NaCl脅迫下氮磷鉀元素浸種對(duì)梭梭種子萌發(fā)影響研究

丁奮謙, 高 永, 黨曉宏,盧立強(qiáng),祁 帥,楊利英, 高旭正,韓 超,李 佳,崔佳寧

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011)

1 引言

種子是植物體的生殖器官之一，它的產(chǎn)生代表著成熟植物體的衰落，也是新植物體生長(zhǎng)發(fā)育的開(kāi)端，對(duì)一個(gè)物種的種群繁衍生息有著極其重要的意義[1]。種子萌發(fā)是指種子從吸脹作用開(kāi)始的一系列有序的生理和形態(tài)變化過(guò)程，包括吸漲和萌發(fā)、發(fā)芽及成苗4個(gè)階段[2]。種子在萌發(fā)階段對(duì)土壤中鹽分的離子效應(yīng)、滲透效應(yīng)的綜合適應(yīng)能力是種子耐鹽性的實(shí)質(zhì)，其他生態(tài)因子(不同類(lèi)型鹽分、溫度、水分等)對(duì)種子耐鹽性的影響則是來(lái)自其對(duì)土壤鹽溶液兩種效應(yīng)大小的改變[3]。鹽脅迫條件下，土壤滲透勢(shì)降低、離子平衡被打破，植物種子細(xì)胞內(nèi)水勢(shì)降低，造成種子生理性吸水困難；種子細(xì)胞內(nèi)類(lèi)囊體膜結(jié)構(gòu)發(fā)生異變，生理同化過(guò)程被打亂，光合作用被影響；種子細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成受到影響抑制生長(zhǎng)，植物為抵御鹽脅迫會(huì)優(yōu)先合成各類(lèi)有機(jī)物質(zhì)使其耗能增加、質(zhì)量下降導(dǎo)致植物生長(zhǎng)緩慢甚至死亡[4,5]。氮在植株生長(zhǎng)發(fā)育等階段發(fā)揮著重要的作用是一種植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素[6]，氮元素約占植物干重的1.5%～5%，鹽脅迫下，集聚在植物根系附近的大量Na+進(jìn)入植物體內(nèi)使得細(xì)胞膜膜外正電荷減少,膜內(nèi)負(fù)電荷減少，導(dǎo)致植物對(duì)氮元素的吸收累積過(guò)程被抑制，影響植物生長(zhǎng)，施氮可顯著提高植物滲透調(diào)節(jié)能力[7]；磷元素占植物干重的0.05%～0.5%，能提高作物對(duì)外界變化的適宜能力[9]，植物體內(nèi)磷元素不足時(shí)會(huì)導(dǎo)致植物分枝分蘗數(shù)減少，植株冠幅變得矮小，生長(zhǎng)發(fā)育不良，葉片顏色反常，花期推遲，種子不飽滿且產(chǎn)出率下降[8]；鉀元素被稱為植物的生命元素，是所有植物在生長(zhǎng)發(fā)育周期中不可或缺的元素，是植物體內(nèi)含量最高的金屬元素，缺鉀會(huì)導(dǎo)致植物葉片發(fā)黃、根系短小甚至腐爛，嚴(yán)重抑制植物的生長(zhǎng)[8、9]。研究發(fā)現(xiàn)在鹽堿地上施用適量的氮磷鉀肥可輔助植物提高其抗鹽堿能力[6、7、9]。梭梭(Haloxylonammodendron)是藜科梭梭屬灌木，具有良好的適應(yīng)性，是我國(guó)西北和內(nèi)蒙古地區(qū)固沙造林的優(yōu)良樹(shù)種，也可用作薪柴、牲畜飼料等[10]。前人對(duì)梭梭植物的研究已有很多，但對(duì)于NaCl脅迫下氮磷鉀浸種對(duì)梭梭種子萌發(fā)的影響實(shí)驗(yàn)研究未見(jiàn)報(bào)道，有待深入。因此，本研究以梭梭種子為研究對(duì)象，分析和比較其經(jīng)過(guò)氮磷鉀元素浸種處理后在NaCl脅迫下條件下的梭梭種子在該萌發(fā)情況，一定程度上能夠加深對(duì)梭梭植物種子的萌發(fā)策略及其影響機(jī)制的理解，對(duì)于改良、利用大面積鹽漬土壤及鹽漬化地區(qū)梭梭的種植栽培、擴(kuò)大種植范圍提供理論科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究材料

