摘要

●與土壤澇漬相關的氧氣缺乏對根系呼吸和養分吸收產生不利影響。我們研究了O?缺乏和鹽度（100 mM NaCl）對大麥（Hordeum vulgare）不定根徑向O?濃度和細胞特異性離子分布的影響。

●使用微電極剖面法測量了在通氣、通氣含鹽、停滯或停滯含鹽介質中根內徑向O?濃度。在根尖后方兩個位置，通過X射線顯微分析測定了根內鉀（K）、鈉（Na）和氯（Cl）的細胞特異性元素濃度。

●在停滯溶液中的根，中柱和根尖區域發生嚴重的O?缺乏。中柱的O?缺乏降低了近根尖區域周細胞和木質部薄壁細胞中K、Na和Cl的濃度。在根尖附近，在通氣含鹽溶液中生長的根，其皮層中的Na減少，但在停滯含鹽溶液中生長的根，所有細胞類型中的Na都相對較高。

●缺氧對根中細胞離子濃度有實質性影響。周細胞和木質部薄壁細胞都參與依賴能量的K裝載到木質部以及控制徑向Na和Cl運輸。在根尖，Na在外層細胞的積累可能有助于減少尖端內部細胞中的Na。

引言

土壤澇漬降低了根系對O?的利用率，從而對呼吸和養分吸收產生不利影響。在澇漬土壤中受損的根系生長和功能是導致地上部養分缺乏并因此降低作物生產力的主要因素（Colmer&Greenway,2011;Shabala et al.,2014）。大片澇漬農業用地通常也是鹽漬化的（Barrett-Lennard,2003）。澇漬和鹽度的聯合效應對植物尤其有害，顯著降低了鹽度對植物生長產生有害影響的閾值（Drew et al.,1988;Barrett-Lennard,2003;Malik et al.,2009）。因此，需要提高植物對復合脅迫的耐受性以維持未來的作物生產（Colmer et al.,2005）。

耐澇性與通過大型相互連通的氣體通道（通氣組織）從地上部到根部的O?內部氣相擴散有關（Armstrong,1979;Colmer,2003;Voesenek&Bailey-Serres,2015）。對于處于厭氧介質中并通過通氣組織接收O?的根，O?缺乏（缺氧）可能發生在根的尖端區域和根的中柱內部（Armstrong,1979），導致能量缺乏（玉米數據見Gibbs et al.,1998;Darwent et al.,2003）。這些組織中缺氧的狀況是由于它們對O?的高代謝需求、組織的低孔隙度以及位于縱向和徑向O?擴散途徑末端的位置所致（Armstrong et al.,1994）。目前尚不清楚組織缺氧，特別是中柱缺氧，如何影響從表皮到木質部的徑向溶質運輸。在中柱缺氧/無氧期間，H?-ATP酶活性將因低呼吸導致的低ATP而受到限制，因此跨膜H?差異可能會減小，木質部裝載將受到影響（Colmer&Greenway,2011提出）。

鹽度耐受性需要調節離子向地上部的運輸（Tester&Davenport,2003）。當土壤鹽度與根區O?缺乏同時發生時，鈉（Na）和氯（Cl）從根到地上部的轉移速率增加，而鉀（K）的運輸比單獨暴露于鹽度時進一步減少（Barrett-Lennard,2003;Malik et al.,2009）。木質部Na濃度取決于根中特定細胞類型的幾種主動運輸過程，在鹽脅迫條件下，這些過程限制到達地上部的Na量（Tester&Davenport,2003），但當根變得O?缺乏時，這種機制可能受到損害（Drew&Lauchli,1985）。由于依賴能量的離子運輸機制在根缺氧期間可能被抑制（Shabala et al.,2014），評估在鹽度和缺氧復合脅迫下根及其特定細胞類型的Na、Cl和K穩態非常重要。

本研究旨在探討O?缺乏、NaCl鹽度及其組合對大麥（Hordeum vulgare）根內不同細胞類型徑向離子分布和濃度的影響。這是首次結合徑向O?濃度研究根內細胞特異性離子分布。迄今為止，關于缺氧根中離子運輸過程的研究僅在玉米或大麥幼苗的短期實驗中進行（Drew&Lauchli,1985;Gibbs et al.,1998;Pang et al.,2006;Zeng et al.,2014），或在綜述中推測（Colmer&Greenway,2011;Barrett-Lennard&Shabala,2013）。選擇大麥是因為它是一種相對耐鹽的谷物（James et al.,2006），但對澇漬敏感（Garthwaite et al.,2003）。使用微電極剖面法測量根內徑向pO?，并使用X射線顯微分析測定來自這些不同處理的根樣品中K、Na和Cl的細胞特異性元素濃度，采樣位置在根尖后方兩個位置。檢驗了以下假設：對于在厭氧介質中并依賴通氣組織接收O?的大麥根，O?缺乏最嚴重地發生在其根的中柱和朝向尖端處，如在玉米根中發現的那樣（Gibbs et al.,1998;Darwent et al.,2003）（盡管玉米根直徑比大麥根大）；中柱缺氧會減少K在木質部薄壁細胞和木質部中的積累；根缺氧會損害與鹽脅迫結合時的離子選擇性，從而降低K:Na比率。

材料與方法

植物材料和生長條件

Hordeum vulgare L.（變種 Franklin）的種子用 0.4%（w/v）次氯酸鈉進行表面消毒，浸泡在通氣的 0.5 mM CaSO4 中 3 小時，然后按照其他方法在裝有通氣營養液的4.5升用Al覆蓋的花盆中的浮動塑料網上生長。8 月至 10 月期間，在澳大利亞珀斯，植物在 25 : 20°C 的晝夜溫差條件下分批（四批，每批每種處理有三個或四個重復盆）生長，以便為各種測量提供植物。從第 4 天開始，植物暴露在自然陽光下（正午時分，芽高處的 PAR 值為 700-900 lmol m-2 s -1）。所有花盆中的溶液每周更新一次。

處理

對生長 14 天的植物進行了以下營養液處理：通氣非鹽水（對照）、通氣鹽水（100 毫摩爾氯化鈉）、不通氣非鹽水和不通氣鹽水（100 毫摩爾氯化鈉）。鹽水處理分兩步進行，每步間隔 12 小時。在添加 NaCl 之前，所有營養液中都添加了 Ca2+（CaSO4），以便在處理期間將最終濃度提高到 4 mM。缺氧處理是通過使用脫氧的 0.1%（w/v）瓊脂營養液進行的，如其他地方所述。先用 N2 氣體沖洗營養液 30 分鐘，對根部進行缺氧預處理，然后在不冒泡的情況下靜置過夜，再進行缺氧處理。花盆采用完全隨機設計，并在每次更新營養液時重新隨機化。