鹽堿脅迫對(duì)甜瓜種子萌發(fā)的影響及綜合評(píng)價(jià)

楊麗敏，譚 海，戴冬洋，徐 鑫，王 超，王 嶺，盛云燕

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163316)

土壤鹽堿化已成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一[1]。黑龍江省大慶市地處我國(guó)松嫩平原，松嫩平原是世界三大鹽漬土集中分布地區(qū)之一，土壤類型屬于硫酸鹽蘇打鹽漬土[2]。松嫩平原鹽堿地一般既含有中性鹽(NaCl、Na2SO4)又含有堿性鹽(NaHCO3、Na2CO3)[3]。挖掘抗鹽堿品種，是利用鹽堿土壤，保持物種多樣性最有效的措施之一。鹽堿脅迫對(duì)植物種子萌發(fā)起抑制作用[4]，鹽漬化會(huì)影響種子的發(fā)芽速度、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)[5-6]。園藝作物中相關(guān)研究對(duì)象是番茄[7]、南瓜[8]、黃瓜[9]和西瓜[10]，普遍認(rèn)為甜瓜具有一定程度的耐鹽性[11]，隨著土壤鹽堿化加劇，甜瓜鹽堿脅迫的研究逐漸受到重視[12]。

甜瓜(CucumismeloL.)是葫蘆科一年生蔓性草本植物，是重要的園藝作物，沙土、沙壤土、黏土均可種植，耐貧瘠，在全世界廣泛種植，具有栽培周期短、投入產(chǎn)出高、增收顯著等優(yōu)點(diǎn)[13-14]。低濃度NaCl處理可促進(jìn)甜瓜種子的萌發(fā)及幼苗的生長(zhǎng)，NaCl濃度越高對(duì)甜瓜的抑制作用越明顯[15-19]。植物在逆境脅迫下會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧(ROS)，使細(xì)胞膜受損，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[20]。為減小活性氧傷害，植物進(jìn)化出了活性氧保護(hù)酶系統(tǒng)，可在脅迫環(huán)境下減少損傷[21-22]。酶清除系統(tǒng)包括超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)和過(guò)氧化物酶(POD)[23]。前人的研究主要集中在單一鹽脅迫或堿脅迫，鹽堿結(jié)合模擬土壤鹽堿水平對(duì)甜瓜萌發(fā)影響的相關(guān)研究較少。單一的鹽堿處理并不能完全模擬現(xiàn)有鹽堿化土壤成分，土壤中鹽化和堿化是相伴而生的，因此本研究模擬大慶市農(nóng)用黑鈣土中CO32-、HCO3-、Cl-和SO42-等4種陰離子的含量比例，配置不同濃度處理液，并利用隸屬函數(shù)值法和聚類分析法篩選和鑒定了42個(gè)甜瓜品種對(duì)鹽堿的耐性，以期篩選出耐鹽堿甜瓜品種，為大慶地區(qū)有效利用鹽堿化土壤及實(shí)現(xiàn)甜瓜高產(chǎn)和新品種的選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試甜瓜品種共42份，具體來(lái)源及品種名稱詳見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)大慶地區(qū)農(nóng)用黑鈣土中陰離子含量比例[24]配置鹽堿處理液(摩爾質(zhì)量比為Na2CO3∶NaHCO3∶NaCl∶Na2SO4=3∶57∶25∶15)。處理液濃度分別為100 mmol/L、200 mmol/L、250 mmol/L和260 mmol/L，對(duì)照組為清水催芽。

每個(gè)品種隨機(jī)挑選30粒飽滿的種子，每個(gè)處理3次重復(fù)，清水浸種8 h后，采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法，在培養(yǎng)皿中鋪一層濾紙，將種子置于濾紙上，處理液浸濕濾紙，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中。以露白作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，每天定時(shí)觀察記錄種子發(fā)芽數(shù)，觀察后更換濾紙以避免培養(yǎng)皿內(nèi)水分蒸發(fā)引起處理液濃度變化，共記錄7 d。

發(fā)芽率(%)=(7 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

發(fā)芽受損率(%)=[(對(duì)照發(fā)芽數(shù)-處理發(fā)芽數(shù))/對(duì)照發(fā)芽數(shù)]×100%；

發(fā)芽勢(shì)(%)=(前3 d發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

相對(duì)發(fā)芽勢(shì)(%)=(處理發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照發(fā)芽勢(shì))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt，式中，Gt為在t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)；

