水勢介導的不同脅迫對虎尾草種子發芽的影響

王英男，齊明明，張金偉，張 娜，閻秀峰，藺吉祥

(1.東北林業大學 鹽堿地生物資源環境研究中心/東北油田鹽堿植被恢復與重建教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北師范大學 草地科學研究所/植被生態科學教育部重點實驗室，吉林 長春 130024)

水勢介導的不同脅迫對虎尾草種子發芽的影響

王英男1，齊明明1，張金偉2，張 娜2，閻秀峰1，藺吉祥1

(1.東北林業大學 鹽堿地生物資源環境研究中心/東北油田鹽堿植被恢復與重建教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北師范大學 草地科學研究所/植被生態科學教育部重點實驗室，吉林 長春 130024)

虎尾草(Chlorisvirgata)是我國北方地區廣泛分布的優質牧草，對東北地區鹽堿地改良與恢復起著至關重要的作用。用NaCl,NaHCO3和PEG分別模擬土壤的鹽、堿和干旱條件以明確基于相同水勢的不同脅迫特征對虎尾草種子發芽的影響。結果表明，在各脅迫處理下，隨著水勢的降低，虎尾草種子的發芽率、發芽速率以及芽長與根長均不斷下降，且堿脅迫下下降幅度最大。鹽脅迫處理下，虎尾草種子復萌率在-1.2 Mpa最高，干旱脅迫處理中未發芽的種子80%以上也可以繼續萌發，但在此水勢的堿脅迫中未發芽的虎尾草種子均難以復萌。研究結果表明，鹽、堿和干旱脅迫對于虎尾草種子的發芽有著不同的影響，由于高pH作用，堿脅迫對虎尾草發芽的抑制作用強于鹽脅迫與干旱脅迫。

虎尾草；鹽脅迫；堿脅迫；水勢；復萌

虎尾草(Chlorisvirgata)是禾本科一年生優質牧草，廣泛分布于我國各地區，尤以北方居多，其富含大量的蛋白質，是家畜喜食的優質牧草[1]。東北地區松嫩草地由于人為不合理的利用與開發，70%的草地發生了不同程度的退化，且退化面積仍在逐步擴大，虎尾草種子產量高，生長迅速，雨季可以迅速萌發，形成單優勢種的虎尾草群落；虎尾草植株根系發達，茂密，具有較強的耐鹽堿與耐旱性。為此，一直以來虎尾草被視為改良與恢復退化鹽堿草地的優勢物種[2]。

種子萌發期是植物生活史的起點，也是最為重要的階段，對植株的建成與分布起著決定性的作用[3]。種子萌發受溫度、氧氣、光照等一系列環境因素的影響，其中，土壤水勢是最為關鍵的條件。對于休眠深度較輕的植物種子，在外界環境條件適宜的情況下，一旦吸收水分便可以萌發出苗。在東北松嫩草地上，土壤水勢主要受鹽、堿濃度與干旱程度制約。有研究明確了鹽脅迫與堿脅迫是兩種完全不同類型的脅迫，其對植物生長與生理代謝影響有著很大差別[4-6]，并且也證明了鹽脅迫與干旱脅迫存在一定的關聯[7-9]，但是有關通過相同的水勢條件來深入解析鹽、堿和干旱對植物種子發芽的影響，以明確不同類型脅迫的特征及對植物種子發芽的毒害機理研究較少。以虎尾草為研究對象，通過人工模擬土壤鹽、堿和干旱條件解析其對虎尾草發芽的影響，為生產中虎尾草的合理利用以及退化草地的改良與恢復提供一定的科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試虎尾草種子2013年采自吉林省長嶺縣松嫩草地西南部鹽堿草地，地理位置N 44°44′，E 123°44′。該地區屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，無霜期140 d，年平均氣溫4.9℃、年均降水量470 mm[10]。采收后的虎尾草種子裝入透氣的口袋中，放入4℃冰箱內保存備用，試驗于2014年7月進行。

1.2 溫度與鹽、堿和干旱條件設置虎尾草種子發芽溫度設置為15～25℃變溫條件，低溫12 h(黑暗)，高溫12 h(光照，光照強度為6 400 lx)。通過預試驗設定鹽濃度為0、50、100、200和300 mmol/L，由NaCl進行模擬。試驗各濃度鹽處理的水勢由露點微伏計(HR33T,Wescor Inc.,USA)測定，分別為0,-0.2,-0.4,-0.8 和-1.2 MPa。根據鹽脅迫的水勢梯度測定出堿脅迫(NaHCO3)濃度，干旱脅迫則根據Michel and Kaufmann 對溫度與PEG濃度對滲透勢影響的研究所得出的滲透勢隨PEG6000濃度與溫度變化曲線進行計算[11]。

