碳酸鹽脅迫對(duì)柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

摘要 [目的]研究碳酸鹽逆境對(duì)柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響。[方法]選用Na2CO3及NaHCO3兩種碳酸鹽對(duì)柳枝稷種子進(jìn)行脅迫處理，脅迫濃度分別為0、5、7、10、12、15 mM。[結(jié)果]不同濃度Na2CO3及NaHCO3均對(duì)柳枝稷種子萌發(fā)表現(xiàn)出抑制作用，種子發(fā)芽率顯著降低，Na2CO3對(duì)種子發(fā)芽的脅迫作用強(qiáng)于NaHCO3，隨著碳酸鹽濃度的增加相對(duì)堿害率上升，15 d后相對(duì)堿害率趨同，說(shuō)明柳枝稷受碳酸鹽脅迫影響，隨著發(fā)芽時(shí)間的推遲，抑制作用得到緩解。[結(jié)論]柳枝稷對(duì)碳酸鹽逆境具有一定耐受性，研究結(jié)果可為柳枝稷東北鹽堿地區(qū)引種奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 柳枝稷；碳酸鹽；逆境脅迫；種子萌發(fā)；幼苗生長(zhǎng)

中圖分類號(hào) S181.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）17-05564-03

Abstract [Objective] The research aimed to study the effect of carbonate stress to the seed germination and seedling growth of Panicum virgatum.[Method] Two kinds of carbonate stress， Na2CO3 and NaHCO3 were chose to treat P. virgatum seeds， with concentrations of 0 mM， 5 mM， 7 mM， 10 mM， 12 mM， and 15 mM.[Result] The results showed that different concentrations of Na2CO3 and Na2CO3 inhibited seeds germination， the seed germination rate reduced significantly， but the effect of Na2CO3 stress on seed germination was stronger than that of NaHCO3. The relative alkali harm rate went up with the increasing concentration of carbonate， and the relative rate resembled after 15 days， which illustrated P. virgatum was affected by salt stress， but as time delayed， germination inhibition eased.[Conclusion] P. virgatum had a certain tolerance to carbonate stress， which layed a foundation for the introduction of P. virgatum in northeast China.

Key words Panicum virgatum； Carbonate； Adversity stress； Seed germination； Seedling growth

當(dāng)前，全球土地鹽漬化備受矚目，據(jù)世界糧農(nóng)組織預(yù)計(jì)，到2050年，將有50%的耕地鹽漬化[1]。在我國(guó)東北部地區(qū)，其鹽漬土壤是以Na2CO3和NaHCO3為主要鹽分的蘇打堿土[2]。而堿性碳酸鹽除了具有中性鹽的脅迫因素外（如離子毒害、低滲透勢(shì)、離子不平衡等），還具有明顯的礦物質(zhì)元素可利用性低和高pH等特殊影響因素[3]。因此，堿性碳酸鹽對(duì)植被造成的危害比中性鹽更為嚴(yán)峻，更具生態(tài)破壞力。目前，在鹽脅迫研究中研究者多以NaCl、Na2S等中性鹽為研究對(duì)象[4-6]，對(duì)堿性鹽脅迫對(duì)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響研究較少，因此無(wú)法為東北地區(qū)蘇打堿土的植被恢復(fù)提供依據(jù)。

