Bidrag och distribution av oorganiska joner och organiska föreningar till den osmotiska justeringen i halostachys caspica-respons på saltstress | vetenskapliga rapporter

Bidrag och distribution av oorganiska joner och organiska föreningar till den osmotiska justeringen i halostachys caspica-respons på saltstress | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • abiotisk
  • Växtfysiologi
  • En rättelse till denna artikel publicerades den 14 december 2015

Den här artikeln har uppdaterats

Abstrakt

Mekanismen för att växter klarar saltstress förblir dåligt förstås. Syftet med denna studie är att systematiskt undersöka bidraget och fördelningen av oorganiska joner och organiska föreningar till den osmotiska justeringen (OA) i halofytterna Halostachys caspica . Resultaten indikerar att 100–200 mM NaCl är optimal för växttillväxt; vatteninnehållet och succulensgraden hos de assimilerande grenarna är högre i detta behandlingsområde än i andra behandlingar; parenkymceller är fler med 100 mM NaCl-behandling än de är i kontroll. Oorganiska joner (huvudsakligen Na + och Cl - ) kan spela en viktigare roll än organiska föreningar i NaCl-inducerad OA och är de främsta bidragarna i OA i H. caspica . De oorganiska jonerna och organiska lösta ämnen visar en vävnadsberoende distribution. Na + och Cl - ackumuleras i reproduktionsorganen och inom assimilerande grenar, vilket kan representera en mekanism för att skydda växtväxt genom saltjonutspädning och orsakssänkning. Dessutom skyddade OA via ökad ansamling av organiska ämnen också växttillväxt och utveckling. Denna upptäckt ger ytterligare bevis för växttolerans mot salthaltstress som kan användas för att avla nya kultivarer för stresstolerans.

Introduktion

Jordförsaltning är en viktig abiotisk miljöfaktor som begränsar markanvändningseffektiviteten i torra och halvtora regioner över hela världen och minskar utbytet av en mängd olika grödor 1 . Med tanke på kombinationen av en hög evapotranspirationshastighet och vattenkvalitet av dålig kvalitet påverkar salthaltstress negativt växtens metabolism genom jontoxicitet, osmotisk stress och oxidativ stress. Förmågan hos vissa växter att överleva och upprätthålla tillräcklig tillväxt under förhållanden med hög salthalt kallas salttolerans; denna variabla egenskap är beroende av många faktorer inklusive växtarter. Till exempel kan halofytiska växter överleva och till och med växa bra under höga saltkoncentrationer 2, 3 . Icke desto mindre är vävnader och organ i halofyter också mottagliga för extrema saltbetingelser vad gäller morfologi och fysiologi. Under de senaste decennierna har spridningen, utnyttjandet 4 och salttolerant fysiologi av halofyterna 5, 6 studerats omfattande. Zhao beskrev tre olika sätt för salttoleransrespons som observerats i markväxter som tillåter dem att övervinna saltjontoxicitet: saltutspädning, saltutsöndring och uteslutning av salt 7 . Reaktionen på osmotisk stress involverar primärt osmotisk justering (OA), som avser en minskning av osmotisk potential som svar på en nettoansamling av lösta ämnen som härrör från vattenbrist eller salthalt. OA är avgörande för att upprätthålla cellturgor, vilket möjliggör upprätthållande av växtens metabolismaktivitet och i sin tur växter och produktivitet 8, 9 Det är allmänt erkänt att osmotiska substanser kan minska effekterna av jontoxicitet och bilda olika komplex med proteiner eller binda till deras ytor via en hydrofil skyddande osmotisk funktion 10 . Greenway beskrev tidigare syntesen av kompatibla osmotiska substanser som en metabolisk responsanpassning till saltstress 11 . Till skillnad från glykofyter har halofyter anpassat olika fysiologiska och biokemiska strategier för att hantera extrema saltförhållanden 12 . Dessa inkluderar vävnadssaftighet och jonfack som innefattar eliminering eller ackumulering av överskott av saltlösningar (Na + ) i vakuolerna. Växter syntetiserar också prolin, glycin, betain, lösliga sockerarter och andra osmolyter för att främja osmotisk balans på cellnivån 13, 14, 15, 16 . Som ett exempel använder växter som tillhör familjen Chenopodiaceae de oorganiska jonerna Na + och Cl - som osmotiska medel 4 .

