IN VITRO STUDIES OF SALT TOLERANCE IN CUCUMBER(Cucumis sativus L.)

摘要

盐害是一种主要的环境胁迫,同时也是影响作物产量的最大制约因素。耕地盐渍化的增加预计会在全球范围内造成破坏性的影响,未来25年内,会导致30％的耕地丧失,到21世纪中叶这一数字将增至50％。高盐会引起强离子和高渗透胁迫,并可导致植株死亡。虽然水和土地的治理可成功用于盐害土壤的复垦,但是最经济有效的的方法还是种植能够在那样的盐碱地上生长并生产的作物。因此,盐对植物的影响也可以通过生物调控来进行调节。鉴定出对盐害具有明显耐性的植物基因型,并将这些优良性状整合到有用的经济型作物中,或许会降低盐害对生产的影响。
　　 黄瓜(Cucumis sativus L.)是世界上广泛种植的主要作物之一。黄瓜对盐害是中度敏感的,土壤中不断增加的盐度主要是通过降低植株的吸水能力和减少其光合作用的方式来影响黄瓜的生长。为了保证农业产区中黄瓜今后的产量,我们需要选择和鉴定耐盐的黄瓜品种。尽管黄瓜具有广泛的遗传变异,但是在黄瓜耐盐性的改良上育种者并没有做太多的努力。目前还没有建立起适合黄瓜耐盐性筛选的标准。因此,为了研究其耐盐性,迫切需要开发快速筛选技术和适合的选择方法。为了在不同的遗传背景下筛选出优异性状,育种工程中有必要对其生理和遗传机制进行了解。对黄瓜耐盐机制中生化、生理方面的较好研究不仅有助于建立其耐盐性的鉴定标准也有利于制定出有效地育种计划,而且有助于克隆与耐盐相关的基因及培育转基因耐盐黄瓜。
　　 在本研究中:1)建立了评价不同基因型黄瓜耐盐相关性的有效离体筛选体系；2)研究了不同基因型黄瓜在耐盐性及生理生化指标上的差异；3)探讨了不同倍性黄瓜在氯化钠胁迫下渗透调节物质的积累和抗氧化活性；4)评价了外源施用脱落酸、脯氨酸、腐胺和甜菜碱对不同基因型黄瓜耐盐性的影响。
　　 主要结果如下:
　　 1.氯化钠胁迫下离体筛选黄瓜耐盐基因型
　　 在加入氯化钠的高盐培养基上,对29份不同基因型的黄瓜进行了筛选。以离体再生苗在培养基上的成活率为标准来评价其耐盐性。在低浓度氯化钠(40mM)条件下除了Nejlepsi Vsech,UPL-Cu-2,L4,P01和P02以外的所有基因型黄瓜再生苗都有较好的成活率。当氯化钠浓度增至80mM时,再生苗成活率开始降低。当氯化钠浓度增至120mM时则只有一种基因型可以成活,表明120Mm是一个非常高的选择压。因此,基于黄瓜再生苗在不同盐浓度(40mM、80mM、120mM)的培养基中各自的生存和生长情况,划分为耐盐型、中耐盐型、敏感型、高感型。在最低盐浓度(40mM NaCl)培养基中无法生长的黄瓜基因型为高感型,而敏感型黄瓜苗可以在氯化钠浓度40mM的培养基中有所生长。中耐盐型基因型黄瓜再生苗可以忍耐80mM的NaCl浓度。由于Hazerd基因型黄瓜在高盐浓度(120mM)条件下的成活和生长状况均较好,故被认定为耐盐型黄瓜。
　　 2.离体黄瓜耐盐性的生化/生理特性及其评价
