鹽脅迫下氯化鈣對小麥種子萌發及幼苗生長的影響

侯 穎 ,謝 震

(1.商丘師范學院 生物與食品學院，河南 商丘 476000；2.商丘市國營民權農場，河南 商丘 476800)

鹽脅迫是植物生長最重要的非生物脅迫因子之一(Shah Zamana et al.,2019),而我國鹽堿化土地分布廣泛,并且由于不合理的灌溉方式和施肥等原因,次生鹽堿化土壤面積還在繼續擴大.因此,研究鹽脅迫對植物的影響、植物對鹽脅迫的響應以及如何緩解鹽脅迫的危害對于提高農作物的產量、保障糧食安全具有重要的意義(孫君艷等,2017).

小麥是我國重要的糧食作物,關于鹽脅迫對小麥的影響前人已進行了大量的研究,研究表明,鹽脅迫對植物造成的危害主要是離子毒害、滲透脅迫和營養失衡(王志,等,2009；郭偉,2011；鈕力亞,等,2019),其影響最直觀的表現為抑制種子萌發、阻礙植株生長等,這已被多數研究所證實(朱志華,等,1996；郭曉麗,等,2008；孫君艷,等,2017).因此,如何緩解鹽脅迫對植物的負面影響成為眾多學者研究的熱點(劉麗云和王明友,2010).大量研究表明,應用外源物質可以有效地減輕鹽堿危害,如鈣鹽,一方面,鈣作為植物生長發育必需的礦質元素,施加適量的鈣,可以緩解因Ca2+不足引起的礦質營養脅迫,另一方面可以增強質膜的穩定性和鈣信號系統的正常發生和傳遞,以維持細胞內離子平衡(趙旭,等,2006).但是,外源鈣對鹽脅迫的緩解作用可能因鹽脅迫程度、植物本身抗性的不同而不同(王康君,2018),因此,研究不同作物品種或不同區域下外源鈣對植物鹽脅迫的緩解作用對作物的育種、田間管理工作會更具有針對性,尤其是新培育的優質品種.鄭麥369是河南省農科院培育的優質高產強筋小麥新品種,2017年在河南鄲城晚播情況下產量可達到9000 kg/hm2(李平芳,等,2017),對于滿足國內日益增加的優質專用小麥需求和農業供給側結構改革都有著重要意義.因此,本文以鄭麥369為研究對象,通過實驗室內水培試驗,研究小麥369對鹽害的耐受程度,在此基礎上進一步研究外源鈣對小麥種子萌發和幼苗生長鹽脅迫的緩解作用,旨在探究緩解小麥鹽脅迫的最佳濃度,為優質小麥高產種植和調控措施提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所采用的小麥品種為鄭麥369,為鄭麥366的換代品種,是河南省農科院小麥研究所培育的一個優質強筋小麥良種,在抗倒伏、抗病性、耐倒春寒等方面表現突出,適合在黃淮冬麥區南片的河南省(除信陽市和南陽市南部部分地區以外的)平原灌區、陜西、江蘇和安徽省的部分地區種植(中華人民共和國農業農村部公告第18號,中華人民共和國農業農村部種子管理局,2018.5.4).供試小麥種子由河南省商丘市種子站提供.

1.2 實驗方法

1.2.1 預處理

隨機挑選無病害,無破損,大小一致且飽滿的小麥種子100粒,置于燒杯中,用無菌水小心地沖洗3遍,注意不要讓種子受到損傷,隨后讓種子在室溫下浸泡吸水8 h,然后分別放置于5%的紅墨水溶液中染色30 min,之后觀察種子的染色情況(活種子種胚不被染成紅色,死種子種胚被染成紅色)(張淑蘭,1999),隨后計算活種子所占比例,最后得出活種子所占比例為99%.

1.2.2 耐鹽性測定

實驗采用水培法,以不同濃度的NaCl溶液模擬鹽脅迫,共設7個處理：(1)CK: 對照(無菌水)；(2)T1：50 mmol/L NaCl溶液；(3)T2：100 mmol/L NaCl溶液；(4)T3：150 mmol/L NaCl溶液；(5)T4：200 mmol/L NaCl溶液；(6)T5：250 mmol/L NaCl溶液；(7)T6：300 mmol/L NaCl溶液.每個處理3個重復.在光照培養箱內(白天25 ℃,晚上15 ℃,每天光照15 h)進行發芽實驗,7 d為一周期.每天用注射器抽取一定量的溶液予以補充,以保證培養皿內濾紙濕潤和各處理的溶液濃度不變.

