刺山柑（Capparis spinosa L.）的农业生态价值开发：多维度盐度适应性研究及养分运输机制

《Acta Agriculturae Scandinavica, Section B — Soil & Plant Science》：Agroecological valorization of Capparis spinosa L.: multi-dimensional salinity plasticity inverstigation and nutrient transport

　　摘要
水资源短缺和土地退化日益限制农业生产，而植物技术被视为一种可持续的解决方案。本研究探讨了刺山柑（Capparis spinosa L.）在盐分加剧的环境中的生长能力。评估了不同NaCl浓度（0至200 mM）对这种原产于突尼斯的刺山柑亚种在生长、叶片生理特性以及离子选择性和运输方面的影响，并研究了其盐分调节和抗性机制。结果表明，大多数定量形态生理指标及离子积累和运输方面存在显著差异。在盐分作用下，植株表现出一定的耐受性和生理可塑性，表现为根生物量（增加25%）、株高（增加27%）、叶片生物量（增加18%）和叶片厚度（增加60%）。盐分导致主要阳离子吸收减少，叶片组织中有毒离子负荷急剧增加，但通过维持适当的离子选择性运输，植株仍能保持稳定的运输速率。实际上，刺山柑能够在盐分胁迫下生长，并通过形态生理适应减少毒性影响，这些适应机制包括液泡区室化、阳离子选择性和从根部到叶片的离子选择性运输。鉴于其可塑性，刺山柑成为受损和盐碱化土地上的有前景的可持续本地资源。

关键词：
刺山柑；选择性离子运输；形态生理指标；盐分胁迫；耐受机制

引言
干旱和半干旱地区的农业系统，特别是在地中海流域，正日益受到水资源短缺、土壤退化以及土壤和灌溉水盐碱化的影响。这些限制因气候变化和不可持续的农业实践而加剧，影响了全球30%的土地，限制了作物产量并威胁粮食安全（Hossain等人，2020年）。土壤盐碱化被广泛认为是影响植物生长和产量的最严重的非生物胁迫因素之一（Negr?o等人，2017年；Hussain等人，2019年；Hasanuzzaman和Fujita，2022年）。盐分胁迫通过渗透压和离子作用影响植物，导致水分吸收减少、离子毒性增加、氧化应激和营养失衡（Mane等人，2011年；Pandit等人，2024年）。钠和氯的过度积累会破坏离子平衡，干扰必需营养素的吸收（Zhao等人，2020年）。因此，在盐分条件下维持适宜的K+/Na+比例对维持代谢稳定性和酶活性至关重要（Silva等人，2015年）。为了应对这些挑战，植物进化出了一系列适应策略，包括离子排除、渗透调节、抗氧化防御和有毒离子的细胞内区室化。其中，选择性离子运输和液泡隔离被认为是盐分耐受性的关键机制（Silva等人，2015年；Wu和Li，2019年；Mansour，2023年）。

在这种背景下，识别耐盐植物物种对于发展具有韧性的农业系统至关重要，尤其是在越来越依赖咸水或盐水等非常规水资源的地区（Altieri等人，2015年；Christoforidi等人，2022年）。适应恶劣环境的本地和未充分利用的物种正受到关注，被视为可持续和多样化农业生态系统中的有前景的组成部分（Le Houérou和Pontanier，1987年；Agudelo等人，2021年）。刺山柑（Capparis spinosa L.）是一种多年生耐旱灌木，广泛分布于地中海生态系统，以其显著的生态可塑性而闻名（Pugnaire和Esteban，1991年；Fici，2004年；Chedraoui等人，2017年）。由于形态和生理适应以及高效的水分利用策略，它能在干旱、土壤贫瘠和高盐分的环境中茁壮成长（Singh等人，1992年；Psaras和Sofroniou，1999年；Rhizopoulou和Psaras，2003年；Sak?ali等人，2008年；Legua等人，2013年）。先前的研究强调了其在恶劣环境中的生长潜力及其调节形态和生理机制的能力（Sak?ali等人，2008年；Gristina等人，2014年；Chedraoui等人，2017年）。除了生态适应性外，刺山柑还具有重要的农学和社会经济价值。其花蕾因其营养价值和植物化学成分（包括高含量的酚类化合物、抗氧化剂和维生素）而受到广泛消费（Tlili等人，2010年；Rezzan等人，2013年；Shahrajabian等人，2021年；Annaz等人，2022年）。此外，该物种还有助于土壤稳定、生物多样性保护和退化景观的生态恢复（Chedraoui等人，2017年）。这些特性使其成为地中海干旱地区生物盐农业和农业生态系统的有希望的候选植物。

尽管刺山柑的耐盐性已得到认可，但其盐分适应的生理基础仍不够明确，尤其是在不同盐分梯度下植物器官间的离子选择性和运输动态方面。大多数先前的研究集中在总体生长反应或生化特性上，对离子吸收、转运和分配过程的关注有限，而这些过程对于维持盐分胁迫下的细胞稳态至关重要（Negr?o等人，2017年；Zhao等人，2020年；Bouskout等人，2025a）。这一知识空白限制了该物种在农业生态和生物盐农业系统中的有效应用。

因此，本研究旨在探究突尼斯刺山柑亚种在受控水培条件下对逐渐增加的盐分水平的响应。具体目标包括：（i）评估不同NaCl浓度下的生长参数和关键形态生理指标；（ii）分析根、茎和叶中主要离子（Na+、Cl?、K+和Ca2+）的吸收、转运和分布；（iii）评估离子选择性和运输效率作为潜在的盐分耐受机制；（iv）确定所研究亚种的盐分耐受阈值。通过提供关于刺山柑在盐分条件下的生理和离子反应的新见解，本研究有助于更好地理解其适应能力，并支持将其纳入盐分影响环境的可持续农业策略中。

