水勢介導(dǎo)的不同脅迫對(duì)虎尾草種子發(fā)芽的影響

王英男，齊明明，張金偉，張 娜，閻秀峰，藺吉祥

(1.東北林業(yè)大學(xué) 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心/東北油田鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北師范大學(xué) 草地科學(xué)研究所/植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130024)

水勢介導(dǎo)的不同脅迫對(duì)虎尾草種子發(fā)芽的影響

王英男1，齊明明1，張金偉2，張 娜2，閻秀峰1，藺吉祥1

(1.東北林業(yè)大學(xué) 鹽堿地生物資源環(huán)境研究中心/東北油田鹽堿植被恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北師范大學(xué) 草地科學(xué)研究所/植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130024)

虎尾草(Chlorisvirgata)是我國北方地區(qū)廣泛分布的優(yōu)質(zhì)牧草，對(duì)東北地區(qū)鹽堿地改良與恢復(fù)起著至關(guān)重要的作用。用NaCl,NaHCO3和PEG分別模擬土壤的鹽、堿和干旱條件以明確基于相同水勢的不同脅迫特征對(duì)虎尾草種子發(fā)芽的影響。結(jié)果表明，在各脅迫處理下，隨著水勢的降低，虎尾草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽速率以及芽長與根長均不斷下降，且堿脅迫下下降幅度最大。鹽脅迫處理下，虎尾草種子復(fù)萌率在-1.2 Mpa最高，干旱脅迫處理中未發(fā)芽的種子80%以上也可以繼續(xù)萌發(fā)，但在此水勢的堿脅迫中未發(fā)芽的虎尾草種子均難以復(fù)萌。研究結(jié)果表明，鹽、堿和干旱脅迫對(duì)于虎尾草種子的發(fā)芽有著不同的影響，由于高pH作用，堿脅迫對(duì)虎尾草發(fā)芽的抑制作用強(qiáng)于鹽脅迫與干旱脅迫。

虎尾草；鹽脅迫；堿脅迫；水勢；復(fù)萌

虎尾草(Chlorisvirgata)是禾本科一年生優(yōu)質(zhì)牧草，廣泛分布于我國各地區(qū)，尤以北方居多，其富含大量的蛋白質(zhì)，是家畜喜食的優(yōu)質(zhì)牧草[1]。東北地區(qū)松嫩草地由于人為不合理的利用與開發(fā)，70%的草地發(fā)生了不同程度的退化，且退化面積仍在逐步擴(kuò)大，虎尾草種子產(chǎn)量高，生長迅速，雨季可以迅速萌發(fā)，形成單優(yōu)勢種的虎尾草群落；虎尾草植株根系發(fā)達(dá)，茂密，具有較強(qiáng)的耐鹽堿與耐旱性。為此，一直以來虎尾草被視為改良與恢復(fù)退化鹽堿草地的優(yōu)勢物種[2]。

種子萌發(fā)期是植物生活史的起點(diǎn)，也是最為重要的階段，對(duì)植株的建成與分布起著決定性的作用[3]。種子萌發(fā)受溫度、氧氣、光照等一系列環(huán)境因素的影響，其中，土壤水勢是最為關(guān)鍵的條件。對(duì)于休眠深度較輕的植物種子，在外界環(huán)境條件適宜的情況下，一旦吸收水分便可以萌發(fā)出苗。在東北松嫩草地上，土壤水勢主要受鹽、堿濃度與干旱程度制約。有研究明確了鹽脅迫與堿脅迫是兩種完全不同類型的脅迫，其對(duì)植物生長與生理代謝影響有著很大差別[4-6]，并且也證明了鹽脅迫與干旱脅迫存在一定的關(guān)聯(lián)[7-9]，但是有關(guān)通過相同的水勢條件來深入解析鹽、堿和干旱對(duì)植物種子發(fā)芽的影響，以明確不同類型脅迫的特征及對(duì)植物種子發(fā)芽的毒害機(jī)理研究較少。以虎尾草為研究對(duì)象，通過人工模擬土壤鹽、堿和干旱條件解析其對(duì)虎尾草發(fā)芽的影響，為生產(chǎn)中虎尾草的合理利用以及退化草地的改良與恢復(fù)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試虎尾草種子2013年采自吉林省長嶺縣松嫩草地西南部鹽堿草地，地理位置N 44°44′，E 123°44′。該地區(qū)屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，無霜期140 d，年平均氣溫4.9℃、年均降水量470 mm[10]。采收后的虎尾草種子裝入透氣的口袋中，放入4℃冰箱內(nèi)保存?zhèn)溆茫囼?yàn)于2014年7月進(jìn)行。

