2種向日葵雜交種的抗鹽堿性鑒定

張 紅， 王文浩， 劉文俊， 何麗芬， 閆玉星， 鄭洪元

(山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所， 太原 030031)

據(jù)報道，世界上鹽堿地面積約占土地面積的三分之一，中國的鹽堿地總面積約3 600萬hm2，其中約有920.9萬hm2耕地為鹽堿地[1]。由于各種人為及自然因素的影響，鹽堿地還面臨著不斷擴(kuò)大的趨勢，已成為當(dāng)今社會的主要環(huán)境問題之一[2]。根據(jù)我國土壤特性和所含鹽分特點(diǎn)，鹽堿地分為2大類：鹽漬土和堿土，它們對作物的傷害不僅包括鹽脅迫，還包括堿脅迫[3]。而鹽堿脅迫對作物的種子萌發(fā)階段影響最大[4]。土壤鹽分的升高會降低種子萌發(fā)進(jìn)程，促進(jìn)或延緩種子發(fā)芽[5]，一般在鹽堿脅迫下，植物的正常生長受阻，新陳代謝受到影響，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致鹽斑的出現(xiàn)，作物葉子萎蔫，嚴(yán)重時甚至死亡[6]，但是植物對鹽堿脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)又是一個復(fù)雜而全面的過程[7]。深入研究鹽堿脅迫下植物種子發(fā)芽進(jìn)程及生理生化指標(biāo)的變化，有利于提高作物本身的耐鹽堿能力，是改良利用鹽堿地經(jīng)濟(jì)而有效的方法[8]。本試驗旨在探索自育的2個向日葵雜交種的耐鹽堿性生理機(jī)制，為選育耐鹽堿脅迫的向日葵新品種和向日葵生理育種提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為晉葵11號和JK 1406，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所食用葵課題組自育。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1鹽堿脅迫處理方法

試驗用鹽溶液設(shè)置為0、40、80、160、200、240 mmol·L-1等6個濃度梯度的NaCl溶液，堿溶液設(shè)置為0、10、20、40、60、80 mmol·L-1等6個濃度梯度的NaHCO3溶液。挑選成熟飽滿和有完整種皮的種子置于玻璃培養(yǎng)皿中，采用紙培法，在培養(yǎng)皿中墊入2層濾紙，加入10 mL不同濃度的溶液，使濾紙充分吸收溶液；將消過毒的向日葵種子均勻地分散于培養(yǎng)皿中，并虛掩培養(yǎng)皿蓋子；每個處理15粒種子，重復(fù)3次，然后，將培養(yǎng)皿置于24 ℃光照培養(yǎng)箱中，每天觀察種子的吸水情況，并定量添加相應(yīng)的溶液，適當(dāng)補(bǔ)充水分，以防止種子缺少水分而影響發(fā)芽，試驗中一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)霉的種子，立刻用酒精消毒并放回原培養(yǎng)皿中直到發(fā)芽試驗結(jié)束。后在高15 cm，直徑16 cm的花盆里加入500 g營養(yǎng)土，并用160 mL溶液拌勻營養(yǎng)土，將長勢均勻的幼苗移栽于盆中，每盆5株，重復(fù)3次，整個試驗在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所內(nèi)進(jìn)行。

1.2.2測定項目及方法

定期觀察記錄各濃度處理的種子生長狀況，每天記錄發(fā)芽種子的數(shù)量，并且當(dāng)發(fā)芽數(shù)連續(xù)3 d不再增加時終止發(fā)芽試驗，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)的計算公式如下：

發(fā)芽率(%)=(最終正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(n/N)×100%(式中：n為試驗前4 d發(fā)芽的種子數(shù)，N為供試種子數(shù))；

注：不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著，不同大寫字母表示在0.01水平上差異極顯著。下同。圖1 鹽堿脅迫下向日葵發(fā)芽率

圖2 鹽堿脅迫下向日葵發(fā)芽勢

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)(式中：Gt為t日內(nèi)發(fā)芽的種子數(shù)，Dt為對應(yīng)種子發(fā)芽的天數(shù))[9]。

