鹽脅迫對(duì)海島棉種子活力的影響

蘇秀娟，徐海江，鄧曉娟，龔林濤

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】土壤鹽堿化嚴(yán)重限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。鹽堿土是鹽土、堿土和各種鹽化、堿化土壤的總稱。我國(guó)鹽漬化土壤面積約為3.69×107hm2，占現(xiàn)有耕地的25%，主要分布于土壤蒸發(fā)量大，降水量稀少的干旱、半干旱地區(qū)和濱海地區(qū)[2]。新疆地處亞洲大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的干旱半干旱地區(qū)，年平均降水量約為150 mm左右，現(xiàn)有耕地中已有31.1%的面積受到鹽堿危害[3]。棉花屬于短日照雙子葉植物，是鹽堿地的主要作物。海島棉(GossypiumbarbadenseL.)又稱長(zhǎng)絨棉，雖產(chǎn)量比陸地棉低，但棉纖維品質(zhì)較好，是紡制高檔和特種棉紡織品的主要原料。新疆獨(dú)特的氣候資源條件，是我國(guó)唯一的海島棉種植區(qū)，研究新疆地區(qū)的海島棉耐鹽特性對(duì)選育出更適合鹽堿地生長(zhǎng)的海島棉品種具有實(shí)際意義。【前人研究進(jìn)展】棉花較耐鹽，一般耐鹽性為海島棉>陸地棉>亞洲棉[4]。棉花在不同生育階段耐鹽性能力不同，對(duì)鹽脅迫最敏感時(shí)期是萌發(fā)出苗期和進(jìn)行耐鹽性鑒定的最佳時(shí)期，也是進(jìn)行耐鹽性鑒定的最佳時(shí)期，隨著生育期延長(zhǎng)，棉花耐鹽性逐步提高[5]。鹽脅迫影響棉花植株生理生化代謝等[6]，鹽濃度過高會(huì)造成細(xì)胞脫水、細(xì)胞內(nèi)膨壓下降[7]，還可降低細(xì)胞呼吸速率，抑制細(xì)胞分裂增殖[8]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】種子活力反映在種子發(fā)芽率、田間成苗率、種子發(fā)育、種子質(zhì)量等多項(xiàng)指標(biāo)變化[9]。種子活力與種子耐鹽性密切相關(guān)[10]。高活力種子發(fā)芽早、對(duì)不良環(huán)境的抵抗力強(qiáng)，具有顯著生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)和生產(chǎn)潛力；低活力種子可以在適宜的條件下發(fā)芽，但是發(fā)芽遲，在不良環(huán)境條件下出苗不整齊，甚至沒有出苗[11]。高活力種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率等多項(xiàng)指標(biāo)均大于低活力種子，鹽濃度為0.8%時(shí)的棉花芽長(zhǎng)及芽重是研究棉花耐鹽性的最佳選擇[12]。可以把鹽脅迫下的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、芽長(zhǎng)、芽重作為種子活力的測(cè)定指標(biāo)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選擇35份海島棉種子作為材料，配置150 mmol/L NaCl溶液，在發(fā)芽盒內(nèi)模擬鹽脅迫條件。在28℃恒溫條件下培養(yǎng)，對(duì)35份海島棉種子測(cè)量的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、下胚軸長(zhǎng)、鮮重、干重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和聚類分析，研究不同基因型海島棉萌發(fā)期的耐鹽特性，分析鹽脅迫下海島棉種子活力指標(biāo)的變化規(guī)律，為高活力的海島棉耐鹽品種的選育和鹽堿地的有效開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

共選用35份不同品種的海島棉材料，由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。表1

表1 海島棉材料

1.2 方 法

1.2.1 溶液配置

配置95%的酒精200 mL用做鑷子消毒，倒入廣口瓶中，蓋好瓶蓋。配置75%的酒精每次800 mL用以洗種子。稱取8.77 g NaCl，倒入1 L蒸餾水，配置成150 mmol/L的NaCl溶液，倒入2個(gè)錐形瓶中，覆上封口膜，放入高壓蒸汽滅菌鍋中101 kPa，121℃，20 min滅菌后，倒入絲口瓶中儲(chǔ)存。

