不同地區野生芨芨草種子萌發期耐鹽性綜合評價

時嘉翊,曹 嶺,余舟昌,白小明,張 偉

(1.西北農林科技大學 草業與草原學院,陜西楊凌 712100;2.甘肅農業大學 草業學院,蘭州 730070)

隨著氣候變化的不斷加劇,加之人類對土地資源的不合理利用,土壤鹽漬化面積逐年擴大,已成為全球農業和生態健康可持續發展所面臨的重大問題[1]。一方面,鹽漬化土壤可通過鹽脅迫抑制種子萌發、減緩生理代謝、阻礙養分吸收等方式來妨礙作物繁殖和生長,威脅區域農業持續與健康發展[2];另一方面,鹽漬化土壤還會導致土壤結構組成發生變化,造成土壤退化、水土流失等嚴重的生態環境問題[3-4]。因此,開展鹽漬化土壤改良和生態修復工作不僅在保護耕地資源、增加糧食產量等方面具有重要作用,在調節局地氣候、改善生態環境方面也具有十分重要的價值[5]。

中國西北干旱半干旱區為土壤鹽漬化較為嚴重的區域,在該區域進行鹽漬化土壤生態改良過程中,選擇耐鹽、適生、優良的草本植物品種極為重要[6]。芨芨草(Achnatherum splendens)為禾本科芨芨草屬植物[7],屬多年生草本,具有耐鹽堿、耐寒冷、耐干旱等優點。部分學者對多種草本植物進行了NaCl脅迫處理后發現,芨芨草耐鹽性最強,鹽脅迫下死亡率為0.00%,顯著低于其他草本植物[8]。此外,有學者[9]研究發現,芨芨草具有發達的根系,可以治理水土流失、防止侵蝕,是鹽生草甸的重要建群種,可以作為鹽漬化土壤改良以及生態重建過程中的首選植物。因此,探究芨芨草耐鹽特征可為復雜生境下鹽漬化土壤改良和治理提供理論依據。種子萌發和幼苗形態建成是草本植物生長發育的關鍵階段,同時也是草本植物整個生活史周期中抗外界干擾能力最弱的環節[10],很大程度上能夠準確、客觀地反映草本植株整體的耐鹽性,決定該種植物能否在鹽漬化土壤上成功繁殖、定居與生長。因此,對芨芨草萌發期生長指標耐鹽性進行評價,對于選擇優良芨芨草種質開展鹽漬化土壤治理具有重要意義。

部分學者研究了該地區紫花苜蓿、草木犀、堿蓬、湖南稷子、高羊茅、鷹嘴紫云英等草本植物的耐鹽特征[11-13],對芨芨草耐鹽性的研究相對較少,特別是缺乏對不同地區、不同生境條件下芨芨草種子萌發過程耐鹽性的比較研究。基于此,本研究以中國西北干旱半干旱區13個地區的芨芨草種子為材料,探究不同濃度NaCl溶液對13個地區芨芨草種子萌發指標的影響,通過綜合評價篩選出耐鹽性較強的芨芨草種質資源,為芨芨草種子萌發期耐鹽性研究提供數據支持,也為西北地區鹽漬化土壤治理過程中芨芨草品種選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 種質來源 供試野生芨芨草種子均于2020年在芨芨草種子成熟期采收,分別采自甘肅、陜西、內蒙及新疆,詳細信息見表1。

表1 芨芨草種質編號及其來源Table 1 Code and source of Achnatherum splendens germplasm

1.1.2 儀器與試劑 人工日光培養箱,寧波普朗特儀器有限公司產品,型號為LRX-1100;供試NaCl為分析純。

1.1.3 試驗時間及地點 試驗從2021年3月10日-4月30日在西北農林科技大學草業與草原學院實驗室進行。

1.2 試驗設計

設置6 個不同鹽(NaCl)濃度處理,分別為0.00%(對照)、0.30%、0.60%、0.90%、1.20%、1.50%。每個處理6次重復。試驗在人工日光培養箱中進行,培養條件為:每天光照培養8 h,溫度為25 ℃±0.5 ℃;每天暗培養16 h,溫度為20 ℃±0.5 ℃;相對濕度均為55%。

