安徽农业科学,Journal ofAnhui A .Sci.2009,37(10):4456—4458,4464 责任编辑李占东责任校对夏蓉 钠钾交互作用下水稻生长和营养元素吸收特征研究 吴延寿,尹建华,彭志勤,杨平 (江西省农业科学院水稻研究所,江西南昌330200) 摘要[目的]研究钠钾交互作用下水稻生长和营养元素吸收特征,为钠离子转运机制的分子研究提供理论依据。[方法]以日本晴水 稻为材料,通过盆栽水培研究了钠钾交互作用下水稻生长和营养元素吸收特征。[结果]高Na 显著抑制水稻的生长和根系的发育,但 盐胁迫下短时间的K 饥饿并不影响水稻的生长、根系的发育和根冠比。K 和Na 互相抑制吸收,且Na 在一定程度上有替代K 的作 用。ca“在高钠处理的水稻体内含量有上升趋势,而Mg“在地上部含量有下降趋势,在根系则差异不显著,K 的缺乏能促进Mg“的吸 收。盐胁迫能显著增加根系和地上部阳离子总数,但K 饥饿下地上部阳离子总数提高。高Na 显著降低氮的含量,K 只对地上部氮 的累积影响较大,而磷则相反。各营养元素因不同处理而呈现不同的根冠分布。[结论]揭示了水稻在钠钾交互作用下体内吸收转运 机制。 关键词水稻;钠;钾;盐胁迫 中图分类号s511 文献标识码A 文章编号o517—6611(2009)10—04456—03 ,, Study on Rice Growth and Characteristics of Nutrient Elements Absorption Under Interaction of K and Na WU Yan-shou et ai(Rice Research Institute,Jiangxi Academy of Agricultural Sciences,Nanehang,Jiangxi 330200) Abstract l Objective l The aim was to study rice growth and characteristics of nutrient elements absorption under interaction of K and Na and provide theoretical basis for molecular research of Na absorption and transport mechanism.1 Method 1 The potted hydroponics was conducted with rice cv.Nipponbare to study rice growth and characteristics of nutirent elements absorption under interaction of K and Na.『Resuh 1 n1e results showed that high Na dramatically decreased rice growth and root development,however,short-term removal of K supply(9 d)did not affect root morphology and root-shoot ratio.K could dramatically inhibit Na absorption,and to a certain extent.Na could replace K nutrition.Na toxicity improved Ca“accumulation in rice and decreased Mg“in shoot but not in root.1ack of K promoted Mg“absorp— tion.Sum of cation dramatically increased in root and shoot under salt stress.However.it was declined in shoot in K supply cultured rice. Ni ̄ogen accumulation jn rice was dramatically reduced by high external Na in shoot but not in root.however phosphorus was contrary.Vari— OUS nutrient showed different root cap dis试bution.I Conclusion l The mechanism of absorption and transport in rice vito under interaetion of K and Na was revealed. Key words Rice:Na:K:Salt stress 钾(K)是作物最大需要的阳离子营养元素,能够促进植 EDTA 70 qC螯合2 h),pH值5.5。