鹽旱脅迫對鹽爪爪種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

李亞莉,馬 瑞*,馬彥軍,李海津

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅德怡軒工程咨詢有限公司,甘肅 蘭州 730030)

土壤鹽堿化是土地退化的一種形式[1],我國鹽堿地面積約9.91×107hm2[2],占國土總面積的10.32%。河西走廊地區(qū)降水量少,蒸發(fā)量大,屬于干旱地區(qū),隨著土壤水分的蒸發(fā),水中的鹽分被帶到土壤表面形成鹽分的積累,加劇鹽漬化[3]。生物改良是鹽堿地改良的有效途徑,而種植耐鹽植物則為生物改良的首選[4]。干旱和鹽脅迫是干旱半干旱地區(qū)最常見的限制植物生長的環(huán)境因子。種子萌發(fā)是植物生活史中最容易受到外界環(huán)境因素影響的時(shí)期,也是影響植物群落建立和定居的關(guān)鍵時(shí)期[5],幼苗是植物生長過程中最脆弱的階段,葉片是植物對環(huán)境響應(yīng)最敏感的器官[6]。因此,研究干旱和鹽脅迫對植物種子萌發(fā)的影響,對河西走廊地區(qū)鹽堿地的生物改良有極其重要的意義[7]。

鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)為莧科(Amaranthaceae)多年生半灌木,主要分布在新疆、青海和甘肅等干旱荒漠鹽堿區(qū)域[4,8],還是一種含鹽飼草[9],在鹽堿地種植有降低鈉鹽含量的作用,是生物措施改良鹽堿地的建群種[10]。目前,對于鹽爪爪的研究主要集中于單一因素脅迫。曾幼林等研究發(fā)現(xiàn)鹽脅迫對鹽爪爪種子萌發(fā)的抑制程度隨著溶液濃度的升高而增加[11],何芳蘭等研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對鹽爪爪種子萌發(fā)及物質(zhì)量的積累均有抑制作用,且干旱脅迫對種子萌發(fā)有顯著的延緩作用[12]。但自然環(huán)境中,種子的萌發(fā)受到多因素共同影響,因此,研究鹽旱共同作用對鹽爪爪種子萌發(fā)的影響具有現(xiàn)實(shí)意義。本試驗(yàn)采用NaCl模擬鹽脅迫,PEG-6000模擬干旱脅迫,探究鹽旱脅迫對鹽爪爪種子萌發(fā)、幼苗生長發(fā)育及抗氧化酶活性的影響,探明其耐鹽旱機(jī)制,為河西走廊地區(qū)鹽堿地的利用和改良提供一定參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的鹽爪爪種子于2021年采自甘肅省民勤縣(39°1′20″ N,103°31′55″ E,海拔1 180～1 500 m),由民勤縣沙森農(nóng)林牧專業(yè)合作社提供,保存于恒溫恒濕種子庫中,種子千粒重0.324 0 g。

1.2 試驗(yàn)方法

2022年8月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院人工氣候室進(jìn)行培養(yǎng)皿萌發(fā)試驗(yàn),采用NaCl配置濃度為0,100,200,300,400和500 mmol·L-1[13]的溶液模擬鹽脅迫,分別記為S0,S1,S2,S3,S4和S5,PEG-6000配置濃度為0,5%,10%,15%和20%[14]的溶液模擬干旱脅迫,分別記為D0,D1,D2,D3和D4。2個(gè)因素交互脅迫,分別記為CK,S0D1,S0D2,S0D3,S0D4,S1D0,S1D1……S5D1,S5D2,S5D3,S5D4,本試驗(yàn)共計(jì)30個(gè)處理,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。每個(gè)培養(yǎng)皿50粒種子,分別加入等量處理溶液。培養(yǎng)皿置于25℃,12 h光照/12 h黑暗,光照4 000 lx,相對濕度80%的恒溫培養(yǎng)箱中。

采用發(fā)芽盒培養(yǎng)幼苗,每個(gè)發(fā)芽盒上鋪2層紗布,將種子均勻置于紗布上,向發(fā)芽盒中加入蒸餾水20 mL,將發(fā)芽盒置于25℃,12 h光照/12 h黑暗,光照4 000 lx,相對濕度80%的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每天向發(fā)芽盒中補(bǔ)充Hoagland營養(yǎng)液。種子萌發(fā)后的第5～8天向發(fā)芽盒中加入脅迫溶液(為避免鹽激,分4次加入),每個(gè)處理5個(gè)重復(fù),第9天采集幼苗葉片,在超低溫冰箱-80℃保存待測。

