酸堿脅迫對鳳仙花種子萌發(fā)及幼苗生長生理的影響

張永福，董翠蓮，韓 麗，莫麗玲，牛燕芬，姚麗媛

(昆明學院農(nóng)學院，云南昆明 650214)

植物正常生長發(fā)育需要一個良好的土壤環(huán)境，土壤中鹽分過高、重金屬超標、過酸或過堿、過干或過濕等逆境均不利于植物的生長發(fā)育。目前，土壤酸化和鹽堿化現(xiàn)象日益嚴重，已經(jīng)成為世界性的環(huán)境問題，一方面由于工業(yè)發(fā)展和人類干擾，汽車尾氣和工業(yè)廢棄物的大量排放而產(chǎn)生的酸性降雨使土壤酸化，對植物的株高和地徑產(chǎn)生影響[1]，使城市園林植物的觀賞性降低；另一方面，隨著人類活動干擾及環(huán)境的惡化，鹽堿面積不斷增加，我國鹽堿化土壤面積已達到9 913萬hm2[2]。如何減輕土壤酸化、鹽堿化對園林花卉的危害，使城市中受到污染的土壤能夠栽培上適合的園林花卉，是當前城市園林綠化部門面臨和亟需解決的問題，確定植物的耐酸堿性，探明酸性、堿性土壤對植物生長生理的影響，培育和選用適應性強的園林花卉，是開發(fā)利用酸化土地和鹽堿地最直接、最有效的途徑。近年來，針對不同pH值對植物生長反應、生理生化變化等的影響已有一些研究報道[3-5]。

鳳仙花(ImpatiensbalsaminaL.)為鳳仙花科鳳仙花屬一年生草本植物，因民間常用其花、葉染指甲，別稱指甲花。鳳仙花在我國各地庭院廣泛栽培，是常見的園林觀賞花卉，其土壤適應性、抗逆性較強，栽培管養(yǎng)方便，其莖入藥有祛風濕、活血、止痛之效，種子有軟堅、消積之效[6]。目前，鳳仙花主要用種子繁殖，對逆境脅迫下鳳仙花種子萌發(fā)過程中生理生化變化的研究主要集中在鹽脅迫、溫度脅迫、水分脅迫等方面[7-15]，而對酸堿脅迫的研究鮮見報道。本試驗以鳳仙花種子為研究材料，分別使用pH值為1～13的溶液進行培養(yǎng)，測定種子發(fā)芽指標、幼苗形態(tài)指標、幼苗營養(yǎng)物質(zhì)及膜脂過氧化系統(tǒng)指標，探討酸堿脅迫對鳳仙花幼苗生長生理的影響，確定鳳仙花能夠正常生長發(fā)育的酸堿度，為鳳仙花在酸化或堿化土壤中的栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

鳳仙花種子，來源于云南省昆明市。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2015年5月進行，挑選粒大、飽滿的鳳仙花種子，用蒸餾水浸泡2 h后放入墊有3層定性濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿均勻放入50粒種子；分別倒入10 mL pH值為1～13的溶液，pH值為1～13的溶液用濃度均為0.1 mol/L的HCl和NaOH配制，用pH計進行微調(diào)；于26 ℃恒溫培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，每個pH值處理200粒種子，重復3次，每隔1 d更換1次培養(yǎng)皿中的濾紙和不同pH值的溶液。

1.3 測定內(nèi)容和方法

從處理的第2天開始每天測定1次發(fā)芽率，第6天開始從每個培養(yǎng)皿中隨機取20株小幼苗，測定其生物量、幼苗根長、幼苗株高、幼根數(shù)量和可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛、過氧化氫含量及氧自由基產(chǎn)生速率、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性。生物量用精確度為0.01 g的天平稱量，幼苗種子根長、株高用直尺測量；可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛、過氧化氫含量分別采用苯酚-硫酸法、酸解法、考馬斯亮藍G250顯色法、酸性茚三酮顯色法、分光光度法、硫酸鈦-濃氨水法測定；超氧化物歧化酶活性、過氧化物酶活性、氧自由基產(chǎn)生速率分別采用氮藍四唑光反應法、愈創(chuàng)木酚-雙氧水顯色法、對氨基苯磺酸-α-萘胺顯色法測定[16-17]。統(tǒng)計發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)，計算公式如下：

