇的出现和积累而增加“。a q p 的开或关可 能会影响到水在植物体不同部位及细胞内不同区域间的分布。a q p 的开放和关闭构象似 乎是通过蛋白磷酸化来控制着的，两种构象之间的动态平衡似乎是受到由生长调节物质 所介导的信号的调节“。 四、未来预期的研究方向 随着抗盐机制研究的进一步深入，与基因工程及其他技术手段相结合形成了耐盐基 因工程。到目前为止，有很多与耐盐相关的结构基因已经被应用到转基因的研究中去， 并不断的响着实业化方向发展。 ( 一) 抗性基因的调控 由于植物的耐盐性是一个极其复杂的过程，以往通过传统的育种和遗传工程长期研 究，进展缓慢。近年来，由于分工生物学和遗传工程学的飞速发展，发现一些耐盐相关 性的基因。迄今为止，已有许多与植物耐盐有关的结构基因被分别用于转基因研究中。 这些基因包括：( 1 ) 编码液泡膜n a + h + 反向运输蛋白的基因啪。3 2 3 ( 2 ) 编码各种有机溶 质合成酶的基因，如参与脯氨酸合成的p 5 c s 基因m “、与甜菜碱合成有关的基因“1 、 与甘露醇合成有关的基因o 、与o n o n i t o l 合成有关的基因“”、与山梨醇合成有关的基 因“1 、与果聚糖合成有关的基因“7 3 等；( 3 ) l e a 蛋白基因嘟1 ；( 4 ) 具有抗氧化胁迫作 用的过氧化酶基因4 1 ；( 5 ) 来自酵母的一种对盐十分敏感的、在硫酸盐同化和r n a 加工过程中起重要作用的核苷酸酶基因h a l 2 等“。这些基因在转基因植物中的表达不 同程度地提高了转基因植物的耐盐能力。 ( 二) 抗性育种 除了应用分子生物学的手段进行基因的调控以外，应用生物学手段进行抗性育种也 是近来的研究热点。目前，由于可耕种土壤面积的不断的减少，土壤日益恶化加重，因 此合理开发利用盐碱地“，种植适宜盐碱地的植物是由很重要的实践意义的。这不仅仅 是土壤改良的需要，同时种植抗性牧草是促进饲料生产的有效的方法“。特别是目前国 际对转基因作物仍处于争执的状况下，利用人工筛选的方法，培育抗性植株特别是抗性 作物的前景是很可观的。 第一章在不同盐碱对碱地肤、地肤种子发芽生理的影响 1 1 引言 松嫩平原是我国东北地区著名的天然牧场，也是西部绿色的生态屏障。长期以来由 于各种因素和机制的相互作用，导致该地区草地严重退化、沙化、盐碱化，对该地区的 生态环境以及畜牧业的发展构成了严重的威胁，因此，盐碱地的恢复与重建已经成为生 产和科研急需解决的问题。由于自然因素以及人为因素的影响是的当地的土壤多是次生 盐碱地，很少有长期适应的盐生植物。碱地肤( 肪曲妇s 如聊百j 舢8 ) 是为数不多的 既耐盐碱又有较高饲料价值的藜科植物”1 。它常生长在低平地带，是碱斑上主要的先锋 植物；而人工栽培种的地肤( 肪曲妇占c d r 妇) 是和碱地肤同一属的植物”，虽然不 耐盐碱，但是非常适合当地沙质化的土壤环境，因此，我们以碱地肤、地肤为研究对象， 比较二者生理特性的差异，探究碱地肤耐盐适应及其机理对于松嫩平原的草地的改良和 畜牧业的发展都有着重要的意义。 由于对生态环境的日益关注，有关植物的抗盐生理的研究也越来越多，从胁迫条件 下有机渗透调节物( 脯氨酸、三梨醇、甜菜碱等等) “”的合成、无机离子( k + 、n a + ) 0 7 1 的区域化分布到光合途径”1 的改变、抗氧化防御系统的调节，加之与基因工程”及其 它手段相结合形成了植物耐盐基因工程。纵观以上的研究成果，我们不难发现：这些研 究多数是以中性盐的处理为主，很少涉及碱性盐”7 ”的胁迫；再有大多数是以一特定大 小的苗期作为实验对象，对植物种子萌发的这个特殊的生理时期研究的则不多“1 ，而 对于种子植物来讲，生活史中对外界环境最敏感的阶段为萌发期和建植期”1 ，这一时期 的生存环境的好坏决定植物是否定居的关键。一般来讲，在盐碱以及干旱的条件下，盐 分抑制植物种子的萌发是通过两方面的影响实现的。1 渗透胁迫抑制植物的种子吸收水 分；2 特殊离子的毒害作用抑制胚的发育。“。在发芽阶段，盐生植物对盐分的反应是不 同的。有些的植物在最初的发芽阶段是需要盐分的存在”“。但是，对于大多数的盐生 植物来讲，盐分会抑制发芽速率延缓发芽的进程。在高浓度的盐条件下，盐分对植物种 子的抑制作用体现在渗透胁迫而不是离子胁迫。早在1 9 7 2 年w i l l i a m s 和u n g a r 就将在 高盐浓度下的没有萌发的5 如e 幽蛳s 的种子放在清水中，结果发芽率很高。这种 恢复作用表明6 2 d s m 的盐