模擬巖溶旱鈣脅迫對寬葉雀稗種子萌發(fā)的影響

孫 杭， 王文娟， 王普昶， 趙麗麗,3

(1.貴州大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院草業(yè)科學(xué)系， 貴陽 550025； 2.貴州省草業(yè)研究所， 貴陽 550006；3.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心， 貴州 貴陽 550001)

種子萌發(fā)是植物新個體形成的關(guān)鍵時期，也是植物生長最為脆弱的階段，對植物種群繁殖、擴展及植被恢復(fù)意義重大[1]。種子萌發(fā)受到自身因素和外界環(huán)境因素的共同影響[2]。西南巖溶山區(qū)分布著以石灰土為主的非地帶性土壤，土層淺薄，且土壤具有高滲透性常常造成土壤干旱，加之特殊的氣候條件，土壤中碳酸鹽層受到溶蝕，致使土壤鈣鹽化[3]。因此，西南巖溶山區(qū)的植物種子萌發(fā)及生長常常受到干旱和鈣鹽的影響。長期生長在該地區(qū)的植物已經(jīng)形成了各自的適應(yīng)機制。如桂西北喀斯特地區(qū)青岡櫟因低濃度外源CaCl2的存在，種子萌發(fā)期抵御干旱脅迫的能力提高[1]。巖溶山區(qū)白刺花生長過程中鈣可以提高其幼苗的抗旱性，保證白刺花能在巖溶山區(qū)干旱、鈣高富集土壤中良好生長[4]。

寬葉雀稗(Paspalumwettsteinii)為禾本科雀稗屬多年生草本植物，以其分蘗能力強，生長速度快，產(chǎn)量高，耐旱、耐貧瘠、根系發(fā)達(dá)等優(yōu)良性狀在我國西南巖溶山區(qū)作為牧草或水土保持植物得到廣泛的推廣應(yīng)用[5]。長期生長在巖溶逆境中，寬葉雀稗形成了特有的適應(yīng)策略。目前，關(guān)于寬葉雀稗的逆境適應(yīng)性的研究主要集中在氮素營養(yǎng)[8]、高溫脅迫[6]、重金屬脅迫[7]等方面，而關(guān)于干旱脅迫、鈣鹽脅迫等巖溶逆境方面的研究較少。鑒于此，本試驗以寬葉雀稗為材料，室內(nèi)模擬干旱、鈣鹽及旱鈣脅迫，研究寬葉雀稗種子萌發(fā)期的適應(yīng)性，旨在探討適宜寬葉雀稗種子萌發(fā)的條件，揭示種子萌發(fā)期對外界生境的適應(yīng)策略，以期為西南巖溶山區(qū)寬葉雀稗種植提供理論依據(jù)，并為進(jìn)一步發(fā)掘其抗逆基因奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

寬葉雀稗種子由貴州省草業(yè)研究所提供，選擇飽滿的種子為材料。

1.2 試驗方法

1.2.1干旱脅迫

以不同濃度的聚乙二醇6000(PEG-6000)溶液模擬-0.1 MPa、-0.3 MPa、-0.5 MPa的干旱脅迫(處理代碼為P1、P3和P5)，以蒸餾水為對照組(ck)。將100粒寬葉雀稗種子置于墊有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，向各培養(yǎng)皿中加入10 mL的PEG-6000溶液，每個處理3個重復(fù)，25 ℃恒溫培養(yǎng)。每天記錄種子發(fā)芽情況，直到14 d發(fā)芽結(jié)束。每個培養(yǎng)皿隨機選擇10個幼苗測量胚根、胚芽的長度和干重，并計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。

發(fā)芽率(%)=(14 d種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(前4 d種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt；

活力指數(shù)=GI×S；

式中，Gt為在第t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽天數(shù)，S為胚根的均長(cm)。

