四種鹽堿脅迫對不同品系白芥種子萌發的影響

范惠玲，楊亞莉，任曉燕，陳天元，侯麗娟

(1. 河西學院農業與生態工程學院，甘肅 張掖 734000；2. 青海大學農牧學院，青海 西寧 810016)

土壤鹽堿化是農業生產面臨的嚴峻問題之一，可導致土壤退化以及農業生態環境急劇惡化，影響著各類農作物的分布及種子萌發、植株生長發育、產量和品質等[1－3]。甘肅省受鹽漬化影響的土壤約3 萬hm2，特別是河西走廊及沿黃灌區，因不合理灌溉導致的鹽漬化面積逐年增加[4]。

種子萌發和幼苗形態建成是種子植物生長發育的關鍵時期[5]，也是易受逆境脅迫危害的最脆弱階段，這一階段的耐鹽堿能力在一定程度上可反映植物整體的耐鹽堿性[6，7]。研究人員已在多種作物中開展了相關研究，如油菜及其近緣種的種子萌發期耐鹽性存在很大差異，芥菜型油菜對NaCl 脅迫的耐性最強，白菜型油菜和蕓芥對NaCl脅迫的耐性最弱，白芥和甘藍型油菜對NaHCO3脅迫的耐性強，而芥菜型油菜對NaHCO3脅迫的耐性較差[8]；在MS＋0.4% NaCl 條件下培養，白芥和甘藍較蕓薹屬的其它種表現出較高的耐鹽性[9]；萌發期白芥對NaHCO3脅迫的耐性較差[10]。有研究表明，與NaCl 或Na2SO4等中性鹽相比，土壤中NaHCO3或Na2CO3等堿性鹽對植物的傷害更大[11]。但目前農業生態學家對中性鹽脅迫的機制和潛在原因給予的關注較多，而對堿性鹽脅迫的相關研究較少。

白芥(Sinapis alba)屬十字花科白芥屬，是油菜的近緣種，不僅高抗十字花科植物的多種病蟲害[12]，還耐高溫及干旱脅迫[13]，是十字花科植物育種的優良種質資源；另外，白芥籽具有鎮咳、抗炎、抗衰老、抗皮膚病、防治高血壓等功效，在臨床上有重要應用價值。白芥的耐旱性研究開展較早，但耐鹽性研究起步較晚，其鹽脅迫響應機制仍有待深入挖掘。本研究選擇農藝性狀優良的3 個白芥品系為材料，采用不同濃度的NaCl、Na2SO4和Na2CO3、 NaHCO3溶液分別模擬中性和堿性鹽脅迫，比較和評價3 個白芥品系種子萌發期的耐鹽性，以期為耐鹽堿脅迫白芥的選育和河西走廊鹽堿地的合理開發與利用提供資源和理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

參試3 個白芥品系為11 白芥3－1、13 白芥15－2、12 白芥15－7，均由河西學院農業與生態工程學院農學教研室提供。挑選飽滿一致的種子，在70%乙醇中浸泡30 s，再用40%次氯酸鈉溶液消毒15 min，無菌水清洗3 次，晾干后備用。NaCl、NaHCO3、Na2CO3和Na2SO4均為分析純。試驗于2021年3—8月在河西學院農業與生態工程學院遺傳育種實驗室完成。

1.2 試驗設計及處理方法

試驗選用4 種鹽設計不同濃度梯度溶液進行鹽脅迫處理:①NaCl 溶液，30、60、90、120、150、180、210、240 mmol/L 共8 個濃度梯度；②NaHCO3溶液，15、30、45、60、75 mmol/L 共5 個濃度梯度；③Na2CO3溶液，10、20、30、40 mmol/L 共4 個濃度梯度；④Na2SO4溶液，30、60、90、120、150、180、210 mmol/L 共7 個濃度梯度。以蒸餾水為對照。

發芽試驗依照國際種子檢驗規程采用濾紙床法進行:將雙層濾紙分別用不同的鹽溶液充分飽和后置于內徑100 mm 的培養皿底部，在其上擺放試驗種子100 粒，然后加入5 mL 不同濃度的4種鹽溶液，蓋上培養皿蓋，置于光照培養箱內培養，光周期設定為光照12 h/d。每處理重復3 次。試驗過程中根據培養情況每天適當補充蒸發的水分，以保證處理期間各濃度保持相對穩定。