1.2.3 CaCl2緩解作用測定

根據前期耐鹽性測定,確定鄭麥369發芽的半致死鹽脅迫濃度,在此基礎上,施用CaCl2處理,共設6個處理：(1)CK: 對照(無菌水)；(2)S1：NaCl半致死脅迫濃度；(3)S2：NaCl半致死脅迫濃度+3 mmol/L CaCl2；(4)S3：NaCl半致死脅迫濃度+6 mmol/L CaCl2(5)S4：半致死脅迫濃度+9 mmol/L CaCl2；(6)S5：半致死脅迫濃度+12 mmol/L CaCl2,每個處理3個重復,培養方法同上.

1.3 測定指標及計算方法

培養開始后,每天統計發芽情況,在種子發芽3 d后,計算發芽勢；7 d后,計算發芽率；然后測量發芽種子的幼苗長、主根長以及根數,最后再用刀片切掉發芽的種子的芽,用吸水紙吸光表面所攜帶的水,稱重,以此來測芽的鮮重.

計算發芽指數(Gi)和活力指數(Vi)：

Gi=ΣGt/Dt

Vi=S*ΣGt/Dt

Gt為在t日的發芽數,Dt為相應的發芽日數,S為幼苗生長勢(等同于幼苗的平均長度).Gi越大,表明發芽速度越快；Vi越大,表明發芽快,長勢好.

實驗數據用Microsoft Excel 2010和SPSS20.0軟件進行統計分析.

2 結果與分析

2.1 不同濃度鹽溶液對小麥萌發的影響

由表1可以看出,鹽脅迫可以降低小麥種子的相對發芽勢,且當鹽溶液濃度逐漸升高時,鄭麥369的發芽勢逐漸降低.處理為CK、T1、T2、T3、T4、T5和T6時,鄭麥369的相對發芽勢分別為100.00%、76.67%、56.67%、43.33%、28.33%、6.67%和2.31%.方差分析結果表明,除T1外,各濃度處理均與對照存在著極顯著差異.250 mmol/L NaCl溶液(T4處理)時,小麥的發芽受到的抑制作用明顯,在300 mmol/L NaCl溶液(T6處理)時,相對發芽勢降幾乎降為0%.

由表1可以看出,隨著鹽溶液濃度的升高,鄭麥369的發芽率受到抑制作用,呈現出逐漸降低的趨勢.當處理為CK、T1、T2、T3、T4、T5和T6時,小麥的相對發芽率分別為100.00%、91.67%、83.33%、66.67%、48.33%、25.00%和1.08%.方差分析結果表明,除低濃度處理T1外,各濃度處理均與對照存在著極顯著差異.當處理為200 mmol/L NaCl溶液(T3處理)時,鄭麥369的相對發芽率降為對照的一半,在250 mmol/L NaCl溶液(T4處理)下,相對發芽率下降極顯著,而在300 mmol/L時,小麥種子幾乎不發芽.因此,可以將200 mmol/L NaCl溶液作為鄭麥369的半致死臨界濃度,而300 mmol/L NaCl溶液(T4處理)作為小麥369發芽能力的致死臨界鹽脅迫濃度.

表1 不同濃度NaCl溶液對小麥369相對發芽勢和發芽率的影響/(%)

2.2 鹽脅迫下CaCl2處理對小麥萌發的影響

2.2.1 CaCl2處理對鹽脅迫小麥相對發芽勢和發芽率的影響

表2表明,在鹽脅迫下施用CaCl2處理3 d后,小麥種子的相對發芽勢仍顯著低于對照(CK),但鹽脅迫作用顯著得到緩解,且隨CaCl2濃度升高,小麥種子的相對發芽勢呈現出一種先升高后降低的規律,表明CaCl2處理只能在一定程度上對鹽脅迫起到緩解作用.方差分析表明,與對照(S1)相比,各處理均達到極顯著差異,這表明從3 mmol/L至12 mmol/L CaCl2溶液處理間(即S2至S5處理間),小麥369受到的鹽脅迫抑制作用都得到了一定緩解,其中在6 mmol/L CaCl2溶液處理(S3處理)下,相對發芽勢達到了最高水平,為55.00%,但隨著CaCl2溶液濃度的進一步提高,相對發芽勢降低,表明高濃度的CaCl2溶液對鹽脅迫的緩解作用反而降低.