待幼苗生長到第4片真葉后，取約0.1 g植物組織確定相關(guān)生理指標(biāo)，重復(fù)3次，測定超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量等生理指標(biāo)，試劑盒產(chǎn)自南京建成生物工程研究所，用分光光度計進(jìn)行測定。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Microsoft Excel 2003軟件繪制圖表，采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行方差分析和差異顯著性測驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對向日葵種子發(fā)芽進(jìn)程的影響

2.1.1發(fā)芽率

鹽堿脅迫使種子的發(fā)芽能力受到影響，發(fā)芽率是反映種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)之一，且脅迫濃度越大，發(fā)芽率越低[10]。當(dāng)NaCl濃度為40 mmol·L-1時，2種種子的發(fā)芽率均略高于濃度為0時的發(fā)芽率，低鹽濃度在一定程度上促進(jìn)了種子的發(fā)芽。當(dāng)NaCl濃度小于200 mmol·L-1時，JK 1406在各濃度的發(fā)芽率均大于50%；處理濃度為200 mmol·L-1和240 mmol·L-1時，2種種子的發(fā)芽率與其他處理相比差異顯著；濃度為240 mmol·L-1時發(fā)芽率明顯下降，僅為3%和7%，2種種子的發(fā)芽率與其他濃度種子發(fā)芽率差異達(dá)極顯著水平，說明在該濃度下向日葵種子雖能發(fā)芽但發(fā)芽率受到嚴(yán)重抑制。

在NaHCO3脅迫下，濃度為10 mmol·L-1時，晉葵11號種子發(fā)芽率最高，說明低濃度脅迫條件下，由于土壤滲透勢增加，種子吸水速度放緩，種子萌發(fā)的活化和修復(fù)反應(yīng)得到充分發(fā)揮，從而在一定程度上促進(jìn)了種子的萌發(fā)，這與王偉[11]等的研究相似，并且在低濃度脅迫下，晉葵11號種子發(fā)芽率高于JK 1406發(fā)芽率。NaHCO3濃度為80 mmol·L-1時，2種種子與其他濃度種子發(fā)芽率差異達(dá)顯著水平。

2.1.2發(fā)芽勢

利用發(fā)芽勢來衡量種子發(fā)芽所需的時間對生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義，是反映種子生存能力的主要指標(biāo)。種子植物生命的起點(diǎn)是種子萌發(fā)，這是生命活動最強(qiáng)的時期[12]，由圖2可知，隨著脅迫濃度的增加，向日葵種子的發(fā)芽勢有不同程度的降低，在NaCl脅迫下，濃度為80 mmol·L-1時，JK 1406種子的發(fā)芽勢最高為80%，與同濃度脅迫下的晉葵11號差異達(dá)極顯著水平，表明JK 1406有較好的耐鹽性，當(dāng)濃度為200mmol·L-1和240 mmol·L-1時，2種種子發(fā)芽勢與其他濃度的種子發(fā)芽勢差異達(dá)極顯著水平，表明在高鹽脅迫下，2種種子的發(fā)芽勢受到的影響較大。

圖3 鹽堿脅迫下向日葵發(fā)芽指數(shù)

在NaHCO3脅迫下，2種種子發(fā)芽勢在濃度為10 mmol·L-1時最高，與其他處理相比差異極顯著，表明低濃度的堿脅迫不影響種子的發(fā)芽速度，濃度60 mmol·L-1時，2種種子發(fā)芽勢差異達(dá)極顯著水平，說明JK 1406較晉葵11號有更好的耐堿性，濃度為80 mmol·L-1時，2種種子與其他處理的發(fā)芽勢差異達(dá)極顯著水平。

2.1.3發(fā)芽指數(shù)

發(fā)芽指數(shù)是判斷種子活力的重要指標(biāo)之一，發(fā)芽指數(shù)越高，萌發(fā)初期種子發(fā)芽越多，種子活力越強(qiáng)，幼苗能快速地發(fā)芽[6]。圖3顯示，隨著脅迫濃度的增加，發(fā)芽指數(shù)總體呈降低的趨勢，鹽濃度為200 mmol·L-1和240 mmol·L-1時，2種種子的發(fā)芽指數(shù)與低濃度間差異顯著，堿濃度為80 mmol·L-1時，2種種子的發(fā)芽指數(shù)與其他濃度處理差異極顯著，主要是因為在高鹽和高堿環(huán)境下，種子從外界吸收水分的能力受阻，從而影響發(fā)芽所需的各種酶和結(jié)構(gòu)蛋白，很難進(jìn)行自身細(xì)胞分裂分化、胚生長，從而降低了種子活力[13]。另外，在堿脅迫下，JK 1406的發(fā)芽指數(shù)除最高濃度的堿脅迫外，均略高于晉葵11號的發(fā)芽指數(shù)，在60 mmol·L-1時，兩者差異達(dá)極顯著水平。