1.3 測定指標及方法

以胚根突破種皮2 mm 為發芽，記錄每天種子發芽情況，統計種子萌發數，連續2 d 種子發芽數不變即調查結束，共計7 d，計算發芽勢、發芽率、發芽指數。萌發試驗結束當天，每個處理隨機選取5 個芽苗，用蒸餾水洗凈，濾紙吸干表面水分，立即用分析天平稱鮮重，然后用直尺測量胚根長和胚軸長。

發芽勢(%)＝第3 天發芽種子數/種子總數×100 ；

發芽率(%)＝第7 天發芽種子數/種子總數×100 ；

發芽指數＝∑Gt/Dt(Gt:當天的發芽數；Dt:發芽日數)。

1.4 數據整理與統計分析

用Microsoft Excel 2019 軟件整理數據，用SPSS 22.0 軟件進行方差分析和相關分析，運用LSD 法分析差異顯著性，運用雙變量分析計算斯皮爾曼相關系數；并通過擬合濃度—發芽率關系計算白芥種子的耐鹽臨界值和耐鹽極限值，耐鹽臨界值為發芽率為50%時的鹽濃度，耐鹽極限值為發芽率為0 時的鹽濃度。

2 結果與分析

2.1 兩種中性鹽脅迫對白芥種子萌發的影響

2.1.1 Na2SO4脅迫 由圖1 可知，30 mmol/L 低濃度Na2SO4處理下，3 個白芥品系的發芽率都在90%以上，其中，12 白芥15－7 的發芽率和胚根長與對照(0 mmol/L Na2SO4)一致，顯著高于11 白芥3－1 和13 白芥15－2；但三者的胚軸長差異不顯著，均顯著低于對照。隨著Na2SO4濃度的繼續升高，3 個白芥品系的發芽率、胚軸長、胚根長逐漸降低，除60 mmol/L 與30 mmol/L 處理下12 白芥15－7 胚軸長差異不顯著外，不同濃度處理間差異均達顯著水平(P<0.05)。當Na2SO4濃度達到90 mmol/L 時，3 個白芥品系的發芽率均不高于70%，12 白芥15－7、11 白芥3－1 和13 白芥15－2分別較對照降低了43.3%、30.0%和48.3%，且胚根長均低于2 cm，胚軸長介于2.4～3.2 cm 之間，受到明顯抑制；之后，3 個品系的發芽率進一步降低，至150 mmol/L Na2SO4時，11 白芥3－1 的胚軸和胚根生長受到完全抑制，12 白芥15－7 的胚軸生長受到完全抑制；當Na2SO4濃度高達210 mmol/L 時，僅11 白芥3－1 的種子有一定發芽能力，發芽率僅3.3%，其余兩個品系完全失去發芽能力。

圖1 Na2SO4 處理對3 個白芥品系發芽率、胚軸長和胚根長的影響

可見，超過30 mmol/L 的Na2SO4處理即顯著抑制白芥種子萌發及胚根、胚軸伸長，且胚根伸長對Na2SO4脅迫更敏感；90 mmol/L Na2SO4可用于篩選不同耐鹽性的白芥種質；3 個白芥品系間比較，11 白芥3－1 品系對Na2SO4脅迫的耐受性最強，在210 mmol/L Na2SO4脅迫下仍有一定發芽能力。

2.1.2 NaCl 脅迫 圖2 顯示，與對照相比，NaCl脅迫顯著降低3 個白芥品系的發芽率，且隨著NaCl 濃度的升高，3 個白芥品系的發芽率、胚根長和胚軸長均逐漸降低。3 個品系中，當NaCl 濃度不高于90 mmol/L 時，12 白芥15－7 的發芽率一直保持在96.7%，只有當NaCl 濃度超過120 mmol/L 時才大幅下降，至240 mmol/L 時，發芽率僅3.0%；13 白芥15－2 的發芽率下降最快，NaCl濃度越高下降越顯著，至240 mmol/L 時完全失去萌發能力；11 白芥3－1 在30～120 mmol/L NaCl處理時發芽率介于另兩個品系之間，但在150～240 mmol/L 較高濃度NaCl 脅迫下，其發芽率遠高于另兩個品系，表現出較高的耐鹽性。

