二倍體、四倍體球莖大麥種子萌發(fā)特性研究

阿衣江·卡克爾曼，阿馬努拉·依明尼亞孜，王振振，迪利夏提·哈斯木，董乙強(qiáng)

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院／新疆草地資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830052）

球莖大麥（Hordeum bulbosum）為禾本科大麥屬多年生草本植物，株高90～220 cm不等，因基部有球莖而得名。該植物主要產(chǎn)于歐洲及中亞地區(qū)，我國沒有野生種分布［1，2］。該物種植株高大、營養(yǎng)成分較高，可作為優(yōu)質(zhì)馬飼料［3，4］。球莖大麥具有較強(qiáng)抗寒性，還對大麥黃花葉病等多種病害具有抗性［5-8］。國內(nèi)科研院所在20世紀(jì)80年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)球莖大麥，開展了單倍體育種和遠(yuǎn)緣雜交等方面研究［6-9］。而有關(guān)該物種種子萌發(fā)及其在鹽堿脅迫下的反應(yīng)未見報(bào)道。

本團(tuán)隊(duì)相關(guān)人員在執(zhí)行“中亞項(xiàng)目”期間對球莖大麥在吉爾吉斯斯坦的分布特點(diǎn)、生長狀況進(jìn)行了調(diào)查，并將當(dāng)?shù)匾吧扼w、四倍體球莖大麥引種到新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)地，嘗試將該物種作為優(yōu)良牧草在新疆進(jìn)行推廣的可能性。本試驗(yàn)擬通過研究以上兩種球莖大麥種子的基本特征、萌發(fā)特性及鹽脅迫對種子萌發(fā)的影響，了解其種子萌發(fā)的基本規(guī)律，為在新疆荒漠鹽堿環(huán)境中作為高產(chǎn)牧草進(jìn)行種植推廣提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

二倍體、四倍體球莖大麥于2013年引自吉爾吉斯斯坦（表1）。兩種材料2018年種植于新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地，并于2019年7月采集本試驗(yàn)所用種子。新種子采集后，置于實(shí)驗(yàn)室陰涼通風(fēng)處自然風(fēng)干，去除雜質(zhì)，選擇健康飽滿種子置于信封中室溫（25℃）儲(chǔ)藏。

表1 吉爾吉斯斯坦的球莖大麥采集點(diǎn)

1.2 指標(biāo)及測定方法

1.2.1 種子形態(tài)特征與千粒重 通過目測法觀察種子大小、顏色、種皮等形態(tài)特征。選擇顆粒飽滿的二倍體、四倍體球莖大麥種子，隨機(jī)抽取100粒用萬分之一電子天平稱重，重復(fù)10次，取其平均值，計(jì)算千粒重。

1.2.2 種子含水量測定 采用干燥法，重復(fù)3次。取常溫干藏種子30粒，先稱重后將其放在85℃烘箱中，每隔3 h稱重1次，12 h后每隔12 h稱重1次，直至待測樣品重量連續(xù)3次恒重，取3個(gè)重復(fù)的平均值，計(jì)算種子含水量。種子含水量（%）＝（樣品烘前重量-烘干后重量）／樣品烘前重量×100。

1.2.3 種子吸水性測定 兩種材料完整種子各取30粒，倒入100 mL三角瓶中，加蒸餾水50 mL，于25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行吸脹，分別于2、4、6、8、10、12、24、36、48、60、72、84、96 h取出種子，用吸水紙吸干表面水分后稱重，直至種子重量不再變化為止，計(jì)算種子吸水率。吸水率（%）＝（吸水后重量-吸水前重量）／吸水前重量×100。1.2.4 種子活力測定 選取消毒洗凈種子25粒，于25℃水中吸脹24 h，種子軟化后用單面刀片橫向?qū)Π肫书_顯露出種子胚，之后在25℃黑暗條件下浸在盛有0.5% TTC液中染色24 h，統(tǒng)計(jì)有活力的種胚，3個(gè)重復(fù)。

1.2.5 溫度、光照對種子萌發(fā)影響測定 將有稃和去稃的二倍體、四倍體球莖大麥種子，消毒處理后按每皿25粒分別放入直徑9 cm鋪有兩層濾紙的培 養(yǎng) 皿 中，再 分 別 置 于 5／2℃、15／2℃、20／10℃、25／15℃和30／15℃光照／黑暗和全黑暗的變溫條件下進(jìn)行培養(yǎng)，以模擬原生境種子的萌發(fā)狀況，每處理4個(gè)重復(fù)。每天統(tǒng)計(jì)1次萌發(fā)情況，并將萌發(fā)種子移出培養(yǎng)皿，保持濾紙濕潤；全黑暗條件下第28天為種子萌發(fā)結(jié)束期。記錄每個(gè)處理萌發(fā)率達(dá)到50%的時(shí)間，選出種子最適萌發(fā)溫度及處理?xiàng)l件。萌發(fā)率（%）＝（萌發(fā)種子數(shù)／供試種子數(shù)）×100。

