盐胁迫下海滨雀稃根系响应机制：整合形态、生理与根表电化学特性解析

《Horticulturae》：Responses of Paspalum vaginatum Root to Salt Stress: Integrating Morphological, Physiological, and Root Electrochemical Traits Shengnan Yang, Dongli Hao, Zhiyong Wang, Junqin Zong, Li Liao, Hailong Lu, Xi Xiang, Zhengyang Liu and Ling Li

本研究通过整合形态、生理与电化学分析，揭示了海滨雀稃根系响应盐胁迫的多层次机制。耐盐基因型Sealsle2000通过维持根系构型、提升抗氧化酶(SOD、CAT)活性、积累渗透调节物质(脯氨酸、可溶性糖)，并协同根表更负的Zeta电位与丰富的官能团，增强了Na?吸附与区隔化能力，从而维持更高的K?/Na?比与离子稳态。这为理解植物耐盐机理提供了新视角。

　　

引言

土壤盐渍化是影响全球作物可持续生产力的主要非生物胁迫之一。据统计，全球盐碱地面积达13.81亿公顷，占陆地总面积的近10.7%，且每年以100-150万公顷的速度扩张。在中国，盐碱地面积达3600万hm²，占可用土地的4.88%。盐碱地有毒离子（主要是Na⁺和Cl^-）的积累会损害根系水分吸收，引发渗透胁迫，并破坏植物生理代谢过程，最终导致生长抑制甚至死亡。根系作为与土壤接触的主要器官，最先感知盐胁迫信号。为适应盐胁迫，植物通过调控根长、侧根数量和生长方向，主动重塑根系构型。盐胁迫对根系生长的影响具有明显的浓度依赖性：低浓度盐通常促进根系生长，而高浓度盐则降低根长、侧根数量和密度。耐盐植物通常能通过维持主根伸长和增加侧根分支来扩大根系吸收范围。在盐胁迫下，植物根系主要通过选择性离子吸收、离子外排和液泡区隔化等机制维持细胞内Na⁺/K⁺稳态。盐胁迫还会诱导植物体内活性氧(ROS)的过度积累，造成膜脂过氧化、蛋白质变性和核酸降解等氧化损伤。为缓解此类胁迫，根系会迅速启动双重保护机制：增强抗氧化酶（如超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)）活性以清除过量ROS，并积累渗透保护物质（如可溶性糖和脯氨酸）以维持细胞内稳态和提高细胞保水能力。

根系作为与土壤进行物质交换的媒介，根表面是获取金属离子的主要界面。土壤胶体和根表面都带有永久电荷和可变电荷，这些电荷源于细胞壁成分（如果胶、半纤维素）中官能团（如羧基、羟基、磷酸基）的解离。这些表面负电荷不仅是离子进入的初始防线，而且从根本上决定了阳离子在根界面的吸附。植物根系的表面电荷（以Zeta电位表征）是调节Al³⁺、Cu²⁺等金属阳离子吸附和吸收的核心因素。通常，根Zeta电位负值增加伴随着金属阳离子吸附能力的显著提高。这种“表面电荷决定离子吸附”的经典电化学原理也可扩展至Na⁺吸附机制的分析，吸附在根表的Na⁺可能作为其后续跨膜吸收的关键离子库。

海滨雀稃(Paspalum vaginatum)是一种具有显著耐盐性、生长快速且维护需求低的多年生草种，在热带和亚热带地区具有广阔的应用前景。其耐盐能力受多种生理过程调控，包括渗透调节、K⁺/Na⁺稳态、Na⁺在叶乳突中的隔离以及激素调节。目前，已有许多关于海滨雀稃地上部耐盐生理和分子调控机制的研究，而专注于其根系对盐胁迫生理响应机制的研究仍然有限，特别是根系表面电荷特性与植物耐盐性之间的关系尚未明确。

为填补这一知识空白，本研究采用具有对比耐盐性的两个海滨雀稃基因型——耐盐的“Sealsle2000”和盐敏感的“17U-45”——来表征根系对盐胁迫的形态、生理和代谢响应，并揭示根表电荷、Na⁺吸附行为与耐盐性之间的内在关联。

材料与方法

研究选用耐盐基因型Sealsle2000和盐敏感基因型17U-45作为实验材料。实验采用水培溶液培养。将健康均匀的匍匐茎扦插移植到装有3.0 L 1/2霍格兰营养液的聚乙烯塑料桶中，在温室可控条件下培养两周后，进行盐胁迫处理，胁迫浓度设定为300 mM。通过每天递增75 mM NaCl的方式，在第4天达到300 mM，以减轻盐冲击效应。未添加NaCl的幼苗作为对照组(CK)。在盐胁迫处理后的第4天和第8天取样，测定相关指标。

测定的指标包括：根系形态参数（总根长、根表面积、根体积、平均直径）和生物量（地上部和根系干重）；地上部和根系Na⁺、K⁺含量及K⁺/Na⁺比；根系超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸和可溶性糖含量；根系表面Zeta电位；根系对Na⁺的吸附与解吸能力；以及通过衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)分析根表官能团。

