酸和鋁脅迫對苦蕎種子萌發(fā)與幼苗生長的影響

邱慶成 甘圳 齊安銀 譚茂玲 鄭曉琴 向達(dá)兵 劉長英

文章編號：1004－5422（2023）02－0132－07

DOI：10.3969/j.issn.1004-5422.2023.02.004

收稿日期：2022-07-02

基金項(xiàng)目：國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-07-B-1）;四川省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目（2022NSFSC1725）

作者簡介：邱慶成（1998—），男，碩士研究生，從事作物栽培與耕作學(xué)研究.E-mail：1742610559@qq.com

通信作者：劉長英（1989—），男，博士，助理研究員，從事作物栽培與耕作學(xué)研究.E-mail：lcyswu@163.com

摘要：以苦蕎品種西蕎1號為研究材料，設(shè)置不同pH值和鋁離子濃度的培養(yǎng)液，研究酸和鋁脅迫對苦蕎種子萌發(fā)和幼苗生長的影響.結(jié)果表明，隨著pH值升高，苦蕎種子的發(fā)芽勢呈現(xiàn)上升趨勢，但發(fā)芽率受pH值影響較??；相較于其他pH值，幼苗在pH值為3.5的溶液中生長發(fā)育受到顯著抑制（P<0.05）.與對照組相比，低濃度的鋁離子溶液可以促進(jìn)苦蕎種子的發(fā)芽勢，高濃度的鋁離子溶液對發(fā)芽勢無顯著影響；隨著鋁離子濃度增加，對幼苗根部生長的抑制作用逐漸增強(qiáng)，對地上部生長的影響不顯著.以上結(jié)果將為深入研究苦蕎對酸和鋁脅迫的生理機(jī)制提供參考.

關(guān)鍵詞：苦蕎；酸脅迫；鋁脅迫；種子萌發(fā)；幼苗生長；生物量

中圖分類號：S517

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

我國土壤多呈酸性，酸性土壤嚴(yán)重影響耕地質(zhì)量，導(dǎo)致鎘、鋁和鉛等有毒重金屬活化.其中，鋁是地殼中數(shù)量最豐富的金屬成分，一般情況下鋁對植物不會造成影響［1］，但隨著土壤的酸化，引起pH值下降和土壤鹽基離子的淋失，大量的活性鋁會釋放出來［2］.被植物根系吸收的活性鋁會與蛋白質(zhì)、酶和核酸等大分子結(jié)合［3］，影響細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、植株體內(nèi)的代謝過程及細(xì)胞的光合作用［4］，進(jìn)而抑制植物的生長發(fā)育.土壤中酸脅迫和鋁脅迫通常伴隨發(fā)生，嚴(yán)重影響作物生長，培育耐酸和耐鋁作物是提高作物產(chǎn)量的重要途徑.

苦蕎（Fagopyrum tataricum（L.）Gaertn.），屬蓼科（Polygonaceae）蕎麥屬 （Fagopyrum），是蕎麥的2個主要栽培品種之一［5］.苦蕎中富含微量礦物質(zhì)元素、膳食纖維、蛋白質(zhì)和維生素等營養(yǎng)元素，還含有豐富的黃酮類生物活性成分，是一種發(fā)展前景廣闊的農(nóng)作物.目前苦蕎多種植在西南地區(qū)，易受土壤酸和鋁脅迫影響，但目前對苦蕎響應(yīng)酸和鋁脅迫的生理機(jī)制研究較少，制約了苦蕎耐鋁和耐酸品種的培育.為此，本研究采用水培法，通過設(shè)置不同的pH值和鋁離子濃度，以探索酸和鋁脅迫對苦蕎種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育的影響.

1材料與方法

1.1材料

西蕎1號苦蕎種子，由成都大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜糧加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供；氯化鋁（分析純）、次氯酸鈉溶液（98%），均購自成都市科隆化學(xué)品有限公司；氯化鈣（分析純），購自成都市科龍化工試劑廠.1.2酸脅迫對苦蕎種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

1.2.1苦蕎種子萌發(fā)測定

挑選100粒飽滿、大小均一的苦蕎種子，用0.7%的次氯酸鈉溶液消毒30 min，清洗干凈后均勻鋪在有紗布的發(fā)芽盤中，水溶液的pH值設(shè)置為3.5、4.5、5.5和6.5［6］.胚根占種子長度的1/2為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)，接連3 d無種子萌發(fā)視為發(fā)芽結(jié)束，每個處理重復(fù)3次，并計(jì)算相應(yīng)的發(fā)芽勢和發(fā)芽率.

