不定根不同细胞类型的径向K、Na和Cl浓度

确定了在停滞溶液中的根，其根的中柱和尖端区域发生严重O₂缺乏后，我们评估了这些组织中O₂缺乏是否影响细胞特异性K、Na和Cl浓度。测量了不定根（图2i,j）中不同细胞类型的K、Na和Cl的液泡浓度（参见结果部分；cf.Lauchli et al.,2008），采样位置在根尖后方10 mm和50 mm处。测量径向离子剖面的根解剖结构包括表皮、皮层和中柱（图2i,j）。皮层包括亚表皮、六到八层皮层细胞和一个内皮层（图2j）。中柱中研究的细胞包括周细胞、木质部薄壁细胞和木质部导管。木质部由几个外周后生木质部导管（早期后生木质部）和3-6个中心后生木质部（晚期后生木质部）导管组成（图2i）。

钾-距根尖10 mm在通气非盐根中，表皮和皮层细胞的钾浓度相似，平均为57±3.5 mmol kg⁻¹等效鲜重（图4a）。钾在周细胞和木质部薄壁细胞中最高（平均135±6.8 mmol kg⁻¹），并向木质部导管方向下降，在中心后生木质部导管中最低（37±4 mmol kg⁻¹）。通气含盐根中细胞的K浓度与通气非盐根中的细胞没有统计学差异（P=0.4）。停滞处理导致根内钾剖面与通气处理中的不同，在两种停滞处理的根中，周细胞的钾浓度显著降低（P<0.0001）。在这些缺氧根中，K有从亚表皮穿过皮层增加的趋势，尽管在周细胞中相对较低（45pm 3.5 mmol kg^{-1}），但在木质部薄壁细胞（127±7 mmol kg⁻¹）和中心后生木质部导管（38±6 mmol kg⁻¹）中，K与通气根中的浓度一样高。

钾-距根尖50 mm在通气非盐根中，表皮、亚表皮、外皮层和中皮层的K浓度相似（平均36±3 mmol kg⁻¹；图4b）。钾浓度随后在内皮层和内皮层中增加，在周细胞中达到最高水平（152±10 mmol kg⁻¹），并向木质部导管方向下降，在中心后生木质部中达到最低水平（29±3 mmol kg⁻¹）。通气含盐根中相应的钾剖面模式与非盐根相似，但通气含盐根中周细胞、木质部薄壁细胞和外周后生木质部导管的钾浓度平均比这些细胞在通气非盐根中高70%（P<0.05）。在两种停滞处理的根中，K浓度在皮层中与通气根相似，但在周细胞、木质部薄壁细胞和外周后生木质部导管中显著降低（P<0.0001）。

木质部钾浓度及关于木质部成熟度的说明在所有处理中，距离根尖10 mm处的外周和中心后生木质部导管中的钾浓度都相对较高，表明这些导管可能尚未成熟，含有细胞内容物而不是木质部汁液（图4a）。这与Huang&Van Steveninck(1988)的研究一致，他们报道了在通气营养液中生长的年轻大麦幼苗种子根距离根尖10 mm处，木质部导管中钾浓度很高。在他们的研究中，距根尖50 mm处外周后生木质部的K浓度下降，但在距离根尖达150 mm处中心后生木质部的K浓度仍保持较高水平。对于本研究中的根，我们不确定距离根尖50 mm处的木质部导管是否成熟。在14-17天水培生长的大麦幼苗不定根（最大长度75 mm）中，轴向水力阻力从根尖开始随距离增加而降低，直到距根尖约60 mm处，表明直到这个位置并非所有木质部导管都已成熟（Knipfer&Fricke,2011）。在本研究中，在距离根尖50 mm处，外周后生木质部的钾浓度在通气溶液中生长的根中往往高于在停滞溶液中生长的根（图4b）。对于停滞处理中生长较慢的根，在距离根尖相同距离处的组织会比通气处理中生长较快的根更老。因此，在停滞处理中，生长较慢的根，其木质部导管可能在更靠近根尖处成熟。

