鹽堿脅迫對甜瓜種子萌發(fā)及幼苗生長發(fā)育的影響

熊 韜，閆 淼，王豪杰，毛建才，王江濤，胡國智

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學院甜瓜研究中心，烏魯木齊 830091；2.新疆林業(yè)學校，烏魯木齊 830000）

0 引言

【研究意義】我國鹽堿土壤約占可耕地面積的25%[1]。新疆是我國主要的鹽堿土分布區(qū)，土壤中的鹽分組成具有多樣性，主要以硫酸鹽、硫酸鹽-氯化物、氯化鹽、氯化物-硫酸鹽為主[2]。新疆哈密瓜栽培的研究較多，但其栽培生理研究卻相對薄弱，尤其是鹽堿環(huán)境對哈密瓜生長發(fā)育方面影響的研究甚少。研究新疆哈密瓜的耐鹽性方面有助于豐富哈密瓜的栽培生理理論，對分析哈密瓜鹽水灌溉和鹽堿地生產(chǎn)模式，合理開發(fā)利用西部地區(qū)的鹽堿地和鹽堿水資源有重要意義。【前人研究進展】植物在鹽脅迫下受到最直接的影響是生長發(fā)育進程被抑制，土壤中過量鹽分降低了植物的吸水能力，而水分虧缺阻礙了植物生長進程[3]。甜瓜對低濃度鹽分具有一定的耐受性，但不同品種對鹽脅迫的適應能力均存在一定差異性[4]。張玉鑫等[5]發(fā)現(xiàn)NaCl 脅迫對甜瓜幼苗株高、葉面積、地上部鮮重和干物質(zhì)積累量等指標的抑制強度與鹽脅迫水平及時間具有關(guān)聯(lián)性；甜瓜幼苗對低濃度NaCl 脅迫具有一定的緩沖適應能力。高玉紅等[6]研究了甜瓜幼苗對3種不同組分鹽脅迫響應的差異性發(fā)現(xiàn)，幼苗根系和地上部的生長發(fā)育均受到3種鹽脅迫所產(chǎn)生的較強抑制作用，且與濃度成正相關(guān)性，張永平等[7]和夏世龍等[8]的研究報道基本一致。【本研究切入點】鹽分對甜瓜生長方面影響的研究已經(jīng)比較深入，但大多數(shù)只涉及中性鹽脅迫，有關(guān)多種鹽分脅迫對甜瓜種子萌發(fā)與幼苗生長的研究鮮見報道。需研究鹽堿脅迫對甜瓜種子萌發(fā)及幼苗生長發(fā)育的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】以4個甜瓜品種作為材料，配制不同濃度的鹽分溶液（NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3）對甜瓜進行脅迫處理，研究不同濃度鹽分處理對甜瓜種子萌發(fā)、幼苗生長發(fā)育及根系形態(tài)特征的影響，分析不同甜瓜品種對多種鹽分脅迫條件下的適應性，為在鹽堿地區(qū)域開展甜瓜鹽堿地栽培和品種人工馴化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2019年5 ～7月在新疆農(nóng)業(yè)科學院哈密瓜研究中心實驗室和吐魯番科研基地進行。選擇甜瓜品種網(wǎng)紋香、風味5號、西州密17號、黃皮9818 作為研究對象。其中網(wǎng)紋香屬于黃皮類型晚熟品種，風味5 號屬于具有獨特風味的白皮類型早中熟品種，西州密17號屬于綠皮類型中晚熟品種，黃皮9818屬于黃皮類型中熟品種。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計

1.2.1.1種子萌發(fā)期處理

參考徐志然[9]、張雪彬[10]和藺吉祥等[11]等方法，配制混合鹽堿溶液（NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3物質(zhì)的量比為4∶1∶1∶4），設(shè)置4個鹽濃度處理，分別為0（CK）、50、100、150 mmol/L，每個處理重復3次。

采用濾紙培養(yǎng)法，在潔凈烘干，直徑為90 mm的培養(yǎng)皿中放入雙層濾紙，分別加入5 mL不同濃度的鹽堿溶液至濾紙吸足水分，擺入經(jīng)過篩選的籽粒飽滿、大小一致的種子30 粒，置于人工氣候箱，在（28±1）℃條件下黑暗培養(yǎng)7 d，每2 d更換1次濾紙以確保處理期間鹽濃度維持相對恒定。