Även om det är känt att halofyter har utvecklats flera anpassningsmekanismer för att klara närvaron av hög salthalten i deras naturliga miljöer 7, 17, 18, 19 förblir dessa mekanismer dåligt förstås. Oorganiska joners och organiska lösta ämnes bidrag till OA fortsätter att bestrida, och strategierna som används för stresstolerans är kända för att variera inte bara efter arter utan också genom genotyp 20 . Till exempel varierar fördelningen av osmotiska substanser mellan dikotyledonösa halofyter, monokotyledonösa halofyter och verkliga halofytiska växter 21 .

Halofyten Halostachys caspica (Bieb.) CA Mey är en saltutspädd kort busk som tillhör familjen Chenopodiaceae. Den uppvisar hög salttolerans och växer naturligt i den salt-alkaliska jorden i halvökenområden i Centralasien 22 . De unika morfologiska strukturerna hos H. caspica är dess assimilerande grenar som bildas av retrogresserade blad, som kan hyperackumulera Na + och Cl - . För närvarande är lite känt om OA: s roll i salttoleransresponsen hos H. caspica på fysiologisk nivå, trots erkännandet av OA som en viktig fysiologisk anpassning av halofytiska arter med hög salttolerans.

Syftet med den här studien var att bedöma bidraget från oorganiska joner och organiska föreningar till OA för H. caspica- växterna som svar på saltstress, att bestämma bidraget och fördelningen av dessa molekyler och att identifiera den optimala saltkoncentrationen för tillväxten och utvecklingen av H. caspica . Det är mycket viktigt att förtydliga dessa fysiologiska egenskaper; det är också en bra referens för fullständig utforskning av salttoleransmekanismer på fysiologisk nivå.

Resultat

Optimala saltkoncentrationer för växttillväxt och utveckling

H. caspica- växterna odlades i fyra veckor i växthuset. Ett intervall av NaCl-koncentrationer (0, 100, 200, 300, 400, 500 och 600 mM) användes för experimentella behandlingar. Växter behandlade med 100 eller 200 mM NaCl växte mycket bra. Växter behandlade med 300 till 600 mM NaCl uppvisade emellertid tillväxtinhibering, inklusive gulnade assimilerande grenar och reducerad växtstorlek (Fig. 1). Trots detta visade dessa visuella observationer tydligt den höga toleransen för H. caspica för NaCl-salthalt. Med ökande saltspänning upp till 200 mM NaCl uppvisade H. caspica- växterna också ett stabilt vatteninnehåll (WC). När NaCl-koncentrationen ökade från 400 till 600 mM minskade WC signifikant i de assimilerande grenarna jämfört med kontrollen (P <0, 01). Med behandlingen av 600 mM NaCl förblev WC så högt som 88, 02% (Fig. 2a). Suckulensen hos H. caspica- assimilerande grenar, mätt som FW / DW ([färsk vikt] / [torrvikt]), ökade signifikant när NaCl-behandlingen ökade från 0 till 200 mM, men minskade framträdande därefter (Fig. 2b) . Den histologiska analysen av den anatomiska strukturen hos H. caspica- assimilerande grenar (fig. 3) avslöjade att antalet och storleken på parenkymceller i denna del av växten ökade med 100 mM NaCl-behandling. Qi et al. (2005) rapporterade på liknande sätt att graden av saftighet hos halofyten Suaeda salsa är starkt korrelerad med salthalten och att maximal saftighet observeras under saltförhållanden 23 . Dessutom har Radić et al. (2013) fann att låga saltkoncentrationer inducerade bladfetthet och ökade den relativa toaletten hos bladen i Centaurea ragusina 24 . I den aktuella studien uppnåddes optimal växttillväxt med NaCl-koncentrationer på 100 till 200 mM. Saltkänsligheten hos H. caspica visades tydligt genom förekomsten av toxicitetssymptom som visuellt observerades i de assimilerande grenarna när NaCl-koncentrationen ökade från 400 till 600 mM.

Image

Bild i full storlek

Image

Olika bokstäver ovanför staplarna indikerar signifikant olika medel vid P <0, 05. Data indikerar medel ± SD (n = 4).