相對(duì)發(fā)芽指數(shù)(%)=(處理發(fā)芽指數(shù)/對(duì)照發(fā)芽指數(shù))×100%。

根據(jù)隸屬函數(shù)值結(jié)合聚類分析結(jié)果，分別在耐鹽堿型、較耐鹽堿型和鹽堿敏感型甜瓜品種中隨機(jī)挑選3個(gè)品種用于生理指標(biāo)的測(cè)定，參照J(rèn)ANG等[25]的方法測(cè)定SOD、POD、CAT活性。

1.3 數(shù)據(jù)分析

隸屬函數(shù)值[26]公式為：

X(ij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

其中，X(ij)表示i種類j指標(biāo)的隸屬值，Xij表示測(cè)定值；Xjmax表示指標(biāo)的最大值，Xjmin表示指標(biāo)的最小值。試驗(yàn)中發(fā)芽受損率表現(xiàn)為脅迫程度越大，受損程度越高，故發(fā)芽受損率采用反隸屬函數(shù)值法，公式為：

Xij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

采用Origin 2018和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用Duncan多重比較法(p<0.05)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用SPSS 20.0軟件對(duì)42份甜瓜材料各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行聚類分析[27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對(duì)甜瓜種子發(fā)芽率的影響

鹽堿脅迫對(duì)42個(gè)甜瓜品種發(fā)芽率的影響結(jié)果見(jiàn)表2，從表2可以看出，多數(shù)甜瓜品種隨著處理液濃度的增加發(fā)芽率降低，發(fā)芽受損率增加。其中6個(gè)(7223 M-231、44378、WI 998、HM 1-1、258、甜如蜜)甜瓜品種在低濃度處理時(shí)表現(xiàn)為促進(jìn)發(fā)芽。處理液濃度為250 mmol/L時(shí)，甜瓜種子萌發(fā)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，超過(guò)四分之三的甜瓜品種萌發(fā)受到抑制。當(dāng)處理液濃度為260 mmol/L時(shí)，Na+濃度為306.8 mmol/L，特大綠麻瓜、可真甜和懶瓜王3個(gè)品種萌發(fā)，其中特大綠麻瓜發(fā)芽率最高，為13.33%。

2.2 鹽堿脅迫對(duì)甜瓜種子發(fā)芽勢(shì)的影響

受鹽堿脅迫后的各甜瓜品種發(fā)芽勢(shì)隨著處理液濃度的增大而呈下降趨勢(shì)。不同品種甜瓜在相同濃度處理液處理后發(fā)芽勢(shì)間差異顯著(p<0.05)。處理液濃度為200 mmol/L，各甜瓜品種的發(fā)芽勢(shì)顯著低于對(duì)照處理，絕大多數(shù)品種相對(duì)發(fā)芽勢(shì)低于50%，抑制效果明顯，此濃度下相對(duì)發(fā)芽勢(shì)最高的品種為甜如蜜(77%)，處理液濃度達(dá)到260 mmol/L時(shí)各品種發(fā)芽勢(shì)均為0(見(jiàn)表3)。

表1 供試品種及來(lái)源Table 1 Varieties and sources of test materials

2.3 鹽堿脅迫對(duì)甜瓜種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由表4可見(jiàn)，各甜瓜品種的發(fā)芽指數(shù)平均值隨著處理液濃度的增大而呈下降趨勢(shì)。不同品種甜瓜在相同濃度處理液處理后發(fā)芽指數(shù)間差異顯著(p<0.05)。

處理液濃度為100 mmol/L時(shí)，有28份品種發(fā)芽指數(shù)顯著低于對(duì)照處理，其中11個(gè)品種相對(duì)發(fā)芽指數(shù)低于50%；處理液濃度為200 mmol/L時(shí)，各品種甜瓜的發(fā)芽指數(shù)顯著低于對(duì)照，25個(gè)甜瓜品種發(fā)芽指數(shù)接近0，抑制效果明顯。處理液濃度為260 mmol/L時(shí)，僅有特大綠麻瓜、可真甜和懶瓜王發(fā)芽指數(shù)不為0，其中特大綠麻瓜發(fā)芽指數(shù)最高，為1.46。

