亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子萌發(fā)特性的影響

張美茜，王曉琴，關海濱，邢昱舒，張 英，于 娟，賈 鑫

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學藥學院，呼和浩特 010110)

土壤鹽堿化是指由于自然或人為的原因，土壤表面的鹽分含量持續(xù)升高，直至超出一定范圍的現(xiàn)象和過程[1]。土壤鹽堿化影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、嚴重制約農(nóng)業(yè)發(fā)展，抑制植物生長發(fā)育，是一個不可忽視的環(huán)境問題。高鹽可使作物產(chǎn)量減少，使水勢下降，引起離子平衡，從而引起植物中毒甚至死亡[2]。我國鹽堿地主要由中性鹽(如NaCl和Na2SO4)組成，蘇打鹽堿地是以Na2CO3和NaHCO3等堿性鹽類為主?；旌消}堿地較好地反映了鹽漬土壤的實際含鹽量，也更能反映作物的適應性。鹽堿對植物生長、光合、蛋白合成、能量、脂代謝等各方面都有一定的影響。于明倩等[3]對混合鹽堿脅迫下紫花苜蓿幼苗生長和生理特性的影響研究中顯示，混合鹽堿脅迫抑制了葉綠素合成酶和相關蛋白的活性，使葉綠素合成途徑被破壞，葉綠素含量下降，導致光合作用降低，從而抑制了紫花苜蓿的生長發(fā)育；Huang L等[4]研究表明，在混合鹽堿脅迫下，植物通過蒸騰流過度吸收Na+和Cl-會導致細胞毒性和營養(yǎng)失衡，即長期離子脅迫。因此，如何改良和加大鹽堿地的利用是目前研究的熱點問題。

多胺是一類常存于生物體內(nèi)的小分子含氮堿，它參與了植物的全生命周期，并且與其抗逆性密切相關[5]。高等植物體內(nèi)常見的多胺有腐胺(Put)、亞精胺(Spd)、精胺(Spm)等[6]。亞精胺對植物的影響作用比其他多胺類化合物更為顯著[7]。亞精胺廣泛存在于各種動物和植物的細胞中。大量的實驗結果顯示，在外施一定濃度的亞精胺時可以增強植株抗各種非生物脅迫能力，如鹽脅迫[8]，高溫脅迫[9]，重金屬脅迫[10]等。

桔梗(Platycodongrandiflorum(Jacq.) A.DC)為多年生草本植物，屬于桔?？平酃伲愿胨?，具有宣肺、利咽，祛痰、排膿的功效[11]。近年來，隨著野生資源的逐漸減少，桔梗主要來源于人工栽培，但在栽培過程中，制約桔梗大面積種植的重要因素是土地鹽堿化，并且導致桔梗種子發(fā)芽困難，幼苗存活率低等現(xiàn)象，嚴重影響了桔梗的產(chǎn)量和品質(zhì)。提高桔梗種子耐鹽堿性，尋求在鹽堿環(huán)境下桔梗種子高效萌發(fā)的方法是提升產(chǎn)量和品質(zhì)的關鍵因素。因此，本研究通過將兩種中性鹽(NaCl，Na2SO4)和兩種堿性鹽(NaHCO3，Na2CO3)按不同比例進行混合來模擬不同的鹽堿環(huán)境，研究不同濃度鹽堿環(huán)境下對桔梗種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和相對鹽害率的影響，并研究不同濃度亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子萌發(fā)特性的影響，以明確亞精胺是否可以增強混合鹽堿脅迫下桔梗種子的發(fā)芽能力，為桔梗標準化栽培中鹽堿地的利用，以及改善其耐鹽堿性能提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試桔梗種子采自內(nèi)蒙古醫(yī)科大學植物園，由王曉琴教授鑒定為桔梗種子，于2020年9月上旬采收，貯存在種子貯藏柜中，2020年10月開始實驗。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗處理

選取健康、完整、顆粒飽滿、大小均勻的桔梗種子，用1%的次氯酸鈉消毒10 min，蒸餾水沖洗3～4次，至種子無味后放置培養(yǎng)皿中浸種48 h，將浸種催芽后的種子分散放置在墊有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿播種50粒。

1.2.2混合鹽堿脅迫對桔梗種子萌發(fā)的影響

將NaCl和Na2SO4兩種中性鹽及Na2CO3和NaHCO3兩種堿性鹽按照不同比例混合。設為A、B、C、D、E等5個處理組，每組內(nèi)設置4個鹽處理濃度，分別為50，100，150，200 mmol/L，共模擬出20個不同鹽堿濃度及不同pH值的混合鹽堿處理，詳見表1。

