NaCl脅迫下氮磷鉀元素浸種對梭梭種子萌發影響研究

丁奮謙, 高 永, 黨曉宏,盧立強,祁 帥,楊利英, 高旭正,韓 超,李 佳,崔佳寧

(內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010011)

1 引言

種子是植物體的生殖器官之一，它的產生代表著成熟植物體的衰落，也是新植物體生長發育的開端，對一個物種的種群繁衍生息有著極其重要的意義[1]。種子萌發是指種子從吸脹作用開始的一系列有序的生理和形態變化過程，包括吸漲和萌發、發芽及成苗4個階段[2]。種子在萌發階段對土壤中鹽分的離子效應、滲透效應的綜合適應能力是種子耐鹽性的實質，其他生態因子(不同類型鹽分、溫度、水分等)對種子耐鹽性的影響則是來自其對土壤鹽溶液兩種效應大小的改變[3]。鹽脅迫條件下，土壤滲透勢降低、離子平衡被打破，植物種子細胞內水勢降低，造成種子生理性吸水困難；種子細胞內類囊體膜結構發生異變，生理同化過程被打亂，光合作用被影響；種子細胞內蛋白質合成受到影響抑制生長，植物為抵御鹽脅迫會優先合成各類有機物質使其耗能增加、質量下降導致植物生長緩慢甚至死亡[4,5]。氮在植株生長發育等階段發揮著重要的作用是一種植物必需的營養元素[6]，氮元素約占植物干重的1.5%～5%，鹽脅迫下，集聚在植物根系附近的大量Na+進入植物體內使得細胞膜膜外正電荷減少,膜內負電荷減少，導致植物對氮元素的吸收累積過程被抑制，影響植物生長，施氮可顯著提高植物滲透調節能力[7]；磷元素占植物干重的0.05%～0.5%，能提高作物對外界變化的適宜能力[9]，植物體內磷元素不足時會導致植物分枝分蘗數減少，植株冠幅變得矮小，生長發育不良，葉片顏色反常，花期推遲，種子不飽滿且產出率下降[8]；鉀元素被稱為植物的生命元素，是所有植物在生長發育周期中不可或缺的元素，是植物體內含量最高的金屬元素，缺鉀會導致植物葉片發黃、根系短小甚至腐爛，嚴重抑制植物的生長[8、9]。研究發現在鹽堿地上施用適量的氮磷鉀肥可輔助植物提高其抗鹽堿能力[6、7、9]。梭梭(Haloxylonammodendron)是藜科梭梭屬灌木，具有良好的適應性，是我國西北和內蒙古地區固沙造林的優良樹種，也可用作薪柴、牲畜飼料等[10]。前人對梭梭植物的研究已有很多，但對于NaCl脅迫下氮磷鉀浸種對梭梭種子萌發的影響實驗研究未見報道，有待深入。因此，本研究以梭梭種子為研究對象，分析和比較其經過氮磷鉀元素浸種處理后在NaCl脅迫下條件下的梭梭種子在該萌發情況，一定程度上能夠加深對梭梭植物種子的萌發策略及其影響機制的理解，對于改良、利用大面積鹽漬土壤及鹽漬化地區梭梭的種植栽培、擴大種植范圍提供理論科學依據。

2 材料與方法

2.1 研究材料

供試植物梭梭種子由甘霖苗木合作社提供，實驗中添加氮磷鉀元素分別選用尿素(H2NCONH2)、過磷酸鈣(CaP2H4O8)、硫酸鉀(K2SO4)。

2.2 實驗方法

挑選用籽粒飽滿、大小均勻且無病蟲害的受試種子浸泡在0.5% KMnO4消毒10 min后用紗布包裹濾出，清水沖洗3次，再用蒸餾水沖洗數次[11]，用濾紙吸干種子表面水分，于無菌倉內晾干備用[12]。

經NaCl脅迫預實驗選取其中3個發芽率極值點鹽濃度(即0，MAX，MIN，對應鹽濃度分別為0、0.25%、2%)作為本試驗所用鹽溶液濃度，另將其脅迫下的各項指標作為本實驗的對照組指標(CK1、CK2、CK3)。使用含氮磷鉀元素的溶液浸種，濃度梯度為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、1%、2%、3%、4%、5%[6,7,9]，加入適量超純水將3種溶劑充分溶解在錐形瓶中，浸種4 h。