1.3 指標(biāo)測定

自種子置床之日起開始觀察,每天觀察記錄種子萌發(fā)情況,以胚芽長大于種子長為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)[15],通過稱重法補(bǔ)充每天損失的水分,連續(xù)3天無種子萌發(fā)時(shí)萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束,試驗(yàn)共進(jìn)行37天。計(jì)算種子發(fā)芽勢(Germination potential,GP)、發(fā)芽率(Germination rate,GR)、發(fā)芽指數(shù)(Germination index,GI)、活力指數(shù)(Vitality index,VI)。計(jì)算公式如下:

式中:Gt為第t天的發(fā)芽數(shù);Dt為萌發(fā)第t天;S為芽長[17]。

種子萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后,從每個(gè)培養(yǎng)皿中選取生長一致的10株幼苗(不足10株的全部取出),用蒸餾水沖洗3～4次后,用濾紙擦干水分后置于稱量紙上,采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測定幼苗的胚根長(Radicle length,RL)、胚芽長(Germ length,GL)。再使用天平測定10株幼苗的總鮮重,將幼苗裝進(jìn)信封,置于40℃烘箱烘干至恒重,測定幼苗總干重,計(jì)算鮮重(Fresh weight,FW)、干重(Dry weight,DW)。

發(fā)芽盒中采集的幼苗葉片用作幼苗生理指標(biāo)的測定。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性采用氮藍(lán)四唑法測定,過氧化物酶(Peroxidase,POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定,過氧化氫酶(Catalase,CAT)活性采用過氧化氫法測定[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,SPSS 24.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,Origin 2022作圖。應(yīng)用隸屬函數(shù)法對不同脅迫條件下鹽爪爪耐受性進(jìn)行綜合評價(jià)。若某一指標(biāo)與耐受性為正相關(guān),采用式(1)計(jì)算;若為負(fù)相關(guān),則采用式(2)[19]。

(1)

(2)

式中,X為某一指標(biāo)測定值,Xmin,Xmax分別為該指標(biāo)的最小值、最大值。最后將各個(gè)指標(biāo)隸屬值累加求平均值,平均值越大則抗性越強(qiáng),傷害越小。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽、旱及交互脅迫對鹽爪爪種子萌發(fā)的影響

對鹽爪爪種子萌發(fā)指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析(表1),結(jié)果表明NaCl,PEG單一和交互脅迫對鹽爪爪種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均有極顯著影響(P<0.01)。各處理對鹽爪爪種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響值均為NaCl>PEG>NaCl×PEG。因此,NaCl脅迫是影響鹽爪爪種子萌發(fā)的主要因素。

表1 鹽旱交互處理對鹽爪爪種子萌發(fā)的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVAs of the interactions between NaCl and PEG stresses on the germination indexes of K. foliatum seeds

由表2可知,單一NaCl脅迫下,鹽爪爪的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)隨著溶液濃度的增加呈下降趨勢,發(fā)芽率、活力指數(shù)呈先增后降趨勢。單一PEG脅迫下,鹽爪爪的發(fā)芽勢、發(fā)芽率隨著脅迫濃度的增加呈先增后降的趨勢,發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)呈下降趨勢?；盍χ笖?shù)在S2D0處理較CK增加7.35%,發(fā)芽勢在S0D1顯著大于CK(P<0.05),低濃度的鹽脅迫下鹽爪爪種子萌發(fā)能力增強(qiáng),低濃度干旱脅迫促進(jìn)種子萌發(fā)。低濃度的鹽旱交互脅迫對鹽爪爪種子萌發(fā)有促進(jìn)作用,高濃度則有抑制作用。S1D2處理可提高發(fā)芽勢,S2D2處理時(shí)發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)有所提高,鹽旱脅迫濃度增加則降低,S5D4處理下鹽爪爪不能萌發(fā)。在同一PEG脅迫下,發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均隨NaCl濃度的增加呈下降趨勢。結(jié)果表明,中低濃度鹽旱交互脅迫可促進(jìn)鹽爪爪種子萌發(fā),高濃度則抑制。

表2 鹽旱脅迫下鹽爪爪種子萌發(fā)指標(biāo)的變化Table 2 The changes in seeds germination indexes in K. foliatum under salt and drought stress

2.2 鹽、旱及交互脅迫對鹽爪爪幼苗生長的影響

對鹽爪爪幼苗生長指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析(表3),結(jié)果表明單一和交互脅迫對鹽爪爪幼苗的胚根長、胚芽長、鮮重均有極顯著影響(P<0.01),NaCl對干重有顯著影響(P<0.05)。從各處理的平方和看,對胚根長的影響程度為NaCl>NaCl×PEG>PEG,對胚芽長和鮮重的影響程度為NaCl>PEG>NaCl×PEG,對干重的影響程度為NaCl×PEG>PEG>NaCl。因此,NaCl脅迫是影響鹽爪爪幼苗生長和鮮重的主要因素。

