虎尾草不同器官矿质元素含量对碱化环境的响应

项 越，赵淑婷，吴 昊，李 政，张震宇，王 欢

（吉林农业大学农学院, 吉林 长春 130118）

必需矿质元素是植物结构和新陈代谢的基本组成成分，是植物生长、发育和分化过程中不可或缺的因素，在植物整个生长发育阶段，缺乏矿物元素或者过量吸收均会导致植物体其他矿质元素分配发生不同程度的变化，进而影响其生长发育[1]。研究表明，盐害对植物的伤害主要表现在渗透胁迫、离子毒害以及营养亏缺等方面[2]，盐碱胁迫环境下植物体内矿质元素含量及其平衡状态在植物种类和不同器官之间差异较大[3]。盐胁迫对沙枣(Elaeagnus angustifolia)幼苗不同部位矿质元素含量的影响体现在，盐胁迫环境导致根中和地上部分大量积累Na，其他大量元素Ca、Mg、K 和P 在盐胁迫环境中明显低于无胁迫水平[4]。碱胁迫对植物的伤害程度往往大于盐胁迫，碱胁迫不同于盐胁迫的是相同胁迫离子浓度条件下具有较高的pH 环境，高pH 是碱胁迫甚于盐胁迫的重要原因[5-6]。王永娟等[7]研究表明，碱胁迫条件下大豆(Glycine max)种子萌发过程中矿质元素的下降趋势比盐胁迫下明显。高浓度碱性盐胁迫造成大豆种子中矿质离子大幅度的失衡，进而对种子萌发和生长造成严重伤害[3,7]。此外，碱胁迫降低牛叠肚(Rubus crataegifolius)幼苗根、茎和叶中Ca 和K 的积累，而显著增加了Na 的积累，植物的茎部向叶片输送K、Ca 同时截留Na，以此来维持植株体内离子的相对平衡，保证了叶片正常的生理活动及对矿质元素的需求[8]。植物不同器官或组织对离子的吸收、运输及区域化分布是植物适应或者抵御盐渍环境的重要响应机制[9-10]。因此，探究盐生植物不同器官如何应对高碱化环境对明确不同矿质元素吸收及积累变化情况意义重大。

虎尾草(Chloris virgata)为禾本科一年生草本植物，作为盐碱地的先锋植物，虎尾草种群的生态位较宽[11-12]。虎尾草茎叶柔软，植物体无毒、无异味，故而适口性较好，马、牛、羊等牲畜均喜食[13]。从化学成分含量和能量价值来看，其营养价值相对较高(粗蛋白质含量7.22%)[14]。虎尾草是牧草中优良的青饲草和青干草之一[15]，开发利用前景广阔，同时也是盐碱地改良的备选植物[16]。目前，对虎尾草的研究备受关注，但多数均主要研究其在分类上的地位及其生态应用价值[17]，有部分文献研究了虎尾草的抗盐碱性，主要分析了在盐碱胁迫下，其离子、有机酸或光合方面的响应[18-19]，但针对碱化环境对虎尾草不同器官矿质元素积累变化的影响从未报道。虎尾草主要分布在东北碱化草地，因此，本研究于温室大棚中选择营养液控制培养虎尾草，选择150 mmol·L-1碱性盐溶液(NaHCO3∶ Na2CO3= 9 ∶ 1)对虎尾草进行一个月碱胁迫处理，用碳酸氢钠和碳酸钠按照一定比率混合充分模拟了虎尾草的生存环境，并检测不同器官(茎叶、穗和根)中不同矿质元素(Na、K、Ca、Mg、P、Fe)积累变化情况，为深入探究抗碱盐生植物虎尾草茎叶、穗和根对不同矿质元素吸收、分配及区域化分布机制提供抗碱生理基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

虎尾草种子来源于吉林省长岭草原站。试验于2019 年5 月26 日开始至2019 年7 月16 日结束。将饱满、均一的虎尾草种子等距离播种于盛有蛭石的塑料花盆内。每隔1 d 以Hongland 完全培养液浇灌，其余时间蒸发量则用蒸馏水补足。供试植物在吉林农业大学温室大棚中培养，试验期间白天温度为 22～28 ℃，夜间温度为19～22 ℃，通风良好。