隨機選取顆粒飽滿、大小均勻、無破損的芨芨草種子,每個重復100 粒,用75%酒精消毒5 min,再用蒸餾水沖洗3～5次,吸水紙吸干水分,備用。采用直徑90 mm 的培養皿培養,每個培養皿放兩層濾紙,按試驗設計加7 m L 對應濃度的鹽溶液,稱量,放置于人工日光培養箱中,以恒量法每天定時稱量補水以維持鹽濃度的相對穩定。種子萌發培養時期共計28 d,發芽第7天時計算發芽勢,試驗第16天時測量胚芽長、胚根長和幼苗鮮質量,每個培養皿中隨機取15 粒萌發的幼苗,用直尺從胚芽與胚根的分界處分別測定幼苗和幼根絕對長度;然后用濾紙吸干種子表面的水分并立即放入精確度為0.000 1 g的天平稱取質量,計算單株幼苗平均質量,28 d后結束發芽,計算發芽率和發芽指數。

1.3 測定方法

每天觀察發芽情況并記錄當天發芽數,以胚根露出種皮1 mm 作為發芽標準。

初始萌發時間定義為第一粒種子萌發所需的時間,單位用d表示。

發芽率(Germination rate,GR)=發芽終期(規定日期內)全部發芽粒數/供試種子粒數×100%[14];發芽勢(Germination potential,GP)=發芽初期(規定日期內)正常發芽粒數/供試種子粒數×100%[14];發芽指數(Germination index,GI)=∑(Gt/Dt),其中,Gt為時間t內的發芽數,Dt為相應的發芽時間[14];簡化活力指數(Vigor index,VI)=S×發芽率,其中,S表示生物量,以種苗生長量(長度或者質量)表示[14]。

1.4 數據處理

以發芽率、發芽勢、胚芽長、胚根長、鮮質量及簡化活力指數作為芨芨草種子萌發期耐鹽性評價的基本指標,分析處理前先對各指標進行標準化處理,通過主成分分析得到主成分公因子方差、載荷矩陣和貢獻率[15]。采用加權法計算種子耐鹽性綜合指數,表達式為[16]:IFI=∑W i×F i,其中,W i為各主成分貢獻率,F i為各地區主成分因子得分。

采用Excel 2016和SPSS 26.00軟件進行統計分析,以Origin 2022軟件繪制插圖。通過單因素方差分析法(one-way ANOVA)檢驗不同處理下各發芽指標的顯著性,采用多元線性回歸分析建立綜合指數與發芽指標的多元線性回歸方程。

2 結果與分析

2.1 不同鹽濃度對芨芨草種子發芽率的影響

從各個不同來源種質種子放入培養皿開始到第28天終止,統計每個處理的全部發芽種子數。按試驗設計要求計算種子的發芽率。由圖1 可見,NaCl濃度對芨芨草種子發芽率具有顯著影響。分析圖1發現,除天祝地區外,其他12個地區的芨芨草種子發芽率隨NaCl濃度的升高均呈下降趨勢,其中0.90%、1.20%和1.50%的處理對發芽率抑制較為明顯,發芽率僅為5.33%～22.67%、2.00%～12.00%和0.00%～4.67%。天祝地區芨芨草種子發芽率隨NaCl濃度的升高呈先增加后降低趨勢,其發芽率在0.30%時最高,為38.00%;在1.5%時最低,僅為1.67%。與對照(濃度0.00%)的發芽率相比,NaCl濃度為1.50%時發芽率下降幅度最大的地區為榆林、張掖和新疆,降幅均達到100.00%,下降幅度最小的為天祝地區,降幅91.04%。

圖1 不同鹽濃度處理的芨芨草種子發芽率Fig.1 Germination rate of Achnatherum splendens seeds treated with different salt concentrations

