不同鹽堿脅迫對白羊草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

陳奕霖，趙 萍，王 勃，畢 銘，陰禹舟，王聰聰，夏方山

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，山西 太谷 030801）

土壤鹽堿化是在全球范圍內(nèi)普遍面臨的重要生態(tài)問題之一，也是全球可利用土地面積不斷減少的主要影響因素，已嚴重影響世界農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)恢復(fù)［1-2］。 全世界鹽堿化土地面積約有9.54×109hm2， 而我國的鹽堿化土地面積就約有9.91×107hm2，廣泛分布于西北、華北、東北及長江以北的沿海地帶［3］。鹽堿脅迫成為限制植物生長的重要逆境因子之一［4］，而鹽脅迫和堿脅迫在自然界中通常是伴隨發(fā)生的，鹽分以NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3為主， 且堿性鹽對植物的危害一般要強于中性鹽［5］。 鹽堿脅迫往往通過滲透脅迫、 特定離子毒性和營養(yǎng)失衡等途徑抑制植物生長發(fā)育［6］。 高濃度鹽堿脅迫會使植物體缺水，并具有一定的離子毒害，致使植株死亡［7］。 種子萌發(fā)及幼苗生長是植物生長發(fā)育的關(guān)鍵階段， 也是植物能否在鹽堿環(huán)境下生長發(fā)育的決定性條件［8］，因此，探究鹽堿條件對牧草種子的萌發(fā)及幼苗生長的影響對提高鹽堿化土地利用效率和培育耐鹽堿牧草新品種均具有重要意義。

白羊草（Bothriochloa ischaemum）是禾本科孔穎草屬多年生牧草和生態(tài)草，具有固土保水、高產(chǎn)耐牧、適口性好等優(yōu)點，是飼用價值較高的刈牧兼用型禾草［9-10］，因其具有適應(yīng)性強、易建植、產(chǎn)量高、適口性好及品質(zhì)高等優(yōu)點［11］，在退化草地植被恢復(fù)、人工草地建設(shè)、生態(tài)治理等諸多方面具有重要意義［12］，已成為我國北方溫帶地區(qū)暖性草叢及暖性灌草叢草地廣泛分布的優(yōu)良鄉(xiāng)土草種［13］。 山西省白羊草草地面積約為1.7×106hm2， 占山西省草地面積的36%以上［14］，是山西省中南部地區(qū)主要放牧地和割草場的建群種， 也是山西省發(fā)展草地畜牧業(yè)的重要自然資源［15］。 該研究通過開展不同鹽堿類型及Na+濃度對白羊草種子萌發(fā)及其幼苗生長的影響研究， 以期為提高我國鹽堿化土地利用效率，擴大白羊草種質(zhì)資源利用面積，促進我國草牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展及推動區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料來源

供試草種為“太行”白羊草，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院草類植物育種與種子科學(xué)實驗室于2019 年10 月收集， 于-20 ℃條件下密封保存至2021 年8 月進行試驗。

1.2 試驗處理

挑選均勻飽滿的白羊草種子去除內(nèi)外稃后，每100 粒放入一個置有雙層濾紙的消毒培養(yǎng)皿，并分別加入4 mL Na+濃度為10、30、90、270 mmol/L的NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3溶液后稱 重，以加入4 mL 蒸餾水的處理為對照， 每天稱重并添加蒸餾水以保持恒重， 每個處理設(shè)4 次重復(fù)。在25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中進行發(fā)芽試驗， 以胚根突破種皮超過種子長度1/2 時作為發(fā)芽判定標準，每天統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)，末次計數(shù)為第12 天，統(tǒng)計正常種苗數(shù)，并測定每個培養(yǎng)皿中全部種苗鮮 重［9，14］。

1.3 指標測定

發(fā)芽率的測定參照國際種子檢驗協(xié)會的種子檢驗規(guī)程（2020）［16］，發(fā)芽指數(shù)及幼苗活力指數(shù)的計算參照Abdul-Baki 等［17］報道的方法，平均發(fā)芽時間參照Ellis 等［18］報道的方法計算，具體計算方法見已發(fā)表文獻［19］。 胚根長及胚芽長的測定參照朱連發(fā)等［20］報道的方法，采用游標卡尺測定每個重復(fù)中所有發(fā)芽種子幼苗的胚根長和胚芽長，以其平均值表示該重復(fù)結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2010 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行初步整理，利用SPSS 22.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進行單因素方差分析和雙因素方差分析。不同Na+濃度鹽堿脅迫下白羊草種子萌發(fā)及幼苗生長指標的單因素方差分析及組間多重比較采用Duncan′s 法，P＜0.05 表示差異顯著，P>0.05 表示差異不顯著。 不同Na+濃度和鹽堿脅迫下白羊草種子萌發(fā)及幼苗生長特性的雙因素方差分析采用一般線性模型法。 試驗數(shù)據(jù)以“平均值±標準誤”的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對白羊草種子發(fā)芽率的影響

