大麦盐害及耐盐机理的研究进展.doc

大麦盐害及耐盐机理的研究进展摘要:大麦是禾谷作物中较为耐盐的粮食作物。然而在盐胁迫环境下,Na+能把膜系统中的其他离子置换下来,使细胞过多地吸收Na+和Cl-,从而导致细胞膜系统受损、DNA降解、植物营养亏缺、生理干旱以及细胞死亡等伤害。大麦自身在受到盐分胁迫下,耐盐机制有:离子的选择性吸收、拒盐排盐性、渗透调节物质的合成以及离子在植株体内的运输交换。进行大麦耐盐性选择时,萌发力、耐盐指数、Na+/K+和渗透调节物质的合成能力,都是比较重要的选择标准。基于大麦较好的耐盐性,可通过遗传育种改良、化学控制、耕作等措施和途径提高大麦的耐盐抗盐能力,减轻盐害,提高大麦产量和品质。关键词:大麦;盐分;耐盐机理;耐盐指数大麦是世界上栽培历史最悠久的作物之一,主要用作饲料、粮食、啤酒工业原料以及近年来引起关注的医药工业原料和保健食品。大麦具有生育期短,早熟高产、适应性强等特点,是禾本科中较为耐盐的作物1。在我国沿海地区,开发利用含盐量较高的海涂荒地时,种植大麦防止返盐曾经取得了良好的效果。土壤盐渍化问题也一直是国内外研究的热点和难点,我国盐渍土面积大、分布广泛,同时还有大面积的潜在盐渍化土壤2。研究大麦的耐盐机理及耐盐措施,进行大麦耐盐选择,以通过大麦种植进一步改善土壤盐渍化状况。本文根据国内外大量研究报道,对大麦的盐害、耐盐机理和耐盐选择进行综述,为进一步研究大麦耐盐提供资料依据。1盐分胁迫对大麦的伤害1.1细胞死亡及DNA降解植物细胞死亡有两种:一种是积极主动的生理过程,称之为细胞程序性死亡,这是在细胞自身基因调控下进行的;另一种是坏死,这是一种非生理性细胞死亡过程,不受基因调控3,主要是由于环境中的不良因素对细胞的严重伤害,如病原体感染、物理机械损伤、低浓度毒素、盐、金属及其化合物等。土壤盐分浓度过高,主要是其中的Na+和Cl-过多被植株细胞吸收,造成离子毒害,诱导细胞死亡。Katsuhara等人研究表明,高盐诱导大麦根尖细胞内的DNA发生降解,用500mmol/L的NaCl处理大麦幼苗根尖,8h后,开始出现梯状DNA;12h后,细胞核开始出现降解;24h后,DNA已随机降解4。高盐引起的大麦细胞死亡具有某些植物细胞程序性死亡的重要特征,这很可能由于高盐胁迫诱导激活了细胞内类似于植物细胞程序性死亡的信号传导途径,使核酸酶活性增加,DNA降解,从而致细胞死亡5。1.2营养元素亏缺及细胞膜系统受损植物吸收土壤中的矿物质元素作为营养物质,通过根系进入植物体内,在细胞间进行传递和交换。其中任何一种营养元素过多或缺少都将对植物的生长造成影响6。而Ca2+对于植物生长尤为重要,盐分浓度过高会导致Ca2+的亏缺。由于Na+离子半径与Ca2+离子半径相似,在盐胁迫下,Na+通过离子运输进入植物体内,Na+/Ca2+比值超过0.1,膜系统中的Ca2+将被Na+置换下来,而Na+对膜系统不但不起稳定和保护作用,反而破坏膜结构,使膜选择性丧失,细胞内大量必需元素外渗,而Na+和Cl-又大量进入细胞使细胞质中离子平衡遭到破坏,尤其是Ca2+平衡破坏,细胞质中游离Ca2+急剧增加,导致Ca2+介导的Ca调节系统和磷酸醇调剂系统失调,细胞代谢紊乱,细胞受到伤害甚至死亡7。同样,土壤溶液中过多的Na+一方面抑制根系对K+的吸收,另一方面通过离子交换,将植物体内的K+置换下来,从而导致植物细胞缺K+,影响正常生长8。1.3盐胁迫造成生理干旱在盐胁迫下,大麦根细胞的生长受到抑制,一方面是由于离子毒害;另一方面就是土壤溶液浓度高(3以上),在外界的高渗透压下,引起细胞膨压下降,抑制了根细胞对水分的吸收9,植株无法从土壤溶液中获取其正常生长所需要的水分。在土壤中盐分过高的情况下,土壤溶液水势大大下降,造成渗透胁迫,使细胞原生质体失水收缩死亡。作物的生长过程中,水分对其发育和生长至关重要。