西藏浪卡子縣野生垂穗披堿草種子萌發(fā)對水鹽脅迫的響應

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(1.新疆農(nóng)業(yè)大學草業(yè)與環(huán)境科學院， 烏魯木齊 830052； 2.西藏農(nóng)牧學院， 西藏 林芝 860000)

種子萌發(fā)是植物生活史的初始階段，對于植物的生存和環(huán)境的適應都具有重要意義[1]。影響種子萌發(fā)的生態(tài)因子主要有光照、溫度、水分、氧和氯化鈉。垂穗披堿草(Elymusnutans)為禾本科披堿草屬牧草，又名鉤頭草，彎穗草[2]。原為野生種，在青藏高原海拔2 500～4 000 m的高寒濕潤地區(qū)為建群種，為有價值的中上等飼用植物[3]。垂穗披堿草生態(tài)適應性廣，具有防風固沙、保持水土、抗旱、抗寒、耐鹽堿等優(yōu)點，對生態(tài)環(huán)境保護和高寒退化草地的植被恢復具有重要意義[4]。

西藏有著“世界屋脊”和地球“第三極”之稱，平均海拔在4 000 m以上，具有低溫、干旱、輻射強烈等不利于植物生長的環(huán)境因子。盡管氣候惡劣，西藏仍孕育出了極其珍貴且豐富的高抗性基因的野生牧草種質(zhì)資源。由于諸多原因，西藏鄉(xiāng)土野生牧草種質(zhì)資源開發(fā)應用率較低。因此，以西藏山南地區(qū)海拔最高的浪卡子縣野生垂穗披堿草為研究對象，使用系列NaCl和聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬不同的水鹽環(huán)境，研究其種子萌發(fā)特性，旨在探索西藏浪卡子縣野生垂穗披堿草在種子萌發(fā)期的耐鹽性和抗旱性。

表1 聚乙二醇(PEG-6000)對垂穗披堿草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

項目聚乙二醇PEG(%)05101520發(fā)芽率(%)0.78±0.12aA0.71±0.36aA0.65±0.19aA0.56±0.06bA0.37±0.07cB發(fā)芽勢(%)0.54±0.21aA0.5±0.28aA0.48±0.36aA0.41±0.17abA0.26±0.11cB發(fā)芽指數(shù)47.28±1.26aA43.1±1.34aA39.82±0.99aA34.43±2.53bA22.98±3.06cC活力指數(shù)278.5±7.46aA262±10.33aA184.8±5.34bB78.8±4.79cC39.5±6.67dD

注:同行中，不同小寫字母代表5%水平差異，不同大寫字母代表1%水平差異。下同。

1 材料與方法

1.1 材料采集地自然狀況

供試材料于2015年9月采自西藏浪卡子縣羊卓雍措附近沼澤化草甸處(29°03′N，90°23′E，海拔4 473 m)。該區(qū)屬高原溫帶半干旱季風氣候。光照充足，輻射強，冬春寒冷多大風，夏秋溫涼多雨水，干濕季分明，年日照時數(shù)為2 929.7 h，年平均降水量為376 mm，年無霜期60 d。種子采回風干后在4 ℃冰箱內(nèi)貯藏待用。試驗前在室溫條件下做預試驗，測得供試材料種子千粒重為(3.71±0.06)g，平均發(fā)芽率為78.5%。

1.2 試驗方法

選擇籽粒飽滿、大小均一、成熟的垂穗披堿草種子，用0.5%的高錳酸鉀溶液消毒10 min，之后用蒸餾水沖洗干凈，自然晾干待用[5]。試驗采用紙上發(fā)芽法，將種子置于鋪有2層濾紙的塑料發(fā)芽盒中。每個發(fā)芽盒50粒種子，每個處理重復3次。系列發(fā)芽試驗均在RXZ人工智能氣候箱[高低溫和光暗周期12 h(光)/12 h(暗)，溫度15 ℃/25 ℃，濕度60%，光照強度400μmol/(m2·s)]條件下進行。試驗期間，每隔2 d用萬分之一的天平稱重并用蒸餾水補充水分，使溶液濃度保持不變。

1.2.1 干旱處理

分別配制濃度為0%、5%、10%、15%和20%的聚乙二醇(PEG-6000)溶液作為種子萌發(fā)的培養(yǎng)液。在塑料發(fā)芽盒中分別加入10 mL。第6天統(tǒng)計發(fā)芽勢，第20天統(tǒng)計發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，并從每個發(fā)芽盒中隨機取出20株正常生長的植株進行根長和芽長的測定，不足20株的全部都測[6]。

