纖維素基水凝膠調控藜麥種子逆境脅迫下的萌發(fā)特性

黃曉帆 程茹 趙嬌嬌 邱麗娜 包曙光 李政 李明王妍卿 張華穎 姜亞明 謝曉東 曹高燚，4

（1 天津農學院農學與資源環(huán)境學院，天津 300392；2 天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院，天津 300387；3 天津市農業(yè)發(fā)展服務中心，天津 300061；4 和田職業(yè)技術學院，和田 848000）

土壤鹽堿化和干旱是造成我國甚至全球農業(yè)生產力下降的主要環(huán)境因素，土壤鹽濃度過高會影響作物生長并導致產量顯著降低，而且鹽分還會使土壤水分減少進而加劇土壤水分虧缺，造成鹽旱復合脅迫[1]。目前隨著全球氣候變暖以及不合理的開發(fā)利用，土地正在加速土壤鹽堿化，水資源的匱乏也在加速土壤干旱，因此，提高植物的耐鹽性和耐旱性是人們迫切需要解決的問題。

藜麥（Chenopodium quinoaWilld.）是莧科藜屬的一年生雙子葉草本植物，因為其營養(yǎng)價值高，含有大量必需脂肪酸、維生素和膳食纖維，吸引了全球越來越多的人的關注，而且對于干旱、鹽堿、寒冷等逆境顯示了突出的抗逆性，被稱為“黃金谷物”[2]。雖然藜麥有很強的耐逆性，但鹽堿脅迫也會降低藜麥葉片碳和氮的含量，影響植物的光合作用[3]，而且土壤堿度比鹽分更有害，較高的堿度使藜麥的生物量和產量顯著降低[4]。當干旱脅迫時間延長和干旱程度加劇，藜麥幼苗生長會受到抑制，葉片含水量逐漸降低[5]。

水凝膠是一種通過高分子交聯(lián)并形成三維網狀的特殊結構材料，具有特別好的保水性能，在農業(yè)、醫(yī)學和制藥等領域具有廣闊的發(fā)展前景。由于其生物降解性差，科學家將天然聚合物纖維素的羥基改性，制備了可降解、生物相容性好的纖維素基水凝膠[6]。纖維素基水凝膠憑借其良好的吸水特性，在干旱條件下可以刺激種子發(fā)芽，促進作物生長發(fā)育，還可以改善土壤特性[7]。目前，關于纖維素基水凝膠的報道多見于保水抗旱、化肥和農藥等方面，而在改善藜麥生長發(fā)育方面未見報道。本研究通過纖維素基水凝膠浸種和土壤中施用纖維素基水凝膠等方法，探究藜麥種子在不同鹽堿脅迫下和干旱環(huán)境下的生理特性，為在鹽堿化嚴重、干旱等貧瘠土地上合理種植藜麥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料供試材料為藜麥品種津藜1 號，由天津農學院提供；纖維素基水凝膠由天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子萌發(fā)試驗試驗選取籽粒飽滿、大小均勻一致的津藜1 號種子，經1%的次氯酸鈉消毒10min 后，用無菌水沖洗干凈后置于濾紙晾干。將消毒處理后的津藜1 號種子用纖維素基水凝膠分別浸種1h、2h、4h，以未經纖維素基水凝膠浸種處理的種子作為對照。將種子萌發(fā)袋等分為4 部分，對應放入等量的種子后，加水潤濕紙芯，置于人工氣候室。種子萌發(fā)期間及時補水保持紙芯濕潤，7d 后每種處理和對照隨機選取具有代表性的4 株測量藜麥的胚根長和胚芽長。

1.2.2 鹽堿脅迫種子萌發(fā)試驗選取經過消毒處理的種子，分別用蒸餾水和纖維素基水凝膠浸種2h后，用鑷子將種子均勻擺放至鋪有雙層濾紙的發(fā)芽盒中，每盒50 粒。選取中性鹽300mmol/L NaCl、200mmol/L Na2SO4和堿性鹽200mmol/L NaHCO3、200mmol/L Na2CO34 種溶液作為鹽堿脅迫處理，以2h 蒸餾水浸種作為對照，每種處理3 次重復。然后置于人工氣候室，分別在24h、48h、72h 后統(tǒng)計發(fā)芽率，發(fā)芽率以種子發(fā)芽胚根長大于種子長2 倍作為萌發(fā)標準[8]。3d 后每個重復選取3 株幼苗測量胚根長和胚芽長，選取20 株幼苗測量鮮重。

