鹽脅迫對海島棉種子活力的影響

蘇秀娟，徐海江，鄧曉娟，龔林濤

(1.新疆農業大學農學院/新疆農業大學生物技術重點實驗室，烏魯木齊 830052；2.新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】土壤鹽堿化嚴重限制農業生產[1]。鹽堿土是鹽土、堿土和各種鹽化、堿化土壤的總稱。我國鹽漬化土壤面積約為3.69×107hm2，占現有耕地的25%，主要分布于土壤蒸發量大，降水量稀少的干旱、半干旱地區和濱海地區[2]。新疆地處亞洲大陸腹地，遠離海洋，屬于典型的干旱半干旱地區，年平均降水量約為150 mm左右，現有耕地中已有31.1%的面積受到鹽堿危害[3]。棉花屬于短日照雙子葉植物，是鹽堿地的主要作物。海島棉(GossypiumbarbadenseL.)又稱長絨棉，雖產量比陸地棉低，但棉纖維品質較好，是紡制高檔和特種棉紡織品的主要原料。新疆獨特的氣候資源條件，是我國唯一的海島棉種植區，研究新疆地區的海島棉耐鹽特性對選育出更適合鹽堿地生長的海島棉品種具有實際意義。【前人研究進展】棉花較耐鹽，一般耐鹽性為海島棉>陸地棉>亞洲棉[4]。棉花在不同生育階段耐鹽性能力不同，對鹽脅迫最敏感時期是萌發出苗期和進行耐鹽性鑒定的最佳時期，也是進行耐鹽性鑒定的最佳時期，隨著生育期延長，棉花耐鹽性逐步提高[5]。鹽脅迫影響棉花植株生理生化代謝等[6]，鹽濃度過高會造成細胞脫水、細胞內膨壓下降[7]，還可降低細胞呼吸速率，抑制細胞分裂增殖[8]。【本研究切入點】種子活力反映在種子發芽率、田間成苗率、種子發育、種子質量等多項指標變化[9]。種子活力與種子耐鹽性密切相關[10]。高活力種子發芽早、對不良環境的抵抗力強，具有顯著生長優勢和生產潛力；低活力種子可以在適宜的條件下發芽，但是發芽遲，在不良環境條件下出苗不整齊，甚至沒有出苗[11]。高活力種子的發芽勢、發芽率等多項指標均大于低活力種子，鹽濃度為0.8%時的棉花芽長及芽重是研究棉花耐鹽性的最佳選擇[12]。可以把鹽脅迫下的發芽勢、發芽率、芽長、芽重作為種子活力的測定指標。【擬解決的關鍵問題】選擇35份海島棉種子作為材料，配置150 mmol/L NaCl溶液，在發芽盒內模擬鹽脅迫條件。在28℃恒溫條件下培養，對35份海島棉種子測量的發芽勢、發芽率、根長、下胚軸長、鮮重、干重進行統計和聚類分析，研究不同基因型海島棉萌發期的耐鹽特性，分析鹽脅迫下海島棉種子活力指標的變化規律，為高活力的海島棉耐鹽品種的選育和鹽堿地的有效開發利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

共選用35份不同品種的海島棉材料，由新疆農業大學農學院提供。表1

表1 海島棉材料

1.2 方 法

1.2.1 溶液配置

配置95%的酒精200 mL用做鑷子消毒，倒入廣口瓶中，蓋好瓶蓋。配置75%的酒精每次800 mL用以洗種子。稱取8.77 g NaCl，倒入1 L蒸餾水，配置成150 mmol/L的NaCl溶液，倒入2個錐形瓶中，覆上封口膜，放入高壓蒸汽滅菌鍋中101 kPa，121℃，20 min滅菌后，倒入絲口瓶中儲存。

1.2.2 種子消毒

選擇100粒粒大、飽滿、脫絨干凈的種子。將100粒種子分為兩組，每組50粒，使用自來水沖洗1 min后，放入滅菌的培養瓶中，并做好標記。在超凈工作臺內，用75%酒精洗種子3次，每次分別搖蕩3、4、5 min，再用滅菌的蒸餾水清洗1次，放于28℃的恒溫培養箱中，倒入30%的過氧化氫溶液浸泡4 h。棄去雙氧水溶液，在超凈工作臺中使用蒸餾水清洗3次，每次1 min，確保殘余雙氧水去除干凈，使用蒸餾水浸泡16 h。

