《South African Journal of Botany》：Structural analysis of “annual ryegrass” (
Lolium multiflorum Lam.) leaves under alkaline stress conditions
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本研究分析了35个多年生黑麦草基因型在典型阿根廷土和碱化土中的叶部显微结构，发现碱化土导致叶肉细胞和气孔缩小，而叶舌细胞和叶鞘细胞增大，从而增强水分保存和胁迫适应能力。该结果为筛选耐碱品种提供了依据，对改善干旱地区牧草生产具有重要意义。
安娜·J·冈萨雷斯（Ana J. Gonzalez）、阿尔达娜·A·拉格拉尼亚（Aldana A. Lagra?a）、玛丽埃拉·L·阿库尼亚（Mariela L. Acu?a）、苏珊娜·M·皮斯特拉莱（Susana M. Pistorale）、埃泽基尔·E·拉拉布鲁（Ezequiel E. Larraburu）
植物组织培养实验室（CULTEV），卢汉国立大学基础科学系，宪法大道（Av. Constitución）与5号公路交汇处（6700），卢汉，布宜诺斯艾利斯，阿根廷
摘要
盐生土壤在全球许多地区广泛分布，由于其高盐分和钠含量，给农业带来了重大挑战。这些条件对作物种植非常不利，尤其是牧草品种。随着全球干旱加剧，对耐钠和耐盐植物的需求也在增加。Lolium multiflorum Lam.（一年生黑麦草）是一种冷季牧草，以其高营养价值、适口性和在医药应用及生物乙醇生产中的潜在用途而闻名。然而，关于黑麦草在钠胁迫下的解剖学适应性研究还不够充分。本研究旨在探讨盐生土壤对Lolium multiflorum叶片解剖结构的影响，重点关注表皮和叶片横截面的微观参数。实验使用了35个Lolium multiflorum基因型，在受控条件下进行：一组在普通的非盐生土壤中生长，另一组在pH值为9.4、电导率为3.74 dS/m的盐生土壤中生长。叶片样本通过光学显微镜进行分析，测量内容包括叶片厚度、叶肉细胞尺寸、表皮厚度、气孔大小和泡状细胞参数。结果表明，盐生土壤中的植物叶片解剖结构发生了显著变化。值得注意的变化包括泡状细胞和鞘细胞的增大，这有助于提高水分保持能力和应激适应能力；相反，叶肉细胞和气孔细胞的大小减小，从而减少了水分流失，同时保持了适当的气孔密度和指数，确保了充足的气体交换。这些变化揭示了Lolium multiflorum耐盐条件的适应性策略。这项研究有助于理解植物在恶劣环境中的形态解剖学适应性，为筛选和培育适合盐生土壤的基因型奠定了基础。这些见解对于发展可持续农业实践和确保受土壤盐分和钠影响地区的牧草产量至关重要。
引言
盐生土壤分布于世界许多地区，对植物生长和发育不利，因此也不利于农业生产（Demo等人，2025年；Gangwar等人，2020年）。碱性土壤的特点是pH值高，交换性钠含量（ESP）超过15%。此外，这类土壤含有高量的碳酸盐和碳酸氢盐等盐分，以及粘土颗粒交换位点上的过量钠。另一方面，碱性土壤缺乏氮、磷和锌（Falasca等人，2017年；Gangwar等人，2020年；Pessoa等人，2019年）。根据粮农组织的分类标准，中度碱性土壤的ESP在15%至40%之间，强碱性土壤的ESP超过40%（粮农组织，2024年）。盐生土壤中牧草作物的主要问题是排水不良和高盐分。然而，许多牧草品种能够耐受干旱、洪水和盐分，这些土壤类型从低肥力或水盐生土壤到过度放牧或欠放牧条件都有（Falasca等人，2017年）。随着全球部分地区干旱加剧，对耐盐和耐钠牧草品种的需求也在增加（Abdellaoui等人，2017年）。
