鈣對多花黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

(貴州大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，貴陽 550025)

鈣(Ca)是植物生長發(fā)育的必需元素之一，參與種子萌發(fā)、分化生長、形態(tài)建成及開花結(jié)果等整個(gè)生命過程。種子萌發(fā)過程中，Ca2+通過改變酶活性，加快出苗速度、提高成苗率[1]。但Ca2+含量過高也不利于種子萌發(fā)和幼苗生長，甚至?xí)?dǎo)致植物停止生長或死亡[2]。高Ca2+環(huán)境下，光合作用也會受到抑制，從而降低植物生長速率。因此探究適宜種子萌發(fā)和幼苗生長的Ca2+濃度具有實(shí)際意義，特別是對土壤Ca2+含量較高的喀斯特地區(qū)。

多花黑麥草(Loliummultiflorum)為一年生禾本科牧草，再生速度快，營養(yǎng)價(jià)值豐富，是我國南方地區(qū)秋冬季節(jié)首選的栽種牧草[3]。本研究以多花黑麥草為研究對象，通過水培法設(shè)置不同的Ca2+濃度，觀察多花黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長情況，探究適宜多花黑麥草生長的Ca2+濃度，為高Ca2+地區(qū)栽種多花黑麥草提供基礎(chǔ)理論依據(jù)[4-5]。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試的一年生黑麥草種子為多花黑麥草(安格斯1號)種子。

1.2 方 法

挑選顆粒飽滿健康的種子，用2%雙氧水浸泡30 min后用自來水沖洗數(shù)次，再用去離子水沖洗3次，濾紙吸干表面水分，待用。試驗(yàn)以CaCl2為Ca2+源，設(shè)置0(對照)，5，10，20，40，100 mmol·L-1的含Ca2+溶液。取直徑為9 cm的培養(yǎng)皿，皿內(nèi)以2層濾紙為發(fā)芽床，每皿放入100粒種子。將配好的CaCl2溶液倒入培養(yǎng)皿中，沒過種子，每處理4次重復(fù)[6]。每天補(bǔ)充適量溶液，并于10：00時(shí)記錄當(dāng)天溫度及濕度情況[7](表1)。試驗(yàn)期從2017年4月23日至2017年5月7日，平均溫度為21.56 ℃，平均濕度為28.67%。

表1 試驗(yàn)期間溫度和濕度

種子開始發(fā)芽后，每天記錄每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，以突破種皮的胚軸達(dá)到種子本身長度的1/2為判斷發(fā)芽的依據(jù)[8]。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，從每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)挑出10株幼苗(即每個(gè)處理40株)，測量苗長、根長、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重。

表2 鈣對多花黑麥草種子萌發(fā)的影響

注:同列不同字母間表示差異顯著(p<0.05)。下同。

1.3 指標(biāo)計(jì)算

計(jì)算發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、鹽害率、苗根比、苗抑制率、根抑制率和根冠比[9]。公式如下：

發(fā)芽勢(%)=(前3 d種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(15 d種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)；

式中：Gt為t時(shí)間內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

鹽害率=[(處理發(fā)芽率-對照發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率]×100%；

苗根比=幼苗長度/幼根長度；

苗抑制率(%)=[(處理苗長-對照苗長)/對照苗長]×100%；

根抑制率(%)=[(處理根長-對照根長)/對照根長]×100%；

根冠比=根干重/苗干重。

1.4 耐性的綜合評價(jià)

應(yīng)用隸屬函數(shù)法綜合評價(jià)多花黑麥草種子對不同Ca2+的響應(yīng)。先利用公式X=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)分別計(jì)算每份材料發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、鹽害率、根長、苗長、苗根比、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重、根冠比、苗抑制率和根抑制率在不同濃度Ca2+下的具體隸屬函數(shù)值[10]。式中，X為參試植物某一指標(biāo)的測定值，Xmax和Xmin分別為所有材料中該指標(biāo)的最大值和最小值，然后把每一指標(biāo)在不同Ca2+濃度下的隸屬值累加求平均值，最后把每份材料各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值累加求平均值，根據(jù)各材料平均隸屬函數(shù)值大小確定其萌發(fā)期耐Ca2+的強(qiáng)弱，平均值越大，耐性越強(qiáng)；反之，耐性越弱。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

Excel軟件整理數(shù)據(jù)和繪圖，SPSS軟件分析數(shù)據(jù)。用Duncan’s進(jìn)行多重比較，數(shù)據(jù)采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 鈣對多花黑麥草種子萌發(fā)的影響