表3 鹽旱交互處理對鹽爪爪幼苗生長的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVAs of the interactions between NaCl and PEG stresses on growth of K. foliatum seedlings

由表4可知,單一NaCl脅迫下,鹽爪爪幼苗的胚根長、胚芽長、鮮重、干重均呈先增后降的趨勢。單一PEG脅迫下,鹽爪爪幼苗的胚根長呈現(xiàn)下降趨勢,胚芽長、鮮重和干重隨著濃度的增加呈先增后減趨勢。低濃度的鹽旱交互脅迫對鹽爪爪幼苗生長有促進(jìn)作用,高濃度則抑制。S1D1處理胚根長、胚芽長、鮮重、干重分別較CK增加了16.48%,20.75%,42.25%,39.52%;與CK相比,S1,S2處理下鮮重均增加,有利于生物量的積累。在同一NaCl處理下,胚根長、胚芽長、鮮重均隨PEG濃度的增加呈減小趨勢。在同一PEG處理下,胚根長、胚芽長、干重均隨NaCl濃度的增加呈先增加后減小趨勢,鮮重呈減小趨勢。結(jié)果表明,中低濃度鹽旱交互脅迫可促進(jìn)鹽爪爪幼苗生長和生物量的積累,高濃度則抑制。

表4 鹽旱脅迫下鹽爪爪幼苗生長指標(biāo)的變化Table 4 The changes in seedlings growth indexes of K. foliatum under salt and drought stresses

2.3 鹽、旱及交互脅迫對鹽爪爪抗氧化酶活性的影響

對鹽爪爪幼苗抗氧化酶活性進(jìn)行雙因素方差分析(表5),結(jié)果表明單一鹽、旱脅迫對鹽爪爪幼苗的SOD,POD,CAT活性有極顯著影響(P<0.01),鹽旱交互脅迫對SOD,POD有極顯著影響(P<0.01),對CAT有顯著影響(P<0.05)。從各處理的平方和看,對SOD,POD,CAT的影響均為NaCl>PEG>NaCl×PEG。因此,NaCl脅迫是影響鹽爪爪幼苗抗氧化酶活性的主要因素。

表5 鹽旱交互處理對鹽爪爪幼苗抗氧化酶活性的雙因素方差分析Table 5 Two-way ANOVAs of the interactions between NaCl and PEG stresses on antioxidant enzyme activities of K. foliatum seedlings

在單一NaCl脅迫時(shí),鹽爪爪幼苗SOD活性隨NaCl濃度增加呈先減小后增加趨勢,在S2D0,S3D0,S4D0,S5D0處理下鹽爪爪幼苗SOD活性較CK分別增加了11.41%,22.98%,26.18%和18.85%;在S3D0處理下POD活性達(dá)到最大值;在S1D0,S3D0,S4D0,S5D0處理下鹽爪爪幼苗CAT活性分別較CK顯著增加了34.46%,26.54%,109.97%,48.67%。在單一PEG脅迫時(shí),鹽爪爪幼苗SOD活性隨著PEG濃度的增加呈減小趨勢,分別較CK減少了9.85%,28.05%,28.12%和49.10%,鹽爪爪POD,CAT活性呈增加趨勢,分別較CK增加了8.61%,0.51%,58.66%,53.81%和9.37%,7.96%,12.26%,24.20%(表6)。

表6 鹽旱脅迫下鹽爪爪幼苗生理特性的變化Table 6 The changes in seedlings physiological characteristics in K. foliatum under salt and drought stresses

鹽旱交互脅迫時(shí),在S1處理下隨著PEG濃度的增加鹽爪爪幼苗的SOD,POD活性先降低后增加,而CAT活性呈先增加后減小趨勢;在S2,S3,S4處理下,隨著PEG濃度的增加鹽爪爪幼苗SOD,POD,CAT活性均呈先增加后減小趨勢。在S3與D0～D4交互脅迫時(shí),POD活性顯著高于其它濃度鹽旱脅迫。在同一PEG脅迫時(shí),隨著NaCl濃度的增加,鹽爪爪幼苗的SOD活性呈先減小后增加趨勢,POD活性呈降低-增加-降低趨勢,CAT活性均呈先增加后降低的趨勢,即低濃度的NaCl抑制SOD,POD活性,提高CAT活性。

2.4 單一脅迫與交互脅迫差異比較及耐受性綜合評價(jià)

本研究采用隸屬函數(shù)法對單一NaCl,PEG和交互脅迫對鹽爪爪的傷害進(jìn)行綜合評價(jià),由表7可知,在單一NaCl脅迫下,S2D0處理下隸屬函數(shù)值最小,植物抗鹽性最弱,受到的傷害最大[17];單一PEG脅迫下,S0D4處理下隸屬函數(shù)值最大,抗旱性最強(qiáng),受到的傷害最小;鹽旱交互脅迫下,S4D2處理下隸屬函數(shù)值最大,抗鹽旱性最強(qiáng)。

