混合鹽脅迫對油菜種子萌發(fā)的影響

紀振冬，周培祿，丁小飛，夏 乾，駱弟宏，龍 莉

（天津農學院 農學與資源環(huán)境學院，天津 300384）

油菜是我國第一大油料作物，年種植面積達600 萬hm2以上，其中長江流域約占85%[1]，天津油菜種植面積也達到200 hm2。雖然油菜種植面積同比前兩年有所減少，但仍是天津油料作物占比最多的作物。同時，油菜也是我國發(fā)展鹽堿農業(yè)中重要的候選油料作物[2]。而在鹽脅迫作物生長的過程中，種子萌發(fā)期的耐鹽性強弱決定了種子能否在鹽漬土壤中出苗，故種子萌發(fā)是植物得以生存和延續(xù)的重要階段[3]，更是植物更好適應環(huán)境的變化和成功建植的關鍵。近年來，我國不規(guī)范的土地種植模式、不合理的灌溉方法等現象，使得土地鹽堿化日益加重，成為影響種子生長、降低產量的主要環(huán)境問題之一[2]。鹽脅迫條件下，細胞滲透勢升高，可抑制植物對水分的吸收，從而造成植物體的生理干旱，降低植物生物量的積累[4]。堿性鹽脅迫產生的高pH 值和離子毒害作用，可抑制植物碳同化率，降低同化量，從而間接影響植物的正常生長[5]。研究表明，堿性鹽脅迫與中性鹽脅迫相比，堿性鹽脅迫對植株的生長發(fā)育、生化機理的破壞力更強[6]。油菜具有一定的耐鹽堿能力，而種子萌發(fā)階段是油菜一生中耐鹽性最敏感的階段，種子萌發(fā)階段決定了油菜是否能在鹽堿地里進行生長發(fā)育的關鍵時期[5,7]。在鹽堿條件下，油菜播種后容易出現出苗慢、出苗不齊和死苗等現象，難以實現壯苗齊苗，導致油菜籽產量和種植效益下降。

據不完全統計，我國鹽漬土總面積約360 萬hm2，而其中耕地面積約為92 萬hm2，占我國總鹽漬土面積的25.5%，這已經嚴重的制約了我國農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[8-9]，這些鹽堿土主要分布在我國的東北、華北、西北內陸地區(qū)，以及長江以北的沿海地帶[10]。天津鹽堿化較為嚴重，根據天津市第二次土壤普查結果和《天津土種志》《天津市農業(yè)資源和農業(yè)區(qū)劃圖集》等相關文獻和資料顯示，天津鹽堿土總面積為49.3 萬hm2，面積占到了全市土地總面積的42.3%[11]。天津市耕地面積有限和工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的發(fā)展等因素，使得本就可利用的耕地面積不斷減少，故合理開發(fā)沿海灘涂堿地成為了解決糧食安全的優(yōu)質解決辦法。因此，本試驗通過將NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO34 種鹽溶液，按不同的比例混合進行處理，圍繞不同pH 值下不同濃度的混合鹽脅迫對油菜種子萌發(fā)過程及恢復萌發(fā)的影響，分析油菜種子在萌發(fā)過程中對堿、鹽脅迫耐性和油菜種子耐堿、耐鹽的能力，闡明其在堿性鹽脅迫下的一系列生理萌發(fā)機制，為油菜鹽堿種植提供理論依據和數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

‘秦優(yōu)1618’為陜西省雜交油菜中心培育的半冬性、中晚熟、甘藍型的雜交種油菜品種，其生長特點為低感菌核病、中抗病毒病、中抗白粉病、抗倒性強、抗寒性好、適宜機械化栽培、適種范圍廣等特點，是一個綜合性能十分優(yōu)異的品種。

1.2 鹽堿脅迫條件設計

采取單因素隨機區(qū)組的試驗設計，以NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO34 種鹽配制3 組不同比例的培養(yǎng)液，得到不同pH 值（分別為7.20、8.00、8.85、9.61）的4 組（SA、SB、SC、SD）堿性鹽培養(yǎng)液，每組設有50、100、150、200 mmol·L-14 個不同的濃度梯度，且每個處理組的pH 值相同，再用蒸餾水（pH 值為7）作為對照組（CK），重復3 次。