Munns等研究认为,谷类作物再生器官的形成和发育能力受到盐分的影响,盐分胁迫降低了谷类作物的穗成花率,改变了开花和成熟时间10。刘宛等研究表明,大麦盐害的阀值相当于土壤含盐量0.51%,当土壤盐浓度为1.15%时,大麦将减产50%7。Ghulam等人发现,在对大麦进行微咸水灌溉时,灌溉水电导率达到13.40dS/m将降低种子萌发,影响幼苗生长11。盐分胁迫在一定程度上造成了生理干旱,从而导致大麦植株生长发育不良,穗成花率、每株穗数、千粒重都会受到严重的影响。2大麦的耐盐机理2.1离子的吸收及运输麦类作物的耐盐性与植株地上部对Na+和Cl-积累的限制力及高K+/Na+比率的保持能力有关。刘友良等将大麦根系置于Na+/K+为3的介质中,生长一段时间后,测定出根中Na+/K+为0.36,这说明大麦根系对Na+的吸收有强选择性12。而在高盐胁迫下,离子吸收的选择性下降,K+、Na+相互抑制,细胞质中Na+通过液泡的Na+-K+交换积累于液泡中,或通过质膜的K+-Na+交换排出细胞13,从而可以降低细胞对Na+的吸收,减轻盐胁迫的程度。电子探针测定表明,大麦根细胞中液泡的Na+/K+比是细胞质中的36倍,导管中Na+/K+比外部介质小33倍7。高浓度的Na+对植物产生毒害作用外,还导致低K+,抑制韧皮部中同化物的运输而使叶片生长受阻。有研究表明,大麦的耐盐性与介质中的Ca2+/Na+比明显相关,盐敏感大麦的Cl-向地上部的运输比抗盐品种高1.72.0倍14。大麦的离子选择性在品种间也存在着较大的差异。通过对比试验,毛才良等发现耐盐大麦品种叶片中Na+含量和Na+/K+比率,明显低于不耐盐的品种,而根中Na+含量和Na+/K+比率则高于不耐盐品种。这表明,由于细胞膜的选择性,Na+和K+从根向地上部的运输存在差异8。防止Na+在地上部累积必须减少Na+从根系共质体进入木质部,或加大木质部的Na+在到达地上部敏感部位前的卸载15。Na+从木质部卸载可能是通过Na+通道,如大麦木质部薄壁细胞的非选择性离子通道,在高Na+条件下,高Na+/H+反向运输载体逆向工作,将Na+泵入细胞质16。汁液取样测定显示,在100mmol/LNaCl介质生长的大麦,木质部汁液Na+浓度从成熟大麦植株的基部向上是递减的,大约是每个节间下降1mmol/L,相当于每个节间每天移出了3mol,这与节间组织的增加量相当17。2.2大麦的拒盐、排盐性大麦有拒盐性。其拒盐能力主要取决于根系,目前认为大麦拒盐机制可能涉及以下过程:1)植株不将Na+吸入根细胞内,或吸入后又通过Na+或H+离子泵排出。2)植株把吸收的Na+储存于根、茎基部、茎、叶鞘等薄壁细胞发达的器官组织中,并将Na+封闭在这些细胞的中央液泡中,从而阻止Na+向叶片中运输18。3)NaCl胁迫下,植株根吸收的Na+向地上部分(尤其是叶片和籽粒)运输选择性降低,而K+运输选择性增加。大麦除了有拒盐性外,其植株还可将多余的盐分排出体外。野生大麦的叶表有盐腺,其腺毛分布密度为132196个/mm2。大麦叶表的盐腺可以将体内过多的盐分排出,其根部也可以通过ATPase水解APT时释放的能量将Na+排出根细胞。2.3渗透调节物质的合成大麦在干旱、水渍、盐害、冻害、热害等不良环境下,植株细胞内的许多渗透活性物质浓度都会升高,如液泡中的K+、Na+、Cl-等无机离子和细胞质中的甘油、脯氨酸、甜菜碱和蔗糖等有机溶质。这些溶质在细胞渗透调节中起着重要作用。研究表明,在土壤盐分胁迫下,耐盐大麦植株体内有机物合成增加,使得细胞渗透势等于或低于环境渗透势,从而保证了植株从环境中吸收足够的水分,同时维持细胞正常膨压势,保持细胞的正常生长。张士功等研究表明,盐胁迫下,小麦幼苗体内可溶性糖含量增加。外源甜菜碱能提高盐胁迫下小麦幼苗体内游离脯氨酸、可溶性糖、蛋白质等物质含量,限制根对Na+的吸收,同时提高体内K+含量及向上运输效率,从而提高植物对盐胁迫的适应能力。