以種子開始露出胚根作為萌發(fā)標準，統(tǒng)計種子的發(fā)芽勢（3 d）和發(fā)芽率（7 d）。

1.2.1.2 幼苗期處理

試驗品種和鹽脅迫處理液與1.2.1.1 相同，所配置鹽處理液的母液均為Hogland營養(yǎng)液。

先將蛭石和珍珠巖按1∶1的體積比混合后裝入40穴育苗穴盤中，再將經(jīng)過浸種和催芽處理的甜瓜種子播種于穴盤中，甜瓜出苗后用Hogland營養(yǎng)液進行澆灌，當幼苗長至三葉一心期時進行鹽脅迫處理，處理時間定于上08：00～09：00 進行，第1d 每個處理均澆濃度為50 mmol/L 的處理液以此避免鹽濃度突然上升所產(chǎn)生的沖擊效應，以50 mmol/L作為每日遞增濃度，直至到達最終設(shè)定濃度，每次用相應濃度的鹽溶液進行適量澆灌，CK 處理澆同等容量的清水，定時觀察蒸發(fā)情況并及時用清水補充損失水分。脅迫處理7 d后對測定生長指標和采集植株樣品。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1種子萌發(fā)

（1）發(fā)芽勢（GE）：第3 d 發(fā)芽種子個數(shù)/參試種子數(shù)×100%。

（2）發(fā)芽率（GP）：第7 d 發(fā)芽種子個數(shù)/參試種子數(shù)×100%。

（3）發(fā)芽指數(shù)GI=∑（GtDt）。

式中Gt表示種子在t天之內(nèi)發(fā)芽的個數(shù)，Dt則表示為種子發(fā)芽對應的實際天數(shù)；

（4）發(fā)芽速度（Gν）=∑（Dn）Σn。

式中D為從種子置床起算的天數(shù)，n為相應各日正常發(fā)芽粒數(shù)。

1.2.2.2 幼苗生長

（1）株高（根莖相交處到最高生長點的長度）、莖粗（根莖相交處上方約1 cm處）。

（2）在105℃溫度條件下將已經(jīng)過分離處理的根、莖、葉放入高溫干燥箱內(nèi)殺青30 min，之后在75℃下烘至恒重，稱量并記錄地上部干重、根部干重，并計算根冠比。

根冠比=根部干重/地上部干重。

1.2.2.3 鹽耐受指數(shù)（STI）和鹽敏感指數(shù)（SSI）

參照Molhtar[12]和Khayat[13]等計算鹽敏感指數(shù)和鹽耐受指數(shù)。

STI=（DWtreatment/DWck）×100。

SSI=［（DWtreatment-DWck）/DWck］×100。

式中，DWtreatment表示鹽處理下植株干重，DWck表示對照植株干重。

1.2.2.4 根系形態(tài)指標

用清水沖洗去除根系和莖葉上附著的基質(zhì)及其它雜物，用去離子水徹底沖洗干凈，再將水分用吸水紙吸干，將根系與地上部分開，采用中晶公司生產(chǎn)的Microtek ScanMaker i800 雙光源彩色掃描儀獲取根部的形態(tài)結(jié)構(gòu)圖像，采用杭州萬深檢測科技有限公司研發(fā)的萬深LA-S系列植物圖像分析系統(tǒng)對根部樣品的根長、平均直徑、表面積、體積、根尖數(shù)等形態(tài)學參數(shù)分析測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2016 進行繪圖，采用SPSS（Version 22.0）進行數(shù)據(jù)方差分析（One-way ANOVA），并檢驗處理間差異顯著性（P=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫處理對不同甜瓜品種種子萌發(fā)特性的影響

2.1.1 鹽脅迫對甜瓜種子發(fā)芽勢的影響

研究表明，雖然甜瓜對鹽脅迫具有一定的耐受性，但隨著鹽脅迫濃度的上升，不同甜瓜品種發(fā)芽勢均表現(xiàn)出整體逐漸下降趨勢，且各脅迫處理之間也存在一定差異性。50 mmol/L 濃度脅迫下，4個品種的發(fā)芽勢均高于50%，但在100 和150 mmol/L的高濃度鹽處理顯然明顯的抑制了四種甜瓜的發(fā)芽勢，尤其是西州密17號和黃皮9818的發(fā)芽勢出現(xiàn)大幅下降。各品種在100 和150 mmol/L 濃度處理下，發(fā)芽勢均比CK 下降了11.43% ，18.33% 、65.49% ，76.9% 和23.52% ，28.38%、76.06%和80.69%。