1.2.6 鹽脅迫對種子萌發(fā)影響測定 根據(jù)種子萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)果，15／2℃為二倍體和四倍體球莖大麥最適萌發(fā)溫度。本試驗(yàn)設(shè)置0、20、40、80、120、160 mmol／L NaCl濃度梯度研究鹽脅迫對種子萌發(fā)的影響。將有稃和去稃的二倍體、四倍體球莖大麥種子消毒洗凈后，按每皿25粒種子分別放置在含有上述6個(gè)濃度梯度NaCl溶液的培養(yǎng)皿中，于15／2℃變溫和光照／黑暗條件下進(jìn)行培養(yǎng)，每天觀察并記錄種子發(fā)芽情況，連續(xù)觀察14天；14天內(nèi)未萌發(fā)種子取出后用蒸餾水沖洗3次，再置于新培養(yǎng)皿中，加入2～6 mL蒸餾水并于最適溫度培養(yǎng)箱中萌發(fā)7天，記錄恢復(fù)萌發(fā)種子情況。

萌發(fā)指數(shù)（GI）＝∑（Gt／Dt），式中Gt為t時(shí)間內(nèi)的萌發(fā)數(shù)，Dt為相應(yīng)萌發(fā)天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用WPS 2018軟件制表，用Microsoft Excel作圖，使用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素（One-way ANOVA）方差分析，設(shè)定顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子基本特征

二倍體、四倍體球莖大麥種子形態(tài)差異不明顯，種子長9～12 mm，寬3～4 mm；成熟種子外種皮均為深黃色，表面無光澤，光滑無毛；千粒重分別為8.98、9.97 g；含水量分別為14.4%和20.1%；種子活力均達(dá)到98%。

種子浸水后前2 h立即吸脹，吸水率分別達(dá)到50%和55%；8 h內(nèi)吸水率分別達(dá)到73%和76%；72 h后吸水率至穩(wěn)定，最大吸水率為111%、112% （圖1）。說明兩種球莖大麥種子吸水性均較強(qiáng)，種皮不限制種子吸水。

2.2 溫度、光照對種子萌發(fā)的影響

圖2 顯示，兩種球莖大麥種子在15／2℃全黑暗條件下萌發(fā)率最高。二倍體有稃、去稃種子在15／2℃光照／黑暗條件下萌發(fā)率分別為32%和85%，在全黑暗條件下萌發(fā)率分別為62%和93%；二倍體全黑暗（去稃）比光照／黑暗（去稃）萌發(fā)率高。四倍體有稃、去稃種子在光照／黑暗條件下萌發(fā)率分別為55%和94%，在全黑暗條件下萌發(fā)率分別為68%和98%。因此，15／2℃是二倍體和四倍體球莖大麥最適合萌發(fā)溫度；對各溫度處理分析表明，四倍體萌發(fā)率顯著高于二倍體（P＜0.05）。

2.3 鹽脅迫對球莖大麥種子萌發(fā)的影響

2.3.1 不同濃度NaCl處理的萌發(fā)表現(xiàn) 15／2℃變溫下，0（CK）、20、40、80、120、160 mmol／L NaCl濃度處理的二倍體球莖大麥種子在光照／黑暗條件下發(fā)芽指數(shù)分別為7.5、3.0、2.4、1.0、0.2、0.2，全黑暗條件下分別為9.0、5.6、3.8、2.5、1.4、0.8；四倍體在光照／黑暗條件下分別為4.8、4.4、3.4、2.3、0.8、0.5，全黑暗條件下分別為9.6、6.3、6.0、3.3、2.6、1.8（圖3）。

綜合看出，二倍體和四倍體球莖大麥種子的發(fā)芽指數(shù)均隨NaCl濃度增大而呈顯著下降趨勢；兩種球莖大麥在全黑暗條件下的發(fā)芽指數(shù)均高于光照／黑暗條件；四倍體較二倍體對NaCl有更強(qiáng)的耐受力。

2.3.2 恢復(fù)萌發(fā)率 將80、120、160 mmol／L濃度NaCl處理的未萌發(fā)二倍體、四倍體球莖大麥種子轉(zhuǎn)移到蒸餾水中，進(jìn)行恢復(fù)萌發(fā)試驗(yàn)，結(jié)果顯示：光照／黑暗條件下二倍體種子的恢復(fù)萌發(fā)率分別為27%、21%和18%，四倍體種子的恢復(fù)萌發(fā)率分別為28%、31%和28%；全黑暗條件下二倍體種子的恢復(fù)萌發(fā)率分別為26%、25%和22%，四倍體種子的恢復(fù)萌發(fā)率分別為31%、28%和33%。表明兩種球莖大麥種子均有較高的恢復(fù)萌發(fā)率（表2）。