1.3 種子發芽試驗

挑選飽滿一致的虎尾草種子，先用NaClO溶液消毒10 min，然后再用蒸餾水沖洗3遍，在自然條件下風干。用雙層濾紙平鋪于直徑11 cm的培養皿中，并分別加入10 mL不同濃度的鹽、堿和干旱處理液，以蒸餾水作為對照組，每皿均勻擺入50粒種子，每種處理4次重復。試驗過程中，用稱重法每天早晚各1次補充蒸發失去的水分，保持鹽濃度恒定，種子露白即視為萌發，每天同一時間記錄發芽的種子數量，試驗共8 d。并在發芽試驗的最后一天測量幼苗的根長與苗長。

種子的發芽率=(發芽的種子數/種子總數)×100%；

發芽速率采用修正的Timson指數進行計算，G是種子每天的發芽率，t是總的發芽日期[12]。

發芽速率=∑G/t×100%

1.4 數據分析

試驗數據采用SPSS 13.0統計軟件，對不同處理下發芽與生長指標進行單因素方差分析，結果用平均數正負標準誤表示，單因素方差分析(ANOVA)后做多重比較(LSD)，顯著水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 鹽、堿與干旱脅迫對虎尾草種子發芽率與發芽速率的影響

虎尾草種子在無脅迫環境條件下發芽率最高，為85.3%，隨著水勢的降低，各脅迫下種子發芽率均呈下降趨勢。在鹽脅迫下，當水勢在-0.2和-0.4 MPa時，種子發芽率并未與對照出現顯著差異，而當水勢達到-0.8 MPa時，種子發芽率開始顯著下降(P<0.05)。在堿脅迫下，當水勢僅為-0.2 MPa時，種子發芽率便顯著下降(P<0.05)，而當水勢達到-0.8 MPa時，種子發芽率為0。干旱脅迫對種子的抑制作用介于鹽脅迫與堿脅迫之間，當水勢為-0.2 MPa時，發芽率并未發生顯著變化，隨著水勢進一步降低，種子發芽率顯著下降(P<0.05)，在水勢為-1.2 MPa時，種子發芽率為0(表1)。發芽速率與發芽率變化規律相似，堿脅迫對虎尾草種子的抑制作用最強(表1)。

表1 鹽、堿與干旱脅迫下虎尾草種子的發芽率與發芽速率Table 1 Effect of salinity,alkalinity and drought stresses on seed germination percentage and germination rate of Chloris virgata

注：不同字母表示同一脅迫處理下不同水勢之間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 鹽、堿與干旱脅迫對虎尾草種子復萌率與總發芽率的影響

虎尾草種子的復萌率在鹽脅迫與干旱脅迫中表現出相似的變化規律，隨著水勢的不斷降低，復萌率不斷升高(圖1)。在鹽脅迫下，水勢為-0.2和-0.4 MPa時，虎尾草種子復萌率為0，當水勢達到-1.2 MPa時，復萌率最高，為32.9%。干旱脅迫盡管表現出相似的變化規律，但是復萌率較鹽脅迫更高，在最低水勢(-1.2 MPa)時，復萌率達到了82.67%。堿脅迫則表現出不同的變化規律，呈先上升后下降的趨勢，在水勢為-0.4 MPa時，復萌率最高，為61.6%，隨著水勢的進一步降低，復萌率顯著下降(P<0.05)。

在鹽脅迫下，除最低水勢(-1.2 MPa)外，虎尾草種子在經過復萌后總發芽率與對照并未發生顯著變化，而對于干旱脅迫，即使在最低水勢下，總發芽率也與對照無顯著差異(圖2)。而在堿脅迫下，當水勢為-0.2 MPa時與對照無顯著差異，而隨著水勢進一步降低，虎尾草總發芽率顯著下降(P<0.05)，特別是在最高濃度堿脅迫下，總發芽率下降了60%，表明堿脅迫對種子的抑制作用最強。

圖1 鹽、堿和干旱脅迫下虎尾草種子復萌率Fig.1 Effect of salinity,alkalinity and drought stresses on seed germination recovery percentage of Chloris virgata注：不同小寫字母表示同一脅迫處理下不同水勢之間差異顯著(P<0.05)，下同

圖2 鹽、堿和干旱脅迫下虎尾草種子總發芽率Fig.2 Effect of salinity,alkalinity and drought stresses on total germination percentage of Chloris virgata