Bild i full storlek

Image

P indikerar parenkymceller.

Bild i full storlek

Saltstress visade sig signifikant påverka ansamlingen av Na +, som ökade i de saltstressade assimilerande grenarna när NaCl-koncentrationen ökade. Exempelvis var ansamlingen av Na + 2, 17 gånger större vid assimilering av grenar behandlade med 600 mM NaCl jämfört med kontrollen (fig. 4a).

Image

Växter behandlades med olika koncentrationer av NaCl under 30 dagar. Inom varje figurpanel indikerar olika bokstäver ovanför staplarna betydligt olika medel vid P <0, 05. Felstegen indikerar SD (n = 3).

Bild i full storlek

En liten fallande trend observerades för ansamlingen av K + i de saltstressade skotten jämfört med kontrollen (fig. 4b), men ingen av förändringarna var signifikanta bland de olika använda NaCl-koncentrationerna (0–600 mM). Vid den högsta NaCl-behandlingsnivån (600 mM) var K + -koncentrationen i assimilerande grenar 68, 29% av den koncentration som observerades i kontrollen. Akkumuleringen av Ca2 + minskade gradvis med ökande NaCl-koncentration, varvid Ca2 + -koncentrationen observerades vid den högsta salthalten ungefär hälften (50, 82%) av Ca2 + -koncentrationen observerad i kontrollen (fig. 4c). På grund av det ökade Na + -innehållet i assimilerande grenar ökade Na + / K + -förhållandet från 0 till 300 mM NaCl; emellertid observerades inga signifikanta förändringar utöver den koncentrationen (Fig. 4d). En liknande tendens observerades för Na + / Ca2 + -förhållandet i behandlad H. caspica (fig. 4e).

Betaine, prolin (Pro) och totalt lösligt socker (TSS) var de tre huvudsakliga organiska lösta ämnena som undersöktes, och innehållet i alla tre lösta ämnen ökade signifikant i de assimilerande grenarna med ökande NaCl-nivåer (fig. 5). När växterna behandlades med 600 mM NaCl ökades nivåerna av betain och Pro med> 16 gånger respektive> 136 gånger.

Image

Växter behandlades med olika koncentrationer av NaCl under 30 dagar. Inom varje figurpanel indikerar olika bokstäver ovanför staplarna betydligt olika medel vid P <0, 05. Felstegen indikerar SD (n = 3).

Bild i full storlek

Oorganiska joners och organiska förenings bidrag till osmotisk justering som svar på saltstress

Oorganiska och organiska lösta ämnes bidrag till OA i de assimilerande grenarna av H. caspica sammanfattas i tabell 1. Under 600 mM NaCl-behandling utgjorde Na + och Cl-jonerna 32, 7% respektive 26, 7% av de totala lösta ämnena. bidrar till OA. Till och med i kontrollen var bidraget från Na + och Cl 45% respektive 31%. Dessa fynd indikerar att Na + och Cl - spelar en viktig roll i OA för assimilering av grenar. Bland de organiska lösta ämnena befanns betain ha det största bidraget till OA som svar på saltstress, vilket stod för 7–34% av det totala lösta ämnet. I det testade NaCl-sortimentet var bidraget från TSS och Pro små; till exempel var värdena för Pro alltid under 1% av de totala lösta ämnena. Även om det totala oorganiska jonbidraget minskade med ökande saltkoncentration, representerade det ändå huvudkomponenten vid alla koncentrationer. Molfraktionen av oorganiska joner varierade från 59% –90%, medan den för organiska lösningsmedel varierade från 10% –37%. Sammantaget indikerar ovanstående data att oorganiska joner och det organiska lösta betainet är de viktigaste bidragarna till OA.

Full storlek bord

Distribution av oorganiska joner och organiska lösta ämnen i olika vävnader och organ

Innehållet i oorganiska joner bestämdes i olika organ av mogna växter. De högsta nivåerna av Na + och Cl - observerades i assimilering av grenar och reproduktionsorgan, och dessa index var på samma sätt höga i xylem från assimilerande grenar (ABX) och xylem av reproduktionsorgan (ROX). Höga Na + och Cl-nivåer observerades också i rötter. Däremot ackumulerades K + primärt i reproduktionsorganen, med lägre ackumulering observerad i rötter, ABX, assimilerande grenar och ROX. Ca 2+ ackumulerades huvudsakligen i rötterna, vilket starkt kontrasterade mönstren som observerades i de ovan jord organ. Inga speciella fördelningsmönster observerades för SO 4 2- och Mg 2+ (fig. 6).

