微电极离子流技术在植物抗逆研究中的应用——以大麦耐旱机理研究为例

【作者】 蔡康锋； 巫小建； 张国平； 欧阳由男； 曾凡荣；

【机构】 浙江大学农学系； 中国水稻研究所；

【摘要】 【研究背景】干旱是制约农业生产可持续发展的重要环境胁迫因子,系统了解植物对干旱胁迫的适应机制是培育抗旱品种的理论基础。作为植物生长发育所必需的大量矿质元素之一,钾离子亦是植物维持细胞渗透势、保证细胞吸水能力的重要渗透调节物质。因此,研究干旱胁迫下细胞K~+离子流的原初响应及其与抗旱性的相关,对阐明植物抗旱机制以及指导耐旱育种具有重要意义。微电极离子流测定系统(Microelectrode Ion Flux Estimation System,MIFE)是一种测定离子或分子进出活体材料速率的一种技术,已广泛应用于生物生长发育调控以及胁迫耐性机理研究,并获得了众多创新性结果;【材料与方法】本研究以遗传背景不同的大麦基因型(栽培大麦:无芒六棱、Gairdner;西藏一年生野生大麦:XZ147、XZ5和XZ4)为材料,测定以聚乙二醇(10%PEG 6000)模拟的干旱胁迫下大麦植株生物量、叶片含水量和萎蔫度、渗透势等生理指标的变化,并利用无损伤微电极离子流测定技术(MIFE)测定大麦根系K~+、H~+离子流在干旱下的变化;【结果与分析】干旱处理严重抑制大麦植株的生长,且抑制程度因基因型而异,供试5个大麦基因型的抗旱性依次为XZ4>无芒六棱>XZ5>Gairdner>XZ147。正常生长条件下,大麦根系K~+和H~+离子流表现为明显的内吸与外排特征;干旱胁迫后,大麦根系K~+内吸和H~+外排的特征显著增强,说明该现象是干旱处理后大麦根系细胞的通用响应模式,且增强的程度基因型之间差异显著,以XZ4增强最大,XZ147最小。相关性分析显示,大麦根系K~+的内吸(速率或总量)与植株抗旱能力具有极显著(P<0.01)正相关关系。可以认为,大麦根系K~+的大量内吸和H~+的大量外排可能是干旱胁迫下渗透调节的重要组成。由于细胞内H+的跨膜运动主要由质膜H~+-ATPase主导,由此推测,细胞膜上的钾离子通道和H~+-ATPase共同参与了干旱胁迫下的渗透调节。本试验还发现,一定时间范围内植株对K~+的吸收量亦与大麦品种的抗旱能力密切相关,因此,该一参数亦可用于抗旱材料的筛选。在大量材料的筛选中,如利用水培种植大麦材料,然后测定培养液中K~+的消耗情况进行抗旱材料的筛选,这样可大大节省人力、物力和时间,达到快速、高效、简便的目的。同时,筛选材料并不局限于大麦,所有能水培种植的作物在理论上均可以利用这一方法进行筛选;【结论】(1)大麦根系细胞K~+的吸收能力对植株的抗旱能力具有非常重要的贡献;(2)大麦根系细胞膜上的钾离子通道和H~+-ATPase共同参与了干旱胁迫下的渗透调节;(3)K~+的消耗情况可用于抗旱材料的快速、高效、简便筛选。更多还原