钠-距根尖后方10 mm非盐根中的钠浓度在所有分析的细胞中都很低，无论是通气还是停滞处理，均不超过12 mmol kg⁻¹（图4c）。在通气含盐处理的根中，钠浓度在表皮、亚表皮和外皮层中最高（平均103±10 mmol kg⁻¹），在中皮层向内的细胞和木质部导管中较低（平均20±1.5 mmol kg⁻¹）（图4c）。停滞含盐根中相应的Na剖面与通气含盐根中的显著不同（P<0.0001）。停滞含盐根中表皮和亚表皮的Na浓度平均比通气含盐根中低47%，外皮层相似，但从中皮层向内到木质部导管的细胞中平均高300%（P<0.05）。

钠-距根尖后方50 mm在非盐根中，通气处理和停滞处理的所有分析细胞中钠浓度都很低，均不超过10 mmol kg⁻¹（图4d）。在通气含盐根中，表皮、亚表皮、外皮层和中皮层细胞中的Na含量低且相似（平均33±1 mmol kg⁻¹），然后在内皮层和内皮层中急剧增加，在周细胞中达到最高浓度（172±13 mmol kg⁻¹），随后向木质部导管急剧下降，在中心后生木质部中降至最低浓度（21±3 mmol kg⁻¹）。对于停滞含盐处理中的根，直到木质部薄壁细胞的Na浓度在根内细胞中相似（平均56±2 mmol kg⁻¹），但在木质部导管中降至26±0 mmol kg⁻¹。

与通气含盐根在距根尖10 mm和50 mm处显示出不同的Na剖面模式（P<0.0001；图4c,d）相反，停滞含盐根在距根尖10 mm和50 mm处的剖面没有统计学差异（P=0.7；图4c,d）。此外，在停滞含盐根中，在两个位置，Na浓度在根内分布更均匀，因此，对于停滞含盐处理中的根，没有表现出通气根中描述的那种明显的细胞类型差异。

钾钠比-距根尖后方10 mm K:Na比率在通气非盐根中最高，从表皮的2.2到周细胞的23不等（图4e）。盐度和停滞处理都导致K:Na比率降低：在通气含盐和停滞非盐根的细胞中，比率（分别）从亚表皮的0.4和0.7到周细胞的8.2和14.5变化，

钾钠比-距根尖后方50 mm在通气非盐根中，从中皮层向外细胞的K:Na比率相对较低（平均值约2），在周细胞中达到最高值（15），并向木质部导管下降，在中心后生木质部中最低（2.5）。停滞非盐根中，表皮和皮层的K:Na比率较低（平均2.3），在周细胞和木质部薄壁细胞中升至约6，在木质部导管中降至约2.5。通气含盐和停滞含盐处理的根中，所有细胞的比率均较低（平均0.7）。

氯离子-距根尖后方10 mm非盐根中的氯离子浓度较低（通气根：14±0.7 mmol kg⁻¹；停滞根：7±0.5 mmol kg⁻¹）（图4g）。通气含盐溶液中，所有细胞的Cl浓度升高至平均87pm 4,mmol,kg^{-1}（P<0.05），但木质部导管中仍较低（27±4 mmol kg⁻¹）。停滞含盐根的Cl浓度在表皮、亚表皮和外皮层比通气含盐根低约48%，但在其他细胞中相似；木质部导管的Cl浓度高出3倍（83±8 mmol kg⁻¹）。通气含盐根中，表皮/亚表皮的高Cl浓度与高Na形成电荷平衡（图4c），而Cl在整个根半径保持较高水平，可能与内部细胞高K浓度相关（图4a）。