草本植物家族是世界上经济上最重要的植物群之一，具有多种生态、形态和解剖学特征，并且对盐分具有广泛的耐受性（Céccoli等人，2015年）。Lolium multiflorum Lam.（一年生黑麦草）是一种主要生长在温带地区的冷季牧草，营养价值高且适口性好，因其高产量而被广泛用于饲料生产（Stewart和Hayes，2011年）。黑麦草提取物还具有抗氧化、抗炎和抗菌作用，可能用于预防氧化损伤和炎症性疾病（Choi等人，2017年）。此外，黑麦草还可用于生产生物乙醇，因为这种植物不属于人类食物来源（Yasuda等人，2015年）。
植物对盐分和钠胁迫的耐受性是一个多方面的现象，涉及分子、细胞、组织、细胞器和系统层面的变化。耐盐和耐钠植物可能具有形态解剖学适应性，如厚实的表皮、丰富的厚壁组织、较高的毛状体密度、较大的细胞体积和液泡体积，以及分泌结构（如囊状毛和腺体）的发育（Hasanuzzaman和Tanveer，2020年）。已有研究表明黑麦草对盐胁迫的反应。例如，Feng等人（2021年）发现耐盐黑麦草品种吸收的Na+较少，从而降低了毒性作用和渗透压效应。不同的代谢谱表明，氨基酸、有机酸和碳水化合物的差异导致了不同的盐耐受性。这些代谢物在调节植物对盐分的耐受性中起作用。然而，关于盐生土壤对一年生黑麦草解剖结构影响的信息仍然不足。值得注意的是，植物的许多形态解剖学特征可以抵消环境的不良影响。进一步研究黑麦草可能的解剖学变化也有助于帮助植物适应胁迫条件。
了解使植物能够适应碱性土壤的解剖学机制有助于识别能够承受恶劣环境的物种。本研究旨在确定碱性土壤是否改变了Lolium multiflorum的叶片解剖结构。
实验设计
实验材料来自EEA Pergamino育种计划的35个一年生黑麦草基因型。采用完全随机区组设计，每个处理组设置3个重复。植物培养时间为6个月。播种前在未加热的温室中进行，长出4个分蘖后，将植物移植到两种环境中：一组在普通的非盐生土壤中生长（pH = 5.8；EC：0.04 dS m-1-1
叶片解剖结构
在两种处理条件下（对照组和盐生土壤），黑麦草的叶片表皮为单层结构，叶脉间区域（山谷）和叶脉区域（肋）朝向上表面表皮，而朝向下表面表皮的部分则较为平直。叶肉组织中观察到C3光合作用结构。表皮覆盖着厚厚的角质层，下表面角质层比上表面角质层更厚。在上表面叶脉间区域观察到泡状细胞，气孔也位于上表面。
讨论
土壤胁迫会导致植物形态解剖结构的改变，从而使植物能够在这些条件下生存（Abdellaoui等人，2017年）。总体而言，在盐生土壤中生长的植物所有研究参数均表现出下降趋势。类似地，多项关于禾本科植物的研究表明，盐分胁迫会导致相关解剖结构的改变。
结论
研究发现了与耐碱性相关的解剖结构变化，如泡状细胞和鞘细胞直径的增加，以及叶肉细胞和气孔大小的减小，这些变化使这些植物能够在不利土壤条件下生存，表明该物种适合在碱性土壤中种植。本研究描述的形态解剖学适应性有助于理解植物在恶劣环境中的抗逆机制。
作者贡献声明
安娜·J·冈萨雷斯（Ana J. Gonzalez）：撰写初稿、方法论设计、实验实施。阿尔达娜·A·拉格拉尼亚（Aldana A. Lagra?a）：方法论设计、实验实施、数据管理、概念化。玛丽埃拉·L·阿库尼亚（Mariela L. Acu?a）：撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据管理、概念化。苏珊娜·M·皮斯特拉莱（Susana M. Pistorale）：项目管理、实验实施。埃泽基尔·E·拉拉布鲁（Ezequiel E. Larraburu）：撰写、审稿与编辑、方法论设计、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了卢汉国立大学（UNLu）基础科学系、阿根廷国家农业技术研究所（INTA）和阿根廷布宜诺斯艾利斯省西北国立大学（UNNOBA）的资助。