供試植物梭梭種子由甘霖苗木合作社提供，實(shí)驗(yàn)中添加氮磷鉀元素分別選用尿素(H2NCONH2)、過(guò)磷酸鈣(CaP2H4O8)、硫酸鉀(K2SO4)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

挑選用籽粒飽滿、大小均勻且無(wú)病蟲(chóng)害的受試種子浸泡在0.5% KMnO4消毒10 min后用紗布包裹濾出，清水沖洗3次，再用蒸餾水沖洗數(shù)次[11]，用濾紙吸干種子表面水分，于無(wú)菌倉(cāng)內(nèi)晾干備用[12]。

經(jīng)NaCl脅迫預(yù)實(shí)驗(yàn)選取其中3個(gè)發(fā)芽率極值點(diǎn)鹽濃度(即0，MAX，MIN，對(duì)應(yīng)鹽濃度分別為0、0.25%、2%)作為本試驗(yàn)所用鹽溶液濃度，另將其脅迫下的各項(xiàng)指標(biāo)作為本實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組指標(biāo)(CK1、CK2、CK3)。使用含氮磷鉀元素的溶液浸種，濃度梯度為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%、2%、3%、4%、5%[6,7,9]，加入適量超純水將3種溶劑充分溶解在錐形瓶中，浸種4 h。

采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行試驗(yàn)，將處理后的種子置于直徑9cm并鋪有兩層濾紙的的培養(yǎng)皿內(nèi)(培養(yǎng)皿事先高溫滅菌)[13]。使用移液槍加注不同濃度NaCl溶液溶液5 mL，每皿放置種子50粒，每個(gè)處理3次重復(fù)。將培養(yǎng)皿放入人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)7d[12]，箱內(nèi)溫度預(yù)設(shè)為恒溫25 ℃[14]。稱重法使用萬(wàn)分之一電子天平稱重后補(bǔ)足失水量確保皿內(nèi)溶液濃度。發(fā)芽試驗(yàn)以種子連續(xù)2d不再萌發(fā)的時(shí)間為末次計(jì)數(shù)時(shí)間，逐日統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)并計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

種子發(fā)芽率(GR)=(7 d種子發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù))×100% ；

種子發(fā)芽勢(shì)(GP)=(發(fā)芽高峰期連續(xù)三天發(fā)芽數(shù)/種子總數(shù)) ×100% ；

種子發(fā)芽指數(shù)(GI)= ∑(Gt/Dt) ，其中Gt為t日發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)天數(shù)。

采用Origin 2018軟件作圖，SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，用Dun-can’s檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