Image

ROX indikerar xylem från reproduktionsorgan och ABX indikerar xylem från assimilerande grenar. För varje oorganisk jon indikerar olika bokstäver ovanför staplarna signifikant olika medel vid P <0, 05. Data indikerar medel ± SD, (n = 4).

Bild i full storlek

Figur 7 visar att fördelningen av oorganiska joner i H. caspica- plantor var lik den hos mogna växter. En signifikant högre ansamling av Na +, Cl -, SO4 2 - och Mg 2+ observerades i skotten jämfört med rötterna (P <0, 001). Däremot var det en större ackumulering av K + och Ca 2+ i rötter jämfört med skotten (P <0, 001) (Fig. 7).

Image

*, ** och *** indikerar signifikanta skillnader vid P <0, 05, P <0, 01 respektive P <0, 001. Data indikerar medel ± SD (n = 4).

Bild i full storlek

Skillnaden i Na + -partitioneringen i assimilering av grenar var större än Cl-partitioneringen. Specifikt var Na + -innehållet i de assimilerande grenarna 2250 mmol / kg DW, medan Na + -innehållet i rötterna var 580 mmol / kg DW.

Distributionen av organiska lösta ämnen i plantor och mogna H. caspica- växter analyserades också. Våra resultat visar att ansamlingen av Pro, betaine och TSS var mycket högre i reproduktionsorganen för mogna växter än i den assimilerande grenarna (P <0, 01) för prover som samlats in från den salt-alkaliska jorden. För de prover som samlats in från relativt måttlig salt-alkali jord var betain- och Pro-koncentrationerna båda låga, och inga uppenbara skillnader observerades mellan reproduktionsorganen och assimilerande grenar. Koncentrationerna av Pro och TSS i reproduktionsorganen för H. caspica uppsamlade från salt-alkalisk jord var större än i motsvarande koncentrationer av växter uppsamlade från låg saltlösning, och värdena som registrerades för dessa två tillväxtförhållanden var 1103, 87 och 549, 57 μg / g FW respektive för Pro respektive 242, 89 respektive 37, 96 mg / g FW för TSS. Jämfört med de assimilerande grenarna hade plantorna från saltvattenalkalisk jord en högre ansamling av organiska lösta ämnen. Detta var särskilt tydligt för ansamlingen av TSS, vars nivåer i rötterna var nästan 11, 75 gånger högre än i skotten (fig. 8).

Image

MP-SAS indikerar mogna växter som odlas i salt- och alkalimark, och MP-MSAS indikerar mogna växter som odlas i relativt måttlig saltalkalismark. I paneler ( a - c ) representerar de gråa och vita staplarna innehållet i ett givet organiskt lösta ämne i reproduktionsorganen och assimilerande grenar. *, ** och *** indikerar signifikanta skillnader vid P <0, 05, P <0, 01 respektive P <0, 001. Data indikerar medel ± SD (n = 4).

Bild i full storlek

Diskussion

Osmotisk stress och jontoxicitet förknippas ofta med överdriven saltkoncentration genom ännu okända mekanismer, vilket i slutändan resulterar i minskad växttillväxt och utveckling. Anpassningsmekanismer på cellnivå, såsom saltjonfack och OA, är avgörande för överlevnad och fortsatt tillväxt av salttoleranta växter i miljöer med hög salthalt 25 . Salttoleranta växter, i synnerhet halofyter, ackumulerar stora mängder saltjoner i sina celler, varvid vakuolerna spelar en nyckelroll i OA. Salt inducerar ackumulering av organiska lösta ämnen kompatibla med biomolekylära funktioner som ligger till grund för cellskydd och OA, särskilt i cytoplasma och organeller 26, 27 . Eftersom jonhomeostas är avgörande för växttillväxt och utveckling, kan ansamling av överdrivna Na + - och Cl - joner stör denna balans.

