PEG-6000和鹽堿脅迫對(duì)甜高粱種子萌發(fā)影響研究

(北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院國(guó)家民委生態(tài)系統(tǒng)模型及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

土壤干旱和鹽漬化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要限制因子，嚴(yán)重威脅著生態(tài)系統(tǒng)健康和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。我國(guó)的干旱和半干旱土地面積占到全國(guó)總土地面積的52.5%，其中鹽漬化土壤面積達(dá)到0.346億hm2[3]。由于干旱和半干旱地區(qū)具有降雨量偏少、土壤鹽分含量高等特點(diǎn)，同時(shí)人類(lèi)對(duì)環(huán)境破壞加劇以及不合理的耕作方式，導(dǎo)致土壤次生鹽漬化程度不斷加深，使在這些地區(qū)生長(zhǎng)的植物會(huì)受到不同程度的干旱脅迫和鹽堿脅迫[4-5]。干旱和鹽堿脅迫均能造成滲透效應(yīng)，影響植物從環(huán)境中吸收水分，從而抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育，種子萌發(fā)階段作為植物生長(zhǎng)周期中最重要的階段之一，也是自身最脆弱、對(duì)外界環(huán)境最敏感的時(shí)期，極易受到環(huán)境因子的影響[6-7]。因此，研究植物種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)，特別是干旱和鹽堿脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響，對(duì)我國(guó)干旱和半干旱地區(qū)植物種群的建立和更新具有重要意義。

甜高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)屬禾本科高粱屬一年生草本C 4植物[8]。具有適應(yīng)性廣、生長(zhǎng)速度快、生物產(chǎn)量高等特點(diǎn)，可廣泛作為飼料、能源和糖料作物，現(xiàn)已成為鹽堿地地區(qū)最具有種植潛力的作物之一[9]。PEG-6000是一種大分子滲透調(diào)節(jié)劑，改變其濃度可以有效地控制水分進(jìn)入種子的速率，是模擬土壤干旱理想的水勢(shì)調(diào)節(jié)物質(zhì)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于植物種子萌發(fā)期模擬干旱脅迫研究。鑒于此，本研究以不同濃度PEG-6000溶液模擬干旱脅迫條件，以不同濃度NaCl和NaHCO3溶液模擬鹽堿脅迫條件，選用遼甜1號(hào)甜高粱為研究對(duì)象，比較研究模擬干旱和鹽堿脅迫條件下甜高粱種子的萌發(fā)特性和早期幼苗生長(zhǎng)狀況，以期為在干旱和鹽堿地區(qū)提高甜高粱種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，促進(jìn)我國(guó)干旱半干旱地區(qū)甜高粱的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試的種子為甜高粱雜交品種遼甜1號(hào)，由遼寧省農(nóng)科院創(chuàng)新中心提供。

1.2 試驗(yàn)方法

取飽滿(mǎn)、色澤和大小基本一致的甜高粱種子適量，將種子用10%的次氯酸鈉溶液浸泡20 min后用無(wú)菌水沖洗7～8次，直至干凈無(wú)味，用濾紙吸干種子表面水分。將PEG-6000用蒸餾水配置成0(ck)，50，100，150，200 g·L-1的溶液，將甜高粱種子30粒整齊置于直徑120 mm的墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個(gè)處理加入10 mL不同濃度的PEG-6000溶液，均設(shè)置4個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)期間每天更換培養(yǎng)基質(zhì)，以保證培養(yǎng)環(huán)境的恒定。將NaCl和NaHCO3分別配置成0(ck)，50，100，150，200 mmol·L-1的溶液，種子處理方法與干旱脅迫處理一致。在室內(nèi)智能人工氣候箱(BIC-800)中進(jìn)行甜高粱種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，光照/黑暗時(shí)間為12 h/12 h，溫度設(shè)置為25 ℃。

1.3 萌發(fā)測(cè)定指標(biāo)及生長(zhǎng)測(cè)定指標(biāo)

