魯曉宇,郭家鑫,陶一凡,葉 揚(yáng),桂誠(chéng)浩,郭慧娟,閔 偉

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院資源與環(huán)境科學(xué)系 石河子 832003)

鹽堿脅迫是抑制作物生長(zhǎng)和降低產(chǎn)量的重要非生物逆境脅迫之一[1],給新疆棉花(Gossypium hirsutumL.)生產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),新疆灌區(qū)鹽堿地面積占耕地總面積的37.72%[2]。新疆鹽堿地不僅面積大,鹽漬化類型也更為繁雜,主要包括碳酸鹽土、氯化物鹽土和硫酸鹽土,這對(duì)新疆的鹽堿地棉花生產(chǎn)提出了更高的要求。

鹽堿土的高滲環(huán)境對(duì)作物造成滲透脅迫,使得作物吸水困難,從而導(dǎo)致作物生長(zhǎng)受到抑制[3-4],為應(yīng)對(duì)滲透脅迫,作物從土壤中吸收大量的Na+,而過(guò)量的Na+會(huì)造成Na+毒害,抑制作物生長(zhǎng),加速作物衰老和葉片脫落甚至導(dǎo)致作物死亡[5-8]; 除了積累無(wú)機(jī)離子外,植物會(huì)積累一些小分子可溶性物質(zhì),如甜菜堿、脯氨酸、多胺和多元醇等參與滲透調(diào)節(jié)[9]。與此同時(shí),由于離子競(jìng)爭(zhēng)的緣故,鹽堿脅迫還會(huì)阻礙作物對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收[10-11],造成作物器官中礦質(zhì)養(yǎng)分失衡[12]。Na2SO4鹽土中含有大量的S 元素,會(huì)導(dǎo)致植物組織中大量S 的積累[13],S 雖然是高等植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素,對(duì)于構(gòu)成細(xì)胞組織和行使生物功能具有重要作用,但有研究[14-16]表明植物體內(nèi)積累過(guò)多的S 會(huì)導(dǎo)致代謝紊亂,抑制作物生長(zhǎng)。伴隨堿脅迫產(chǎn)生的高pH 脅迫會(huì)降低土壤中許多礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性,并對(duì)根造成更嚴(yán)重的氧化損傷[17-18]。大多數(shù)研究[19-21]認(rèn)為根中有機(jī)酸積累和有機(jī)酸代謝增強(qiáng),能抵消堿脅迫下高pH 的負(fù)面影響,是應(yīng)對(duì)堿脅迫的重要適應(yīng)機(jī)制。而在葉片中,鹽脅迫下與能量供應(yīng)有關(guān)的糖類代謝、光合作用和TCA 循環(huán)都受到抑制[22]。而在堿脅迫下,β-氧化、糖酵解、檸檬酸循環(huán)和氨基酸代謝對(duì)提高耐堿能力起著重要作用[23-24]。

新疆多樣化的鹽堿脅迫對(duì)棉花生產(chǎn)造成了不利影響。雖然,棉花耐鹽機(jī)制方面的相關(guān)研究已有報(bào)道,但棉花如何通過(guò)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)元素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及代謝通路適應(yīng)不同鹽堿脅迫的機(jī)制以及它們之間的差異還尚不明確。

