模擬鹽和干旱脅迫對4種虉草雜交后代種子萌發的影響

斯日古楞，張玉霞，韓雪梅，田 甜，王宏鵬，胡 潔

(內蒙古民族大學 農學院，內蒙古 通遼 024800)

科爾沁地區位于北方的半干旱區域，年均降水量300～400 mm，除氣候干旱外，土壤鹽堿化也較嚴重。是該區作物生產和種植優良牧草的重要的制約因素[1]。因此，培育適應當地種植的牧草品種就顯得尤為重要。虉草(Phalarisarundinacea)在科爾沁地區有天然的分布，培育對科爾沁地區干旱、鹽堿的環境有適應性的新品種是此次研究的宗旨。虉草具有很高的經濟價值和生態價值，可作為新能源材料，也可作為護坡、水體富營養化的指示植物。張永亮等[2-5]對虉草抗鹽堿性方面進行了研究，并選育出‘通草1號’品種。在選育過程中，虉草品系在抗堿方面都有較好的表現，但抗鹽方面表現都較差[3-5]。試驗對虉草雜交后代模擬干旱及鹽脅迫條件下的萌發情況進行研究，旨在為虉草耐鹽性雜交后代的選育提供基礎材料和科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

虉草雜交品系YC10902、YC11101、YC11002、YC108由內蒙古民族大學農學院提供。供試種子2017年采集于內蒙古民族大學科學技術園區，待種子成熟后晾干清選后分別裝入紙袋，并在4℃下冰箱保存備用。

1.2 試驗方法

萌發試驗在室溫25℃利用花盆培養法。花盆底徑20 cm，內鋪一層保鮮膜防止水分的滲漏，沙子和蛭石4∶1的比例混合裝入花盆，種子播種之前400 mg/L GA3浸種24 h，每盆播50粒種子，播種深度2 cm，覆土后澆4種處理液500 mL，4種處理分別為(水、100 mmol/L NaCl、10%PEG、100 mmol/L NaCl+10%PEG)，每個處理3次重復。每天統計發芽數目，試驗周期15 d。

1.3 測定指標

測定萌發(出苗)率、萌發(出苗)指數、活力指數、胚根和胚芽長。

萌發(出苗)率=(n/N)×100%

式中：n為供試種子中萌發(出苗) 的種子數;N為供試種子數。

萌發(出苗)指數=∑(Gt/Dt)

式中：Gt為供試種子中與Dt相對應每天萌發(出苗)的種子數;Dt為萌發天數。

活力指數=Gi×Sx

式中:Gi為萌發指數；Sx為根平均長度[6]

胚根和胚芽長的測定是從每個處理的花盆內隨機取20個正常生長的幼苗用直尺進行胚根和胚芽長的測量，不夠20株的全部測量，取平均值[7]。

1.4 數據處理

1.4.1 各項指標 耐鹽系數=鹽處理值/對照值；耐旱系數=PEG處理值/對照值；交互作用影響系數=交互處理值/對照值。

1.4.2 不同處理下的隸屬函數評價 采用模糊數學中隸屬法進行綜合評價。按照公式Fij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，計算各品種每個指標在各種處理時的隸屬值。

式中：Fij為i品種j性狀指標測定的具體隸屬值，Xij為i品種j性狀的萌發指數值，Xjmin和Xjmax分別為所有品種的j性狀中萌發指數值的最小、最大值；最大值取1，最小值取0。求出各品種每個性狀指標在所有處理下的平均值，計算各品種5個性狀指標的平均值，即該品種的具體隸屬度。然后用隸屬度大小進行排序。

1.4.3 數據處理 采用DPS 15.0統計分析軟件進行方差分析，樣本間的差異顯著性用Duncan檢驗。

2 結果與分析

2.1 NaCl處理對不同品種種子萌發的影響

不同虉草雜交后代之間，發芽率、發芽指數、根長、芽長、活力指數的耐鹽系數變異范圍較大，用單一指標判斷各材料的耐鹽性，其結果并不完全一致。從根長和芽長分析，YC11101的耐鹽系數最大，YC11002和YC10902的耐鹽系數較小；活力指數，YC108的耐鹽系數最大；YC11101的發芽率耐鹽系數最高；YC108的發芽指數耐鹽系數最高。因為單個指標對萌發的影響評價并不完全，所以利用隸屬函數對其進行綜合評價，以隸屬度排序其耐鹽性為：YC108>YC10902>YC11101>YC11002(表1)。