1.2 试验设计

配置浓度为150 mmol·L-1碱性盐溶液(NaHCO3∶Na2CO3= 9 ∶ 1)作为碱胁迫液，以不加胁迫液的Hongland 完全培养液培养的虎尾草作为对照，随机分成对照组和胁迫组各10 盆，从分蘖期时对其进行碱胁迫处理，每盆400 mL 分3 次透灌，对照组只浇完全营养液，碱胁迫时间从6 月16 日至7 月16 日，测定叶片光合指标，取出每盆全部植株，先称取鲜重，洗去根部蛭石。先用自来水冲洗后植株，再用蒸馏水冲洗，然后用滤纸吸干植株表面的水分，分茎叶、穗和根3 个器官进行收样，随后将其置于90 ℃烘箱内杀青15 min，然后于50 ℃下烘干至恒重，称取干重，分别将干样品粉碎混合，用于不同矿质元素含量的测定，每个样品3 个重复。

1.3 测定指标和方法

光合参数用LⅠ-6400 便携式光合仪(美国)在1 200 μmol·(m2·s)-1的有效光辐射(photosynthetically active radiation, PAR)强度下，于08:30 - 10:30 测定虎尾草叶片净光合速率(net photosynthetic rate, Pn)、气孔导度(stomatal conductance, Gs)、蒸腾速率(transpiration rate, E)等指标。均选第3 片完全展开的功能叶片测定，每片叶子测定9～20 次，每次重复测定5 片叶子取平均值。

元素测定方法：准确称取烘干并粉碎、过筛的植物样品0.1 g，置于50 mL 小烧杯中，加入10 mL HNO3和1 mL HClO4，置于电热板上100 ℃左右低温加盖消解，蒸发至约0.5 mL 时，开盖继续加热至近粘稠状态，并加热至白烟冒尽。加0.5 mL HNO3微加热，用沸水冲洗内壁，冷却后定容至5 mL，静置过夜，此溶液为待测液。采用电感耦合等离子体光谱仪测定不同器官中不同矿质元素(Na、K、Ca、Mg、P、Fe)含量。

1.4 数据处理

采用Excel 2007 进行数据整理，使用SPSS 20.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 碱胁迫对虎尾草生物量和光合作用的影响

长达一个月的碱化环境明显降低了虎尾草茎叶、穗和根的生物量(图1)。

图1 碱胁迫对虎尾草生物量的影响Figure 1 Effects of alkali stress on the biomassof Chloris virgata

同时，碱胁迫也明显抑制了虎尾草的光合作用(表1)。与无胁迫对照相比，虎尾草在碱胁迫下，净光合速率、气孔导度、蒸腾速率显著降低(P＜ 0.05)。

表1 碱胁迫环境对虎尾草叶片光合作用的影响Table 1 Effects of alkaline stress environment on leaf photosynthesis of Chloris virgata

2.2 碱胁迫对虎尾草不同器官元素含量的影响

虎尾草在长达一个月碱化环境中，茎叶和根中积累大量Na，显著高于对照(P＜ 0.05)，而对穗影响较小(图2)。虎尾草其他大量矿质元素(K、Ca、Mg、P)在应对高浓度碱化环境时在茎叶、穗中含量均显著低于对照水平(P＜ 0.05)，胁迫后的根中P 含量略低于对照，其中茎叶中大量元素K 和Mg 含量明显高于穗中含量，穗中Mg 和K 含量明显高于根中，整体呈现下降趋势。Ca 含量主要在根中积累，碱胁迫后均表现出不同程度的下降，其中碱胁迫环境直接抑制了穗中Ca 元素的积累。P 元素主要积累在穗中，这对虎尾草生殖生长至关重要，而胁迫后均有不同程度的下降。对于微量元素Fe 来说，正常情况下主要在根中积累，碱胁迫后茎叶和穗中Fe 含量有所升高。