1.2 溫度與鹽、堿和干旱條件設(shè)置虎尾草種子發(fā)芽溫度設(shè)置為15～25℃變溫條件，低溫12 h(黑暗)，高溫12 h(光照，光照強(qiáng)度為6 400 lx)。通過預(yù)試驗(yàn)設(shè)定鹽濃度為0、50、100、200和300 mmol/L，由NaCl進(jìn)行模擬。試驗(yàn)各濃度鹽處理的水勢由露點(diǎn)微伏計(jì)(HR33T,Wescor Inc.,USA)測定，分別為0,-0.2,-0.4,-0.8 和-1.2 MPa。根據(jù)鹽脅迫的水勢梯度測定出堿脅迫(NaHCO3)濃度，干旱脅迫則根據(jù)Michel and Kaufmann 對(duì)溫度與PEG濃度對(duì)滲透勢影響的研究所得出的滲透勢隨PEG6000濃度與溫度變化曲線進(jìn)行計(jì)算[11]。

1.3 種子發(fā)芽試驗(yàn)

挑選飽滿一致的虎尾草種子，先用NaClO溶液消毒10 min，然后再用蒸餾水沖洗3遍，在自然條件下風(fēng)干。用雙層濾紙平鋪于直徑11 cm的培養(yǎng)皿中，并分別加入10 mL不同濃度的鹽、堿和干旱處理液，以蒸餾水作為對(duì)照組，每皿均勻擺入50粒種子，每種處理4次重復(fù)。試驗(yàn)過程中，用稱重法每天早晚各1次補(bǔ)充蒸發(fā)失去的水分，保持鹽濃度恒定，種子露白即視為萌發(fā)，每天同一時(shí)間記錄發(fā)芽的種子數(shù)量，試驗(yàn)共8 d。并在發(fā)芽試驗(yàn)的最后一天測量幼苗的根長與苗長。

種子的發(fā)芽率=(發(fā)芽的種子數(shù)/種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽速率采用修正的Timson指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，G是種子每天的發(fā)芽率，t是總的發(fā)芽日期[12]。

發(fā)芽速率=∑G/t×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件，對(duì)不同處理下發(fā)芽與生長指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果用平均數(shù)正負(fù)標(biāo)準(zhǔn)誤表示，單因素方差分析(ANOVA)后做多重比較(LSD)，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽、堿與干旱脅迫對(duì)虎尾草種子發(fā)芽率與發(fā)芽速率的影響

虎尾草種子在無脅迫環(huán)境條件下發(fā)芽率最高，為85.3%，隨著水勢的降低，各脅迫下種子發(fā)芽率均呈下降趨勢。在鹽脅迫下，當(dāng)水勢在-0.2和-0.4 MPa時(shí)，種子發(fā)芽率并未與對(duì)照出現(xiàn)顯著差異，而當(dāng)水勢達(dá)到-0.8 MPa時(shí)，種子發(fā)芽率開始顯著下降(P<0.05)。在堿脅迫下，當(dāng)水勢僅為-0.2 MPa時(shí)，種子發(fā)芽率便顯著下降(P<0.05)，而當(dāng)水勢達(dá)到-0.8 MPa時(shí)，種子發(fā)芽率為0。干旱脅迫對(duì)種子的抑制作用介于鹽脅迫與堿脅迫之間，當(dāng)水勢為-0.2 MPa時(shí)，發(fā)芽率并未發(fā)生顯著變化，隨著水勢進(jìn)一步降低，種子發(fā)芽率顯著下降(P<0.05)，在水勢為-1.2 MPa時(shí)，種子發(fā)芽率為0(表1)。發(fā)芽速率與發(fā)芽率變化規(guī)律相似，堿脅迫對(duì)虎尾草種子的抑制作用最強(qiáng)(表1)。

