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《植物生态学报》 2017年06期
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小麦根系在碱胁迫下的生理代谢反应

郭瑞  周际  杨帆  李峰  
【摘要】:为明确碱胁迫对小麦(Triticum aestivum)根系离子组及代谢组的影响,探讨其响应变化规律及机制,该研究以小麦为实验材料,采用两种碱性盐(Na HCO3和Na2CO3)按摩尔比1:1混合模拟不同碱胁迫强度,利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术结合多元变量分析方法,系统分析小麦根系在碱胁迫下的矿质元素、游离阴离子、代谢产物及代谢途径变化。结果显示:低浓度碱胁迫下小麦根系仍能维持一定的生长,但在高浓度碱胁迫下根系生长受到了明显抑制。当碱胁迫强度超过小麦根系调节能力时,根系中Na含量急剧增加的同时K含量明显减少。碱胁迫刺激根中Ca积累,而Mg、Cu和Fe含量呈现下降趋势。碱胁迫明显减少根中游离阴离子(主要是Cl–)含量。检测代谢物组包括有机酸、氨基酸、碳水化合物、嘧啶和嘌呤等70个代谢产物,主成分分析结果表明代谢物均分布在95%的置信区间内。碱胁明显迫促进苹果酸、琥珀酸等代谢物积累,但造成糖类(果糖、蔗糖)及多元醇(肌醇、山梨糖醇)和氨基酸(γ-氨基丁酸、丙氨酸)含量显著下降。结果表明:根系中Na+含量剧增,加上高pH值危害,导致根系生长率降低;与此同时,游离阴离子明显减少,造成根系内负电荷亏缺和pH不稳定,导致离子平衡遭到破坏,进而引起一系列代谢途径的协变反应。小麦根系在碱胁迫下糖酵解、细胞膜脂代谢和氨基酸合成受到明显的抑制,但三羧酸循环显著增强。这些结果表明碱胁迫(高pH值)对碳素合成和储存有明显的负效应,降低代谢合成碳骨架和能量,使得清除活性氧能力明显下降。碱胁迫下根外部质子缺乏造成NO3–含量降低,影响氮素吸收利用,导致氨基酸合成受阻。三羧酸循环增强为生成有机酸类化合物和调控pH平衡提供能量,这可能是植物适应碱胁迫的一种特殊对应策略。

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