試驗(yàn)過(guò)程中，每隔24 h觀察記錄種子萌發(fā)情況，以胚根伸出種皮2 mm為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，記錄種子萌發(fā)個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)萌發(fā)率。7 d后結(jié)束萌發(fā)，從各個(gè)重復(fù)中隨機(jī)選出10株幼苗，用直尺測(cè)量胚芽、胚根長(zhǎng)度，用電子分析天平測(cè)量胚芽、胚根干重、種子殘留干重。測(cè)干重前先105 ℃烘2 h殺青，后80 ℃烘24 h至恒重，不足10株的全部測(cè)定。按以下公式進(jìn)行各指標(biāo)的計(jì)算[10-12]：

發(fā)芽率(%)=(萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(shì)(%)=(第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt，式中Gt為t天內(nèi)發(fā)芽的種子數(shù)，Dt為相應(yīng)的萌發(fā)天數(shù)；

發(fā)芽速度=∑G/t，式中G為每天的發(fā)芽率，t為發(fā)芽總時(shí)間；

活力指數(shù)=GI×S，GI為發(fā)芽指數(shù)，S為胚根平均長(zhǎng)度；

相對(duì)傷害率=(對(duì)照發(fā)芽率-處理發(fā)芽率)/對(duì)照發(fā)芽率；

根冠比=根長(zhǎng)/芽長(zhǎng)；

干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量=發(fā)芽前種子干重-發(fā)芽后種子殘留干重；

干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率(%)=(干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量/發(fā)芽前種子干重)×100%；

干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率(%)=(芽干重/干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量)×100%；

比根重=根長(zhǎng)/根干重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2003軟件和GraphPad Prism 5.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，圖中參數(shù)的數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)甜高粱種子萌發(fā)的影響

2.1.1對(duì)甜高粱種子發(fā)芽率的影響

圖1 顯示，隨著濃度的增加，PEG-6000、NaCl和NaHCO3處理均對(duì)甜高粱種子萌發(fā)呈現(xiàn)顯著的抑制作用，其中NaHCO3處理對(duì)甜高粱種子萌發(fā)最敏感，PEG-6000處理次之，NaCl處理最不敏感。

圖2 干旱和鹽堿脅迫對(duì)甜高粱種子累積發(fā)芽率的影響

注：圖中不同字母表示處理間差異達(dá)顯著水平(p<0.05)。下同。圖1 干旱和鹽堿脅迫對(duì)甜高粱種子發(fā)芽率的影響

干旱和鹽堿脅迫對(duì)甜高粱種子發(fā)芽率影響如圖2，隨著PEG-6000濃度的增加，溶液水勢(shì)下降，干旱脅迫的程度增加，導(dǎo)致發(fā)芽率逐步下降，經(jīng)方差分析表明，不同濃度PEG-6000脅迫對(duì)甜高粱種子發(fā)芽率有顯著的影響，當(dāng)PEG-6000濃度為50 g/L時(shí)，發(fā)芽率比ck處理(發(fā)芽率為98.3%)略有降低，當(dāng)PEG-6000濃度高于100 g/L時(shí)，發(fā)芽率顯著低于ck處理(p<0.05)(圖2 a)。與PEG-6000脅迫有所不同，隨著NaCl處理濃度的加大，甜高粱種子發(fā)芽前期受到明顯抑制，第5天后逐漸適應(yīng)脅迫，種子發(fā)芽率趨于一致。50 mmol·L-1的NaCl處理提高了種子發(fā)芽率，但無(wú)顯著性差異，100 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl處理對(duì)甜高粱種子發(fā)芽率比ck處理略有降低，但差異不顯著，200 mmol·L-1NaCl處理達(dá)到顯著水平(圖2 b)。NaHCO3處理時(shí)，其脅迫程度明顯重于PEG-6000和NaCl處理，當(dāng)NaHCO3處理高于100 mmol·L-1時(shí)，甜高粱種子發(fā)芽率隨著NaHCO3溶液濃度的增加呈現(xiàn)顯著快速下降趨勢(shì)(圖2 c)。