本研究選用‘魯棉研24 號(hào)’為試驗(yàn)材料,探究不同鹽堿脅迫對(duì)棉花葉和根中營(yíng)養(yǎng)元素和代謝物含量的影響,闡明不同鹽堿脅迫下棉花營(yíng)養(yǎng)元素吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及代謝通路的響應(yīng)特征及其差異。研究結(jié)果為新疆不同鹽堿地類型上的棉花栽培提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021年在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站玻璃溫室進(jìn)行(44°18′52″N,86°3′23″E)。氣候?qū)贉貛Ц珊祬^(qū),年平均氣溫7.8 ℃,年平均降水量210 mm,年平均蒸發(fā)量1660 mm。試驗(yàn)期間,溫室的最低溫度和最高溫度分別為15.7 ℃和35.5 ℃。供試土壤采自石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站,土壤類型為灌耕灰漠土,質(zhì)地為壤土。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下: 有機(jī)質(zhì)14.8 g·kg-1,全氮1.0 g·kg-1,堿解氮40.2 mg·kg-1,速效磷10.7 mg·kg-1,速效鉀234 mg·kg-1。供試棉花品種為‘魯棉研24 號(hào)’。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用高20 cm、直徑15 cm 的花盆,每盆裝土4 kg。通過(guò)添加NaCl、Na2SO4、Na2CO3+NaHCO3模擬不同類型的鹽堿脅迫。共設(shè)置4 種鹽堿脅迫類型,分別為: 非鹽堿脅迫(CK,不添加鹽)、氯化鈉鹽脅迫(添加NaCl,CS)、硫酸鈉鹽脅迫(添加Na2SO4,SS)、堿脅迫(添加Na2CO3+NaHCO3,AS),每個(gè)處理重復(fù)3 次。在試驗(yàn)開(kāi)始前,將供試土壤自然風(fēng)干,碾碎后過(guò)2 mm 篩。分別將16 g NaCl、24 g Na2SO4、6 g Na2CO3+ NaHCO3(重量比1∶1)完全溶解,配成鹽溶液(Na 含量分別為6.29 g、7.77 g 和2.18 g),再將鹽溶液加入供試土壤(對(duì)照加同體積去離子水),放置一個(gè)月使土壤達(dá)到平衡,至此形成供試不同類型鹽漬土。再將處理后土壤風(fēng)干、碾碎后過(guò)篩,取樣測(cè)含鹽量、電導(dǎo)率、pH,各試驗(yàn)處理的土壤鹽堿類型和鹽堿化程度見(jiàn)表1。2021年4月10日播種,每個(gè)盆栽播種20 株,采用干播濕出,幼苗生長(zhǎng)至2 片真葉時(shí),每個(gè)盆栽定植2 株棉花。為了保證充足的水分供應(yīng),試驗(yàn)期間采用滴灌的方式定期補(bǔ)充水分,使土壤含水量保持在田間持水量的60%～80%。試驗(yàn)在播種后60 d 結(jié)束。

表1 不同處理土壤鹽堿類型及鹽堿化程度Table 1 Type and degree of saline and alkaline in soil of different treatments

1.3 樣品采集與測(cè)定

苗期采集樣本,從每個(gè)處理中收集3 株有代表性的棉花植株,并將其分為3 部分: 根、莖和葉。在戶外時(shí),將樣品放置在冰盒中保存。部分葉片樣品在液氮中冷凍干燥以供測(cè)定代謝組使用。

生物量測(cè)定: 棉花根、莖、葉在105 ℃下殺青30 min,之后在70 ℃下烘干至恒重,稱其干物質(zhì)量。

營(yíng)養(yǎng)元素測(cè)定: 使用植物研磨機(jī)(Scientz-48,北京同元聚物科技有限公司)將生物量測(cè)定后的樣品研磨成粉末,并儲(chǔ)存在-80 ℃。N 元素分析前,植物樣品用濃H2SO4-H2O2消化,使用自動(dòng)凱氏裝置(B-339,瑞士Buchi Labotechnik AG)測(cè)量氮含量。P、K、Ca、Mg 和S 采用ICP-MS 測(cè)定。具體操作如下: 定量稱取100 mg 棉花樣品于消解罐,加入10 mL 濃硝酸,在195 ℃下消解12 h,消解后蒸干,加入0.5 mL濃硝酸,0.5 mL 內(nèi)標(biāo)和3 mL 去離子水,溶解均勻后,最后取2 mL 溶解液用超純水(電阻率為18 MΩ·cm)稀釋至10 mL,采用ICP-MS 測(cè)定處理好的樣品。