每3 d更换营养液一次, 物光合作用及其产物的运输,参与细胞渗透调节和有机酸的 经以上培养后处理,无K 处理用NaH PO 替代P营养。试 代谢。在其缺乏的土壤上,钠(Na)作为功能元素具有替代 验在日光温室进行。 钾营养的作用 ,但过量的钠使作物生长缓慢直至死亡。作 试验分5个处理,分别是①全营养液、②0 K /25 mmol/L 物对Na 的适应机制主要将吸收的钠转运到地上部细胞液 Na 、③l mmol/L K /25 mmol/L Na 、④0 K /100 mmol/L 泡中贮存起来,这个机制主要依靠植物本身所具有的吸收转 Na 和⑤1 mmol/L K /100 mmol/L Na ,每处理重复6次。 运蛋白和离子通道来实现 ,这些吸收转运蛋白在吸收转运 所有处理K 用K:SO ,Na 用NaC1,其他营养元素同全营养 钾钠离子的同时,可能对其他碱性阳离子也兼有吸收作 液,试验处理9 d,每3 d更换处理液一次。 用 。笔者采用水稻水培盆栽,旨在研究钠钾交互作用下水 1.3测定项目与方法 ①根系活力测定。称取根尖样品 稻生长以及对各种营养元素的吸收特征,揭示水稻在钠胁迫 0.5 g,加入0.4%rITC溶液和磷酸缓冲液的等量混合液,充分 条件下体内吸收转运机制的外观表现,以期为钠离子转运机 浸没37 qC下暗保温2 h后加入1 mol/L H SO 停止反应。取 制的分子研究提供理论依据。 出根与乙酸乙酯混合石英沙磨碎,充分提取还原的TTC,定 1材料与方法 容比色,对照标准曲线计算还原量即根系活力指标。②K 、 1.1试验材料所采用的材料全部是日本晴水稻(rice . Na 、c 、Mg2 浓度测定。水稻植株冲洗干净后,将根系和 Nipponbare)。 地上部分别置于烘箱中,105℃烘烤30 min后7O℃烘干至 1.2试验方法水稻种子经10%H:0 灭菌30 rain,去离子 恒重,称其干重。所有样品磨细后经浓H:s0 一H 0 完全消 水室温黑暗培养24 h,转入光照/黑暗循环15/9 h\相应温度 化稀释成适合浓度,原子吸收法消化液以Al (s0 ) 作掩蔽 循环30/28 0C的光照培养箱中,每日换去离子水1次。15 d 剂直接测定Na 和K 含量,以LaC1,作为掩蔽剂直接测定 后转移幼苗至3 L的塑料桶中用1/4、1/2和全营养液培养 ca 和Mg 含量。③全氮和全磷测定。取②中的消化液采 12、12和6 d。全营养液配方如下:1.25 mmol/L NH NO3,0.3 用连续流动分析仪(CFA-AA3)直接测定。 mmol/L KH2 PO4,0.35 mmol/L K2 SO4,1 mmol/L CaC12, 1.4 根系扫描将新鲜水稻根系浸没于清水中,充分展开, 1 mmol/L M:gSO4,0.5 mmol/L Na2SiO3,9 p ̄mol/L MnC12,0.39 用WinRhiEolA1600型根系分析仪直接扫描。 / ̄mol/L Na2 Moo4,20 ixmol/L H3 BO3,0.77 ̄mol/L ZnSO4, 2结果与分析 0.32 p,mol/L CuSO4,20 ̄mol/L Fe“(FeSO4・7H20+Na2一 .1钠钾交互作用对水稻生长的影响水稻在不同K -Na 共处理条件下鲜重及水分含量和根冠比见表1。由表1可 作者简介吴延寿(1979一),男,安徽桐城人,博士,助理研究员,从事 植物营养学研究。 知,水稻无论根系还是地上部生长受K 浓度影响较小,在同一 收稿日期2009-01-19 Na 水平中钾饥饿和钾供应处理间差异不显著。高浓度Na 37卷1O期 吴延寿等钠钾交互作用下水稻生长和营养元素吸收特征研究 能显著抑制根系和地上部的生长,低浓度Na (25 mmol/L)抑 含量,使其严重脱水;根冠比受Na 浓度影响显著,随着Na 制程度较小,尤其是根的生长,低浓度Na 反而促进其生长,高 浓度的升高,根冠比上升,这是由于Na 主要抑制地上部生 浓度Na (100 mmol/L)相对于正常营养液约使其减产1/3; 长而造成的。 各处理不影响根的水分含量,但Na 能显著降低地上部水分 2.2钠钾交互作用对水稻根系发育的影响钠钾交互作 表1钠钾交互作用对水稻生长的影响 Table 1 Effects of K and Na interaction on rice growth 注:同列不同字母差异在0.05水平显著,下表同。 