沙蒿種子萌發(fā)對NaCl及聚乙二醇脅迫的響應(yīng)

陳東凱, 駱 漢, 馬 瑞, 謝永生, 段 潔

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 3.陜西省渭南市臨渭區(qū)林業(yè)工作站, 陜西 渭南 714000)

中國廣袤的西北地區(qū)常年干旱少雨，由其所引發(fā)的一系列問題是制約當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要因素。據(jù)研究，在植物所遭受的各種非生物災(zāi)害中，干旱對其生長造成的危害最為嚴重[1]；且整個西北地區(qū)植被分布稀疏，地表常年裸露在外，土壤蒸發(fā)量也較大，鹽分在地表聚集，導(dǎo)致鹽漬化問題也十分突出[2]，這使當(dāng)?shù)刂参锍嗽馐芨珊档囊u擾外，還要經(jīng)受鹽分的侵害。近年來，隨著中國對自然生態(tài)的逐漸重視，許多學(xué)者對西北地區(qū)的荒漠化治理、植被恢復(fù)、以及對鹽漬化土地的開發(fā)利用等問題進行了研究，發(fā)現(xiàn)栽種耐鹽、耐旱植物是改善生態(tài)環(huán)境最有效、最經(jīng)濟的一種措施[3-5]。沙蒿(Artemisiadesertorum)是常見的沙生、旱生植物，具有耐干旱、耐鹽堿、耐沙埋等特點，是干旱地區(qū)防風(fēng)固沙的理想植物[6]，且由于其較好的耐鹽性，也多栽種于遭受鹽漬化侵害的地區(qū)，以此來改善土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)，減弱鹽漬化造成的危害[7]。

在植物生長發(fā)育的過程中，種子的萌發(fā)階段對植物能否存活起到關(guān)鍵作用[8]，而生活在干旱、鹽漬化地區(qū)的植物，土壤中的水分、鹽分含量又會直接影響種子的萌發(fā)。因此，植物種子的萌發(fā)階段是研究該植物抗旱、抗鹽性的重要時期[9]。聚乙二醇(PEG-6000)有良好的親水性，可降低溶液水勢，使得植物根系難以從周圍吸收水分，因此在植物的抗旱性研究中，通常使用PEG-6000模擬植物受到的干旱脅迫[10-13]。而在研究植物的耐鹽性時，則常使用NaCl溶液模擬植物受到的鹽分脅迫[14-17]。馬彥軍等[18]就曾運用PEG以及NaCl溶液對沙冬青種子的抗旱、抗鹽性進行了相關(guān)的研究，為沙冬青種的人工栽種提供了參考依據(jù)。在沙蒿方面，一些學(xué)者對沙蒿根系的固土能力[19]、落葉溶解性有機質(zhì)[20]、及其對生物結(jié)皮和下伏土壤養(yǎng)分的影響[21]進行了研究，但關(guān)于沙蒿種子萌發(fā)以及其抗鹽、抗旱性的研究并不多見。因此本試驗分別運用不同濃度的聚乙二醇(PEG-6000)和NaCl溶液處理種子，以模擬沙蒿種子萌發(fā)時受到的干旱以及鹽分脅迫，探究在不同含鹽量以及干旱脅迫條件下種子萌發(fā)期間各項生理指標的變化過程，了解沙蒿的抗鹽、抗旱程度，揭示其能正常萌發(fā)的適宜濃度范圍，以期為沙蒿在鹽漬化以及干旱地區(qū)的人工栽種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

沙蒿種子于2016年10月采收于甘肅民勤沙生植物園(103°09′11″E,38°62′48″N)，平均海拔1 400 m，溫帶大陸性干旱氣候，年均降水量為127.7 mm，年均蒸發(fā)量2 623 mm，年均氣溫8.3 ℃。千粒重0.467 g，經(jīng)干燥、清潔處理后存放于4 ℃的冷藏室中保存。試驗所用聚乙二醇6000(PEG-6000)、NaCl分別由中國醫(yī)藥(集團)上?；瘜W(xué)試劑公司、天津西爾斯化工有限公司生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子預(yù)處理 挑選大小一致、沒有明顯破損及病蟲害的種子為試驗材料，使用75%的酒精對供試種子消毒1～2 min，之后用蒸餾水沖洗種子表面，再將其浸泡于75 ℃的水中24 h[22]，最后使用濾紙吸干表面水分備用。