代謝組樣品處理和測(cè)定: 稱取50 mg 樣品,加入1000 μL 提取液[甲醇∶乙腈∶水=2∶2 ∶1 (v/v),含內(nèi)標(biāo)4 μg·mL-1]; 渦旋混勻30 s,加入鋼珠,35 Hz 研磨處理4 min,冰水浴超聲5 min; 重復(fù)研磨,超聲處理2次; -40 ℃ 靜置1 h; 將樣品在4 ℃下,10 000 rpm 離心15 min,取上清250 μL 于EP 管中,真空干燥; 加入300 μL 50%乙腈復(fù)溶,渦旋30 s,冰水浴超聲10 min;將樣品在4 ℃下,13 000 rpm 離心15 min; 取75 μL上清液于進(jìn)樣瓶中上機(jī)檢測(cè); 所有樣品另取10 μL 上清混合成QC 質(zhì)控樣本。

參數(shù)設(shè)定: 使用Agilent 1290 (Agilent Technologies)超高效液相色譜儀,通過(guò)Waters ACQUITY UPLC BEH Amide (2.1×100 mm,1.7 μm)液相色譜柱對(duì)目標(biāo)化合物進(jìn)行色譜分離。液相色譜A 相為25 mmol·L-1乙酸銨和25 mmol·L-1氨水,B 相為乙腈。采用梯度洗脫: 0～0.5 min,95% B; 0.5～7 min,95%～65% B; 7～8 min,65%～40% B; 8～9 min,40% B; 9～9.1 min,40%～95% B;9.1～12 min,95% B。流動(dòng)相流速0.5 mL·min-1,柱溫25 ℃,樣品盤溫度4 ℃,進(jìn)樣體積正離子模式(positive ion mode,POS) 2 mL,負(fù)離子模式(negative ionmode,NEG) 2 mL。離子源參數(shù)如下: 氣體1 壓強(qiáng)60 psi,氣體2 壓強(qiáng)30 psi,幕簾氣體壓強(qiáng)35 psi,源溫度(TEM) 600 ℃,脫團(tuán)電位(DP) 60 V,離子噴射電壓(ISVF) POS 5000 V/NEG -4000 V。

上機(jī)測(cè)定: 使用Triple TOF 6600 高分辨質(zhì)譜,通過(guò)IDA (information-dependent acquisition)模式進(jìn)行高分辨質(zhì)譜數(shù)據(jù)采集。在IDA 這種模式下,數(shù)據(jù)采集軟件(Analyst TF 1.7,AB Sciex)依據(jù)一級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)和預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn),自動(dòng)選擇離子并采集其二級(jí)質(zhì)譜數(shù)據(jù)。每個(gè)循環(huán)選取12 個(gè)強(qiáng)度最強(qiáng)且大于100 的離子進(jìn)行二級(jí)質(zhì)譜掃描,碰撞誘導(dǎo)解離的能量為30 eV,循環(huán)時(shí)間為0.56 s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016 軟件處理,使用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,差異顯著性檢驗(yàn)采用Duncan’s法。本研究使用京都基因和基因組百科全書(KEGG)數(shù)據(jù)庫(kù),并使用在線MetaboAnalyst 5.0 軟件分析代謝通路(https://www.metaboanalyst.ca),差異代謝通路篩選標(biāo)準(zhǔn)為:P≤0.05,Impact≥0.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽堿脅迫對(duì)棉花生物量的影響

不同鹽堿脅迫顯著降低棉花葉、莖、根和總生物量(表2)。與CK 相比,CS 處理的葉、莖、根和總生物量分別顯著(P＜0.05,下同)降低48.0%、65.6%、32.1%和51.7%; SS 處理的葉、莖、根和總生物量分別顯著降低46.9%、51.2%、43.2%和47.8%; AS 處理的葉、莖、根和總生物量分別顯著降低60.0%、57.5%、31.2%和52.3%。

表2 不同鹽堿脅迫對(duì)棉花生物量的影響Table 2 Effects of different salt and alkaline stresses on cotton biomass