结果

盐胁迫对根系形态参数和生物量的影响

盐胁迫处理8天后，两种基因型的生长均受到抑制。盐敏感基因型(17U-45)表现出明显的叶片失绿和萎蔫，其生长受抑制程度显著大于耐盐基因型(Sealsle2000)。盐胁迫对海滨雀稃根系生长的抑制作用比地上部更显著。在盐胁迫4天后，仅Sealsle2000的根体积比CK显著降低了11.50%，而其总根长、根表面积、平均直径、地上部干重和根干重与CK相比无显著差异。相比之下，17U-45的总根长、根表面积、根体积、平均直径、地上部干重和根干重分别比CK降低了9.25%、11.21%、20.93%、15.37%、7.93%和15.00%。盐胁迫8天后，Sealsle2000的上述参数分别比CK降低了6.29%、10.13%、12.74%、12.13%和13.72%（平均直径无显著差异），而17U-45的降低幅度进一步加剧，分别达到18.65%、17.52%、21.62%、22.93%、27.97%和39.68%。盐敏感基因型所有测定参数的减少程度均显著大于耐盐基因型。

K⁺和Na⁺含量及K⁺/Na⁺比

与CK相比，海滨雀稃地上部和根系中Na⁺的积累量均显著增加，且随着盐胁迫时间的延长，所有盐处理组的Na⁺积累速率进一步增强。处理第8天，Sealsle2000叶片和根系中的Na⁺含量分别增加了28.13倍和36.03倍，而17U-45分别增加了18.68倍和22.00倍。两种基因型的根系都表现出更强的Na⁺富集能力，且Sealsle2000的Na⁺积累量显著高于17U-45。

与CK相比，Sealsle2000和17U-45地上部和根系中的K⁺含量均呈下降趋势。无论是否盐胁迫，地上部K⁺含量均高于根系。在盐胁迫下，Sealsle2000各器官的K⁺含量始终高于17U-45。

随着盐胁迫时间的延长，两种基因型地上部和根系的K⁺/Na⁺比持续下降。17U-45叶片和根系的K⁺/Na⁺比均低于Sealsle2000，且相对于CK下降更为剧烈。

抗氧化酶活性、丙二醛含量及渗透调节物质

随着盐处理时间的延长，Sealsle2000和17U-45根系超氧化物歧化酶(SOD)活性均呈现先升高后降低的趋势。盐处理4天时，Sealsle2000的根系SOD活性比CK显著增加了175.19%，而17U-45比CK增加了102.81%。盐处理8天时，Sealsle2000的SOD活性仍比CK高68.72%，而17U-45的SOD活性比CK降低了32.76%（差异不显著）。过氧化氢酶(CAT)活性的变化趋势与SOD一致。随着盐处理时间的延长，两种基因型的根系丙二醛(MDA)含量均呈逐渐上升趋势。在盐胁迫下，两种基因型的根系脯氨酸含量呈现不同的变化模式：Sealsle2000的脯氨酸含量随处理时间延长持续增加，而17U-45则先增加后降低。两种基因型可溶性糖含量的变化趋势与SOD和CAT活性一致，随着盐处理时间的延长先增加后降低。盐处理8天时，Sealsle2000的根系可溶性糖含量仍高于CK水平，而17U-45则显著低于CK，表明其在长期盐胁迫下失去了渗透调节能力。

根表Zeta电位与根系吸附的Na⁺

在pH 4.15–6.57范围内，Sealsle2000和17U-45的根系均带有净负电荷，且海滨雀稃根Zeta电位的绝对值随溶液pH升高而增加。在此pH范围内，Sealsle2000的根Zeta电位比17U-45更负，表明与17U-45相比，Sealsle2000根系表面具有更高的负电荷密度。此外，Sealsle2000根表及根组织内的Na⁺含量均显著高于17U-45，分别增加了23.57%和29.26%。

根表官能团

根系表面官能团的ATR-FTIR分析显示，Sealsle2000和17U-45之间的吸收峰位置无显著差异，表明它们的根表面含有相似的官能团。值得注意的是，Sealsle2000的吸收峰强度高于17U-45，表明耐盐海滨雀稃的根表面含有更多的官能团。

形态、生理参数与表面电荷的关系

相关性分析表明，地上部Na⁺含量、根系Na⁺含量、根表Na⁺和根内Na⁺与根系形态和植株生长参数呈显著负相关。相比之下，地上部K⁺含量、根系K⁺含量、地上部K⁺/Na⁺比和根系K⁺/Na⁺比与这些形态和生长参数呈正相关。根系丙二醛(MDA)含量与除平均直径外的所有测试形态和生长参数均呈负相关。此外，根表Zeta电位与总表面积、根体积、平均直径、地上部K⁺/Na⁺比和根系K⁺/Na⁺比呈正相关，但与地上部Na⁺含量和根系Na⁺含量呈负相关。