1.2.2 種子消毒

選擇100粒粒大、飽滿、脫絨干凈的種子。將100粒種子分為兩組，每組50粒，使用自來水沖洗1 min后，放入滅菌的培養(yǎng)瓶中，并做好標(biāo)記。在超凈工作臺(tái)內(nèi)，用75%酒精洗種子3次，每次分別搖蕩3、4、5 min，再用滅菌的蒸餾水清洗1次，放于28℃的恒溫培養(yǎng)箱中，倒入30%的過氧化氫溶液浸泡4 h。棄去雙氧水溶液，在超凈工作臺(tái)中使用蒸餾水清洗3次，每次1 min，確保殘余雙氧水去除干凈，使用蒸餾水浸泡16 h。

1.2.3 發(fā)芽試驗(yàn)

雙層濾紙培養(yǎng)[13]：在發(fā)芽盒內(nèi)鋪入2張濾紙，倒入8 mL滅菌的150 mmol/L 的NaCl溶液；對(duì)照則加蒸餾水。取20粒露白的種子，發(fā)芽孔朝下按照4×5排列在濾紙上，在種子上方再鋪入一層濾紙，倒入4 mL滅菌的150 mmol/L NaCl溶液；對(duì)照則加蒸餾水，蓋上發(fā)芽盒。在發(fā)芽盒上做標(biāo)注。每處理重復(fù)3次。將發(fā)芽盒放入28℃、相對(duì)濕度80%的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別于4、7 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率。

1.2.4 測(cè)定指標(biāo)

試驗(yàn)以發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、下胚軸長(zhǎng)、根長(zhǎng)、鮮重、干重等6項(xiàng)指標(biāo)為種子活力的測(cè)定指標(biāo)，主要包括發(fā)芽能力和幼苗形態(tài)指標(biāo)2項(xiàng)，室內(nèi)鑒定參考張國(guó)偉等[14]方法。

發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)處理的3次重復(fù)中分別隨機(jī)抽取小幼苗10株，測(cè)定其下胚軸長(zhǎng)(cm，萌發(fā)孔到下胚軸的長(zhǎng)度)、根長(zhǎng)(cm，下胚軸到根尖的長(zhǎng)度)、鮮質(zhì)量(g)[15]及干重(g：在鼓風(fēng)干燥箱干燥至恒重時(shí)的重量)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，使用SPSS 21.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下海島棉種子活力指標(biāo)多樣性

研究表明，當(dāng)NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)，下胚軸長(zhǎng)的變異系數(shù)最高，在該鹽濃度時(shí)下胚軸長(zhǎng)的變化范圍比較大，且性狀極不穩(wěn)定，受鹽脅迫的影響大；干重變異系數(shù)最小，該性狀表現(xiàn)比較集中，受鹽脅迫的影響較??；鹽脅迫對(duì)6個(gè)活力指標(biāo)的影響程度為下胚軸長(zhǎng)>根長(zhǎng)>發(fā)芽勢(shì)>發(fā)芽率>鮮重>干重。表2

表2 鹽脅迫下海島棉種子多樣性

2.2 鹽脅迫對(duì)海島棉種子各項(xiàng)活力指標(biāo)的影響

研究表明，當(dāng)NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)，對(duì)發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、下胚軸長(zhǎng)、鮮重、干重6項(xiàng)活力指標(biāo)均有影響。其中發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、下胚軸長(zhǎng)、鮮重5項(xiàng)指標(biāo)最大值、最小值、平均數(shù)均低于對(duì)照，干重的最大值、最小值、平均值則高于對(duì)照。鹽脅迫對(duì)海島棉有雙重作用，對(duì)海島棉種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、下胚軸長(zhǎng)、鮮重有抑制作用，對(duì)干重則有促進(jìn)作用。表3