Wyn研究发现,在等渗PEG和NaCl胁迫下,大麦植株内脯氨酸和甜菜碱的积累量很接近。说明在干旱和盐胁迫下,大麦植株体内都会合成一定量的脯氨酸和甜菜碱等有机物质,以减轻受害程度。而且其积累水平与抗盐能力成正比。诸多研究者都认为脯氨酸是植物逆境胁迫的渗透调节物质19,但作为渗透调节物质,其含量的变化应该是随着外界环境胁迫的增强而增加,外界胁迫的减轻而降低。但诸多的研究中,很少看到关于脯氨酸含量随盐浓度降低而降低的报道。3大麦耐盐性选择标准大麦种子的萌发期对自然环境的胁迫也比较敏感。Asharf等研究表明,大麦种子萌发期盐胁迫耐受程度与植株生长期相比差异较大。较高的种子萌发力是植株在盐分胁迫下能够生长的基础。Seydi通过对不同基因型大麦耐盐性研究,采用了“耐盐指数(SaltTolerance Index, STI)”这一选择性指标,其计算公式为:STI=(TDW at Si/TDW at S1)100,其中,TDW:总干重,S1:对照,Si:第i个处理。该标准以植株干重为主要因子,在注重植株干物质量的同时,植株的根、茎和叶的长度与长势也是非常重要的指标。Rawson等人研究表明,在盐胁迫环境下,大麦主茎第三叶的面积是耐盐性的良好指标,其与大麦在盐分环境下的生物量高度相关。从植株体内离子含量和离子运输来看,低Na+吸收运输率和高的K+吸收运输率,以及较低Na+/K+也是耐盐性选择的一个重要指标20。也有人认为低的Na+/K+比率比低Na+吸收运输率在耐盐选择上更为重要。由于对Na+和K+的吸收与在植株中的分配机制不同,因此不同基因型的大麦品种耐盐机制也存在一定的差异。许多研究表明,NaCl胁迫可使植物体内ABA含量增加,外源ABA能加速植物细胞对耐盐胁迫的适应,盐胁迫下ABA的含量可能与诱导抗盐蛋白质的合成有关。龚明等人研究了ABA对大麦抗盐性的效应,发现ABA与耐盐性之间存在一定的关系。因此,可将ABA作为盐胁迫间接测定指标加以考虑。通过NaCl胁迫对大麦硝酸盐吸收和有关酶活性的影响研究表明,适量的Na+和Cl-进入植物体造成N素代谢系统失调是盐害的重要原因之一。盐胁迫下,NO-3吸收下降,NO-3还原及同化(如NR,GS,GDH等)活性均有不同程度的变化,抗盐性不同的品种反应亦不同。4提高大麦耐盐抗盐力、减轻盐分伤害4.1遗传育种改良大麦的耐盐性,可以通过遗传育种的方法进行改良和提高。选择耐盐抗旱的大麦资源是遗传育种改良的基础。美国E.Epstein等人利用海水鉴定了6000多份大麦种质,从中筛选出20份耐盐性强的品种,并用于耐大麦盐害及耐盐机理的研究进展盐品种的选育22。我国不少专家在过去的十多年中,从国内外的大麦资源中筛选出不少较为耐盐的品种,如辽宁的二棱裸粒,内蒙古的凉城大粒洋大麦,青海的长芒白青稞,山东的青岛芒大麦以及江苏的盐等,这些品种是大麦耐盐育种极其宝贵的资源。遗传分析是育种工作的理论基础,国内外学者做了不少大麦耐盐抗旱的遗传分析。研究表明,在胁迫环境下计算出的大麦遗传力和观察到的遗传变异均较低。如Ceccarelli试验发现,无胁迫环境下某纯系群体籽粒产量的广义遗传力为0.95,而在胁迫环境下只有0.38。利用植物组织和细胞培养获得耐盐突变体和耐盐机理研究已有许多报道。在细胞、组织水平上的耐盐性变异筛选方法除了直接用NaCl、海水等作为筛选压力外,也可以用PEG、Hyp、L-氮杂环丁烷-乙-羧酸等作为选择压力。Ye等人把花药培养技术与杂交相结合,在盐胁迫培养基中筛选耐盐的基因型,研究发现,在用高盐的培养基筛选得到的后代中,没有发现高敏感度的后代,全部为耐盐和中等耐性或超耐性的。随着分子生物学研究的不断发展,用基因工程方法进行耐盐植物改良的工作已取得了一定的进展。目前已经在苜蓿、烟草、番茄等作物上发现了耐盐相关基因,并进行了克隆24。大麦中的耐盐基因,可以通过基因枪、电击等手段进行转基因克隆。