材料与方法
**植物生长条件和实验设计**
实验使用从约五株成熟野生刺山柑植物中收获的种子培育出的三个月大的幼苗进行，种子在4°C下储存直至使用。为了促进发芽，种子用纯漂白剂处理6小时，用蒸馏水冲洗三次后播种在泥炭中。从健壮的种子中获得的幼苗随后转移到基础合成液体培养基中，在人工光照下生长，光照周期为16小时，白天平均温度为28°C，夜间为25°C。基础营养液（pH 6.2至7.5，氧含量17%至18%）含有大量元素（以mM计）：K+：1.5；Ca2+：1.75；Mg2+：0.5；N0-3：3.5；H2P042-：0.5；SO42?：0.5，以及微量元素（以ppm计）：B：0.16；Mn：0.25；Fe：1.4；Cu：0.03；Zn：0.03；Mn：0.03；Mo：0.01。适应营养液一周后，挑选出所有生长健康的幼苗，随机移植到一升（1L）不透明黑色塑料容器中，通过添加氯化钠（NaCl）溶液使培养基盐分浓度从0（对照处理）逐渐增加到50、100、150和200 mM（盐分胁迫处理）。盐分以每2天50 mM的速度逐步添加，以避免对植物造成渗透冲击。盐分水平稳定后，每周更换一次容器中的溶液，以确保盐分水平稳定。所有幼苗在培养条件下保持24天。

**形态生理参数和指标的测量**
处理后，收获植物并用冷蒸馏水冲洗以去除残留物。立即测量每个样本的鲜重（FW）。使用精确度达到1/10%毫克的精密天平将植物分为根、茎和叶，然后在60°C的烤箱中干燥72小时后测定干重（DW）。计算植物各部分的相对干物质比例（以%表示）：
$$
\text{相对干物质比例} = \frac{\text{干物质（DW.\text{部分A}}}{\text{植物总干物质（DW.\text{Plant}}} \times 100
$$
其中，$\text{DW.\text{PartA}}$ 是植物各部分的干物质（根（DW.\text{R}）、茎（DW.\text{S}）、叶（DW.\text{L}））。
茎和叶的生长差异（SH/R）通过茎叶比表示：
$$
\text{SH/R} = \frac{\text{DW.\text{Shootpart}}{\text{DW.\text{Rootpart}}
$$
叶面积（LAP）用数字测面积仪测量，以cm2表示。叶面积比（LAR）（cm2/gDW）表示为叶面积与整个植物生物量的比率。特定叶面积（SLA）（cm2/gDW）表示为叶面积与叶干物质的比率：
$$
\text{SLA} = \frac{\text{LAP}}{\text{DW.\text{Plant}}
$$
叶水含量（LWC）以mg/gDW表示，使用Black和Pritchard公式计算（Black和Pritchard，2003年）：
$$
\text{LWC} = \frac{\text{FW.\text{Leaves}}{\text{DW.\text{Leaves}}
$$
叶片多汁度指数（IS）根据Qiu等人（2014年）的方法，用叶鲜重与干重的比率表示：
$$
\text{IS} = \frac{\text{FW.\text{Leaves}}{\text{DW.\text{Leaves}}
$$
叶片厚度（EL）以mm表示，通过叶水含量（LWC in ml/gDW）与特定叶面积（SLA in cm2/gDW）的比率计算：
$$
\text{EL} = \frac{\text{LWC}}{\text{SLA}}
$$

**离子浓度及离子运输和选择性指标的计算**
不同器官在60°C下干燥72小时并研磨成细粉。用HNO3（根用0.1N，茎和叶用0.5N）提取后，提取物过滤在纸上并立即分析；阳离子（Na+、K+、Ca2+）通过发射火焰光谱法（Eppendorf）测定。Cl?阴离子通过氯量计（Buchler-Cotlove）测定。
每个植物部分（根、茎、叶）的X离子含量（Na+、Cl?、K+、Ca2+）相对于干生物量的百分比表示为：
$$
X = \frac{\text{Cx} \times \text{DW.\text{PartA}}{1000 \times \text{DW.\text{Plant}} \times 100}
$$
其中，$Cx$ 是X离子（Na+、Cl?、K+、Ca2+）的含量（以mg/g DW表示）。
根、茎和叶中K+/Na+和Ca2+/Na+的选择性通过以下公式确定：
$$
\text{K+分数} = \frac{\text{K+}}{\text{K+} + \text{Na+}} \quad \text{和} \quad \text{Ca2+分数} = \frac{\text{Ca2+}}{\text{Ca2+} + \text{Na+}}
$$
这些离子分数基于每个植物部分（根、茎、叶）中的离子含量计算。
茎（叶和叶）与根之间的离子运输比率（TR）对于每种离子（Na+、Cl?、K+、Ca2+）根据以下公式计算（Kwon等人，2009年；Lan等人，2023年）：
$$
\text{TRx} = \frac{\text{Cx}_{\text{Shoot}}}{\text{Cx}_{\text{Root}}
$$
离子X（K+、Ca2+）在不同部分（根和茎；茎和叶）之间的选择性运输能力（ST）使用Xia等人（2018年）和Ran等人（2022年）提出的方法计算：
$$
\text{STx}(\text{A/B}) = \frac{\frac{\text{Cx}_{\text{A}}}{\text{Cx}_{\text{B}}}
$$
其中，A和B是植物部分（根、茎和叶），$Cx$ 是X离子（Na+、Cl?、K+、Ca2+）的含量（以mg/g DW表示）。