表1 NaCl處理下的各項指標耐鹽系數及隸屬度

注：同列不同大寫字母表示同一指標下不同品種相比差異極顯著(P<0.01)，下同

2.2 干旱處理對不同品種種子萌發的影響

在PEG-600模擬干旱處理下，5個指標在耐旱系數上存在較大變異差異。從單一指標上分析，YC11101在根長、芽長和發芽率的耐旱系數上均有最高值；從發芽指數和活力指數的耐旱系數，YC108最高；而YC10902的發芽率、芽長和活力指數的耐旱系數都最低，4個品系沒有極顯著的差異。從耐旱隸屬度排序為：YC108> YC11101> YC11002> YC10902(表2)。

表2 干旱處理下的各項指標耐旱系數

2.3 交互脅迫處理對不同品種種子萌發的影響

在鹽和干旱交互處理下，YC11101的根長、芽長和活力指數的耐脅迫系數最大，YC11002的則最小；YC108的發芽率耐鹽脅迫系數最高，YC10902的發芽率耐脅迫系數最低；YC11002的發芽指數耐脅迫系數最高，YC108的發芽指數耐脅迫系數最低，YC11101與其他3個品系有極顯著的差異。因為單個指標對萌發的影響評價不完全，所以利用隸屬函數對其進行綜合評價，以隸屬度排序其耐脅迫程度為：YC11101> YC108>YC10902>YC11002(表3)。

表3 交互脅迫處理下的耐鹽旱系數及隸屬度

3 討論

3.1 鹽分對種子萌發的影響

鹽脅迫對植物的影響涉及到植物生長發育的各方面，包括種子萌發，營養生長和生殖發育。試驗中鹽脅迫的不利影響不僅出現在虉草種子萌發初期，在苗后生長期也有顯著的影響。鹽脅迫給植物帶來滲透脅迫、離子毒害、營養元素的虧缺和氧化應激等危害[8]。高鹽濃度導致植物從土壤中吸收水分受到限制且在細胞壁積累的鈉離子可迅速導致細胞死亡[9]。離子毒害主要體現在生物化學反應中的Na+和K+置換以及Na+和Cl-結合引起的蛋白質構象變化。K+是代謝酶輔助因子，也是tRNA與核糖體結合合成蛋白質所需的離子[10-11]，如被Na+取代，不僅造成離子毒害和滲透脅迫，導致植物代謝失衡，更可造成氧化損傷[12]。從而測定植物耐鹽性的指標也與鹽脅迫危害相關聯。在植物種子萌發期主要測定發芽率、發芽指數、活力指數、根長和芽長等指標；生長后期主要采用各個受脅迫部分中滲透調節物質、保護酶類系統和離子濃度等測定。王曉龍等[13]對5種禾本科牧草種子萌發期及幼苗進行鹽脅迫的試驗，從發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、耐鹽指數等方面對其進行了評價。趙明德等[14]對青藏高原4種牧草的耐鹽性評價試驗中，其滲透調節物質、保護酶系統和根長芽長等特征在處理前后都發生了顯著的變化。辛慧慧等[15]在評價披堿草屬3種牧草的耐鹽性時測定了與滲透脅迫調節相關的生理指標，這些指標在處理前后也出現了顯著的變化。陳彬等[16]對5種禾本科牧草耐鹽性的研究中，采用測定細胞保護酶類作為評價指標，對5個品種做出了耐鹽性強弱的排序。還有報道將上述這些指標做主成分分析，將數個達到累計貢獻率達80%以上的指標作為主成分進行重點研究和評價。試驗材料在模擬鹽脅迫下，隨處理時間的延長，根長、芽長、發芽率等指標都有不同程度的變化，根長有顯著變化的是YC11002，芽長有顯著變化的是YC10902，發芽率有顯著變化的是YC10902，說明雖然鹽脅迫濃度及時間都相同，但是各個品系對鹽脅迫的應答卻不盡相同。鹽脅迫主要限制品系YC11002的胚根延長，而對品系YC10902的影響主要表現在限制胚芽的伸長，而胚根在種子萌發過程中深入土壤中吸收水分及營養，以供種子進一步的萌發；胚芽伸出土壤后進行光合作用以維持新生機體所需的碳水化合物，因此，胚根和胚芽的生長受到限制后植株就難以繼續存活。