2.2 不同鹽堿脅迫對(duì)棉花葉莖根營(yíng)養(yǎng)元素吸收和分配比的影響

鹽堿脅迫顯著影響棉花葉莖根中營(yíng)養(yǎng)元素的含量(表3)。與CK 相比,CS 葉中N 含量顯著增加13.9%,CS 和AS 的莖中N 含量顯著降低6.2%和9.3%,CS和AS 根中N 含量分別顯著降低3.9%和40.0%; CS、SS 和AS 的葉中P 含量分別顯著降低19.9%、25.6%和14.1%,CS、SS 和AS 的莖中P 含量分別顯著降低8.1%、24.9%和16.7%,CS 根中P 含量顯著增加11.8%,SS 和AS 根中P 含量分別顯著降低22.1%和33.8%; CS 和AS 葉中K 含量分別顯著降低16.8%和10.7%,CS 莖中K 含量降低23.4%; CS、SS和AS 葉中Ca 含量分別顯著降低21.4%、26.0%和40.0%,CS、SS 和AS莖中Ca 含量分別顯著降低26.24%、33.9%和30.0%,CS 和SS 根中Ca 含量分別顯著降低14.2%和18.9%; CS、SS 和AS 葉中Mg含量分別顯著降低19.1%、13.5%和27.3%,CS、SS和AS 莖中Mg 含量分別顯著降低20.7%、17.2%和9.9%,CS、SS 和AS 根中Mg 含量分別顯著增加5.3%、24.9%和36.1%; CS 和AS 葉中S 含量分別顯著降低14.3%和17.6%,而SS 葉中S 含量顯著增加32.4%,CS 和AS 莖中S 含量分別顯著降低9.5%和14.1%,而SS 莖中S 含量顯著增加18.0%,SS 根中S含量顯著增加20.3%,而AS 根中S 含量顯著降低18.6%。

鹽堿脅迫顯著影響營(yíng)養(yǎng)元素在棉花葉莖根中的分配比(表3)。N 在CS 和SS 莖中的分配比分別顯著降低36.4%和3.0%,在CS 和SS 根中的分配比分別顯著增加25.0%和8.3%; P 在AS 葉中的分配比顯著降低4.4%,在CS 和SS 莖中的分配比分別顯著降低25.0%和4.9%,在CS、SS 和AS 根中分別顯著增加85.7%、14.3%和28.6%; K 在CS 葉中的分配比顯著增加13.3%,在AS 葉中則顯著降低15.6%,在CS和SS 莖中的分配比分別顯著降低31.8%和9.1%,在CS 和AS 根中的分配比均顯著增加72.7%; Ca 在CS 和SS 葉中的分配比分別顯著增加6.7%和2.6%,在AS 葉中則顯著降低10.6%,在CS 莖和SS 莖中的分配比分別顯著降低31.8%和13.6%,在AS 莖中則顯著增加13.6%,在CS、SS 和AS 根中分別顯著增加66.7%、33.3%和166.7%; Mg 在CS 葉中的分配比顯著增加10.2%,在AS 葉中顯著降低18.6%,在CS 和SS 莖中的分配比分別顯著降低28.5%和11.4%,在AS 莖中顯著增加8.6%,在CS、SS 和AS根中的分配比分別顯著增加66.7%、50.0%和133.3%; S 在CS 和SS 葉中的分配比均顯著增加2.4%,在AS 葉中的分配比顯著降低3.6%,在CS 和SS 莖中的分配比分別顯著降低23.0%和15.4%,在CS 和AS 根中的分配比均顯著增加66.7%。

表3 不同鹽堿脅迫對(duì)棉花養(yǎng)分吸收和分配的影響Table 3 Effects of different saline alkali stresses on nutrient uptake and distribution in cotton

2.3 不同鹽堿脅迫對(duì)棉花代謝的影響

2.3.1 對(duì)根系代謝的影響

在NaCl 脅迫下,棉花根中共涉及7 條差異代謝通路(表4),分別為丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,丁酸代謝,泛酸和輔酶A 生物合成,精氨酸生物合成,半乳糖代謝,精氨酸和脯氨酸代謝以及磷酸肌醇代謝。只有精氨酸和脯氨酸代謝中4-乙酰氨基丁酸酯下調(diào)為74%,其余代謝通路中的差異代謝物全部上調(diào)。

