鹽和干旱脅迫對沙蔥種子萌發(fā)的影響

魏鵬超，曹鎮(zhèn)宇，楊忠仁，2，張鳳蘭，韓 旭，周 巖

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院/內(nèi)蒙古自治區(qū)野生特有蔬菜種質(zhì)資源與種質(zhì)創(chuàng)新重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010011；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用重點實驗室，內(nèi)蒙古呼和浩特 010011）

土壤鹽漬化和干旱化問題日益突出，已成為影響農(nóng)作物生長的主要非生物脅迫因子[1-2]。我國鹽漬土地和荒漠化面積較大，分布較廣，其危害不僅阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還導(dǎo)致環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響了地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[3-5]。同時，種子萌發(fā)是植物生活史的起點，也是對環(huán)境脅迫最敏感的時期，而種子萌發(fā)狀況直接決定了植物能否成功建植[1，6]。有研究表明，鹽脅迫和干旱脅迫下水杉[3]、甘青青蘭[7]、紫花苜蓿[8]和刺槐[9]等種子萌發(fā)延遲，隨著脅迫的增強(qiáng)，還會出現(xiàn)萌發(fā)指標(biāo)下降、幼苗生長量降低等情況，而輕度鹽與干旱脅迫則會促進(jìn)某些種子的萌發(fā)，如紫花野百合[10]、神香草[11]和芝麻[12]等種子，這可能是作物種類不同所導(dǎo)致。因此，研究植物在鹽和干旱環(huán)境條件下的種子萌發(fā)情況，對深入了解植物的抗旱耐鹽性以及實現(xiàn)鹽堿和干旱地區(qū)的合理種植有重要意義。

沙蔥（Allium mongolicumRegel）為百合科蔥屬多年生旱生植物[13]。由于其生境特殊，主要生長在半荒漠帶固定沙地、干旱草原、荒漠草甸和部分鹽堿地[14]，其抗逆性、適應(yīng)性強(qiáng)，具有很高的營養(yǎng)價值和生態(tài)價值。目前，關(guān)于沙蔥種子的研究主要集中在種子休眠[15]、貯藏方式[16]、老化機(jī)制[13]和外源物質(zhì)對種子萌發(fā)的影響等方面[17]，而鹽和干旱脅迫對沙蔥種子萌發(fā)影響的研究鮮有報道。因此，本試驗以沙蔥種子為材料，分析不同濃度的NaCl 與Na2SO4混合中性鹽以及聚乙二醇（PEG-6000）脅迫下種子萌發(fā)情況，進(jìn)一步探究鹽脅迫和干旱脅迫環(huán)境下沙蔥種子的耐受能力，以期為沙蔥在鹽堿與荒漠地區(qū)等不良環(huán)境中實現(xiàn)人工栽培和規(guī)范種植提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

貯藏1年的沙蔥種子，中性鹽溶液（NaCl 與Na2SO4物質(zhì)的量濃度比為1∶1）、PEG-6000 溶液。

1.2 試驗方法

將沙蔥種子經(jīng)2%的次氯酸鈉溶液消毒10 min后，用蒸餾水反復(fù)沖洗，浸種12 h 后用濾紙吸干其表面水分進(jìn)行試驗。

設(shè)置鹽溶液濃度分別為25、50、75、100、125 和150 mmol/L，PEG-6000 溶液濃度分別為5%、10%、15%、20%，以蒸餾水作為對照（CK）。按預(yù)設(shè)處理在培養(yǎng)皿中均勻放置50 粒沙蔥種子，每個處理4 次重復(fù)，將培養(yǎng)皿置于20 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，采用稱重法保持各處理滲透勢不變。

1.3 萌發(fā)指標(biāo)的測定

從萌發(fā)試驗開始，每隔24 h 觀察種子萌發(fā)情況，以種子露白為標(biāo)準(zhǔn)，記錄每天發(fā)芽數(shù)直至試驗結(jié)束，并計算各項萌發(fā)指標(biāo)。選擇各處理胚根完整的10 株幼苗，不足10 株則全部取用，用游標(biāo)卡尺測量其胚根長。計算公式為