GP=G3/N × 100%（1）

GR=G7/N × 100%（2）

式中，GP和GR分別為發(fā)芽勢和發(fā)芽率，G3和G7分別為培養(yǎng)第3 d和7 d的發(fā)芽種子數(shù)，N為種子總數(shù).

1.2.2酸脅迫下苦蕎幼苗根長及地上部長度測定

挑選足夠的苦蕎種子，消毒清洗，鋪在有紗布的發(fā)芽盤上進(jìn)行萌發(fā)，當(dāng)根長達(dá)到1～2 cm時(shí)，挑選幼根長度均一的種子，將其轉(zhuǎn)移到鋪有扎孔濾紙的新發(fā)芽盤，每盤挑選100粒，加入不同pH值的水溶液（每天更換1次pH水溶液），每隔48 h用根系掃描儀測量1次根長和地上部長度，測量10株，每個處理重復(fù)3次.

1.2.3酸脅迫下苦蕎幼苗鮮重測定

將“1.2.2”中的苦蕎幼苗用濾紙吸干表面水分，每株從根和莖的連接處用剪刀分開，分別測定苦蕎根部和地上部的鮮重.

1.3鋁脅迫對苦蕎種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

1.3.1苦蕎種子萌發(fā)測定

挑選100粒飽滿、大小均一的苦蕎種子，消毒清洗后均勻鋪在含有紗布的發(fā)芽盤中，加入含0.5 mmol/L氯化鈣的氯化鋁（Al3+濃度分別設(shè)置為0、10、30、50、80和100 μmol/L）溶液（pH值為4.5），統(tǒng)計(jì)方法同“1.2.1”，每個處理重復(fù)3次.

1.3.2鋁脅迫下苦蕎幼苗根長及地上部長度測定

同“1.2.2”方法，選擇100粒幼根長度均一的苦蕎種子，均勻鋪在含有扎孔濾紙的發(fā)芽盤中，先用含0.5 mmol/L氯化鈣溶液（pH值為4.5）培養(yǎng)1 d，然后換成含0.5 mmol/L氯化鈣的不同濃度的氯化鋁溶液（pH值為4.5），每隔48 h用根系掃描儀測量1次根長和地上部長度，測量10株，每個處理重復(fù)3次.

1.3.3鋁脅迫下苦蕎幼苗鮮重測定

將“1.3.2”中的苦蕎幼苗同“1.2.3”方法處理，每個處理重復(fù)3次.

1.4統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 25軟件進(jìn)行顯著性分析，采用Origin 2022進(jìn)行圖表制作.

2結(jié)果與分析

2.1酸脅迫對苦蕎種子萌發(fā)的影響不同pH值對苦蕎種子萌發(fā)的影響如圖1所示.

由圖1可知，苦蕎pH值的變化對于苦蕎種子的發(fā)芽勢有影響，隨著pH值的下降，苦蕎種子的發(fā)芽勢顯著下降，當(dāng)pH值降到3.5時(shí)，其發(fā)芽勢與其他處理組相比顯著降低（P<0.05），其余各處理組間無顯著性差異（P>0.05）.不同pH值處理對苦蕎種子的發(fā)芽率影響不顯著，其發(fā)芽率介于94.67%～97%之間，各處理組間無顯著性差異（P>0.05）.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，pH值對苦蕎種子的前期萌發(fā)有影響，但種子最終都能萌發(fā)，說明苦蕎對于低pH值有一定的耐受性.

2.2酸脅迫對苦蕎幼苗根長及地上部長度的影響不同pH值對苦蕎幼苗根長的影響如圖2（A）～圖2（C）所示.在pH值為3.5時(shí)，培養(yǎng)第2、4和6 d的幼苗根長與其他pH值處理組相比，其根長被顯著抑制（P<0.05）.培養(yǎng)第2 d和4 d時(shí)，幼苗根長在pH值為5.5時(shí)，達(dá)到最大值.培養(yǎng)第6 d時(shí)，幼苗根長在pH值為4.5時(shí)，達(dá)到最大值.此外，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，除了pH值為3.5的處理組外，其余幾種處理組根長逐漸上升.由圖2（D）～圖2（F）可知，與其余幾種pH值處理組相比，幼苗地上部的長度在pH值為3.5時(shí)，顯著被抑制（P<0.05），但隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加還能繼續(xù)生長.