表3 海島棉種子鹽脅迫與對(duì)照活力指標(biāo)對(duì)比

2.2.1 鹽脅迫對(duì)海島棉種子發(fā)芽勢(shì)的影響

研究表明，當(dāng)NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)，35個(gè)海島棉品種的發(fā)芽勢(shì)整體低于對(duì)照。而N9、N13、N22、N24、N34、農(nóng)科2、農(nóng)科28、農(nóng)科36、農(nóng)科41、農(nóng)科51共10個(gè)品種在鹽脅迫下發(fā)芽勢(shì)小幅度高于對(duì)照，在NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)的鹽脅迫促進(jìn)了這10個(gè)品種的種子發(fā)芽勢(shì)。以發(fā)芽勢(shì)的平均值對(duì)棉花耐鹽性排序?yàn)檗r(nóng)科51>N9>農(nóng)科41>農(nóng)科1>農(nóng)科22=N13>農(nóng)科36>N24>N34>農(nóng)科28。耐鹽性較好的品種為N9、N13、N22、N24、N34、農(nóng)科2、農(nóng)科28、農(nóng)科36、農(nóng)科41、農(nóng)科51。圖1

圖1 鹽脅迫下海島棉種子發(fā)芽勢(shì)變化

2.2.2 鹽脅迫對(duì)海島棉種子發(fā)芽率的影響

研究表明，當(dāng)NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)，35個(gè)海島棉品種的發(fā)芽率整體低于對(duì)照，而N15、N26、N27、N35、農(nóng)科2、農(nóng)科8、農(nóng)科36、農(nóng)科51共8個(gè)品種發(fā)芽勢(shì)高于對(duì)照，在鹽脅迫下發(fā)芽勢(shì)小幅度高于對(duì)照，在NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)的鹽脅迫促進(jìn)了這8個(gè)品種的種子發(fā)芽率；N2、N21、N22、N34、N40、農(nóng)科28、農(nóng)科41、農(nóng)科54共8個(gè)品種發(fā)芽率不受鹽脅迫影響。以發(fā)芽率的平均值對(duì)棉花耐鹽性排序?yàn)镹15>N27> N35>農(nóng)科2>農(nóng)科51>N26>農(nóng)科36>農(nóng)科8。耐鹽性較好的品種為N15、N26、N27、N35、農(nóng)科2、農(nóng)科8、農(nóng)科36、農(nóng)科51。圖2

圖2 鹽脅迫下海島棉種子發(fā)芽率變化

2.2.3 鹽脅迫對(duì)海島棉種子根長(zhǎng)的影響

研究表明，當(dāng)NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)，35個(gè)海島棉品種的根長(zhǎng)整體低于對(duì)照。而N22、N342個(gè)品種種子在鹽脅迫下根長(zhǎng)小幅度高于對(duì)照，在NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)的鹽脅迫促進(jìn)了這2個(gè)品種的種子的根長(zhǎng)生長(zhǎng)。以根長(zhǎng)的平均值對(duì)棉花耐鹽性排序?yàn)镹22>N34>農(nóng)科28>農(nóng)科30>N27(受影響程度10%以內(nèi))。耐鹽性較好的品種為N22、N34。圖3

圖3 鹽脅迫下海島棉種子根長(zhǎng)變化

2.2.4 鹽脅迫對(duì)海島棉種子下胚軸長(zhǎng)的影響

研究表明，當(dāng)NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)，35個(gè)海島棉品種的下胚軸長(zhǎng)整體低于對(duì)照。而農(nóng)科34種子在鹽脅迫下海島棉種子下胚軸長(zhǎng)不受鹽脅迫影響。以下胚軸長(zhǎng)的平均值對(duì)棉花耐鹽性排序?yàn)檗r(nóng)科34>N13>農(nóng)科36>農(nóng)科41(受影響程度15%以內(nèi))。耐鹽性較好的品種為農(nóng)科34。圖4

圖4 鹽脅迫下海島棉種子下胚軸長(zhǎng)變化

2.2.5 鹽脅迫對(duì)海島棉種苗鮮重的影響

研究表明，當(dāng)NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)，35個(gè)海島棉品種的根長(zhǎng)整體低于對(duì)照。農(nóng)科27鹽脅迫下海島棉種子鮮重不受鹽脅迫影響。以鮮重的平均值對(duì)棉花耐鹽性排序?yàn)檗r(nóng)科3>農(nóng)科30>N24>N13(影響程度10%以內(nèi))。耐鹽性較好的品種為農(nóng)科27。圖5