2.2 不同鹽濃度對芨芨草種子發芽勢和發芽指數的影響

發芽勢和發芽指數是衡量種子活力的重要指標,它們能較好地反映種子品質優劣和萌發速度。從各個處理種子放入培養皿計時,試驗進行到第7天統計發芽的種子數,按照試驗設計要求計算各處理種子的發芽勢。從圖2和圖3可以看出,不同濃度的NaCl溶液對芨芨草種子發芽勢和發芽指數有不同的影響。隨NaCl濃度的增加,芨芨草種子發芽勢和發芽指數在各地區均呈現不同程度的下降趨勢。與對照相比(濃度0.00%),各地區芨芨草種子在0.30%、0.60%、0.90%、1.20%和1.50%鹽濃度時發芽指數分別下降6.32%(金昌)～21.65%(平川)、35.45%(包頭)～57.14%(天祝)、70.86%(巴 彥淖爾)～90.33%(新疆)、80.84%(武威)～93.61%(金昌)和97.61%(蘭州)～100%(榆林和新疆),發芽勢分別下降10.13%(新疆)～31.38%(包頭)、21.86%(平川)～63.55%(巴彥淖爾)、65.28%(天祝)～86.26%(金昌)、63.23%(天祝)～100%(蘭州、張掖、武威、包頭、景泰和新疆)和100%(所有地區)。

圖2 不同鹽濃度處理的芨芨草種子發芽勢Fig.2 Germination potential of Achnatherum splendens seeds treated with different salt concentrations

圖3 不同鹽濃度處理的芨芨草種子發芽指數Fig.3 Germination index of Achnatherum splendens seeds treated with different salt concentrations

2.3 不同鹽濃度對芨芨草種子胚芽和胚根的影響

由表2可知,隨著NaCl濃度的增加,供試材料的胚芽長度呈現不同變化。與對照(濃度0.00%)相比,巴彥淖爾、榆林、張掖、天祝和平川地區的芨芨草種子胚芽長度表現先增加后降低的趨勢,其余地區呈下降趨勢。整體而言,各地區芨芨草種子在濃度為0.30%、0.60%、0.90%、1.20%和1.50%時胚芽長度分別下降3.94%(景泰)～33.33%(武威)、5.12%(酒泉)～49.17%(蘭州)、7.12%(張掖)～53.25%(新疆)、5.88%(天祝)～53.68%(榆 林)、32.35%(天 祝)～100.00%(榆林、張掖和新疆)。

此外,同一鹽濃度下不同地區芨芨草種子胚芽長度存在差異(表2),與對照(濃度為0.00%)相比,1.50% 鹽濃度下芨芨草種子胚芽長度減少幅度最大地區為榆林、酒泉和新疆,均減少100.00%,減少幅度最小的為天祝地區,僅減少32.35%。

表2 不同鹽濃度處理下芨芨草種子胚芽的長度(ˉx±s)Table 2 Length of seed germ of Achnatherum splendens under different salt concentrations

表3表明,隨著NaCl濃度的增加,供試材料的胚根長度呈現不同的變化規律。其中,蘭州、巴彥淖爾、榆林、天祝、內蒙包頭、金昌、平川和景泰地區的芨芨草胚根長度隨NaCl濃度的增加呈先增加后降低趨勢,其余地區則呈下降趨勢。整體而言,與對照濃度相比,13個地區芨芨草種子在濃度 為0.30%、0.60%、0.90%、1.20% 和1.50%時胚根長度分別下降13.00%(酒泉)～24.00%(慶陽)、4.00%(包頭)～49.00%(武威)、3.00%(新疆)～49.00%(武威)、2.00%(景泰)～63.00%(武威)、8.00%(天祝)～100.00%(張掖、新疆)。與對照(濃度0.00%)相比,1.50%NaCl濃度下芨芨草種子胚根長度減少幅度最大的地區為榆林、張掖和新疆,均減少100.00%,幅度最小的地區為天祝,減少8.00%。

表3 不同鹽濃度處理下芨芨草種子的胚根長度(ˉx±s)Table 3 Radicle length of Achnatherum splendens seeds under different salt concentrations