**数据处理**
每种处理使用20株植物进行生理形态和矿物分析，所有数据集均使用JMPPro 18进行统计分析。
采用单因素方差分析（ONE-WAY ANOVA）评估不同盐分处理对每个测量参数的影响。使用的统计模型为：
$$
Y_{ij} = \mu + Ti + \epsilon_{ij}
$$
其中，$Y_{ij}$ 表示观测值，$\mu$ 表示总体均值，$Ti$ 表示盐分处理的固定效应，$\epsilon_{ij}$ 表示随机误差。
使用Student-Newman-Keuls检验比较处理均值。使用Shapiro-Wilk检验评估残差正态性，Levene检验检查方差齐性。差异在p < 0.05水平上视为显著。结果以均值±标准差（SD）表示。
主成分分析（PCA）用于了解每个指标的贡献程度及其对植物盐分耐受性的影响。

**结果**
**刺山柑对盐分胁迫的形态生理响应**
在本研究中，我们选择了突尼斯广泛分布的野生刺山柑亚种Capparis spinosa ssp. spinosa（刺山柑），以确定其个体抗性机制和盐分适应能力。初步结果显示，盐分胁迫对所研究的形态生理变量具有双重影响：一些指标下降，表明有毒作用；而另一些指标上升，表明耐受反应。在50和100 mM的NaCl浓度下，经过24天盐分胁迫的刺山柑叶片和根部均未出现毒性症状。在150 mM的浓度下，叶片保持健康，但根部出现了棕色。在200 mM的NaCl浓度下，叶片开始出现坏死现象，根部的棕色也变得更加明显。

**NaCl对生长速率的影响**
50 mM的NaCl略微促进了整个植物的干物质生产，最佳浓度为100 mM和150 mM。这种促进作用影响的是根部和叶片，而不是茎部，因为茎部是对NaCl最敏感的器官。在200 mM的高盐浓度下，干物质生产受到显著抑制，与对照组相比，茎部的干物质减少了约60%。在100 mM以下，NaCl对光合器官的生长速率影响不大，甚至还有轻微的促进作用，表现为叶片干重增加了18%；但在高盐浓度下，生长速率显著下降（见图1）。

**图1. 不同NaCl浓度对山柑幼苗根干重（DW.R）、茎干重（DW.S）、叶干重（DW.L）、植株干重（DW.P）以及茎/根比率（SH/R）的影响。** 数据为每种盐处理条件下20株幼苗的平均值±标准差。相同字母表示在P < 0.05的水平上无显著差异。

该图表显示了一个分组条形图，并叠加了一条虚线图，总结了山柑幼苗在不同氯化钠浓度下的干物质特征。横轴标出了5种处理条件：对照组、50毫摩尔、100毫摩尔、150毫摩尔和200毫摩尔。左纵轴以毫克为单位标注干重，刻度范围为0到600，间隔为100毫克。每种处理条件下，4个相邻的条形分别代表根干重、茎干重、叶干重和植株干重。每个条形上方有误差条，条形上方的字母表示统计分组。在对照组和100毫摩尔条件下，植株干重约为300毫克；而在200毫摩尔条件下，茎干重显著下降，所有干重均低于120毫克。100毫摩尔条件下的叶干重略高于对照组，随后逐渐减少。根干重随氯化钠浓度的增加而逐渐减少，在200毫摩尔时达到最低值。虚线表示茎/根比率，纵轴标注为0到6的比率范围，对照组时比率最高，100毫摩尔时略有下降，150毫摩尔时略有上升，200毫摩尔时最低。

**生物量在植物各部分之间的分配**
研究表明，盐分可以刺激根部的干物质积累（在对照组培养基中为15.2%，在200 mM NaCl中为19.3%）。然而，在地上部分，盐分减少了分配给茎部的生物量，增加了分配给叶片的生物量，且这种分配随着盐浓度的增加而逐渐增加，在200 mM盐浓度下达到最大值（比对照组多20%）。实际上，茎部的生物量从对照组培养基中的30%下降到200 mM NaCl中的18.4%，而叶片的生物量从54.8%增加到62.3%。

**茎/根比率（SH/R）**
总体而言，地上部分与根部生物量的比率下降，200 mM盐浓度下的平均最小值为4.19。

这些结果也通过SH/R比率得到了验证（见图1）；该指标显示，在中等盐胁迫（150 mM以下）下，地上部分和根部的发展没有显著差异；只有在最高盐胁迫（200 mM）下，这一比率减少了约20%，表明在这种盐浓度下根部的发育比茎部更为重要。

**NaCl对根部和茎部长度的影响**
对于每个根系和茎系，测量了最发达根的长度以及分支的总长度。结果显示，150 mM以下的NaCl浓度显著促进了根部的伸长，具体程度因盐浓度而异，在100 mM时伸长率为27%；但在高盐浓度（200 mM）下，根部发育略有下降（约12%）。最长的根出现在100 mM浓度下，最短的根出现在最高盐浓度下。分支的总长度在对照组培养基中平均为19厘米，而在NaCl存在下有所减少。然而，盐浓度对分支长度的影响仅在200 mM时变得显著，平均长度为7厘米。

**叶片的形态生理参数和指标**
100 mM NaCl条件下的总叶面积最大，与其他盐浓度相比有显著差异；200 mM NaCl条件下叶面积减少了60%（见图3A）。此外，单位总植物生物量的叶面积（LAR）对盐浓度的敏感性较低。特定叶面积（SLA，即叶面积与叶片干物质的比值）在NaCl浓度超过100 mM时下降，但在50 mM和200 mM时与对照组有显著差异（见图3D）。