Note:The different lowercase letters in the same eo]umn mean signiifcant difference at 0.05 level,the same as follows 用下对水稻根系发育的影响见表2,由表2可知,根系活力明 整株水稻的生长,因此其地上部的生长(表1)在低钠条件下 显受到Na 毒害呈下降趋势,尤其在高钠(100 mmol/L)无钾 差异不显著。由表2还可知,在该试验的钾浓度处理中无论 水平。根长、根表面积和根体积在高钠情况下也显著下降。 在高盐还是低盐毒害下根系发育参数均不受钾供应水平的 这说明水稻具有一定程度上的耐盐能力,根系的发育决定着 变化而变化。 表2钠钾交互作用对水稻根系发育的影响 Table 2 Effects ofK andNainteraction 0nrice root development 2.3钠钾交互作用下水稻体内K 和Na 的累积量 各处 根系和地上部中的K /Na 比例与K 含量有着相同的趋 理K 和Na 含量以及地上部和地下部的K 和Na 含量见 势,主要受外界K供应的影响较大。在低Na 条件下,K 占 表3,由表3可知,Na 能显著减少水稻体内K 含量,同样 相对优势,高Na 条件则相反。 K 也能抑制Na 的吸收,但没有Na 对K 抑制作用明显。 表3钠钾交互作用下水稻体内K 和Na 的累积量 Table 3 Cumulant of K and Na in rice body under K and Na interaction 2.4钠钾交互作用对水稻体内Ca“和Mg2 吸收的影响 处理下水稻体内对大量元素氮和磷的累积见表5,由表5可 ca“和Mg“同属元素周期表第二主族碱性离子,但在Na 知,无论在根系还是地上部,高钠显著降低氮的含量。在根 和K 交互作用下水稻表现出不同的吸收趋势(表4)。由表 系正常营养液处理与低钠处理氮含量差异不显著。地上部 4可知,ca“在高钠处理中无论是根系还是地上部含量均有 K 对氮的累积影响较大,其中低钠无钾处理有利于氮的累 上升趋势,而Mg“在地上部含量有下降趋势,在根系则差异 积,高钠高钾反而显著降低氮的含量。氮含量的根冠比只受 不显著。此外,Mg2 在低钠无钾条件下根系和地上部累积均 Na 水平的影响,高钠有利于氮向地上部的运输,低钠和正 显著增加,钾的缺乏能促进Mg 的吸收。从ca“和Mg 在 常营养液处理差异不显著。磷则是高钠促进其在根中的累 根系和地上部含量的根冠比看,随着Na 胁迫的加剧水稻从 积,地上部除正常营养液处理和无钾低钠处理表现出强烈的 根系向地上部的运输能力减弱。 累积,其他处理差异不显著。从磷含量的根冠比看,随着 2.5钠钾交互作用对水稻体内氮和磷吸收的影响 钠钾 Na 水平的逐步提高,磷向地上部的转运降低,与氮相反。 4458 安徽农业科学 2009年 2.6钠钾交互作用对水稻体内阳离子总量的影响 依据 膨胀压而刺激植物生长的作用并不显著。 上述K、Na、Ca和Mg的含量粗略计算了各处理根系和地上 部的阳离子总量(以单位电荷数计算)见表6,由表6可知, 根系中阳离子总量只受外界Na的供应而改变,随着Na供应 由于植物体内大多存在的吸收和转运K 的基因如 HAK和HKT家族都是高亲合的 ,因此该研究只设计在 满足水稻正常生理需要K 的范围(1 mmol/L)内讨论K 和 Na 的吸收。从钾钠在水稻体内的积累看,Na 能够显著抑 量的提高而上升,几乎不受K供应的影响。但地上部则受K 和Na供应的共同制约,在外界不供应K的情况下阳离子总 量反而升高。 表6钾钠交互作用对水稻体内阳离子总量的影响 Table 6 Effects ofK andNainteraction ontotal cationin rice body 制K 的吸收。但在两个Na 浓度处理中K 充足供应 (1mmoL/L)和缺乏条件下,水稻体内K 的累积并无显著性 差异,说明水稻在盐害条件下本身有防御机制而以K 吸收 为主。水稻在外源Na 大量增幅时,体内累积的Na 的增幅 却不大,这种抵抗机制可能与根系活力有关,根系活力下降, H /Na 交换能力下降,从而抵制了Na 的入侵。从体内钠 钾比例看,当Na 浓度增加4倍时,相同浓度的K’处理的钾 钠比地上部和地下部都增加约3倍,植物的耐盐能力与其细 胞维持多高的K /Na 比例成正比 ,水稻在一定的盐害范 围内只能缓冲一小部分的Na 毒害。 3结论与讨论 该研究表明,在25 mmol/L Na 条件下水稻的地上部生 Ca2 能够改变质膜上非选择性的离子通道的构型从而 抑制K 和Na 的进入细胞 …,因此随着Na 浓度的升高, 水稻体内累积的Ca“有升高的趋势,这也是植物避盐的一种 有效途径。