種子引發(fā)對鹽漬土壤條件下高粱芽苗生理特性的影響

張　飛，朱　凱，王艷秋，張志鵬，鄒劍秋

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新中心， 遼寧 沈陽 110161)

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種子引發(fā)對鹽漬土壤條件下高粱芽苗生理特性的影響

張飛，朱凱，王艷秋，張志鵬，鄒劍秋

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新中心， 遼寧 沈陽 110161)

種子引發(fā)；高粱；鹽脅迫；發(fā)芽；生理特性

土壤鹽漬化是限制作物芽苗形態(tài)建成和制約其生長發(fā)育的重要生態(tài)環(huán)境因子[1]。目前，全球范圍內(nèi)約有10億hm2的土地存在不同程度的鹽漬化，主要分布于土壤蒸發(fā)量大，降水量少的干旱、半干旱和濱海地區(qū)[2]。中國鹽漬土面積約9 913萬hm2，且隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展、人口的劇增以及耕地面積的減少，鹽堿化和次生鹽漬化每年都在不斷加重，土壤鹽漬化已經(jīng)嚴(yán)重影響了我國乃至全世界的作物生產(chǎn)[3]。在此背景下，合理開發(fā)利用這些受鹽漬危害的邊際性土地，充分利用土地資源的問題，亟待解決。高粱作為世界五大作物之一，具有較強的耐鹽性，但在芽苗期對鹽脅迫較為敏感[4], 時常在鹽漬地上種植高粱種子萌發(fā)困難、出苗差和苗期形態(tài)建成受阻，進(jìn)而影響中后期生長和物質(zhì)積累[5]。因此，如何挖掘和提高高粱芽苗期的耐鹽能力成為開發(fā)利用鹽漬化土地和發(fā)展高粱產(chǎn)業(yè)的一個關(guān)鍵問題。

種子引發(fā)處理技術(shù)是基于種子萌發(fā)生物學(xué)機制提出的促進(jìn)種子萌發(fā)、提高幼苗抗性、改善營養(yǎng)狀況的一種種子處理手段[6-7]。早期學(xué)者主要對鹽脅迫下番茄、黃瓜、油菜等園藝作物做了種子引發(fā)研究，普遍認(rèn)為引發(fā)種子能提高種子活力、增強其苗期的耐鹽能力[8-9]。Passam和Kakouriotis[10]用NaCl引發(fā)黃瓜種子，研究認(rèn)為NaCl引發(fā)種子能促進(jìn)種子在鹽逆境下萌發(fā)，提高出苗率，加快幼苗生長；Cano等[11]指出NaCl引發(fā)番茄種子不僅對種子萌發(fā)期和苗期效應(yīng)顯著，對植株后期的成熟和產(chǎn)量也有積極影響。隨著研究的深入，也有學(xué)者從玉米、小麥、向日葵等作物種子引發(fā)研究其耐鹽性。趙旭等[12]研究認(rèn)為引發(fā)后的種子發(fā)芽率、光合速率和生物量均有所提高；史雨剛等[13]以耐鹽性強和耐鹽性弱兩個冬小麥品種種子為試材，研究發(fā)現(xiàn)引發(fā)處理提高了小麥的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，而膜透性顯著降低。

對種子引發(fā)單一的發(fā)芽研究前人曾有相關(guān)報道。 Jisha K等[7]研究認(rèn)為氯化鈉引發(fā)種子可以有效緩解鹽脅迫下水稻、玉米等作物的生長；賀長征等[8]對鹽脅迫下高粱種子的萌發(fā)進(jìn)行了研究，認(rèn)為種子引發(fā)可提高種子的發(fā)芽性能；馬金虎等[14]曾采用NaCl作為引發(fā)材料對高粱種子進(jìn)行了處理，結(jié)果表明種子引發(fā)可提高鹽脅迫下高粱種子的發(fā)芽質(zhì)量。另外，這些研究都是基于單一物質(zhì)或單一的鹽濃度處理，將氯化鈉和硫酸鈉復(fù)配且采用不同鹽濃度模擬土壤鹽漬化對高粱發(fā)芽和苗期生理特性影響的研究尚未見報道。因此，本研究比較了不同鹽濃度脅迫下鹽復(fù)配引發(fā)、單鹽引發(fā)和不引發(fā)處理下高粱種子發(fā)芽和苗期生理特性，旨在探明鹽復(fù)配引發(fā)高粱芽苗期的生理調(diào)節(jié)效應(yīng)，為高粱耐鹽栽培提供參考。

1　材料和方法

1.1試驗材料和基本條件

試驗品種為遼粘6號，2014年在遼寧省農(nóng)科院創(chuàng)新中心人工氣候室進(jìn)行。其生長條件為晝/夜溫度為28℃/25℃，濕度為50%，光照處理為照光16 h、黑暗8 h模擬自然條件，光強為187 μmol·m-2·s-1。