2.4 不同鹽濃度對芨芨草種子簡化活力指數的影響

隨著NaCl濃度的升高,所有地區芨芨草種子的簡化活力指數均呈現漸變的降低趨勢(表4)。與對照相比(濃度0.00%),各地區芨芨草種子簡化活力指數在濃度為0.30%、0.60%、0.90%、1.20%和1.50%時分別下降4.17%(天祝)～73.91%(武威)、25.00%(天祝)～70.00%(新 疆)、33.33%(天 祝)～87.50%(蘭 州)、76.19%(巴彥淖爾)～98.44%(榆林)、95.65%(武威)～100%(榆林、張掖、新疆)。與對照相比(濃度0.00%),1.50%濃度下芨芨草種子簡化活力指數下降幅度最大的為榆林、張掖和新疆地區,降幅為100.00%;下降幅度最小的為武威地區,降幅為95.65%。

表4 不同鹽濃度處理下芨芨草種子的簡化活力指數(ˉx±s)Table 4 Simplified vitality index of Achnatherum splendens seeds under different salt concentrations

2.5 耐鹽性綜合評價

從表5可以看出,各發芽指標的公因子方差互不相同。其中,發芽指數的公因子方差最大,為0.965,胚根長的公因子方差最小,為0.506。2個主成分特征值分別為5.812和0.957,這2個主成分的累計貢獻率達到84.62%,即這2個主成分反映出的原始數據提供的信息占總量的84.62%。對前2種主成分做進一步分析,第1主成分的貢獻率達到72.66%,為最重要的影響因子,與發芽率、活力指數顯著相關,載荷系數較大。第2主成分的貢獻率為11.96%,該主成分在鮮質量上的負載較大。

表5 13個地區芨芨草種子初始因子載荷矩陣及主成分的貢獻率Table 5 Initial factor load matrix and contribution rate of principal components of germplasm seeds in 13 regions

對各地區的主成分因子得分和方差貢獻率加權得到芨芨草耐鹽性綜合指數,因子分析結果見表6。不同地區芨芨草種質耐鹽性綜合指數依次表現為:酒泉(0.383)＞榆林(0.348)＞平川(0.265)＞金昌(0.215)＞慶陽(0.203)＞景泰(0.159)＞張掖(0.002)＞包頭(-0.019)＞巴彥淖爾 (-0.095)＞武威(-0.239)＞新疆(-0.259)＞天祝(-0.432)＞蘭州(-0.531)。從耐鹽性綜合指數變化情況看,不同采樣地芨芨草種質的耐鹽性差別較大,其中耐鹽性最高的芨芨草種子(酒泉)比耐鹽性最差的芨芨草種子(蘭州)耐鹽性綜合指數值高0.914。從綜合指數分析結果可以看出,酒泉、榆林、平川、金昌、慶陽和景泰地區的芨芨草種子耐鹽性較強,張掖、包頭以及巴彥淖爾地區的芨芨草種子耐鹽性一般,武威、新疆、天祝和蘭州地區的芨芨草種子耐鹽性最弱。

表6 不同地區芨芨草種子主成分因子得分及耐鹽性綜合指數Table 6 Principal component factor scores and comprehensive index of salt tolerance of different germplasm seeds

2.6 耐鹽性指標篩選

從圖4可以看出,鹽濃度與各指標之間以及各指標內部均存在顯著的相關關系。其中,鹽濃度與野生芨芨草種子各測試項目都呈現出顯著的負相關關系,鹽濃度與各指標的相關性排序為:活力指數、發芽率、發芽勢、發芽指數、胚芽長、胚根長、鮮質量。說明鹽濃度對活力指數的抑制作用最為明顯。此外,活力指數、發芽率、發芽勢、發芽指數、胚芽長、胚根長、鮮質量兩兩之間均呈現出顯著的正相關關系。

