摘要

●与土壤涝渍相关的氧气缺乏对根系呼吸和养分吸收产生不利影响。我们研究了O₂缺乏和盐度（100 mM NaCl）对大麦（Hordeum vulgare）不定根径向O₂浓度和细胞特异性离子分布的影响。

●使用微电极剖面法测量了在通气、通气含盐、停滞或停滞含盐介质中根内径向O₂浓度。在根尖后方两个位置，通过X射线显微分析测定了根内钾（K）、钠（Na）和氯（Cl）的细胞特异性元素浓度。

●在停滞溶液中的根，中柱和根尖区域发生严重的O₂缺乏。中柱的O₂缺乏降低了近根尖区域周细胞和木质部薄壁细胞中K、Na和Cl的浓度。在根尖附近，在通气含盐溶液中生长的根，其皮层中的Na减少，但在停滞含盐溶液中生长的根，所有细胞类型中的Na都相对较高。

●缺氧对根中细胞离子浓度有实质性影响。周细胞和木质部薄壁细胞都参与依赖能量的K装载到木质部以及控制径向Na和Cl运输。在根尖，Na在外层细胞的积累可能有助于减少尖端内部细胞中的Na。

引言

土壤涝渍降低了根系对O₂的利用率，从而对呼吸和养分吸收产生不利影响。在涝渍土壤中受损的根系生长和功能是导致地上部养分缺乏并因此降低作物生产力的主要因素（Colmer&Greenway,2011;Shabala et al.,2014）。大片涝渍农业用地通常也是盐渍化的（Barrett-Lennard,2003）。涝渍和盐度的联合效应对植物尤其有害，显著降低了盐度对植物生长产生有害影响的阈值（Drew et al.,1988;Barrett-Lennard,2003;Malik et al.,2009）。因此，需要提高植物对复合胁迫的耐受性以维持未来的作物生产（Colmer et al.,2005）。

耐涝性与通过大型相互连通的气体通道（通气组织）从地上部到根部的O₂内部气相扩散有关（Armstrong,1979;Colmer,2003;Voesenek&Bailey-Serres,2015）。对于处于厌氧介质中并通过通气组织接收O₂的根，O₂缺乏（缺氧）可能发生在根的尖端区域和根的中柱内部（Armstrong,1979），导致能量缺乏（玉米数据见Gibbs et al.,1998;Darwent et al.,2003）。这些组织中缺氧的状况是由于它们对O₂的高代谢需求、组织的低孔隙度以及位于纵向和径向O₂扩散途径末端的位置所致（Armstrong et al.,1994）。目前尚不清楚组织缺氧，特别是中柱缺氧，如何影响从表皮到木质部的径向溶质运输。在中柱缺氧/无氧期间，H⁺-ATP酶活性将因低呼吸导致的低ATP而受到限制，因此跨膜H⁺差异可能会减小，木质部装载将受到影响（Colmer&Greenway,2011提出）。

盐度耐受性需要调节离子向地上部的运输（Tester&Davenport,2003）。当土壤盐度与根区O₂缺乏同时发生时，钠（Na）和氯（Cl）从根到地上部的转移速率增加，而钾（K）的运输比单独暴露于盐度时进一步减少（Barrett-Lennard,2003;Malik et al.,2009）。木质部Na浓度取决于根中特定细胞类型的几种主动运输过程，在盐胁迫条件下，这些过程限制到达地上部的Na量（Tester&Davenport,2003），但当根变得O₂缺乏时，这种机制可能受到损害（Drew&Lauchli,1985）。由于依赖能量的离子运输机制在根缺氧期间可能被抑制（Shabala et al.,2014），评估在盐度和缺氧复合胁迫下根及其特定细胞类型的Na、Cl和K稳态非常重要。

本研究旨在探讨O₂缺乏、NaCl盐度及其组合对大麦（Hordeum vulgare）根内不同细胞类型径向离子分布和浓度的影响。这是首次结合径向O₂浓度研究根内细胞特异性离子分布。迄今为止，关于缺氧根中离子运输过程的研究仅在玉米或大麦幼苗的短期实验中进行（Drew&Lauchli,1985;Gibbs et al.,1998;Pang et al.,2006;Zeng et al.,2014），或在综述中推测（Colmer&Greenway,2011;Barrett-Lennard&Shabala,2013）。选择大麦是因为它是一种相对耐盐的谷物（James et al.,2006），但对涝渍敏感（Garthwaite et al.,2003）。使用微电极剖面法测量根内径向pO₂，并使用X射线显微分析测定来自这些不同处理的根样品中K、Na和Cl的细胞特异性元素浓度，采样位置在根尖后方两个位置。检验了以下假设：对于在厌氧介质中并依赖通气组织接收O₂的大麦根，O₂缺乏最严重地发生在其根的中柱和朝向尖端处，如在玉米根中发现的那样（Gibbs et al.,1998;Darwent et al.,2003）（尽管玉米根直径比大麦根大）；中柱缺氧会减少K在木质部薄壁细胞和木质部中的积累；根缺氧会损害与盐胁迫结合时的离子选择性，从而降低K:Na比率。

材料与方法

植物材料和生长条件

Hordeum vulgare L.（变种 Franklin）的种子用 0.4%（w/v）次氯酸钠进行表面消毒，浸泡在通气的 0.5 mM CaSO4 中 3 小时，然后按照其他方法在装有通气营养液的4.5升用Al覆盖的花盆中的浮动塑料网上生长。8 月至 10 月期间，在澳大利亚珀斯，植物在 25 : 20°C 的昼夜温差条件下分批（四批，每批每种处理有三个或四个重复盆）生长，以便为各种测量提供植物。从第 4 天开始，植物暴露在自然阳光下（正午时分，芽高处的 PAR 值为 700-900 lmol m-2 s -1）。所有花盆中的溶液每周更新一次。

处理

对生长 14 天的植物进行了以下营养液处理：通气非盐水（对照）、通气盐水（100 毫摩尔氯化钠）、不通气非盐水和不通气盐水（100 毫摩尔氯化钠）。盐水处理分两步进行，每步间隔 12 小时。在添加 NaCl 之前，所有营养液中都添加了 Ca2+（CaSO4），以便在处理期间将最终浓度提高到 4 mM。缺氧处理是通过使用脱氧的 0.1%（w/v）琼脂营养液进行的，如其他地方所述。先用 N2 气体冲洗营养液 30 分钟，对根部进行缺氧预处理，然后在不冒泡的情况下静置过夜，再进行缺氧处理。花盆采用完全随机设计，并在每次更新营养液时重新随机化。