表1 堿性鹽溶液各組分配比（摩爾濃度比）及其對應的pH 值

1.3 油菜種子萌發(fā)試驗

1.3.1 種子準備 挑選籽粒飽滿、表面光澤的油菜種子，使用濃度為0.01%的高錳酸鉀溶液消毒30 min，再將經過消毒后油菜種子用蒸餾水反復沖洗5遍、晾干，以作備用。

1.3.2 萌發(fā)處理 選擇直徑為90 mm 的玻璃培養(yǎng)皿，皿內放入雙層濾紙作為紙床，分別滴加不同濃度的堿性鹽溶液潤濕雙層濾紙，傾斜45°無明水時達到濾紙飽和點。在處理好的玻璃培養(yǎng)皿中整齊有序的放入60 粒油菜種子，每個處理組需要3 次重復；為玻璃培養(yǎng)皿蓋蓋，最后將培養(yǎng)皿放入（25±1）℃恒溫培養(yǎng)箱中進行避光培養(yǎng)；萌發(fā)過程中，每間隔24 h 為種子更換1 次相應的飽和堿性鹽濾紙，以確保堿性鹽溶液濃度的一致性。

1.3.3 測定指標 每隔24 h 需要觀察并記錄1 次每個培養(yǎng)皿中的萌發(fā)種子數，連續(xù)觀察7 d，以芽長＞2 mm 為發(fā)芽標準。之后，將還未萌發(fā)的種子用蒸餾水反復沖洗5～6 次，轉至蒸餾水中再繼續(xù)培養(yǎng)7 d，檢測種子的恢復萌發(fā)情況。已萌發(fā)的種子在原培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)至10 d，于每皿隨機取10 份樣品測定其芽長和根長，以及隨機抽取30 株拭干后測其鮮質量（不到30 株時，將已萌發(fā)的樣品全部測定，取平均數）。

1.4 數據統計與分析

式中，GN 為種子萌發(fā)總數；SN 為供試種子總數（60粒）；Gt 為當日萌發(fā)的種子數，單位為個；Dt 為相應的萌發(fā)天數，d；A 是試驗中每組的最終萌發(fā)種子數量、B 是堿性鹽溶液處理下的種子萌發(fā)數量、C 是供試種子數（60 粒），單位為粒。

采用SPSS22.0、Office 2016 和Sigma Plot 12.0等軟件進行數據進行統計和分析，采用最小差異顯著法（LSD 法）檢驗處理間的顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 混合鹽脅迫對油菜種子萌發(fā)參數的影響

2.1.1 日萌發(fā)數 由圖1 可以看出，油菜種子在不同濃度的堿性鹽脅迫條件下，油菜種子的日萌發(fā)數隨著試驗天數的增加呈單峰變化趨勢。CK 處理在第2 天日萌發(fā)數為33 粒，日發(fā)芽種子數達到最高峰。與對照相比，各脅迫處理單日最大萌發(fā)數的天數都有1～2 d 的推遲。因此，選取第2 天作為種子發(fā)芽勢計算標準。

圖1 堿性鹽溶液各組分配比（摩爾濃度比）及其對應的pH 值

2.1.2 萌發(fā)率 由圖2 可以看出，不同濃度的鹽堿脅迫處理后，油菜種子的萌發(fā)變化曲線相似，前3 d種子萌發(fā)率增長較快。隨著處理天數的增加，種子萌發(fā)率呈緩慢增長趨勢，且隨鹽堿脅迫處理pH 值的增加，種子萌發(fā)率下降明顯；在同一pH 值處理條件下，隨著鹽堿脅迫處理濃度的增加，種子萌發(fā)率均呈下降趨勢。