式中，t為萌發(fā)期內(nèi)每天正常發(fā)芽種子數(shù)量；N為供試種子總數(shù)。

式中，n代表正常發(fā)芽種子數(shù)量。

式中，m為萌發(fā)第6 天發(fā)芽總數(shù)。

式中，Gt為每天累計發(fā)芽指數(shù)；Dt為相應(yīng)發(fā)芽天數(shù)。

式中，Sx為種子胚根長度。

參照朱敏嘉等[18]方法計算不同濃度鹽溶液滲透勢，公式為

式中，i=1.86，為溶液的等滲系數(shù)；C為溶液的摩爾濃度/（mol/L）；R=0.008 314（MPa/L·mol/L）/K，為氣體常數(shù)；T=273+t（t 為試驗時的恒溫培養(yǎng)箱溫度20 ℃），T 為絕對溫度。各濃度鹽溶液對應(yīng)滲透勢分別為-0.11、-0.22、-0.33、-0.44、-0.55、-0.66 MPa。

參照陳士超等[19]方法計算不同濃度PEG-6000溶液滲透勢，公式為

式中，C為PEG-6000 濃度（g/kg）；T 為溶液溫度20 ℃。各濃度PEG-6000 對應(yīng)滲透勢分別為-0.58、-1.66、-3.25、-5.34 MPa。

1.4 耐鹽與耐旱性分析

參照劉玉艷等[20]的方法，分別以鹽脅迫和干旱脅迫處理下的相對發(fā)芽率為因變量（y）、以各處理滲透勢為自變量（x）建立函數(shù)方程，以相對發(fā)芽率下降75%、50%和10%時所對應(yīng)的滲透勢作為沙蔥種子對各脅迫的適宜滲透勢、半致死滲透勢和極限滲透勢。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與整理，IBM SPSS Statistics 22.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析（多重比較選擇Duncan 方法），Origin 2021 與Excel 2019 軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽脅迫下沙蔥種子萌發(fā)特性的響應(yīng)

2.1.1 不同濃度鹽溶液處理下沙蔥種子逐日萌發(fā)率的響應(yīng)

由圖1 可知，隨著鹽溶液濃度的升高，沙蔥種子初始萌發(fā)時間延后，當(dāng)鹽溶液濃度≥75 mmol/L 時，種子初始萌發(fā)時間延后至第3 天；當(dāng)鹽溶液濃度達(dá)到150 mmol/L 時，種子初始萌發(fā)時間延后至第5 天。不同濃度的鹽溶液對種子萌發(fā)均會產(chǎn)生抑制作用，并且各濃度處理下種子逐日萌發(fā)率峰值均明顯低于對照，當(dāng)鹽溶液濃度高于50 mmol/L 時，逐日萌發(fā)率峰值時間開始延后。

圖1 不同濃度鹽溶液處理下沙蔥種子的逐日萌發(fā)率

2.1.2 不同濃度鹽溶液處理下沙蔥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的響應(yīng)

由圖2 可知，當(dāng)鹽溶液濃度為25 mmol/L 時，沙蔥種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢分別為42.66%和20.33%，顯著低于對照（P＜0.05）；當(dāng)鹽溶液濃度為75～150 mmol/L時，沙蔥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢為23.33%～12.66%和2.66%～1.33%，與25、50 mmol/L 相比，均顯著降低（P＜0.05）。由此可見，隨著鹽溶液濃度的增加，抑制沙蔥種子萌發(fā)的效果也隨之增加。

圖2 不同濃度鹽溶液處理下沙蔥種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢

2.1.3 不同濃度鹽溶液處理下沙蔥種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的響應(yīng)

由圖3 可知，當(dāng)鹽溶液濃度達(dá)到75 mmol/L 時，沙蔥種子發(fā)芽指數(shù)為7.30，為對照的19.23%；當(dāng)鹽溶液濃度達(dá)到150 mmol/L 時，沙蔥種子發(fā)芽指數(shù)為3.52，僅為對照的9.2%。活力指數(shù)在鹽脅迫下變化更為顯著，當(dāng)鹽溶液濃度為50 mmol/L 時，種子活力指數(shù)為58.73，為對照的39.36%；當(dāng)鹽溶液濃度達(dá)到150 mmol/L 時，種子活力指數(shù)下降趨勢顯著，僅為1.40，為對照的0.93%。可見，鹽溶液濃度的增加，抑制和降低了沙蔥種子萌發(fā)與活性（P＜0.05）。

圖3 不同濃度鹽溶液處理下沙蔥種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

2.2 不同干旱脅迫下沙蔥種子萌發(fā)特性的響應(yīng)