虎尾草芽長與根長同樣隨著水勢的降低而減少(表2)。虎尾草芽長在各脅迫處理下隨著水勢的降低顯著下降(P<0.05)，且在堿脅迫下下降幅度更大，當水勢為-0.8 MPa時，芽長為0。根長的變化相對芽長來說并不明顯，鹽脅迫下各水勢之間并無顯著差異，而同樣是堿脅迫對根長的抑制作用最強。

3 討論

松嫩草地位于我國東北部，是典型的干旱半干旱地帶，由于降水的不規則，蒸發量大于降水量，且土壤類型多為鹽堿土，使得生長在其中的鹽生植物種子通常會面臨鹽、堿和干旱脅迫，而由不同類型脅迫產生的低水勢無疑是制約種子發芽的重要因素[13，14]。鹽生植物能夠生活在這種環境中，自身也會有一定的適應策略[15]。研究結果發現，在相同水勢下，堿脅迫對種子發芽的抑制作用最強，干旱脅迫次之，而鹽脅迫下種子發芽率相對較高。主要是由于鹽、堿脅迫抑制種子萌發的機理不同，鹽脅迫對種子萌發的抑制歸因于滲透脅迫與離子效應，而堿脅迫除了具有與鹽脅迫相同的抑制效應外，又附加了高pH傷害，使有毒的Na+與H+的交互作用遠大于單純離子對種子萌發的影響[16-18]。通過鹽脅迫與干旱脅迫結果分析表明，一定程度的離子效應對發芽有一定的促進作用。

表2 鹽、堿與干旱脅迫下虎尾草種子幼苗生長Table 2 Effect of salinity,alkalinity and drought stresses on seedling growth of Chloris virgata

盡管鹽生植物種子在高濃度鹽脅迫下發芽率較低，但當水分等環境適宜，鹽濃度降低后，多數種子可以繼續萌發[19，20]。研究結果表明，較低濃度鹽脅迫下，復萌率較低，而在高鹽濃度下，復萌率較高，表明高鹽脅迫對虎尾草種子的抑制作用可能主要以滲透脅迫為主，而非離子毒害，此點在干旱脅迫的結果中也得到了證實，最低水勢下未萌發的虎尾草種子80%以上可以復萌[21]，一方面表明低水勢對虎尾草種子發芽有一定的刺激作用，另一方面也說明多數虎尾草種子在超出其耐受限度時仍然可以保持活力，一旦遇到雨水較多的氣候，土壤水分充足時便萌發出土。而在堿脅迫下，虎尾草種子復萌率普遍較低，表明堿脅迫具有的高pH，對種子傷害更為復雜，不僅僅表現為對發芽率與發芽速率的抑制，其加劇了滲透脅迫、離子效應對萌發的抑制作用，還在一定程度上破壞了種胚，使種子失去活力。說明鹽脅迫與堿脅迫對虎尾草種子萌發抑制作用和毒害機理是不同的，有關這點，有待今后工作中進一步研究。

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WANG Ying-nan1,QI Ming-ming1,ZHANG Jin-wei2,ZHANG Na2,YAN Xiu-feng1,LIN Ji-xiang1,

(1.AlkaliSoilNaturalEnvironmentalScienceCenter,NortheastForestryUniversity/KeyLaboratoryofSaline-alkaliVegetationEcologyRestorationinOilField,Ministryofeducation,Harbin150040,China；2.KeyLaboratoryofVegetationEcologyofMinistryofEducation,InstituteofGrasslandScience,NortheastNormalUniversity,Changchun130024,China)

Chlorisvirgatais considered as a useful grass species for grassland restoration in Northern China.The effect of salinity,alkalinity and drought stresses simulated with NaCl,NaHCO3and PEG solutions on seed germination and seedling growth was studied under same water potential conditions.And the water potentials were -0.2,-0.4,-0.8 and -1.2 MPa. Results showed that the seed germination percentage,germination rate,root length and bud length gradually decreased along with the decrease of water potential.Recover percentage in salinity treatment reached the highest at -1.2MPa,and over 80% of seeds germinated at this water potential after removing drought stress.But it was hard to recover under the same water potential of alkali stress.Salinity,alkalinity and drought stresses had different impacts on seed germination.Due to high pH,the inhibitory effect of alkali stress was stronger than salinity and drought stresses.

salt stress;alkaline stress;germination percentage;water potential;recovery

2015-06-01；

2015-06-15

中央高校基本科研業務費專項資金(2572015 CA17,2572014EA04)；國家自然科學基金(31502013)；植被生態科學教育部重點實驗室開放基金(130026529)；黑龍江省自然科學基金(C2015060)資助

王英男(1989-)，男，黑龍江哈爾濱人，在讀碩士研究生。 E-mail：yingnan1027@foxmail.com 藺吉祥為通訊作者。

Q 945.78

A

1009-5500(2015)05-0028-05