圖2 NaCl 處理對3 個白芥品系發芽率、胚軸長和胚根長的影響

3 個白芥品系胚根和胚軸伸長對NaCl 脅迫的響應趨勢一致，與對照相比，均表現為NaCl 濃度為30 mmol/L 時顯著增長，且胚根長增幅更大，12 白芥15－7、11 白芥3－1、13 白芥15－2 的胚根長分別增加了68.42%、121.25%、59.65%；60 mmol/L 時與對照相當，90 mmol/L 時開始大幅下降，之后NaCl 濃度越高，胚軸長和胚根長下降越顯著。當NaCl 濃度達到210 mmol/L 時，11 白芥3－1、13 白芥15－2 的胚根和胚軸伸長受到完全抑制，至240 mmol/L 時，3 個品系的胚根和胚軸伸長均被完全抑制。

綜上，150 mmol/L NaCl 適用于篩選不同耐鹽性的白芥種質；11 白芥3－1 品系對NaCl 脅迫的耐受性最強；30～60mmol/LNaCl處理對白芥胚根和胚軸伸長有一定的促進作用；胚根伸長對鹽脅迫更敏感。

2.2 兩種堿性鹽脅迫對白芥種子萌發的影響

2.2.1 NaHCO3脅迫 由圖3 可知，與對照相比，NaHCO3處理顯著降低3 個白芥品系的發芽率，且隨NaHCO3濃度的升高逐漸降低。3 個品系中，11白芥3－1 的發芽率在各濃度NaHCO3處理下均最高，其次為12 白芥15－7，13 白芥15－2 最低；至75 mmol/L 時，僅11 白芥3－1 還有3.3%的種子能發芽，其余兩個品系均已失去萌發力。

圖3 NaHCO3 處理對3 個白芥品系發芽率、胚軸長和胚根長的影響

15 mmol/L 低濃度NaHCO3處理對11 白芥3－1和13 白芥15－2 的胚根和胚軸伸長有一定促進作用，胚根長分別較對照增長了44.44%和20.00%，胚軸長分別較對照提高了8.57%和2.94%；但明顯抑制了12 白芥15－7 的胚軸和胚根伸長。當NaHCO3濃度達到30 mmol/L 后，3 個品系的胚軸和胚根伸長均受到顯著抑制，60 mmol/L 時12 白芥15－7 完全被抑制，75 mmol/L時3 個品系均被完全抑制。

綜上，15～75 mmol/L NaHCO3處理對白芥種子萌發產生顯著抑制作用，但15 mmol/L 低濃度NaHCO3處理可在一定程度上促進胚根和胚軸生長；45 mmol/L NaHCO3適用于篩選不同耐堿性的白芥種質；11 白芥3－1 對NaHCO3脅迫的耐受性最強；相對而言，胚根較胚軸對NaHCO3脅迫更敏感。

2.2.2 Na2CO3脅迫 由圖4 可知，10 mmol/L Na2CO3處理下，12 白芥15－7 和11 白芥3－1 的發芽率與對照無顯著差異，而13 白芥15－2 的發芽率顯著下降。當Na2CO3濃度達到20 mmol/L 后，3 個品系的發芽率均大幅降低，差異顯著(P<0.05)，且濃度越高發芽率越低。3 個品系中，在10～30 mmol/L Na2CO3處理下，12 白芥15－7、11白芥3－1、13 白芥15－2 的發芽率依次降低；至40 mmol/L Na2CO3處理時，三者的發芽率分別為3.3%、3.3%、0。

圖4 Na2CO3 處理對3 個白芥品系發芽率、胚軸長和胚根長的影響

當Na2CO3濃度為10 mmol/L 時，除13 白芥15－2 的胚根長降低不顯著外，各品系白芥的胚根長、胚軸長均顯著降低，分別為1.30～2.40 cm，2.30～3.10 cm。Na2CO3濃度升高到20 mmol/L時，3個品系白芥的胚根長和胚軸長急劇下降，分別僅為0.24 ～ 0.32 cm 和0.30 ～ 0.80 cm。當Na2CO3濃度達到30 mmol/L 后3 個品系的胚根和胚軸伸長完全被抑制。

綜上，Na2CO3是對白芥胚根和胚軸伸長有很強抑制效應的堿性鹽，20 mmol/L Na2CO3處理即可顯著抑制白芥種子萌發和胚根、胚軸伸長，且品系間具有明顯差異，因此，該濃度可用于篩選不同耐性的白芥種質；12 白芥15－7 對Na2CO3脅迫的耐受性最強；胚根較胚軸對Na2CO3脅迫更敏感。