**图3. 不同NaCl浓度对山柑叶片生长的影响：** (A) 叶鲜重（FW）和叶面积（LAP），(B) 叶含水量（LWC），(C) 生理指标（叶厚度（El）和叶多汁度（IS），(D) 叶面积比（LAR）和特定叶面积（SLA）。相同字母表示在P < 0.05的水平上无显著差异。

该图表总结了山柑叶片在5种不同氯化钠浓度下的特征：左图为条形图，纵轴表示根长（单位：厘米），从8厘米到16厘米，间隔为1厘米；横轴表示氯化钠浓度（单位：毫摩尔）。五个不同颜色的条形分别代表0、50、100、150和200毫摩尔。中位数根长分别为0毫米、50毫米、100毫米、13.5毫米和10毫米。右图为条形图，纵轴表示茎长（单位：厘米），从5厘米到30厘米，间隔为5厘米。中位数茎长分别为0毫米、14.5毫米、16.5毫米、14.5毫米和7毫米。条形高度和误差条显示了各处理组内的变化，异常值出现在某些条形的上下方。

**NaCl对叶片形态生理参数的影响**
100 mM NaCl条件下的总叶面积最大，与其他盐浓度相比有显著差异；200 mM NaCl条件下叶面积减少了60%。此外，单位总植物生物量的叶面积比（LAR）对盐浓度的敏感性较低。特定叶面积（SLA）在NaCl浓度超过100 mM时下降，但在50 mM和200 mM时与对照组有显著差异。

**叶片的水分含量和多汁度**
叶片的水分含量和多汁度指数在NaCl存在下较高，但仅在200 mM浓度下具有显著性（见图3B和C）。这两个参数随盐胁迫程度的变化趋势相似。这些观察结果还得到了叶片厚度（EL）的间接估计的支持，叶片厚度是通过水分含量与特定叶面积的比值计算得出的。图3显示，在200 mM的培养基中，叶片厚度随NaCl浓度的增加而增加，最大增加了57%。

**盐胁迫下的离子积累和运输**
研究表明，随着NaCl浓度的增加，山柑幼苗根、茎和叶片中的Na+和Cl?吸收量显著增加，而K+和Ca2+的吸收量则减少（见表1）。

**钾（K+）**
无论培养基中的盐浓度如何，钾（K+）始终是根部的主要阳离子。在添加了50 mM NaCl的培养基中，K+含量最高，约为干物质的6%（只要NaCl浓度不超过100 mM）。在更高浓度下，K+含量开始显著下降，特别是在200 mM的高盐条件下（见表1）。这种下降可能反映了K+和Na+在液泡积累过程中的相互作用。

**钙（Ca2+）**
在对照组植物中，Ca2+含量是K+的三倍。NaCl的存在会降低Ca2+的含量，这种抑制作用从最低浓度（50 mM）就开始显现。此外，对照组与其他处理条件下的根部Ca2+积累量存在显著差异。因此，盐分限制了根部的Ca2+积累，无论其环境浓度如何。这种抑制作用被认为是由于Na+和Ca2+在细胞外空间和液泡中的竞争所致（Zid和Grignon，1985年）。

**根部的Na+和Ca2+浓度**
根部的Na+浓度始终显著低于K+浓度，除非在200 mM时两者浓度接近。对于Cl?，其积累数据在100 mM盐浓度时开始出现饱和现象。这种稳定性反映了山柑根部对氯离子积累的调节机制。

**茎部的离子含量**
茎部的离子含量与根部相似（见表1）。在对照组培养基中，K+含量约为65毫克/克干物质。培养基的盐浓度限制了K+的积累，在200 mM NaCl条件下，K+含量降至最低值（38毫克/克干物质）。Ca2+含量极低，远低于K+。盐分导致茎部Ca2+含量减少了约50%。在NaCl浓度不超过150 mM的情况下，茎部积累的Na+和Cl?含量约为20毫克/克干物质。在这个水平以上，这两种离子的浓度显著上升，反映了调节它们在茎部积累的机制出现了故障。在叶片中，与其他两个器官一样，不加NaCl的情况下，钾仍然是控制介质中的主要阳离子。培养基中盐的存在导致K+浓度下降。当盐浓度超过150 mM时，盐的抑制作用大大增强。实际上，在对照组中K+浓度约为60 mg/g DM，但在50至150 mM NaCl条件下下降了1/3，在200 mM条件下下降了2/3。钙在最低盐浓度（50 mM）时显著减少，在更高浓度下减少速度较慢。由于钙是一种在叶片中积累而不通过韧皮部循环的细胞质外离子，因此观察到的减少必然对应于通过木质部向该器官供应的Ca2+不足。显示叶片组织中Na+和Cl?积累的两条曲线遵循相同的模式。在最高盐浓度（200 mM）下，这两种离子的含量接近100 mg/g DW（相当于干物质的10%）（表1）。叶片中Na+和Cl?的高积累是耐盐植物的特征，这些植物可以轻松地将这两种离子输送到其光合作用器官。

**茎/根离子运输**
不同阴离子和阳离子的TR比值表明，在盐胁迫条件下，植物地上部分和地下部分在这些离子的吸收和运输方面存在明显差异（图4A）。Cl?元素的TR比值最高，并且与盐浓度呈正相关。最大TR(Cl?)值出现在最高盐浓度时。这些结果表明，通过根部吸收的大部分Cl?离子都被运输到地上部分。Na+的TR比值在严重盐胁迫条件下与TR(Cl?)的趋势相似，但在50 mM时达到最高值；这一重要值与低盐浓度（50 mM）下Na+在根部的吸收量较低有关。图4A显示，TR(Ca2+)的值随着盐浓度的增加而略有下降，但没有显著差异。TR(K+)的变化趋势相同，但在对照组和盐胁迫条件下存在显著差异。在所有盐胁迫条件下，TR(K+)的值几乎保持不变，证实了所研究植物能够在茎部和根部之间维持稳定的K+离子吸收和运输能力。

