苜蓿萌發(fā)對Na2CO3脅迫的反應(yīng)和適應(yīng)性

王運(yùn)濤，于林清，楊志敏，王春杰，閆蕾蕾，葛 劍，王偉娟，董曉峰

(1.張家口學(xué)院 旅游與環(huán)境學(xué)院，河北 張家口 075000； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；3.張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北 張家口 075000； 4.河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071002；5.河北北方學(xué)院動物科技學(xué)院，河北 張家口 075000；6.張家口市崇禮區(qū)植保站，河北 張家口 076350； 7.張家口市尚義縣農(nóng)牧局，河北 張家口 076750)

苜蓿(Medicagosativa)是一種優(yōu)良的多年生豆科牧草，被譽(yù)為“牧草之王”和“飼草皇后”，在我國栽培歷史悠久且分布廣泛[1]，不僅產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)、適口性好[2]，而且在農(nóng)業(yè)耕作、生態(tài)環(huán)保等方面也具有重要作用[1]。我國苜蓿的主要栽培區(qū)域在東北、華北和西北等地，種植面積高達(dá)500萬hm2。隨著“苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動”和“糧改飼”等政策的實(shí)施，苜蓿的種植面積將會進(jìn)一步增加。

鹽堿地是我國耕地的重要組成部分，約有667萬hm2，另外我國還有0.346億m2的鹽堿荒地[3]。由于土壤的鹽化與堿化往往相伴發(fā)生，所以人們長期以來將土壤可溶性鹽分的增加籠統(tǒng)的稱為“土壤鹽堿化”。土壤鹽堿化對植物來說是一種非生物脅迫，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育，使其產(chǎn)量和品質(zhì)降低[4]。而苜蓿具有廣泛的生態(tài)適應(yīng)性和穩(wěn)定的生產(chǎn)力，其葉片具有排鹽機(jī)制，可在輕度或中度鹽堿地中生長良好，是豆科植物中耐鹽堿性較強(qiáng)的飼草[5]。但是，苜蓿品種間耐鹽性差異較大，必須經(jīng)過嚴(yán)格的篩選和鑒定耐鹽性強(qiáng)的苜蓿種質(zhì)資源，才能提高鹽堿地的開發(fā)和利用，擴(kuò)大苜蓿栽培范圍，提高鹽堿地苜蓿產(chǎn)量，這對發(fā)展畜牧業(yè)和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義[6]。

種子萌發(fā)成苗階段的耐鹽能力一定程度上反映了植物整體的耐鹽性[7]。因此，在種子萌發(fā)期進(jìn)行耐鹽性評價和鑒定對篩選耐鹽性品種顯得尤為重要?，F(xiàn)如今，人們對植物鹽脅迫的研究多集中在中性鹽(如NaCl)，而對堿性鹽(如Na2CO3)研究較少。對于一般的鹽堿地來說，其土壤中既含有中性鹽又含有堿性鹽，有研究發(fā)現(xiàn)，堿性鹽脅迫對植物的脅迫效應(yīng)更強(qiáng)，因?yàn)辂}分與堿分之間存在著協(xié)同促進(jìn)的效應(yīng)[8]。但是，有關(guān)苜蓿萌芽階段對混合鹽堿脅迫響應(yīng)的報道較少。故本研究以10個國內(nèi)外的苜蓿種質(zhì)資源為試驗(yàn)材料，用不同濃度的Na2CO3溶液進(jìn)行處理，根據(jù)發(fā)芽指標(biāo)，綜合評價品種的耐鹽堿性能，以明確其適宜的萌發(fā)成苗條件，旨在篩選耐堿性鹽能力強(qiáng)的苜蓿品種，為改良土壤鹽漬化、提高鹽漬化土壤利用率提供理論基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取國外苜蓿品種4個(阿爾岡金、巨能、馴鹿和皇冠)、國內(nèi)品種3個(中苜1號、中草3號和龍牧801)和材料3份(YL604、YL80和YL702)，均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所提供。試驗(yàn)于2016年6月在張家口學(xué)院旅游與環(huán)境學(xué)院(原理學(xué)院)生理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)處理試驗(yàn)選取籽粒飽滿、均勻一致的苜蓿種子，置于直徑10 cm的培養(yǎng)皿中，皿內(nèi)放兩張濾紙。每皿均勻擺放50粒種子，每個培養(yǎng)皿中加入4 mL不同濃度(0、0.1%、0.15%、0.2%、0.3%)Na2CO3溶液浸潤種子，每處理各設(shè)3次重復(fù)，置于25 ℃培養(yǎng)箱內(nèi)，光照/黑暗12 h/12 h。培養(yǎng)期間每天采用稱重法，補(bǔ)充蒸發(fā)的水分。

