鹽脅迫對匈牙利能源植物SZARVASI-1種子萌發和幼苗生長的影響

曾繼娟 朱強 喬改霞

摘要：以銀川森淼現代林業科技園2017年采收的匈牙利能源植物SZARVASI-1種子為材料，采用控制試驗，通過對匈牙利能源植物SZARVASI-1種子及幼苗進行不同濃度的NaCl溶液處理，研究其萌發期的發芽率、幼苗期株高、根長、地上生物量、地下生物量、總生物量以及根冠比的變化，旨在豐富耐鹽牧草種質資源，為耐鹽植物新品種選育與開發利用提供基礎。結果表明，隨著NaCl脅迫的加劇，匈牙利能源植物SZARVASI-1的發芽率、生物量等指標呈先增加后減少的趨勢，適宜其種子萌發的最適NaCl濃度為0.8%;適宜其幼苗生長的最佳NaCl濃度為0.6%，超過此濃度則產生抑制作用，植物通過增加地下部分的生長來適應逆境。

關鍵詞：能源植物;鹽脅迫;萌發;生物量

中圖分類號：S184?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）11-0186-05

收稿日期：2020-10-12

基金項目：農業部引進國際先進農業科學技術項目（編號：2016-X14）。

作者簡介：曾繼娟（1990—），女，甘肅白銀人，碩士，助理研究員，主要從事植物資源收集與抗逆生理研究。E-mail：981315800@qq.com。

通信作者：朱 強，碩士，副研究員，主要從事植物資源收集與開發利用研究。E-mail：qzhu2008@163.com。

化石能源逐漸短缺，環境污染日益加重，能源植物的開發利用成為熱點。第一代能源植物如玉米（Zea mays）、小麥（Triticum aestivum）、大豆（Glycine max）等基于其大多為一年生的特性，每年需要耕地播種，投入高、產出低[1]，已經很難滿足發展需求。因此，多年生草本、速生樹種等第二代能源植物的開發已成為當前的研究重點[2]。鹽分是限制植被產量和品質最重要的環境因素之一[3]，對種子萌發、幼苗生長及光合作用的影響較為顯著。目前，鹽堿地是人類面臨的共同問題，主要集中分布在內陸的干旱和半干旱地區[4]，寧夏回族自治區干旱、半干旱、大面積的鹽堿地是制約當地農業和畜牧業發展的主要瓶頸。如何有效利用和改善鹽堿地，已經引起人們的高度關注。近年來，人們在生物措施治理鹽堿地方面開展了大量工作，有關種子萌發及生長發育的耐鹽性研究多集中于豆科牧草[5]、草坪草[6]、禾本科牧草[7]和經濟作物[8]。

牧草在改良和利用鹽堿地方面起到重要作用，禾本科牧草的耐鹽性通常優于豆科牧草和作物[9]。牧草種子能否在鹽脅迫條件下正常萌發，是保證植物生長發育的前提[10]，因此研究鹽分脅迫對牧草種子的萌發及幼苗生長意義重大。本研究通過開展匈牙利能源植物SZARVASI-1在鹽脅迫條件下的萌發和苗期生長情況分析，明確其耐鹽能力，旨在豐富耐鹽牧草種質資源，為寧夏乃至西北地區能源植物草地的建立、耐鹽新品種選育開發和鹽堿地改良利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 物種概況

SZARVASI-1能源草是匈牙利科學家用了15年時間成功培育出的新型草種，2004年獲得匈牙利專利，2005年獲得歐盟25個國家的專利，其各項性能指標處于國際領先地位。SZARVASI-1能源草是一種生態適應性強、生物產量高、產草期長、用途廣泛、耐鹽堿的優良生物質能源植物，可用來做固體燃料、造紙和工業纖維原料、飼料等。目前國內河北省滄州市于2013年開展了SZARVASI-1能源草的引種栽培相關研究，試驗結果表明，SZARVASI-1能源草在抗鹽堿、作為牛羊飼料方面有較好的應用前景。

1.2 試驗材料

2015年9月18日，寧夏林業研究院種苗生物工程國家重點實驗室通過國家外專局引進匈牙利能源草SZARVASI-1種子10 kg，放于4 ℃冰箱保存，于2016年4月在銀川森淼現代林業科技園進行田間播種。