氯离子-距根尖后方50 mm非盐根中，表皮至中皮层细胞的Cl浓度较低（平均12±0.7 mmol kg⁻¹；图4h）。停滞非盐根中Cl保持低位，而通气非盐根中Cl在内皮层和内皮层显著增加，在周细胞中达峰值（65±3 mmol kg⁻¹）。通气含盐根中，表皮至中皮层细胞Cl浓度相似（37±2 mmol kg⁻¹），随后在内皮层急剧上升，在周细胞中最高（278±14 mmol kg⁻¹），最终在中心后生木质部降至45±3 mmol kg⁻¹。停滞含盐根中，Cl浓度在所有细胞中较均匀（平均50±2.5 mmol kg⁻¹），在中心后生木质部为21±0.8 mmol kg⁻¹。

关于蒸腾作用对木质部离子浓度影响的说明

X射线显微分析样品在实验室采集（蒸腾速率低于温室）。根尖区（10 mm）因木质部未成熟呈"水力隔离"状态（Frensch&Steudle,1989），离子浓度受蒸腾影响小。距根尖50 mm处部分木质部或已成熟，蒸腾降低可能提高绝对离子浓度（Munns,1985），但处理间比较仍具参考价值。

不定根整体组织离子浓度

为补充细胞特异性数据，测定了不定根整体离子浓度（图5）。

•K浓度：通气非盐、通气含盐和停滞非盐处理相似（76-105 mmol L⁻¹组织水）；停滞含盐处理降至对照的34%（P<0.05）（图5）。

•Na浓度：通气/停滞非盐处理均低（22-26 mmol L⁻¹）；通气含盐和停滞含盐处理分别比对照高5.1倍和3.5倍（P<0.05）。

•Cl浓度：非盐处理中较低（6-10 mmol L⁻¹）；含盐处理比对照高10-12倍（P<0.05）。

K:Na比率（表2）：

通气非盐根最高（4.6）；停滞含盐根最低（0.4）。盐度和缺氧均显著降低该比率（P<0.05）。

表2大麦不定根K:Na比率

处理K:Na比率

通气非盐4.6±0.06a

通气含盐0.7±0.05b

停滞非盐4.0±0.08c

停滞含盐0.4±0.03b

（不同字母表示显著差异，P<0.05）

讨论

盐度与缺氧显著影响大麦根离子分布。微电极剖面（图3）证实停滞溶液中根的中柱和根尖区O₂缺乏最严重（孔隙度14-19%，表1）。缺氧降低K:Na比率（表2；图4e,f），停滞含盐根中该比率低至0.4（表2），细胞水平仅0.2-1.1（图4e,f）。

关键发现：

1.细胞特异性Na积累模式

•通气含盐根中，距根尖10 mm处Na富集于表皮/外皮层（图4c），可能减少内部细胞Na暴露（此区域木质部未成熟，水流受限）。

•距根尖50 mm处Na在周细胞积累（图4d），与硬粒小麦（Lauchli et al.,2008）和葡萄（Storey et al.,2003）一致，表明周细胞限制Na向木质部运输。

•停滞含盐根中Na分布均匀（图4c,d），缺氧可能抑制液泡区室化（依赖H⁺-ATP酶供能）及质膜SOS1介导的Na⁺外排。

2.K装载的细胞位点

通气条件下，周细胞和木质部薄壁细胞均积累高K（图4a,b），表明二者参与K向木质部装载。缺氧降低周细胞K浓度（图4b），证实该过程依赖能量。

3.径向O₂扩散屏障

微电极剖面（图3）显示表皮/中柱组织对O₂扩散的高阻力导致pO₂陡降。停滞溶液中，距根尖40 mm以远区域中柱严重缺氧（pO₂≤0.2 kPa），限制呼吸供能。

结论

中柱缺氧抑制周细胞和木质部薄壁细胞的能量依赖性K装载。盐胁迫下，周细胞对Na/Cl转运的调控因缺氧受损。根尖区Na在外层细胞的积累（通气条件）可减少内部细胞Na暴露，但该机制在缺氧时失效。