2.1.2對(duì)甜高粱種子其他萌發(fā)指標(biāo)的影響

由表1可知，甜高粱種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速度、活力指數(shù)以ck處理為最高；對(duì)發(fā)芽勢(shì)的影響而言，隨著PEG-6000和NaHCO3濃度的增加逐漸降低，50 mmol·L-1NaCl處理高于ck處理，但差異不顯著；對(duì)發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速度、活力指數(shù)的影響來(lái)說(shuō)，隨著PEG-6000、NaCl和NaHCO3濃度的增加，這些萌發(fā)指標(biāo)逐漸降低，并且差異顯著(p<0.05)。

2.2 對(duì)甜高粱種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移的影響

2.2.1對(duì)甜高粱種子殘留干重的影響

由表2可知，隨著PEG-6000、NaCl和NaHCO3濃度的增加，種子殘留干重逐漸增大，不同濃度PEG-6000處理分別較ck處理增加48.03%、94.35%、143.39%，169.83%，不同濃度NaCl處理分別較ck處理增加23.81%，64.58%，95.16%，138.65%，不同濃度NaHCO3處理分別較ck處理增加62.16%、134.40%、153.08%、160.44%。

2.2.2對(duì)甜高粱種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量、轉(zhuǎn)移率的影響

如表2所示，不同濃度PEG-6000處理的種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量分別是ck處理的75.6%、52.2%、27.3%、13.0%，不同濃度NaCl處理分別是ck處理的87.9%、64.4%、51.7%、26.8%，不同濃度NaHCO3處理分別是ck處理的68.4%、31.8%、22.3%、18.5%，隨著脅迫程度的增加，干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率也逐漸降低。

2.2.3對(duì)甜高粱種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率的影響

不同濃度PEG-6000處理干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率分別是ck處理的87.53%、61.36%、45.98%、29.54 %，不同濃度NaCl處理分別是ck處理的94.78%、71.21%、62.34%、39.28%，不同濃度NaHCO3處理分別是ck處理的54.10%、27.25%、19.82%、10.13%(見(jiàn)表2)。

2.3 對(duì)甜高粱早期幼苗生長(zhǎng)的影響

2.3.1對(duì)甜高粱早期幼苗根冠比的影響

表3所示， PEG-6000和NaCl處理對(duì)芽長(zhǎng)的影響大于根長(zhǎng)，NaHCO3處理對(duì)根長(zhǎng)的影響大于芽長(zhǎng)。隨著PEG-6000和NaCl濃度的增加，甜高粱早期幼苗根冠比逐漸增大，不同濃度處理的根冠比較ck處理均差異顯著(p<0.05)；50 mmol·L-1的NaHCO3處理根冠比顯著高于ck處理(p<0.05)，當(dāng)NaHCO3濃度高于100 mmol·L-1時(shí)，幼苗根冠比變得很小。

表1 PEG-6000和鹽堿脅迫對(duì)甜高粱種子萌發(fā)指標(biāo)的影響

處理濃度發(fā)芽勢(shì)發(fā)芽指數(shù)發(fā)芽速度活力指數(shù)相對(duì)傷害率098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05095.00±3.33ab60.35±1.53b201.15±5.12b636.72±16.19b0.03PEG-6000/(g·L-1)10089.17±3.19b52.41±1.60c174.69±5.33c386.23±11.78c0.0915082.50±1.67c41.90±1.47d139.66±4.90d163.40±5.73d0.1520075.83±3.19d32.60±1.55e108.66±5.18e85.25±4.06e0.22098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05099.17±1.67a72.70±0.75a242.33±2.50a831.16±8.58b-0.01NaCl/(mmol·L-1)10095.00±5.77ab61.44±4.11b204.79±13.70b530.98±35.51c0.0415086.67±7.20ab47.77±3.81c159.23±12.70c340.62±27.16d0.0820080.00±14.14b41.04±7.07c136.79±23.58c196.97±33.96e0.1098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05090.83±4.19ab62.39±3.32b207.96±11.06b283.08±15.06b0.08NaHCO3/(mmol·L-1)10080.00±8.61bc39.46±3.14c131.52±10.46c12.66±1.01c0.1815071.67±5.77c30.14±4.46d100.46±14.88d1.88±0.28c0.2720065.00±15.52c24.73±5.57d82.44±18.57d0.93±0.21c0.34