图2 碱胁迫对虎尾草不同器官不同矿质元素含量的影响Figure 2 Effects of alkali stress on the content of different mineral elements in different organs of Chloris virgata

2.3 碱胁迫对虎尾草不同矿质元素在不同器官中的分布百分率的影响

对虎尾草不同元素在不同器官间的积累分布百分率变化分析发现(表2)，碱胁迫后，Na、K、Ca、Mg、Fe 各元素在茎叶中相对含量明显高于穗和根，而P 元素碱胁迫后仍在穗中大量积累，虎尾草P 元素在穗中积累49.80%，胁迫后为50.02%。正常情况下虎尾草元素Na、Ca、Fe 在根中大量积累，其中根中Na 占61.19%，Ca 占62.53%，Fe 占94.00%；碱胁迫后元素Na、Ca、Fe 从根中转移到茎叶，胁迫后茎叶中Na 占90.95%，Ca 占55.51%，Fe 占72.39%。胁迫前后元素K、Mg 在茎叶中相对含量最大，且胁迫后茎叶中K 含量由原来的79.62%升高至94.54%，Mg 含量由原来的62.96%升高到93.09%。

表2 不同矿质元素在不同器官间的分布Table 2 Distribution percentage of each element in different organs

2.4 碱胁迫下虎尾草不同器官内不同矿质元素的相对贡献率变化

对虎尾草不同器官内部元素分布相对含量的相对贡献率分析发现(表3)，碱化环境下虎尾草元素Na 在茎叶、穗和根中显著积累(P＜ 0.05)，其中茎叶中积累变化最大，胁迫后茎叶中元素Na 含量是对照的28.399 倍，二者差异显著，根中变化倍数是8.924，二者差异显著。微量元素Fe 在各器官中的相对贡献率不高，碱胁迫仍促进了Fe 元素在茎叶和穗中的积累，变化倍数不大，分别为2.253 和1.835。而虎尾草不同器官内其他元素相对贡献率在碱胁迫后均有不同程度的下降，其中茎叶中K 含量下降最多，由对照的79.36%显著下降到35.17%；其次是茎叶中的Ca 含量显著下降。

表3 不同器官内各元素的相对贡献率Table 3 Relative contribution rate of each element in different organs

2.5 碱胁迫下虎尾草不同元素在不同器官中占元素总量的贡献百分率

对虎尾草各元素在整株植物不同器官中占元素总含量的贡献百分率分析发现(表4)，正常环境下在虎尾草的茎叶、穗、根中，元素K 均大量分布在茎叶、穗和根中，尤其在茎叶中K 的相对含量为43.065%，而胁迫后茎叶中K 的相对含量下降至18.654%，穗中K 的相对含量为23.571%，胁迫后K 的相对含量下降至17.932%。其次是Ca，茎叶中Ca 含量占总元素含量的3.652%，根中占5.505%，胁迫后均有不同程度的下降。在碱化环境下，3 个器官中的Na 均大量积累，尤其是茎叶中Na 的相对含量由原来的0.707%升高至28.397%，根中Na 的相对含量由原来的1.114%升高至14.055%。穗中P 含量在胁迫前后相对含量贡献百分率变化不大。从整体上看，对照中虎尾草体内的主要元素是K，碱胁迫后各个器官中茎叶相对积累大量元素Na，而虎尾草穗部依旧维持较高的K 含量，相对变化不大的元素P，维持穗正常生长。

表4 不同矿质元素在不同器官中占元素总量的贡献百分率Table 4 Percentage contribution of each element to the total in different organs