1.2.2指標(biāo)測定根據(jù)《國家種子檢驗(yàn)規(guī)程》[9]，以苜蓿種子具有正常幼根且至少有1片子葉或2片子葉保留2/3以上(不含)為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)各處理材料的種子發(fā)芽數(shù)。根據(jù)第4天的種子發(fā)芽數(shù)計(jì)算發(fā)芽勢，根據(jù)第10天的種子發(fā)芽數(shù)計(jì)算發(fā)芽率，計(jì)算公式分別為：

相對發(fā)芽勢(%)=(某濃度下的發(fā)芽勢/對照處理的發(fā)芽勢)×100%；

發(fā)芽率(%)=(第10天的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

于培養(yǎng)后的第10天，每皿隨機(jī)選取10棵芽苗，用直尺分別測量芽苗胚根和胚芽的長度，計(jì)算平均長度。

1.2.3耐鹽系數(shù)及耐鹽性評價采用隸屬函數(shù)法對供試苜蓿品種各指標(biāo)的隸屬值進(jìn)行累加計(jì)算，求出平均值，以評價其耐鹽性。

1)單項(xiàng)指標(biāo)耐鹽系數(shù)(R)=不同濃度下指標(biāo)平均值(W1)/對照指標(biāo)平均值(W)[7]；

2)隸屬函數(shù)值：

若某一指標(biāo)與耐鹽性呈正相關(guān)關(guān)系，則：

μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)；

若某一指標(biāo)與耐鹽性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，則：

μ(Xi)=(Xmax-Xi)/(Xmax-Xmin)。

式中：Xi為各供試材料基于鑒定指標(biāo)i的耐鹽系數(shù)，Xmin和Xmax分別為供試材料中Xi的最小值和最大值，μ(Xi)為供試材料Xi的隸屬函數(shù)值。

1.3　數(shù)據(jù)分析

對數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SAS 81進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與方差分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2　結(jié)果與分析

2.1　Na2CO3脅迫下各苜蓿品種發(fā)芽勢的變化

供試的10份苜蓿品種的發(fā)芽勢在各Na2CO3濃度脅迫下差異明顯。在Na2CO3濃度為0.1%時，巨能和YL702的發(fā)芽勢較高，均在90.0%以上，彼此之間差異不顯著(P>0.05)；阿爾岡金的發(fā)芽勢最低，為45.3%，與巨能和YL702差異顯著(P<0.05)；其余品種居中。在Na2CO3濃度為0.15%時，中草3號的發(fā)芽勢最高；中苜1號次之，兩者無顯著差異(P>0.05)；馴鹿的發(fā)芽勢最低，僅為30.7%，顯著低于前兩者(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.2%時，皇冠的發(fā)芽勢最高，為49.3%；中苜1號和中草3號次之，均為46.7%，顯著低于皇冠(P<0.05)；馴鹿的發(fā)芽勢最低，為17.3%，與前面3個品種差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.3%時，巨能的發(fā)芽勢顯著高于其他品種(P<0.05)；其余品種之間彼此無顯著差異(P>0.05)(表1)。