由表2可知,在鹽脅迫下用CaCl2處理7 d后,小麥種子的相對發芽率仍顯著低于對照(CK),但鹽脅迫作用顯著得到緩解,且隨CaCl2濃度升高,小麥種子的相對發芽率呈現出一種先升高后降低的規律,表明CaCl2處理只能在一定程度上對鹽脅迫起到緩解作用.方差分析表明,S2、S5與對照S1無顯著差異,表明較低濃度和較高濃度的CaCl2溶液對小麥種子的相對發芽率的緩解作用不明顯,而S3、S4與對照S1差異顯著,表明在6 mmol/L 和9 mmol/L CaCl2溶液處理下,相對發芽率達到了最高水平,其值分別為為63.33%和60.00%.

表2 鹽脅迫下CaCl2處理對小麥種子相對發芽勢和發芽率的影響(%)

2.2.2 CaCl2處理對鹽脅迫小麥發芽指數和活力指數的影響

發芽指數在一定程度上可以表明一個小麥品種發芽速度或發芽的整齊度.由表3可知,鹽脅迫顯著地降低了小麥的發芽指數,但施用外源CaCl2可以緩解這種脅迫作用.在鹽脅迫下,隨著CaCl2溶液濃度升高,小麥的發芽指數先升高后降低,從S1到S5,其值分別為37.73%、59.64%、74.00%、60.69%和59.55% ,且與S1相比,S2、S3、S4和S5均達到顯著差異,但只有S3處理時下,差異達到極顯著差異,說明6 mmol/L的CaCl2是緩解作用的最佳濃度,高濃度的CaCl2溶液反而降低了對鹽脅迫的緩解作用.

活力指數越大,表明小麥的出芽速率越快和長勢越旺.由表3可以看出,鹽脅迫極顯著地降低了小麥的萌發活力指數,但施用外源CaCl2可以緩解這種脅迫作用.在鹽脅迫下,隨著CaCl2溶液濃度升高,萌發活力指數先升高后降低,從S1到S5,其值分別為75.46%、178.92%、266.40%、188.14%和166.74% ,且與S1相比,S2、S3、S4和S5均達極顯著差異,其中,S3處理(6 mmol/L CaCl2)時,萌發活力指數最大,說明其對鹽脅迫的緩解效果最好,過高或過低的CaCl2溶液反而降低了對鹽脅迫的緩解作用.

表3 鹽脅迫下氯化鈣處理對小麥發芽指數和活力指數的影響

2.2.3 對小麥幼苗生長的影響

由圖1(A、B、C、D)可知,鹽脅迫對小麥幼苗的生長有顯著影響,與對照(CK)相比,鹽脅迫極顯著地降低了幼苗的鮮重、根數、苗長和和根長.外源CaCl2處理可緩解鹽脅迫作用,且對各個部位的作用趨勢基本一致,即,隨著CaCl2溶液濃度升高,各指標表現為先升高后降低的規律,均是在6 mmol/L CaCl2處理(S3)時表現最好,表明6 mmol/L CaCl2處理(S3)對小麥鹽脅迫的緩解作用最顯著.但對不同部位的緩解作用不同,與S1相比,中等濃度的CaCl2濃度處理(S3、S4)均顯著(P<0.05)提高了小麥幼苗的根數和根長(圖1A、B),苗長只有在S3處理下與S1相比差異顯著(圖1C),而所有濃度的CaCl2處理對鹽脅迫下小麥的鮮重均無顯著緩解作用(圖1D).