同種鹽堿脅迫下， 白羊草種子發(fā)芽率會隨著Na+濃度的增加而降低（見表1）。用4 種鹽堿溶液對白羊草種子進行處理時， 在相同Na+濃度下，NaCl和Na2SO4脅迫時白羊草種子的發(fā)芽率高于Na2CO3和NaHCO3脅迫時。 Na+濃度為10 mmol/L時，4 種鹽堿溶液脅迫下白羊草種子發(fā)芽率差異不顯著（P>0.05）；Na+濃度為30 mmol/L 時，NaCl 脅迫下白羊草種子發(fā)芽率顯著 （P＜0.05） 高于Na2CO3、NaHCO3脅迫時，但與Na2SO4脅迫時差異不顯著（P>0.05），且Na2SO4、Na2CO3和NaHCO3脅迫時白羊草種子發(fā)芽率差異不顯著（P>0.05）；Na+濃度為90、270 mmol/L 時，NaCl、Na2SO4脅迫下白羊草種子發(fā)芽率顯著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3脅迫時，此時，Na2CO3、NaHCO3脅迫下白羊草種子發(fā)芽率已基本為0。

表1 不同Na+濃度鹽堿脅迫下白羊草種子發(fā)芽率的變化

2.2 鹽堿脅迫對白羊草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

同種鹽堿脅迫下， 白羊草種子發(fā)芽指數(shù)隨著Na+濃度的增加而降低（見表2）。 用4 種鹽堿溶液對白羊草種子進行處理，總體來看，在相同Na+濃度下，NaCl 和Na2SO4脅迫時白羊草種子的發(fā)芽指數(shù)高于Na2CO3和NaHCO3脅迫時。 Na+濃度為10、30 mmol/L 時，4 種鹽堿脅迫下白羊草種子發(fā)芽指數(shù)差異不顯著（P>0.05）；Na+濃度為90、270 mmol/L時，NaCl、Na2SO4脅迫下白羊草種子發(fā)芽指數(shù)顯著（P＜0.05） 高于Na2CO3、NaHCO3脅迫時， 此時，Na2CO3、NaHCO3脅迫下白羊草種子發(fā)芽指數(shù)已基本為0。

表2 不同Na+濃度鹽堿脅迫下白羊草種子發(fā)芽指數(shù)的變化 單位：mmol/L

2.3 鹽堿脅迫對白羊草種子平均發(fā)芽時間的影響

同種鹽堿脅迫下， 白羊草種子平均發(fā)芽時間隨著Na+濃度的增加呈先降低后增加的趨勢（見表3）。用4 種鹽堿溶液對白羊草種子進行處理，在相同Na+濃度下，NaCl 和Na2SO4脅迫時白羊草種子的平均發(fā)芽時間高于Na2CO3和NaHCO3脅迫時。Na+濃度為10 mmol/L 時，4 種鹽堿脅迫下白羊草種子的平均發(fā)芽時間均最短， 但不同鹽堿脅迫間白羊草種子平均發(fā)芽時間差異不顯著 （P>0.05）；Na+濃度為30 mmol/L 時，4 種鹽堿脅迫下白羊草種子的平均發(fā)芽時間差異不顯著（P>0.05）；Na+濃度為90 mmol/L 時，Na2CO3脅迫下白羊草種子已不發(fā)芽， 其余3 種鹽堿脅迫下白羊草種子平均發(fā)芽時間差異不顯著（P>0.05）；Na+濃度為270 mmol/L 時，Na2CO3、NaHCO3脅 迫 下 白 羊 草 種 子 已 不 發(fā)芽，NaCl、Na2SO4脅迫下白羊草種子平均發(fā)芽時間差異不顯著（P>0.05）。