4.2化学控制措施盐胁迫下,可利用化学改良剂降低土壤溶液中盐离子进入作物根系或喷施化学激素类物质调控大麦的耐盐性。张金林等研究表明,喷施S3307能显著提高大麦根系的Na+、K+选择性吸收能力。Tsonev等研究发现,在盐胁迫下,4d的茉莉酸(JA)预处理能提高大麦磷酸烯醇丙酮酸酶和碳酸酐酶的活性,减轻盐离子积累对大麦光合作用和生长的影响。龚明等研究表明,外源ABA可降低大麦叶片中Na+、Cl-含量和Na+/K+比,减轻膜伤害和盐胁迫对生长的抑制作用。硅可增强植物抗胁迫的能力,已逐渐被大家所接受。Epstein等认为,硅能降低盐胁迫下大麦的渗透胁迫,这可以从沉积在细胞壁上的硅能抑制植物蒸腾作用得到很好的解释25。梁永超研究也表明,水培条件下加硅可提高盐胁迫下大麦叶片的光合速率,促进大麦对K+的吸收,从而提高K+、Na+选择性比率。在盐渍化土壤上,施用硅肥可以减轻盐分对大麦的伤害。有研究就表明,在含盐量较低的土壤(0.1%)中施加硅肥,均极显著地增加大麦地上部的干物质量和籽粒产量。由此可见,硅在提高大麦植株抗盐能力方面有着及其重要的作用。钙、磷和NO-3在提高大麦抗盐能力上也有很重要的作用。在NaCl胁迫下,钙能明显降低大麦幼苗对Na+的吸收和向地上部的运输,增加K+、Ca2+的吸收和向地上部运输,降低叶片电解质渗漏率,增加干物质积累,明显增强幼根细胞质膜和液泡膜微囊的H-ATP酶活性以及根系的呼吸强度。增强介质中NO-3浓度可以降低大麦幼苗对Cl-的吸收。有研究表明,NaCl胁迫下大麦幼苗对NO-3的吸收因品种不同耐盐性有较大的差异,耐盐大麦吸收的NO-3较多,超过了非盐胁迫下的对照植株,而对Cl-的吸收较少。有研究发现,在水培大麦中增加P水平可以提高大麦对NaCl的耐性。当P水平从3mol/L提高到60mol/L时,大麦苗中的Na+含量降低,K+含量升高,从而增强了大麦的离子渗透调节水平,减轻了Na+的伤害。4.3耕作措施一些耕作措施能起到降低土壤盐渍化程度,并有较好的效果。刘春卿等在对盐渍化土壤上生长的大麦进行不同管理调控的研究中发现,随着灌溉、施肥的增加,大麦的地上部生物量和产量增加,少次多量灌水的条件下大麦的生长优于多次少量灌水。这主要是大量的灌溉有利于盐分的稀释和向下层的淋溶,减轻土壤盐分对作物的离子毒害,满足作物对水分的要求,保证了作物的生长和产量的提高。同时作物的迅速生长可使作物体内盐分离子浓度同样得到稀释,减轻盐离子的危害。等量多次的灌水增加了地表保持湿润的时间,蒸发加快,盐分更易于向上运动,增加了作物的盐害。其他一些耕作措施,如:地膜覆盖、水泥硬壳覆盖等,在一些研究和试验示范中都取得了良好的效果。5.大麦耐盐性研究展望大麦的耐盐性和在禾谷作物中的重要性早已被大家所认同,对于大麦的耐盐机理和耐盐性,广大学者从分子机理到生物性状,都做了比较深入的研究。在我国,不同地域土壤的差异性和自然环境的变化波动大,东西区域和南北区域的土壤类型不同,降雨、气温等也分属不同的气候类型,大麦品种的适应性也存在地域差别,所以在大麦生产实践过程中,根据不同环境特征,选择适宜的大麦品种,加强耐盐大麦品种的筛选、特定地区适宜品种的鉴定和耐盐大麦遗传育种显得尤为重要,也是一项长期的科研任务。参考文献:1卢良恕主编.中国大麦科学.北京:中国农业出版社,1996,2102王尊亲主编.中国盐渍土.北京:科学出版社,1993,2503113朱睦元,黄培忠等著.大麦育种与生物工程.上海:上海科学技术出版社,1999,2022104Katauhara M. Apoptosis-like cell death in barley roots under salt stress.Plant Cell Physiology, 1997, 38 (9): 109110935Katauhara M, Kawasaki T. Salt stress induced nuclear and DNA degradation in meristematic cells of barley roots. Plant Cell Physiology,1996, 37 (2): 1691736武维华主编.