表4 NaCl 脅迫下棉花根差異代謝通路和差異代謝物Table 4 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton roots under NaCl stress

在Na2SO4脅迫下,棉花根中共涉及29 條差異代謝通路(表5),包括11 條氨基酸類代謝途徑、7 條有機(jī)酸類代謝途徑、6 條糖類代謝途徑和5 條其他類代謝途徑。所有代謝通路中一共包含53 種差異代謝物,其中有12 種下調(diào),其余41 種均上調(diào)。半乳糖代謝中的甘油、水蘇糖和棉子糖含量分別上調(diào)到5.50 倍、2.92 倍和2.32 倍; 精氨酸生物合成中的L-瓜氨酸含量上調(diào)到3.58 倍; 硫代謝中的O-乙酰-L-絲氨酸含量上調(diào)到3.34 倍; 丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,光合生物的固碳作用以及氨酰tRNA 生物合成中的L-丙氨酸含量均上調(diào)到2.85 倍; 檸檬酸循環(huán)等4 條代謝途徑中的L-蘋果酸均上調(diào)到2.76 倍。

表5 Na2SO4 脅迫下棉花根差異代謝通路和差異代謝物Table 5 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton roots under Na2SO4 stress

續(xù)表5

在Na2CO3+NaHCO3脅迫下,棉花根中共涉及18條差異代謝通路(表6),包括6 條有機(jī)酸類代謝途徑,5 條氨基酸類代謝途徑,3 條糖類代謝途徑,4 條其他類代謝途徑。所有代謝通路中共包含31 種差異代謝物,其中8 種下調(diào),其余23 種均上調(diào)。戊糖磷酸途徑中的D-核糖5-磷酸含量下調(diào)到0.15 倍,精氨酸生物合成中的N-乙酰-L-谷氨酸下調(diào)到0.28 倍; 半乳糖代謝中的水蘇糖和棉子糖含量上調(diào)到4.37 倍和2.29倍; 檸檬酸循環(huán)中的L-蘋果酸和琥珀酸含量上調(diào)到4.20 倍和2.91 倍; 丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝中的L-丙氨酸含量上調(diào)到3.29 倍。

表6 Na2CO3+NaHCO3 脅迫下棉花根差異代謝通路和差異代謝物Table 6 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton roots under Na2CO3+NaHCO3 stress

2.3.2 對(duì)葉片代謝的影響

在NaCl 脅迫下,棉花葉片共涉及7 條差異代謝通路(表7),分別為異喹啉生物堿生物合成,丙酮酸代謝,芪類、二芳基庚烷類和姜酚的生物合成,氰基氨基酸代謝,磷酸戊糖途徑,酪氨酸代謝,萜類骨架生物合成,7 條差異代謝通路的差異代謝物含量均上調(diào)。

表7 NaCl 脅迫下棉花葉差異代謝通路和差異代謝物Table 7 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton leaves under NaCl stress

在Na2SO4脅迫下,棉花葉片共涉及16 條差異代謝通路(表8),包括7 條氨基酸類代謝途徑、4 條有機(jī)酸類代謝途徑、3 條糖類代謝途徑以及2 條其他類代謝途徑。在檸檬酸循環(huán)以及乙醛酸和二羧酸代謝中檸檬酸含量上調(diào)到6.14 倍,亞油酸代謝中的亞油酸含量上調(diào)到4.24 倍,色氨酸代謝中的N-乙酰血清素含量上調(diào)到3.14 倍,半乳糖代謝中的棉子糖含量也上調(diào)到2.67 倍。

表8 Na2SO4 脅迫下棉花葉差異代謝通路和差異代謝物Table 8 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton leaves under Na2SO4 stress