低鹽（50 mmol/L）處理下，4個甜瓜品種可以維持50%以上的萌發(fā)率，但高鹽脅迫下（100 和150 mmol/L），所有鹽處理的發(fā)芽勢均呈現(xiàn)顯著下降，并且各甜瓜品種之間存在較為明顯的差異，為網(wǎng)紋香＞風味5號＞西州密17號＞黃皮9818。圖1

圖1 不同濃度鹽脅迫下各甜瓜品種種子發(fā)芽勢變化Fig.1 Effects of salt stress at different concentrations on seed germination potential of melon varieties

2.1.2 鹽分脅迫對甜瓜種子發(fā)芽率的影響

研究表明，在50 mmol/L 濃度下，各品種的發(fā)芽率都≥60%，其中網(wǎng)紋香和風味5號的發(fā)芽率均在95%以上，兩種甜瓜對低濃度鹽脅迫具有良好的耐受性。西州密17 號和黃皮9818 在3種濃度處理下的發(fā)芽率與CK處理相比均表現(xiàn)出顯著性差異，分別比對照低26.44%、60%、72.54%和35.49%、68.26%、77.82%，甜瓜種子受到抑制效應隨鹽濃度的上升越來越明顯。圖2

圖2 不同濃度鹽脅迫下各甜瓜品種種子發(fā)芽率變化Fig.2 Effects of salt stress at different concentrations on seed germination rate of melon cultivars

2.1.3 鹽脅迫對甜瓜種子發(fā)芽指數(shù)的影響

研究表明，所有處理的發(fā)芽指數(shù)均受到鹽脅迫的影響，并且各品種間發(fā)芽指數(shù)差異較為明顯，其中網(wǎng)紋香的發(fā)芽指數(shù)最高，黃皮9818 的發(fā)芽指數(shù)最低，并且黃皮9818下降幅度最明顯。在鹽堿脅迫濃度150 mmol/L時，黃皮9818的發(fā)芽指數(shù)為3.42%，與CK 相比下降了78.95%，而網(wǎng)紋香的發(fā)芽指數(shù)下降率最低，具體為31.76%。圖3

圖3 不同濃度鹽脅迫下甜瓜品種種子發(fā)芽指數(shù)變化Fig.3 Effects of salt stress at different concentrations on seed germination index of melon cultivars

2.1.4 鹽脅迫對甜瓜種子萌發(fā)速度的影響

研究表明，網(wǎng)紋香和風味5 號保持了較快的發(fā)芽速度，其次是西州密17 號；在150 mmol/L 鹽濃度時，其他品種仍保持一定的萌發(fā)速度，而黃皮9818 受到的影響比較明顯，較CK 延長了49.8%。甜瓜的發(fā)芽速率受低濃度鹽脅迫的影響較為有限，但高濃度鹽脅迫能夠抑制或減緩甜瓜種子的萌發(fā)進程。圖4

圖4 不同濃度鹽脅迫下甜瓜品種種子平均萌發(fā)速度變化Fig.4 Effects of salt stress at different concentrations on seed germination rate of melon cultivar

2.2 鹽脅迫對不同甜瓜品種幼苗生長的影響

研究表明，4個品種幼苗株高和莖粗均隨濃度的上升而下降，鹽分脅迫限制了甜瓜株高和莖粗的增長，并且抑制影響會隨鹽濃度的上升而不斷加強。在150 mmol/L 脅迫條件下，各品種幼苗株高和莖粗分別比對照低36.03%、32.95%、27.87%、24.73%和33.37%、35.77%、30.08%和24.01%，表現(xiàn)出顯著性差異，鹽脅迫對甜瓜生長發(fā)育進程影響較為明顯。

4個品種幼苗地上部生長受到高鹽分脅迫的抑制較為突出，抑制率分別達76.92%、69.48%、66.61%、51.73%和89.57%、83.47%、78.19%和68.53%；而4種甜瓜地上部的生長在低濃度鹽脅迫下表現(xiàn)各不相同，網(wǎng)紋香的地上部生物量雖然存在一定程度的下降，但與對照相比差異不顯著，而風味5號、黃皮9818、西州密17號在低鹽分脅迫下地上部生物量表現(xiàn)出明顯下降；網(wǎng)紋香地上部生長受低濃度鹽脅迫的影響較有限，而其它3個甜瓜幼苗地上部的生長所受的影響較大。4種甜瓜根系生物量在不同濃度鹽脅迫下均出現(xiàn)下降，與CK相比均存在顯著的差異。