1.2.2 培養(yǎng)皿處理 將玻璃培養(yǎng)皿放入122 ℃的高壓蒸汽鍋中消毒25 min[23]。一組3個培養(yǎng)皿，編號1，2，3，試驗共設(shè)置15組，共計45個培養(yǎng)皿。其中蒸餾水對照1組，PEG溶液處理5組，NaCl溶液處理9組。每個培養(yǎng)皿中鋪設(shè)兩張干凈無菌的濾紙，再將預(yù)處理好的沙蒿種子均勻放置在濾紙上，每個培養(yǎng)皿共放置50粒種子。

1.2.3 PEG脅迫處理 試驗采用紙上發(fā)芽法[24]。按照Michel等[25]的方法，PEG-6000溶液配置5個濃度水平：5%，10%，15%，20%，25%(質(zhì)量分數(shù))。每組培養(yǎng)皿對應(yīng)一個濃度水平(3次重復(fù))，將PEG溶液加入每個培養(yǎng)皿中直至濾紙飽和，然后對各培養(yǎng)皿依次稱重記錄。

1.2.4 NaCl脅迫處理 配置濃度(質(zhì)量分數(shù))分別為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%，1.8%的NaCl溶液，每組培養(yǎng)皿對應(yīng)一個濃度水平(3次重復(fù))。將配置完成的NaCl溶液加入培養(yǎng)皿中直至濾紙飽和，并依次稱重記錄。最后將所有處理完畢的培養(yǎng)皿放置在室溫25 ℃，相對濕度為50%，采用自然光照的組培室中進行種子萌發(fā)試驗。

1.3 種子發(fā)芽觀測

按照《國際種子檢驗規(guī)程》[26]的方法，本次試驗以30 d為期限。從處理完畢的第二天開始，每天使用分析天平定時稱量培養(yǎng)皿，根據(jù)重量的變化及時向培養(yǎng)皿內(nèi)加入蒸餾水，補償由于種子吸收以及水分蒸發(fā)而損失的水分，確保PEG滲透壓和NaCl濃度不變。同時每天應(yīng)觀察并記錄每個培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子數(shù)直至整個發(fā)芽過程結(jié)束。結(jié)束后，從每個培養(yǎng)皿中隨機挑選10株沙蒿幼苗為一組，使用分析天平稱量并記錄每組幼苗的鮮重并取平均值。

1.4 測定指標

發(fā)芽率指在測試種子中，已發(fā)芽的種子粒數(shù)占測試種子總粒數(shù)的百分比。

GR=N/M×100%

(1)

式中：GR為種子發(fā)芽率(%)；N為已發(fā)芽的種子數(shù)(粒)；M為每盒中的種子總數(shù)(粒)；

發(fā)芽勢指在整個試驗過程中，從種子開始發(fā)芽到種子發(fā)芽達到最高峰時，已發(fā)芽的種子數(shù)占測試種子粒數(shù)的百分比[27]。

GP=W2/M×100%

(2)

式中：GP為種子發(fā)芽勢(%)；W2為在第2天種子發(fā)芽達到最高峰時發(fā)芽的種子數(shù)(粒)；

發(fā)芽指數(shù)是指測試種子發(fā)芽成活的統(tǒng)計指數(shù)，一般情況下代表該測試種子的均值發(fā)芽率[28]。

GI=∑Gt/Dt

(3)

式中：GI為種子發(fā)芽指數(shù)；Gt為第t天發(fā)芽的種子數(shù)，粒；Dt為相對應(yīng)的天數(shù)；

種子活力是指種子在所處環(huán)境條件下的發(fā)芽出苗能力[29]。

VI=GI×S

(4)

式中：Ⅵ為種子活力指數(shù)；S為幼苗鮮重(g)；

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，使用SPSS 19.0分析軟件對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等指標進行差異顯著性檢驗(顯著水平為95%)，使用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢對NaCl脅迫的響應(yīng)

