耐盐砧木通过调节Na+吸收和运转提高黄瓜耐盐性的机制研究

摘要

近年来，随着设施栽培的迅速发展，设施内土壤盐渍化日趋严重，成为限制设施栽培发展的主要障碍。黄瓜是设施内栽培的主要蔬菜之一，其耐盐性较弱;但南瓜是相对耐盐的蔬菜作物，本课题组之前的研究表明，耐盐南瓜砧木嫁接可以提高黄瓜的耐盐性，其根本原因在于耐盐砧木具有较强的限制Na+从地下部向地上部运输的能力，但是其调节Na+吸收和运输的机制尚不清楚。本研究以盐敏感黄瓜、耐盐南瓜砧木、黄瓜自嫁苗和嫁接苗等为材料，采用X-射线微区分析、非损伤微测以及基因表达分析等技术，研究了NaCl处理下耐盐砧木嫁接植株和自嫁植株Na+吸收和转运的差异，以期为阐明耐盐砧木嫁接提高黄瓜耐盐性提供理论依据。本研究主要结果如下:
　　 1.以耐NaCl胁迫能力弱的津春2号（Cucumis sativus L.）黄瓜为接穗，耐NaCl胁迫能力强的超级拳王（Cucurbita moschata Duch.）南瓜为砧木，黄瓜和南瓜自根苗为对照，利用X-射线微区分析技术，研究了黄瓜和南瓜以及嫁接苗在0和90 mMNaCl处理时不同组织中离子的相对含量。结果表明，NaCl处理后南瓜自根苗和黄瓜嫁接苗地下部Na+的相对含量比黄瓜高，地上部分Na+的相对含量比黄瓜低而K+和Ca2+的相对含量比黄瓜高。南瓜自根苗和黄瓜嫁接苗根系皮层的Na+相对含量高于黄瓜自根苗，但是中柱中Na+相对含量低于黄瓜自根苗，南瓜及嫁接苗通过其根系皮层较强的控制Na+向木质部的装载的能力，降低了地上部分Na+的含量。
　　 2.以津春2号黄瓜和超级拳王南瓜为材料，测定了NaCl处理后南瓜和黄瓜不同组织中Na+的浓度，结果显示南瓜地下部Na+浓度较高，而地上部Na+浓度较低。采用非损伤微测技术(NMT)研究了NaCl处理对黄瓜和南瓜茎横切面Na+、K+流速的影响，以及NaCl、Na+/H+逆向转运蛋白抑制剂阿米洛利、质膜H+-ATPase的抑制剂钒酸钠处理对黄瓜和南瓜根系Na+、K+、H+流速的影响。结果表明，南瓜根系比黄瓜储存Na+的能力强，同时南瓜从地下部向地上部Na+运输速率比黄瓜小，而从地上部分向地下部分Na+流速比黄瓜大，而且南瓜根系有较强的排出Na+和吸收H+的能力，抑制剂处理显著抑制了Na+的排出和H+的吸收，说明Na+的排出是受质膜Na+/H+反转运系统调控的，此结果为解析黄瓜和南瓜Na+从地下部向地上部运输的差异提供了直接证据。
　　 3.以津春2号黄瓜为接穗，超级拳王南瓜为砧木，黄瓜自嫁植株为对照，对嫁接黄瓜在0和90 mM NaCl处理下植株的生长、Na+浓度、质膜和液泡膜H+-ATPase、液泡膜H+-PPase活性及其编码基因的转录水平进行了研究。结果表明，NaCl胁迫抑制了黄瓜自嫁和嫁接植株的生长，提高了自嫁和嫁接植株地上部和地下部Na+浓度，但黄瓜嫁接植株受抑制程度较轻。NaCl处理提高了黄瓜自嫁和嫁接植株根系质膜和液泡膜H+-ATPase和液泡膜H+-PPase的活性，影响了编码酶的相关基因的表达水平。但是耐盐砧木嫁接可维持其根系较高的质膜和液泡膜H+-ATPase、液泡膜H+-PPase活性，编码质膜和液泡膜H+-ATPase基因的调节可能发生在转录后水平，而编码液泡膜H+-PPase的基因的调节可能发生在转录水平。
　　 4.以津春2号黄瓜为接穗，超级拳王南瓜为砧木，黄瓜自嫁植株为对照，进行以下处理:(1)CK（对照）:营养液;(2)Ca:10 mM Ca(NO3)2+营养液;(3) NaCl:90 mM NaCl+营养液;(4) NaCl+Ca:90 mM NaCl+10 mM Ca(NO3)2+营养液，研究了Ca2+对NaCl处理时黄瓜自嫁和嫁接植株的生长、离子积累以及质膜H+-ATPase活性和其编码基因表达的影响。结果表明，添加Ca(NO3)2处理缓解了NaCl处理对植株的生长抑制，显著提高了地上部K+和Ca2+的浓度，降低了Na+的浓度，对NaCl处理时黄瓜嫁接植株的缓解作用更显著。黄瓜嫁接植株通过其较敏感的Ca2+响应途径维持了较高的质膜H+-ATPase活性和PMA以及SOS1的表达，以及较强的限制Na+和调节K+和Ca2+从地下部向地上部运输的能力，具有较强的维持离子平衡的能力，表现出较强的耐盐性。
　　 5.以津春2号黄瓜为接穗，超级拳王南瓜为砧木，进行以下处理:(1)CK（对照）:营养液;(2)K:10 mM KNO3+营养液;(3) NaCl:90 mM NaCl+营养液;(4)NaCl+K:90 mM NaCl+10 mM KNO3+营养液，研究了K+对NaCl处理下自嫁和砧木嫁接植株的生长、离子积累的影响。结果表明，添加KNO3处理显著提高了地上部分的K+和Ca2+浓度，降低了Na+的浓度，提高了K+/Na+和Ca2+/Na+，嫁接植株具有较强的K+、Na+选择性，具有较强的维持离子平衡的能力，从而缓解了NaCl处理对植株生长的抑制作用，表现出较强的耐盐性。
　　 总之，本研究结果表明，与耐盐性弱的黄瓜相比，耐盐南瓜砧木根系具有较强的限制Na+向中柱运输、限制木质部Na+的装载、以及根系较强的Na+外排能力，是耐盐南瓜砧木嫁接黄瓜后能维持地上部分较低的Na+浓度，具有较强耐盐性的主要原因。嫁接和自嫁黄瓜Na+外排受质膜Na+/H+逆向反转运系统调控，较强的质膜质子泵活性、Na+/H+逆向反转运能力，是嫁接黄瓜Na+外排能力强的重要原因。