表1 鹽、堿與干旱脅迫下虎尾草種子的發(fā)芽率與發(fā)芽速率Table 1 Effect of salinity,alkalinity and drought stresses on seed germination percentage and germination rate of Chloris virgata

注：不同字母表示同一脅迫處理下不同水勢之間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 鹽、堿與干旱脅迫對(duì)虎尾草種子復(fù)萌率與總發(fā)芽率的影響

虎尾草種子的復(fù)萌率在鹽脅迫與干旱脅迫中表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，隨著水勢的不斷降低，復(fù)萌率不斷升高(圖1)。在鹽脅迫下，水勢為-0.2和-0.4 MPa時(shí)，虎尾草種子復(fù)萌率為0，當(dāng)水勢達(dá)到-1.2 MPa時(shí)，復(fù)萌率最高，為32.9%。干旱脅迫盡管表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，但是復(fù)萌率較鹽脅迫更高，在最低水勢(-1.2 MPa)時(shí)，復(fù)萌率達(dá)到了82.67%。堿脅迫則表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，呈先上升后下降的趨勢，在水勢為-0.4 MPa時(shí)，復(fù)萌率最高，為61.6%，隨著水勢的進(jìn)一步降低，復(fù)萌率顯著下降(P<0.05)。

在鹽脅迫下，除最低水勢(-1.2 MPa)外，虎尾草種子在經(jīng)過復(fù)萌后總發(fā)芽率與對(duì)照并未發(fā)生顯著變化，而對(duì)于干旱脅迫，即使在最低水勢下，總發(fā)芽率也與對(duì)照無顯著差異(圖2)。而在堿脅迫下，當(dāng)水勢為-0.2 MPa時(shí)與對(duì)照無顯著差異，而隨著水勢進(jìn)一步降低，虎尾草總發(fā)芽率顯著下降(P<0.05)，特別是在最高濃度堿脅迫下，總發(fā)芽率下降了60%，表明堿脅迫對(duì)種子的抑制作用最強(qiáng)。

圖1 鹽、堿和干旱脅迫下虎尾草種子復(fù)萌率Fig.1 Effect of salinity,alkalinity and drought stresses on seed germination recovery percentage of Chloris virgata注：不同小寫字母表示同一脅迫處理下不同水勢之間差異顯著(P<0.05)，下同

圖2 鹽、堿和干旱脅迫下虎尾草種子總發(fā)芽率Fig.2 Effect of salinity,alkalinity and drought stresses on total germination percentage of Chloris virgata

虎尾草芽長與根長同樣隨著水勢的降低而減少(表2)?；⑽膊菅块L在各脅迫處理下隨著水勢的降低顯著下降(P<0.05)，且在堿脅迫下下降幅度更大，當(dāng)水勢為-0.8 MPa時(shí)，芽長為0。根長的變化相對(duì)芽長來說并不明顯，鹽脅迫下各水勢之間并無顯著差異，而同樣是堿脅迫對(duì)根長的抑制作用最強(qiáng)。

3 討論

松嫩草地位于我國東北部，是典型的干旱半干旱地帶，由于降水的不規(guī)則，蒸發(fā)量大于降水量，且土壤類型多為鹽堿土，使得生長在其中的鹽生植物種子通常會(huì)面臨鹽、堿和干旱脅迫，而由不同類型脅迫產(chǎn)生的低水勢無疑是制約種子發(fā)芽的重要因素[13，14]。鹽生植物能夠生活在這種環(huán)境中，自身也會(huì)有一定的適應(yīng)策略[15]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同水勢下，堿脅迫對(duì)種子發(fā)芽的抑制作用最強(qiáng)，干旱脅迫次之，而鹽脅迫下種子發(fā)芽率相對(duì)較高。主要是由于鹽、堿脅迫抑制種子萌發(fā)的機(jī)理不同，鹽脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制歸因于滲透脅迫與離子效應(yīng)，而堿脅迫除了具有與鹽脅迫相同的抑制效應(yīng)外，又附加了高pH傷害，使有毒的Na+與H+的交互作用遠(yuǎn)大于單純離子對(duì)種子萌發(fā)的影響[16-18]。通過鹽脅迫與干旱脅迫結(jié)果分析表明，一定程度的離子效應(yīng)對(duì)發(fā)芽有一定的促進(jìn)作用。