本試驗中所有處理3次重復(fù)之間差異性不顯著(p>0.05)。從圖1可以看出，隨著NaCl濃度逐漸升高，沙蒿種子的發(fā)芽率總體呈現(xiàn)下降趨勢。但當(dāng)使用0.2%的NaCl溶液處理種子時，沙蒿種子的發(fā)芽率為70.9%，比對照組高2.2%。當(dāng)NaCl溶液濃度高于0.2%時，沙蒿種子的發(fā)芽率雖然隨著溶液濃度的升高而持續(xù)降低，但NaCl的濃度為0.4%，0.6%時，沙蒿種子的發(fā)芽率與對照組相比并未表現(xiàn)出顯著差異性(p>0.05)；當(dāng)溶液濃度從0.8%遞增到1.8%時，種子發(fā)芽率與對照組相比下降幅度較大且差異性顯著(p<0.05)，當(dāng)溶液濃度達到本次試驗的最大值1.8%時，種子的發(fā)芽率僅為25.1%，比對照組的發(fā)芽率低43.6%。這表明，當(dāng)NaCl濃度≤0.6%時，沙蒿種子發(fā)芽率未受到顯著影響，但當(dāng)其濃度高于0.6%時，沙蒿種子的萌發(fā)能力受到了明顯抑制。發(fā)芽勢可以用來衡量種子品質(zhì)的好壞，一般來說，發(fā)芽勢越高說明種子品質(zhì)越好發(fā)芽也會更加同步，因此人們常用這一指標來表示種子發(fā)芽的整齊程度[30]。由圖1可見，隨著NaCl溶液濃度的逐漸升高，沙蒿種子的發(fā)芽勢總體也呈下降態(tài)勢。當(dāng)使用0.2%的NaCl溶液處理沙蒿種子時，種子的發(fā)芽勢為48.8%，與對照組的46.7%相比上升了2.1%，說明低濃度的NaCl溶液對種子萌發(fā)有一定促進作用。當(dāng)溶液濃度從0.4%遞增到1.8%時，種子發(fā)芽勢逐漸降低，為3.4%～44.5%。但當(dāng)溶液濃度為0.4%，0.6%時，其發(fā)芽勢與對照組相比沒有表現(xiàn)出顯著差異性(p>0.05)；當(dāng)NaCl的濃度高于0.6%后，種子的發(fā)芽勢與對照組相比下降幅度在34.2%～44.7%之間，下降幅度較之前明顯增大，且與對照組相比差異性顯著(p<0.05)。

注：圖中同組不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)對NaCl脅迫的響應(yīng)

從圖2可以看到，當(dāng)沙蒿種子受到各濃度梯度的NaCl溶液處理后，沙蒿種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)總體皆呈下降趨勢。當(dāng)使用濃度為0.2%，0.4%，0.6%的NaCl溶液處理沙蒿種子時，其發(fā)芽指數(shù)與對照組相比差異不顯著(p>0.05)，其數(shù)值分別下降了4.5，10.1，12.7；當(dāng)NaCl濃度>0.6%時，各處理下的種子發(fā)芽指數(shù)分別下降了27.9，31.4，37.8，41.2，45.0，54.0，下降幅度較之前有明顯增加，且與對照組相比差異顯著(p<0.05)。當(dāng)NaCl溶液的濃度在0.2%～0.6%的范圍內(nèi)變化時，沙蒿種子的活力指數(shù)與對照組相比差異不顯著(p>0.05)，其數(shù)值分別下降了0.4，0.6，0.8。當(dāng)NaCl溶液>0.6%時，各處理下的種子活力指數(shù)與對照組差異顯著(p<0.05)，其數(shù)值分別下降了1.6，1.8，2.2，2.4，2.8，3.1。可見，當(dāng)NaCl溶液的濃度≤0.6%時，沙蒿種子仍可以正常萌發(fā)，對鹽分脅迫表現(xiàn)出較強耐受性。

圖2 不同濃度NaCl溶液處理下沙蒿種子發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)

2.3 種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢對PEG脅迫的響應(yīng)

