鹽堿脅迫對(duì)南疆喀什市牛皮消種子萌發(fā)的響應(yīng)

孫艷美， 王 東

(1. 喀什大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院; 2. 喀什大學(xué) 生命與地理科學(xué)學(xué)院 葉爾羌綠洲生態(tài)與生物資源研究高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 喀什 844000)

新疆位于中國(guó)的西北部，是中國(guó)鹽漬土的主要分布區(qū)域，鹽漬土總面積高達(dá)11萬(wàn)km2，而廣袤的南疆是新疆鹽漬土的主要分布地區(qū)[1-2]。南疆喀什市由于毗鄰塔克拉瑪干沙漠，喀什具有暖溫帶大陸性干旱氣候特征，干旱少雨，氣候極端干燥。長(zhǎng)期以來(lái)，土壤鹽堿化一直困擾著喀什地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展[1-2]。采用耐鹽堿植物是改良鹽堿土壤的有效途徑[3-4]。

牛皮消(Cynanchiauricuti)屬于蘿摹科鵝絨藤屬(Auriculatum)，具有一定的藥理活性[5-6]。牛皮消廣泛分布于南疆喀什地區(qū)，筆者發(fā)現(xiàn)在喀什市吐曼河兩岸生長(zhǎng)有大量牛皮消植株，因此牛皮消能較好地適應(yīng)南疆的鹽堿土壤。目前有關(guān)牛皮消適應(yīng)鹽堿土壤的機(jī)理研究鮮有報(bào)道。基于此，本試驗(yàn)研究了喀什市牛皮消種子萌發(fā)對(duì)典型中性鹽NaCl和堿性鹽Na2CO3脅迫的響應(yīng)，以期為進(jìn)一步深入研究牛皮消適應(yīng)鹽堿土壤的機(jī)理提供信息，也為牛皮消用于改良南疆鹽堿土壤奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試牛皮消種子

本試驗(yàn)所用牛皮消種子于2017年11月采自南疆喀什市吐曼河兩岸野生的牛皮消植株。選取籽粒飽滿且大小均勻一致的種子進(jìn)行試驗(yàn)。牛皮消植株及種子形態(tài)見(jiàn)圖1。

a：喀什市牛皮消植株；b：葉片；c：種子

1.2 不同處理濃度溶液的配制

分別配制濃度梯度為50、100、150、200和250 mmol/L的NaCl和Na2CO3溶液備用。采用無(wú)菌蒸餾水進(jìn)行溶液配制。

1.3 鹽堿脅迫對(duì)牛皮消種子萌發(fā)的影響

選取內(nèi)徑為9 cm的玻璃培養(yǎng)皿進(jìn)行試驗(yàn)，首先對(duì)培養(yǎng)皿進(jìn)行高溫高壓滅菌。分別選取50、100、150、200和250 mmol/L的NaCl溶液以及50、100、150、200和250 mmol/L 的Na2CO3溶液作為10個(gè)處理，用無(wú)菌蒸餾水作為對(duì)照處理，每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)。向每個(gè)培養(yǎng)皿中放置雙層濾紙，然后均勻放置30粒供試牛皮消種子，之后按照不同處理分別加入供試NaCl和Na2CO3溶液，每個(gè)培養(yǎng)皿加入10 mL溶液，每個(gè)對(duì)照培養(yǎng)皿加入10 mL滅菌蒸餾水，置于溫度為(25±1) ℃，光照為4000 lx，光-暗周期為12 h∶12 h的培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。每天于同一時(shí)間向每個(gè)培養(yǎng)皿中補(bǔ)充2 mL無(wú)菌蒸餾水以保持濕度并統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)情況(以芽露出種皮為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn))，連續(xù)統(tǒng)計(jì)7 d。在第7天的時(shí)候，測(cè)定每個(gè)培養(yǎng)皿中發(fā)芽種子的胚根長(zhǎng)度。

1.4 種子萌發(fā)指標(biāo)計(jì)算

采用上述試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[7-11]，分別計(jì)算如下指標(biāo)。