**不同NaCl浓度对离子运输速率（TR）和选择性运输（ST）的影响**
（A）不同植物部位（根（R）到茎（S）以及茎（S）到叶（L）之间K+/Na+和Ca2+/Na+的选择性运输（B）
数据为每种盐处理条件下20株幼苗重复实验的平均值。

**图例说明**
该图显示了两个分组条形图，总结了暴露于盐胁迫下的刺山柑幼苗中的离子运动情况。顶部图表显示了运输速率，x轴标记为0对照、50毫摩尔、100毫摩尔、150毫摩尔和200毫摩尔氯化钠。y轴范围从0到16，每2个单位有一个刻度标记。每个氯化钠浓度对应一个堆叠条形图，包括钠的运输速率、氯的运输速率、钾的运输速率和钙的运输速率。总条形图高度在0对照和100毫摩尔时最低，在50毫摩尔和150毫摩尔时增加，在200毫摩尔时最高。在每个堆叠中，氯的部分随着盐浓度的增加而稳步上升，在200毫摩尔时最大。钠的部分也呈现类似的上升趋势，而钾和钙的部分在不同处理下的变化较小。底部图表显示了植物部位之间的选择性运输比率。x轴使用相同的5个氯化钠浓度。y轴范围从0到12，每2个单位有一个刻度标记。对于每个浓度，4个独立的条形图分别代表从根到茎的钾向钠的选择性运输、从根到茎的钙向钠的选择性运输、从茎到叶的钾向钠的选择性运输以及从茎到叶的钙向钠的选择性运输。两种离子对在所有处理条件下的根到茎的比率都在1到3之间。茎到叶的钾向钠的比率较高，从对照组的约4增加到200毫摩尔时的约12。茎到叶的钙向钠的比率在所有盐浓度下都保持在1到2之间。

**K+/(K++Na+)离子分数的计算**（表2）表明，无论介质中的Na+浓度如何，刺山柑灌木都表现出对K+的强烈选择性。然而，在所有三个器官中，随着介质中NaCl含量的增加，K+/Na+的选择性逐渐降低。此外，这种离子分数在叶片中始终低于在茎和根中的比例。在不同盐浓度下，根部的K+/Na+和Ca2+/Na+含量通常高于茎和叶片中的含量，表明植物可以通过K+和Ca2+的选择性以及选择性离子运输来减少盐胁迫造成的毒性效应。值得一提的是，刺山柑保持了适当的TR(K+)和TR(Ca2+)比率，这是其耐盐性的关键机制之一。

**盐胁迫下植物器官的离子选择性吸收和运输能力**
NaCl浓度的增加也影响了K+和Ca2+离子的选择性运输能力（ST），但这种变化在不同部位（根/茎和茎/叶）之间的模式有所不同（图4B）。与对照组相比，根到茎的K+离子相对于Na+离子的选择性运输速率以不同的速率增加。然而，在200 mM NaCl处理的植物中，从茎到叶的K+/Na+的ST值达到最高，比对照组（0 mM NaCl）高出2.3倍。值得注意的是，无论是在对照组还是在不同强度的盐胁迫下，刺山柑幼苗的ST(K+)比率值都是最低的，这表明相对较多的K+可以被选择性地运输到地上部分。Ca2+离子的ST值与K+的情况不同：在100至200 mM的盐处理范围内，从茎到叶的Ca2+/Na+的选择性运输值相似；而在对照组和50 mM处理下也显示出相似的值。这些结果表明，较高的盐浓度倾向于将Ca2+选择性地运输到叶片。在较低盐浓度（50 mM）下，Ca2+在根和茎之间的ST值增加，然后在100和150 mM时减少，随后在200 mM时再次增加。这些结果表明，Ca2+相对于Na+离子的选择性运输随着盐胁迫强度的不同而变化，但在盐胁迫水平增加时，Ca2+相对于Na+的选择性运输能力相对更高。

**刺山柑植物各部分对盐胁迫响应的多变量分析：层次聚类和PCA洞察**
层次聚类热图显示了不同处理之间各指标的差异（图5A），并综合了层次聚类结果与刺山柑响应的关系。该图揭示了刺山柑幼苗对盐胁迫的差异性响应：首先基于离子选择性和运输，定义并追溯了刺山柑对胁迫强度的抵抗机制；其次根据植物在高盐胁迫下的生长能力，通过形态参数来表示。图5. 层次聚类热图（A）展示了盐浓度、形态生理/离子参数之间的关联；全局PCA双图（B）说明了不同盐处理下刺山柑幼苗响应的明显组别；以及叶片水分含量与Na+积累之间的相关图（C）。

**图例说明**
该图展示了三个协调的可视化图表，总结了刺山柑幼苗对盐胁迫的响应。左上角的折线图显示了运输速率，x轴标记为0对照、50毫摩尔、100毫摩尔、150毫摩尔和200毫摩尔氯化钠。y轴范围从0到16，每2个单位有一个刻度标记。每个氯化钠浓度对应一个堆叠条形图，包括钠的运输速率、氯的运输速率、钾的运输速率和钙的运输速率。总条形图高度在0对照和100毫摩尔时最低，在50毫摩尔和150毫摩尔时增加，在200毫摩尔时最高。在每个堆叠中，氯的部分随着盐浓度的增加而稳步上升，在200毫摩尔时最大。钠的部分也呈现类似的上升趋势，而钾和钙的部分在不同处理下的变化较小。底部图表显示了植物部位之间的选择性运输比率。x轴使用相同的5个氯化钠浓度。y轴范围从0到12，每2个单位有一个刻度标记。对于每个浓度，4个独立的条形图分别代表从根到茎的钾向钠的选择性运输、从根到茎的钙向钠的选择性运输、从茎到叶的钾向钠的选择性运输以及从茎到叶的钙向钠的选择性运输。两种离子对在所有处理条件下的根到茎的比率都在1到3之间。茎到叶的钾向钠比率较高，从对照组的约4增加到200毫摩尔时的约12。茎到叶的钙向钠比率在所有盐浓度下都保持在1到2之间。所有数据均为近似值。