發(fā)芽勢=規(guī)定時間內(nèi)發(fā)芽達到高峰期的種子發(fā)芽總數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

發(fā)芽率=規(guī)定時間內(nèi)種子發(fā)芽總數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=(Gi/Di)；

活力指數(shù)(VI)=GI×S。

式中：Gi為第i天的發(fā)芽數(shù)，個；Di為發(fā)芽時間，d；S為幼苗的株高，cm。用3 d內(nèi)的發(fā)芽總數(shù)計算發(fā)芽勢，用6 d內(nèi)的發(fā)芽總數(shù)計算發(fā)芽率。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Duncan’s新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 酸堿脅迫對鳳仙花種子發(fā)芽的影響

種子活力是種子品質(zhì)的一項重要指標，由種子發(fā)芽率、出苗率、幼苗生長情況及抗逆性組成。由表1可知，不同pH值處理對鳳仙花種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)有一定的影響；pH值為3～11處理的鳳仙花種子發(fā)芽勢相對較高，均在80%以上，且相互間差異不顯著，pH值為2、12處理的鳳仙花種子發(fā)芽勢在70%以上，pH值為1、13處理的鳳仙花種子發(fā)芽勢極低，其中pH值為1時的發(fā)芽勢為0；pH值為2～11處理的鳳仙花種子發(fā)芽率相對較高，均在85%以上，且相互間差異不顯著，pH值為1、13的鳳仙花種子發(fā)芽率低于10%，顯著低于其他處理(P<0.05)；發(fā)芽指數(shù)的變化規(guī)律與發(fā)芽率相似，pH值為3～11處理的鳳仙花種子發(fā)芽指數(shù)均在77以上，且相互間差異不顯著，而pH值為1、13的鳳仙花種子發(fā)芽指數(shù)均低于5，其中pH值為1時的發(fā)芽指數(shù)相對最低，僅為1.67。

活力指數(shù)是種子發(fā)芽速率與生長量的綜合反映，也是測定種子活力的重要指標。由表1可知，pH值為5～12處理的鳳仙花種子活力指數(shù)均在187以上，顯著高于其他處理(P<0.05)；pH值為1、2、13處理的鳳仙花種子活力指數(shù)則顯著低于其他處理(P<0.05)，其中以pH值為1的最低，其活力指數(shù)僅為0.95。由此可見，pH值為2～11處理對鳳仙花種子的萌發(fā)影響不大，但pH值為2處理的鳳仙花種子活力指數(shù)相對較低，種子萌發(fā)后幼苗容易夭折，難以成苗；pH值為12處理的鳳仙花種子萌發(fā)率相對稍低，但其活力指數(shù)較高，幼苗能夠健壯成長；pH值為1、13處理的鳳仙花種子幾乎不能萌發(fā)成苗。因此，pH值為3～12的溶液適用于鳳仙花種子的萌發(fā)。

表1 酸堿脅迫對鳳仙花種子發(fā)芽的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下表同。

2.2 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗生長的影響

由表2可知，堿處理(pH值>7)能夠促進鳳仙花生物量的累積；隨著pH值的上升，鳳仙花幼苗的生物量逐漸增加，pH值為10～12處理的鳳仙花幼苗生物量顯著大于其他處理(P<0.05)；pH值為3、4處理的鳳仙花幼苗生物量顯著小于其他酸堿脅迫處理，而這2個處理相互間差異不顯著；堿性脅迫處理有利于鳳仙花幼苗根系的生長，而酸性脅迫則抑制其根系的生長，pH值5～12處理的鳳仙花幼苗根長顯著大于其他2個處理，而pH值為3處理的鳳仙花幼苗根長顯著小于其他處理(P<0.05)；堿脅迫處理的鳳仙花幼苗株高高于酸脅迫處理，pH值為9～12處理的鳳仙花幼苗株高顯著高于其他處理，而pH值為3、4處理的鳳仙花幼苗株高顯著低于其他處理；中性、堿性條件有利于鳳仙花幼根數(shù)量的增加，而酸性條件則不利于其幼根數(shù)量的增加，pH值為6～12處理的鳳仙花幼根數(shù)量明顯多于其他處理，pH值為3處理的鳳仙花幼根數(shù)量相對最少。由此可見，堿性條件有利于鳳仙花生物量的累積，可促進幼根生長、幼苗長高和幼根數(shù)量的增加。