1)日發(fā)芽率(%) = (Ni/N)×100%(Ni為第i天發(fā)芽數(shù)；N為種子總數(shù))；

2)發(fā)芽率(%) = (N7d/N)×100%(N7d為第7天發(fā)芽數(shù)；N為種子總數(shù))；

3)發(fā)芽勢(shì)(%) = (N3d/N)×100%(N3d為第3天發(fā)芽數(shù)；N為種子總數(shù))；

4)發(fā)芽指數(shù) = ∑Gt/Dt(Gt為每日發(fā)芽數(shù)；Dt為發(fā)芽日數(shù))；

5)生長(zhǎng)速率 =S/∑[Ni×(Dj-Di+0.5)](S指每個(gè)培養(yǎng)皿中萌發(fā)種子胚根長(zhǎng)度的總和；Ni為第i天發(fā)芽數(shù)；Dj指試驗(yàn)天數(shù)；Di指第i天)；

6)相對(duì)發(fā)芽率(%) = (Gr1/Gr0)×100%(Gr1為第7天的處理發(fā)芽率；Gr0為第7天的對(duì)照發(fā)芽率)；

7)相對(duì)鹽害率(%) = (1-Gr1/Gr0)×100%(Gr1與Gr0含義同上)；

8)耐鹽性評(píng)價(jià)：將相對(duì)發(fā)芽率作為因變量(y)，NaCl和Na2CO3處理濃度作為自變量(x)建立函數(shù)方程。以相對(duì)發(fā)芽率下降75%時(shí)作為牛皮消種子對(duì)NaCl和Na2CO3脅迫的耐鹽適宜濃度；以相對(duì)發(fā)芽率下降50%時(shí)作為耐鹽半致死濃度；以相對(duì)發(fā)芽率下降10%時(shí)作為耐鹽極限濃度。

1.5 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、圖表繪制以及回歸分析。使用SPSS 17.0進(jìn)行差異顯著性分析，采用最小顯著差異LSD法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛皮消種子日發(fā)芽率對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子日發(fā)芽率結(jié)果表明，NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子的萌發(fā)均產(chǎn)生了明顯的抑制作用(圖2)。對(duì)照組種子在前4 d進(jìn)行萌發(fā)，從第5天開(kāi)始至試驗(yàn)結(jié)束對(duì)照組沒(méi)有萌發(fā)的種子。NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子萌發(fā)表現(xiàn)出不同的抑制作用。所有濃度NaCl處理?xiàng)l件下牛皮消種子均能萌發(fā)(圖2-A)，而Na2CO3只有在低濃度處理?xiàng)l件下(50、100和150 mmol/L濃度)牛皮消種子才能萌發(fā)，在高濃度處理?xiàng)l件下(200和250 mmol/L濃度)牛皮消種子完全不能萌發(fā)(圖2-B)。因此，Na2CO3對(duì)牛皮消種子日發(fā)芽率的影響明顯高于NaCl。

A：NaCl脅迫； B：Na2CO3脅迫

2.2 牛皮消種子發(fā)芽率對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子發(fā)芽率結(jié)果表明，NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子的萌發(fā)均產(chǎn)生了明顯的抑制作用，Na2CO3的抑制作用明顯強(qiáng)于NaCl(圖3)。在NaCl脅迫下，除了250 mmol/L處理濃度發(fā)芽率與對(duì)照表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)外，其他處理濃度均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。在Na2CO3脅迫下，除了50 mmol/L處理濃度發(fā)芽率與對(duì)照相比無(wú)顯著性差異(P>0.05)之外，其他濃度均表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。

2.3 牛皮消種子發(fā)芽勢(shì)對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子發(fā)芽勢(shì)結(jié)果表明，NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子的發(fā)芽勢(shì)均產(chǎn)生了明顯的抑制作用，隨著處理濃度的升高，兩種鹽脅迫下的發(fā)芽勢(shì)均呈下降趨勢(shì)，Na2CO3的抑制作用明顯強(qiáng)于NaCl(圖4)。在NaCl脅迫下，低處理濃度(50和100 mmol/L濃度)與對(duì)照相比無(wú)差異顯著性(P>0.05)，而在高處理濃度(150、200和250 mmol/L濃度)條件下與對(duì)照表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。在Na2CO3脅迫下，所有處理濃度與對(duì)照均表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。