柳枝稷（Panicum virgatum）原產(chǎn)美國(guó)，是一種禾本科多年生高產(chǎn)牧草。在美國(guó)，有研究人員采用GIS系統(tǒng)對(duì)柳枝稷種植區(qū)域、年產(chǎn)量等進(jìn)行研究，而美國(guó)能源部資助弗尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)用柳枝稷進(jìn)行可再生性液體乙醇燃料開(kāi)發(fā)研究[7-8]。作為能源作物，柳枝稷的種植可以減少化學(xué)藥品的使用，降低對(duì)土壤生物多樣性的影響，起到改善荒地、鹽堿地等劣質(zhì)土地的作用[9-11]。我國(guó)李代瓊等[12]、許炳成等[13]先后在半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)（陜西省安塞縣）引種柳枝稷，起到了很好的水土保持作用及較高的生物質(zhì)生產(chǎn)量。我國(guó)多采用稀酸、稀堿等預(yù)處理柳枝稷進(jìn)行纖維素降解產(chǎn)乙醇發(fā)酵，使水解產(chǎn)物能夠被釀酒酵母利用[14-17]。該研究則選取不同濃度的碳酸鹽對(duì)柳枝稷種子進(jìn)行脅迫，通過(guò)對(duì)種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和幼苗活力指數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究碳酸鹽脅迫對(duì)柳枝稷種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，探討東北鹽漬土壤地區(qū)柳枝稷自然繁殖的可能性，為東北地區(qū)鹽漬土壤地區(qū)柳枝稷的引種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

柳枝稷種子系商業(yè)來(lái)源，于2011年3月購(gòu)于美國(guó)Everwilde Farms，遺傳背景不詳。購(gòu)回后，保存于4 ℃。

1.2 植物材料的種植與處理方法

1.2.1

種子預(yù)處理。將柳枝稷種子浸泡于蒸餾水中，4 ℃靜置2 d，棄去浮于水面上的干癟種子及種殼。用1%NaClO3室溫浸泡3 h，以促進(jìn)發(fā)芽[18]。蒸餾水沖洗3～5次去除NaClO3。

1.2.2

水培種植。將2層紗布覆蓋于塑料筐上作為種子發(fā)芽用的芽床，將預(yù)處理后的種子均勻放在芽床上，將芽床放置于5、7、10、12、15 mM濃度梯度的Na2CO3 及NaHCO3溶液中，并以蒸餾水為對(duì)照，每個(gè)處理隨機(jī)放置100粒種子，重復(fù)3次。

1.2.3

培養(yǎng)條件。將種子置于光照培養(yǎng)箱中，光照16 h/30 ℃，黑暗8 h/20 ℃。每3 d更換1次溶液，培養(yǎng)27 d。

1.2.4

數(shù)據(jù)記錄。種植7 d后開(kāi)始統(tǒng)計(jì)發(fā)芽的種子數(shù)，胚根或胚芽長(zhǎng)度達(dá)到種子自身長(zhǎng)度的1/2時(shí)記為發(fā)芽，發(fā)芽后每2 d進(jìn)行一次統(tǒng)計(jì)。培養(yǎng)27 d后，測(cè)定幼苗的鮮重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在Na2CO3脅迫下，各濃度梯度下種子發(fā)芽率隨天數(shù)增加而增加，分別在第23天、21天和第17天達(dá)到21.00%、9.67%和1.67%，隨著濃度的增加，種子萌發(fā)受了到嚴(yán)重抑制。NaHCO3脅迫對(duì)柳枝稷種子發(fā)芽的抑制趨勢(shì)與Na2CO3相同，濃度5 mM、10 mM和15 mM脅迫下的發(fā)芽率在27 d、27 d和25 d達(dá)到最大，分別為34.00%、30.00%和18.67%。相同濃度的NaHCO3和Na2CO3對(duì)種子發(fā)芽的抑制有所差異，這是因?yàn)?Na2CO3脅迫下，Na+濃度和pH較高，種子發(fā)芽率更低。

發(fā)芽指數(shù)是種子發(fā)芽的速率，更直觀、更靈敏地反映出種子活力。對(duì)照組柳枝稷種子發(fā)芽指數(shù)為20.23，兩種碳酸鹽脅迫下種子發(fā)芽指數(shù)顯著下降（P<0.05），5 mM Na2CO3脅迫下，種子發(fā)芽指數(shù)為12.12，低于5 mM NaHCO3脅迫下種子的發(fā)芽指數(shù)（16.43）?？梢?jiàn)相同濃度的Na2CO3對(duì)種子發(fā)芽的毒害作用高于NaHCO3，兩種碳酸鹽脅迫下柳枝稷種子發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)顯著（P<0.05）降低趨勢(shì)，但低濃度的NaHCO3（5 mM和7 mM）差異不顯著，說(shuō)明低濃度的NaHCO3對(duì)柳枝稷種子毒害作用大致相同（圖1）。