4個甜瓜的根冠比在不同濃度鹽脅迫下均表現(xiàn)為高濃度下的根冠比高于CK，但變化趨勢均表現(xiàn)為先降低再升高。在50 mmol/L 濃度處理下，根冠比與CK 相當，無顯著差異（P＞0.05）；而100和150 mmol/L 濃度處理下，四個甜瓜的根冠比均顯著高于CK 處理，甜瓜幼苗地上部受到鹽脅迫的抑制作用要大于地下根系。表1

表1 不同濃度鹽脅迫下甜瓜生長特性變化Table 1 Effects of salt stress at different concentrations on the growth characteristics of muskmelon

2.3 不同甜瓜品種對鹽脅迫的敏感性和耐受性

研究表明，4種甜瓜地上部和地下部對鹽脅迫的敏感性均表現(xiàn)出相似的變化趨勢，即敏感性均表現(xiàn)為根部＜地上部。4個品種的耐鹽性各不相同，網(wǎng)紋香對鹽脅迫的耐受性要高于風味5號、黃皮9818和西州密17號。圖5

圖5 鹽脅迫下四種甜瓜的鹽敏感指數(shù)Fig.5 The salt sensitivity index of four melons under salt stress

4種甜瓜的鹽耐受指數(shù)隨脅迫濃度的增加均表現(xiàn)出遞減的趨勢。在100 mmol/L 濃度下，4個品種的耐受性指數(shù)均出現(xiàn)明顯下降，甜瓜對鹽的敏感程度在高鹽分脅迫下明顯升高，而對鹽分的耐受性相應降低。圖6

圖6 鹽脅迫下四種甜瓜的鹽耐受指數(shù)Fig.6 Salt tolerance index of four kinds of melon under salt stress

2.4 鹽脅迫對甜瓜幼苗根系分布的影響

研究表明，隨著濃度的增加，四種甜瓜的根系形態(tài)學指標在鹽脅迫下的變化均呈下降趨勢；在150 mmol/L處理下網(wǎng)紋香、風味5號、西州密17號和黃皮9818的根系長度與CK處理相比分別降低了44.33%、60.81%、56.99%和67.24%；根系平均直徑分別降低了20.83%、36.32%、46.02%、50.51%；根系表面積分別降低了32.63%、50.48%、63.8%、71.01%；根系體積分別降低了56.04%、62.09%、67%、78.94%；根系投影面積分別降低了45.79%、50.93%、63.12%、78.89%；根尖數(shù)分別降低了46.04%、57.48%、60.67%、66.62%，且均表現(xiàn)出顯著性差異（P＜0.05）。網(wǎng)紋香的所有根系形態(tài)指標均高于其它3個甜瓜品種，與根系干重結(jié)果相對應，鹽脅迫下其根系受到的抑制作用要小于其它3個品種。而隨著濃度的增加，4種甜瓜品種根系生長受到抑制作用逐漸加強。表2

表2 鹽脅迫下四種甜瓜根系分布特征變化Table 2 Effects of salt stress on root distribution characteristics of four melon species

3 討論

研究認為[14]在相同的脅迫環(huán)境下，種子的萌發(fā)速率不變或加快，可能是受到某些耐脅迫基因的影響。而其他研究認為[15]：種子萌發(fā)容易受高鹽分脅迫的抑制，主要是由于外部滲透壓導致種子吸水量匱乏引起的。敏感性研究結(jié)果與高玉紅等[6]研究得出的結(jié)論相一致，即甜瓜幼苗地上部比根系對鹽脅迫的反應敏感，受脅迫傷害的程度大。種子萌發(fā)是植物生命周期中非常重要的起始階段，也是極易受到外界不利因素干擾和影響的階段。發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)是評價種子發(fā)芽速度、發(fā)芽整齊度和幼苗健壯度的重要參考指標[16]。發(fā)芽速度和發(fā)芽后幼苗的活力表現(xiàn)能直接反映出作物對鹽堿環(huán)境的適應能力。研究表明植物種子在萌發(fā)期對高鹽環(huán)境下非常敏感，種子正常萌發(fā)會受到明顯的抑制，這是由于細胞質(zhì)膜的完整性被高鹽脅迫所破壞，導致細胞膜選擇透性下降，甚至喪失；并且鹽分含量過高致使水勢降低，使種子吸水不足，引起細胞水分虧缺[17]。也有研究認為低濃度鹽分能夠促進種子萌發(fā)，而高濃度鹽分對萌發(fā)具有限制作用[18-20]。