圖2 堿性鹽脅迫下油菜種子的累計萌發(fā)率

由表2 可知，處理7 d 后，油菜種子對照組的萌發(fā)率為93.3%，復水后最終萌發(fā)率達94.4%；鹽堿脅迫處理濃度為50 mmol·L-1時，SA 和SB 處理組種子萌發(fā)率較對照組分別下降6.11%、10.0%，復水后最終萌發(fā)率分別下降3.88%、4.44%，差異均不顯著（P＞0.05），SC 和SD 處理組種子萌發(fā)率較對照組分別下降1.66%、15%，復水后最終萌發(fā)率分別下降2.22%、13.33%，均達顯著水平（P＜0.05）。當鹽堿脅迫處理濃度超過50 mmol·L-1時（100、150 mmol·L-1），各脅迫處理組的種子萌發(fā)率和最終萌發(fā)率均顯著低于對照處理（P＜0.05）。值得注意的是，當pH 值為8.85（處理組C），濃度為100、150 mmol·L-1時種子萌發(fā)率分別為68.3%、54.4%；當pH 值為9.61（處理組D），濃度為100、150 mmol·L-1時種子萌發(fā)率分別為37.8%、30.6%，遠低于同組低濃度處理和對照組，未萌發(fā)種子復水后沒有再次萌發(fā)，種子失活。

表2 混合鹽脅迫下油菜種子的萌發(fā)率及復水后的恢復情況

2.1.3 發(fā)芽勢和發(fā)芽指數 由表3 可以看出，在同一pH 值處理條件下，隨著鹽堿脅迫濃度的增加，油菜種子的發(fā)芽指數、發(fā)芽勢呈下降趨勢，相對鹽害率逐漸上升，對油菜種子的萌發(fā)的抑制作用愈發(fā)明顯。對照組的油菜種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數分別為55%、23.2，顯著高于各脅迫處理種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數（P ＜0.05）。在同一pH 值處理條件下，當濃度從50 mmol·L-1增加到200 mmol·L-1時，發(fā)芽指數分別下降11.0%、14.6%、14.1%、13.5%，發(fā)芽勢分別下降35.0%、30.6%、40.0%、38.3%，相對鹽害率分別增加31.6%、62.4%、40.0%、51.3%；同一脅迫濃度下，隨pH 值的增加（SA-SD），油菜種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數整體下降趨勢，相對鹽害率增加。

表3 混合鹽脅迫下油菜種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數及相對鹽害率

2.1.4 鹽堿濃度、pH 值及其交互作用對油菜種子萌發(fā)參數的影響 由表4 可知，鹽溶液濃度、pH 值及其互交作用對油菜種子的發(fā)芽指數、發(fā)芽勢、相對鹽害率、種子萌發(fā)率、恢復萌發(fā)率、最終萌發(fā)率均有不同程度的影響。鹽溶液濃度對油菜種子的上述各項參數均有極顯著的影響（P＜0.01）。pH 值及鹽濃度與pH 值互交作用對油菜種子的發(fā)芽勢和恢復萌發(fā)率的影響不顯著（P＞0.05），對油菜種子的發(fā)芽指數、相對鹽害率、種子萌發(fā)率和最終萌發(fā)率有極顯著的影響（P＜0.01）。

表4 鹽堿濃度、pH 值及其交互作用對油菜種子萌發(fā)參數的影響

2.2 混合鹽脅迫對油菜幼苗形態(tài)指標的影響

2.2.1 形態(tài)指標 由圖3 可知，與對照組相比，鹽堿脅迫使油菜種子主根長和根鮮質量均受到不同程度的降低。其中，SA-50 mmol·L-1處理主根長度較CK降低13.7%，差異不顯著（P＞0.05），其余處理均顯著低于CK（P＜0.05），且隨濃度和pH 值的升高，主根長度降低幅度越大。SA 處理濃度為50 mmol·L-1時，芽鮮質量較CK 處理增加15.7%，但差異不顯著（P＞0.05），其余處理芽鮮質量和根鮮質量均顯著低于CK（P＜0.05），且隨濃度和pH 值的升高，芽鮮質量和根鮮質量降低幅度越大。這說明混合鹽濃度的升高通過增加溶液滲透勢限制根系對水分的吸收從而抑制胚根和胚芽的伸長生長，而高pH 值會進一步破壞了根系的活力抑制胚根和胚芽的發(fā)育。

圖3 混合鹽脅迫下油菜種子的形態(tài)指標的影響

2.2.2 混合鹽脅迫對油菜種子萌發(fā)后生長參數的影響 由表5 可知，堿性鹽溶液濃度、pH 值及其互交作用對油菜的芽鮮質量、根鮮質量、根芽比均有不同程度的影響。堿性鹽溶液濃度及pH 值對油菜種子的上述各項參數均有極顯著的影響（P＜0.01）。堿性鹽溶液濃度與pH 值互交作用對油菜芽鮮質量、根鮮質量的影響顯著（P＜0.05），對根長的影響不顯著（P＞0.05），對根芽比有極顯著的影響(P＜0.01)。因此，堿性鹽濃度個pH 值在油菜種子的萌發(fā)過程中均占據主導地位。