圖4 各測試指標相關性熱圖Fig.4 Correlation heat map of each test index

如表7所示,將種子萌發期生長指標作為自變量,耐鹽性綜合指數作為因變量,設自變量X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分 別 代 表 胚 根 長、胚 芽長、鮮質量、發芽率、發芽指數、發芽勢、活力指數,建立不同地區生長指標與耐鹽性綜合指數的回歸方程,篩選出影響不同地區耐鹽性綜合指數的生長指標,回歸方程均達到顯著性差異水平。由表7可知,在各地區耐鹽性綜合指數(Y)與生長指標(X)的正態總體中,13 個地區種質整體受胚根長、胚芽長、鮮質量、發芽率、發芽指數、發芽勢和活力指數影響最大。綜上表明,13個地區種質耐鹽性綜合指數主要受鮮質量、發芽率、發芽指數和發芽勢影響,可以作為耐鹽性評價的核心指標。此外,可以根據各地區種質不同的特性選擇培育方法,通過提高以上4個生長指標達到增加種質耐鹽性目的。

表7 影響耐鹽性綜合指數的生長指標篩選及回歸方程Table 7 Selection and regression equation of growth indexes affecting comprehensive index of salt tolerance

3 討論

在植物生活史過程中種子萌發是最為關鍵的環節[17],種子萌發期是對鹽脅迫最為敏感的階段[18],研究發現,同種種子對不同濃度鹽分脅迫響應不同[19]。在本研究中,蘭州、巴彥淖爾、榆林等13個地區野生芨芨草種子發芽率、發芽指數、發芽勢和簡化活力指數隨著鹽濃度增加呈下降趨勢,這與劉薇等[20]的研究結果一致,出現這一情況的原因主要有以下3個方面:一是鹽脅迫對種子造成的滲透脅迫使種子吸水能力降低,導致種子處于生理干旱狀態,從而抑制其萌發[21]。二是鹽脅迫會造成種子細胞中Na+內流,破壞細胞內離子平衡,高濃度的Na+會降低種子K+的吸收,導致離子區域化產生離子毒害[22],種子吸收過多的Na+和Cl-后,破壞細胞膜結構并干擾正常代謝,從而抑制種子生長[23-24]。三是高鹽環境下抗氧化酶類活性受鹽脅迫環境的抑制快速降低,造成種子中積累的ROS無法及時被清理,對種子萌發造成一定影響[25]。在低鹽濃度下,鹽脅迫種子的發芽率,發芽勢和發芽指數影響作用不明顯,高濃度鹽對參試種質的發芽率、發芽勢和發芽指數都存在明顯的抑制作用,0.90% NaCl濃度處理后,芨芨草的萌發率均小于25%。當NaCl濃度到達1.50% 時,不同產地芨芨草種子大部分發芽率極低,甚至不萌發,這與徐曼等[26]在長穗偃麥草種子耐鹽性研究的結果一致,其研究發現高濃度鹽破壞了種子細胞膜,使細胞膜對物質選擇性透過功能及控制膜內外物質交換功能喪失,影響了種子的整個萌發進程[27]。此外,本研究中部分種質種子胚芽長和胚根長隨著NaCl濃度增加呈現先增后減趨勢,這可能是由于低濃度的無機離子促進了細胞膜的滲透作用[27],激活了胚根胚芽生長發育相關酶的活性,使種子處于最適生長狀況,進而促進了幼苗胚根胚芽的發育,但后期高鹽環境抑制種子生長,導致指標下降[28]。大部分學者認為:鹽脅迫對種子的萌發有顯著的抑制效應[29],也有人認為低濃度促進種子萌發[30]。