2.2 鹽堿脅迫下保護(hù)酶活性及丙二醛含量的變化

向日葵雖然是一種適應(yīng)性較強(qiáng)且耐鹽堿的作物，但是不同品種之間存在明顯差異。在不同鹽堿脅迫下，研究不同品種和同一品種間的差異是必要的。由表1可得，隨著NaCl脅迫程度的增加，JK 1406體內(nèi)SOD活性先小幅增加再降低后趨于平穩(wěn)，40 mmol·L-1時達(dá)到最大值，并與其他處理差異達(dá)顯著性水平，而在晉葵11號體內(nèi)SOD活性則是先減少后增加，到達(dá)NaCl脅迫最大濃度時又有所下降。2種向日葵種子在不同濃度NaCl脅迫下均有所下降，說明脅迫濃度增高后造成SOD的膜系統(tǒng)的損傷，酶保護(hù)環(huán)境受到破環(huán)，酶活性下降。不同濃度NaHCO3脅迫下，JK 1406體內(nèi)SOD活性在濃度為40 mmol·L-1時達(dá)到最高點(diǎn)后有所下降，與在NaCl脅迫下變化趨勢基本相同，晉葵11號體內(nèi)SOD活性變化在各處理處均不明顯，各處理間均無顯著差異。

在NaCl脅迫下，供試材料的POD活性在160 mmol·L-1處均有一個峰值，此時的晉葵11號與其他濃度處理差異達(dá)顯著性水平，表明在中度鹽脅迫下，向日葵具有較強(qiáng)的活性氧清除能力，到達(dá)高濃度后先逐漸降低后升高，這表明在高濃度鹽處理下細(xì)胞膜系統(tǒng)受損[14]。不同濃度NaHCO3脅迫下JK 1406和晉葵11號體內(nèi)POD活性與鹽脅迫類似，最大值在40 mmol·L-1處出現(xiàn)，分別為3 334.44 U·g-1和3 430.06 U·g-1，2種種子的POD活性最小值都在10 mmol·L-1濃度處理下，JK 1406的POD活性與其他濃度處理差異達(dá)顯著水平。

有研究表明，在NaCl脅迫下，植物葉片的CAT活性或降低或增加。隨著NaCl脅迫的增加，供試材料體內(nèi)CAT活性逐漸減少，變化比較平緩，說明土壤鹽化對向日葵體內(nèi)CAT活性產(chǎn)生的影響不大，在NaHCO3脅迫下，兩者變化趨勢相同，JK 1406體內(nèi)CAT活性在各處理上均高于晉葵11號，到80 mmol·L-1時活性都有所下降，此時JK 1406體內(nèi)CAT活性與其他濃度處理差異達(dá)顯著性水平。

MDA是膜脂過氧化的產(chǎn)物，可直接影響膜受損傷程度[15]。在2種脅迫下，2種向日葵種子都在高濃度脅迫下出現(xiàn)一個低值，而后在最高濃度處理下MDA含量都有所增加，這表明細(xì)胞膜脂過氧化程度或細(xì)胞膜受損傷的程度明顯加重。晉葵11號在NaCl脅迫下的各濃度處理間差異達(dá)顯著水平，NaHCO3脅迫處理下JK 1406在80 mmol·L-1時與其他處理差異達(dá)顯著水平。