表5 鹽堿濃度、pH 值及其交互作用油菜生長參數的影響

3 討論與結論

土壤鹽漬化已經成為了世界范圍內影響植物生長主要的非生物脅迫之一，它會導致全球可利用的耕地面積隨鹽漬化程度的擴大而逐步減少，也會破壞植物對土壤的利用效率從而限制作物產量和品質[12]。關于如何讓耐鹽植物適應鹽脅迫的方法已經是國內外和學者的一個熱點研究方向，而根據2019年統計數據，油菜也正是我國油料作物的主要來源，占全國油料播種面積的50.93%，而且它是一種耐鹽堿適應性較廣的油料作物[13]。因此，研究油菜種子的耐鹽能力、在鹽脅迫下種子的生長情況，以及復水后的變化規(guī)律都有重要的科學意義和潛在的應用價值。

本研究結果表明，混合鹽堿脅迫下，油菜種子的萌發(fā)、生長都會受到不同程度的影響，隨著濃度和pH 值的升高，種子的萌發(fā)率、發(fā)芽指數、發(fā)芽勢、主根長等指標與對照相比均有不同程度的下降。發(fā)芽率的高低體現了品種的耐鹽能力，低濃度脅迫處理對種子的發(fā)芽率抑制較小，甚至SA-50 mmol·L-1處理在芽鮮質量等方面表現出促進作用，與近年來很多研究觀點低濃度鹽分對植物低濃度鹽分對作物的發(fā)芽、生長有一定的促進作用的結論一致[14]。在SA處理中，pH 值接近中性，對種子萌發(fā)的作用主要表現在隨著濃度的提高相對鹽害率升高，從而抑制了油菜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、根長、根/芽鮮質量等指標，其生理原因是高濃度的鹽脅迫提高了外界溶液的滲透式抑制了種子對水分的吸收[15]，但種子沒有失活。本研究結果表明，當pH 值超過8.85（SC、SD處理）、濃度超過150 mmol·L-1時，油菜種子萌發(fā)會受到嚴重抑制，萌發(fā)率降低，部分種子失活。因此，與混合中性鹽相比，混合的堿性鹽對種子的抑制程度更為嚴重，其原因表現在兩個方面，一是高濃度混合鹽脅迫條件下，過高的Na+造成的離子毒害作用和外界過高滲透式造成的滲透脅迫抑制種子萌發(fā)和胚根胚芽的生長；二是高pH 值也能夠通過抑制細胞內酶的活性，抑制種子萌發(fā)和根芽生長，甚至造成種子失活。

另外，眾多學者的研究皆發(fā)現，種子在堿性鹽脅迫條件下的萌發(fā)會受到一定程度的抑制，其抑制程度與鹽類型、鹽濃度、pH 值及植物本身耐鹽堿的能力等因素有關[16-17]。本試驗結果表明，油菜種子在解除脅迫后，其恢復萌發(fā)能力也表現出差異，表現為：低pH 值處理（SA/SB），濃度低于100 mmol·L-1時種子的恢復萌發(fā)率相對較高，且最終萌發(fā)率與CK 差異不顯著（P＞0.05），高濃度條件下，恢復萌發(fā)率和最終萌發(fā)率在一定程度上均有不同程度降低，在高pH值處理（SC/SD），濃度低于100 mmol·L-1恢復萌發(fā)率和最終萌發(fā)率在一定程度上均有不同程度降低，但部分種子仍有活力，而濃度高于150 mmol·L-1時，全部種子失去活力其原因可能是因為在高濃度堿性鹽脅迫處理下，堿性鹽濃度過高使得種子細胞中積累了過多離子、破壞了細胞質膜的完整性，使得細胞內代謝紊亂，形成不可逆的毒害，超出種子的耐受范圍導致種子失去活力[18-20]，使其種子死亡?？偠灾?，混合鹽堿脅迫涉及到的方面比單一鹽堿脅迫復雜，混合鹽堿是多因素的相互作用，其中存在著一定的協同效應[21]。