1.2.2 NaCl處理

試驗以單鹽NaCl溶液作為種子萌發(fā)的培養(yǎng)液。在塑料發(fā)芽盒中分別加入質(zhì)量濃度為0、0.2%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、1.8%和2.0%的NaCl溶液10 mL。發(fā)芽周期為9 d，第6天統(tǒng)計發(fā)芽勢。

1.3 種子萌發(fā)相關指標計算公式

發(fā)芽率(%)=n/N×100%(n為最終正常發(fā)芽的種子數(shù)，N為供試種子總數(shù))[7]；

發(fā)芽勢(%)=7 d內(nèi)正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%[8]；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)(Gt指t日發(fā)芽數(shù)，Dt指相應的天數(shù))；

活力指數(shù)VI=GI×S(S為根平均長度[9])；

相對鹽害率(%)=(對照發(fā)芽率-處理發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用DPS 6.0統(tǒng)計分析軟件對種子萌發(fā)的指標進行方差分析，樣本間的差異顯著性用Duncans檢驗，圖表用WPS軟件制作，圖表中的萌發(fā)數(shù)據(jù)均以平均值±標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對種子萌發(fā)的影響

垂穗披堿草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨PEG溶液濃度的升高而下降(表1)。0～10% PEG處理下，種子發(fā)芽率差異不顯著。與對照相比，當PEG濃度為20%時種子發(fā)芽率下降極顯著(p<0.01)，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)下降顯著(p<0.05)。隨著干旱脅迫程度的加重，西藏浪卡子野生垂穗披堿草種子活力指數(shù)由278下降到39.5，幾乎呈直線下降。10% PEG處理下，種子發(fā)芽率高達60%以上，其發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)依次為48%、39.82、184.8，說明西藏浪卡子縣野生垂穗披堿草在種子萌發(fā)階段具有較強的抗旱性。

干旱脅迫對垂穗披堿草根和芽的生長具有顯著影響(p<0.05)(圖1)。隨著PEG濃度的升高，芽長呈下降趨勢。0～15%PEG處理下，芽長較對照差異不顯著，其范圍在7～13 cm之間；20%PEG處理下，與對照相比，芽長下降顯著(p<0.05)。根長以5% PEG濃度為界，隨著脅迫程度的加劇表現(xiàn)為先升后降的趨勢。當PEG濃度為5%時，垂穗披堿草根長高于對照，但差異不顯著。

圖1 干旱脅迫對垂穗披堿草根長和芽長的影響

2.2 NaCl脅迫對種子萌發(fā)的影響

垂穗披堿草種子發(fā)芽率以0.2% NaCl溶液濃度為界呈先升后降的趨勢(圖2)。0～0.4% NaCl處理下，種子發(fā)芽率高達70%；1.0% NaCl處理下，種子發(fā)芽率受到了極顯著影響(p<0.01)。當NaCl溶液濃度為2.0%時，種子發(fā)芽率為0，即種子萌發(fā)受到了完全抑制。

圖2 NaCl脅迫對垂穗披堿草種子發(fā)芽率的影響

垂穗披堿草種子發(fā)芽勢隨NaCl溶液濃度的升高表現(xiàn)為下降的趨勢(圖3)。0～0.4% NaCl溶液濃度處理下，種子發(fā)芽勢在50%以上；當NaCl溶液濃度上升至0.6%時，種子發(fā)芽勢出現(xiàn)了較大幅度的下降。當NaCl溶液濃度為2.0%時，種子發(fā)芽勢為0。

圖3 NaCl脅迫對垂穗披堿草種子發(fā)芽勢的影響

垂穗披堿草發(fā)芽指數(shù)隨NaCl溶液濃度的升高呈下降趨勢(圖4)。以0.8%NaCl溶液濃度為界，0～0.8%的NaCl溶液濃度范圍內(nèi)，種子發(fā)芽指數(shù)下降幅度較大；0.8%～2.0%NaCl溶液濃度范圍內(nèi)，種子發(fā)芽指數(shù)下降平緩；當NaCl溶液濃度為2.0%時，種子發(fā)芽指數(shù)為0。