由表2可知，不同濃度Ca2+脅迫下，多花黑麥草的發(fā)芽勢和發(fā)芽率隨Ca2+濃度的增加均表現(xiàn)出降低趨勢。在Ca2+濃度為40 mmol·L-1和100 mmol·L-1時(shí)，發(fā)芽勢顯著低于其他處理(p<0.05)。在Ca2+濃度為100 mmol·L-1時(shí)，顯著低于其他處理(p<0.05)。各濃度CaCl2溶液對多花黑麥草種子均產(chǎn)生一定的鹽害，鹽害隨Ca2+濃度的增加而增大，Ca2+濃度為100 mmol·L-1時(shí)，鹽害率最高，且顯著高于其他濃度處理(p<0.05)。Ca2+濃度為20 mmol·L-1時(shí)發(fā)芽指數(shù)最高，但與其他低濃度差異不顯著(p>0.05)；在Ca2+濃度為100 mmol·L-1時(shí)發(fā)芽指數(shù)最低，且顯著低于其他處理(p<0.05)。

2.2 鈣對多花黑麥草幼苗生長的影響

由圖1可知，Ca2+脅迫對幼苗的根長和苗長具有抑制作用，隨Ca2+濃度增加，抑制作用越強(qiáng)。濃度為40 mmol·L-1和100 mmol·L-1時(shí)，對根長的抑制作用顯著大于其他處理(p<0.05)。濃度為20，40 mmol·L-1和100 mmol·L-1時(shí)，對苗長的抑制作用顯著大于其他處理(p<0.05)。同時(shí)如圖2所示，濃度為40 mmol·L-1時(shí)，苗根比最大；濃度為100 mmol·L-1時(shí)，苗根比例最小，但各濃度之間的差異不顯著(p>0.05)；根冠比隨著Ca2+濃度的增加呈上升的趨勢，但是各濃度之間不存在顯著性差異(p>0.05)。

Ca2+濃度對幼苗鮮重和干重有一定的影響(圖3，圖4)。隨著Ca2+濃度的增加苗干重和苗鮮重、根鮮重都是先升后降。Ca2+濃度為5 mmol·L-1時(shí)，苗、根的鮮重和干重均達(dá)到最大值。而Ca2+濃度大于5 mmol·L-1后，對苗和根的重量都有不同程度的抑制；當(dāng)濃度超過20 mmol·L-1時(shí)，苗的干鮮重和根的鮮重顯著降低(p<0.05)；當(dāng)濃度為100 mmol·L-1時(shí)，苗的干重、鮮重和根的鮮重與其他處理差異顯著(p<0.05)；根干重在各Ca2+濃度處理中差異不顯著(p>0.05)。

表3 鈣對多花黑麥草根和苗抑制率的影響

圖1 鈣對多花黑麥草根長和苗長的影響

圖2 鈣對多花黑麥草苗根比和根冠比的影響

圖3 鈣對多花黑麥草苗和根鮮重的影響

由表3可知，不同濃度的Ca2+溶液對多花黑麥草根和苗都產(chǎn)生了一定的抑制作用，苗抑制和根抑制隨著Ca2+濃度而增加，當(dāng)溶液中Ca2+濃度高于40 mmol·L-1時(shí)，抑制率顯著增大(p<0.05)，當(dāng)溶液濃度為5，10，20 mmol·L-1時(shí)苗、根抑制率差異不顯著(p>0.05)。

2.3 多花黑麥草種子萌發(fā)期耐Ca2+的綜合評價(jià)

不同的Ca2+對多花黑麥草的各個(gè)指標(biāo)的影響不盡相同，為了避免單一指標(biāo)的片面性并克服多個(gè)指標(biāo)的復(fù)雜性，全面而準(zhǔn)確的評價(jià)鈣離子處理對多花黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，對供試多花黑麥草種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、鹽害率、根長、苗長、苗根比、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重、根冠比、苗抑制率和根抑制率進(jìn)行隸屬函數(shù)值計(jì)算，得出種子萌發(fā)期耐Ca2+的綜合評價(jià)值(表4)。由綜合評價(jià)值得出適宜多花黑麥草種子萌發(fā)的Ca2+濃度為5 mmol·L-1。

圖4 鈣對多花黑麥草苗和根干重的影響

表4 多花黑麥草種子萌發(fā)期對Ca2+耐性隸屬函數(shù)值及綜合評價(jià)值

3 討 論

種子萌發(fā)期對鹽脅迫十分敏感，植物能否生存，首先取決于它能否發(fā)芽、發(fā)芽率的高低以及發(fā)芽速度[11]。不同鹽脅迫對種子的抑制程度與鹽的濃度、種類以及植物抗鹽能力有關(guān)。鹽脅迫對種子萌發(fā)的危害主要有2個(gè)方面：一是滲透效應(yīng)，二是離子效應(yīng)[12]。滲透效應(yīng)是指當(dāng)土壤中鹽分含量增加時(shí)，滲透壓隨之提高，而水勢相應(yīng)降低，使種子吸水困難，從而影響種子的萌發(fā)；離子效應(yīng)是指某種離子濃度升高對種子造成毒害[13]。