I den aktuella studien inhiberades växttillväxten signifikant med 400–600 mM NaCl-behandlingar (Fig. 1). Å andra sidan observerades optimal växttillväxt och suckulens när växterna behandlades med 100 eller 200 mM NaCl (fig 1, 2 och 3). Dessa resultat tyder på att H. caspica har ett effektivt system som ligger under OA under vissa nivåer av NaCl-stress. I allmänhet representerar minskningar av WC en snabb och ekonomisk metod för att uppnå OA som svar på osmotisk stress i växter 28 . Detta fenomen observerades verkligen för H. caspica i den aktuella undersökningen: minskad WC och / eller suckulens inträffade vid höga salthaltenivåer (400–600 mM NaCl) och berodde troligen från störd osmotisk homeostas och förekomsten av uttorkning på grund av överskott av Na + ackumulering (Fig. 2a).

Även om WC för H. caspica minskade signifikant med ökande saltspänning (Fig. 2a), bibehölls dock en hög WC även under 600 mM NaCl (88, 02%). Liknande fynd har rapporterats i andra växter 28, 29, 30, 31 . Således kan H. caspicas förmåga att hålla kvar vatten under allvarlig saltstress vara en viktig egenskap för dess förmåga att upprätthålla osmotisk balans via osmolytansamling med minsta energiförbrukning.

I tidigare studier visade sig att natriumansamling och dess uppdelning i vakuolerna under måttlig saltstress modulerade den osmotiska potentialen och för att säkerställa absorptionen av vatten. Tillsammans bidrar ökat vatteninnehåll och ansamling av natriumjoner till att förbättra suckulensgraden 32, 33, 34 . I denna studie upprätthöll H. caspica- växter en stabil toalett och ackumulerade natriumjoner vid måttliga saltkoncentrationer (100–200 mM), vilket resulterade i maximal saftighet hos de assimilerande grenarna - ett klassiskt kännetecken för halofyter. Shoot succulence resulterar i en ökad vakuolär volym för natriumutspädning och OA 35, 36, vilket också är nödvändigt för salttoleransen för H. caspica .

För att upprätthålla en osmotisk potential för vattenupptagning under saltförhållanden ackumuleras halofyter vanligtvis oorganiska joner i vakuolerna. Na + och Cl - är metaboliskt effektiv osmotika eftersom de energikostnaderna för att absorbera oorganiska joner är mycket lägre än för organisk osmolytsyntes 37 . Detta verkar vara fallet för H. caspica , eftersom växterna samlade Na + och Cl - under saltstress. Vidare ökade ackumuleringen av dessa oorganiska joner med ökande NaCl-koncentrationer. Således var Na + och Cl - de viktigaste oorganiska osmolyterna i vakuolerna under saltstress och koncentrerades i mycket större utsträckning i de assimilerande grenarna och reproduktionsorganen jämfört med andra organ (fig 6 och 7). Tabell 1 visar att, relativt den totala lösta koncentrationen, OA-bidrag av Na + och Cl - var 39% respektive 46% i de assimilerande grenarna av växter behandlade med 200 mM NaCl. Således verkar OA i H. caspica till stor del åstadkommas genom ackumulering av Na + och Cl - (tabell 1).

Att upprätthålla låg Na + och hög K + i cytoplasma är avgörande för ett antal enzymatiska aktiviteter 38 . Na + kommer in i växtceller huvudsakligen genom K + transportvägar 39 . Likheten mellan Na + och K + i termer av deras hydratiserade joniska radier resulterar i en tävling om transport mellan dessa två joner på plasmalemma-nivån, som är basen för Na + -oxicitet 39 . Halofyter under salt-alkalisk stress absorberar vanligtvis Na + och minskar samtidigt upptaget av K + 37, 40, 41, 42, 43, 44, 45 . Dessutom kan reducerat K + -innehåll i salt-stressade H. caspica- växter bero på en nedreglering av generna involverade i K + -transport 46 . Även om K + -innehållet i H. caspica- assimilerande grenar inte signifikant förändrades med ökande salthaltnivåer i denna studie, observerades en minskande trend i K + -innehållet med ökande saltstress. Denna observation tillsammans med ökningen av Na + / K + -förhållandet av H. caspica under saltstress indikerade att salteksponering ledde till konkurrerande hämning mellan Na + och K + -absorption som bas för cytosolisk Na + toxicitet. Således kan H. caspica ha en Na + -absorptionsväg som är beroende av K + -kanalen. K + stod för 8% av de lösta ämnena som bidrog till OA i assimilerande grenar av obehandlade kontrollanläggningar, medan summan av Na + och Cl - var 76% (tabell 1). Detta resultat understryker skillnaderna mellan oorganiska joner i termer av deras OA-bidrag i de assimilerande grenarna. Det relativa bidraget från K + till den totala OA för assimilerande grenar reducerades från 8% i kontrollen till 1, 6% i växter behandlade med 600 mM NaCl. Det är väl etablerat att ansamlingen av Ca 2+ hämmas av saltstress i många växter 47, 48 . Följaktligen minskade Ca2 + -ansamlingen något och Na + / Ca2 + -förhållandet ökade i H. caspica- assimilering av grenar i denna studie när salthalten ökade (fig. 4). Dessa data överensstämmer med resultaten från Chinnusamy et al. (2006) 49 . Även om Ca 2+ -nivåerna minskade signifikant under saltstress, var dess bidrag till OA dock mindre på grund av den mycket låga andelen Ca2 + till totala lösta ämnen.