1.3 試驗方法

1.3.1 種子脅迫處理 以2017年在森淼現代林業科技園采收的種子為試材，挑選飽滿且無病蟲害的種子用0.1% KMnO4消毒15 min，再用蒸餾水反復沖洗干凈后置于墊有2層濾紙的無菌培養皿中，培養皿規格為直徑15 cm，每皿50粒。設置NaCl質量分數分別為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，共7個處理，每個處理5次重復。每皿加入200 mL，分2次進行脅迫，對照用蒸餾水，24 h后觀察并記錄發芽情況，萌發以胚根長達到種子長度50%為標準。以后每隔24 h澆水觀察1次，于17：00—18：00用稱質量法確定每皿的失水量，并用等量蒸餾水補充水分。

1.3.2 幼苗脅迫處理 于2018年3月16日在寧夏銀川森淼現代林業科技園（38°25′06″N，106°10′35″E）溫室內開展試驗。將沙土過篩，按照體積比沙土 ∶蛭石=1 ∶1 的比例混合均勻，裝入無孔花盆（口徑23 cm、底徑18 cm、高22 cm）中，每盆裝土2.0 kg，盆內土壤pH值為8.5，有機質含量24.6 g/kg，全氮含量1.36 g/kg，全磷含量1.07 g/kg，全鉀含量18.1 g/kg。將種子均勻適量的播撒于盆內，每個花盆中施入5 g復合肥，澆水至蛭石完全潤濕，在溫室內培養。出苗后，待長出3～4張真葉時定苗35株，待植物具有4～5張真葉時進行NaCl脅迫處理。

采用完全區組試驗設計，于2018年4月5日進行鹽分脅迫處理，設置NaCl質量分數分別為0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，共7個處理，每個處理5次重復。于16：00—18：00進行脅迫，每盆800 mL，分數次澆透花盆，對照澆灌蒸餾水，為避免鹽分在土層積累，從次日起每天17：00—18：00用稱質量法確定每盆的失水量，并用等量蒸餾水補充失水;同時，為防止鹽分滲漏，在花盆底部加墊，定期將漏液倒入盆內。

1.3 指標測定及方法

發芽率、發芽勢、發芽指數與發芽時間指標測定參照以下公式：

發芽率=（第14天所有發芽的種子數/供試種子數）×100%;發芽勢=n/N×100%（式中：n為日發芽最高峰的種子數，N為種子總數）;發芽時間（t）：指發芽開始至發芽結束的時間;發芽指數（GI）=∑（Gt/Dt） （式中：Gt為第t天種子萌芽數，Dt為對應的種子發芽的天數）。

于鹽分脅迫30、60 d后，分別采集樣品帶回室內測定生物量相關指標。對各處理每株幼苗的分蘗數進行統計，分蘗數指地面以下或近地面處所發生的分枝。分別收集莖、葉，用水清洗每株幼苗的地下部分，同時將收集好的莖、葉、根置于烘箱，105 ℃ 處理10 min，然后在65 ℃下烘干至恒質量[11]。計算根冠比（RSR），即：地下干物質與地上干物質生物量的比值[12]，其中，株高、根長用直尺測定。

1.4 數據分析

采用SPSS16.0軟件對數據進行統計分析，用Duncans新復極差法進行差異顯著性多重比較。

2 結果與分析

2.1 種子形態特征

SZARVASI-1能源草為禾本科披堿草屬植物，果實是典型的穎果，種子生物學特性見表1，種子形態見圖1。

2.2 NaCl脅迫對匈牙利能源植物SZARVASI-1種子萌發特性的影響

匈牙利能源植物SZARVASI-1種子的發芽率隨著鹽濃度的增加呈先增大后減小的趨勢（表2），在NaCl濃度為0.8%時有最大值，發芽率與對照差異顯著，且分別較NaCl濃度1.0%、1.2%顯著高出32.9%、53.6%;發芽勢、發芽指數的變化規律相一致，均隨著鹽濃度的增加而減小，在CK時有最大值，且發芽勢在對照時顯著高于其他處理（P<0.05）;但是發芽率、發芽指數在CK、0.2%、0.4%處理間差異不顯著。表2表明匈牙利能源植物SZARVASI-1種子的萌發受鹽脅迫環境的影響非常明顯，適當的NaCl溶液有助于其種子萌發，當NaCl濃度超過1.0%時，則抑制其萌發。