表2 PEG-6000和鹽堿脅迫對(duì)甜高粱種子干物質(zhì)轉(zhuǎn)移的影響

處理濃度種子殘留干重干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量干物質(zhì)轉(zhuǎn)移率干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5014.67±2.20b14.76±2.20b50.16±7.47b47.10±7.39bPEG-6000/(g·L-1)10019.26±2.51c10.18±2.51c34.57±8.54c33.02±3.95c15024.12±2.88d5.31±2.88d18.04±9.78d24.74±3.03d20026.74±3.01e2.53±2.86e8.59±9.72e15.89±3.97e09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5012.27±2.07b17.16±2.07b58.31±7.02b51.00±6.57bNaCl/(mmol·L-1)10016.31±2.03c12.57±2.40c42.73±8.16c38.32±5.82c15019.34±2.58d10.09±2.58d34.27±8.77d33.54±4.04d20023.65±2.42e5.24±2.76e17.82±9.38e21.14±4.62e09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5016.07±2.68b13.36±2.68b45.39±9.09b29.10±5.33bNaHCO3/(mmol·L-1)10023.23±4.06c6.20±4.06c21.06±13.80c14.66±4.30c15025.08±4.31cd4.35±4.31cd14.77±14.64cd10.66±4.24d20025.81±2.76d3.62±2.76d12.31±9.37d5.45±1.62e

2.3.2對(duì)甜高粱早期幼苗比根重的影響

由表3可知，50 g·L-1PEG-6000和50 mmol·L-1的NaCl處理的芽干重顯著低于ck處理(p<0.05)，但其根干重卻顯著高于ck處理(p<0.05)；不同濃度NaHCO3處理的芽干重和根干重均顯著低于ck處理(p<0.05)(見(jiàn)表3)。PEG-6000處理對(duì)芽干重的影響大于根干重，NaCl處理對(duì)芽干重的影響大于根干重，NaHCO3處理對(duì)根干重的影響大于芽干重。隨著PEG-6000、NaCl和NaHCO3濃度的增加，幼苗比根重逐漸減小，不同濃度處理的比根重較ck處理均差異顯著(p<0.05)；當(dāng)NaHCO3鹽溶液濃度超過(guò)150 mmol·L-1時(shí)比根重接近于零。

3 討論與結(jié)論

植物在不同的生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期抗逆能力不同，種子萌發(fā)期是植物生長(zhǎng)史的關(guān)鍵階段之一，也是對(duì)外界環(huán)境十分敏感的時(shí)期[13]。發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速度、活力指數(shù)是種子活力的常用評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以反映出種子的萌發(fā)能力[14]。在本研究中，與對(duì)照相比，低濃度的NaCl脅迫(50 mmol·L-1)對(duì)甜高粱發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)影響不顯著，其余濃度的PEG-6000和NaHCO3脅迫均顯著抑制甜高粱種子的萌發(fā)指標(biāo)，其中NaHCO3脅迫抑制程度明顯高于PEG-6000脅迫。

在植物種苗轉(zhuǎn)化中所需的物質(zhì)和能量是由種子中貯藏的有機(jī)物質(zhì)提供，因此在種子萌發(fā)過(guò)程中干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量和干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率能體現(xiàn)出植物種苗轉(zhuǎn)化狀況[10]。在本研究中，PEG-6000、NaCl和NaHCO3脅迫均顯著影響甜高粱種子的干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量，三者相比，NaCl脅迫影響最小，PEG-6000脅迫除200 g·L-1外，其余均低于NaHCO3處理，說(shuō)明重度PEG-6000脅迫嚴(yán)重破壞種子萌發(fā)時(shí)的吸脹吸水，嚴(yán)重影響甜高粱種子干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，這與施成曉[10]等在小麥上的研究結(jié)果一致。