植物生理学.北京:科学出版社,2003,591037刘宛,刘友良.大麦幼苗的Na+、Cl-和叶片耐Cl-量.南京农业大学学报,1993,16(3):15198毛才良,刘友良.盐胁迫大麦苗体内的Na+、K+分配与叶片耐盐量.南京农业大学学报,1990,13(3):32369段显德.小麦耐盐机理及盐碱地高产栽培技术研究进展.松辽学刊,2001,1:171910Munns R, Rawson H M. Effect of salinity on salt accumulation and reproductive development in the apical meristem of wheat and barley. Australian Journal of Plant Physiology, 1999, 26: 45946411Ghulam Hunssain, Al-Jaloud A A, Al-Shammafy S A, et al. Effect of saline irrigation on germination and growth parameters of barley (Hordeum vulgare L.) in a pot experiment. Agricultural Water Management, 1997, 2 ( 34 ): 12513512刘友良,丁念诚,沈丽娟.大麦的抗盐性与抗盐机理.中国大麦文集,中国作物学会大麦专业委员会主编.北京:中国农业科技出版社,1986,26727313Gorham J. Salt tolerance in the triticeae: Ion distribution in rye and triticaal. Journal of Experimental Botany, 1990, 41: 60961414Mano Y, Takahashi H, Sato K, et al. Mapping genes for growth and shoot regeneration in barley ( Hordeum vulgare L.). Breeding Science,1996, 46: 13714215Tester M, Leigh RA. Partitioningoftransport processes in roots. Journal of Experimental Botany, 2001, 52: 44545716Wegner L H, Raschke K. Ion channels in the xylem parenchyma of barley roots. Plant Physiology, 1994, 105: 79981317Wolf O, Munns R, Tonnet M L, et al. The role of the stem in the partitioning ofNa+andK+in salt-treated barley. Journal of Experimental Botany, 1991, 42: 69770418陈沁,刘友良.谷胱甘肽对盐胁迫大麦叶片活性氧清除系统的保护作用.作物学报,2000,5:36537319沈禹颖.三种盐生境植物叶表的扫描电镜观察,草业学报,1997,6(3):323620Nakamura T, Osaki M, Ando M. Differences in mechanisms of salt tolerance between rice and barley plants. Soil