1.2.3 發芽試驗

雙層濾紙培養[13]：在發芽盒內鋪入2張濾紙，倒入8 mL滅菌的150 mmol/L 的NaCl溶液；對照則加蒸餾水。取20粒露白的種子，發芽孔朝下按照4×5排列在濾紙上，在種子上方再鋪入一層濾紙，倒入4 mL滅菌的150 mmol/L NaCl溶液；對照則加蒸餾水，蓋上發芽盒。在發芽盒上做標注。每處理重復3次。將發芽盒放入28℃、相對濕度80%的恒溫培養箱中培養，分別于4、7 d統計發芽勢、發芽率。

1.2.4 測定指標

試驗以發芽勢、發芽率、下胚軸長、根長、鮮重、干重等6項指標為種子活力的測定指標，主要包括發芽能力和幼苗形態指標2項，室內鑒定參考張國偉等[14]方法。

發芽試驗結束后，每個處理的3次重復中分別隨機抽取小幼苗10株，測定其下胚軸長(cm，萌發孔到下胚軸的長度)、根長(cm，下胚軸到根尖的長度)、鮮質量(g)[15]及干重(g：在鼓風干燥箱干燥至恒重時的重量)。

1.3 數據處理

采用Excel軟件進行數據整理，使用SPSS 21.0軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫下海島棉種子活力指標多樣性

研究表明，當NaCl溶液濃度為150 mmol/L時，下胚軸長的變異系數最高，在該鹽濃度時下胚軸長的變化范圍比較大，且性狀極不穩定，受鹽脅迫的影響大；干重變異系數最小，該性狀表現比較集中，受鹽脅迫的影響較小；鹽脅迫對6個活力指標的影響程度為下胚軸長>根長>發芽勢>發芽率>鮮重>干重。表2

表2 鹽脅迫下海島棉種子多樣性

2.2 鹽脅迫對海島棉種子各項活力指標的影響

研究表明，當NaCl溶液濃度為150 mmol/L時，對發芽勢、發芽率、根長、下胚軸長、鮮重、干重6項活力指標均有影響。其中發芽勢、發芽率、根長、下胚軸長、鮮重5項指標最大值、最小值、平均數均低于對照，干重的最大值、最小值、平均值則高于對照。鹽脅迫對海島棉有雙重作用，對海島棉種子發芽勢、發芽率、根長、下胚軸長、鮮重有抑制作用，對干重則有促進作用。表3

表3 海島棉種子鹽脅迫與對照活力指標對比

2.2.1 鹽脅迫對海島棉種子發芽勢的影響

研究表明，當NaCl溶液濃度為150 mmol/L時，35個海島棉品種的發芽勢整體低于對照。而N9、N13、N22、N24、N34、農科2、農科28、農科36、農科41、農科51共10個品種在鹽脅迫下發芽勢小幅度高于對照，在NaCl溶液濃度為150 mmol/L時的鹽脅迫促進了這10個品種的種子發芽勢。以發芽勢的平均值對棉花耐鹽性排序為農科51>N9>農科41>農科1>農科22=N13>農科36>N24>N34>農科28。耐鹽性較好的品種為N9、N13、N22、N24、N34、農科2、農科28、農科36、農科41、農科51。圖1

圖1 鹽脅迫下海島棉種子發芽勢變化

2.2.2 鹽脅迫對海島棉種子發芽率的影響

研究表明，當NaCl溶液濃度為150 mmol/L時，35個海島棉品種的發芽率整體低于對照，而N15、N26、N27、N35、農科2、農科8、農科36、農科51共8個品種發芽勢高于對照，在鹽脅迫下發芽勢小幅度高于對照，在NaCl溶液濃度為150 mmol/L時的鹽脅迫促進了這8個品種的種子發芽率；N2、N21、N22、N34、N40、農科28、農科41、農科54共8個品種發芽率不受鹽脅迫影響。以發芽率的平均值對棉花耐鹽性排序為N15>N27> N35>農科2>農科51>N26>農科36>農科8。耐鹽性較好的品種為N15、N26、N27、N35、農科2、農科8、農科36、農科51。圖2