圖5 鹽脅迫下海島棉種子鮮重變化

2.2.6 鹽脅迫對(duì)海島棉種苗干重的影響

研究表明，當(dāng)NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)，35個(gè)海島棉品種的根長(zhǎng)整體高于對(duì)照。而N5、N7、N21、N22、N26、N27、農(nóng)科2、農(nóng)科3、農(nóng)科34、農(nóng)科45、農(nóng)科51、農(nóng)科A4共12個(gè)品種的種子在鹽脅迫下干重低于對(duì)照，說明在NaCl溶液濃度為150 mmol/L時(shí)的鹽脅迫抑制了這12個(gè)品種的種子干重，對(duì)其他品種的種子干重則有促進(jìn)作用。以干重的平均值對(duì)棉花耐鹽性排序?yàn)檗r(nóng)科30>N34>農(nóng)科52>N9=N13>農(nóng)科27。耐鹽性較好的品種為N9、N13、N34、農(nóng)科27、農(nóng)科30、農(nóng)科52。圖6

圖6 鹽脅迫下海島棉種子干重變化

2.3 鹽脅迫下海島棉種子活力指標(biāo)聚類分析

研究表明，在距離為10處將35份海島棉材料分為3類。

第Ⅰ類包括19份材料，分別為N2、N7、N9、N13、N22、N23、N24、N27、N34、N38、農(nóng)科2、農(nóng)科8、農(nóng)科A4、農(nóng)科28、農(nóng)科36、農(nóng)科41、農(nóng)科45、農(nóng)科51、農(nóng)科54。該類含有大部分海島棉品種。發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)和干重這4個(gè)性狀在3類中平均值最大，除根長(zhǎng)性狀外，其他3個(gè)性狀的變異系數(shù)值居3類中的中間水平；鮮重平均值居3類中中間，但其變異系數(shù)為3類中最小，該性狀受鹽脅迫的影響最小，性狀比較集中。該類屬于3類中耐鹽性最高，可以為耐鹽性品種的選育提供種質(zhì)資源材料。

第Ⅱ類包括12份材料，分別為N5、N15、N23、N26、N31、N35、N40、農(nóng)科1、農(nóng)科30、農(nóng)科34、農(nóng)科52、農(nóng)科57。其中發(fā)芽率和根長(zhǎng)性狀平均值處于中間水平，但其變異系數(shù)值最小，該性狀受鹽脅迫的影響最小，性狀變化幅度較小；鮮重和下胚軸常平均數(shù)最大，但其變異系數(shù)也最大，這2個(gè)性狀受鹽脅迫影響最大，比較不穩(wěn)定。該類屬于中度耐鹽水平。

第Ⅲ類包括N3、農(nóng)科3、農(nóng)科27、農(nóng)科33共4份材料。該類中各性狀平均值是3類中最小，其中下胚軸常、鮮重和干重這3個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)最小，這3個(gè)性狀受影響較小，但整體耐鹽性較差。表4，圖7

表4 鹽脅迫下海島棉6項(xiàng)活力指標(biāo)聚類

圖7 鹽脅迫下35份海島棉6項(xiàng)活力指標(biāo)聚類

3 討 論

新疆南北疆棉區(qū)均遭受不同程度的鹽漬化，由于新疆地處內(nèi)陸盆地，鹽堿地具有面積大、類型多、積鹽重、形成復(fù)雜等特點(diǎn)，各類鹽漬化土地面積約為 11 × 104km2，北疆以硫酸鹽或硫酸鹽+氯化物為主，南疆以氯化物+硫酸鹽為主[16]。棉花雖然是鹽堿地的先鋒作物，但其耐鹽能力十分有限，且各生育階段的耐鹽能力不同[17-18]。