2.3酸脅迫對苦蕎幼苗鮮重的影響

不同pH值對苦蕎幼苗鮮重的影響如圖3所示.

由圖3可知，當(dāng)pH值為3.5時(shí)，苦蕎幼苗根部和地上部的鮮重顯著小于其余pH值處理組（P<0.05），表明苦蕎幼苗根部和地上部的鮮重受到酸脅迫的顯著抑制.pH值為4.5、5.5和6.5時(shí)，苦蕎幼苗根部和地上部的鮮重?zé)o顯著性差異（P>0.05），表明苦蕎對酸脅迫有一定的耐受性.

2.4鋁脅迫對苦蕎種子萌發(fā)的影響

不同鋁離子濃度對苦蕎種子萌發(fā)的影響如圖4所示.

由圖4可知，不同鋁離子濃度對苦蕎種子的發(fā)芽勢有一定影響，在鋁離子濃度為10、30和50 μmol/L時(shí)，其發(fā)芽勢顯著高于空白組和其他鋁離子濃度處理組（P<0.05），發(fā)芽勢分別為對照組的1.26、1.26和1.12倍，表明在一定的鋁離子濃度范圍內(nèi)，可以促進(jìn)苦蕎種子的發(fā)芽勢.處理7 d后測定發(fā)芽率，最終發(fā)芽率介于96.33%～98.33%之間，在鋁離子濃度為10 μmol/L時(shí)，發(fā)芽率最高，達(dá)到了98.33%，顯著高于對照組（P<0.05），其余鋁離子濃度處理組與對照組之間無顯著性差異（P>0.05），表明苦蕎種子萌發(fā)對鋁脅迫有一定的耐受性.

2.5鋁脅迫對苦蕎幼苗根長及地上部長度的影響不同鋁離子濃度對苦蕎幼苗根長的影響如圖5（A）～圖5（C）所示.在培養(yǎng)第2、4和6 d時(shí)，對照組的幼苗根長顯著高于鋁離子濃度處理組（P<0.05），同時(shí)隨著鋁離子濃度增加，苦蕎幼苗根長呈現(xiàn)下降的趨勢.從培養(yǎng)第2～6 d，對照組與5個處理組的幼苗根長分別增加了4.21、3.57、3.68、3.90、2.63和2.20 cm，表明鋁離子濃度對于苦蕎幼苗生長有影響，且隨著鋁離子濃度增加，對苦蕎幼苗根長的抑制效果越明顯.從圖5（D）～圖5（F）中可以看出，與對照組相比，各鋁離子濃度處理組苦蕎地上部長度差異性不夠顯著（P>0.05），表明鋁離子對苦蕎地上部的生長無明顯抑制作用.

2.6鋁脅迫對苦蕎幼苗鮮重的影響

不同鋁離子濃度對苦蕎幼苗鮮重的影響如圖6所示.

由圖6（A）可知，隨著鋁離子濃度升高，苦蕎幼苗根部重量降低.與對照組比，在鋁離子濃度為50、80和100 μmol/L時(shí)，苦蕎幼苗根部重量顯著降低（P<0.05），表明鋁脅迫抑制苦蕎地下部分的重量，這與鋁脅迫抑制苦蕎幼根生長的結(jié)果一致.從圖6（B）可以看出，隨著鋁離子濃度升高，苦蕎幼苗地上部分重量變化不顯著（P>0.05）.

3討論

發(fā)芽勢反映了種子出苗速度的快慢，發(fā)芽率能夠反映種子生命力的強(qiáng)弱［7］.本研究結(jié)果顯示，弱酸性溶液可以促進(jìn)苦蕎種子發(fā)芽，但不同pH值處理對最終發(fā)芽率沒有影響，而對發(fā)芽指數(shù)有一定的影響，這與已有的研究結(jié)果相似［8］.有研究表明，酸脅迫會使玉米幼苗根系的活力下降，并且隨著pH值減小，玉米幼苗根長抑制越明顯，根部的相對含水量明顯下降［9］.在本研究中，不同的酸性溶液對苦蕎種子的幼苗生長有影響，在pH值為3.5時(shí)，根長及地上部長度最短，且隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，苦蕎根長的生長完全被抑制，而地上部長度仍有少許增加，表明根長可以作為耐酸性評價(jià)指標(biāo)，用于判斷苦蕎的耐酸性.