3 讨论

3.1 碱胁迫对虎尾草生物量和光合作用的影响

盐胁迫通常通过渗透胁迫和离子毒害来抑制植物生长发育。而碱胁迫对植物的伤害远高于相同强度的盐胁迫。碱化环境对植物的伤害作用除了渗透胁迫和离子毒害外还涉及高pH 直接引起的物理伤害和间接造成的营养胁迫。碱胁迫抑制种子萌发、幼苗生长，影响根、茎、叶器官的发育[20-21]。本研究结果同样表明碱化环境影响虎尾草的生长发育，降低了茎叶、穗和根的生物量，同时碱化环境也抑制了叶片的光合作用，降低了虎尾草水分利用效率等，叶片的光合速率下降导致虎尾草叶片光合作用积累有机物的能力降低，进而影响虎尾草生物量的积累。长期胁迫会影响植物气孔张开，进而抑制植物净光合速率，气孔关闭明显限制了虎尾草在胁迫环境下的光合作用[22]，消耗较少的二氧化碳和水，使胁迫后虎尾草的胞间二氧化碳浓度增加，叶片含水量减少，但影响不显著，虎尾草在碱胁迫后叶片中储备足够的水作为溶质以供正常的生长发育。

3.2 碱胁迫环境下虎尾草不同器官对Na 元素的吸收、运输及控制

碱化环境通过抑制植物生长发育进而干扰植物碳、氮、氧及其次生代谢，也影响根系对矿质离子的吸收、转运、分布和利用[21]。作为植物非必需元素Na，植物在盐碱化环境下能否存活取决于对Na+的有效控制，盐胁迫环境下在植物不同组织或器官中Na+分布也不均衡，新叶中浓度较低，老叶或老茎中浓度较高[23]。本研究同样表明抗碱盐生植物虎尾草在应对高碱化环境过程中表现出根、茎和成熟叶片中积累大量Na，而对幼嫩穗中影响不大，幼嫩组织细胞代谢活跃，细胞分裂、分化速度较快，无成型的大液泡，仅有分散的小液泡，因此幼嫩组织中无法贮存大量的离子，这种离子在组织器官间的不均匀分布，可能是植物对胁迫的一种适应策略[24]。相对于无胁迫对照，碱胁迫后虎尾草茎叶中积累大量的Na，茎叶中Na 元素在碱胁迫后占该器官元素相对贡献率最高，Na 元素在不同器官中占元素总量的贡献百分率分析发现，在茎叶中含量最高。说明虎尾草在碱化环境中对高浓度的Na 具有较强的调节能力，可以把大量的Na 储存在根和茎叶中，进而保护新生的小穗，能够正常完成生活史。同时Na 也可以通过渗透调节，缓解细胞渗透势带来的伤害[25]，有利于植物对水分的吸收，植物还可以通过离子区域化把不利于渗透调节的无机离子转运到液泡中暂时性储存起来，这均是植物适应碱化环境的调控能力表现。

3.3 碱胁迫环境下虎尾草不同器官对K 元素的吸收、运输及积累

K 元素是植物体内大量元素中重要的矿质元素，是许多酶的活化剂，也是40 多种酶的辅助因子[26]。K+通过构成渗透势调节水分代谢，进而调节气孔开闭、蒸腾；同时也参与能量代谢，作为H+的对应离子，向膜内外转移，参与光合磷酸化、氧化磷酸化过程。因此，在正常环境下，植物积累大量的元素K 以维持正常的生长发育。本研究表明虎尾草在对照环境下茎叶中积累大量元素K，同时发现，茎叶、穗和根中元素K 的相对贡献率均为最高。各元素在不同器官中占元素总量的贡献百分率分析中发现，茎叶和穗中元素K 占元素总量的贡献百分率也是最高的，证明植物根系吸收元素K 大量运输并积累到茎叶和穗中，同时参与植物正常代谢。在长达一个月的碱胁迫后不同器官中元素K 含量相对于对照明显下降，但器官内各元素的相对贡献率分析表明，茎叶中除了Na 元素外元素K 仍占相对较高的贡献率，穗中元素K 相对于其他元素依然维持最高的贡献率，与流苏(Chionanthus retusus)幼苗在NaCl胁迫下器官内K 的分布不同[27]。大量元素K 作为可以移动的重要的矿质元素，主要吸收方式通过根系吸收并向地上部位运输，碱胁迫后茎叶中成熟的叶片除通过液泡储存大量Na+外，依然可以维持较高的K+水平，同时还运输到幼嫩的新生组织穗中，在穗中维持高K 低Na 的水平，进而保证虎尾草在长期碱化环境下仍抽穗所需的矿质营养。