3 結(jié)果分析

3.1 氮磷鉀浸種對(duì)NaCl脅迫下梭梭種子發(fā)芽率的影響

對(duì)照組中受試種子在不同濃度NaCl脅迫下萌發(fā)的發(fā)芽率受到不同程度影響(表1)；清水條件下，三種元素浸種處理后的種子發(fā)芽率與對(duì)照組(CK1GR)相比均有不同程度的下降且都存在顯著性差異。隨著氮磷鉀元素濃度的增加，受試種子發(fā)芽率經(jīng)過(guò)尿素、硫酸鉀處理后呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，過(guò)磷酸鈣處理后則是先升高后降低的趨勢(shì)，但發(fā)芽率均低于對(duì)照組，其中濃度為0.1% 尿素、0.1%硫酸鉀及0.3%過(guò)磷酸鈣浸種處理后梭梭種子發(fā)芽率最高，較對(duì)照組(CK1GR)仍然分別顯著減少了16%、19.33%和20%(P<0.05)，當(dāng)尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀濃度達(dá)到5%時(shí)，發(fā)芽率顯著低于對(duì)照組(CK1GR)55.33%、57.33%、55.33%；梭梭種子在0.15% NaCl脅迫下種子發(fā)芽率達(dá)到最高，但經(jīng)過(guò)三種浸種處理后種子發(fā)芽率均低于對(duì)照組(CK2GR)，且處理后后種子發(fā)芽率未顯現(xiàn)出一致性規(guī)律，發(fā)芽率隨著藥品濃度的上升總體呈下降趨勢(shì)，高濃度(2%～5%)尿素浸種后發(fā)芽率分別顯著低于對(duì)照組9.33%、11.33%、13.33%、18%，1%尿素處理發(fā)芽率最高(70%)仍低于對(duì)照組(CK2GR)1.33%。濃度在0.7%～5%過(guò)磷酸鈣處理后種子發(fā)芽率顯著低于對(duì)照組(CK2GR)6%、10%、5.33%、8%、8%、6.66%(P<0.05)，其余處理與對(duì)照組無(wú)顯著性差異，但發(fā)芽率都低于對(duì)照組。1%硫酸鉀處理后種子發(fā)芽率(70±0%)低于對(duì)照值1.33%，除0.1%、0.3%、1%處理，其余處理都顯著低于對(duì)照組，可見(jiàn)浸種處理對(duì)種子的發(fā)芽率無(wú)明顯提高作用，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)面影響；高濃度NaCl(2%)脅迫下，尿素、過(guò)磷酸鈣浸種處理發(fā)芽率隨濃度增加而增加，1%尿素、3%過(guò)磷酸鈣處理后發(fā)芽率達(dá)到峰值，顯著高于對(duì)照值(CK3GR)22.33%、26.67%(P<0.05)，硫酸鉀處理發(fā)芽率則與濃度的增加呈正比，5%硫酸鉀浸種處理后發(fā)芽率相比對(duì)照組(CK3GR)顯著提高了24%(P<0.05)，3種處理對(duì)梭梭種子發(fā)芽率促進(jìn)效果明顯，表明高濃度鹽脅迫下氮磷鉀元素處理在一定程度上緩解了鹽害，提高了種子耐鹽性(圖1)。

表1 NaCl脅迫對(duì)梭梭種子萌發(fā)的影響(對(duì)照組)

圖1 清水、0.15%、2%NaCl脅迫下三種浸種處理對(duì)梭梭種子發(fā)芽率的影響

3.2 氮磷鉀浸種對(duì)NaCl脅迫下梭梭種子發(fā)芽勢(shì)的影響

清水條件下，尿素、過(guò)磷酸鈣和硫酸鉀處理后梭梭種子發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組 (CK1GP)存在顯著性差異，使用氮磷鉀元素浸種后都顯著降低了梭梭種子的發(fā)芽勢(shì)，其中，尿素浸種處理對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)的影響未顯現(xiàn)出一致性規(guī)律，各處理中0.1%尿素浸種后發(fā)芽勢(shì)最高，較對(duì)照組仍然顯著下降了11.33%。過(guò)磷酸鈣處理后，梭梭種子發(fā)芽勢(shì)隨濃度改變呈現(xiàn)出低濃度升高，高濃度下降的趨勢(shì)，過(guò)磷酸鈣濃達(dá)到0.5%時(shí)，種子發(fā)芽勢(shì)顯著低于對(duì)照組(CK1GP)14.67%。硫酸鉀處理后發(fā)芽勢(shì)隨濃度增加持續(xù)下降，0.1%硫酸鉀浸種后梭梭種子發(fā)芽勢(shì)即達(dá)到最高值(42±2%)顯著低于對(duì)照組；0.15% NaCl脅迫下，三種處理下種子發(fā)芽勢(shì)均未呈現(xiàn)出一致的的規(guī)律，但總體呈下降趨勢(shì)，尿素種處理與對(duì)照組差異顯著。其中，0.1%、1%尿素處理后發(fā)芽勢(shì)較對(duì)照組下降了0.67%，尿素處理抑制了梭梭種子的發(fā)芽勢(shì)且均顯著低于對(duì)照組(CK2GP)。過(guò)磷酸鈣處理中，低濃度(0.1%～0.5%)浸種后發(fā)芽勢(shì)高于對(duì)照組(CK2GP)2.67、1.33、2.67，高濃度(1%～3%)處理中，1%和3%過(guò)磷酸鈣處理的種子發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組持平，2%過(guò)磷酸鈣處理后高于對(duì)照組1.33，其他濃度下發(fā)芽勢(shì)都被抑制。0.1%、1%硫酸鉀浸種處理后的發(fā)芽勢(shì)高于對(duì)照組1.33%、6%，0.3%硫酸鉀浸種處理后的發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組持平，其余濃度硫酸鉀浸種處理后發(fā)芽勢(shì)均都低于對(duì)照組；2% NaCl脅迫下，三種處理與對(duì)照組(CK3GP)均存在顯著性差異，且種子發(fā)芽勢(shì)均高于對(duì)照組，發(fā)芽勢(shì)總體呈上升趨勢(shì)，高濃度(1%～5%)尿素處理下，種子發(fā)芽勢(shì)較對(duì)照組顯著分別提高了15.33%、12.67%、13.33%、12.67%、10%，促進(jìn)效果明顯。硫酸鈣處理后種子發(fā)芽勢(shì)未呈現(xiàn)出一致性規(guī)律，但處理后種子發(fā)芽勢(shì)均顯著高于對(duì)照組(CK3GP)，5%硫酸鉀浸種后，發(fā)芽勢(shì)較對(duì)照組顯著提高了12.67%。過(guò)磷酸鈣浸種處理后種子發(fā)芽勢(shì)呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，4%過(guò)磷酸鈣處理后種子發(fā)芽勢(shì)達(dá)到了16.67±0.03%。隨著濃度的增加，高濃度(1%～5%)浸種后的發(fā)芽勢(shì)高于低濃度(0.1%～0.5%)處理，但浸種后對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)促進(jìn)效果明顯，一定程度上提高了種子的發(fā)芽能力(圖2)。