1.2.3亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子萌發(fā)的影響

分別用0.1 mmol/L，0.25 mmol/L，0.5 mmol/L，1.0 mmol/L亞精胺溶液浸種48 h，根據(jù)上述試驗篩選出的對桔梗種子萌發(fā)抑制最顯著的混合鹽堿濃度組合C(1∶9∶9∶1)進行脅迫處理，以蒸餾水和純脅迫組為對照。所有處理均重復3次，在溫度(25±2)℃，光照12 h，黑暗12 h，光照強度4 000 lx的全自動光照培養(yǎng)箱中萌發(fā)。

1.3 指標測定

每日按時統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)，參照GB/T 18274.4-2000國家標準，第3天統(tǒng)計發(fā)芽勢、第10天統(tǒng)計發(fā)芽率。并計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及相對鹽害率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

以胚芽突破種皮并超出種子自身長度1/2視為發(fā)芽。種子萌發(fā)指標及計算公式如下：

發(fā)芽率(%)=(n/N)×100%，n為10 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)；N為供試種子粒數(shù)；

發(fā)芽勢(%)=(n/N)×100%，n為前3 d發(fā)芽種子數(shù)；N為供試種子粒數(shù)；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gn/Dn，Gn為第n天種子發(fā)芽的個數(shù)；Dn為發(fā)芽天數(shù)；

表1 各處理組鹽分組成、摩爾比及pH值Table 1 Salt composition, molar ratio and pH of each treatment group

活力指數(shù)=Gi×S，Gi表示發(fā)芽指數(shù)，S表示胚根長度(mm)[12]。

采用Microsoft Excel 2019軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析、作圖。數(shù)據(jù)以“平均值±標準誤”表示，以p<0.05為差異顯著性判斷標準。

2 結果與分析

2.1 混合鹽堿脅迫對桔梗種子萌發(fā)的影響

2.1.1混合鹽堿脅迫對桔梗種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響

如圖1所示，不同混合比例的鹽堿脅迫下桔梗種子的發(fā)芽率均隨鹽堿濃度的升高而下降。同一濃度下的不同處理組中，以C處理組中發(fā)芽率降低最為顯著。當混合鹽堿濃度為200 mmol/L，C處理組中桔梗種子的發(fā)芽率降為最低，僅為8.67%，同比其他處理組中分別降低了68.3%、55.2%、49.9%和65.8%。在A、B、C、D、E等5個不同的處理組中，每組pH值隨堿性鹽所占比例的增加而增加，而發(fā)芽率卻隨之降低，說明堿性鹽對桔梗種子發(fā)芽率的抑制作用強于中性鹽。

注：不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 混合鹽堿脅迫對桔梗種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effects of mixed saline-alkali stress on seed germination of Platycodon grandiflorum

發(fā)芽勢可以反映種子萌發(fā)的強弱[13]。由圖2可知，與對照組相比，5組處理中，發(fā)芽勢均隨混合鹽堿濃度的升高而降低，且在C處理組下發(fā)芽勢最低?；旌消}堿脅迫對桔梗種子發(fā)芽勢的影響與對發(fā)芽率的影響基本相同。

圖2 混合鹽堿脅迫對桔梗種子發(fā)芽勢的影響Fig.2 Effects of mixed saline-alkali stress on seed germination potential of Platycodon grandiflorum

發(fā)芽指數(shù)反映了種子萌發(fā)期的綜合活力，發(fā)芽指數(shù)越大表明種子萌發(fā)速度越快、活力也越高，也是逐日發(fā)芽率的累積，表示發(fā)芽的速度[14]。由圖3可知，同對照組相比，各處理組的發(fā)芽指數(shù)均隨鹽濃度的升高而下降。A處理組中各混合鹽堿濃度下pH值接近中性，此時的發(fā)芽指數(shù)最高，隨著堿性鹽所占比例的增加，pH值隨之升高，而發(fā)芽指數(shù)隨之降低。說明堿性鹽對桔梗種子發(fā)芽指數(shù)的抑制作用強于中性鹽。C處理組下鹽濃度為200 mmol/L時種子發(fā)芽指數(shù)僅為1.11，說明較高鹽濃度下即使種子可以萌發(fā)，其萌發(fā)速度也受到強烈抑制而十分緩慢。

活力指數(shù)反映了種子的生命力，其活力指數(shù)越高，生命力越強[15]。與對照組相比，A、B、C、D、E不同鹽堿組合下的5種鹽堿濃度均不同程度地抑制了桔梗種子萌發(fā)的活力指數(shù)，隨鹽濃度的升高均呈下降趨勢(圖4)。C處理組中各鹽堿濃度下的活力指數(shù)最低，鹽堿濃度在200 mmol/L時僅有1.22。且隨pH值的升高，活力指數(shù)先降低后升高直至與對照組相近，說明pH值在9.0～9.2之間時，對桔梗種子活力指數(shù)的抑制作用最大，說明堿性鹽對桔梗種子萌發(fā)的抑制作用強于中性鹽。