H. caspica är en saltutspädd halofyt, och saltvattenjoner ackumuleras över i sina vakuoler under höga NaCl-nivåer. Således måste organiska lösta ämnen som inte stör metabolismen syntetiseras och ytterligare ackumuleras i cytoplasma för att bibehålla jämvikten mellan vatteninnehållet i cellerna. Tidigare rapporter tyder på att detta representerar en gemensam metabolisk växtstrategi, särskilt i halofyter. Betain och prolin är kompatibla lösta ämnen som kan ackumuleras som svar på osmotisk stress, och ansamlingen av dessa osmolyter är känd för att vara ett viktigt adaptivt svar på salt och torka stress 36 . Betaine har länge erkänts som en primär osmolyte i växtarter som tillhör familjen Chenopodiaceae 18, och dess bidrag till OA i cytoplasma var betydligt större än prolin och TSS i vår studie. Liknande fynd har rapporterats i andra Chenopodiaceae halofyter, såsom Kochia sieversiana 50, Suaeda fruticosa 41, Atriplex griffithii 42, Salicornia europaea 51 och Suaeda maritima 51 . Ökad ansamling av betain under saltlösningsförhållanden kan vara en vanlig genetisk egenskap hos Chenopodiaceae halofyter som ligger till grund för deras ökade resistens mot saltstress. Bland de undersökta organiska lösta ämnena var betain det enda lösta ämnet som ökade dramatiskt med ökande salthalt, och det hade det största bidraget till OA hos H. caspica odlat i växthuset.

Tabell 1 och fig. 5 visar tydligt att betain är den huvudsakliga osmolyten bland de tre organiska lösta ämnena som undersöktes under ökande saltstress. Med ökande saltstress ökade betaininnehållet signifikant (fig. 5a), och procentandelen av betinkoncentrationen relativt den totala lösta koncentrationen ökade med 34% till OA för H. caspica vid den högsta salthalten (tabell 1). Utöver betainens roll som en effektiv osmolyte, anses betain förbättra toleransen mot dehydrering 52, stabilisera proteinstrukturen i PSII-komplexet och förhindra skador i cellmembranen i saltstressade växter. Ovanstående resultat indikerar att betain kan ha en viktig roll i både cellskydd och cytosolisk OA i H. caspica , oavsett närvaron av NaCl.

I allmänhet är ansamlingen av prolin, en viktig organisk osmolyte, nära besläktad med den osmotiska stressintensiteten 53 . I den aktuella studien inträffade emellertid en dramatisk ansamling av prolin först efter att stressintensiteten passerade en viss tröskel. Till exempel, vid 400 och 600 mM salthalt, ökades prolinkoncentrationen med 13 respektive 40 gånger jämfört med kontrollen (fig. 5b). Prolinkoncentrationen var emellertid mycket låg jämfört med betinkoncentrationen, och bidraget av prolin till OA var obetydlig, vid 0, 01–0, 4% av de totala lösta ämnena (tabell 1). Dessa fynd tyder på att förändringarna i prolinkoncentrationen i H. caspica kanske inte har orsakats av den osmotiska stressresponsen.