表1 鹽堿脅迫下向日葵葉片保護(hù)酶活性及丙二醛含量的變化

脅迫濃度/(mmol·L-1) SOD活性/(U·g-1) POD活性/(U·g-1) JK1406晉葵11號JK1406晉葵11號NaCl02102.36±42.84b2244.83±140.21b3863.14±119.15c1762.23±79.18a402276.72±28.81c1774.08±169.49a4465.71±112.89d2359.76±25.33b801884.38±26.77a2098.76±94.85ab2893.13±135.59ab1642.46±125.66a1602132.15±47.63b2291.87±204.77b3827.89±124.82c3745.33±103.09d2002052.94±66.83b2402.35±228.42b2675.83±72.82a2260.55±328.86b2402069.69±76.19b2022.36±176.37ab3027.91±128.41b3332.72±64.98cNaHCO302186.42±44.87ab2258.20±138.76a3053.13±92.61c2760.33±291.34b101988.24±128.06a2410.72±121.84a1207.64±118.86a1455.65±309.38a202169.48±95.41ab2380.72±213.48a1688.76±200.66b1998.96±16.00a402358.60±151.71b2291.85±109.28a3334.44±168.00c3430.06±301.96c601937.24±101.65a2217.30±31.64a3084.63±83.37c1666.02±201.31a802057.10±63.52a2313.06±95.71a1631.92±176.02b1754.86±142.19a脅迫濃度/(mmol·L-1) CAT活性/(U·g-1) MDA含量/(nmol·g-1) JK1406晉葵11號JK1406晉葵11號NaCl03547.22±100.13d3304.88±68.83c37.41±2.73ab81.05±3.11d403705.27±28.15d 3090.41±119.90c42.86±6.18b105.58±4.75e803336.12±95.00c2425.58±97.86a52.04±1.06c115.77±4.10f1602925.89±39.28b2332.29±52.92a39.25±0.72ab37.38±3.47b2002940.86±58.02b2706.63±186.20b33.17±3.26a15.08±2.06a2402476.99±94.82a2490.72±80.21ab52.77±2.07c48.81±5.44cNaHCO304278.38±218.78c3264.85±140.87bc38.57±2.25bc50.47±2.53ab103264.66±140.59b1896.56±155.87a35.47±3.19ab42.78±4.42a204415.10±126.47c2212.45±245.80a42.32±3.88c86.21±7.86d403479.33±230.49b1931.98±122.46a41.20±1.34bc68.47±4.36c604498.78±106.25c3523.51±224.32c29.97±2.24a57.52±2.61bc802669.05±53.30a2895.56±155.80b50.11±2.00d93.48±4.57d

3 結(jié) 論

由于遺傳、組織結(jié)構(gòu)和生理生化代謝的差異，不同作物有不同的耐鹽堿性[16]。在本試驗中，2個向日葵雜交種總體上在低鹽低堿環(huán)境中一定程度促進(jìn)了種子的萌發(fā)，但隨著脅迫濃度的加大，2個向日葵種子的生長都受到抑制，說明供試向日葵在一定范圍內(nèi)有耐鹽堿性，在輕度鹽堿地區(qū)栽培利用是可行的。分析中發(fā)現(xiàn)，本試驗設(shè)計的濃度中NaCl為40 mmol·L-1和NaHCO3為10 mmol·L-1時，發(fā)芽率最高，然而其是否是最適合種子發(fā)芽的濃度仍有待研究。NaCl濃度設(shè)計為240 mmol·L-1和NaHCO3濃度為80 mmol·L-1時由于高鹽高堿環(huán)境，種子不能從外界吸收足夠的水分，高濃度的鹽堿脅迫延緩了向日葵種子的活力，從而影響了種子的正常生長發(fā)育。

本研究結(jié)果顯示，在鹽堿脅迫達(dá)到最高濃度后，MDA含量都有所增加，細(xì)胞膜受損程度加大，POD含量的增加會損害生物膜系統(tǒng)，而耐鹽堿品種會通過降低自身POD含量來適應(yīng)鹽堿脅迫，從而減少對植物細(xì)胞的損傷，本試驗中堿脅迫下的JK1406表現(xiàn)出與前人相似的結(jié)果[17]，SOD酶活性越高，其適應(yīng)性越強(qiáng)，JK 1406的SOD活性在鹽堿脅迫的最高濃度處略有增加。

從以上結(jié)果可以看出，同時測量更多指標(biāo)是因為每個指標(biāo)對鹽堿脅迫的反應(yīng)程度不同，單個指標(biāo)不能準(zhǔn)確地判斷和評價耐鹽堿性。本試驗研究了鹽堿脅迫對2種向日葵的種子萌發(fā)及生理指標(biāo)的影響，得出JK 1406較晉葵11號有一定的耐鹽堿優(yōu)勢。