表2 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗生長的影響

注：由于pH值為1、2、13處理的鳳仙花種子活力指數(shù)極低，并未獲得正常幼苗，因此只對pH值為3～12處理的鳳仙花幼苗進行生長、營養(yǎng)物質(zhì)含量等其他指標的測定分析。

2.3 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗營養(yǎng)物質(zhì)含量的影響

由表3可知，pH值為6～8處理的鳳仙花幼苗淀粉含量顯著高于其他處理，pH值為11、12處理的鳳仙花幼苗淀粉含量則顯著低于其他處理(P<0.05)，而pH值為3、4、9、10處理的鳳仙花幼苗淀粉含量相互間差異不顯著；pH值為8、9處理的鳳仙花幼苗可溶性糖含量顯著高于其他處理，pH值為12處理的鳳仙花幼苗可溶性糖含量顯著低于其他處理(P<0.05)，而pH值為3～7和pH值為10處理的鳳仙花幼苗可溶性糖含量相互間差異不顯著；pH值為3～8處理的鳳仙花幼苗可溶性蛋白含量相差不大，相互間差異不顯著，pH值為12處理的鳳仙花幼苗可溶性蛋白含量顯著低于其他處理；pH值為 5～8處理的鳳仙花幼苗游離脯氨酸含量顯著高于其他處理，而pH值為11、12處理的則顯著低于其他處理；溶液pH值為7時，鳳仙花幼苗的淀粉、游離脯氨酸含量相對最高，分別為 6.85 mg/g、58.15 μg/g，溶液pH值為9時鳳仙花幼苗的可溶性糖含量、pH值為6時鳳仙花幼苗的可溶性蛋白含量相對最高，分別為8.54、3.57 mg/g，隨著酸、堿度的增加，有機營養(yǎng)物質(zhì)含量下降，pH值為12時，鳳仙花幼苗4種營養(yǎng)物質(zhì)含量整體上顯著低于其他處理(P<0.05)。

表3 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗營養(yǎng)物質(zhì)含量的影響

2.4 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗膜脂過氧化系統(tǒng)的影響

由表4可知，酸堿脅迫對鳳仙花膜脂過氧化系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響；隨著酸堿度的增加，鳳仙花幼苗丙二醛、過氧化氫含量總體上呈增加趨勢，SOD活性呈下降趨勢，pH值為7處理的鳳仙花幼苗丙二醛、過氧化氫含量顯著低于其他處理，pH值為3、12處理的鳳仙花幼苗丙二醛含量及pH值為12處理的鳳仙花幼苗過氧化氫含量顯著高于其他處理，pH值為6、7處理的鳳仙花幼苗SOD活性顯著高于其他處理(P<0.05)；pH值為7～12處理的鳳仙花植株氧自由基產(chǎn)生速率隨著堿度增加呈逐漸上升趨勢，而隨著酸度的增加(pH值由7降至3)，鳳仙花植株氧自由基產(chǎn)生速率呈先上升后下降趨勢，pH值為5、12處理的鳳仙花植株氧自由基產(chǎn)生速率顯著大于其他處理，而pH值為7處理的氧自由基產(chǎn)生速率為12.33 μmol/(min·g)，顯著低于其他處理；隨著pH值的增加，鳳仙花幼苗POD活性呈上升趨勢，pH值為12時的鳳仙花幼苗POD活性相對最高，為 18.13 U/(mg·min)，顯著高于其他處理，而pH值為3時的POD活性相對最低，為 3.09 U/(mg·min)，顯著低于其他處理。可見，酸堿度增加對鳳仙花幼苗的膜脂過氧化系統(tǒng)會產(chǎn)生傷害，且隨著酸堿度的增加，其對鳳仙花幼苗的傷害程度加大。