3.4 碱胁迫环境下虎尾草不同器官对Ca、Mg、P 和Fe 元素的吸收、积累

Ca 与Na 的积累均与植物的渗透调节机制有关，有试验[28]表明Ca 在干旱条件下在叶片中大量积累。本研究发现在碱胁迫条件下植物根部仍能维持Ca 元素正常水平，根中Ca 的相对贡献率高于K，而穗中含量明显降低，这与李东晓等[28]研究结果相同。根长期受碱胁迫环境影响，大量吸收、积累和储存Ca，更有利于抵制碱性环境，一般来说，根系吸收Ca 向上运输并在器官中积累，当植物出现缺素症时，Ca 很难从叶片向幼穗中运输，这可能也是碱胁迫下穗中Ca 含量降低的原因，但根仍发挥它的吸收功能，积累更多的Ca 来维持植物正常代谢。

碱胁迫明显降低不同器官中元素Mg 含量，但Mg 在不同器官间的分布百分率表明，胁迫后茎叶中Mg 的分布百分率升高到93.09%，碱胁迫对Mg 在不同器官中占元素总量的贡献百分率几乎没有影响。Mg 作为叶绿素的组成成分之一，同时也是许多酶的活化剂，对植物正常生长发育至关重要，因此虎尾草在长期碱化环境下仍能维持正常的Mg 贡献百分率以保证虎尾草能够抽穗所需要的Mg 含量。

P 在糖类代谢、蛋白质代谢和脂肪代谢中起着重要作用，碱胁迫对虎尾草穗中P 含量影响不大，其茎叶和穗中均维持较高的分布百分比，器官内P 相对贡献率变化不大，碱胁迫后P 在穗中占元素总量的贡献百分率最高。在板栗(Castanea mollissima)的研究中发现，对板栗花器官发育有着重要的影响[29]，因此推测P 是虎尾草在逆境下成穗的关键。

碱胁迫后微量元素Fe 在茎叶和穗中占元素总量的贡献百分率升高，此外Fe 在碱胁迫后茎叶中分布百分率最高，因为胁迫后茎叶中Fe 的相对贡献率上升。Fe 在胁迫后对虎尾草的茎叶和穗均有相对较高的贡献率，Fe 被根系吸收后大量随蒸腾流运输到地上部分，保证茎叶和穗部的元素供应，这可能也是虎尾草在碱性环境下维持光合作用的一种手段，减少胁迫对光合作用的影响。已有研究[30]表明，Fe 在光合作用等方面均有重要作用，而其具体耐碱机制值得更深入研究。Fe、Mg 元素在植物中主要与植物光合作用有关，这也是在被根吸收后，Fe、Mg 被大量运输到叶片中的原因，这与刘宁等[31]在杜梨(Pyrus betulaefolia)上的研究结论相似。

4 结论

综上所述，盐生植物虎尾草在长期的碱化环境下仍能抽穗，完成生活史，表现在茎叶对Na 有较好的区域化控制，同时在不同器官中均维持较高的K 水平，尤其在穗中维持较高的K 和P 含量，保证了小穗生长发育的营养元素来源，同时茎叶和穗中通过吸收、积累一定的Fe 和Mg，保证正常的代谢水平。在长期碱化环境下虎尾草器官内不同矿质元素的相对贡献率和不同元素在不同器官中占元素总量的贡献百分率均能维持较高的水平。虎尾草通过吸收大量K 来维持植物体内渗透平衡，同时较好协调茎叶、穗和根中Ca、Mg、P 和Fe 各元素水平，使其发挥各自作用，不同器官通过对不同矿质元素吸收、运输、积累变化达到动态平衡，进而从不同矿质元素平衡角度证实了抗碱盐生植物虎尾草的耐贫瘠能力较强。