續(xù)表8

在Na2CO3+NaHCO3脅迫下,棉花葉片共涉及8條差異代謝通路(表9),分別為亞油酸代謝,黃酮和黃酮醇生物合成,戊糖磷酸途徑,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,硫胺素代謝,賴氨酸降解,精氨酸和脯氨酸代謝,以及色氨酸代謝。在色氨酸代謝中的N-乙酰血清素含量上調(diào)到8.23 倍,亞油酸代謝中的亞油酸含量上調(diào)到3.47 倍,黃酮和黃酮醇生物合成中的山奈酚含量上調(diào)到2.87 倍,精氨酸和脯氨酸代謝中的L-精氨酸含量上調(diào)到2.59 倍,而硫胺素代謝和賴氨酸降解中的差異代謝物含量均下調(diào)。

表9 Na2CO3+NaHCO3 脅迫下棉花葉差異代謝通路和差異代謝物Table 9 Differential metabolic pathways and metabolites in cotton leaves under Na2CO3+NaHCO3 stress

3 討論

生物量最能直觀地反映作物遭受脅迫后的生長(zhǎng)情況。本研究結(jié)果顯示,不同鹽堿脅迫均顯著降低棉花生物量,使其生長(zhǎng)受到抑制。鹽堿土壤中含有大量Na+,造成滲透脅迫導(dǎo)致水分虧缺、氣孔關(guān)閉以及光合作用受阻[25-26]。同時(shí),大多數(shù)植物在葉片和其他代謝活躍的器官中積累過(guò)多的Na+,從而破壞細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié),抑制植物生長(zhǎng)和生物量的積累[27]。然而鹽堿脅迫造成作物生長(zhǎng)受到抑制的原因是多方面的,一方面離子穩(wěn)態(tài)失衡影響礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收并且造成礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素缺乏,另一方面作物為適應(yīng)脅迫帶來(lái)的生長(zhǎng)阻力所作出的代謝改變也是影響作物生長(zhǎng)的重要因素[28-31]。