圖3 NaCl和Na2CO3脅迫對(duì)牛皮消種子發(fā)芽率的影響

圖4 NaCl和Na2CO3脅迫對(duì)牛皮消種子發(fā)芽勢(shì)的影響

2.4 鹽堿脅迫對(duì)牛皮消種子發(fā)芽指數(shù)的影響

圖5 NaCl和Na2CO3脅迫對(duì)牛皮消種子發(fā)芽指數(shù)的影響

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子發(fā)芽指數(shù)結(jié)果表明，NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子的發(fā)芽指數(shù)產(chǎn)生了較為明顯的影響，隨著NaCl和Na2CO3處理濃度的升高，牛皮消發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)(圖5)。NaCl和Na2CO3所有處理濃度與對(duì)照表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。當(dāng)Na2CO3處理濃度為200和250 mmol/L時(shí)，發(fā)芽指數(shù)均為0。總體來(lái)看，Na2CO3對(duì)牛皮消種子發(fā)芽指數(shù)的影響高于NaCl。

2.5 鹽堿脅迫對(duì)牛皮消種子胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率的影響

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率結(jié)果表明，NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率均產(chǎn)生了較為明顯的影響(表1)。在NaCl和Na2CO3脅迫下，除了NaCl 50 mmol/L處理濃度胚根生長(zhǎng)速率與對(duì)照無(wú)顯著性差異外(P>0.05)，兩種鹽其他處理濃度與對(duì)照均表現(xiàn)為顯著性差異(P<0.05)。隨著NaCl和Na2CO3處理濃度的升高，胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率均呈下降趨勢(shì)，而Na2CO3下降趨勢(shì)比NaCl更為明顯。當(dāng)Na2CO3處理濃度達(dá)到200和250 mmol/L時(shí)，胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率均為0(表1)。此外，經(jīng)Na2CO3處理的種子其表面顏色更深，有些發(fā)黑(圖6)?？傮w來(lái)看，Na2CO3對(duì)牛皮消種子胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率的影響高于NaCl。

表1 不同濃度NaCl和Na2CO3脅迫對(duì)牛皮消種子胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率的影響

a:CK；b：50 mmol/L NaCl；c：100 mmol/L NaCl；d：150 mmol/L NaCl；e：200 mmol/L NaCl；f：250 mmol/L NaCl；g：50 mmol/L Na2CO3；h：100 mmol/L Na2CO3；i：150 mmol/L Na2CO3；j：200 mmol/L Na2CO3；k：250 mmol/L Na2CO3

2.6 鹽堿脅迫對(duì)牛皮消種子的相對(duì)鹽害率

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子相對(duì)鹽害率結(jié)果表明，NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子的相對(duì)鹽害率表現(xiàn)出不同的影響趨勢(shì)(表2)。對(duì)于NaCl脅迫，當(dāng)處理濃度為250 mmol/L時(shí)，相對(duì)鹽害率達(dá)到了最大值。但值得注意的是，當(dāng)處理濃度為100和200 mmol/L時(shí)，NaCl促進(jìn)了牛皮消種子的萌發(fā)。對(duì)于Na2CO3脅迫，隨著處理濃度的升高，相對(duì)鹽害率表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)處理濃度為200和250 mmol/L時(shí)，相對(duì)鹽害率達(dá)到了100%?？傮w來(lái)看，Na2CO3對(duì)牛皮消種子的相對(duì)鹽害率要高于NaCl，高濃度的Na2CO3直接抑制牛皮消種子的萌發(fā)。

表2不同濃度NaCl和Na2CO3脅迫對(duì)牛皮消種子的相對(duì)鹽害率

2.7 喀什市牛皮消種子耐鹽堿性評(píng)價(jià)

為明確喀什市牛皮消種子對(duì)NaCl和Na2CO3脅迫的耐受程度，通過(guò)相對(duì)發(fā)芽率及鹽濃度建立函數(shù)方程，計(jì)算獲得牛皮消種子萌發(fā)期對(duì)NaCl和Na2CO3的耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度以及耐鹽極限濃度(表3)。結(jié)果表明，牛皮消種子萌發(fā)期對(duì)NaCl的耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度以及耐鹽極限濃度均高于Na2CO3。因此，Na2CO3對(duì)牛皮消種子萌發(fā)的脅迫要強(qiáng)于NaCl。