鹽脅迫會降低作物幼苗的生長能力，減少光合產(chǎn)物的積累，影響作物正常的生理代謝，最終使植物整體生長變慢甚至死亡[21-22]。邱岸[23]通過苗期試驗發(fā)現(xiàn)，黃瓜幼苗的生長受到鹽分顯著抑制，表現(xiàn)為株高降低，莖粗減少，鹽敏感品種比抗鹽品種變化明顯。劉鑫等[24]研究比較了21個西瓜品種幼苗的耐鹽性，發(fā)現(xiàn)鹽脅迫對供試品種幼苗的株高、莖粗和地上部干重產(chǎn)生了明顯的抑制作用。張海軍等[25]研究發(fā)現(xiàn)，NaC1脅迫引起了兩個茄子品種幼苗生物積累量的顯著下降。

植物不同部位對鹽分的敏感性存在著一定的差異。閻秀峰等[26]研究發(fā)現(xiàn)，星星草幼根的生長進程隨鹽濃度升高逐漸減慢，且與鹽濃度呈極顯著的負相關(guān)關(guān)系，但其幼芽在低濃度鹽處理下都表現(xiàn)出增效效應。朝朝紅等[27]研究得出，水稻幼苗芽、根長均受到鹽脅迫的抑制，幼芽與根對鹽脅迫的敏感性存在差異，尤其是芽的伸長受抑制率均比根要高。何歡樂等[28]對9種經(jīng)過鹽分處理的黃瓜進行研究后發(fā)現(xiàn)黃瓜的根、下胚軸、子葉生長受鹽脅迫的抑制程度不同，不同器官對鹽脅迫反應不同，根對鹽脅迫最為敏感的結(jié)論，可能是鹽分對各器官生長的影響機制存在不同，也可能與各器官所處不同環(huán)境有關(guān)。

根系是植物從外界獲取營養(yǎng)物質(zhì)的重要通道，也是植物最先感知周圍環(huán)境是否存在鹽分的器官[29]。環(huán)境中鹽分過高會破壞根系的結(jié)構(gòu)，根系無法正常吸收植物生長發(fā)育所必需的各類養(yǎng)分，植物生長進程。謝德意等[30]和辛承松等[31]研究得出鹽脅迫抑制了棉花根長，減少了側(cè)根數(shù)量。谷艷芳等[32]和姜秀娟等[33]分別在冬小麥和水稻中發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫加快了冬小麥根長的下降趨勢和水稻單株平均根數(shù)減少的速度。鄭柱榮等[34]研究得出花生幼苗的根長、根平均直徑、根總表面積隨著NaCl濃度增加而逐漸降低。

4 結(jié)論

4.1 4個甜瓜品種在低鹽處理下可以維持50%以上的發(fā)芽率和60%以上的發(fā)芽勢，但高鹽脅迫下的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均呈現(xiàn)顯著下降。各甜瓜品種萌發(fā)指標綜合表現(xiàn)為網(wǎng)紋香＞風味5號＞西州密17 號＞黃皮9818。在150 mmol/L 鹽濃度時，其他品種仍保持一定的萌發(fā)速度，而黃皮9818受到的影響比較明顯，較CK延長了49.8%。

4.2 各甜瓜品種株高、莖粗、地上/下生物量積累隨鹽脅迫濃度的上升總體呈下降趨勢，且與高鹽濃度呈顯著負相關(guān)。相同濃度鹽處理下網(wǎng)紋香受到的抑制作最小。網(wǎng)紋香對鹽脅迫的適應性均強于風味5號、黃皮9818、西州密17號。

4.3 鹽脅迫均使四種甜瓜的根冠比隨濃度的增加呈現(xiàn)先降低再上升的趨勢，且高鹽濃度下明顯高于CK。各甜瓜的鹽敏感指數(shù)和耐受性指數(shù)均下降，特別是耐受性指數(shù)在濃度為100 mmol/L 下降相對明顯，4個甜瓜品種在高濃度鹽脅迫的敏感性升高，其鹽分耐受性降低。

4.4 鹽脅迫下4種甜瓜的根系形態(tài)學參數(shù)變化情況基本一致，均呈下降趨勢，并且與CK相比差異顯著，甜瓜幼苗根系生長進程在鹽脅迫下受到明顯抑制影響，但網(wǎng)紋香所受到抑制強度明顯低于風味5號，西州密17號、黃皮9818。