采用培養皿濾紙法進行試驗，將處理后的種子置于直徑9cm并鋪有兩層濾紙的的培養皿內(培養皿事先高溫滅菌)[13]。使用移液槍加注不同濃度NaCl溶液溶液5 mL，每皿放置種子50粒，每個處理3次重復。將培養皿放入人工氣候箱內培養7d[12]，箱內溫度預設為恒溫25 ℃[14]。稱重法使用萬分之一電子天平稱重后補足失水量確保皿內溶液濃度。發芽試驗以種子連續2d不再萌發的時間為末次計數時間，逐日統計發芽數并計算發芽率、發芽勢、發芽指數。

2.3 數據處理

種子發芽率(GR)=(7 d種子發芽數/種子總數)×100% ；

種子發芽勢(GP)=(發芽高峰期連續三天發芽數/種子總數) ×100% ；

種子發芽指數(GI)= ∑(Gt/Dt) ，其中Gt為t日發芽數，Dt為相應天數。

采用Origin 2018軟件作圖，SPSS 22.0統計軟件對數據進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，用Dun-can’s檢驗法進行多重比較。試驗所得數據均用“平均值±標準差”表示。

3 結果分析

3.1 氮磷鉀浸種對NaCl脅迫下梭梭種子發芽率的影響

對照組中受試種子在不同濃度NaCl脅迫下萌發的發芽率受到不同程度影響(表1)；清水條件下，三種元素浸種處理后的種子發芽率與對照組(CK1GR)相比均有不同程度的下降且都存在顯著性差異。隨著氮磷鉀元素濃度的增加，受試種子發芽率經過尿素、硫酸鉀處理后呈現出下降的趨勢，過磷酸鈣處理后則是先升高后降低的趨勢，但發芽率均低于對照組，其中濃度為0.1% 尿素、0.1%硫酸鉀及0.3%過磷酸鈣浸種處理后梭梭種子發芽率最高，較對照組(CK1GR)仍然分別顯著減少了16%、19.33%和20%(P<0.05)，當尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀濃度達到5%時，發芽率顯著低于對照組(CK1GR)55.33%、57.33%、55.33%；梭梭種子在0.15% NaCl脅迫下種子發芽率達到最高，但經過三種浸種處理后種子發芽率均低于對照組(CK2GR)，且處理后后種子發芽率未顯現出一致性規律，發芽率隨著藥品濃度的上升總體呈下降趨勢，高濃度(2%～5%)尿素浸種后發芽率分別顯著低于對照組9.33%、11.33%、13.33%、18%，1%尿素處理發芽率最高(70%)仍低于對照組(CK2GR)1.33%。濃度在0.7%～5%過磷酸鈣處理后種子發芽率顯著低于對照組(CK2GR)6%、10%、5.33%、8%、8%、6.66%(P<0.05)，其余處理與對照組無顯著性差異，但發芽率都低于對照組。1%硫酸鉀處理后種子發芽率(70±0%)低于對照值1.33%，除0.1%、0.3%、1%處理，其余處理都顯著低于對照組，可見浸種處理對種子的發芽率無明顯提高作用，甚至會產生負面影響；高濃度NaCl(2%)脅迫下，尿素、過磷酸鈣浸種處理發芽率隨濃度增加而增加，1%尿素、3%過磷酸鈣處理后發芽率達到峰值，顯著高于對照值(CK3GR)22.33%、26.67%(P<0.05)，硫酸鉀處理發芽率則與濃度的增加呈正比，5%硫酸鉀浸種處理后發芽率相比對照組(CK3GR)顯著提高了24%(P<0.05)，3種處理對梭梭種子發芽率促進效果明顯，表明高濃度鹽脅迫下氮磷鉀元素處理在一定程度上緩解了鹽害，提高了種子耐鹽性(圖1)。

表1 NaCl脅迫對梭梭種子萌發的影響(對照組)