表4 酸堿脅迫對鳳仙花幼苗膜脂過氧化系統(tǒng)的影響

3 結(jié)論與討論

植物種子萌發(fā)是其生長發(fā)育的起點，溶液中的酸堿度將直接影響其萌發(fā)狀況。有研究發(fā)現(xiàn)，pH值為3.5～5.0的弱酸環(huán)境能促進小黑麥的種子萌發(fā)，但酸度增加到pH值為2.0時則其萌發(fā)受到明顯抑制[18]；pH值為5.0～6.5對光皮樺種子前期的萌芽速率有一定的促進作用，但當pH值降至4.5時，明顯抑制其萌發(fā)，且隨著酸性的增強，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢等明顯降低，當pH值降至3.5時，已不能正常發(fā)芽[19]；pH值為7.5～8.5的弱堿性環(huán)境在一定程度上可抑制光皮樺種子的萌發(fā)，但影響不明顯，而隨著pH值上升，其發(fā)芽指標呈下降趨勢[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，除pH值為1、13的處理可嚴重抑制鳳仙花種子萌發(fā)外，其他處理的鳳仙花種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率均較高，pH值為2處理的種子活力指數(shù)較低，萌發(fā)后容易夭折，難以成苗，pH值為12處理的種子萌發(fā)率稍低，但活力指數(shù)較高，幼苗能夠健壯生長；pH值為3～12的溶液均適用于鳳仙花的種子萌發(fā)，其中以pH值為5～11的效果相對最佳，獲得的幼苗質(zhì)量較好。

種子中貯藏的可溶性糖、蛋白質(zhì)、淀粉等營養(yǎng)物質(zhì)為種子萌發(fā)和幼苗生長提供了必需的能量和養(yǎng)料。種子萌芽時，胚根生出種皮后失去了種皮和蠟質(zhì)層的保護，對酸堿脅迫最為敏感，最容易受到傷害，進而影響地上部的生長。有研究表明，弱酸或弱堿對光皮樺種子發(fā)芽率無顯著影響，但萌發(fā)種子生長受到抑制，從而影響幼苗的質(zhì)量；隨著酸堿度的增加，光皮樺幼苗的根和芽生長受到的抑制作用增強[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，與pH值為7的條件相比，pH值為3～6的酸性條件可不同程度地抑制鳳仙花幼苗生物量的積累、幼根和幼苗的生長，使幼根數(shù)量減少，pH值為8～12的堿性條件有利于其生物量的積累，促進了幼根和幼苗的生長，使幼根數(shù)量增加，且這種抑制或促進效應隨著酸堿度的增加而增強；pH值為6～8處理的鳳仙花幼苗淀粉、可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量相對較高，隨著酸、堿度的增加，其營養(yǎng)物質(zhì)含量逐漸下降；pH值為11、12處理的鳳仙花營養(yǎng)物質(zhì)含量有大幅度降低，不利于其生長發(fā)育。

在正常情況下，植物體內(nèi)的膜脂過氧化系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，自由基的產(chǎn)生與消除處于動態(tài)平衡，當植物受到逆境脅迫時，這種平衡受到破壞，抗氧化酶會表現(xiàn)出相應的應激反應[20-23]以緩解脅迫對生物膜系統(tǒng)的傷害。丙二醛是膜脂過氧化的產(chǎn)物，其含量直接反映細胞膜的受害程度。鳳仙花幼苗在pH值為6～9的環(huán)境中，體內(nèi)丙二醛含量顯著低于其他處理，而隨著酸堿度的增加，鳳仙花幼苗丙二醛含量逐漸上升，說明pH值為6～9的溶液對鳳仙花幼苗傷害較小。楊洪雙等研究表明，在酸堿脅迫下，姬松茸的SOD活性有不同程度的升高，而POD活性呈先升高后降低再升高的趨勢[24]。本研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著酸堿度的增高，鳳仙花幼苗的過氧化氫含量和氧自由基產(chǎn)生速率逐漸增加，SOD活性逐漸降低；隨著pH值的升高，鳳仙花幼苗POD活性呈上升趨勢。這表明酸堿度的增加對鳳仙花幼苗的膜脂過氧化系統(tǒng)產(chǎn)生傷害，且傷害的程度隨著酸堿度的增加而加大。

綜上所述，鳳仙花種子雖然在pH值為5～11的處理液中能很好地萌發(fā)，獲得的幼苗質(zhì)量也較好，但綜合幼苗生長狀況、幼苗營養(yǎng)物質(zhì)含量及膜脂過氧化系統(tǒng)來看，pH值為6～10的環(huán)境最適合鳳仙花的生長，這也說明鳳仙花是一種耐堿性較強的花卉，在園林綠化中可在土壤堿化較為嚴重的地區(qū)栽培。