多花黑麥草屬于禾本科植物，在種子的萌發(fā)過程中，土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)一般很難對種子產(chǎn)生直接的作用，所以在種子剛開始萌發(fā)階段，只能靠種子本身提供其生長的營養(yǎng)物質(zhì)，研究表明，萌發(fā)初期種子的營養(yǎng)大多來源于自身的胚乳部分[14]。而種子萌發(fā)的中后期，種子對營養(yǎng)的需求增大，自身不能滿足營養(yǎng)需求，需要從土壤中攝取相關(guān)的營養(yǎng)物質(zhì)，所以土壤的養(yǎng)分供應(yīng)情況尤其重要，土壤中相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)的濃度也是決定種子萌發(fā)能力的因素之一。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低濃度Ca2+對多花黑麥草種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用，高濃度Ca2+對多花黑麥草種子萌發(fā)起到抑制作用，這與李永濤等[15]和蔡喜悅等[16]研究一致。

對于種子萌發(fā)和幼苗生長的耐鹽效果的研究，前人已有不少研究。張利霞等[17]、朱毅等[18]和陸玉建等[19]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度鹽脅迫對夏枯草、柳枝稷和擬南芥種子的萌發(fā)具有促進(jìn)作用，這可能是低鹽溶液對種子引發(fā)的結(jié)果，高濃度鹽脅迫會對種子造成毒害而抑制其萌發(fā)，可能是高鹽溶液會對種子產(chǎn)生離子毒害而抑制種子萌發(fā)。熊建林[20]用不同濃度的鹽溶液對燕麥做鹽脅迫試驗(yàn)，得出高濃度的鹽溶液不利于燕麥生長的結(jié)論；李亞等[21]針對梭梭種子做了類似的發(fā)芽試驗(yàn)，得出高濃度的鹽溶液不利于梭梭種子的生長，且隨著溶液濃度的增大，種子所受到的鹽害影響也加大；辛建華[22]研究了鈣素對馬鈴薯生長發(fā)育及物質(zhì)代謝影響，不同濃度的鈣處理馬鈴薯后，馬鈴薯地上部分累積的干物質(zhì)呈現(xiàn)為“增長-停止-降低”的趨勢，結(jié)論表明低濃度的外源鈣對馬鈴薯的干物質(zhì)累積有促進(jìn)作用，但提高鈣的濃度后，干物質(zhì)的增長速度下降，最后停止；姜云天等[23]對茶花鳳仙種子做了不同濃度的鹽脅迫處理，結(jié)論與本次試驗(yàn)類似。低濃度促進(jìn)幼苗生長的原因，即高濃度的鹽物質(zhì)增加了溶液的滲透勢，種子在生長的過程中要從溶液中吸取營養(yǎng)物質(zhì)，較高的滲透勢使得種子吸水困難，種子被迫進(jìn)入休眠狀態(tài)，抑制種子的發(fā)芽。

單一指標(biāo)難以全面準(zhǔn)確地反映對鹽的耐受性強(qiáng)弱，本實(shí)驗(yàn)采用指標(biāo)值進(jìn)行隸屬函數(shù)值綜合評價(jià)。結(jié)果顯示適宜多花黑麥草種子萌發(fā)的Ca2+濃度為5 mmol·L-1，這與安鈺[24]和陳士林[25]等研究得出5 mmol·L-1的Ca2+能顯著提高甘草和玉米的發(fā)芽勢和發(fā)芽率的結(jié)論一致，與外源Ca對復(fù)羽葉欒樹[15]、蘆葦[16]、堿蓬[26]、高羊茅[27]、黑果枸杞[28]及二色胡枝子[29]的研究結(jié)果不一致。

4 結(jié) 論

隨Ca2+濃度的升高，多花黑麥草種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)都受到一定程度的抑制作用，且濃度越高，鹽害作用越強(qiáng)。Ca2+對多花黑麥草的苗長和根長都有一定的抑制作用，濃度越大，抑制作用也越大。Ca2+濃度為5 mmol·L-1時(shí)，多花黑麥草的根、苗鮮重和干重達(dá)到最大值；Ca2+濃度對苗重的抑制作用大于對根重的抑制。隸屬函數(shù)綜合評價(jià)表明，Ca2+濃度5 mmol·L-1為適宜多花黑麥草種子萌發(fā)和幼苗生長的濃度。