圖2 清水、0.15%、2% NaCl脅迫下三種浸種處理對(duì)梭梭種子發(fā)芽勢(shì)的影響

3.3 氮磷鉀浸種對(duì)NaCl脅迫下梭梭種子發(fā)芽指數(shù)的影響

清水條件下，三種處理與對(duì)照組間存在顯著性差異，尿素、硫酸鉀浸種后種子發(fā)芽指數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，(0.3%～5%)尿素處理后發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對(duì)照組(CK1GI)；低濃度(0.1%～0.3%)過(guò)磷酸鈣處理時(shí)種子發(fā)芽指數(shù)升高，濃度由0.7%升高至5%時(shí)，與對(duì)照組(CK1GI)相比分別顯著下降了1.19、4.42、5.02、6.38、8.05、8.17。硫酸鉀處理后，種子發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對(duì)照組(P<0.05)；0.15%NaCl脅迫下，三種浸種處理后的種子發(fā)芽指數(shù)都沒(méi)有明顯規(guī)律，總體呈下降趨勢(shì)，且三種元素對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)都有顯著影響，0.3%、0.7%及2%～5%尿素處理后發(fā)芽指數(shù)顯著低于對(duì)照組0.80、0.86、1.66、1.46、1.56、3.65。0.7%、2%～5%硫酸鉀浸種后發(fā)芽指數(shù)顯著低于對(duì)照組(CK3GI)，分別為1.74、0.78、1.58、2.7和2.53，其余處理均低于對(duì)照組(CK3GI)。0.5%、1%～5%過(guò)磷酸鈣浸種后發(fā)芽指數(shù)顯著低于對(duì)照組，各處理均低于對(duì)照組；2%NaCl脅迫條件下，浸種處理后種子發(fā)芽指數(shù)呈一直上升的趨勢(shì)，且與對(duì)照組均存在顯著性差異，尿素濃度從0.1%升至2%時(shí)發(fā)芽指數(shù)達(dá)到最高，顯著高于對(duì)照組3.87。3%過(guò)磷酸鈣浸種后種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于對(duì)照組5.03、4%硫酸鉀處理后顯著高于對(duì)照組4.36，總體發(fā)芽指數(shù)均高于對(duì)照組(圖3)。