土壤中鹽(NaCl)的過量積累可導(dǎo)致各種農(nóng)作物減產(chǎn)，以150 mmol/L(即鹽濃度為0.8%)為鹽脅迫指標(biāo)研究鹽脅迫下海島棉種子活力的影響[12]。文卿琳等[19]研究顯示棉花種子萌發(fā)、出苗和幼苗階段是對(duì)鹽脅迫比較敏感的時(shí)期，也是對(duì)棉花品種進(jìn)行耐鹽性篩選的關(guān)鍵時(shí)期。當(dāng)NaCl濃度≤25 mmol/L時(shí)，鹽脅迫對(duì)棉花種子發(fā)芽影響較小或無影響，而高濃度的NaCl(≥50 mmol/L)則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抑制作用；且無論鹽濃度高低，都對(duì)海島棉的幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，當(dāng)NaCl濃度≥125 mmol/L時(shí)，幼苗根、葉、莖、根冠比和總干重均顯著低于對(duì)照。楊淑萍等[20]研究不同基因型海島棉在鹽脅迫條件下幼苗生長(zhǎng)情況，該條件下對(duì)海島棉幼苗鮮重的影響大于干重，對(duì)于莖葉的影響大于根系，與試驗(yàn)結(jié)論一致。阿曼古麗等[21]研究了0.6% NaCl鹽脅迫對(duì)海島棉幼苗生長(zhǎng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)該鹽濃度對(duì)于海島棉出苗影響較小，但是對(duì)于幼苗株高、鮮重、干重和植株含水量影響較大。王桂峰等[22]對(duì)5個(gè)陸地棉品種進(jìn)行室內(nèi)和大田試驗(yàn)?zāi)望}性鑒定與篩選試驗(yàn)，結(jié)果顯示，低鹽濃度對(duì)于棉花種子發(fā)芽影響較小，高鹽濃度下(150和200 mmol/L)的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率能準(zhǔn)確的反映棉花苗期的耐鹽性強(qiáng)弱。室內(nèi)外2種試驗(yàn)說明輕度鹽堿條件下品種間差異不大，重度鹽堿條件下品種間抗鹽性差異明顯。嚴(yán)青青等[23]對(duì)4份海島棉材料進(jìn)行鹽堿脅迫處理，研究顯示高鹽環(huán)境抑制了棉種發(fā)芽及幼苗的正常生長(zhǎng)，并進(jìn)一步探究了該試驗(yàn)條件下，海島棉幼苗正常生長(zhǎng)的極限鹽濃度值為240 mmol/L。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在150 mmol/L鹽脅迫下對(duì)下胚軸長(zhǎng)影響最大，與張子晗等[24]結(jié)果一致，可能是因?yàn)楹u棉種子在鹽脅迫下為保證其吸水能力正常，將資源用于維持幼根結(jié)構(gòu)而抑制了胚軸的生長(zhǎng)。而對(duì)鮮重干重影響則小，這與侯林濤等[25]結(jié)果一致，可能是由于外界環(huán)境鹽濃度高而影響了幼苗對(duì)水分的吸收，導(dǎo)致植株葉鮮重有所下降。

研究結(jié)果可知[22]，不同棉花品種在不同發(fā)育時(shí)期的生理特性各異，如有些品種苗期長(zhǎng)勢(shì)弱，但中后期長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，僅由苗期鑒定結(jié)果容易得出片面的結(jié)論。耐鹽品種的選育不僅需要室內(nèi)苗期鑒定，還需要結(jié)合全生育期的調(diào)查數(shù)據(jù)以及產(chǎn)量來綜合評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

鹽脅迫條件下，海島棉種子各指標(biāo)受影響程度不同，其中下胚軸受影響程度最大，苗干重受影響最??；與對(duì)照樣本比較，其中發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、根長(zhǎng)、下胚軸長(zhǎng)、苗鮮重5項(xiàng)指標(biāo)最大值、最小值、平均數(shù)均低于對(duì)照，苗干重的最大值、最小值、平均值則高于對(duì)照。35份海島棉種子分為3類：第Ⅰ類屬于高耐鹽品種，第Ⅱ類屬于中等耐鹽品種，第Ⅲ類屬于低耐鹽品種。