1.2.2鈣鹽脅迫

設(shè)置5 mmol·L-1、25 mmol·L-1、50 mmol·L-1的CaCl2溶液模擬鈣鹽脅迫(處理代碼為C5、C25和C50)，以蒸餾水為對照組(ck)，每個處理3個重復(fù)。萌發(fā)方法及統(tǒng)計指標(biāo)同干旱脅迫。

1.2.3旱鈣脅迫

分別將以上3個濃度的PEG-6000溶液和3個濃度的CaCl2溶液等量搭配，對寬葉雀稗進(jìn)行綜合的脅迫處理，處理代碼分別為P1C5、P1C25、P1C50、P3C5、P3C25、P3C50、P5C5、P5C25和P5C50。以蒸餾水為對照組(ck)。每個處理3個重復(fù)。萌發(fā)方法及統(tǒng)計指標(biāo)同干旱脅迫。

1.3 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

利用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)和作圖，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析，并用隸屬函數(shù)法綜合評價寬葉雀稗對旱、鈣及綜合脅迫的適應(yīng)性。

隸屬函數(shù)計算公式：

R(Xi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)

式中：Xi為某個抗旱指標(biāo)，Ximin為該抗旱指標(biāo)中的最小值，Ximax為該抗旱指標(biāo)中的最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對寬葉雀稗種子萌發(fā)的影響

2.1.1發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

由圖1可知，P1處理組的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)最高，分別達(dá)到73.33%、62.67%、34.67和111.06，顯著高于對照(除發(fā)芽指數(shù)外)及其它干旱處理，說明-0.1 MPa的輕度干旱脅迫對寬葉雀稗的種子萌發(fā)速度和萌發(fā)率起到明顯的促進(jìn)作用。隨干旱脅迫強度增加，寬葉雀稗各萌發(fā)指標(biāo)均降低。P5處理組的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均降至最小值，且顯著低于對照，分別較對照降低了29.56%、5.01%、70.06%和68.68%，說明重度干旱抑制了寬葉雀稗種子萌發(fā)，特別對發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)抑制程度更大。

圖1 干旱脅迫對寬葉雀稗種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

2.1.2胚根、胚芽

由圖2可知，P1處理組的胚根長度和干重均達(dá)到了最大值，且明顯高于對照組，差異顯著，說明輕度的脅迫對胚根的生長有促進(jìn)作用。隨著干旱脅迫強度的增加，胚根的長度和干重均明顯降低。胚芽的長度和胚芽干重均隨著干旱脅迫強度的增加而顯著降低，P5處理組各指標(biāo)均降至最低，胚芽長度和干重分別為1.97 cm和0.28 mg，說明干旱脅迫抑制了寬葉雀稗胚芽的生長。

圖2 干旱脅迫對寬葉雀稗胚根和胚芽生長的影響

2.2 鈣鹽脅迫對寬葉雀稗種子萌發(fā)的影響

2.2.1發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

由圖3可知，在C5處理組的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均最高，顯著高于對照，說明輕度鈣鹽脅迫(5 mol·L-1)對寬葉雀稗的種子萌發(fā)速度和萌發(fā)率起到明顯的促進(jìn)作用。隨鈣鹽脅迫強度增加，寬葉雀稗各萌發(fā)指標(biāo)均降低。C50處理組的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均降至最小值，特別是發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著低于對照，說明重度鈣鹽脅迫抑制了寬葉雀稗種子的萌發(fā)。

圖3 鈣鹽脅迫對寬葉雀稗種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

2.2.2 胚根、胚芽

由圖4可知，在C5處理組胚根和胚芽的長度和干重均達(dá)到最大值，均顯著高于對照組，說明輕度的鈣鹽脅迫對胚根和胚芽的生長有促進(jìn)作用。而隨著鈣鹽濃度的增加，在C25、C50處理組，與C5處理組相比，胚根和胚芽的長度和干重顯著降低，C50處理組降至最低，顯著低于對照，說明重度鈣鹽脅迫對胚根和胚芽的生長有抑制作用。