1.2種子處理

試驗設(shè)3種鹽分處理，分別為單鹽引發(fā)(Simple salt priming，SSP)、鹽復(fù)配引發(fā)(Complex salt priming，CSP)和不引發(fā)(None salt priming，NSP)。單鹽引發(fā)采用80 mmol·L-1氯化鈉(NaCl)溶液進(jìn)行引發(fā)；鹽復(fù)配引發(fā)采用80 mmol·L-1氯化鈉(NaCl)和硫酸鈉(Na2SO4)溶液(NaCl和Na2SO4按9∶1的摩爾比混合)進(jìn)行引發(fā)；不引發(fā)不用任何鹽溶液，采用與鹽分處理等量的蒸餾水處理種子。3種鹽分處理過的種子均在20℃條件下浸泡30 h，取出后立即用蒸餾水將種子沖洗干凈，用濾紙吸干種子表面水分，然后在恒溫室中20℃下干燥30 h，之后在室溫下晾干至原始重量。

1.3試驗設(shè)計

采取沙培盆栽試驗，每盆裝滿細(xì)沙，分別用0(用蒸餾水漫灌作為對照，CK)、40、80、120、160 mmol·L-1的鹽溶液進(jìn)行漫灌，直至形成具有不同鹽濃度的人工模擬鹽分脅迫，分別簡稱Salt-40、Salt-80、Salt-120和Salt-160。待細(xì)沙含水量降到30%時(采用LZB-SW土壤水分測定檢測儀檢測)開始播種，每盆10穴，每穴3株。隨機區(qū)組設(shè)計，三次重復(fù)。每隔10 d每處理澆灌等量濃度的鹽溶液，其它時間用自來水補充所失水分。

1.4測定項目與方法

1.4.1發(fā)芽率、活力指數(shù)和成苗率自種子播種第4天開始每天調(diào)查、統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，直至第10天，并在第10天測定葉長、根長以及胚根、葉鮮重和干重，同時調(diào)查成苗率，計算發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

發(fā)芽指數(shù)(Gi)=∑(Gt/Dt)，其中Gt為第t日的發(fā)芽種子個數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)；

活力指數(shù)(Vi)=發(fā)芽指數(shù)(Gi)×胚根鮮重。

1.4.2相對含水量播種后24 d取樣，測定葉片和根系鮮重(FW)、干重(DW)和吸水后的重量(Treatment weiht，TW)，其中DW測定時樣品在烘箱中于65℃烘至恒重，TW指將樣品在4℃的去離子水中浸泡24 h后測得的重量。計算相對含水量。

RWC(%)=[(FW-DW)/(TW-DW)]×100。

1.4.3光合參數(shù)播種后24 d采用便攜式光合作用測定系統(tǒng)(LI-6400， LI-COR公司，美國)測定凈光合速率，采用紅藍(lán)光源，測定光強PAR為1 000 μmol·m-2·s-1，每處理選取5株長勢一致植株測定凈光合速率，測定時間為上午9∶30～11∶00時，同步記錄氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用GraphPad Prism 5軟件、Excel和DPSv7.50數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析系統(tǒng)作圖和數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1對發(fā)芽率、出苗率和活力指數(shù)的影響

由圖1可以看出，不同土壤鹽分處理下高粱的發(fā)芽率、成苗率和活力指數(shù)均隨著鹽濃度的增加而下降，種子引發(fā)處理可提高這些指標(biāo)。鹽復(fù)配引發(fā)(CSP)、單鹽引發(fā)(SSP)和不引發(fā)(NSP)在正常土壤鹽分(CK)條件下差異較小，而隨著土壤鹽分的增加鹽復(fù)配引發(fā)(CSP)可顯著提高高粱種子的發(fā)芽率、出苗率和活力指數(shù)，其作用效果明顯優(yōu)于單鹽引發(fā)(SSP)和不引發(fā)(NSP)。在土壤鹽分40、80、120 mmol·L-1和160 mmol·L-1時，發(fā)芽率CSP比SSP分別高4.11%、7.50%、23.55%和154.40%，成苗率CSP比SSP分別高5.04%、9.13%、27.29%和233.02%，活力指數(shù)CSP比SSP分別高4.11%、14.04%、22.50%和76.92%。同時，隨著土壤鹽濃度的增加，二者的差異有增大趨勢。

顯著性檢驗結(jié)果表明，種子引發(fā)處理(SP)和土壤鹽分處理(Salt)均達(dá)到了顯著水平。在種子引發(fā)處理間，發(fā)芽率、成苗率和活力指數(shù)三者的顯著性大小為成苗率(F=33.67**)>發(fā)芽率(F=19.36**)>活力指數(shù)(F=13.09*)；土壤鹽分處理(Salt)間發(fā)芽率(F=703.12**)>成苗率(F=684.29**)>活力指數(shù)(F=78.61*)，二者的互作效應(yīng)(SP×Salt)不顯著。