表7 鹽旱交互脅迫下鹽爪爪耐受性綜合評價(jià)Table 7 The tolerance evaluation of single and interactive treatments on K. foliatum germination

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)是植物生長發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期[19],植物在生長過程中常常會遭受干旱、鹽堿、高溫等多種非生物脅迫[20],鹽分和水分是河西走廊地區(qū)影響植物種子萌發(fā)的主要因素[21],植物對鹽旱脅迫有一定的適應(yīng)性[22]。本試驗(yàn)中,單一脅迫對鹽爪爪種子的發(fā)芽率均表現(xiàn)為低濃度促進(jìn),高濃度抑制,這可能是因?yàn)辂}爪爪自身生長需要一定濃度的鹽分,且已適應(yīng)低鹽旱環(huán)境,這與康芙蓉等[23]對燕麥、劉佳月等[24]對苜蓿的研究結(jié)果一致。相關(guān)研究表明[25],適當(dāng)?shù)柠}旱交互脅迫可以提高植物對鹽旱環(huán)境的適應(yīng)性。本試驗(yàn)在100 mmol·L-1NaCl+10%PEG時(shí)鹽爪爪種子發(fā)芽勢提高,在高濃度鹽旱脅迫(500 mmol·L-1NaCl+20%PEG)時(shí)鹽爪爪種子不能萌發(fā),與前人的研究結(jié)論相似,這可能是因?yàn)楦邼B透下種子吸收快,對膜系統(tǒng)造成損傷[26]。本試驗(yàn)通過隸屬函數(shù)綜合分析,鹽、旱及交互脅迫對鹽爪爪種子萌發(fā)的影響程度表現(xiàn)為鹽脅迫>干旱脅迫>交互脅迫,這可能是因?yàn)辂}脅迫不僅產(chǎn)生了滲透脅迫,還對鹽爪爪種子產(chǎn)生了離子毒害,從而抑制了種子萌發(fā)[27],而鹽旱交互脅迫下鹽爪爪種子萌發(fā)表現(xiàn)出交叉適應(yīng)性,說明鹽爪爪種子萌發(fā)期具有一定的耐鹽旱性[28]。

生物量是植物生長狀況的綜合體現(xiàn),也是植物生存能力的重要反映[29]。植物在受到逆境脅迫時(shí),根首先做出反應(yīng)[30]。研究表明,鹽、旱脅迫主要通過降低滲透勢,阻礙植物根系吸收水分的方式影響植物的生長發(fā)育,降低生物量的積累[31]。本研究結(jié)果顯示,單一鹽脅迫時(shí),隨著NaCl濃度的增加鹽爪爪幼苗胚根長受到抑制,胚芽長、鮮重、干重表現(xiàn)為低濃度促進(jìn),高濃度抑制,這可能是因?yàn)辂}脅迫使植物體內(nèi)離子平衡失調(diào)、毒性化合物大量堆積,從而抑制了植物的生長[32]。單一干旱脅迫時(shí),隨著PEG濃度的增加,鹽爪爪幼苗胚根長、胚芽長、鮮重和干重均表現(xiàn)為低濃度促進(jìn),高濃度抑制,與郭米山等[33]的研究結(jié)果一致,在5%PEG時(shí)均高于對照,這可能是因?yàn)辂}爪爪種子在低濃度干旱脅迫時(shí),產(chǎn)生了引發(fā)作用,提高了代謝過程的酶活性,促進(jìn)根系生長,生物量增加[34]。鹽爪爪對低濃度交互脅迫有較高的耐受性,高濃度的交互脅迫對胚根長產(chǎn)生明顯的抑制作用,通過隸屬函數(shù)綜合評價(jià),在400 mol·L-1NaCl+10%PEG鹽旱脅迫時(shí)隸屬函數(shù)值最大,表明此時(shí)鹽爪爪幼苗的耐鹽旱性較強(qiáng)[3]。

綜上所述,單一鹽脅迫時(shí),鹽爪爪生長受到抑制;單一干旱脅迫時(shí),15% PEG時(shí)鹽爪爪耐旱性最強(qiáng);在400 mmol·L-1NaCl+10% PEG鹽旱交互脅迫時(shí),鹽爪爪的耐鹽旱性最強(qiáng)。鹽爪爪幼苗對中低程度的鹽旱交互脅迫有一定的耐受性,可通過調(diào)節(jié)自身胚根、胚芽的生長以適應(yīng)鹽旱環(huán)境。CAT是鹽爪爪在面對鹽、旱脅迫時(shí)發(fā)揮主要作用的抗氧化酶,鹽脅迫是影響鹽爪爪種子萌發(fā)和幼苗生長的主要生態(tài)因子。