由圖3可知，隨著PEG溶液濃度的逐步升高，沙蒿種子的發(fā)芽率逐步降低。當(dāng)PEG濃度≤15%時，沙蒿種子的發(fā)芽率均保持在60%以上，與對照組的發(fā)芽率68.7%相比有小幅下降(2.4%～8.9%)，但差異不顯著(p>0.05)。當(dāng)PEG濃度增加至20%時，種子的發(fā)芽率為46.4%，比對照組顯著降低，下降幅度為22.3%(p<0.05)；當(dāng)PEG溶液濃度達到25%時，沙蒿種子的發(fā)芽率僅為32.3%，比對照組顯著降低了36.4%(p<0.05)，這表明沙蒿種子在PEG濃度>15%時，種子的發(fā)芽能力被顯著抑制。從種子發(fā)芽勢來看，使用不同濃度的PEG溶液處理沙蒿種子時，發(fā)芽勢也呈現(xiàn)出下降趨勢(圖3)。當(dāng)PEG濃度為5%～15%時，種子發(fā)芽勢與對照組46.7%均無顯著差異，其中，當(dāng)溶液濃度為5%時，種子發(fā)芽勢為47.9%，略高于對照組(p>0.05)。當(dāng)溶液濃度遞增到20%時，沙蒿種子的發(fā)芽勢為15.8%，與對照組相比明顯下降(p<0.05)，其發(fā)芽勢降低了30.9%。當(dāng)濃度達到25%時，種子的發(fā)芽勢僅為14.5%，與對照組相比下降了32.2%(p<0.05)，這表明PEG濃度≤15%時，種子萌發(fā)能力未受到顯著影響，但當(dāng)其濃度繼續(xù)增大時，種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢均顯著降低。

圖3 不同濃度PEG溶液處理下沙蒿種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢

2.4 種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)對PEG脅迫的響應(yīng)

通過圖4可見，當(dāng)沙蒿種子被不同濃度的PEG溶液處理后，種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)整體呈現(xiàn)出下降趨勢。當(dāng)PEG濃度為5%～15%時，兩項指標與對照組均無顯著差異，其中，當(dāng)PEG溶液濃度為5%時，種子的兩項指標略高于對照組(p>0.05)；當(dāng)PEG溶液的濃度為10%，15%時，種子的發(fā)芽指數(shù)相比對照組分別下降0.24，2.54，種子的活力指數(shù)分別下降0.1，0.2，下降幅度均較小(p>0.05)。當(dāng)PEG的濃度達到20%，25%時，沙蒿種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)下降幅度明顯增大，發(fā)芽指數(shù)減少了22.14，42.49，活力指數(shù)下降了1.6，2.7，與對照組呈現(xiàn)出顯著差異(p<0.05)。

圖4 不同濃度PEG溶液處理下沙蒿種子發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)

3 討 論

本試驗使用NaCl溶液處理沙蒿種子模擬種子受到的鹽分脅迫，探討沙蒿種子的萌發(fā)能力在鹽漬化地區(qū)受到的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)使用濃度為0.2%～0.6%的NaCl溶液處理種子時，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與對照組相比雖有一定的波動，但并未表現(xiàn)出顯著差異；這其中，當(dāng)NaCl溶液濃度為0.2%時，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢皆高于對照組，這說明低濃度的NaCl溶液對種子萌發(fā)有一定的促進作用。這與張?zhí)K江等[31]、馬琳等[32]的研究結(jié)論是一致的，這是因為NaCl溶液中的Na+為植物生長發(fā)育初期所需元素，從而促進種子萌發(fā)；與此同時溶液中的部分Na+能夠提高細胞滲透勢促進種子吸水，這同樣有利于種子的萌發(fā)。但當(dāng)NaCl溶液的濃度為0.8%時，上述各項指標均顯著下降(p<0.05)，之后隨著溶液濃度的持續(xù)升高，種子的上述指標則進一步降低。較高濃度的NaCl溶液會使種子外部滲透壓升高，導(dǎo)致種子內(nèi)部水分進入到溶液中，限制種子萌發(fā)；同時高濃度的離子環(huán)境對植物種子又會造成離子毒害作用，從而抑制種子萌發(fā)能力[33]。本試驗中NaCl溶液濃度為0.6%時，是種子萌發(fā)能力顯著降低的轉(zhuǎn)折點。由此可推知，沙蒿種子對較低含鹽量的環(huán)境表現(xiàn)出較強耐受性，這與楊佳鑫等[30]，朱金方等[34]的研究結(jié)果相似。