圖4 鈣鹽脅迫對寬葉雀稗胚根和胚芽生長的影響

2.3 旱鈣脅迫對寬葉雀稗種子萌發(fā)的影響

2.3.1發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

如圖5所示，P1C5和P1C25處理組，寬葉雀稗的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)較高，均顯著高于對照(除P1C25處理組的發(fā)芽指數(shù))。除P3C5處理組外，其他處理組的發(fā)芽率均顯著低于對照。寬葉雀稗的發(fā)芽勢在P1C5、P3C5、P1C25處理組較高，顯著高于對照，而P5C25、P1C50、P3C50和P5C50處理組的發(fā)芽勢顯著低于對照。發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)隨旱鈣脅迫濃度的增加，變化更明顯。發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)在P1C5處理組最高，顯著高于對照組，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)在P1C25處理組較高，此時的活力指數(shù)顯著高于對照組。隨旱鈣脅迫強度增加，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著降低。由此可知，輕度的旱鈣，有利于促進(jìn)種子萌發(fā)，提高萌發(fā)速度，而重度的旱鈣抑制了種子萌發(fā)。

圖5 旱鈣脅迫對寬葉雀稗種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

2.3.2胚根、胚芽

如圖6所示，P1C5處理組，寬葉雀稗的胚芽、胚根的長度和干重均為最大值，顯著高于對照。其他處理組的胚芽長度均較對照顯著降低。P5C5、P5C25、P3C50和P5C50處理組的胚根長度顯著低于對照。除P3C5、P1C25和P1C50處理組外，其他處理組的胚芽干重均較對照顯著降低。胚根干重僅在P5C25和P5C50處理組顯著降低。由此可知，適宜的旱鈣環(huán)境會促進(jìn)寬葉雀稗種子胚芽和胚根的生長，有利于胚根的物質(zhì)積累。

2.4 旱鈣脅迫對寬葉雀稗種子萌發(fā)影響的綜合評價

根據(jù)脅迫下寬葉雀稗8個萌發(fā)指標(biāo)的隸屬函數(shù)加權(quán)平均值，綜合評價旱、鈣及混合脅迫對寬葉雀稗種子萌發(fā)的影響，結(jié)果見表1。綜合評價D值越大，表明寬葉雀稗在該脅迫下種子萌發(fā)和幼苗生長越好，反之則差。由表1可知，P1、C5、C25、P1C5、P1C25和P3C5處理組的D值較大，綜合排名優(yōu)于對照。說明-0.1 MPa干旱脅迫，5 mmol·L-1和25 mmol·L-1鈣鹽脅迫，及-0.1 MPa+5 mmol·L-1、-0.1 MPa+25 mmol·L-1、-0.3 MPa+5 mmol·L-1旱鈣脅迫能促進(jìn)寬葉雀稗種子萌發(fā)，而更高強度的旱鈣脅迫則會抑制種子萌發(fā)。

3 討論與結(jié)論

干旱和土壤富鈣是影響巖溶山區(qū)植物種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素，主要體現(xiàn)在發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及胚根、胚芽生長等方面[8]。對芡歐鼠尾草[9]、鹽節(jié)木[10]、青岡櫟[1]、二色胡枝子[8]、藜麥[11]等植物種子萌發(fā)期抗旱性的研究表明，輕度干旱脅迫能促進(jìn)種子萌發(fā)，隨干旱脅迫程度增加，種子萌發(fā)逐漸受到抑制。本研究中，寬葉雀稗種子在-0.1 MPa輕度干旱脅迫下發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均顯著高于對照組，在-0.5 MPa干旱處理組，萌發(fā)指標(biāo)則顯著降低。這種干旱脅迫下對寬葉雀稗種子萌發(fā)存在的低促高抑的現(xiàn)象與前人研究結(jié)果相似。不同的植物受到干旱脅迫后胚根胚芽受到損傷的情況不同。射干種子萌發(fā)期受到干旱脅迫后胚根受到抑制的程度強于胚芽[12]。寬葉雀稗受到干旱脅迫后，胚芽的生長受到抑制，而胚根的生長在-0.1 MPa和-0.3 MPa干旱脅迫下則顯著提高，說明干旱脅迫下的寬葉雀稗通過提高胚根的生長來適應(yīng)干旱。