圖2 鹽脅迫下海島棉種子發芽率變化

2.2.3 鹽脅迫對海島棉種子根長的影響

研究表明，當NaCl溶液濃度為150 mmol/L時，35個海島棉品種的根長整體低于對照。而N22、N342個品種種子在鹽脅迫下根長小幅度高于對照，在NaCl溶液濃度為150 mmol/L時的鹽脅迫促進了這2個品種的種子的根長生長。以根長的平均值對棉花耐鹽性排序為N22>N34>農科28>農科30>N27(受影響程度10%以內)。耐鹽性較好的品種為N22、N34。圖3

圖3 鹽脅迫下海島棉種子根長變化

2.2.4 鹽脅迫對海島棉種子下胚軸長的影響

研究表明，當NaCl溶液濃度為150 mmol/L時，35個海島棉品種的下胚軸長整體低于對照。而農科34種子在鹽脅迫下海島棉種子下胚軸長不受鹽脅迫影響。以下胚軸長的平均值對棉花耐鹽性排序為農科34>N13>農科36>農科41(受影響程度15%以內)。耐鹽性較好的品種為農科34。圖4

圖4 鹽脅迫下海島棉種子下胚軸長變化

2.2.5 鹽脅迫對海島棉種苗鮮重的影響

研究表明，當NaCl溶液濃度為150 mmol/L時，35個海島棉品種的根長整體低于對照。農科27鹽脅迫下海島棉種子鮮重不受鹽脅迫影響。以鮮重的平均值對棉花耐鹽性排序為農科3>農科30>N24>N13(影響程度10%以內)。耐鹽性較好的品種為農科27。圖5

圖5 鹽脅迫下海島棉種子鮮重變化

2.2.6 鹽脅迫對海島棉種苗干重的影響

研究表明，當NaCl溶液濃度為150 mmol/L時，35個海島棉品種的根長整體高于對照。而N5、N7、N21、N22、N26、N27、農科2、農科3、農科34、農科45、農科51、農科A4共12個品種的種子在鹽脅迫下干重低于對照，說明在NaCl溶液濃度為150 mmol/L時的鹽脅迫抑制了這12個品種的種子干重，對其他品種的種子干重則有促進作用。以干重的平均值對棉花耐鹽性排序為農科30>N34>農科52>N9=N13>農科27。耐鹽性較好的品種為N9、N13、N34、農科27、農科30、農科52。圖6

圖6 鹽脅迫下海島棉種子干重變化

2.3 鹽脅迫下海島棉種子活力指標聚類分析

研究表明，在距離為10處將35份海島棉材料分為3類。

第Ⅰ類包括19份材料，分別為N2、N7、N9、N13、N22、N23、N24、N27、N34、N38、農科2、農科8、農科A4、農科28、農科36、農科41、農科45、農科51、農科54。該類含有大部分海島棉品種。發芽勢、發芽率、根長和干重這4個性狀在3類中平均值最大，除根長性狀外，其他3個性狀的變異系數值居3類中的中間水平；鮮重平均值居3類中中間，但其變異系數為3類中最小，該性狀受鹽脅迫的影響最小，性狀比較集中。該類屬于3類中耐鹽性最高，可以為耐鹽性品種的選育提供種質資源材料。

第Ⅱ類包括12份材料，分別為N5、N15、N23、N26、N31、N35、N40、農科1、農科30、農科34、農科52、農科57。其中發芽率和根長性狀平均值處于中間水平，但其變異系數值最小，該性狀受鹽脅迫的影響最小，性狀變化幅度較小；鮮重和下胚軸常平均數最大，但其變異系數也最大，這2個性狀受鹽脅迫影響最大，比較不穩定。該類屬于中度耐鹽水平。

第Ⅲ類包括N3、農科3、農科27、農科33共4份材料。該類中各性狀平均值是3類中最小，其中下胚軸常、鮮重和干重這3個指標的變異系數最小，這3個性狀受影響較小，但整體耐鹽性較差。表4，圖7