**结论**
K+/(K++Na+)离子分数的计算表明，刺山柑灌木对K+表现出强烈的选择性，无论介质中的Na+浓度如何。然而，在所有三个器官中，随着介质中NaCl含量的增加，K+/Na+的选择性逐渐降低。此外，这种离子分数在叶片中始终低于在茎和根中的比例。在不同盐浓度下，根部的K+/Na+和Ca2+/Na+含量通常高于茎和叶片中的含量，表明植物可以通过K+和Ca2+的选择性以及选择性离子运输来减少盐胁迫造成的毒性效应。值得一提的是，刺山柑保持了适当的TR(K+)和TR(Ca2+)比率，这是其耐盐性的关键机制之一。

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**表2：不同NaCl浓度下刺山柑幼苗根、茎和叶片中K+/(K++Na+)和Ca2+/(Ca2++Na+)的变化**所有数据均为近似值。显示全尺寸。

PCA得分图（图5B）证实了对照组和NaCl胁迫处理之间的明显差异，并表明刺山柑幼苗对盐度的反应分为三组：在控制条件下生长的植物、在中等和重度盐化条件下生长的植物（盐浓度从50到150 mM NaCl），以及在高盐度（200 mM）条件下生长的植物。相同的载荷图显示，第一个成分（1）是最显著的成分，占比50.7%，与一些生长和生理指标呈正相关，包括根长、不同植物部位的干重（根、叶、茎）、叶片鲜重和LAP；而第二个成分占比15.2%，与茎和叶片中的K+积累、不同植物部位（根、茎和叶）中的K+选择性以及茎/根比率呈正相关，与三个植物部位中的Na+和Cl–积累以及叶片厚度呈负相关。通过相关图（图5C）评估了叶片中盐离子积累与其厚度之间的相关性，显示出两个关键变量之间的线性关系（R2 = 0.56），表明刺山柑叶片中的钠积累伴随着这些器官的水合作用的增加。这种解释也适用于氯离子。

总体而言，在本研究中，盐度阈值被定义为对大多数形态生理参数负面影响最小的盐度水平，该水平由PCA双图确认（见图5B），即150 mM NaCl。

由于植物各部位的生理、形态和解剖特征不同，以及受胁迫的方式（直接和间接）不同，根、茎和叶对盐胁迫的响应也不同。在盐胁迫条件下，根是首先检测到Na+和Cl?过量的植物部位（Demiral Citation2017），这会在根部产生高渗透势（Pérez-Alfocea et al. Citation2011）。随着时间的推移，有毒的盐离子通过膜转运蛋白进入植物细胞，并在茎和叶中积累，从而破坏植物的正常代谢，并可能以不同的方式影响这些植物部位（Liu et al., Citation2024a; Liu et al. Citation2022）。

从对照组、50、100、150和200 mM NaCl盐胁迫下的刺山柑植物中收集的八个形态和矿物质营养变量，通过主成分分析（PCA）来评估其耐盐能力，涉及三个植物部位（根、茎和叶）（图6）。图6显示了不同盐胁迫下不同植物部位的形态生理和离子特征的贡献和相关性（（A）根双图；（B）茎双图；（C）叶双图）。

该图显示了三个垂直排列的统计图形，分别标记为A代表根，B代表茎，C代表不同氯化钠处理下的刺山柑植物的叶。每一行左侧是主成分分析双图，右侧是散点图矩阵。在每个双图中，单个植物表现为围绕原点的彩色点，水平轴上标记为成分1，垂直轴上标记为成分2。从原点辐射出的直线箭头分别标有干重（毫克）、干重百分比、钾、钠、氯、钙、钾与钾+钠的比率以及二价阳离子与钙+钠的比率等特征。散点图矩阵将这些相同的变量配对。每个矩阵形成一个小散点图网格，其中每个单元格比较水平轴上的一个变量与垂直轴上的另一个变量。矩阵中的轴是数值化的，并且根据每列和每行而有所不同，范围针对每个特征进行了调整，并在固定间隔处有可见的刻度标记。彩色点云形成线性、曲线或聚集模式，在三个植物部位之间有所不同，表明干重和离子特征之间的关系不同。

根部分的PCA分析（图6A）预测，在较高盐度下，根会积累Na和Cl有毒离子，这种积累与根中的干物质量呈正相关，但与Ca2+积累呈负相关，这表明盐度限制了根中Ca2+的积累。负相关还归因于K+和Ca2+相对于Na+的选择性。在无盐胁迫条件下，K+的积累减少，但随着胁迫程度的增加，有毒离子在刺山柑根中的积累增加。

茎的PCA图（图6B）与根的PCA图不同，根据Capparis spinosa幼苗的茎PCA载荷图，前三个特征值的总贡献率为87%。茎干物质与Na+和Cl?离子的量呈负相关，这表明即使在低盐度和中等盐度下，盐度也会影响茎部。在茎中，K+和Ca2+的积累和选择性呈正相关。Na+和Cl?在茎中的积累与K+和Ca2+的选择性呈负相关；这解释了盐度对茎中K+积累的影响，以及Ca2+选择性的限制。