圖4 NaCl脅迫對垂穗披堿草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

隨著NaCl溶液濃度的升高，垂穗披堿草種子受到鹽害作用明顯增強(圖5)。當NaCl溶液濃度為0.2%～0.4%時，垂穗披堿草在種子萌發(fā)過程中受到的相對鹽害率為負值；當NaCl溶液濃度為2.0%時，種子相對鹽害率達到100%，即種子在萌發(fā)過程中受到了最大鹽害。

圖5 NaCl脅迫下垂穗披堿草種子相對鹽害率的變化

3 討 論

3.1 干旱脅迫對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

聚乙二醇(PEG)是一種高分子滲透劑，可起到水分脅迫的作用[10]。眾多研究表明，利用PEG高滲溶液模擬干旱脅迫已經(jīng)成為種子萌發(fā)期抗旱性研究的重要手段[11-12]。劉佳等[13]采用不同PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，對15份不同來源的紫云英材料進行研究，得出高濃度PEG抑制了種子萌發(fā)。肖亮等在水分脅迫對芒草種子萌發(fā)影響的研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度的PEG不利于種子發(fā)芽[14]。本試驗也證實了這一點。研究顯示，垂穗披堿草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨PEG溶液濃度的升高而表現(xiàn)為下降的態(tài)勢。當PEG濃度在0～5%時，垂穗披堿草種子發(fā)芽率達70%以上；當PEG濃度為10%～15%時，種子發(fā)芽率達50%以上；當PEG濃度達到20%時，種子發(fā)芽率不足40%。干旱脅迫抑制了西藏浪卡子縣野生垂穗披堿草種子萌發(fā)。這一特性與王傳旗[15]、王贊等[16]對垂穗披堿草和鴨茅種子的干旱脅迫研究結論相似。

隨著PEG濃度的升高，芽的生長受到的抑制作用明顯增強，而根長則以5% PEG濃度為界呈先升后降的趨勢。在低濃度(PEG溶液濃度為5%)下，浪卡子縣野生垂穗披堿草芽的生長受到抑制作用小于根，而中高濃度(PEG溶液濃度為10%、15%和20%)下則正好相反，說明輕度干旱條件下，垂穗披堿草將有限的養(yǎng)分資源優(yōu)先用于根部生長，這對垂穗披堿草在西藏半干旱地區(qū)的逆境適應和種族延續(xù)具有重要意義。這與徐雅梅等[17]的研究結果相似。

3.2 NaCl脅迫對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

高鹽對植物種子萌發(fā)的影響是滲透作用和離子毒害作用[18]。不同植物種子萌發(fā)期的耐鹽性是不同的，但多數(shù)研究結論表明，NaCl濃度與牧草的發(fā)芽率等指標呈負相關。王傳旗等在NaCl對西藏不同地域野生披堿草種子萌發(fā)影響研究中得出，鹽濃度越高披堿草種子發(fā)芽率就越低[19]。何學青等研究發(fā)現(xiàn)，老芒麥種子的發(fā)芽率、根長、苗長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨NaCl濃度的升高而降低[20]。研究表明，0.2%的NaCl溶液濃度對垂穗披堿草種子發(fā)芽率有促進作用；0.4%NaCl溶液濃度下，種子發(fā)芽率與對照持平；當NaCl溶液濃度≥1.0%時，種子發(fā)芽率受到了極顯著影響(p<0.01)，其發(fā)芽率不足35%，說明高濃度的NaCl溶液可抑制種子發(fā)芽。其原因可能是Na+的進入產(chǎn)生單鹽毒害，加劇膜結構的破壞，導致種子蛋白質(zhì)變性和內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的外滲，從而影響了種子萌發(fā)[21]。這與王傳旗等[22]的研究結論基本一致。

4 結 論

在0～0.4% NaCl溶液濃度和0～10% PEG溶液濃度培養(yǎng)條件下，西藏浪卡子縣野生垂穗披堿草種子萌發(fā)受到的影響較小，表現(xiàn)出一定的耐鹽性和抗旱性，是一種優(yōu)良的野生牧草種質(zhì)資源。本試驗在一定程度上揭示了西藏浪卡子縣野生垂穗披堿草種子對NaCl和PEG脅迫的響應關系，但種子萌發(fā)還受溫度、光照、氧氣、深埋等因素的影響。因此，關于西藏浪卡子縣野生垂穗披堿草種子的其他萌發(fā)機制還需要進一步研究。