2.2.1 不同濃度PEG-6000 處理下沙蔥種子逐日萌發(fā)率的響應(yīng)

由圖4 可知，當(dāng)PEG-6000 濃度＞10%時，沙蔥種子初始萌發(fā)時間開始延后。當(dāng)PEG-6000 濃度為5%、10%、15%、20%時，沙蔥種子逐日萌發(fā)率的峰值分別為14%、12%、11%、6%，均小于對照，并且出現(xiàn)峰值的日期也均晚于對照。

圖4 不同濃度PEG-6000 處理下沙蔥種子的逐日萌發(fā)率

2.2.2 不同濃度PEG-6000 處理下沙蔥種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的響應(yīng)

由圖5 可知，當(dāng)PEG-6000 濃度為5%時，沙蔥種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別為65.33%和30.67%，與對照相比無顯著差異（P＞0.05），說明此時干旱環(huán)境未抑制種子萌發(fā)；當(dāng)濃度達(dá)到10%時，種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢分別降到50%和26%，與對照相比差異顯著（P＜0.05），此時干旱環(huán)境開始抑制種子的萌發(fā)。

圖5 不同濃度PEG-6000 處理下沙蔥種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢

2.2.3 不同濃度PEG-6000 處理下沙蔥種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的響應(yīng)

由圖6 可知，當(dāng)PEG-6000 濃度為5%時，沙蔥種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別為21.16 和64.39，與對照相比差異不顯著（P＞0.05）；當(dāng)PEG-6000 濃度達(dá)到10%時，沙蔥種子的發(fā)芽指數(shù)由25.02 降至15.21，活力指數(shù)由117.66 降至33.16。當(dāng)PEG-6000的濃度為10%～25%時，沙蔥種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著下降（P＜0.05）。

圖6 不同濃度PEG-6000 處理下沙蔥種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)

2.3 沙蔥種子的耐受性評價

根據(jù)沙蔥種子不同處理后的相對發(fā)芽率進(jìn)行線性回歸分析，進(jìn)一步探究沙蔥種子萌發(fā)對干旱脅迫和鹽脅迫的耐受程度。由表1 可知，沙蔥種子相對發(fā)芽率與不同脅迫下的滲透勢之間均呈良好的線性函數(shù)關(guān)系，其中，相對發(fā)芽率與鹽溶液滲透勢之間的最優(yōu)線性函數(shù)方程為y=0.915 6x1+0.689 0，R2=0.916 1；相對發(fā)芽率與PEG-6000 溶液滲透勢之間的最優(yōu)線性函數(shù)方程為y=0.114 2x2+0.943 7，R2=0.967 5。由最優(yōu)線性函數(shù)方程求得沙蔥種子的耐鹽和耐旱適宜滲透勢分別為-0.06 MPa 和-1.60 MPa，耐鹽和耐旱半致死滲透勢分別為-0.20 MPa 和-3.80 MPa，耐鹽和耐旱極限滲透勢分別為-0.60 MPa 和-7.38 MPa。

表1 沙蔥種子萌發(fā)對鹽和干旱的耐受度分析

3 結(jié)論與討論

種子萌發(fā)是一個復(fù)雜的植物生理生化、物質(zhì)代謝過程，受其內(nèi)部或外部生長物質(zhì)及環(huán)境因子的調(diào)控作用，直接或間接影響植物的生長和發(fā)育[21]。本試驗結(jié)果表明，隨著兩種脅迫溶液的滲透勢增加，均會使沙蔥種子初始萌發(fā)時間延遲，這與魯富寬等[8]對紫花苜蓿種子萌發(fā)的研究結(jié)果一致。隨著鹽溶液濃度的增加，沙蔥發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著降低，當(dāng)鹽溶液濃度達(dá)到25 mmol/L 和150 mmol/L時，沙蔥種子發(fā)芽率分別降低至42.66%與12.66%。說明一定程度的鹽脅迫可能會導(dǎo)致種子吸水困難以及產(chǎn)生的離子毒害會引發(fā)種子內(nèi)酶活性發(fā)生一系列變化，從而使種子萌發(fā)力下降[8]。這與各學(xué)者在賽菊芋[22]、星星草[23]和馬齒莧[24]等植物上的研究結(jié)果一致；張建鋒等[25]在研究流蘇和香椿種子時發(fā)現(xiàn)，各濃度鹽脅迫均會抑制種子萌發(fā)，且濃度越大，引發(fā)的抑制作用會越明顯。