雖然同種種子對不同濃度鹽分脅迫存在相似關聯,但在不同地區中由于環境條件的差異及長期篩選適應,同種種子耐鹽性各不相同,其抑制作用變化幅度差異較大[19]。本研究發現,發芽率、發芽勢、發芽指數最高的種子出現在酒泉地區,最低出現在蘭州地區。酒泉地區種子發芽率、發芽勢和發芽指數隨著NaCl濃度的不斷增加變化幅度最大,分別從60.33%、51.33%、49.64變化到3.67%、0.00%、0.57,說明酒泉芨芨草種質對鹽的耐受力比較強,在低鹽濃度時表現出極強的耐鹽性,隨著鹽濃度不斷增加,種子受傷害程度逐漸加大,對種子的萌發起到抑制作用,這與宋國英[31]的研究結果一致。而蘭州地區芨芨草種子的變化幅度相對最小,其原因有可能是該種質本身發芽率低,發芽勢和發芽指數小導致隨著濃度增加,發芽率和發芽勢、發芽指數變化幅度不大。造成種子之間變化差異較大的一個原因是種子自身原因,種子自身因素可能有種皮障礙、種子休眠、胚發育不完全、含有抑制物質等[32]。另一個原因是環境篩選,在不同地區中,環境溫度和土壤p H 共同作用影響種子生長,酒泉地區年平均氣溫7.5 ℃,土壤p H 平均為8.56,土壤含鹽量高,使植物體內聚集鹽分[33],酒泉地區種子長期在低溫高鹽環境下生長,對種子自身形成一定程度的耐鹽性訓練,環境篩選對其作用強,種子耐鹽性增強,在鹽脅迫下萌發率相對較高。蘭州地區年平均氣溫10.3 ℃,土壤p H 平均為8.49[34],和酒泉地區相比氣溫高,土壤p H 低,種子萌發環境較為溫和,環境篩選對其作用弱,因此蘭州地區種子耐鹽性弱,在高鹽條件下萌發率低。同時研究發現,種子其他生長指標最值并不出現在酒泉和蘭州地區,胚芽、胚根最長的種子出現在巴彥淖爾地區,最短出現在新疆地區,簡化活力指數最大的種子出現在金昌地區,最小出現在新疆地區,這是由于種子萌發后不同地區水分、鹽、光照、土壤存在差異,導致萌發之后胚根胚芽生長存在差異,不同地區氣候海拔以及溫度存在的差異,導致各種質種子之間生長習性呈現多樣化,鹽脅迫下生長指標也存在不同。

植物的耐鹽性是一個受多種因素影響的較為復雜的綜合性狀[35],選擇不同的耐鹽指標可能得出不同的結果[36],不同鹽濃度下種子生長指標因品種地區不同存在差異,單一的生長指標不能很好衡量種子耐鹽性,應采用綜合多種指標評價耐鹽性,因此綜合指數可以反映出種子耐鹽性。13個地區中,綜合指數最大在酒泉地區,最小在蘭州地區,這是由于不同地區土壤鹽分不同導致環境長期篩選的結果。綜合指數主要受到鮮質量、發芽率、發芽勢、發芽指數的影響,隨著這4種生長指標的升高,綜合指數也會隨之升高。種子發芽率、發芽指數等指標均能反映作物種子發芽期耐鹽性的大小[37-38],根據綜合指數的多元線性回歸分析結果,可以將鮮質量、發芽率、發芽勢、發芽指標作為后續試驗中測定種質種子耐鹽性的重要指標,還可以根據各地區種質不同的特性選擇培育方法,通過提高以上4個生長指標達到增強種質種子耐鹽性的目的。下一步可以對其不同產地野生芨芨草種子在抗氧化保護酶活性、可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、MDA 等影響進行研究,以從生理生化角度進一步分析不同產地野生芨芨草耐鹽性的生理機理。

4 結論

本試驗通過對甘肅、新疆、陜西和內蒙等地采集的野生芨芨草種子采用不同濃度鹽(NaCl)溶液[分 別 為0.00% (對 照)、0.30%、0.60%、0.90%、1.20%和1.50%]進行處理,結果表明:不同鹽濃度均不利于野生芨芨草種子的萌發,表現在對種子萌芽率、發芽勢、發芽指數、胚芽和胚根等都存在不同的抑制作用,而且隨鹽濃度增大,發芽率、發芽勢、發芽指數、胚根長度、胚芽長度及活力指數等越來越低,說明鹽濃度越大,越不利于野生芨芨草種子的萌發。

不同采集地的野生芨芨草種子的耐鹽性呈現差異,芨芨草種子耐鹽性主要通過鮮質量、發芽率、發芽勢、發芽指數來體現。不同地區種子耐鹽性表現為酒泉＞榆林＞平川＞金昌＞慶陽＞景泰＞張掖＞包頭＞巴彥淖爾＞武威＞新疆＞天祝＞蘭州。