1.2.3 盆栽試驗將纖維素基水凝膠與營養(yǎng)土按1∶25 的比例混勻，以沒有添加水凝膠的土作為對照。在2 個花盆中以行播的形式播種等量的消毒處理過的藜麥種子，澆上等量且足量的水，置于人工氣候室進行萌發(fā)試驗。3 周后，用植物營養(yǎng)測定儀（TYS-3N）測定葉片葉綠素（SPAD 值）和氮含量（mg/g），每組藜麥幼苗測定重復3 次，連測7d。4 周后，2 個花盆中各選取3 份，每份20 株，測量幼苗根長、株高、以及鮮重和干重下的根冠比。

1.3 數據分析利用Excel 2019 統(tǒng)計數據并進行作圖，SPSS 24.0 對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 纖維素基水凝膠浸種對藜麥胚根長和胚芽長的影響纖維素基水凝膠浸種可以促進藜麥幼苗的生長，不同浸種時間處理，藜麥的胚根長和胚芽長多高于未處理對照。在纖維素基水凝膠浸種2h的胚根長度達到最高，與對照組差異達到顯著水平（P＜0.05）（圖1）。說明對于促進藜麥生長發(fā)育以水凝膠浸種2h 效果最佳。

圖1 纖維素基水凝膠浸種處理下藜麥的胚根長和胚芽長

2.2 鹽堿脅迫下纖維素基水凝膠浸種對藜麥種子的影響

2.2.1 鹽堿脅迫下纖維素基水凝膠浸種對藜麥種子萌發(fā)率的影響與對照相比，纖維素基水凝膠處理提高了藜麥種子24h 后在NaCl 脅迫下的發(fā)芽率（圖2A），但是沒有達到顯著性水平；在Na2SO4脅迫下，纖維素基水凝膠浸種沒有明顯改善藜麥種子的發(fā)芽率（圖2B）。在NaHCO3堿性鹽脅迫處理下，第1、2、3 天水凝膠浸種下的發(fā)芽率與蒸餾水浸種下相比，均顯著提高了藜麥種子的發(fā)芽率，分別提高了90.14%、72.47%、31.73%（圖2C）。由 于Na2CO3對藜麥種子的影響較為嚴重，無法滿足發(fā)芽標準，沒有進行發(fā)芽率的統(tǒng)計。一定濃度的中性鹽脅迫對藜麥種子影響較小，而堿性鹽對藜麥種子的影響較大，通過纖維素基水凝膠浸種可以提高藜麥種子在NaHCO3脅迫下的發(fā)芽率。

圖2 鹽堿脅迫下纖維素基水凝膠浸種對藜麥種子發(fā)芽率的影響

2.2.2 鹽堿脅迫下纖維素基水凝膠浸種對藜麥胚根長和胚芽長的影響與蒸餾水浸種相比，纖維素基水凝膠浸種顯著提高了在中性鹽NaCl、Na2SO4脅迫下藜麥胚根長和胚芽長，其中在NaCl 脅迫下，藜麥胚根長度提升最為顯著，提高了110.97%（圖3A，B）。但在堿性鹽脅迫下，藜麥的胚根長和胚芽長并沒有顯著增加，而且由于Na2CO3脅迫處理對藜麥發(fā)芽影響較為嚴重，導致在該脅迫下藜麥種子沒有表現出胚芽的生長。

2.2.3 鹽堿脅迫下纖維素基水凝膠浸種對藜麥幼芽鮮重的影響與對照組相比，在鹽堿脅迫處理下，纖維素基水凝膠浸種提高了藜麥幼芽鮮重，但在NaHCO3和Na2CO3堿性鹽脅迫下差異未達到顯著水平，在NaCl 和Na2SO4中性鹽脅迫下達到顯著差異，分別提高了38.18%、18.00%（圖4）。

圖4 鹽堿脅迫下纖維素基水凝膠浸種對藜麥幼芽鮮重的影響

2.3 纖維素基水凝膠處理緩解藜麥幼苗干旱脅迫下的生長狀況在土壤中施用纖維素基水凝膠后，藜麥種子比對照組萌發(fā)更早（圖5A），可促進藜麥幼苗的生長發(fā)育，增加了幼苗根長且顯著增加了幼苗株高（圖5B，C）。根冠比是指植物地上部分與地下部分干重或鮮重的比值，它的大小反映了植物地上部分與地下部分的相關性。與對照組相比，處理組的根冠比較低，且干重根冠比顯著降低（圖5D）。對藜麥幼苗葉片進行1 周的葉綠素和氮含量的測定，處理組葉綠素和氮含量均表現出先降低后緩慢升高的趨勢，且第7 天與第1 天相比，葉綠素含量增加了14.38%（圖5E），氮含量增加了12.21%（圖5F）；而對照組葉綠素含量降低了7.05%（圖5E），氮含量降低了6.22%（圖5F）。以上數據分析表明，土壤中施用纖維素基水凝膠能夠降低干旱脅迫對藜麥幼苗的傷害，提高抗逆性。