4 結(jié)論與討論

鹽脅迫對(duì)植物生命周期中的各個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生影響，如種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)發(fā)育、光合作用等，是非生物脅迫中最為常見(jiàn)的一種[15]。外界鹽漬生境下，種子萌發(fā)階段最先受到鹽脅迫影響，種子萌發(fā)階段的抗逆性和耐受性相較于植物其他階段更為脆弱[16]。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí) NaCl 脅迫會(huì)顯著影響種子萌發(fā)階段的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)[17]。如程波等[18]試驗(yàn)得出，5種紫花苜蓿種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)均受到 NaCl 脅迫抑制，濃度越大抑制作用越明顯，且5種紫花苜蓿種子發(fā)芽高峰期、最高發(fā)芽數(shù)也隨之而向后推移、減少。但部分研究表明，低濃度的NaCl會(huì)促進(jìn)種子萌發(fā)，如劉曉威等[5]研究顯示，低濃度( 50 mmol/L ) NaCl 溶液處理可提高紅砂種子萌發(fā)率，但隨著NaCl濃度不斷升高，紅砂種子萌發(fā)期延長(zhǎng)，萌發(fā)率下降，400 mmol/L NaCl 處理后紅砂種子仍有活力但無(wú)法萌發(fā)。本實(shí)驗(yàn)對(duì)照組(表1)中的結(jié)果與上述結(jié)論基本一致，即在輕度NaCl脅迫下(0.15%)梭梭種子萌發(fā)性顯著最高于無(wú)NaCl和重度(2%)NaCl脅迫的萌發(fā)性。

研究表明，鹽脅迫下植物因滲透效應(yīng)致使氮素缺乏，植物生長(zhǎng)被抑制，但增施氮肥可提高植物耐鹽性、緩解鹽脅迫對(duì)植物造成的傷害[9]。孟國(guó)花等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下甜高粱的生長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，在增施一定量的(5 mmol/L、1 mmol/L、6 mmol/L)氮、磷、鉀營(yíng)養(yǎng)元素后甜高粱耐鹽性明顯增強(qiáng)，生長(zhǎng)促進(jìn)效果最明顯[7]。曲東等研究發(fā)現(xiàn)，磷酸二氫鉀浸種可縮短玉米和小麥的萌發(fā)時(shí)間[19]。楊建肖等以鄭單958為材料,研究了不同濃度氯化鉀浸種對(duì)衰老玉米種子的萌發(fā)率等指標(biāo)的影響，結(jié)果表明,0.1～10.0 mmol/L氯化鉀處理對(duì)玉米種子的發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)有促進(jìn)作用[20]。本實(shí)驗(yàn)中，清水條件下，浸種對(duì)梭梭種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)無(wú)促進(jìn)作用，在較低的濃度時(shí)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)就達(dá)到最高，總體都低于未處理的種子；對(duì)梭梭種子的發(fā)芽指數(shù)有一定的促進(jìn)作用；輕度(0.15 %)NaCl脅迫下，三種處理后種子各項(xiàng)指標(biāo)與清水條件下結(jié)果相近，這可能是由于梭梭種子已經(jīng)處在最優(yōu)的萌發(fā)環(huán)境下，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最好，添加了氮磷鉀元素反而使得萌發(fā)環(huán)境被破壞，萌發(fā)性下降；高濃度(2%)NaCl脅迫下梭梭種子在未處理狀態(tài)下發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)仍能達(dá)到2%，經(jīng)三種處理后種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)隨浸種濃度增大不斷升高，總體較對(duì)照組提升明顯，種子起始萌發(fā)期較未處理的種子提前，萌發(fā)數(shù)量增多，但由于該條件下大部分種子遭受了嚴(yán)重的離子毒害，雖然在三種元素作用下對(duì)脅迫效應(yīng)有了一定的緩解，然而隨著元素濃度增加，總鹽濃度也在增加，對(duì)種子的迫害愈發(fā)嚴(yán)重，造成的不可逆的傷害使萌發(fā)率有了提高但仍無(wú)法改變種子發(fā)芽能力下降的事實(shí)。

綜上所述，不同浸種處理對(duì)種子萌發(fā)指標(biāo)的影響略有差異，在無(wú)鹽和少鹽脅迫的條件下處理對(duì)種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)無(wú)明顯的促進(jìn)作用；高濃度鹽脅迫下，浸種處理大大緩解了Na+的迫害作用，提高了種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和種子發(fā)芽指數(shù)。鹽脅迫和氮磷鉀元素對(duì)種子萌發(fā)的影響是復(fù)雜而又繁瑣的，且種子自身及外部環(huán)境等因素也會(huì)影響萌發(fā)。本實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)氮磷鉀元素浸種處理后梭梭種子在鹽脅迫條件下萌發(fā)階段的影響做了初步的實(shí)驗(yàn)研究，具體是通過(guò)怎樣的途徑和改變種子內(nèi)部環(huán)境來(lái)促進(jìn)或抑制種子的萌發(fā)性還需要進(jìn)一步研究。