圖3 混合鹽堿脅迫對桔梗種子發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.3 Effects of mixed saline-alkali stress on the seed germination index of Platycodon grandiflorum

圖4 混合鹽堿脅迫對桔梗種子活力指數(shù)的影響Fig.4 Effects of mixed saline-alkali stress on seed viability index of Platycodon grandiflorus

2.1.2混合鹽堿脅迫對桔梗種子相對鹽害率的影響

相對鹽害率代表鹽堿脅迫下對種子萌發(fā)所產(chǎn)生的傷害程度。如圖5所示，隨著鹽堿濃度的增加相對鹽害率基本均呈上升的趨勢。A組的相對鹽害率最小，C組的相對鹽害率最大，其他處理對桔梗種子均有明顯的鹽害效應，并且在同一鹽分濃度下，堿性鹽對桔梗種子的損害大于中性鹽。

2.2 脅迫因子與各發(fā)芽指標間的回歸分析

以混合鹽堿脅迫的鹽堿濃度(x1)和pH(x2)為脅迫因素，以發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和相對鹽害率為因子進行逐步回歸。從表2可以看出，鹽堿濃度的p值均<0.01，除了相對鹽害率與鹽堿濃度呈顯著正相關，其他發(fā)芽指標均與鹽堿濃度呈顯著負相關，且相關系數(shù)越大，說明影響越顯著?？梢?，影響桔梗種子萌發(fā)的主要因子是鹽堿含量。

圖5 混合鹽堿脅迫下桔梗種子的相對鹽害率Fig.5 Comparison of relative salt damage rates of Platycodon grandiflorus seeds under mixed saline-alkali stress

表2 鹽堿脅迫濃度與發(fā)芽指標回歸分析Table 2 Regression analysis of saline-alkali stress concentration with germination index

2.3 亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子萌發(fā)的影響

2.3.1亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子發(fā)芽率的影響

由圖6可知，混合鹽堿脅迫抑制了桔梗種子的發(fā)芽率，在混合鹽堿脅迫基礎上添加不同濃度的亞精胺后，發(fā)芽率隨著亞精胺濃度的升高，呈先增加后降低的趨勢。亞精胺濃度在0.1、0.25、0.5 mmol/L時，桔梗種子的發(fā)芽率呈上升趨勢，在不同濃度脅迫處理組中，均在使用0.5 mmol/L亞精胺后，發(fā)芽率達到了最大值，而在亞精胺濃度為1.0 mmol/L時，桔梗種子發(fā)芽率呈下降趨勢。

圖6 亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子發(fā)芽率的影響Fig.6 Effects of spermidine on the seed germination rate of Platycodon grandiflorus under mixedsaline-alkali stress

2.3.2亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子發(fā)芽勢的影響

由圖7可知，亞精胺濃度在0.5 mmol/L時，對各混合鹽堿濃度下的桔梗種子發(fā)芽勢均達到了最大促進作用。當亞精胺濃度達到1.0 mmol/L時，對桔梗種子的發(fā)芽勢產(chǎn)生了抑制作用，亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子發(fā)芽勢的影響與發(fā)芽率基本相同。由此可知，亞精胺在適宜濃度范圍內(nèi)具有緩解鹽堿脅迫的作用，超過一定濃度反而會加劇鹽堿脅迫對桔梗種子生長發(fā)育的抑制。

圖7 亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子發(fā)芽勢的影響Fig.7 Effects of spermidine on seed germination potential of Platycodon grandiflorum under mixed saline-alkali stress

2.3.3亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖8可知，與單一脅迫組相比，各混合鹽堿濃度下，發(fā)芽指數(shù)均在亞精胺為0.5 mmol/L時達到了最大促進作用。在亞精胺為1.0 mmol/L時，各處理組的發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢，最明顯的是濃度為50 mmol/L時，加入1.0 mmol/L亞精胺后發(fā)芽指數(shù)由12.56下降為4.66。由此可知，在適宜的濃度范圍內(nèi)，亞精胺對種子的發(fā)芽起到了促進作用，但超過適宜的濃度，種子的發(fā)芽會受到抑制。

圖8 亞精胺對混合鹽堿脅迫下桔梗種子發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.8 Effects of spermidine on seed germination index of Platycodon grandiflorus under mixed saline-alkali stress