表3 不同Na+濃度鹽堿脅迫下白羊草種子平均發(fā)芽時間的變化

2.4 鹽堿脅迫對白羊草種子幼苗活力指數(shù)的影響

同種鹽堿脅迫下， 白羊草種子幼苗活力指數(shù)隨著Na+濃度的增加而降低（見表4）。 用4 種鹽堿溶液對白羊草種子進行處理， 在相同Na+濃度下，NaCl 和Na2SO4脅迫時白羊草種子幼苗活力指數(shù)高于Na2CO3和NaHCO3脅迫時。 Na+濃度為10 mmol/L 時，4 種鹽堿脅迫下白羊草種子幼苗活力指數(shù)差異不顯著 （P>0.05）；Na+濃度為30 mmol/L時，NaCl 脅迫下白羊草種子幼苗活力指數(shù)顯著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3脅迫時，與Na2SO4脅迫時差異不顯著 （P>0.05），Na2SO4脅迫時白羊草種子幼苗活力指數(shù)顯著（P＜0.05）高于NaHCO3脅迫時，且Na2CO3脅迫時白羊草種子幼苗活力指數(shù)與Na2SO4、NaHCO3脅迫時差異均不顯著 （P>0.05）；Na+濃度為90、270 mmol/L 時，NaCl、Na2SO4脅迫時白羊草種子幼苗活力指數(shù)顯著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3脅迫時。

表4 不同Na+濃度鹽堿脅迫下白羊草種子幼苗活力指數(shù)的變化 單位：mmol/L

2.5 鹽堿脅迫對白羊草胚根長度的影響

同種鹽堿脅迫下，白羊草種子胚根長隨著Na+濃度的增加而降低（見表5）。 用4 種鹽堿溶液對白羊草種子進行處理，在相同Na+濃度下，NaCl 和Na2SO4脅迫時白羊草種子胚根長大于Na2CO3和NaHCO3脅迫時。 Na+濃度為10、30、90 mmol/L 時，NaCl、Na2SO4脅迫時白羊草種子胚根長顯著 （P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3脅迫時；Na+濃度為270 mmol/L 時，NaCl 脅迫下白羊草種子胚根長顯著（P＜0.05） 高于Na2SO4脅迫時，Na2SO4脅迫下白羊草種子胚根長顯著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3脅迫時，且白羊草種子胚根長達到最小值。

表5 不同Na+濃度鹽堿脅迫下白羊草種子胚根長的變化

2.6 鹽堿脅迫對白羊草胚芽長度的影響

同種鹽堿脅迫下，白羊草種子胚芽長隨著Na+濃度的增加呈先增加后降低的趨勢（見表6）。用4種鹽堿溶液對白羊草種子進行處理，在相同Na+濃度下，Na2SO4脅迫時白羊草種子胚芽長大于Na-Cl、Na2CO3和NaHCO3脅迫時。 Na+濃度為10、30 mmol/L 時，Na2SO4脅迫下白羊草種子胚芽長顯著（P＜0.05）高于Na2CO3脅迫時，與NaCl、NaHCO3脅迫時差異不顯著（P>0.05），且NaCl、Na2CO3脅迫下白羊草種子胚芽長差異不顯著（P>0.05）；Na+濃度為90、270 mmol/L 時，Na2SO4脅迫下白羊 草種子胚 芽 長 顯 著（P＜0.05）高 于NaCl、Na2CO3、NaHCO3脅迫時，同時NaCl 脅迫下白羊草種子胚芽長顯著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3脅迫時。

表6 不同Na+濃度鹽堿脅迫下白羊草種子胚芽長的變化

2.7 不同Na+濃度及鹽堿種類對白羊草種子萌發(fā)及幼苗生長的雙因素方差分析

雙因素方差分析表明（見表7），不同鹽堿種類、Na+濃度及兩者的交互作用對白羊草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時間、胚根長及胚芽長的影響均有極顯著（P＜0.01）差異；不同Na+濃度對白羊草種子幼苗活力指數(shù)的影響有極顯著（P＜0.01）差異， 但不同鹽堿種類對白羊草種子幼苗活力指數(shù)的影響僅有顯著（P＜0.05）差異，而不同鹽堿種類與Na+濃度的交互作用對白羊草種子幼苗活力指數(shù)的影響無顯著（P>0.05）差異。