2.4 不同品種甜瓜種子耐鹽堿性綜合評(píng)價(jià)及聚類分析

計(jì)算42個(gè)品種甜瓜種子的6個(gè)指標(biāo)(發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽受損率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù))的隸屬函數(shù)值(隸屬函數(shù)值越大，甜瓜品種的耐鹽堿性越強(qiáng))，以隸屬函數(shù)值進(jìn)行聚類分析，綜合評(píng)價(jià)供試甜瓜品種的耐鹽堿性。以平方歐式距離11.5為標(biāo)準(zhǔn)將42個(gè)甜瓜品種分為三類，根據(jù)隸屬函數(shù)值綜合排名，第Ⅰ類為耐鹽堿性甜瓜品種，包括18個(gè)甜瓜品種，其中甜如蜜、懶瓜王、嘎嘎甜3個(gè)品種的隸屬函數(shù)值最高，綜合評(píng)價(jià)為最耐鹽堿型；第Ⅱ類為較耐鹽堿型甜瓜品種，包括吃不夠、甜如蜜2號(hào)、特大灰鼠子等15個(gè)品種；第Ⅲ類為鹽堿敏感型甜瓜品種，包括9個(gè)品種，其中MS-5、Top mark和甜脆花皮(燒瓜)3個(gè)品種對(duì)鹽堿脅迫最為敏感(圖1)。

圖1 鹽堿脅迫下甜瓜萌發(fā)期指標(biāo)隸屬函數(shù)值聚類分析Fig.1 Cluster analysis of membership function values of melon germination indexes under saline alkali stress

2.5 鹽堿脅迫下甜瓜萌發(fā)期抗氧化酶活性的測(cè)定

如圖2所示，耐鹽堿型、較耐鹽堿型和鹽堿敏感型的SOD活性隨著處理液濃度的增大呈先升后降的趨勢(shì)，在處理液濃度為50 mmol/L時(shí)達(dá)到高峰。耐鹽堿品種的POD活性隨處理液濃度的增加呈持續(xù)上升的趨勢(shì)；較耐鹽堿品種除嘎嘎甜外，其余品種POD活性隨處理液濃度的增加呈先升后降趨勢(shì)，但3個(gè)品種活性在處理液濃度為100 mmol/L時(shí)均大于對(duì)照；鹽堿敏感型品種的POD活性隨處理液濃度的增加呈先升后降的趨勢(shì)，在處理液濃度為100 mmol/L時(shí)低于對(duì)照。CAT活性在耐鹽堿型、較耐鹽堿型和鹽堿敏感型品種中無(wú)同一趨勢(shì)，鹽堿敏感品種CAT活性的變化較其他兩類品種(耐鹽堿品種和較耐鹽堿型品種)明顯，總體呈下降趨勢(shì)。

圖2 鹽堿脅迫下甜瓜萌發(fā)期抗氧化酶活性的測(cè)定Fig.2 Determination of antioxidant enzyme activity of muskmelon in germination period under salt-alkali stress

表2 鹽堿脅迫對(duì)甜瓜種子發(fā)芽率的影響Table 2 Effect of salt-alkali stress on seed germination rate of melon

表3 鹽堿脅迫對(duì)甜瓜種子發(fā)芽勢(shì)的影響Table 3 Effect of salt-alkali stress on seed germination potential of melon

表4 鹽堿脅迫對(duì)甜瓜種子發(fā)芽指數(shù)的影響Table 4 Effect of salt-alkali stress on seed germination index of melon

3 討 論

鹽堿脅迫是常見(jiàn)的非生物脅迫，鹽堿脅迫是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，植物對(duì)鹽堿脅迫的承受程度決定植物生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制的程度[28]。陳映彤等[29]研究表明，低濃度的鹽堿脅迫可促進(jìn)甜瓜產(chǎn)量形成和品質(zhì)改善。朱春燕[30]研究顯示，高濃度鹽脅迫會(huì)降低甜瓜果實(shí)品質(zhì)。篩選和鑒定耐鹽堿甜瓜品種，有利于對(duì)鹽堿化土壤的利用，提高果實(shí)品質(zhì)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在處理液濃度為260 mmol/L時(shí)，從42個(gè)品種中篩選得到特大綠麻瓜、可真甜和懶瓜王3個(gè)耐鹽堿甜瓜品種，通過(guò)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)3個(gè)指標(biāo)以及其能耐受的鹽堿濃度進(jìn)行判斷，特大綠麻瓜為最耐鹽堿的甜瓜品種。鹽堿脅迫下，甜瓜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)發(fā)生變化，隨著濃度的增大抑制作用加強(qiáng)；部分甜瓜品種在100 mmol/L處理液下發(fā)芽率沒(méi)有明顯變化，但是發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均受到影響，說(shuō)明此濃度的鹽堿處理對(duì)種子的萌發(fā)速度有一定的影響。