2.3 白芥種子萌發響應CO23－ 和HCO－3 離子脅迫的差異性分析

由圖5 可知，當Na＋濃度為30 mmol/L 時，3個白芥品系的發芽率在CO23－脅迫下較高，而胚軸和胚根在HCO－3脅迫下較長。當Na＋濃度為60 mmol/L 時，12 白芥15－7 的發芽率對兩種離子脅迫的響應無差異，11 白芥3－1 的發芽率在HCO－3脅迫下較CO23－脅迫下高了26.6 個百分點，而13白芥15－2 的發芽率則低了10 個百分點；兩種離子脅迫完全抑制了12 白芥15－7 的胚軸和胚根伸長，而11 白芥3－1 和13 白芥15－2 的胚軸和胚根在HCO－3脅迫下還略有伸長。可見，在Na＋濃度相同的條件下，白芥種子萌發對HCO－3和CO23－的響應因品系不同而有差異，胚軸和胚根伸長受CO23－的抑制作用更強。

圖5 白芥萌發響應CO23－ 和HCO－3 離子脅迫的差異

2.4 白芥種子萌發響應SO24－ 和Cl－離子脅迫的差異性分析

由圖6 可知，當Na＋濃度分別為60、120、180、240 mmol/L 時，較Cl－脅迫而言，在SO24－脅迫下，3個參試白芥發芽率較高、胚軸和胚根均較長，且在較高Na＋濃度(180、240 mmol/L)時差異更大。可見，當Na＋濃度一定時，Cl－對白芥種子萌發產生了更強的抑制作用，即白芥種子萌發對SO24－的耐受性比對Cl－的強。

圖6 白芥萌發響應SO24－ 和Cl －離子脅迫的差異

2.5 4 種鹽堿溶液脅迫下白芥耐鹽臨界值和耐鹽極限值的差異

由表1 可見，在NaCl、Na2SO4、NaHCO3脅迫下，11 白芥3－1 品系的耐鹽臨界值最高，分別為178、118、56 mmol/L，耐鹽極限值也最高，依次為323、251、91 mmol/L；12 白芥15－7 品系的耐鹽臨界值和耐鹽極限值均居中，而13 白芥15－2 品系的耐鹽臨界值和耐鹽極限值均最低。在Na2CO3脅迫下，12 白芥15－7 品系的耐鹽臨界值和耐鹽極限值均最高，分別為26、50 mmol/L，11 白芥3－1 品系的耐鹽臨界值和耐鹽極限值均居中，而13白芥15－2 品系的耐鹽臨界值和耐鹽極限值均最低。綜上，11 白芥3－1 對NaCl、Na2SO4、NaHCO3脅迫的耐受性最強，，12 白芥15－7 品系對Na2CO3脅迫的耐受性最強，13 白芥15－2 對4 種鹽脅迫的耐受性最弱。

表1 4 種鹽堿溶液脅迫下白芥不同品系的耐鹽臨界值和耐鹽極限值(mmol/L)

2.6 4 種鹽堿脅迫下6 個指標間的相關性分析

由表2、表3 可見，白芥種子萌發期調查性狀與4 種鹽堿濃度間均呈極顯著負相關性。NaCl、Na2SO4、NaHCO3處理下，發芽指數與3 種鹽堿溶液濃度間的相關性最高，表明發芽指數對NaCl、Na2SO4、NaHCO3脅迫最敏感；其次，發芽率和發芽勢與NaHCO3濃度、胚軸長與NaCl 和Na2SO4濃度間的相關性也較高。Na2CO3處理下，胚軸長與Na2CO3濃度間相關性最高，發芽指數與Na2CO3濃度間相關性次之，表明胚軸長對Na2CO3脅迫最敏感，其次為發芽指數。除NaCl 外，芽苗鮮重與其它3 種鹽堿濃度間相關性均最低。可見，發芽指數和胚軸長可用作鑒定白芥種質萌發期耐鹽堿性的有效指標。

表2 Na2SO4和NaCl 脅迫下指標間的相關系數

表3 NaHCO3和Na2CO3脅迫下指標間的相關系數

萌發期不同指標間相關性差異明顯:Na2SO4處理下6 個指標間相關系數在0.899～0.992 之間，芽苗鮮重與胚軸長、發芽指數與發芽勢間相關性最高。NaCl 處理下6 個指標間相關系數在0.706～0.981 之間，除胚根長與發芽指數、發芽勢間呈顯著相關外，其它指標間相關性均達到極顯著水平，其中發芽指數與胚軸長的相關性最高，其次為發芽指數與芽苗鮮重。NaHCO3處理下，胚根長與發芽率、發芽勢、發芽指數間的相關性較低(相關系數0.705～0.768)，達顯著水平，其余指標間相關性均達極顯著水平，其中發芽勢與發芽率和發芽指數、胚軸長與芽苗鮮重間相關性較高。Na2CO3處理下，除胚根長與芽苗鮮重、發芽勢、發芽率、發芽指數間呈顯著性相關性(相關系數0.756～0.797)外，其余指標間均極顯著相關，以發芽勢與發芽率和芽苗鮮重間的相關性較高。