2.3 NaCl脅迫對匈牙利能源植物SZARVASI-1苗期株高的影響

NaCl脅迫30 d時，隨著鹽濃度的增大，匈牙利能源植物SZARVASI-1的株高呈先升高后降低的趨勢（圖2），在NaCl濃度為0.6%時達到峰值47.4 cm，較對照（CK）顯著增加29.51%（P<0.05）;隨著脅迫時間的延長，即脅迫60 d時，其株高在NaCl濃度為0.6%時有最大值，但是與CK之間沒有顯著性差異（P>0.05），隨著鹽濃度的增大，株高呈直線下降趨勢，并且在NaCl濃度為0.8%、1.0%、1.2%三者之間均存在顯著性差異（P<0.05），說明適宜濃度的NaCl溶液（0.6%）能夠促進SZARVASI-1株高生長，濃度過大則產生抑制作用。

2.4 NaCl脅迫對匈牙利能源植物SZARVASI-1苗期根長的影響

脅迫30 d時，隨著鹽濃度的增大，匈牙利能源植物SZARVASI-1的根長呈先升高后降低的趨勢（圖3），在NaCl濃度為0.6%時達到峰值13.1 cm，較CK顯著增加47.19%（P<0.05），但是與NaCl濃度為0.4%、0.8%時差異不顯著（P>0.05）;隨著脅迫時間的延長， 即脅迫60 d時， 其根長變化規律基本一致，同樣在NaCl濃度為0.6%時有最大值，較CK顯著增加21.64%（P<0.05），與NaCl為濃度0.4%、0.8%時差異不顯著，隨著鹽濃度的增大，其根長明顯降低，說明該植物生長對NaCl脅迫較為敏感。

2.5 NaCl脅迫對匈牙利能源植物SZARVASI-1苗期生物量的影響

脅迫30 d時，隨著鹽濃度的增大，匈牙利能源植物SZARVASI-1的地上生物量呈先增加后減少的趨勢（圖4），在NaCl濃度為0.6%時有最大值，較CK顯著增加14.47%（P<0.05），除NaCl濃度為0.4%外，與其他處理間均存在顯著性差異;隨著脅迫時間的延長，其地上生物量的變化規律愈為明顯，并且在NaCl濃度1.2%時，較CK顯著減少10.45%，說明NaCl濃度等于或大于1.2%時顯著限制了SZARVASI-1地上生物量。

脅迫30 d時，隨著鹽濃度的增大，匈牙利能源植物SZARVASI-1的地下生物量變化趨勢與地上生物量相一致（圖5），在NaCl濃度為0.6%時達到峰值2.879 g，較CK顯著增加12.02%（P<0.05），且NaCl濃度為1.2%時較CK顯著降低9.8%，其他各處理間均不存在顯著性差異（P>0.05）;隨著脅迫時間的延長，其變化規律更為明顯，在NaCl濃度為0.6%時較CK顯著增加19.85%（P<0.05），但是NaCl濃度為1.2%時也較CK顯著增加7.59%（P<0.05），與脅迫30 d呈相反的格局，說明該植物可以通過地下生物量的增加來調節自身對于鹽脅迫的耐受性，逐漸適應環境。

脅迫30 d時，隨著鹽濃度的增大，匈牙利能源植物SZARVASI-1的總生物量呈先增加后減少的變化趨勢（圖6），在NaCl濃度為0.6%時達到峰值6.87 g，較CK顯著增加13.55%（P<0.05），且與其他各處理之間均存在顯著性差異（P<0.05），但是CK與處理NaCl濃度為0.2%、0.8%、1.0%之間差異不顯著（P>0.05）;隨著脅迫時間的延長，其總生物量的變化規律更加明顯，并且各處理間均存在顯著性差異（P<0.05），當NaCl濃度為1.2%時，總生物量較CK顯著降低4.5%，表明該濃度下，總生物量的降低主要由地上生物量的減少引起。

2.6 NaCl脅迫對匈牙利能源植物SZARVASI-1苗期根冠比的影響

脅迫30 d時，隨著鹽濃度的增大，匈牙利能源植物SZARVASI-1的根冠比變化趨勢不明顯（圖7），在NaCl濃度為1.0%時達到峰值，較CK顯著增加8.11%（P<0.05），與處理NaCl濃度為0.2%、0.8%之間不存在顯著性差異（P>0.05）;隨著脅迫時間的延長，處理60 d時其根冠比在NaCl濃度為1.2%時有最大值，較CK顯著增加20.93%，與其他各處理間均存在顯著性差異（P<0.05），說明該濃度下，植物可能通過減少地上生物量或增加地下生物量來適應環境。