當(dāng)處理液濃度達(dá)到200 mmol/L以上時(shí)，不同品種間的差異顯著，結(jié)果與大多數(shù)單鹽[18,31-34]、復(fù)合鹽堿(海水)[35-36]脅迫對(duì)甜瓜萌發(fā)的研究結(jié)果相符，本試驗(yàn)認(rèn)為，200～250 mmol/L處理液可用于篩選甜瓜耐鹽堿品種。

種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)是植物生長(zhǎng)繁殖的關(guān)鍵階段，種子在鹽堿環(huán)境下的發(fā)芽能力和幼苗生長(zhǎng)情況可直接影響植物形態(tài)建成，從而影響植株的生殖生長(zhǎng)[37]。朱春燕等[38]將發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)3個(gè)指標(biāo)作為甜瓜耐鹽性品種鑒定的重要指標(biāo)，其次是發(fā)芽受損率和平均發(fā)芽天數(shù)。本研究中，發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)隨著鹽堿處理濃度的上升呈降低趨勢(shì)，與趙寧等[39]和徐志然等[40]的研究結(jié)果一致。

鹽堿脅迫使植物體內(nèi)積累過(guò)多的活性氧,如不能及時(shí)清除會(huì)引起一系列不良反應(yīng)，進(jìn)而影響植物正常生長(zhǎng)[19,41]。超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶和過(guò)氧化氫酶是植物重要的抗氧化酶，它們協(xié)同作用能有效清除活性氧，將其轉(zhuǎn)化為水等無(wú)害物質(zhì)從而保護(hù)植物。本研究中，超氧化物歧化酶活性在處理液濃度為50 mmol/L時(shí)達(dá)到高峰，說(shuō)明甜瓜在受到較低的鹽堿脅迫時(shí)超氧化物歧化酶活性有所升高，用以抵御脅迫帶來(lái)的傷害，當(dāng)處理液濃度達(dá)到100 mmol/L時(shí)，活性氧積累量超出抗氧化酶系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，致使超氧化物歧化酶活性下降。在抗氧化酶系統(tǒng)中，超氧化物歧化酶是第一道防線，在供試甜瓜中超氧化物歧化酶值均呈先升后降趨勢(shì)，這與鄭譯儒等[42]的研究結(jié)果相似；供試甜瓜耐鹽堿型、較耐鹽堿型和鹽堿敏感型的過(guò)氧化物酶活性有較大差異。耐鹽堿品種的過(guò)氧化物酶活性呈上升趨勢(shì)，鹽堿敏感品種則呈低鹽堿脅迫下酶活性升高，高鹽堿脅迫酶活性下降的趨勢(shì)，這可能與其耐鹽堿性有關(guān)，此時(shí)維持較高的保護(hù)酶活性可以降低鹽堿脅迫對(duì)種子的影響，保護(hù)種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)。在較輕的鹽堿脅迫下，植物可通過(guò)增加抗氧化酶的活性來(lái)消除脅迫帶來(lái)的影響，隨著鹽堿脅迫的增強(qiáng)，超出植物自身的調(diào)節(jié)能力，導(dǎo)致抗氧化酶活性下降，活性氧無(wú)法被及時(shí)清除，影響種子的正常萌發(fā)以及生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致其死亡。

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)中，混合鹽堿處理液濃度為200～250mmol/L最能反映甜瓜在鹽堿脅迫下的差異，可用于甜瓜耐鹽堿品種的大批量篩選。通過(guò)聚類分析結(jié)合隸屬函數(shù)值綜合分析，耐鹽堿品種為甜如蜜、懶瓜王、嘎嘎甜；鹽堿敏感型品種為甜脆花皮(燒瓜)、Top mark、MS-5。