表1 旱鈣脅迫下寬葉雀稗種子萌發(fā)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及排序

處理隸屬函數(shù)值發(fā)芽勢發(fā)芽率發(fā)芽指數(shù)活力指數(shù)胚根長度胚芽長度胚根干重胚芽干重D值排序ck0.700.730.800.510.340.840.150.700.607P10.871.000.820.900.910.780.430.480.774P30.460.590.340.320.540.750.360.270.4510P50.000.590.070.090.290.350.000.160.1914C50.870.921.000.970.741.000.620.860.872C250.760.890.980.650.330.830.300.780.695C500.460.590.510.230.040.500.040.270.3313P1C51.001.000.941.001.000.941.000.580.931P3C50.820.760.560.350.540.750.700.450.626P5C50.720.690.180.140.250.350.490.160.3711P1C250.870.890.820.940.780.750.810.480.793P3C250.680.570.530.220.300.650.530.380.489P5C250.030.270.050.050.030.250.320.020.1315P1C500.580.720.530.440.480.570.620.430.548P3C500.350.320.510.220.030.490.470.330.3412P5C500.000.000.000.000.000.000.190.000.0216

圖6 旱鈣脅迫對寬葉雀稗胚根和胚芽生長的影響

鈣是植物種子萌發(fā)過程中不可缺少的元素，可以影響植物的出苗速度和成苗率。適宜的鈣鹽可以促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長，而過高的鈣鹽則造成種子細(xì)胞外的水勢降低，種子細(xì)胞失水且吸水困難，不利于種子萌發(fā)和幼苗生長[13]。本研究中，寬葉雀稗在5、25 mmol·L-1CaCl2處理時各項萌發(fā)指標(biāo)均較對照明顯提高，在50 mmol·L-1CaCl2處理時各項萌發(fā)指標(biāo)均較對照明顯降低，表明5、25 mmol·L-1CaCl2處理能促進(jìn)寬葉雀稗種子萌發(fā)及胚根胚芽生長，50 mmol·L-1CaCl2處理則會阻礙種子萌發(fā)，降低種子活力，抑制胚根胚芽生長。

巖溶山區(qū)的植物生長過程可能受到干旱、鈣鹽等非生物因素的綜合影響。趙麗麗等[8]對旱鈣脅迫下二色胡枝子的研究，鄧平等[1]對旱鈣脅迫下青岡櫟的研究，任永霞等[14]對旱鈣脅迫下紫花苜蓿的研究均指出，干旱和鈣鹽2個因素對植物種子萌發(fā)的影響不完全是疊加的抑制效應(yīng)。本研究中干旱和鈣鹽混合脅迫對寬葉雀稗種子萌發(fā)的影響也不是疊加的抑制效應(yīng)。輕度干旱(-0.1 MPa)和低濃度鈣鹽脅迫(5、25 mmol·L-1CaCl2)可以促進(jìn)寬葉雀稗種子萌發(fā)，但在重度干旱和高濃度鈣鹽脅迫下，寬葉雀稗種子萌發(fā)受到抑制的程度較單一脅迫更大。

隸屬函數(shù)法可以消除評價指標(biāo)間的量綱差異，是綜合評價分析中常用的方法[15]。利用隸屬函數(shù)評價寬葉雀稗種子萌發(fā)期對各種脅迫的適應(yīng)性，結(jié)果表明，-0.1 MPa干旱脅迫，5 mmol·L-1和25 mmol·L-1鈣鹽脅迫，及-0.1 MPa+5 mmol·L-1、-0.1 MPa+25 mmol·L-1、-0.3 MPa+5 mmol·L-1旱鈣脅迫能促進(jìn)寬葉雀稗種子萌發(fā)。