PEG 作為一種高分子滲透劑，可以人為地限制水分進(jìn)入種子的速率，從而控制種子的吸水率和發(fā)芽進(jìn)程[26]，引發(fā)種子內(nèi)各種細(xì)胞和酶的活性[27]。本試驗以PEG-6000 溶液模擬干旱環(huán)境對種子的脅迫，實際上是利用種子自身的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制[28]。通過試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PEG-6000 濃度≤5%時，沙蔥種子萌發(fā)并未受到明顯抑制，說明沙蔥種子在輕度干旱脅迫下具有一定耐性；當(dāng)PEG-6000 濃度≥10%時，沙蔥種子各項發(fā)芽指標(biāo)均明顯受到抑制，且種子萌發(fā)時間延遲，這可能是隨著PEG-6000 溶液滲透勢增加，引發(fā)種子胚細(xì)胞吸水困難，種子內(nèi)產(chǎn)生大量活性氧，導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷，從而抑制了種子的萌發(fā)。而在干旱脅迫下，植物種子的延遲萌發(fā)是一種對不利環(huán)境的適應(yīng)方式[29-30]。這與安霞等[31]研究干旱脅迫對紅麻、亞麻和黃麻種子萌發(fā)的影響以及羅穎潔等[32]研究白三葉萌發(fā)期耐旱性的研究結(jié)果一致。

植物在生長發(fā)育過程中會遇到諸多的脅迫環(huán)境，因此在漫長的進(jìn)化過程中植物會形成各種抗逆機(jī)制，從而更好地適應(yīng)脅迫環(huán)境[33-35]。而植物抗旱性和耐鹽性的形成機(jī)制是一個復(fù)雜的過程，同一植物的抗旱性與耐鹽性具有很大差別[36]。一方面，在干旱脅迫下，沙蔥種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢雖然隨著干旱脅迫程度增加而下降，但當(dāng)水勢降到-5.34 MPa 時，種子發(fā)芽率仍有25.33%，種子發(fā)芽勢為7.33%，且根據(jù)沙蔥種子相對發(fā)芽率與干旱脅迫的最優(yōu)線性方程可知其耐旱半致死滲透勢為-3.80 MPa，其耐旱能力與我國梭梭、紅砂、駝絨藜和堿蓬4 種荒漠植物的種子相當(dāng)[37]，說明沙蔥種子具有較強(qiáng)的耐旱性，這與王國澤等[38]和丁艷麗等[39]的研究結(jié)果相似；另一方面，在不同濃度鹽溶液脅迫下，隨著鹽溶液濃度升高，沙蔥種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均呈下降的趨勢，這與張明婷[40]在研究沙冬青、小沙冬青和檸條3 種沙生植物對鹽脅迫響應(yīng)的研究結(jié)果類似。本試驗中當(dāng)鹽溶液滲透勢為-0.11 MPa 時，沙蔥種子的發(fā)芽率下降至42.66%，與對照差異顯著，說明鹽脅迫的低滲環(huán)境下可明顯抑制沙蔥種子的萌發(fā)。當(dāng)鹽溶液滲透勢增加到-0.66 MPa 時，沙蔥種子的最終發(fā)芽率降至12.66%，且根據(jù)沙蔥種子相對發(fā)芽率和鹽溶液滲透勢之間的線性方程可知，沙蔥種子的耐鹽極限滲透勢為-0.60 MPa，其耐鹽性低于同為沙生植物的沙冬青[41]和檸條錦雞兒[42]，也低于同為蔬菜作物的冰菜[43]和綠豆[44]，由此可見，沙蔥種子耐鹽性相對較差。

綜上所述，輕度干旱脅迫下沙蔥種子萌發(fā)未受到明顯抑制，沙蔥種子的耐旱極限滲透勢為-7.38 MPa；低滲鹽溶液顯著抑制其萌發(fā)，耐鹽極限滲透勢為-0.60 MPa。因此，在非鹽脅迫環(huán)境，大田種植沙蔥需要保持土壤濕潤狀態(tài)；在鹽脅迫環(huán)境，為保證沙蔥種子出苗快且整齊一致，最好采用育苗移栽。