供試苜蓿品種的發(fā)芽勢隨著鹽脅迫濃度的增大變化趨勢略有不同。巨能、皇冠、中苜1號和YL702的發(fā)芽勢在低Na2CO3濃度脅迫時，與對照相比略有提高，然后隨著鹽濃度的升高再逐漸降低；其余苜蓿品種的發(fā)芽勢隨鹽堿濃度的增大一直保持逐漸降低。在各Na2CO3濃度下，巨能、皇冠、中苜1號和YL702的發(fā)芽勢均維持在較高水平(表1)。整體上，供試苜蓿品種的發(fā)芽勢隨鹽堿脅迫濃度的增大呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

2.2　Na2CO3脅迫下各苜蓿品種發(fā)芽率的變化

供試的10份苜蓿品種的發(fā)芽率在各Na2CO3濃度脅迫下均存在明顯差異。在Na2CO3濃度為0.1%時，YL702、巨能、中苜1號和中草3號的發(fā)芽率較高，均在90.0%以上，彼此之間無顯著差異(P>0.05)；阿爾岡金的發(fā)芽率最低，僅62.7%，與前者差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.15%，中草3號和巨能的發(fā)芽率較高，均在85%以上，兩者無明顯差異(P>0.05)；中苜1號次之；馴鹿的發(fā)芽率較低，與前3個品種差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.2%時，中草3號的發(fā)芽率最高，為81.3%；YL80次之，與中草3號無顯著差異(P>0.05)，阿爾岡金的發(fā)芽率較低，與前兩者差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.3%時，巨能和YL702的發(fā)芽率較高，均達(dá)30.0%以上，兩者無顯著差異(P>0.05)；中草3號次之；YL80的發(fā)芽率最低，僅13.3%，與巨能差異顯著(P<0.05)(表2)。

表1　Na2CO3脅迫對10份苜蓿品種發(fā)芽勢的影響Table 1　Germination energy of 10 alfalfa varieties under different Na2CO3 concentrations　%

同行不同小寫字母表示同一品種不同濃度間差異顯著(P<0.05)；同列不同大寫字母表示同一濃度不同品種間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different lowercase letters within the same row indicate significant difference between different Na2CO3concentrations at the 0.05 level. Different capital letters within the same column indicate significant difference between different varieties at the 0.05 level; similarly for the following tables.

表2　Na2CO3脅迫對10份苜蓿品種發(fā)芽率的影響Table 2　Germination rate of 10 alfalfa varieties under different Na2CO3 concentrations　%

供試苜蓿品種的發(fā)芽率隨著鹽脅迫濃度的增大變化趨勢略有不同。部分品種如皇冠、巨能、中苜1號和YL702在Na2CO3濃度為0.1%時的發(fā)芽率與對照相比略有升高，升高幅度在0.1%～17.2%；其余品種的發(fā)芽率均低于對照；隨后，除YL80外，其余品種的發(fā)芽率均隨著Na2CO3濃度的增大而逐漸降低。在各Na2CO3濃度下，巨能、皇冠、中苜1號、中草3號和YL702的發(fā)芽率均較高(表2)。總體上，在Na2CO3脅迫下，苜蓿品種的相對發(fā)芽率隨鹽濃度的增大呈現(xiàn)先略有增大后減小的趨勢。

2.3　Na2CO3脅迫對10份苜蓿品種胚根長的影響

在各Na2CO3濃度脅迫下，供試苜蓿品種的胚根長均存在明顯差異。在Na2CO3濃度為0.1%時，巨能的胚根最長；皇冠次之，兩者無顯著差異(P>0.05)；阿爾岡金的胚根最短，與前兩者差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.15%時，皇冠的胚根最長；龍牧801次之，兩者無顯著差異(P>0.05)；阿爾岡金的胚根最短，與前兩者差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.2%時，中草3號的胚根最長；皇冠次之，兩者無顯著差異(P>0.05)；阿爾岡金的胚根最短，與前兩者差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.3%時，中草3號的胚根最長；馴鹿次之，兩者差異不顯著(P>0.05)；阿爾岡金的胚根最短，與前兩者差異顯著(P<0.05)(表3)。