3 討論與結論

3.1 白芥對Na2SO4脅迫的耐受性強于對NaCl 脅迫

在相同Na＋濃度(60～240 mmol/L)條件下，與NaCl 脅迫相比，Na2SO4脅迫下白芥種子萌發率高、胚根和胚軸生長發育較好；在NaCl 和Na2SO4脅迫下，11 白芥3－1 品系的生長臨界Na＋濃度分別為178 mmol/L 和236 mmol/L，極限Na＋濃度分別為323 mmol/L 和502 mmol/L。這與在沙棗[14]上的研究結果一致，但比沙棗在Na2SO4脅迫下的生長臨界Na＋濃度(280 mmol/L)低44 mmol/L。因此，在對以NaCl 為主要成分的鹽堿地進行生物治理時，除沙棗之外，白芥也是可選擇的植物材料之一。

3.2 低濃度NaHCO3和NaCl 對白芥種子胚軸和胚根伸長產生一定的促進作用

大多數研究者認為鹽脅迫對種子萌發有抑制作用，但也有研究者認為低濃度鹽對種子萌發有促進作用，高濃度鹽才對種子萌發有明顯抑制作用[15－17]。在本試驗中，白芥種子的發芽率、胚根長和胚軸長隨鹽堿濃度的增大呈現下降趨勢，而且高濃度明顯抑制種子的萌發，這可能是由于外界高滲透壓引起種子吸水不足，引起a－淀粉酶活性降低，從而導致種子萌發受阻[18]。但15 mmol/L NaHCO3、30～60 mmol/L NaCl 處理對白芥胚軸和胚根伸長表現出一定的促進作用，這可能是因為低濃度鹽促進了細胞膜的滲透調節或者微量Na＋激活了某些酶[19]。

3.3 兩種堿性鹽脅迫對白芥種子萌發及胚根和胚軸伸長具有更強的抑制效應

裴毅等[10]研究表明白芥種子有一定耐鹽堿能力，且耐NaCl 能力強于耐NaHCO3能力。本試驗結果也發現，在同等Na＋濃度下，白芥在NaCl脅迫下的發芽率明顯高于在NaHCO3脅迫下的測定值，初步表明其耐NaCl 脅迫的能力強于耐NaHCO3脅迫的能力。

賽黎[20]研究發現Na2CO3對野生油菜種子萌發、根和地上部生長有抑制作用。本試驗結果也表明，10～40 mmol/L Na2CO3處理對白芥種子萌發及胚軸和胚根伸長均產生了明顯抑制作用。表明Na2CO3是抑制白芥及其近緣種種子萌發效應很強的堿性鹽。

3.4 白芥中存在耐鹽堿性較強的種質

鹽脅迫影響植物生長的各個階段，但已知大多數植物的種子萌發和幼苗生長階段對鹽脅迫更為敏感[21]。黃鎮等[22]研究發現種子發芽率隨著NaCl 質量濃度的升高而降低，白菜型油菜的種子萌發率最高，甘藍型油菜次之，芥菜型油菜最差。范惠玲等[8]研究表明，油菜及其近緣種中，芥菜型油菜、甘藍型油菜、白芥在NaCl 脅迫下的發芽率較高，而白芥和甘藍型油菜在NaHCO3脅迫下的發芽率較高。本試驗結果表明，在Na2SO4、NaCl、NaHCO3、Na2CO3處理下，3 個白芥品系的發芽率均降低，且鹽濃度越高降低越顯著。研究認為蕓薹屬植物在屬間和種內存在顯著的耐鹽性變異[23－26]。本研究結果也顯示，供試的3 個白芥品系萌發期對4 種鹽堿脅迫的響應不同，其中，11白芥3－1 對Na2SO4、NaCl、NaHCO3的耐性最強，而12 白芥15－7 對Na2CO3的耐性最強，13 白芥15－2 對4 種鹽堿脅迫的耐性最弱。這可為今后選育適合不同鹽堿地的耐鹽堿性白芥種質提供參考。