Under fältförhållanden är halofyterna väl anpassade till saltmark och uppvisar en hög kapacitet för jonabsorption och OA 36, 54 . I fältundersökningen för H. caspica samlades alla flygorgan från plantor och mogna växter betydligt mer Na +, Cl - och Mg 2+ än rötter, med särskilt höga nivåer i assimilerande grenar och reproduktionsorgan för mogna växter. Anhopningen av K + i reproduktionsorganen var större än i andra organ av mogna H. caspica . Dessutom var K + -innehållet i plantorötter större än det i assimilerande grenar. Tidigare forskning har visat att Ca 2+ kan förbättra membranstabiliteten under ogynnsamma förhållanden som en membranbunden molekyl, förändra uttrycksmönstret för vissa gener för att inducera proteinsyntes som svar på saltstress och förbättra stressbeständigheten hos växter 4 . Således är ackumulerad Ca 2+ en viktig indikator för metabolisk reglering för K + upptag och viktig för att upprätthålla ett högre K + / Na + -förhållande. I den aktuella studien inträffade de lägsta koncentrationerna av Na + och Cl -, en relativt hög koncentration av K + och den högsta koncentrationen av Ca 2+ i rötter. Det höga Ca 2+ -innehållet i rötterna indikerade minskad störning av toxiska joner och kan vara en indikation på en möjlig roll för Ca 2+ i regleringen av natriumupptag i rötterna.

Analysen av organiska lösta ämnen i olika organ av H. caspica som samlats in från den salt-alkaliska jorden indikerar att reproduktionsorganen från H. caspica som odlats i saltjord samlade mer betain, prolin och TSS än i de assimilerande grenarna. Däremot fanns det ingen signifikant skillnad i ansamlingen av betain eller prolin mellan de två organen i relativt måttlig salt-alkali jord. Den väsentliga ansamlingen av organiska lösta ämnen i reproduktionsorganen kan innebära en större tendens hos H. caspica- växter att skydda reproduktionsorganen för fröproduktion under saltbetingelser. I plantor som odlades i den salthaltiga jorden var ansamlingen av de undersökta organiska lösta ämnena högre i rötter än i de assimilerande grenarna. I synnerhet var TSS-innehållet i rötterna 11, 75 gånger det för de assimilerande grenarna. Således kan TSS också vara den viktiga organiska lösningen för OA för denna art i fältet.

OA-mekanismen är avgörande för överlevnaden av H. caspica i saltmark. I detta sammanhang är de grundläggande särdragen hos H. caspica dess förmåga att ackumulera Na + och Cl - i vakuolerna och att ackumulera en stor mängd organiska föreningar (såsom betain, TSS) i cytoplasma.

Slutsatser

Resultaten från denna studie avslöjade att 100 och 200 mM NaCl var mer gynnsamma för tillväxten av H. caspica än kontrolltillståndet (0 mM NaCl). Å andra sidan påverkade 400–600 mM NaCl negativt tillväxten på grund av överskottskoncentrationen av natriumjoner i lösningen. Under saltlösningsförhållanden resulterade saftigheten hos de assimilerande grenarna i natriumutspädning. Absorptionen av Na + och Cl - och syntesen av kompatibla lösta ämnen identifierades som de viktigaste stegen bakom osmotisk justering i H. caspica . Vi drar därför slutsatsen att den starka resistensen hos H. caspica mot saltstress beror på dess viktiga fysiologiska karaktärer, nämligen osmoreguleringsmekanismer för oorganiska joner, särskilt Na + och Cl -, och större ackumulering av organiskt lösta betain. Med beaktande av fördelningen av oorganiska joner och organiska lösta ämnen i de olika vävnaderna och organen uppvisade H. caspica också effektiv osmoregulering när det gäller substansfördelning för att skydda växttillväxt och utveckling under hög saltstress.