讨论

根系对盐胁迫的形态适应

盐胁迫对海滨雀稃地上部和根系生长的影响表现出显著的基因型差异和时间依赖性。短期盐胁迫对耐盐基因型的地上部和根系生长（除根体积外）无显著影响，但显著抑制了盐敏感基因型的生长。胁迫延长至8天时，两种基因型均受到显著抑制，但耐盐基因型受影响小于盐敏感型，且根系生长受抑制比地上部更严重。根系生长的抑制损害了植物吸收水和必需矿质养分的能力。耐盐基因型Sealsle2000保持了更稳定的根系生长，所受抑制较盐敏感型17U-45更轻，这有助于在盐胁迫下维持水分和养分吸收。

盐胁迫下的离子稳态调节

维持细胞内Na⁺/K⁺稳态是植物耐盐的核心生理机制。在本研究中，两种基因型地上部和根系的Na⁺含量均随盐胁迫强度增加而显著增加。但Sealsle2000积累了比17U-45更高水平的Na⁺，且根系Na⁺含量显著高于地上部。推测Sealsle2000能够优先将吸收的Na⁺积累在根系中，并通过维持优越的根系构型将其区隔到根细胞液泡中。该策略减少了Na⁺向地上部的转运，减轻了离子毒害对光合作用等生理过程的抑制。

两种基因型地上部和根系的K⁺含量随盐胁迫时间延长逐渐降低，且根系中的降幅大于地上部。重要的是，Sealsle2000地上部和根系K⁺含量的下降幅度小于17U-45，这可能归因于其优越的根系形态及相应的水肥吸收能力。

在盐胁迫下，Sealsle2000和17U-45的K⁺/Na⁺比均显著下降，但Sealsle2000的下降幅度小于17U-45，表明Sealsle2000能通过减少K⁺损失并保持相对较高的K⁺/Na⁺比来维持正常的细胞生理功能。

盐胁迫下的抗氧化系统与渗透调节

盐胁迫诱导活性氧积累，引发氧化应激。超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)是植物活性氧清除系统中的关键酶。在本研究中，17U-45的SOD和CAT活性在短期盐胁迫下高于对照，但在后期显著下降。相比之下，Sealsle2000的SOD和CAT活性在盐胁迫下显著增加，即使在处理8天后仍保持在高水平。这些结果表明Sealsle2000能通过激活SOD和CAT清除活性氧，从而缓解长期盐诱导的氧化损伤。

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的产物，随着盐处理时间延长，两种基因型根系中的MDA不断积累，但17U-45的增量显著更高，反映了其更严重的膜氧化损伤。相比之下，Sealsle2000表现出相对较低的MDA积累，暗示其得益于持续的高抗氧化酶活性，具有更优越的膜结构完整性。

除了抗氧化防御，渗透调节物质的积累是植物应对盐诱导渗透损伤的另一关键策略。脯氨酸和可溶性糖能稳定酶和蛋白质，保护膜完整性。在盐胁迫下，Sealsle2000和17U-45的根系均积累了脯氨酸和可溶性糖，但Sealsle2000表现出更持续的渗透调节能力。相反，17U-45的渗透调节能力有限，无法有效抵消长期盐诱导的渗透胁迫。

根系电化学特性与耐盐性的关联

植物根表官能团的解离赋予根系负电荷特性，这种电化学特征直接调节根系对金属阳离子的吸附和吸收。先前研究已证实根Zeta电位负值与阳离子吸附能力之间存在显著正相关。本研究中，耐盐海滨雀稃表现出更负的根Zeta电位，这促进了更多的Na⁺吸附和吸收。ATR-FTIR光谱分析显示，Sealsle2000和17U-45根表官能团的类型基本一致，但Sealsle2000中特定带电荷基团的浓度更高。这些带电荷基团的结构和含量特征为两种基因型间根Zeta电位的差异提供了关键的物理化学基础。综上，结果表明Sealsle2000的耐盐性与根细胞壁结构和组成的变异有关，而非特定官能团的有无。

结论

盐胁迫抑制了Sealsle2000和17U-45的地上部和根系生长，改变了根系形态，并破坏了其生理代谢，但观察到了它们耐盐响应的显著差异。总体而言，17U-45表现出更高的盐敏感性。相比之下，Sealsle2000通过本验证的多途径协同调控来增强耐盐性：改良根系构型以增加根长和表面积，扩大吸收面积；提高抗氧化酶活性以清除活性氧积累；增加渗透调节物质含量以维持细胞渗透平衡；促进根系选择性吸收K⁺，同时维持高K⁺/Na⁺比，从而保持细胞内稳态和细胞膜稳定性。此外，Sealsle2000中更高浓度的特定带电基团有助于形成更负的根表Zeta电位，从而促进根系对Na⁺的吸收，有利于液泡Na⁺区隔化，降低细胞质Na⁺毒性，进一步缓解盐诱导的植物损伤。