表4 鹽脅迫下海島棉6項活力指標聚類

圖7 鹽脅迫下35份海島棉6項活力指標聚類

3 討 論

新疆南北疆棉區均遭受不同程度的鹽漬化，由于新疆地處內陸盆地，鹽堿地具有面積大、類型多、積鹽重、形成復雜等特點，各類鹽漬化土地面積約為 11 × 104km2，北疆以硫酸鹽或硫酸鹽+氯化物為主，南疆以氯化物+硫酸鹽為主[16]。棉花雖然是鹽堿地的先鋒作物，但其耐鹽能力十分有限，且各生育階段的耐鹽能力不同[17-18]。

土壤中鹽(NaCl)的過量積累可導致各種農作物減產，以150 mmol/L(即鹽濃度為0.8%)為鹽脅迫指標研究鹽脅迫下海島棉種子活力的影響[12]。文卿琳等[19]研究顯示棉花種子萌發、出苗和幼苗階段是對鹽脅迫比較敏感的時期，也是對棉花品種進行耐鹽性篩選的關鍵時期。當NaCl濃度≤25 mmol/L時，鹽脅迫對棉花種子發芽影響較小或無影響，而高濃度的NaCl(≥50 mmol/L)則表現出強烈的抑制作用；且無論鹽濃度高低，都對海島棉的幼苗生長產生抑制作用，當NaCl濃度≥125 mmol/L時，幼苗根、葉、莖、根冠比和總干重均顯著低于對照。楊淑萍等[20]研究不同基因型海島棉在鹽脅迫條件下幼苗生長情況，該條件下對海島棉幼苗鮮重的影響大于干重，對于莖葉的影響大于根系，與試驗結論一致。阿曼古麗等[21]研究了0.6% NaCl鹽脅迫對海島棉幼苗生長的影響，研究發現該鹽濃度對于海島棉出苗影響較小，但是對于幼苗株高、鮮重、干重和植株含水量影響較大。王桂峰等[22]對5個陸地棉品種進行室內和大田試驗耐鹽性鑒定與篩選試驗，結果顯示，低鹽濃度對于棉花種子發芽影響較小，高鹽濃度下(150和200 mmol/L)的發芽勢、發芽率能準確的反映棉花苗期的耐鹽性強弱。室內外2種試驗說明輕度鹽堿條件下品種間差異不大，重度鹽堿條件下品種間抗鹽性差異明顯。嚴青青等[23]對4份海島棉材料進行鹽堿脅迫處理，研究顯示高鹽環境抑制了棉種發芽及幼苗的正常生長，并進一步探究了該試驗條件下，海島棉幼苗正常生長的極限鹽濃度值為240 mmol/L。試驗結果顯示，在150 mmol/L鹽脅迫下對下胚軸長影響最大，與張子晗等[24]結果一致，可能是因為海島棉種子在鹽脅迫下為保證其吸水能力正常，將資源用于維持幼根結構而抑制了胚軸的生長。而對鮮重干重影響則小，這與侯林濤等[25]結果一致，可能是由于外界環境鹽濃度高而影響了幼苗對水分的吸收，導致植株葉鮮重有所下降。

研究結果可知[22]，不同棉花品種在不同發育時期的生理特性各異，如有些品種苗期長勢弱，但中后期長勢強，僅由苗期鑒定結果容易得出片面的結論。耐鹽品種的選育不僅需要室內苗期鑒定，還需要結合全生育期的調查數據以及產量來綜合評價。

4 結 論

鹽脅迫條件下，海島棉種子各指標受影響程度不同，其中下胚軸受影響程度最大，苗干重受影響最小；與對照樣本比較，其中發芽勢、發芽率、根長、下胚軸長、苗鮮重5項指標最大值、最小值、平均數均低于對照，苗干重的最大值、最小值、平均值則高于對照。35份海島棉種子分為3類：第Ⅰ類屬于高耐鹽品種，第Ⅱ類屬于中等耐鹽品種，第Ⅲ類屬于低耐鹽品種。