鋁脅迫是限制植物生長發(fā)育的重要因素之一，在植物發(fā)育過程中種子萌發(fā)會首先受到鋁脅迫的影響.研究表明，鋁脅迫對小麥種子［10］和大豆種子［11］的萌發(fā)具有雙重影響，即低濃度促進(jìn)，高濃度抑制.本研究結(jié)果顯示，低濃度鋁離子促進(jìn)苦蕎種子的發(fā)芽勢，隨著鋁離子濃度的增大，促進(jìn)作用減弱，最終發(fā)芽率差異不大.

根系是植物吸收外界營養(yǎng)物質(zhì)的主要部位，鋁毒的典型癥狀就是植物的根系伸長被抑制，其根尖構(gòu)造會被破壞，同時(shí)鋁毒脅迫還會抑制植株對營養(yǎng)的吸取，進(jìn)而使得植株根部生命力減弱，其抵抗外部傷害與適應(yīng)外部環(huán)境改變的能力也會減弱，從而影響植株的生長發(fā)育并造成作物減產(chǎn)［12］.Salazar-Chavarría等［13］研究發(fā)現(xiàn)，蕎麥根系能在接觸鋁離子的最初幾個小時(shí)內(nèi)被顯著抑制.Shu等［14］研究發(fā)現(xiàn)，秈稻品種（Aus 373）受鋁離子影響較大，其根伸長被顯著抑制.Wang等［15］研究發(fā)現(xiàn)，在鋁離子濃度為50 μmol/L時(shí)，苦蕎根的伸長被顯著抑制，抑制率為55%，而野生蕎麥和甜蕎的根伸長分別被抑制32%和22%.在本研究中，鋁脅迫對苦蕎根長的抑制效果較為明顯，且鋁離子濃度越高，根長越短，這與文獻(xiàn)［16］的研究結(jié)果相似.同時(shí)，高濃度的鋁離子顯著抑制苦蕎根部的生物量，而對于苦蕎地上部分的生物量無顯著影響，表明苦蕎的生長對鋁脅迫具有一定的耐受性［17］.

綜上所述，酸脅迫會抑制苦蕎的發(fā)芽勢和根部生長，而pH值為4.5～6.5時(shí)，對苦蕎地上部生物量影響不大，表明苦蕎具有一定的耐酸能力；低濃度的鋁離子可以促進(jìn)苦蕎種子的萌發(fā)，而高濃度的鋁離子會顯著抑制根的伸長和生物量.結(jié)果表明，苦蕎對酸和鋁脅迫具有一定的耐受性，研究結(jié)果可為今后深入研究該品種對酸和鋁脅迫的生理機(jī)制奠定基礎(chǔ).

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Effects of Acid and Aluminum Stress on Seed Germination and Seedling Growth of Tartary Buckwheat

QIU Qingcheng，GAN Zhen，QI Anyin，TAN Maoling，ZHENG Xiaoqin，XIANG Dabing，LIU Changying

（Key Laboratory of Cereal Grains Processing of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs，Chengdu University，Chengdu 610106，China）

Abstract：

The Tartary buckwheat variety，Xiqiao 1，was used as the research material，and the culture mediums with different pH and aluminum ion concentrations were set up to study the effects of acid and aluminum stress on the seed germination and seedling growth of Tartary buckwheat.The results show that the germination potential of Tartary buckwheat seeds increases with the enhancement of pH value，but the germination rate is less affected by pH value.Compared with other pH values，the growth and development of seedlings in the solution with pH=3.5 is significantly inhibited（P<0.05）.Compared with the control group，the low concentration of aluminum ion solution can promote the germination potential of seeds，while the high concentration of aluminum ion solution has no significant effect on the germination potential;with the increase of aluminum ion concentration，the inhibitory effect on the root growth of seedlings is gradually enhanced，but the effect on the growth of shoots is not significant.The above results will provide a theoretical reference for further research on the physiological mechanism of Tartary buckwheat in response to acid and aluminum stress.

Key words：

buckwheat;acid stress;aluminum stress;seed germination;seedling growth;biomass