Na2CO3和NaHCO3脅迫下，隨著碳酸鹽濃度的增加，相對(duì)堿害率均表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，低濃度的NaHCO3（5 mM、7 mM）差異不大（圖2）。Na2CO3脅迫7～11 d時(shí)相對(duì)堿害率下降，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，相對(duì)堿害率上升，第13天整體呈現(xiàn)出平緩趨勢(shì)，相對(duì)堿害率不再上升，或有小幅上升。NaHCO3脅迫下，隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，相對(duì)堿害率表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)?？傮w上看，兩種碳酸鹽脅迫對(duì)柳枝稷種子的萌發(fā)均有抑制作用，NaHCO3脅迫的抑制作用小，且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，脅迫作用得到緩解，這是因?yàn)榱︷⒎N子對(duì)NaHCO3脅迫表現(xiàn)出一定的耐受性。

2.3 碳酸鹽脅迫對(duì)柳枝稷幼苗的影響

幼苗活力指數(shù)反映種子萌發(fā)速度和幼苗整齊度。由圖3可以看出隨著碳酸鹽（Na2CO3和NaHCO3）濃度的增加，柳枝稷幼苗活力指數(shù)逐漸下降，高濃度Na2CO3（12 mM和15 mM）處理下幼苗活力指數(shù)幾乎為0，表明高濃度的Na2CO3脅迫嚴(yán)重抑制柳枝稷幼苗生長(zhǎng)。NaHCO3對(duì)幼苗的抑制較Na2CO3輕，但低于對(duì)照組（0.072），5 mM NaHCO3下柳枝稷的幼苗活力指數(shù)為0.042，比對(duì)照組低42%。由此可見(jiàn)，Na2CO3和NaHCO3對(duì)柳枝稷幼苗均有一定的抑制作用，相同濃度的Na2CO3脅迫下的幼苗活力指數(shù)均低于NaHCO3。

3 結(jié)論與討論

植物在鹽漬土壤中發(fā)育的前提條件是其種子能否在碳酸鹽脅迫下萌生成苗。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的柳枝稷種子只有5%左右的發(fā)芽率，相對(duì)較低，屬于深度睡眠種子，經(jīng)不同濃度NaClO3處理后在蒸餾水中發(fā)芽率27 d后達(dá)到40.67%，發(fā)芽率大大提高了，說(shuō)明試驗(yàn)對(duì)于柳枝稷種子預(yù)處理可以對(duì)打破休眠效果起到明顯提升，有加快種子呼吸代謝和物質(zhì)代謝的促進(jìn)作用，從而減輕甚至解除種子的休眠。建議人工種植時(shí)可以用此方法進(jìn)行預(yù)處理，提高柳枝稷種子發(fā)芽率。從兩種鹽脅迫的發(fā)芽率可以看出，Na2CO3對(duì)種子發(fā)芽率的脅迫強(qiáng)于NaHCO3，這是因?yàn)橥葷舛认翹a2CO3溶液的pH要高于NaHCO3。不同Na2CO3濃度均對(duì)種子萌發(fā)表現(xiàn)出抑制作用，種子發(fā)芽率顯著降低，但27 d后發(fā)芽率不再變化，且Na2CO3對(duì)種子發(fā)芽的脅迫強(qiáng)于NaHCO3。隨著溶液濃度的增加相對(duì)堿害率上升，但是在15 d后的相對(duì)堿害率相對(duì)趨同，說(shuō)明柳枝稷受鹽脅迫影響，但隨著發(fā)芽時(shí)間的推遲，抑制作用得到緩解，說(shuō)明其具有很好的耐受性。該研究整個(gè)過(guò)程在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，是否在北寒地帶種植還有待進(jìn)一步研究。

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