表1　種子引發(fā)對鹽漬土壤條件下高粱發(fā)芽率、出苗率和活力指數(shù)的影響

注：CSP，NaCl和Na2SO4復(fù)配引發(fā)種子；SSP，NaCl引發(fā)種子；NSP，未引發(fā)種子；SP為不同種子引發(fā)處理間比較，Salt為不同鹽分處理間比較；SRE，誤差極小(小于0.01)；ns，差異不顯著；*表示0.05水平顯著，**表示0.01水平顯著；多重比較為發(fā)芽率、成苗率和活力指數(shù)在不同種子引發(fā)處理間的比較。下同。

Note: CSP indicates NaCl and Na2SO4complex primed seeds; SSP indicates single NaCl primed seeds; NSP indicates none primed with seeds; SP indicates the comparison in different seed priming treatments; Salt indicates the comparison in different salt treatments; SRE indicates error is very small (less than 0.01); ns indicates the difference was not significant; * indicates a significant level of 0.05, ** indicates a significant level of 0.01; multiple comparison due to different initiators from seed priming treatments, including germination percentage, emergence percentage and vigor index, and hereinafter.

2.2對高粱葉片和根系相對含水量的影響

葉片和根系的相對含水量可反映植株的生長狀況和代謝活力，隨著鹽濃度的增加高粱葉片和根系的相對含水量均呈下降趨勢，而種子引發(fā)處理可明顯降低下降的幅度(圖1，圖2)。種子引發(fā)可提高葉片和根系的相對含水量，尤其在80 mmol·L-1(Salt-80)至160mmol·L-1(Salt-160)這一區(qū)間效果更為明顯，差異均達(dá)到了顯著水平。鹽復(fù)配引發(fā)(CSP)、單鹽引發(fā)(SSP)和不引發(fā)(NSP)在正常土壤鹽分(CK)條件下葉片和根系相對含水量差異較小，而隨著土壤鹽分的增加引發(fā)處理對葉片和根系的相對含水量的影響逐漸增大，其影響效應(yīng)表現(xiàn)為：復(fù)配引發(fā)(CSP)>單鹽引發(fā)(SSP)，且其差異均達(dá)到了顯著水平。

圖1種子引發(fā)對鹽漬土壤條件下高粱相對含水量的影響

Fig.1Effects of seed priming on relative water content of sorghum seeding under different soil salt content conditions

2.3對葉綠素含量的影響

由表2可以看出，鹽漬土壤條件對高粱葉綠素含量具有較大影響，而種子引發(fā)可顯著提高不同鹽濃度下葉綠素含量。葉綠素a+b隨著鹽濃度的降低而下降，在鹽濃度40 mmol·L-1(Salt-40)和80 mmol·L-1(Salt-80)下與對照差異較小，而當(dāng)濃度進(jìn)一步增加至120 mmol·L-1(Salt-120)和160 mmol·L-1(Salt-160)時，下降幅度明顯增大；葉綠素a變化趨勢與葉綠素a+b基本一致，而葉綠素b除160 mmol·L-1(Salt-160)外，其它處理間差異很小。說明鹽脅迫對葉綠素a的影響大于葉綠素b。同時，種子引發(fā)處理對葉綠素a+b、葉綠素a和葉綠素b都具有一定的提高效應(yīng)，尤其是鹽復(fù)配引發(fā)(CSP)作用效果更為明顯，在不同鹽分處理下與單鹽引發(fā)(SSP)和不引發(fā)(NSP)的差異均達(dá)顯著水平，說明在中高度鹽分脅迫下，鹽復(fù)配引發(fā)(CSP)在減少葉綠素含量下降幅度方面具有較好的效果。

方差分析結(jié)果表明：種子引發(fā)(SP)處理下，葉綠素a+b(F值=75.38**)、葉綠素a(F值=13.51**)差異顯著，而葉綠素b(F值=0.97ns)差異不顯著；土壤鹽分處理間(Salt)和種子引發(fā)和鹽分處理互作間(SP×Salt)也均表現(xiàn)為綠素a+b和葉綠素a差異顯著，而葉綠素b差異不顯著。

表2　種子引發(fā)對鹽漬土壤條件下高粱葉綠素含量的影響

2.4對光合參數(shù)的影響

鹽脅迫對高粱幼苗的光合參數(shù)存在較大影響，而種子引發(fā)處理(尤其是CSP)可改善幼苗的光合性能。表3表明，凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)均隨著鹽濃度的增加而下降，在鹽濃度不超過80 mmol·L-1(Salt-80)時，鹽復(fù)配引發(fā)(CSP)、單鹽引發(fā)(SSP)和不引發(fā)(NSP)處理間差異較小，而隨著鹽濃度的進(jìn)一步加大三者間差異效果更為明顯。