在不同鹽濃度梯度下，巨能、皇冠和YL604的胚根長隨鹽濃度的增加呈先增加后下降的趨勢，其余苜蓿品種隨鹽濃度梯度的增加均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。整體來看，苜蓿品種的胚根長度隨Na2CO3鹽濃度的增加呈逐漸變短的趨勢(表3)。

2.4　Na2CO3脅迫對10份苜蓿品種胚芽長的影響

在各Na2CO3脅迫下，供試苜蓿品種的胚芽長差異明顯。在Na2CO3濃度為0.1%時，馴鹿的胚芽最長；巨能次之，兩者無顯著差異(P>0.05)；阿爾岡金和YL604的胚芽長較短，與前兩者差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.15%時，中草3號和龍牧801的胚芽均較長，顯著長于其余品種(P<0.05)；巨能和YL80次之；中苜1號的胚芽最短，但與除中苜3號和龍牧801以外的其余品種間均無顯著差異(P>0.05)。在Na2CO3濃度為0.2%時，中草3號的胚芽最長；YL80次之，兩者無顯著差異(P>0.05)；阿爾岡金的胚芽最短，與前者差異顯著(P<0.05)。在Na2CO3濃度為0.3%時，中草3號的胚芽最長；皇冠次之，兩者無顯著差異(P>0.05)；阿爾岡金的胚芽最短，與前者差異顯著(P<0.05)(表4)。

隨著鹽濃度梯度的增加，馴鹿的胚芽長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，而其余品種均呈逐漸降低的趨勢?？傮w來看，供試苜蓿品種的胚芽長度隨著Na2CO3濃度的增加呈逐漸變短的趨勢(表4)。

表3　Na2CO3脅迫對10份苜蓿品種胚根長的影響Table 3　Radicle length of 10 alfalfa varieties under different Na2CO3 concentrations　cm

表4　Na2CO3脅迫對10份苜蓿品種胚芽長的影響Table 4　Plumule height of 10 alfalfa varieties under different Na2CO3 concentrations　cm

2.5　供試苜蓿品種的耐鹽堿性綜合評價

植物的耐鹽性強(qiáng)弱可以用耐鹽系數(shù)來表示，一般來說，耐鹽系數(shù)越高耐鹽性越好[10]。苜蓿種子萌發(fā)時的各指標(biāo)可以說明其耐鹽性強(qiáng)弱[11]。苜蓿種子萌發(fā)期的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、胚根長和胚芽長等指標(biāo)的耐鹽系數(shù)存在差異。在發(fā)芽勢中，巨能的耐鹽系數(shù)較高、中苜1號次之，馴鹿的耐鹽系數(shù)較??；在發(fā)芽率中，皇冠的耐鹽系數(shù)較高,巨能次之，馴鹿較小；在胚根長中，皇冠的耐鹽系數(shù)較大，YL702較??；在胚芽長中，馴鹿的耐鹽系數(shù)較大，中苜1號次之,YL604較小(表5)。因此,用不同指標(biāo)的耐鹽系數(shù)評價苜蓿品種的耐鹽性時，其結(jié)果有所不同。

由于用單一指標(biāo)的耐鹽系數(shù)評價耐鹽性具有片面性[12]，為準(zhǔn)確反映苜蓿品種的耐Na2CO3性能，采用隸屬函數(shù)法對供試苜蓿品種的耐鹽堿性進(jìn)行綜合評價，隸屬函數(shù)值越大，苜蓿的耐鹽性越強(qiáng)。中苜1號和巨能的隸屬函數(shù)平均值較大，分別為0.553和0.529(表6)；YL604和阿爾岡金較小，分別為0.416和0.311；其他品種居中。據(jù)此，可知供試10份苜蓿品種的抗Na2CO3鹽性由強(qiáng)到弱的次序?yàn)橹熊?號>巨能>YL702>皇冠>中草3號>龍牧801>YL80>馴鹿>YL604>阿爾岡金。