一般而言,土壤中高含量的鈉鹽會(huì)降低養(yǎng)分的有效性,影響植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收運(yùn)輸以及在體內(nèi)的分布。植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收是生物量積累的基礎(chǔ)[32],也是實(shí)現(xiàn)植物良好生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵。由于不同鹽堿脅迫土壤中的主要鹽分離子不同,這導(dǎo)致不同鹽堿脅迫下,棉花對(duì)養(yǎng)分吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的不同。在本研究中,NaCl 脅迫處理棉花N 的吸收能力降低,但轉(zhuǎn)運(yùn)能力增加,更多的N 分配在葉和根中,Na2SO4脅迫處理下更多的N 分配在根中,Na2CO3+NaHCO3(堿脅迫)處理下根中N 含量顯著低于NaCl 脅迫和Na2SO4脅迫,棉花對(duì)N 的吸收能力被嚴(yán)重抑制,這可能是因?yàn)閴A脅迫的CO32-和HCO3-導(dǎo)致的高pH 降低了負(fù)責(zé)吸收轉(zhuǎn)運(yùn)N 的AMT 和NRT 蛋白活性,從而抑制了棉花對(duì)N 的吸收[33]。N 是植物必需的常量營(yíng)養(yǎng)元素,對(duì)作物的許多生理過(guò)程、抗逆性和其他營(yíng)養(yǎng)元素的利用均有重要的調(diào)節(jié)作用,并作為植物細(xì)胞的組成元素[34-35]。鹽堿脅迫干擾植物對(duì)氮素的獲取、利用和新陳代謝,是導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受抑制的重要原因[36]。NaCl、Na2SO4和堿脅迫處理下P 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力都降低,這就導(dǎo)致P 在根部進(jìn)行了積累。P 作為一種必需的常量營(yíng)養(yǎng)元素,參與植物許多代謝過(guò)程[37]。但是大量的P 無(wú)法轉(zhuǎn)運(yùn)到葉片參與生理活動(dòng),這就導(dǎo)致作物生長(zhǎng)和發(fā)育遲緩[38]。堿脅迫下,根中P 含量顯著低于其他處理,P 的吸收能力被抑制,這可能是高pH 降低了土壤中P 的有效性,使作物吸收P 變得困難。K 在植物新陳代謝中起關(guān)鍵作用,包括氣孔運(yùn)動(dòng)、蛋白質(zhì)合成和酶活化,土壤中過(guò)量的Na+會(huì)導(dǎo)致植物吸收更多的Na 并降低K 的吸收[39]。NaCl 脅迫下K 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力增加,更多的K 分配在葉和根中,K 向地上部分的更高轉(zhuǎn)運(yùn)能力將有助于減輕葉細(xì)胞的離子毒性[40-41]。Na2SO4脅迫對(duì)K 的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及分配無(wú)顯著影響。堿脅迫下K 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低,更多的K 分配在根中,這可能是因?yàn)镚hAKT基因的表達(dá)減少,降低了K 向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力[42]。Ca 作為第二信使,通過(guò)提高植物的抗逆性在各種非生物脅迫下的植物生存中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[43-44]。NaCl 脅迫下Ca 的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力均降低,更多的Ca 分配在葉和根中。Na2SO4脅迫下Ca 的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力均降低,更多的Ca 分配在葉和根中。堿脅迫下Ca 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低,更多的Ca 分配在根中。Na+是植物生長(zhǎng)鹽害的主要離子,它抑制Ca2+從土壤流入細(xì)胞[45-46]。Mg 是參與光合作用的葉綠素成分和激活劑,葉片Mg 含量的降低可能是光合作用損傷的一個(gè)原因[47]。NaCl 脅迫下Mg 吸收能力增加但是轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低,更多的Mg 分配在葉和根中。Mg2+的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)可能在減輕鈉的毒性作用中發(fā)揮積極作用[48]。Na2SO4脅迫下Mg 吸收能力增加但是轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低,更多的Mg 分配在根中。堿脅迫下Mg 的吸收能力增加但是轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低,更多的Mg 分配在根中。在鹽脅迫下,土壤膠體中的Ca 和Mg 可以被Na 取代,導(dǎo)致有效Ca2+和Mg2+減少,從而部分導(dǎo)致植物生長(zhǎng)受損。NaCl 脅迫下S 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低,更多的S 分配在葉和根中,Na2SO4脅迫下S 的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力增加,更多的S 分配在葉中,堿脅迫下S 的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低,更多的S 分配在根中。同樣有研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫抑制了S 的攝取[49],但是Na2SO4脅迫的土壤中含有大量的SO42-,在離子競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中占據(jù)優(yōu)勢(shì),使得棉花更容易吸收,從而在體內(nèi)積累大量的S。