使用PEG溶液處理沙蒿種子模擬干旱對種子的脅迫，主要是利用其對種子的滲透調(diào)節(jié)作用[35]。在此次試驗中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)PEG溶液的濃度為5%～15%時，沙蒿種子的發(fā)芽率均保持在60%左右，發(fā)芽能力差異不顯著(p>0.05)；這其中當(dāng)種子受到5%的PEG溶液處理時，其發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別比對照組高出1.2，4.0，0.3，這表明低濃度的PEG溶液對種子萌發(fā)有促進作用，這與一些研究結(jié)論是一致的[36-37]，原因可能是輕微干旱脅迫促使種子自我保護機制的啟動，減少種子吸脹過程中膜系統(tǒng)的損傷，有利于膜系統(tǒng)的修復(fù)，提高了種子內(nèi)酶的活性加速了新陳代謝作用，從而提高植物種子發(fā)芽率[38]。但當(dāng)PEG溶液的濃度達到20%，25%時，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)有了明顯下降。由此可知，沙蒿種子在PEG濃度≤15%時，其發(fā)芽能力未受到明顯抑制，但是當(dāng)溶液濃度超過這一數(shù)值后，種子的萌發(fā)能力會隨濃度的升高而大幅降低。這是因為種子在重度干旱脅迫下，細胞內(nèi)自由基過度積累，造成膜的完整性受損并導(dǎo)致滲透調(diào)節(jié)功能紊亂，種子萌發(fā)能力被抑制[39]。本試驗中，PEG溶液的濃度為15%時，是種子萌發(fā)能力顯著降低的轉(zhuǎn)折點，高于此濃度時種子萌發(fā)受到顯著抑制。

沙蒿作為耐鹽、耐旱的理想植物在西北地區(qū)廣泛栽種，本試驗結(jié)果表明沙蒿種子萌發(fā)能力隨NaCl和PEG溶液濃度的升高均呈先上升后下降，在某一濃度后顯著受抑制的變化趨勢，這與沙冬青[40]、沙棘[41]、檉柳等[42]沙生植物對干旱和鹽分脅迫的響應(yīng)機制相似，只是不同物種對應(yīng)不同的溶液適宜值、臨界值和極限值。本試驗結(jié)果補充了對沙蒿種子耐旱、耐鹽堿程度的研究，揭示了適宜其種子萌發(fā)的NaCl和PEG濃度界限，對其最適宜種植的環(huán)境條件和區(qū)域的確定具有重要的參考價值，可提高植被恢復(fù)效率、節(jié)約治理成本。但本試驗仍存在一定的不足，因為NaCl同樣會改變?nèi)芤簼B透壓，因此沙蒿種子會遭受鹽害以及干旱的雙重脅迫。在今后的試驗中，我們將改進試驗設(shè)計，將NaCl與PEG溶液的滲透壓設(shè)為相同，比較干旱以及鹽害對種子萌發(fā)影響的相對大小。

4 結(jié) 論

沙蒿種子萌發(fā)，NaCl，PEG溶液的最適宜濃度分別為0.2%，5%。在較低濃度的NaCl(≤0.6%)，PEG(≤15%)溶液的脅迫下，其各項生理指標與對照組相比未發(fā)生顯著變化，種子的萌發(fā)能力未受明顯抑制。當(dāng)NaCl溶液濃度>0.6%，PEG濃度>15%時，種子的萌發(fā)能力顯著降低。因此NaCl濃度為0.6%，PEG濃度為15%時，是沙蒿種子萌發(fā)能力受到明顯抑制的轉(zhuǎn)折點。試驗結(jié)果證實了沙蒿僅在一定鹽分以及干旱脅迫程度內(nèi)有較強的耐鹽、耐旱性，對西北地區(qū)沙蒿的人工栽種具有指導(dǎo)意義。