Material och metoder

Växtmaterial och tillväxtförhållanden

Frön från H. caspica samlades upp från växter som odlades vilda i de extremt salt-alkali- och halvökenområdena i utkanten av Gurbantunggutöknen i Xinjiang, nordvästra Kina. Fröna sås i ett blandat medium innehållande pottenjord, vermikulit och perlit i ett förhållande av 2: 1: 1. Efter 45 dagar i ett växthus vid 25–28 ° C under naturligt ljus (16 timmars ljus / 8 timmar mörka) förhållanden, bevattnade med destillerat vatten, överfördes plantorna till krukor som innehöll samma medium, med sju plantor per kruka. Två veckor senare delades växterna upp i sju grupper som behandlades med destillerat vatten innehållande O, 100, 200, 300, 400, 500 respektive 600 mM NaCl. Behandlingarna utfördes en gång per två dagar. Efter 30 dagars behandling mättes och registrerades effekten av salthaltbehandlingen.

För att undersöka samma fysiologiska parametrar i fälttillståndet valde vi två salt-alkali-miljöer för provsamling (87 ° 31 'E, 44 ° 29' N). Den ena regionen har extremt salt-alkali jord och den andra har relativt måttlig salt-alkali jord (se växande miljö som tabell S1 och figur S1). Som förklarats i figur S2 uppsamlades olika vävnader från mogna H. caspica- växter. I korthet samlades reproduktionsorganen och assimilerande grenar av mogna H. caspica- växter som växer i salt-alkali- eller milt salt-alkalisk jord; de ovan jord och underjordiska vävnaderna från plantorna från den salt-alkaliska jorden samlades också in.

Bestämning av vatteninnehåll och succulensgrad

Prover av assimilerande grenar (6–8 cm i längd från spetsen) tvättades kort med destillerat vatten för att avlägsna damm på ytan, torkades sedan med absorberande papper för att avlägsna ytfuktigheten. Dessa prover vägdes för att bestämma färskvikt (FW). För bestämning av torrvikten (DW) ångades proverna vid 105 ° C under 10 minuter och torkades sedan vid 80 ° C tills en konstant vikt uppnåddes. Vatteninnehållet (WC) beräknades enligt följande: (FW-DW) / DW. Graden av saftighet hos de assimilerande grenarna mättes som FW / DW.

Histologisk beredning och observation av H. caspica- assimilerande grenar

Motsvarande delar av de assimilerande grenarna från de olika H. caspica- behandlingsgrupperna selekterades, nedsänktes i fixativ under 48 timmar, dehydratiserades, doppades i vax och skivades i en optimal tjocklek för analys. Vävnadsskivorna nedsänktes därefter i 48 ° C vatten för att säkerställa att de var helt plattade. Skivorna torkades i en 50 ° C ugn, dubbelfärgades sedan med safranin och fast grönt. Vävnadssektionerna observerades med användning av ett Leica Microsystems DM3000 mikroskop.

Bestämning av joninnehåll i olika vävnader och organ hos H. caspica- växter

Cirka 50 mg torrt material spjälkades med 2 ml HN03, följt av utspädning av proverna med avjoniserat vatten till en slutlig volym av 25 ml 55 . De viktigaste oorganiska jonerna (Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+ och Cl -, SO 4 2– ) analyserades med användning av en atomabsorptionsspektrometer (Hitachi Z2000).

Bestämning av prolin, betain och lösligt socker

Ackumuleringen av osmolyter såsom fri prolin (Pro) analyserades med användning av förfarandet beskrivet av Zhao et al. (2009) med några ändringar 56 . Betaininnehåll mättes med metoden enligt Grieve and Grattan (1983) 57, och det totala lösliga sockerinnehållet (TSS) analyserades med användning av svavelsyra-antronmetoden 58 .

Statistisk analys

Statistisk analys utfördes med användning av GraphPad Prism-programvara, version 5.0. De fysiologiska parameterdata för det organiska lösta innehållet i vilda H. caspica- växter underkastades variansanalys (t-test). Skillnader mellan medel för de andra fysiologiska parametrarna analyserades med envägs ANOVA. Jämförelser mellan medelvärdena för de olika behandlingarna utfördes med användning av den minst signifikanta skillnaden (LSD) -testet vid en konfidensnivå på P <0, 05. Resultaten för alla fysiologiska parametrar uttrycktes som medel ± standardavvikelse (SD).

ytterligare information

Hur man citerar den här artikeln : Zeng, Y. et al. Bidrag och distribution av oorganiska joner och organiska föreningar till den osmotiska justeringen i Halostachys caspica- respons på saltstress. Sci. Rep 5, 13639; doi: 10.1038 / srep13639 (2015).

Förändra historien

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.