鹽堿脅迫顯著影響了棉花的代謝過(guò)程,從鹽堿類型上看,Na2SO4改變的棉花代謝途徑數(shù)量最多,對(duì)代謝的影響更大,其次是堿脅迫處理,影響最小的是NaCl 脅迫處理,棉花需要更復(fù)雜的代謝去應(yīng)對(duì)硫酸鹽脅迫。從器官種類來(lái)看,根中的代謝途徑變化數(shù)量多于葉,鹽堿脅迫對(duì)根的影響更大,根需要更復(fù)雜的代謝過(guò)程去適應(yīng)鹽堿脅迫。Na2SO4脅迫處理下棉花葉片和根中的氨基酸代謝途徑明顯增強(qiáng),氨基酸數(shù)量明顯增多,這可能是因?yàn)镹a2SO4脅迫處理土壤中含有大量的SO42-,棉花對(duì)S 的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力增加,在體內(nèi)積累了更多的S。S 是高等植物生長(zhǎng)的必需營(yíng)養(yǎng)元素,存在于蛋氨酸、半胱氨酸、膜硫脂、細(xì)胞壁、維生素和輔助因子以及具有不同生物功能的各種代謝物中[15-16]。同時(shí),S 元素是二硫鍵形成的關(guān)鍵元素,這對(duì)于穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)十分重要[50]。而蛋白質(zhì)是代謝活動(dòng)的承擔(dān)者,這可能是導(dǎo)致Na2SO4脅迫處理下代謝途徑變化數(shù)量以及生物量顯著高于NaCl 脅迫和堿脅迫處理的原因之一。在堿脅迫下,根中的有機(jī)酸代謝明顯增強(qiáng),有機(jī)酸類代謝物明顯上調(diào),L-蘋果酸和琥珀酸含量分別上調(diào)至4.20 倍和2.91 倍。堿脅迫下土壤中的CO32-和HCO3-會(huì)導(dǎo)致土壤pH 升高,對(duì)植物造成氧化損傷,而根系作為植物與土壤的直接接觸器官,這就需要根系做出適當(dāng)反應(yīng)來(lái)改變根際土的微觀環(huán)境,使根際微環(huán)境得以改善,從而適合棉花生長(zhǎng)。大量研究表明,堿脅迫會(huì)誘導(dǎo)作物根系分泌大量有機(jī)酸,緩沖堿脅迫帶來(lái)的高pH 脅迫,保持細(xì)胞內(nèi)的pH 穩(wěn)定和離子平衡[51-53]。根中有機(jī)酸代謝增強(qiáng)和有機(jī)酸的積累是分泌有機(jī)酸的基礎(chǔ),所以有機(jī)酸是棉花根系應(yīng)對(duì)堿脅迫的重要物質(zhì)。但葉片中有機(jī)酸代謝變化沒(méi)有根中的變化明顯,只有亞油酸代謝明顯增強(qiáng),亞油酸也上調(diào)到3.47 倍。亞油酸積累可以促進(jìn)脂肪酸的β-氧化,而β-氧化可以為作物的生長(zhǎng)代謝提供大量能量,提高作物適應(yīng)脅迫環(huán)境的能力[54]。但是在葉中賴氨酸降解,硫胺素代謝以及色氨酸代謝,丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝的部分過(guò)程被抑制。原因可能是上述代謝過(guò)程的部分底物轉(zhuǎn)運(yùn)到根系去參與有機(jī)酸的轉(zhuǎn)化,正常情況下大約30%～40%的光合固定碳將作為根分泌物轉(zhuǎn)移到根際[55],但是堿脅迫下更多的有機(jī)酸分泌到根際中,這就需要更多的有機(jī)物從葉片轉(zhuǎn)移到根系進(jìn)行補(bǔ)充。NaCl 脅迫下,棉花氨基酸和有機(jī)酸代謝明顯增強(qiáng),但是代謝途徑的變化數(shù)量明顯不如Na2SO4脅迫和堿脅迫處理。這可能是因?yàn)镹aCl 脅迫下棉花受到脅迫比較單一,鹽脅迫首先給棉花帶來(lái)的是滲透脅迫,積累氨基酸和有機(jī)酸等有機(jī)溶質(zhì)是作物應(yīng)對(duì)滲透脅迫的重要手段[56-57]。

4 結(jié)論

NaCl 脅迫抑制了棉花對(duì)P、Ca、Mg 和S 的轉(zhuǎn)運(yùn)以及N 的吸收能力,但促進(jìn)了對(duì)N 和K 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力; NaCl 脅迫對(duì)代謝的影響相對(duì)較小,只有氨基酸和有機(jī)酸積累。Na2SO4脅迫對(duì)N 和K 的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)沒(méi)有顯著的抑制作用,反而促進(jìn)了對(duì)Mg 和S 的吸收,但是抑制了棉花對(duì)Ca 的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)以及Mg 的轉(zhuǎn)運(yùn); Na2SO4脅迫對(duì)代謝影響明顯,棉花體內(nèi)顯著積累的S 促進(jìn)了氨基酸類代謝,氨基酸代謝的增強(qiáng)也間接促進(jìn)了其他代謝的強(qiáng)度,使得棉花耐受Na2SO4的能力較強(qiáng)。堿脅迫抑制了N 和S 的吸收以及P、K、Ca、Mg 和S 的轉(zhuǎn)運(yùn)能力,但是增加了Mg 的吸收能力; 堿脅迫顯著改變了棉花的有機(jī)酸代謝,根部有機(jī)酸代謝增強(qiáng)且有機(jī)酸顯著積累,葉片中亞油酸顯著積累。