表2 鹽、堿與干旱脅迫下虎尾草種子幼苗生長Table 2 Effect of salinity,alkalinity and drought stresses on seedling growth of Chloris virgata

盡管鹽生植物種子在高濃度鹽脅迫下發(fā)芽率較低，但當(dāng)水分等環(huán)境適宜，鹽濃度降低后，多數(shù)種子可以繼續(xù)萌發(fā)[19，20]。研究結(jié)果表明，較低濃度鹽脅迫下，復(fù)萌率較低，而在高鹽濃度下，復(fù)萌率較高，表明高鹽脅迫對(duì)虎尾草種子的抑制作用可能主要以滲透脅迫為主，而非離子毒害，此點(diǎn)在干旱脅迫的結(jié)果中也得到了證實(shí)，最低水勢下未萌發(fā)的虎尾草種子80%以上可以復(fù)萌[21]，一方面表明低水勢對(duì)虎尾草種子發(fā)芽有一定的刺激作用，另一方面也說明多數(shù)虎尾草種子在超出其耐受限度時(shí)仍然可以保持活力，一旦遇到雨水較多的氣候，土壤水分充足時(shí)便萌發(fā)出土。而在堿脅迫下，虎尾草種子復(fù)萌率普遍較低，表明堿脅迫具有的高pH，對(duì)種子傷害更為復(fù)雜，不僅僅表現(xiàn)為對(duì)發(fā)芽率與發(fā)芽速率的抑制，其加劇了滲透脅迫、離子效應(yīng)對(duì)萌發(fā)的抑制作用，還在一定程度上破壞了種胚，使種子失去活力。說明鹽脅迫與堿脅迫對(duì)虎尾草種子萌發(fā)抑制作用和毒害機(jī)理是不同的，有關(guān)這點(diǎn)，有待今后工作中進(jìn)一步研究。

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WANG Ying-nan1,QI Ming-ming1,ZHANG Jin-wei2,ZHANG Na2,YAN Xiu-feng1,LIN Ji-xiang1,

(1.AlkaliSoilNaturalEnvironmentalScienceCenter,NortheastForestryUniversity/KeyLaboratoryofSaline-alkaliVegetationEcologyRestorationinOilField,Ministryofeducation,Harbin150040,China；2.KeyLaboratoryofVegetationEcologyofMinistryofEducation,InstituteofGrasslandScience,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China)

Chlorisvirgatais considered as a useful grass species for grassland restoration in Northern China.The effect of salinity,alkalinity and drought stresses simulated with NaCl,NaHCO3and PEG solutions on seed germination and seedling growth was studied under same water potential conditions.And the water potentials were -0.2,-0.4,-0.8 and -1.2 MPa. Results showed that the seed germination percentage,germination rate,root length and bud length gradually decreased along with the decrease of water potential.Recover percentage in salinity treatment reached the highest at -1.2MPa,and over 80% of seeds germinated at this water potential after removing drought stress.But it was hard to recover under the same water potential of alkali stress.Salinity,alkalinity and drought stresses had different impacts on seed germination.Due to high pH,the inhibitory effect of alkali stress was stronger than salinity and drought stresses.

salt stress;alkaline stress;germination percentage;water potential;recovery

2015-06-01；

2015-06-15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2572015 CA17,2572014EA04)；國家自然科學(xué)基金(31502013)；植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(130026529)；黑龍江省自然科學(xué)基金(C2015060)資助

王英男(1989-)，男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生。 E-mail：yingnan1027@foxmail.com 藺吉祥為通訊作者。

Q 945.78

A

1009-5500(2015)05-0028-05