3.2 干旱對種子萌發的影響

干旱在科爾沁地區作為牧草生產的主要限制因素之一，不僅影響植物的生長發育，還降低牧草的生產及再生，甚至導致植物的死亡。植物對干旱脅迫的響應主要表現在形態結構的變化、水分虧缺、細胞膜系統受損、光合作用的變化、滲透調節物質的變化、抗氧化酶活性的變化以及植物激素類物質的變化等方面。對于種子萌發期的干旱危害主要表現在對種子發芽特征的影響，降低發芽率和出苗整齊一致度。研究從根長、芽長、發芽率等指標分析，品系YC10902是對干旱脅迫最敏感的材料，其他3個品系根長、芽長和發芽率等指標也隨著處理時間的延長有不同程度的下降。與其他學者研究結果相同，姜生秀等[17]對2種沙冬青種子進行干旱脅迫后，其種子萌發率、發芽勢、日相對發芽率受到不同程度的抑制，萌發進程推遲，胚芽長和胚根長也受到抑制，萌發種子含水量下降；譚春燕等[18]利用相對發芽率、相對發芽勢、種子抗旱指數、幼苗活力指數、幼苗活力抗旱指數、種子萌芽抗旱指數、儲藏物質轉運率等指標將20份春大豆材料分為強、弱、中3個耐干旱等級；李偉等[19]利用PEG-600模擬干旱對小麥品種進行抗旱性評價，得出隨著PEG濃度的提高4個小麥品種種子發芽勢、發芽率、萌發抗旱指數、葉片長度均隨PEG 濃度增加而逐漸降低；程波等[20]對內蒙古半干旱地區經常種植的5種苜蓿品種種子的抗旱性進行評價，結果表明不同滲透勢的PEG溶液對5種紫花苜蓿種子的萌發均有抑制作用，且抑制效果隨著滲透勢的降低而增強。

3.3 交互作用對種子萌發的影響

大田生產中干旱和鹽分影響往往同時存在，研究兩者的交互作用對種子的萌發比研究單個因素對種子萌發的影響更有具有科學意義。宗莉等[21]在研究干旱、鹽分和發芽溫度對黑果枸杞種子萌發的影響研究中報道，在單因素干旱和鹽分脅迫條件下3個因素對黑果枸杞種子的萌發有極顯著的抑制作用，在干旱和鹽交互處理中，對種子有顯著的抑制作用，三者的影響程度大小排序為PEG> NaCl>溫度。試驗中單因素在發芽率、根長等方面有顯著影響，而交互作用在發芽指數、活力指數方面有顯著影響，而對于芽長，單因素和交互脅迫之間無顯著差異。這說明干旱或者鹽分脅迫在種子萌發的具體指標上具有更強的抑制作用。除了研究交互作用對種子萌發的指標外，學者們常利用一些生理生化指標來表示脅迫的影響。于振旭等[22]在研究干旱和鹽分交互脅迫對桑樹部分生理生化指標的影響研究中發現干旱是影響桑樹光合作用、蒸騰作用和SOD等生理生化性狀的主導因子， 而土壤鹽分的影響作用不明顯；但鹽分與干旱交互脅迫，會加重對桑樹滲透調節功能的影響。楊樹德等[23]也利用葉片相對含水量(RWC)，膜脂過氧化產物(MDA)和抗氧化酶活力(SOD，POD，CAT)及滲透調節物含量(脯氨酸，可溶性蛋白)等指標來研究干旱和鹽分交互脅迫作用對16種冬小麥品種的生理調節差異性。

4 結論

種子萌發不僅要具備自身的條件還需要適宜的環境因素，而干旱和鹽分等外部環境因素是常見的逆境條件。種子往往通過形態特征的變化或調節參與特定生理生化反應的物質來應對逆境，這些物質包括膜脂過氧化物、抗氧化酶和滲透調節物質。從單一處理的隸屬度排序分析，YC108品種(系)在鹽和干旱單獨脅迫情況下，均有較好的表現。在交互處理的隸屬度綜合評價下YC11101有最好的表現，YC108僅次于YC11101。除此之外，虉草種子萌發指數低與其種子具有休眠性也相關[24]，其次虉草無性繁殖能力較強，這也可能是影響其種子繁殖不利的因素。