表7 不同Na+濃度及鹽堿種類影響白羊草種子萌發(fā)及幼苗生長的雙因素分析

3 討論

鹽堿脅迫對種子萌發(fā)的影響一般可歸結(jié)為滲透脅迫和離子脅迫［21］，植物一般通過降低水分含量調(diào)節(jié)滲透， 以應(yīng)對鹽堿脅迫引起的滲透脅迫，而低水分含量的植物很難通過降低植物體內(nèi)水分消耗積累的滲透物質(zhì)， 從而導(dǎo)致對鹽堿脅迫的敏感性［22-23］。該試驗發(fā)現(xiàn)，Na+濃度對白羊草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時間、幼苗活力指數(shù)、胚芽長及胚根長的影響差異極顯著（P＜0.01）。低Na+濃度鹽堿脅迫對白羊草種子平均發(fā)芽時間、 幼苗活力指數(shù)及胚芽長幾乎沒有影響， 這可能與白羊草有一定耐鹽堿性有關(guān)，能通過調(diào)節(jié)水分含量緩解鹽堿脅迫引起的滲透脅迫［24］。 然而，高Na+濃度鹽堿脅迫下，白羊草的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)、胚根長及胚芽長都顯著（P＜0.05）降低，這與沙米（Agriophyllum squarrosum）［22］、蒙古冰草（Agriopyronmongolicum）［22］、紫花苜蓿（Medicagosativa）［25］、新疆野豌豆 （Vicia costata）［26］及棉花（Gossypium spp）［27］等種子的研究結(jié)果相似。 研究表明，高鹽堿脅迫下， 植物體內(nèi)大量失水， 相對含水量逐漸降低，導(dǎo)致過氧化物酶活性降低，無法有效清除活性氧自由基，生物膜結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，致使細胞內(nèi)K+和有機溶質(zhì)外泄， 從而導(dǎo)致電解質(zhì)外滲率增大［6，28］。此外，植物細胞在高Na+濃度鹽堿脅迫下會富集大量Na+， 競爭了作為重要滲透調(diào)節(jié)組分的K+吸收位點，嚴重阻礙植株對K+的吸收，從而對種子萌發(fā)造成滲透脅迫，降低植物種子活力［24］。

除了Na+濃度對白羊草種子萌發(fā)及幼苗活力的影響，不同的鹽堿種類對白羊草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時間、胚根長及胚芽長也均有極顯著（P＜0.01）影響，對白羊草種子幼苗活力指數(shù)有顯著 （P＜0.05） 影響。 相同Na+濃度下，NaCl、Na2SO4脅迫對白羊草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、幼苗活力指數(shù)、 胚根長及胚芽長的影響均大于Na2CO3和NaHCO3脅迫， 這表明白羊草種子對中性鹽的耐性要高于堿性鹽。研究表明，生長在碳酸鹽條件下的植物，除了要忍受Na+的脅迫，還要對抗堿性鹽高pH 值造成的脅迫［29］。 高pH 值不僅會加重種子的滲透脅迫和離子毒害， 還會在一定程度上破壞植物種胚的細胞膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［30］。 即使胚根突破種皮后，高pH 值的堿性鹽溶液也會直接作用于根細胞， 導(dǎo)致萌發(fā)的胚根內(nèi)有毒有害離子含量急劇增加，從而使植物幼苗難以正常長成［26］。 因此，胚根是鹽堿脅迫下白羊草種胚的主要受害位點，相同Na+濃度鹽堿脅迫對白羊草胚根長的影響遠大于對胚芽長，這與黑果枸杞（Lycium ruthenicum）［31］的研究相似， 這可能是由于胚根與外界環(huán)境直接接觸，受到的損傷最大。 同時，在相同Na+濃度下，Na2CO3、NaHCO3脅迫下白羊草胚根長顯著 （P＜0.05）低于NaCl、Na2SO4脅迫，這可能是高pH 值的鹽堿脅迫直接作用于白羊草胚根細胞， 破壞了其正常的結(jié)構(gòu)與功能， 從而對其胚根生長的抑制作用更強［26］。

4 結(jié)論

NaCl、Na2SO4、Na2CO3和NaHCO3脅迫均對白羊草種子的萌芽及其幼苗生長具有抑制作用，且不同鹽堿種類、Na+濃度及兩者的交互作用對白羊草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時間、胚根長及胚芽長均存在極顯著（P＜0.01）影響，但白羊草種子萌發(fā)及幼苗生長可以耐受Na+濃度為10mmol/L 的NaCl、Na2SO4、Na2CO3或NaHCO3脅迫，且其對NaCl 和Na2SO4的耐性要高于對Na2CO3和NaHCO3的耐性。