方差分析結(jié)果表明，種子引發(fā)(SP)、鹽分處理(Salt)及其二者互作下，Pn、Gs、Ci、Tr均達(dá)到了極顯著水平；種子引發(fā)(SP )處理下受影響程度均表現(xiàn)為Tr>Pn>Ci>Gs，鹽分處理(Salt)和二者互作間表現(xiàn)為Pn>Tr>Ci>Gs。

表3　種子引發(fā)對鹽漬土壤條件下高粱光合參數(shù)的影響

2.5對抗氧化系統(tǒng)的影響

對抗氧化系統(tǒng)在不同土壤鹽漬下的F值顯著性檢驗結(jié)果表明(表4)：除SOD外，鹽濃度處理(Salt)對幼苗的生長的影響總體上大于種子引發(fā)處理(SP)，種子引發(fā)處理對不同鹽分脅迫下抗氧化物質(zhì)的影響存在差異。同時，種子引發(fā)處理(尤其是CSP)作用效果更為明顯，在不同鹽分處理下表現(xiàn)為：鹽復(fù)配引發(fā)(CSP)>單鹽引發(fā)(SSP)>不引發(fā)(NSP)，說明鹽復(fù)配引發(fā)(CSP)可使植株通過抗氧化系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)來增強對鹽分逆境的適應(yīng)能力。

表4　種子引發(fā)對抗氧化系統(tǒng)在不同土壤鹽漬下的F值顯著性檢驗

圖2種子引發(fā)對鹽漬土壤條件下高粱抗氧化系統(tǒng)的影響

Fig.2Effects of seed priming on antioxidant system of sorghum seeding under different soil salt content conditions

3　討　論

種子引發(fā)技術(shù)作為一種有效的耐鹽手段已經(jīng)越來越多的應(yīng)用在作物抗性栽培和育種中。本研究認(rèn)為在中、高鹽脅迫條件下種子引發(fā)對高粱種子萌發(fā)和幼苗的形態(tài)建成作用效果更為明顯。此結(jié)果與賀長征等[8]對水稻引發(fā)提高了種子發(fā)芽力的結(jié)果基本一致；馬金虎等[14]、阮松林等[9]對高粱種子引發(fā)研究也得出類似的結(jié)論。但本結(jié)論通過復(fù)配引發(fā)和單鹽引發(fā)的比較發(fā)現(xiàn)復(fù)配引發(fā)對種子萌發(fā)更為有利，可能是由于促進(jìn)了種子在鹽漬逆境下的滲透吸水。

引發(fā)藥劑常被認(rèn)為是種子引發(fā)作用效果優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本試驗采用的單劑和復(fù)配劑的研究結(jié)果總體表現(xiàn)為：復(fù)配引發(fā)(CSP)>單鹽引發(fā)(SSP)>不引發(fā)(NSP)。可能是因為在鹽分脅迫下氯離子(Cl-)和硫酸根離子(SO42-)以及二者的互作效應(yīng)在對種子的抗性上具有多重調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)了種子在鹽漬逆境下的滲透吸水，進(jìn)而增加了種子的耐鹽適應(yīng)能力。此研究結(jié)果與賀長征等[8]對水稻復(fù)配引發(fā)促進(jìn)種子發(fā)芽效果較好的研究結(jié)果基本一致，同時對其研究結(jié)果進(jìn)行了補充與深化；而與史雨剛等[13]對小麥引發(fā)的研究結(jié)果略有差異，可能是因為種子引發(fā)劑不同或是試驗條件存在差異所致。

本研究雖對鹽漬土壤條件下高粱幼苗引發(fā)后的生理機制做了一些剖析，但對其離子含量、細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化等方面的生理特性尚未研究，希望相關(guān)學(xué)者將來能對其生理機制進(jìn)行更深入的探尋。

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Effects of seed priming on the physiological characteristics of sorghum seedlings under saline stress

ZHANG Fei, ZHU Kai, WANG Yan-qiu, ZHANG Zhi-peng, ZOU Jian-qiu

(Liaoning Provincial Academy of Agricultural Sciences, Innovation Center, Shenyang, Liaoning 110161, China)

seed priming; sorghum; salt stress; germination; physiological

1000-7601(2016)05-0047-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.07

2015-07-05

遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃項目(2015022)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-06)；國家科技支撐計劃(2014BAD07B02)

張飛(1982—)，男，博士，助研，主要從事高粱遺傳育種與高產(chǎn)栽培技術(shù)研究。E-mail: zhangfei19821121@163.com。

鄒劍秋，研究員，主要從事高粱遺傳育種研究。E-mail: jianqiuzou@126.com。

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A