叶部的PCA得分图（图6C）显示了对照组、NaCl胁迫处理（最高150 mM）和高盐度（200 mM）之间的明显差异，并且变量分布与根部的类似。在双图的所有四个象限中，PCA都有分散的变量。较高盐度（200 mM）增加了叶片中的Cl含量，同时也增加了干物质的分配；这种相关性可以通过盐度水平增加的干物质百分比来解释。

在本研究中，我们发现由于盐胁迫下选择性离子的移动和运输，不同植物部位（根、茎和叶）的离子积累模式存在差异。本研究的重要发现是，PCA分析以不同的方式描述了刺山柑植物各部位对胁迫的响应，并得出这种耐受性始于根部的结论。在盐胁迫下，根部的发育使植物能够继续吸收水分并产生生物量，同时增加了地上部分中的Na+和Cl?离子浓度。这是通过从茎向叶运输K+和Ca2+离子的净选择性能力略有增加来实现的，这解释了刺山柑幼苗在盐胁迫下的生长能力。

盐度对生长和生物量分配的总体影响

结果清楚地表明，Capparis spinosa L.表现出高耐盐性，在150 mM NaCl以下仍能保持可接受的生长和生物量生产，只有在更高盐度下才会出现明显的毒性症状。这一结论得到了关键生理形态变量的支持（图1–3）。随后的响应特征表明了植物在盐胁迫下的生长能力，与Bouskout et al.（Citation2025a）的研究结果一致。这些结果表明了双相响应，即低至中等盐浓度会刺激生长；刺山柑表现出典型的兼性盐生植物的特征（Glenn et al. Citation1996; Glenn et al. Citation1999; Carillo et al. Citation2011）。

在盐胁迫下，刺山柑幼苗将更多的干物质分配给根和叶，同时减少了茎部的生物量（图1），这可以解释为植物为了支持地上生长而维持根结构的能力。这种重新分配反映了优化植物形态和水分吸收的适应性响应。类似的生物量分配模式也在Atriplex halimus（Ahmed et al. Citation1996; Ahmed et al. Citation2008）和Pistacia vera（Benmahioul et al. Citation2009）中有所报道，证实了这种策略增强了资源向光合作用和离子稳态功能组织的分配。在150 mM NaCl以下稳定的茎/根比率进一步证明了该物种平衡地上和地下生长的能力，这与Bouskout et al.（Citation2025a）的最新研究结果一致。

此外，盐度降低了多个叶片特征指标，尤其是在高盐度下（图3D）；这些发现与先前的研究一致，表明这些特性在盐度作用下发生了改变，使得光合表面积减小，减少了植物气体扩散通过气孔和叶绿体的路径（Bendaly et al. Citation2016; Zhou et al. Citation2024; Zhou et al. Citation2025）。然而，这些变化与几乎稳定的LAR系数相关；这解释了叶片生长与植物整体生长的同步性，这与Shibuya et al.（Citation2024）之前的研究结果相反，他们报告称盐度通过减少LAR来抑制植物生长，导致叶片扩展受阻。总体而言，这些形态变化确保了叶片发育与整个植物的发展一致，并可能提高了植物层面的光合速率（Bouskout et al. Citation2025a）。事实上，生物量分布和叶片面积的维持是确保盐胁迫下良好作物产量的关键因素（Praxedes et al. Citation2010; Ludwiczak et al. Citation2021）。这些因素证明了刺山柑植物有效利用可用的盐分水来优先进行光合作用并促进整体生长的能力，可以归类为形态适应性（Munns and Millar Citation2023）。

耐盐性的生理和解剖机制

研究发现，随着盐度的增加，叶片含水量、叶片多汁性和厚度显著增加（图3B,C）。这些形态调整是通过液泡扩张和离子隔离来支持渗透调节的典型特征，有助于多汁刺山柑叶片中的盐分稀释。这些观察结果与Carpobrotus rosii（Zeng et al. Citation2018）中的研究结果一致。这种解剖学可塑性是盐生植物适应性的一个众所周知的特征，使Na+和Cl?能够在大型液泡中稀释，同时保持代谢活动（Grigore and Toma Citation2017; Liu et al., Citation2024a）。

从我们的数据集中可以看出，Na+和Cl?主要在叶片中积累，而不是在根部（表1），这表明刺山柑植物具有高效的离子吸收能力。这些发现与Belkheiri and Mulas（2013）在A. halimus两个克隆中的研究结果一致。因此，刺山柑似乎是一种在叶片中积累盐分的植物。

叶片Na+含量与含水量之间的正相关关系（图5C），以及EL与盐离子积累和运输之间的正相关关系（图5B）支持了有毒离子在液泡中隔离的假设，如Suaeda salsa和Zygophyllum xanthoxylum（Ma et al. Citation2012; Song and Wang Citation2015）中先前描述的那样。然而，由于本研究没有直接评估亚细胞离子定位，因此液泡隔离应被视为一个合理的生理假设，而不是一个已证实的机制。刺山柑植物可能通过增加多汁性来增加液泡体积，从而提高其在液泡中隔离Na+的能力（Liu et al., Citation2024b）。这种机制在保护细胞质免受离子毒性的同时维持了渗透平衡（Colin et al. Citation2023）。因此，Capparis spinosa可以被归类为“包容性”盐生植物，能够在不损害光合组织的情况下耐受大量的内部Na+和Cl?负荷（Flowers et al. Citation2015）。这些结果与Atriplex canescens（Glenn et al. Citation1996; Glenn and Brown Citation1998; Pan et al. Citation2016）以及其他Atriplex物种（Atriplex halimus（Ahmed et al. Citation1996; Ahmed et al. Citation2008; Atriplex lentiformis（Bose et al. Citation2015））的结果一致，尤其是在盐生植物中（Joshi et al. Citation2015; Mishra and Tanna Citation2017; Shuyskaya et al. Citation2017; Rahman et al. Citation2021）。Munns and Millar（2023）解释说，液泡焦磷酸酶VP1为这些特定植物提供了所需的能量，例如刺山柑，以便在液泡中储存大量Na+，同时保持细胞质中的浓度非常低。