3 討論與結論

鹽是影響植物種子萌發和幼苗生長的重要因子之一[13]。羅志娜等通過對燕麥 （Avena sativa） 種子萌發的耐鹽性研究發現，燕麥品種的發芽率、芽長和根長均隨著鹽濃度的增加表現出先升高后降低的趨勢，低濃度鹽脅迫可以促進種子萌發，高濃度鹽脅迫明顯抑制種子萌發[14-15]。也有研究指出，在鹽生植物中，輕度鹽分溶液促進種子萌發，當鹽濃度達到一定值時，增加的鹽濃度對植物的種子萌發和幼苗生長形成抑制效應[16-17]。本研究結果表明，匈牙利能源植物SZARVASI-1種子的發芽率在NaCl濃度為0.8%時有最大值，超過此濃度則抑制其萌發。史燕山等的研究表明，低鹽濃度下，某些植物種子的萌發率顯著高于對照，而高鹽脅迫下，種子的萌發率顯著降低[18-19]，本研究結果與之相一致。由此可見，高濃度鹽脅迫對種子萌發有抑制作用，抑制作用的大小因材料耐鹽性強弱不同而有差異。

植物在不同環境條件下的資源分配格局反映了植物生長對環境的響應規律和資源分配策略。中國西北地區鹽漬化蔓延，鹽堿地上的鹽度成為影響植物生長的重要因子[20]，植物對于鹽分的適應決定了其生物量的分配，鹽分格局能夠改變牧草各器官之間固有的物質與能量分配模式[21]。本試驗中，匈牙利能源植物SZARVASI-1的株高、根長均隨著NaCl脅迫的增加先升高后下降，在NaCl濃度為0.6%時有最大值，并且脅迫時間的延長不影響其總體變化規律，說明該植物對于濃度為0.6%的鹽脅迫較為敏感。同時，其地上生物量、地下生物量、總生物量均隨著鹽濃度的上升先增加后減少，在NaCl濃度為0.6%時有最大值;脅迫60 d，在NaCl濃度為1.2%時，地上生物量較CK顯著降低，但是地下生物量較CK顯著增加，這與脅迫初期呈現相反的格局;同時根冠比達到了最大值，幼苗將更多的同化物分配給根系生長以適應環境，從而提高其耐鹽性，這與前人在其他植物中的研究[22-23]相一致。該植物有可能通過增加地下部分或者減少地上部分的生長來調節自身對于外界脅迫的適應能力。地上部生物量、地下部生物量分配格局不僅受環境因子，如鹽分、光照、溫度等的影響，而且與植物自身的適應機制有關，根冠關系對環境因子的響應以遺傳特性為基礎[24]。當少量根系能維持環境因子間的供需平衡時，植物根系通過啟動自我調控能力將更多的能量用于地上部分的生長;當外界脅迫加劇時，植物會增加根系數量、根系活力以及根冠比來應對環境，但是不能彌補高鹽造成的產量下降。在鹽堿地上種植牧草不但能減少土壤水分蒸發，某些耐鹽堿牧草龐大的根系還可以改善土壤結構[25]，因此牧草對鹽堿地的改良具有重要作用。

總之，低濃度的鹽脅迫對禾草的生長具有促進作用，但是超過一定濃度時將抑制禾草幼苗生長。本研究中，適宜匈牙利能源植物SZARVASI-1種子萌發的最適NaCl濃度為0.8%;適宜其幼苗生長的最佳NaCl濃度為0.6%，超過此濃度則產生抑制作用，植物通過增加地下部分的生長來適應逆境。當然，植物對逆境的響應是受多因素、多途徑調控的復雜過程，基于該植物是多年生牧草，其耐鹽堿能力經過長期適應可以逐漸訓練，而本試驗僅從種子萌發、幼苗生長方面對匈牙利能源植物SZARVASI-1的耐鹽性進行了初步探討，有關不同生長時期的生理反應及其耐鹽機制等還有待于進一步深入研究。

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