表5　供試苜蓿品種的耐鹽系數(shù)Table 5　Salt tolerance index of alfalfa varieties

表6　供試苜蓿品種耐鹽性綜合評價與排名Table 6　Value membership function and order of salt tolerance of alfalfa varieties

3　討論

種子植物的生長是從種子萌發(fā)開始的，種子耐鹽性及其機(jī)制研究是植物耐鹽性早期鑒定的基礎(chǔ)。同時種子萌發(fā)是植物整個生命史的關(guān)鍵，而生活在鹽漬環(huán)境中的植物在萌發(fā)過程中的耐鹽能力又是其幼苗建立的關(guān)鍵。苜蓿種子在不同的鹽濃度下，生長會受到不同程度的影響[13]。本研究發(fā)現(xiàn)低濃度的Na2CO3對某些苜蓿品種的發(fā)芽有促進(jìn)作用，較高濃度的Na2CO3會抑制苜蓿種子的萌發(fā)，且抑制程度隨處理濃度的增加而增加，在鹽脅迫對黃花苜蓿(Medicagofalcata)發(fā)芽及幼苗生長的影響研究中也得到了相同的結(jié)果[14]。不同苜蓿品種之間的耐鹽性差異顯著(P<0.05)。在其他的研究[15-16]中，苜蓿種子在NaCl濃度為1.0%以上時，仍有一定的發(fā)芽率。但在本研究中，當(dāng)Na2CO3濃度為0.3%時，供試苜蓿品種的發(fā)芽率已經(jīng)較低。這表明堿性鹽對苜蓿的影響比中性鹽對苜蓿的影響大，這可能是Na2CO3造成的高pH是種子萌發(fā)的最大致害因素，其次才是鈉離子效應(yīng)，而滲透效應(yīng)非常微弱。堿性鹽對苜蓿的破壞強(qiáng)于中性鹽，堿性鹽對植物的脅迫因素除了和中性鹽共有的離子毒害、滲透脅迫外，還有高pH值及明顯降低礦質(zhì)元素的可利用型等方面。而且在這些脅迫因素中，高pH是首要的，離子毒害次之，滲透效應(yīng)最小[17]。

胚根與胚芽生長是種子萌發(fā)期向苗期過渡的重要階段，也是植物能否在鹽堿環(huán)境下生存的決定性階段[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，在低鹽堿濃度下，胚根的生長并未受到顯著影響，而胚芽的生長卻受到了明顯的抑制作用，這與Li等[19]對Spartinaalterniflora的研究結(jié)果正好相反。在高鹽堿濃度下，胚根和胚芽的生長都受到了明顯抑制，且濃度越大，幼苗所受傷害越大，這也說明高pH與鹽濃度的雙重作用也會加劇滲透脅迫與離子毒害對幼苗生長的影響，pH與鹽濃度的相互作用是鹽堿脅迫的重要特征。

在本研究中，各指標(biāo)雖然均可在一定程度上反映品種的耐鹽堿性，各苜蓿品種各指標(biāo)的耐鹽系數(shù)均不一致。這說明各指標(biāo)對耐鹽堿性的貢獻(xiàn)并不是均等的[6]。故不能用單一指標(biāo)或單一指標(biāo)的耐鹽系數(shù)來表示某一苜蓿品種的耐鹽堿性強(qiáng)弱。

4　結(jié)論

鹽堿脅迫下，供試苜蓿品種的種子萌發(fā)受到抑制，其中發(fā)芽率隨著鹽堿濃度的增大呈先增大后減小的趨勢；而發(fā)芽勢、胚根長和胚芽長均隨著鹽堿脅迫濃度的增大呈逐漸降低或減小的趨勢；且鹽堿脅迫對莖的抑制作用大于對根的抑制作用。苜蓿品種各指標(biāo)的耐鹽系數(shù)大小不同。根據(jù)隸屬函數(shù)法對10份紫花苜蓿品種耐鹽堿性進(jìn)行排序?yàn)橹熊?號>巨能>YL702>皇冠>中草3號>龍牧801>YL80>馴鹿>YL604>阿爾岡金。