圖1 鹽脅迫下氯化鈣處理對小麥幼苗生長的影響

3 結論與討論

鹽脅迫是目前制約小麥產量的主要逆境因素之一,國內外學者對鹽脅迫下小麥育種、栽培和生理等方面開展了大量研究(張敏,等,2008；Bai R Q et al.,2011；朱永興，等,2017).前人研究表明,在鹽脅迫條件下,小麥種子的萌發受到抑制作用,且鹽濃度越高,其抑制作用越強(喬佩，等,2013).本試驗也得出與前人一致的結果,即不同濃度NaCl溶液對小麥種子的萌發抑制作用不同,隨著NaCl溶液濃度升高,小麥種子的相對發芽勢和相對發芽率受到的抑制作用逐漸增強.本試驗結果還表明,250 mmol/L 的NaCl溶液為鄭麥369的發芽臨界濃度,比喬佩,等(2013)和賈娜爾·阿汗,等(2010)對春小麥“高原602”和小冰麥種子的研究結果值低,其NaCl發芽臨界濃度為300 mmol/L左右,但與河南高產小麥“新麥9”的發芽臨界值相似,表明不同小麥品種或不同區域下的品種對鹽的敏感性不同,其原因在于其親本長期適應當地的土壤條件而形成的遺傳基礎造成的.因此,開展小麥對鹽脅迫的抗性機理及適應機理研究必須注意不同區域或不同立地條件的影響作用.

應對日益擴大的鹽堿化土地,緩解鹽堿對小麥的脅迫作用是保障小麥安全生產的重要舉措之一.因此,應用外源物質減輕鹽害成為抗鹽研究的熱點(劉麗云和王明友,2010).研究表明,適當濃度的CaCl2處理對小麥的鹽脅迫具有緩解作用,但緩解作用受鹽濃度的影響.王志強,等(2009)對小麥的研究表明,低鹽脅迫(150 mmol/L)下,Ca2+明顯促進了鮮重的增加,表現出對鹽脅迫一定的緩解效應,而高鹽脅迫(300 mmol/L)下,這種效應表現不明顯,說明外源Ca2+對緩解低鹽脅迫更有效.本文研究表明,200 mmol/L NaCl溶液處理下,適當的CaCl2溶液處理有顯著的緩解作用,綜合來看,外源Ca2+對中低濃度的鹽脅迫均有緩解作用,這與張雪微,等(2017)的研究結果一致.

CaCl2溶液對鹽脅迫的緩解作用還受其本身的濃度影響,濃度過低或過高對鹽脅迫作用的緩解作用不明顯或者加重鹽害作用(趙旭,等,2006；任珺,2019).本文研究中,雖然低、中、高濃度的CaCl2溶液對小麥的鹽脅迫均有緩解作用,但中等濃度的CaCl2溶液(6mmol/L)作用最顯著,隨著Ca2+濃度的進一步升高(12 mmol/L),緩解作用變弱,如果再進一步加大Ca2+濃度,可能會出現抑制作用,這有待進一步研究.本試驗中12 mmol/L CaCl2溶液對小麥的萌發僅是緩解作用減弱,但趙旭，等(2006)的試驗中,12mmol/L 的CaCl2溶液對鹽脅迫下陜229小麥的萌發卻加重了鹽害作用,這也說明鄭麥369抗鹽性較強.因此,外源鈣對小麥鹽脅迫的緩解作用,不但與脅迫鹽濃度、外源鈣離子濃度有關,還與植物本身的抗性有關.

研究認為外源鈣通過提高a-淀粉酶的活性而緩解NaCl對種子萌發的抑制效應,因此鹽脅迫條件下使用CaCl2處理能促進小麥種子萌發(韓多紅，等,2014),本文研究結果與此一致,經不同濃度CaCl2處理后,鹽脅迫下鄭麥369的相對發芽勢、發芽率,發芽指數和活力指數均顯著提高；CaCl2處理對鹽脅迫下幼苗生長也具有一定的緩解作用(王亞英，等,2010),本試驗研究表明,鹽脅迫下隨著CaCl2溶液濃度升高,小麥幼苗的鮮重、苗長、根長和根數均表現為先升高后降低的規律,均是在6mmol/L CaCl2溶液處理時對鹽脅迫的緩解作用最顯著.同時,本試驗研究進一步表明,外源鈣對小麥幼苗不同器官生長的緩解作用不同,其對根數和根長的緩解程度大于鮮重和苗長,可能原因是CaCl2處理有助于胚根的伸長(王亞英，等,2010),另一方面,也可能與不良環境下植物的適應策略(如,物質分配、形態結構)有關,有待進一步研究.