3 討論與結(jié)論

牛皮消廣泛分布于南疆喀什地區(qū)，是一種能較好適應(yīng)南疆鹽堿土壤的植物。目前有關(guān)牛皮消適應(yīng)鹽堿土壤的機(jī)理研究鮮有報(bào)道?；诖?，本試驗(yàn)研究了喀什市牛皮消種子萌發(fā)對(duì)典型中性鹽NaCl和堿性鹽Na2CO3脅迫的響應(yīng)，分析了NaCl和Na2CO3脅迫對(duì)牛皮消種子日發(fā)芽率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率的影響，計(jì)算了NaCl和Na2CO3脅迫對(duì)牛皮消種子的相對(duì)鹽害率。此外，對(duì)喀什市牛皮消種子耐鹽堿性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子日發(fā)芽率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、胚根長(zhǎng)度和胚根生長(zhǎng)速率均產(chǎn)生了較為明顯的影響?？傮w來(lái)看，Na2CO3對(duì)牛皮消種子萌發(fā)的脅迫強(qiáng)于NaCl。NaCl和Na2CO3對(duì)牛皮消種子的相對(duì)鹽害率表現(xiàn)出不同的影響趨勢(shì)，Na2CO3對(duì)牛皮消種子的相對(duì)鹽害率要高于NaCl，高濃度的Na2CO3直接抑制牛皮消種子的萌發(fā)。牛皮消種子萌發(fā)期對(duì)NaCl的耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度以及耐鹽極限濃度均高于Na2CO3。本試驗(yàn)為進(jìn)一步深入研究牛皮消適應(yīng)鹽堿土壤的機(jī)理提供信息。此外，也為牛皮消用于改良南疆鹽堿土壤奠定基礎(chǔ)。

表3 喀什市牛皮消種子的耐鹽濃度

在NaCl脅迫下，當(dāng)NaCl處理濃度為100和200 mmol/L時(shí)牛皮消種子的發(fā)芽率均比對(duì)照要高(圖3)，發(fā)芽率比對(duì)照分別增高了3.33%和1.11%，這表明適宜濃度的中性鹽NaCl可促進(jìn)牛皮消種子的萌發(fā)。這可能是由于低鹽可促進(jìn)細(xì)胞膜的滲透或微量的Na+和Cl-對(duì)呼吸酶的激活作用所致[12]。同等條件下，堿性鹽Na2CO3對(duì)牛皮消種子萌發(fā)的影響要強(qiáng)于中性鹽NaCl，這很可能是由于同濃度堿性鹽Na2CO3比中性鹽NaCl的Na+濃度高，牛皮消種子受到了高濃度Na+的脅迫所致[13]。發(fā)芽指數(shù)可作為最敏感和最可靠的評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于綜合反映種子的萌發(fā)情況[14]。Na2CO3對(duì)牛皮消種子發(fā)芽指數(shù)的影響高于NaCl(圖5)，這進(jìn)一步說(shuō)明了Na2CO3對(duì)牛皮消種子萌發(fā)的影響強(qiáng)于NaCl。種子在萌發(fā)期過(guò)后能否生長(zhǎng)為一株幼苗可根據(jù)胚根的生長(zhǎng)情況進(jìn)行初步判定[15]。Na2CO3對(duì)牛皮消種子胚根長(zhǎng)度的影響高于NaCl(表1)，而且經(jīng)Na2CO3處理的種子其表面顏色更深，有些發(fā)黑(圖6)，這可能是由于Na2CO3作為堿性鹽產(chǎn)生的較高pH值會(huì)對(duì)種子具有較強(qiáng)的腐蝕作用。此外，同濃度堿性鹽Na2CO3比中性鹽NaCl的Na+濃度高，較高濃度的Na+會(huì)使根細(xì)胞的細(xì)胞膜受到損害，新陳代謝受到抑制，從而影響種子的萌發(fā)[16]。有關(guān)喀什市牛皮消能較好適應(yīng)南疆鹽堿環(huán)境的詳細(xì)機(jī)理有待進(jìn)一步深入研究。