　　 我们对离体筛选中获得的耐盐型、中耐盐型、敏感型、高感型基因型黄瓜的各项生理生化参数进行调查,发现不同基因型之间存在差异。这是为了探明基因型与耐盐性、敏感性的相关关系,并将其作为离体筛选耐盐性黄瓜的指标。比较分析发现,耐盐基因型(Hazerd)黄瓜之所以可以忍耐较高的盐浓度(120mM),是因为Hazerd与中耐盐性基因型(Poinsett97&Pingwang)和敏感型基因型(HH1-8-57&L6)相比,积累了更高水平的游离脯氨酸,表现出更高的抗氧化酶(SOD)活性。耐盐基因型(Hazerd)在高盐条件下受到较少的损害,具体表现在脂氧化和电解质渗透的降低以及光和色素量的减少。而且耐盐基因型的高耐盐性也与限制钠离子运输到叶部,维持了较高的K+/Na+比例有关。在不考虑耐盐水平的情况下,在所有检测的基因型中,可溶性糖和可溶性蛋白质含量随着盐浓度的增加而减少。
　　 3.不同倍性黄瓜在盐胁迫条件下渗透调节物质的积累及其抗氧化活性的反应
　　 我们以整倍体和非整倍体黄瓜(包括单倍体、二倍体、三体、同源三倍体和同源四倍体)为材料,研究它们在盐胁迫下的生理生化反应。盐度对单倍体、二倍体以及三体的生长和相对含水量的影响比同源四倍体黄瓜更加显著,表明在盐胁迫下,倍性水平的改变有着不同的耐盐性表现。除了单倍体以外,所有整倍体和非整倍体黄瓜的抗氧化活性均伴随盐度的增加而增强,并且倍性越高的黄瓜其增加的幅度越高。盐胁迫反应中同源四倍体和同源三倍体黄瓜脯氨酸、可溶性蛋白质和可溶性糖的积累比其他整倍体和非整倍体更加显著。更高倍性的黄瓜对耐盐性表现出相对更好的适应性,其具有更低的脂质过氧化和电解质渗透。POD电泳图也说明了盐胁迫下同工酶活性和同工酶组成上的变化。
　　 4.外源脱落酸、脯氨酸、腐胺争甜菜碱对不同基因型黄瓜耐盐性影响的评价
　　 根据离体环境下不同耐盐性(中耐盐性Amir和盐敏感性L2)的两种基因型黄瓜的生长指数、相对含水量、脂抗氧化性,可溶性糖百分含量、光和色素、可溶性蛋白质含量、脯氨酸含量、ABA积累、甜菜碱含量、抗氧化活性以及离子(Na+、K+)浓度的测定,我们对外源施用激素脱落酸、脯氨酸、腐胺和甜菜碱以缓解NaCl胁迫造成的生长抑制和衰老现象进行了研究。耐盐指数、RWC、可溶性糖百分含量、叶绿素含量和脂抗氧化物都受盐含量影响,盐敏感性基因型黄瓜的数值降低比中耐盐性基因型更加显著。外源施用脱落酸、腐胺以降低盐度的伤害比脯氨酸、甜菜碱更有效。在盐胁迫下,内源脯氨酸、甜菜碱和脱落酸的含量增加,并且当培养基中加入外源脱落酸、脯氨酸、腐胺和甜菜碱时,它们的含量发生了进一步的增加。在中耐盐性基因型黄瓜中,抗氧化活性(SOD和POD)增加,在盐敏感性基因型中则降低,但在加有外源脱落酸、脯氨酸、腐胺和甜菜碱的盐胁迫培养基中,盐敏感性基因型黄瓜的抗氧化活性增加。两种基因型在盐胁迫条件下,施用外源激素脱落酸和腐胺可以抑制Na+的积累,促进K+的积累,导致K+/Na+比例的增加,比施用脯氨酸和甜菜碱更有效。总之,通过施用外源脱落酸、腐胺和脯氨酸调节抗氧化酶活性、可溶性物质的积累以及水分子与离子平衡的改变可以缓解盐胁迫对黄瓜的不利影响。结果显示施用外源脱落酸、腐胺和脯氨酸比施用外源甜菜碱更能减轻盐胁迫带来的不利影响,这是因为它们能更好的增强抗氧化酶活性以及离子调控。