根系的Mg“累积几乎没有差异,地上部高钠抑 长量和根系的发育与正常营养液相差不大,尤其在K 缺乏 条件下(K <1 mmol/L)影响也不显著,有的指标反而有促 进作用。前人的研究结果表明,钾的缺乏能够促进叶片中的 碳水化合物尤其是淀粉的合成以调节细胞的渗透压 ,这说 明Na 在一定范围内替代了K 的作用,保证了地上部和地 下部物质流的畅通。该研究还表明,在同一浓度盐胁迫条件 下钾饥饿处理中地上部阳离子电荷反而升高,这必然需要更 多的阴离子加以平衡电荷,因此从这一角度来看,水稻体内 制了Mg 的累积,但在低钠无钾处理中都促进了其累积, Mg。 能有效促进植物体内糖分的含量和叶绿素的合成 , 在该试验中叶绿素的含量在所有处理中都没有显著差异(数 据未列出),比较符合Mg2 在体内累积状况。 在高盐条件下,水稻体内全氮的含量下降不显著,在营 养液中存在N的两种离子形式NH4 和NO 一,水稻根以 的有机物质的代谢必然加强。高Na 浓度下依次升高的两 个钾处理相对正常营养液根系分别减产30.5%和22.6%,而 地上部分别为53.6%和48.3%,所以Na 主要产生的毒害在 地上部,这与前人的研究结果一致 。在同一盐胁迫条件 NH 形式吸收N,K 和Na 与NH 可能存在协同运输的途 径,从而导致表5中氮总量在各处理中的分布差异。磷在高 盐处理的根系中含量较高,可能与PO 的低移动性有关,处 理前吸收的磷在受盐害后根系已经缺少向地上部输送的能 力,导致地上部的磷含量也几乎停滞。 水稻在不同的钠钾交互作用下,负责吸收各营养元素的 转运蛋白的转录本或抑制或增强,才导致各营养元素在体内 . 下,短期的钾饥饿(9d)并不影响水稻根系和地上部的生长, 也不影响根系的形态发育。植物吸收钾钠离子后能产生细 胞膨胀压从而有刺激植物生长的作用 ’ ,因此推测可能是 由于在同一大量的盐胁迫下移除少量的钾供应,对细胞由于 (下转第4464页) 安徽农业科学 2009生 粒重。多数研究表明,小麦后期灌水宜早不宜迟,在高产栽 培条件下,浇水过晚将增大小麦倒伏的危险性,不利于小麦 灌1水和灌2水显著提高了小麦的千粒重和产量,但随着灌 水次数和灌溉量的增多,小麦产量和千粒重明显下降。 优质高产。该试验结果表明,在防雨限量灌水条件下,花后 表4不同水分处理对小麦籽粒品质的影响 Table 4 Effects of different water treatments on grain quality of wheat 很多研究认为,后期土壤干旱有利于提高小麦籽粒蛋白 质含量 ,而灌水在提高小麦产量的同时往往会导致蛋白 质含量下降 ,进而使各品质指标变劣。该试验结果表明, 参考文献 [1]孙本普,王勇,李秀云,等.气候条件对小麦干粒重的影响[J].麦类作 物学报,2003,23(4):52—56. [2]王勇,孙本普.栽培条件对小麦产量构成因素的影响[J].小麦研究, 2004,25(2):8—18. 花后灌1水的条件下,烟农15和藁城8901蛋白质含量的变 化并不明显,且藁城8901的不溶性谷蛋白和谷蛋白总量高 于其他处理。随灌水次数的增多其蛋白质总量和各组分含 量均明显减少,这可能与灌水过多抑制了蛋白合成酶的活性 有关。 除此之外,花后灌1水条件下,藁城8901各品质指标无 明显变化,灌水2次及以上时,部分品质指标下降。 该试验中2种强筋小麦品种对灌水的反应不完全相同, 因此在生产中,要根据品种的特性及品质性状的要求,在增 加产量的前提下,尽量减少花后灌水次数和灌水量。此外, 有必要开展中筋和弱筋小麦花后灌水的品质效应研究,这对 小麦优质高效水分管理具有重要意义。 [3]王立秋,靳占忠,曹敬山,等.水肥因子对小麦籽粒及面包烘烤品质的 影响[J].中国农业科学,1997,30(3):67-73. [4]石惠 ,李春喜.小麦中后期灌溉对产量和营养品质的影响[J].河南 Ik技术师范学院学报,1989,17(3/4):108一ll2. [5]王月福,陈建华,曲健磊,等.土壤水分对小麦籽粒品质和产量的影响 [J].莱阳农学院学报,20O2,19(1):7—9. [6]王艳霞,程小丹,董钦鹏.小麦生育后期管理技术[J].河北农业科技, 2o08(1):l2. [7]王晨阳,马元喜,周苏玫,等.土壤干旱胁迫对冬小麦衰老的影响[J]. 河南农业大学学报,1996,30(4):309—313. [8]王晨阳,马元喜.不同土壤水分条件下小麦根系生态生理效应的研究 [J].华北农学报,1992,7(4):1—6. 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