圖1 清水、0.15%、2%NaCl脅迫下三種浸種處理對梭梭種子發芽率的影響

3.2 氮磷鉀浸種對NaCl脅迫下梭梭種子發芽勢的影響

清水條件下，尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀處理后梭梭種子發芽勢與對照組 (CK1GP)存在顯著性差異，使用氮磷鉀元素浸種后都顯著降低了梭梭種子的發芽勢，其中，尿素浸種處理對種子發芽勢的影響未顯現出一致性規律，各處理中0.1%尿素浸種后發芽勢最高，較對照組仍然顯著下降了11.33%。過磷酸鈣處理后，梭梭種子發芽勢隨濃度改變呈現出低濃度升高，高濃度下降的趨勢，過磷酸鈣濃達到0.5%時，種子發芽勢顯著低于對照組(CK1GP)14.67%。硫酸鉀處理后發芽勢隨濃度增加持續下降，0.1%硫酸鉀浸種后梭梭種子發芽勢即達到最高值(42±2%)顯著低于對照組；0.15% NaCl脅迫下，三種處理下種子發芽勢均未呈現出一致的的規律，但總體呈下降趨勢，尿素種處理與對照組差異顯著。其中，0.1%、1%尿素處理后發芽勢較對照組下降了0.67%，尿素處理抑制了梭梭種子的發芽勢且均顯著低于對照組(CK2GP)。過磷酸鈣處理中，低濃度(0.1%～0.5%)浸種后發芽勢高于對照組(CK2GP)2.67、1.33、2.67，高濃度(1%～3%)處理中，1%和3%過磷酸鈣處理的種子發芽勢與對照組持平，2%過磷酸鈣處理后高于對照組1.33，其他濃度下發芽勢都被抑制。0.1%、1%硫酸鉀浸種處理后的發芽勢高于對照組1.33%、6%，0.3%硫酸鉀浸種處理后的發芽勢與對照組持平，其余濃度硫酸鉀浸種處理后發芽勢均都低于對照組；2% NaCl脅迫下，三種處理與對照組(CK3GP)均存在顯著性差異，且種子發芽勢均高于對照組，發芽勢總體呈上升趨勢，高濃度(1%～5%)尿素處理下，種子發芽勢較對照組顯著分別提高了15.33%、12.67%、13.33%、12.67%、10%，促進效果明顯。硫酸鈣處理后種子發芽勢未呈現出一致性規律，但處理后種子發芽勢均顯著高于對照組(CK3GP)，5%硫酸鉀浸種后，發芽勢較對照組顯著提高了12.67%。過磷酸鈣浸種處理后種子發芽勢呈現出先升后降的趨勢，4%過磷酸鈣處理后種子發芽勢達到了16.67±0.03%。隨著濃度的增加，高濃度(1%～5%)浸種后的發芽勢高于低濃度(0.1%～0.5%)處理，但浸種后對種子發芽勢促進效果明顯，一定程度上提高了種子的發芽能力(圖2)。

圖2 清水、0.15%、2% NaCl脅迫下三種浸種處理對梭梭種子發芽勢的影響

3.3 氮磷鉀浸種對NaCl脅迫下梭梭種子發芽指數的影響

清水條件下，三種處理與對照組間存在顯著性差異，尿素、硫酸鉀浸種后種子發芽指數總體呈下降趨勢，(0.3%～5%)尿素處理后發芽指數均顯著低于對照組(CK1GI)；低濃度(0.1%～0.3%)過磷酸鈣處理時種子發芽指數升高，濃度由0.7%升高至5%時，與對照組(CK1GI)相比分別顯著下降了1.19、4.42、5.02、6.38、8.05、8.17。硫酸鉀處理后，種子發芽指數均顯著低于對照組(P<0.05)；0.15%NaCl脅迫下，三種浸種處理后的種子發芽指數都沒有明顯規律，總體呈下降趨勢，且三種元素對種子發芽指數都有顯著影響，0.3%、0.7%及2%～5%尿素處理后發芽指數顯著低于對照組0.80、0.86、1.66、1.46、1.56、3.65。0.7%、2%～5%硫酸鉀浸種后發芽指數顯著低于對照組(CK3GI)，分別為1.74、0.78、1.58、2.7和2.53，其余處理均低于對照組(CK3GI)。0.5%、1%～5%過磷酸鈣浸種后發芽指數顯著低于對照組，各處理均低于對照組；2%NaCl脅迫條件下，浸種處理后種子發芽指數呈一直上升的趨勢，且與對照組均存在顯著性差異，尿素濃度從0.1%升至2%時發芽指數達到最高，顯著高于對照組3.87。3%過磷酸鈣浸種后種子發芽指數顯著高于對照組5.03、4%硫酸鉀處理后顯著高于對照組4.36，總體發芽指數均高于對照組(圖3)。

