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盐生植物海滨碱蓬Na~+吸收和积累的研究

张金林  
【摘要】: 土壤中高浓度的盐分对大多数的高等植物,特别是农作物产生毒害效应,引起植物生长受抑、甚至死亡,对农牧业生产构成严重的威胁。由低亲和性吸收系统介导的毒性Na~+的吸收是造成植物盐害的诱因,减少有害Na~+进入植物体内是解决这一问题的关键。但目前国内外对在植物Na~+吸收途径研究方面以拟南芥、水稻和小麦等盐敏感的甜土植物和盐芥等盐生植物为材料,它们均是叶中Na~+积累量较低的拒盐植物,吸Na~+能力十分有限,并不是研究Na~+吸收途径的理想材料,因此,对高等植物低亲和性Na~+吸收途径尚不明确。本研究以积盐型盐生植物海滨碱蓬(Suaeda maritima)为材料,利用~(22)Na~+同位素示踪技术,对海滨碱蓬Na~+吸收与积累机制进行了系统分析,取得的主要结果如下: 1.通过对Ca~(2+)(非选择性阳离子通道与低亲和性阳离子转运蛋白抑制剂)、Li~+(Na~+吸收的竞争性抑制剂)以及TEA~+、Cs~+和Ba~(2+)(K~+通道抑制剂)等几种离子通道抑制剂影响海滨碱蓬~(22)Na~+内流的分析,发现无论是在轻度(25 mM NaCl)还是在重度(150 mM NaCl)盐生境下,Ca~(2+)和Li~+都没有影响Na~+的吸收,表明目前被学术界广泛接受的非选择性阳离子通道(NSCCs)和低亲和性阳离子转运蛋白(LCT1)并非Na~+进入海滨碱蓬根细胞的主要途径。鉴定出了两条低亲和性Na~+吸收途径:途径1对Ba~(2+)很敏感,对TEA~+和Cs~+不敏感,介导轻微盐生境(25 mM NaCl)下Na~+的吸收,可能由HKT类转运蛋白完成;途径2对Ba~(2+)、TEA~+和Cs~+都很敏感,介导重度盐生境(150 mM NaCl)下Na~+的吸收,可能由AKT1类通道蛋白完成。 2.在初步确定上述两条途径的外界NaCl浓度的拐点在75-100 mM NaCl的基础上,将其进一步细化在90-95 mM NaCl。我们进一步研究发现,K~+影响Na~+吸收的拐点也与TEA~+影响Na~+吸收的拐点一致。 3.比较了TEA~+和Ba~(2+)对海滨碱蓬、小麦和水稻三种植物~(22)Na~+内流的影响,结果表明,在低盐生境下HKT类型的转运蛋白对小麦和水稻根Na~+的吸收要远少于海滨碱蓬,且对小麦和水稻根的拒Na~+有一定的贡献;在高盐生境下,HKT类型的转运蛋白在小麦和水稻中更多地行使了拒Na~+的功能。 4.分析了NH_4~+(5 mM)对TEA~+和Ba~(2+)抑制海滨碱蓬~(22)Na~+内流、Na~+累积和Na~+净吸收速率的影响,结果表明在加入Ba~(2+)(5 mM)的条件下,同时加入NH_4~+来降低由H~+-ATP酶建立的跨膜质子梯度显著地降低了海滨碱蓬根的拒Na~+作用。据此,我们推测在海滨碱蓬根种存在至少两种HKT类转运蛋白:一种在低盐生境下行使Na~+吸收的功能;另一种在低盐和高盐胁迫下行使拒Na~+作用。另外,在高盐生境下ABC转运蛋白也可能是高等植物Na~+外排泵蛋白的一个候选者。 5.研究了阳离子-Cl~-共转运蛋白(cation-Cl~- cotransporter,CCC)抑制剂丁苯氧酸(bumetanide)对海滨碱蓬Na~+累积和净吸收速率的影响,结果表明CCC转运蛋白在轻度盐生境下介导少量Na~+的吸收,在高盐生境下介导大量Na~+的吸收;另外,CCC转运蛋白也可能在调节高Na~+和高K~+环境下水分的传导中发挥作用。 6.在高盐(100-200 mM NaCl)生境下,低浓度的K~+(5 and 10 mM)促进了海滨碱蓬Na~+的吸收,其可能的机制是激活了AKT1类型的K~+通道。 7.不同浓度NaCl(25、150和200 mM)处理192(8d)、240(10d)和360(10d)h时,海滨碱蓬根中Na~+浓度均到达最高值(140、205和310 mM),分别是外界生境中Na~+浓度的5.6、1.4和1.5倍,而后随着处理时间的延长根中的Na~+浓度逐渐下降;处理480 h(20 d)时,海滨碱蓬植株地上部Na~+浓度均到达最高值(376、616和715mM),分别是外界生境中Na~+浓度的15、4.1和3.6倍;植株地上部Na~+浓度在三种生境盐处理的6-12 h之间迅速增加,而后增加缓慢。根~(22)Na~+内流随时间进程的变化模式与根和植株地上部Na~+浓度变化模式基本一致。以上结果同时也进一步表明,当盐处理达到一定阶段,植株中Na~+的积累上升到一定水平且到达稳态平衡以后,即使在海滨碱蓬这样大量吸收Na~+的盐生植物中也会产生拒Na~+作用。 8.不同浓度NaCl(25、150和200 mM)处N20 d后,植株地上部中K~+浓度整体上分别显著下降了37%、64%和54%,根中的K~+浓度变化起伏较大,整体上呈下降趋势;植株地上部中Na~+/K~+比分别增加至对照的47、156和147倍;根中的Na~+/K~+比分别显著增加为对照的41、38和47倍。


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