3 討 論

種子萌發(fā)期是植株生長最易受鹽害影響的時期，鹽堿脅迫會抑制種子萌發(fā)[17]。在逆境條件下，種子能否整齊、快速、健壯地發(fā)芽，將直接影響植株的生長和產(chǎn)量[18]。已有的研究顯示，堿性鹽脅迫對植物種子發(fā)芽的抑制作用比中性鹽脅迫要強[19]，這是因為在堿脅迫下，環(huán)境pH值偏高，而高pH值又是對種子發(fā)芽的最大威脅因素。因此，本研究比較分析了不同濃度混合鹽堿脅迫下對桔梗種子萌發(fā)特性的影響。各萌發(fā)指標是鑒定種子活力的主要依據(jù)，通過種子在不同濃度的混合鹽堿脅迫條件下的萌發(fā)情況，也可以判斷出其對鹽堿的抗性。本研究中，隨混合鹽堿脅迫濃度的上升，pH值也隨之升高，桔梗種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等萌發(fā)指標與對照組相比均有不同程度的下降，相對鹽害率隨混合鹽堿脅迫濃度的升高而升高，對桔梗種子的萌發(fā)有顯著抑制作用，并且相同鹽堿濃度條件下堿性鹽比中性鹽對種子傷害作用更大。這與陸婷等[20]研究混合鹽堿脅迫對橡膠草種子萌發(fā)的影響的結論一致。隨著土壤含鹽堿量的增加，植物種子萌發(fā)受到抑制是普遍規(guī)律，但是有很多研究表明，在某些植物中低濃度的鹽類對種子萌芽有促進作用[21]。然而在本研究中，最低混合脅迫濃度為50 mmol/L時，其對桔梗種子的萌發(fā)具有抑制作用，其他處理則隨鹽堿含量的增加各指標均降低，未見低鹽對桔梗種子發(fā)芽的影響。較低的鹽分濃度對桔梗種子萌發(fā)是否產(chǎn)生促進作用，有待進一步的研究。

多胺類物質(zhì)作為一種生長調(diào)節(jié)劑，對鹽堿脅迫下的種子萌發(fā)具有較好的促進作用。亞精胺是一種具有陽離子的多胺類化合物，它能與NaCl生成的負離子結合，來減輕鹽害對植物的影響[22]。但亞精胺的作用效果與其使用濃度密切相關。段九菊等[23]研究了外源亞精胺對鹽堿脅迫下黃瓜幼苗耐鹽性的影響，結果表明，低濃度(0.01～0.10 mmol/L)的亞精胺能減輕單位面積內(nèi)葉綠素的積累，促進黃瓜幼苗的生長，而高濃度(0.01～0.10 mmol/L)亞精胺對黃瓜幼苗生長產(chǎn)生了抑制作用，最大程度促進黃瓜幼苗生長的亞精胺濃度為0.10 mmol/L。于偉[24]研究表明，茄子種子萌發(fā)最適宜的亞精胺濃度為1.0 mmol/L，這一濃度下大部分萌發(fā)指標的增長幅度均降低。本實驗中，隨著亞精胺濃度的增加，桔梗種子萌發(fā)指標均有不同程度的提高，并均在亞精胺濃度為0.5 mmol/L時達到最高，但當亞精胺濃度升高至1.0 mmol/L時，反而加重了混合鹽堿脅迫對桔梗種子萌發(fā)的抑制，與對照組相比，萌發(fā)指標均呈下降趨勢。這一結果與上述研究和前人在亞精胺對苜蓿[25]、番茄[26]、紫蘇[27]和辣椒[28]的種子及幼苗的生長發(fā)育中的研究結果一致。可以發(fā)現(xiàn)，各試驗中最佳亞精胺濃度的閾值存在一定的差異，這與不同的混合鹽堿脅迫強度、不同植物的種類及不同的植物品種對亞精胺的耐受力有一定的關系。

4 結 論

綜上，混合鹽堿處理能明顯地抑制桔梗種子的萌發(fā)，而在同等混合鹽堿水平下，堿性鹽對種子的損害大于中性鹽，在本研究中，混合鹽堿脅迫C(1∶9∶9∶1)處理組對桔梗種子萌發(fā)的抑制作用最為顯著。在混合鹽堿條件下，加入適量的外源物質(zhì)亞精胺能有效地促進桔梗種子萌發(fā)，緩解混合鹽堿脅迫造成的抑制作用，但當亞精胺濃度過高時，反而會加重抑制作用，本研究中以0.5 mmol/L的亞精胺濃度對混合鹽堿脅迫的緩解效果最佳，可有效提高桔梗種子的抗鹽堿性。