表2 球莖大麥種子不同濃度NaCl處理的萌發(fā)率、恢復(fù)萌發(fā)率和最終萌發(fā)率 （%）

3 討論

種子萌發(fā)是個(gè)體生長發(fā)育的重要階段，也是種群繁衍的關(guān)鍵［11］。種子發(fā)芽率高低直接關(guān)系到草地建植成?。?2］。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，二倍體、四倍體球莖大麥種子，浸水2 h的吸水率分別達(dá)到50%、55%，72 h后的最大吸水率為111%、112%，說明兩種球莖大麥種皮的透水性較好、吸水性較強(qiáng)，種皮對種子萌發(fā)沒有阻礙。對芒穎大麥草種子萌發(fā)的研究表明，種子萌發(fā)受夏季高溫抑制，而受低貯藏溫度、預(yù)先冷凍處理的促進(jìn)［13］。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種球莖大麥種子均在較低溫度下萌發(fā)率高，高溫有一定抑制作用，且其最大萌發(fā)率均大于85%，說明種子沒有休眠現(xiàn)象。該物種在荒漠環(huán)境下，夏季高溫干旱，多數(shù)種子會(huì)在秋季多雨低溫條件下萌發(fā)，未萌發(fā)種子埋在土壤或雪中，于第二年春季利用雪水低溫萌發(fā)。

種子萌發(fā)特性與生境的關(guān)系具有明顯依賴性，且不同物種發(fā)展出與其生境相適應(yīng)的對策［14］。種子的萌發(fā)率與物種在自然群落中的分布狀況有關(guān)，光照對部分植物種子萌發(fā)有一定影響，黑暗條件可以提高芒穎大麥草種子的萌發(fā)率［15］。光照是種子萌發(fā)的重要條件之一，有些種子需要光照才能萌發(fā)，而有些種子在光照條件下則會(huì)被抑制萌發(fā)［16，17］。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，二倍體、四倍體去稃種子在光照／黑暗和全黑暗條件下萌發(fā)率分別為85%、93%和94%、98%，說明其種子在全黑暗條件下具有較高萌發(fā)率，這也是該物種在不同生境中形成的一種適應(yīng)性。穎和稃對禾本科植物種子萌發(fā)有一定影響，脫穎處理能明顯提高早熟禾、鴨茅、野大麥和高羊茅等禾本科牧草種子的萌發(fā)率［18］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，二倍體和四倍體有稃、去稃種子在全黑暗條件下萌發(fā)率分別為62%、93%和68%、98%，去稃種子具有較高萌發(fā)率。

鹽堿脅迫是影響植物生長的逆境脅迫因子之一［19］。大麥屬多數(shù)植物具有較強(qiáng)抗寒、抗鹽堿能力［20］。大麥（H.vulgareL.）耐鹽性僅次于棉花，高于小麥、玉米等［21］。隨NaCl濃度升高，玉米發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)受到的抑制增強(qiáng)［22］。本研究結(jié)果顯示，最適溫度和全黑暗條件下，20 mmol／L NaCl濃度處理的二倍體、四倍體種子萌發(fā)率分別達(dá)到35%和37%，160 mmol／L時(shí)二者種子萌發(fā)率分別為5%和10%；0（CK）、20、40、80、120、160 mmol／L NaCl濃度處理，二倍體、四倍體種子全黑暗條件下的種子發(fā)芽指數(shù)分別為9.0、5.6、3.8、2.5、1.4、0.8和9.6、6.3、6.0、3.3、2.6、1.8，說明該物種具有較強(qiáng)的抗鹽能力。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種球莖大麥種子均有較高的恢復(fù)萌發(fā)率，說明該物種在高鹽濃度條件下萌發(fā)率雖有所降低，但一旦出現(xiàn)雨水等有利條件，就可迅速提高萌發(fā)率，而在干旱鹽堿環(huán)境中生長。

4 結(jié)論

二倍體、四倍體球莖大麥種子千粒重分別為8.98、9.97 g；含水量分別為14.4%和20.1%；72 h后的最大吸水率為111%和112%，種皮的透水性較好，種皮對種子萌發(fā)沒有阻礙。

二倍體、四倍體球莖大麥種子的最適萌發(fā)溫度均為15／2℃，高溫對種子萌發(fā)有抑制作用，全黑暗條件下的種子萌發(fā)率高于光照／黑暗條件下。

二倍體、四倍體球莖大麥種子均具有較強(qiáng)的抗鹽能力和較高的恢復(fù)萌發(fā)率，80 mmol／L NaCl濃度是該物種種子萌發(fā)的閥值。

以上結(jié)果顯示，該物種具有在新疆荒漠鹽堿環(huán)境中作為牧草進(jìn)行種植推廣的可能性。