目录

声明

摘要

缩略词表

第一章 前言

1 土壤盐渍化概况

2 盐胁迫对植物的危害

2．1 渗透胁迫

2．2 离子毒害

2．3 离子不平衡

3 植物对Na+的吸收和运转

3．1 Na+的吸收

3．2 Na+在植物体内的运输

3．3 Na+的外排

3．4 Na+在液泡中的区隔化

4 研究Na+吸收与运转的技术

4．1 X-射线微区分析

4．2 非损伤微测技术

5 Na+吸收与运转的调控

5．1 K+对Na+吸收和运转的调控

5．2 Ca2+对Na+吸收和运转的调控

6 本研究的目的意义、内容

6．1 目的与意义

6．2 研究内容

第二章 NaCl处理对嫁接黄瓜Na+含量和分布的影响

前言

1 材料与方法

1．1 材料

1．2 嫁接和NaCl处理

1．3 X-射线微区分析测定方法

1．4 数据分析

2 结果与分析

2．1 根、茎横切面面扫描

2．2 对根横切面离子的相对含量的影响

2．3 对子叶以下茎段横切面离子的相对含量的影响

2．4 对子叶以上茎段横切面离子的相对含量的影响

3 讨论

4 小结

第三章 NaCl处理对黄瓜和南瓜根系离子流速的影响

前言

1 材料与方法

1．1 材料

1．2 材料培养

1．3 测定方法

1．4 数据分析

2 结果与分析

2．1 NaCl处理对Na+和K+浓度的影响

2．2 NaCl处理对茎横切面Na+和K+流速的影响

2．3 NaCl处理对黄瓜和南瓜根尖不同位置Na+流速的影响

2．4 NaCl及抑制剂预处理对根Na+、H+和K+流速的影响

2．5 盐激处理

3 讨论

4 小结

第四章 NaCl处理对嫁接黄瓜质膜和液泡膜H+-ATPase，液泡膜H+-PPase活性的影响

前言

1 材料与方法

1．1 材料

1．2 材料培育和NaCl处理

1．3 测定方法

1．4 质膜和液泡膜H+-ATPase，液泡膜H+-PPase编码基因mRNA表达的分析

1．5 数据分析

2 结果与分析

2．1 对植株生长的影响

2．2 对Na+浓度的影响

2．3 对质膜和液泡膜H+-ATPase，液泡膜H+-PPase活性的影响

2．4 对质膜和液泡膜H+-ATPase，液泡膜H+-PPase编码基因的表达的影响

3 讨论

4 小结

第五章 Ca2+对盐胁迫下嫁接黄瓜质膜H+-ATPase的活性及其耐盐性的影响

前言

1 材料与方法

1．1 材料

1．2 嫁接和盐处理

1．3 测定方法

1．4 数据分析

2 结果与分析

2．1 Ca2+对盐胁迫下植株生长的影响

2．2 Ca2+对盐胁迫下Na+、K+、Ca2+浓度的影响

2．3 Ca2+对盐胁迫下根系质膜H+-ATPase活性的影响

2．4 Ca2+对盐胁迫下根系PMA和SOS1表达的影响

3 讨论

4 小结

第六章 K+对盐胁迫下嫁接黄瓜离子积累的影响

前言

1 材料与方法

1．1 材料

1．2 嫁接和NaCl处理

2 结果与分析

2．1 KNO3对NaCl处理下植株生长的影响

2．2 KNO3对NaCl处理下植株Na+浓度的影响

2．3 KNO3对NaCl处理下植株K+浓度的影响

2．4 KNO3对NaCl处理下植株Ca2+浓度的影响

2．5 KNO3对NaCl处理下嫁接植株K+／Na+的影响

2．5 KNO3对NaCl处理下嫁接植株Ca2+／Na+的影响

3 讨论

4 小结

第七章 总讨论

1 全文讨论

2 未来研究的展望

参考文献

攻读博士期间发表的论文

致谢