表3 PEG-6000和鹽堿脅迫對(duì)甜高粱早期幼苗生長(zhǎng)的影響

處理濃度芽長(zhǎng)根長(zhǎng)根冠比芽干重根干重比根重012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24d10.44±0.65a5.12±0.64b0.22±0.02a507.71±1.01b10.54±2.68b1.32±0.09c8.37±1.48b5.66±0.84a0.20±0.03bPEG-6000/(g·L-1)1003.99±0.50c7.37±1.48c1.71±0.18b5.73±0.66c3.99±0.79c0.14±0.03c1502.34±0.28d3.90±0.86d2.03±0.18a4.11±0.74d3.16±0.56d0.10±0.02d2001.72±0.19e2.62±0.62e2.09±0.15a2.49±0.67e2.46±0.78e0.07±0.02e012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24f10.44±0.65a5.12±0.64b0.22±0.02a509.31±0.47b11.47±1.77b1.21±0.21f8.89±0.78b5.71±0.77a0.20±0.01bNaCl/(mmol·L-1)1006.11±0.47c8.52±1.08c1.46±0.29e7.10±0.49c4.08±0.51c0.14±0.01c1504.07±0.49d7.16±0.81d1.78±0.43d6.24±0.48d3.41±0.64d0.12±0.01d2002.17±0.21e4.75±0.76e2.29±0.55c3.40±0.43e2.70±0.29e0.09±0.01e012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24b10.44±0.65a5.12±0.64a0.22±0.02a502.77±0.43b4.59±0.64b1.66±0.44a5.92±0.85b2.74±0.70b0.11±0.03bNaHCO3/(mmol·L-1)1001.38±0.16c0.31±0.15c0.24±0.16c3.72±0.48c1.54±0.44bc0.08±0.05c1501.11±0.12d0.19±0.11d0.06±0.10d2.66±0.36d1.07±0.40c0.00±0.00d2000.73±0.12e0.14±0.07d0.06±0.09d1.58±0.36e0.61±0.44d0.00±0.00d

植物根系作為對(duì)環(huán)境最為敏感的部位，當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，植物的根系會(huì)首先響應(yīng)，比根重是指單位根長(zhǎng)的根重，比根重越小，植物單位根系表面積越大，可以增強(qiáng)植物從環(huán)境中吸收水分的能力[15]。在本研究中，低濃度PEG-6000(50 g·L-1)和NaCl(50 mmol·L-1)脅迫顯著提高早期幼苗胚根干重，但其長(zhǎng)度和比根重卻顯著低于ck處理，這可能是輕度干旱或鹽脅迫抑制甜高粱早期幼苗的根系長(zhǎng)度，卻促進(jìn)根系側(cè)生分支的生長(zhǎng)，為的是增強(qiáng)其從環(huán)境中吸水的能力，這些結(jié)果與劉佳月[16]等的研究結(jié)果相似。隨著PEG-6000和NaCl濃度的增加早期幼苗根冠比呈增大趨勢(shì)，比根重呈減小趨勢(shì)，對(duì)胚芽生長(zhǎng)的影響高于胚根，這都是增強(qiáng)植物從環(huán)境中吸收水分的能力做出的改變。總之，干旱和鹽堿脅迫均顯著影響甜高粱種子萌發(fā)，并且隨處理濃度增大而加重，其中NaCl脅迫對(duì)其影響最輕、PEG-6000次之，NaHCO3最重，說(shuō)明甜高粱種子萌發(fā)對(duì)碳酸鹽脅迫(離子毒害和溶液pH)更敏感。