4 結論與討論

鹽脅迫對植物生命周期中的各個階段都會產生影響，如種子萌發、幼苗生長發育、光合作用等，是非生物脅迫中最為常見的一種[15]。外界鹽漬生境下，種子萌發階段最先受到鹽脅迫影響，種子萌發階段的抗逆性和耐受性相較于植物其他階段更為脆弱[16]。經試驗證實 NaCl 脅迫會顯著影響種子萌發階段的發芽率、發芽指數等指標[17]。如程波等[18]試驗得出，5種紫花苜蓿種子的發芽率、發芽勢、活力指數均受到 NaCl 脅迫抑制，濃度越大抑制作用越明顯，且5種紫花苜蓿種子發芽高峰期、最高發芽數也隨之而向后推移、減少。但部分研究表明，低濃度的NaCl會促進種子萌發，如劉曉威等[5]研究顯示，低濃度( 50 mmol/L ) NaCl 溶液處理可提高紅砂種子萌發率，但隨著NaCl濃度不斷升高，紅砂種子萌發期延長，萌發率下降，400 mmol/L NaCl 處理后紅砂種子仍有活力但無法萌發。本實驗對照組(表1)中的結果與上述結論基本一致，即在輕度NaCl脅迫下(0.15%)梭梭種子萌發性顯著最高于無NaCl和重度(2%)NaCl脅迫的萌發性。

研究表明，鹽脅迫下植物因滲透效應致使氮素缺乏，植物生長被抑制，但增施氮肥可提高植物耐鹽性、緩解鹽脅迫對植物造成的傷害[9]。孟國花等試驗發現，鹽脅迫下甜高粱的生長趨勢減緩，在增施一定量的(5 mmol/L、1 mmol/L、6 mmol/L)氮、磷、鉀營養元素后甜高粱耐鹽性明顯增強，生長促進效果最明顯[7]。曲東等研究發現，磷酸二氫鉀浸種可縮短玉米和小麥的萌發時間[19]。楊建肖等以鄭單958為材料,研究了不同濃度氯化鉀浸種對衰老玉米種子的萌發率等指標的影響，結果表明,0.1～10.0 mmol/L氯化鉀處理對玉米種子的發芽勢、活力指數有促進作用[20]。本實驗中，清水條件下，浸種對梭梭種子的發芽率、發芽勢無促進作用，在較低的濃度時發芽率、發芽勢就達到最高，總體都低于未處理的種子；對梭梭種子的發芽指數有一定的促進作用；輕度(0.15 %)NaCl脅迫下，三種處理后種子各項指標與清水條件下結果相近，這可能是由于梭梭種子已經處在最優的萌發環境下，各項指標均達到最好，添加了氮磷鉀元素反而使得萌發環境被破壞，萌發性下降；高濃度(2%)NaCl脅迫下梭梭種子在未處理狀態下發芽率、發芽勢仍能達到2%，經三種處理后種子的發芽率、發芽勢隨浸種濃度增大不斷升高，總體較對照組提升明顯，種子起始萌發期較未處理的種子提前，萌發數量增多，但由于該條件下大部分種子遭受了嚴重的離子毒害，雖然在三種元素作用下對脅迫效應有了一定的緩解，然而隨著元素濃度增加，總鹽濃度也在增加，對種子的迫害愈發嚴重，造成的不可逆的傷害使萌發率有了提高但仍無法改變種子發芽能力下降的事實。

綜上所述，不同浸種處理對種子萌發指標的影響略有差異，在無鹽和少鹽脅迫的條件下處理對種子的發芽率、發芽勢、發芽指數無明顯的促進作用；高濃度鹽脅迫下，浸種處理大大緩解了Na+的迫害作用，提高了種子的發芽率、發芽勢和種子發芽指數。鹽脅迫和氮磷鉀元素對種子萌發的影響是復雜而又繁瑣的，且種子自身及外部環境等因素也會影響萌發。本實驗主要針對氮磷鉀元素浸種處理后梭梭種子在鹽脅迫條件下萌發階段的影響做了初步的實驗研究，具體是通過怎樣的途徑和改變種子內部環境來促進或抑制種子的萌發性還需要進一步研究。