圖5 土壤中施用纖維素基水凝膠對干旱脅迫下藜麥幼苗的影響

3 討論與結論

土壤鹽堿化是導致全球農作物產量大幅減少的主要因素之一[4]，鹽堿脅迫主要通過滲透脅迫和離子失衡影響植物的生長發(fā)育，植物吸收了過量鹽離子后，吸收水分能力下降[9]。鹽堿脅迫會影響植物的整個生長發(fā)育過程，藜麥雖然耐鹽堿，但萌發(fā)期和苗期耐鹽堿能力較弱，因此研究如何提高藜麥種子在鹽堿地的萌發(fā)率很有意義。本研究表明，鹽堿脅迫會降低藜麥種子的發(fā)芽率，抑制藜麥種子的生長發(fā)育，經纖維素基水凝膠處理后能夠改善鹽堿脅迫對種子造成的傷害，提高了發(fā)芽率、胚根和胚芽長以及幼芽鮮重的積累。目前關于纖維素基水凝膠對植物的影響鮮有報道，但有不少研究通過外源褪黑素、赤霉素、NaHS 等浸種劑處理種子后提高鹽堿脅迫下植物種子的發(fā)芽率。王明瑤等[10]研究發(fā)現褪黑素浸種可以緩解不同濃度的鹽堿脅迫對大豆種子發(fā)芽的抑制作用，姜若超等[11]研究發(fā)現赤霉素浸種是影響滇油杉種子發(fā)芽性狀的主導因子，能夠極顯著地提高種子發(fā)芽率。劉建新等[12]研究發(fā)現適宜濃度的NaHS 浸種裸燕麥種子處理，提高了種子的發(fā)芽率，促進萌發(fā)苗生長。還有研究表明用藜麥種子表面的皂苷提取液浸種，能夠緩解藜麥種子萌發(fā)過程中鹽脅迫造成的影響，提高了鹽脅迫下種子的萌發(fā)率[13]。

纖維素基水凝膠可以作為一種保水劑，具有超強吸水能力，能夠吸收并保持的水分可以達到自身重量的幾千倍，當土壤水分減少時釋放的水分可以保證植物在遇到干旱脅迫時進行正常生理活動[14-16]。本研究在土壤中施用纖維素基水凝膠后有利于藜麥種子更早萌發(fā)，并通過增加藜麥幼苗的根長和株高、降低幼苗根冠比和提高幼苗葉片的葉綠素含量和氮含量，進而緩解了干旱脅迫對藜麥幼苗的損害。也有研究表明土壤中施用其他保水劑促進植物的生長發(fā)育或者緩解干旱脅迫對植物的影響。仝亞娜等[16]通過施用γ-聚谷氨酸水凝膠，提高了草莓的假莖粗，改善了草莓的生長水平、產量和果品質。董成武等[17]通過施用新型復合保水劑，顯著提高了干旱脅迫下小麥幼苗的葉綠素含量，提高了小麥的光合作用，保證了小麥正常的生理代謝活動。作為一種有效的土壤保水劑，氧化石墨烯可以阻止土壤水分蒸發(fā)，減輕干旱脅迫對鳳仙花的傷害，增加株高，增強抗氧化酶活性和光合作用[18]。

種子萌發(fā)是植物完成生長發(fā)育的首要條件[19]，但種子萌發(fā)和幼苗生長時期是對逆境很敏感的階段，比如鹽分會對作物的萌發(fā)和幼苗的發(fā)育有很大的影響，通過增強種子耐逆性可以緩解脅迫對種子萌發(fā)過程中不利的生理生化變化[20]。本研究通過纖維素基水凝膠浸種處理2h，緩解了不同鹽堿脅迫下對藜麥種子的不利影響，具體表現在發(fā)芽率、胚根長、胚芽長和鮮重升高，增加了幼苗生物量。在土壤中施用纖維素基水凝膠后，更有利于藜麥種子萌發(fā)，最終增加了藜麥幼苗的根長和株高、降低了幼苗根冠比，提高了幼苗葉片的葉綠素含量和氮含量，減輕了干旱脅迫對藜麥幼苗的損害。因此纖維素基水凝膠浸種處理和通過土壤中施用水凝膠處理可以改善鹽堿脅迫和干旱脅迫環(huán)境下藜麥的生長，可以為藜麥在鹽堿和干旱地區(qū)的推廣種植提供理論依據。