离子分析显示，随着盐度的增加，所有植物部位的Na+和Cl?含量显著增加，而K+和Ca2+水平下降（表1）。这项研究结果表明，刺山柑幼苗具有一定的盐离子拦截能力，环境中盐分含量越高，植物吸收和积累的Na+量也越多。然而，根部的K+和Ca2+浓度高于地上部分，这表明在根部存在选择性吸收机制（如表2所示）。从这些数据来看，Na+表现出一定的竞争性抑制作用，但植物仍能在盐碱条件下吸收K+。这种离子积累有助于刺山柑在盐胁迫下生长，并减少有毒盐分对其的影响以及与营养离子的竞争，这与Silva等人（2015年）关于麻疯树对盐度生理反应的研究结果相反（他们的研究表明NaCl浓度增加时K+的运输速率显著下降）。离子运输速率系数解释了幼苗将有毒离子和营养离子从根部运输到地上部分的能力。图4A显示，即使在盐度增加的情况下，K+和Ca2+的运输速率也相对稳定；Ran等人（2022年）在研究柳树品种时也发现了类似的现象。这些观察表明，刺山柑（Capparis spinosa L.）能够保持离子选择性并防止细胞质中Na+的毒性积累。根部的离子运输可能通过质外途径或质内途径进行，根表皮层中可能存在Na+、K+和Cl?的膜转运蛋白，如HKT2、AKT、NRT、PIP2、LCT1和CNGCs。HKT、HAK和AKT转运蛋白对K+具有特异性，能够排除Cl?离子的竞争性吸收（Mann等人，2023年关于盐生植物的研究）。在高盐条件下，茎和叶之间的K+选择性运输比率显著增加（图4B），这证实了植物能够将有益离子优先输送到光合组织中，从而减少盐引起的损害（Wu等人，2018年）。尽管本研究没有直接评估基因表达或转运蛋白活性，但在中等盐度下保持正的K+/Na+和Ca2+/Na+比率表明存在选择性膜转运系统。这种调节可能涉及质膜H+-ATP酶和液泡Na+/H+反向转运蛋白，它们负责主动排除离子并将其隔离在液泡中（Silva等人，2015年；Lan等人，2023年），这些机制通常与盐生植物的耐盐性相关。统计分析（图5）进一步支持了植物耐盐性始于根部的离子选择性机制的假设。这些多变量证据支持了在胁迫条件下选择性离子吸收和高效转运的生理模型。

**生态和农学意义**
刺山柑的耐盐阈值约为150–200 mM NaCl，这使其适合在中度至高盐度的土壤中种植。作为一种旱生植物，刺山柑能够耐受非生物胁迫，并通过调整其器官的形态生长和离子积累来应对盐度增加（图6）。正如Gan等人（2013年）和Bouskout等人（2022年）所报道的，其发达且强健的根系是其在受限条件下生存的重要机制。这一特性使其成为干旱和半干旱地区生物盐农业和农林业系统的理想候选植物（Chedraoui等人，2017年；Abdelly等人，2022年；Christoforidi等人，2022年）。Bouskout等人（2025a）的研究表明，本地丛枝菌根真菌接种可以减轻刺山柑的NaCl诱导的盐胁迫，从而为解决盐碱问题提供生态解决方案，并在恶劣环境中保持最佳的刺山柑产量。刺山柑的形态韧性（多肉性、叶片增厚）、生理调节（选择性离子运输）和生态适应性使其成为可持续土地修复的模型植物，可用于修复受盐影响的景观并提高退化盐碱地的生物多样性（Chedraoui等人，2017年）。除了生理耐盐性外，刺山柑还具有重要的农生态价值，特别是在多样化食品生产和自然资源保护方面（Annaz等人，2022年）。该物种能够改善边缘土地和干旱地区的生态系统功能，通过深根系增强土壤稳定性。它还能融入多种生产系统，减少侵蚀，帮助授粉，提高农业景观的可持续性和韧性（Chedraoui等人，2017年；Bouskout等人，2022年；Bouskout等人，2025a；Bouskout等人，2025b）。未来的研究应探讨自然盐碱条件下的田间反应、离子转运基因的基因型表达谱以及刺山柑在盐胁迫下维持Na+稳态的关键蛋白质，以提升其在可持续和再生型地中海农业生态系统中的潜力。

**结论**
本研究显示，刺山柑幼苗在水培条件下能够耐受高达150 mM NaCl的盐度。主要发现包括：在中等盐度下，生物量和茎/根比例得到保持，仅在200 mM NaCl时出现下降。盐度诱导了协调的生理调整，如根系发育增强和叶片多肉性增加。Na+和Cl?在地上部分的积累增加，而在中等和高盐度胁迫下仍保持适当的TR(K+)和TR(Ca2+)比率。这些反应表明，刺山柑在幼苗阶段具有调控的离子吸收和运输过程，有助于其耐盐性。由于实验是在短期水培条件下进行的，未来的研究应优先进行多季节田间试验，以评估植物在土壤条件下的建立、生长稳定性和生产力。此外，还需要研究植物-土壤-微生物相互作用以及刺山柑在多样化种植或农林业系统中的表现，以明确其在农生态学中的潜在作用。

**数据可用性声明**
数据可应要求提供。