鹽旱脅迫對鹽爪爪種子萌發及幼苗生長的影響

李亞莉,馬 瑞*,馬彥軍,李海津

(1.甘肅農業大學林學院,甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅德怡軒工程咨詢有限公司,甘肅 蘭州 730030)

土壤鹽堿化是土地退化的一種形式[1],我國鹽堿地面積約9.91×107hm2[2],占國土總面積的10.32%。河西走廊地區降水量少,蒸發量大,屬于干旱地區,隨著土壤水分的蒸發,水中的鹽分被帶到土壤表面形成鹽分的積累,加劇鹽漬化[3]。生物改良是鹽堿地改良的有效途徑,而種植耐鹽植物則為生物改良的首選[4]。干旱和鹽脅迫是干旱半干旱地區最常見的限制植物生長的環境因子。種子萌發是植物生活史中最容易受到外界環境因素影響的時期,也是影響植物群落建立和定居的關鍵時期[5],幼苗是植物生長過程中最脆弱的階段,葉片是植物對環境響應最敏感的器官[6]。因此,研究干旱和鹽脅迫對植物種子萌發的影響,對河西走廊地區鹽堿地的生物改良有極其重要的意義[7]。

鹽爪爪(Kalidiumfoliatum)為莧科(Amaranthaceae)多年生半灌木,主要分布在新疆、青海和甘肅等干旱荒漠鹽堿區域[4,8],還是一種含鹽飼草[9],在鹽堿地種植有降低鈉鹽含量的作用,是生物措施改良鹽堿地的建群種[10]。目前,對于鹽爪爪的研究主要集中于單一因素脅迫。曾幼林等研究發現鹽脅迫對鹽爪爪種子萌發的抑制程度隨著溶液濃度的升高而增加[11],何芳蘭等研究發現干旱脅迫對鹽爪爪種子萌發及物質量的積累均有抑制作用,且干旱脅迫對種子萌發有顯著的延緩作用[12]。但自然環境中,種子的萌發受到多因素共同影響,因此,研究鹽旱共同作用對鹽爪爪種子萌發的影響具有現實意義。本試驗采用NaCl模擬鹽脅迫,PEG-6000模擬干旱脅迫,探究鹽旱脅迫對鹽爪爪種子萌發、幼苗生長發育及抗氧化酶活性的影響,探明其耐鹽旱機制,為河西走廊地區鹽堿地的利用和改良提供一定參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的鹽爪爪種子于2021年采自甘肅省民勤縣(39°1′20″ N,103°31′55″ E,海拔1 180～1 500 m),由民勤縣沙森農林牧專業合作社提供,保存于恒溫恒濕種子庫中,種子千粒重0.324 0 g。

1.2 試驗方法

2022年8月在甘肅農業大學林學院人工氣候室進行培養皿萌發試驗,采用NaCl配置濃度為0,100,200,300,400和500 mmol·L-1[13]的溶液模擬鹽脅迫,分別記為S0,S1,S2,S3,S4和S5,PEG-6000配置濃度為0,5%,10%,15%和20%[14]的溶液模擬干旱脅迫,分別記為D0,D1,D2,D3和D4。2個因素交互脅迫,分別記為CK,S0D1,S0D2,S0D3,S0D4,S1D0,S1D1……S5D1,S5D2,S5D3,S5D4,本試驗共計30個處理,每個處理3個重復。每個培養皿50粒種子,分別加入等量處理溶液。培養皿置于25℃,12 h光照/12 h黑暗,光照4 000 lx,相對濕度80%的恒溫培養箱中。

采用發芽盒培養幼苗,每個發芽盒上鋪2層紗布,將種子均勻置于紗布上,向發芽盒中加入蒸餾水20 mL,將發芽盒置于25℃,12 h光照/12 h黑暗,光照4 000 lx,相對濕度80%的恒溫培養箱中培養,每天向發芽盒中補充Hoagland營養液。種子萌發后的第5～8天向發芽盒中加入脅迫溶液(為避免鹽激,分4次加入),每個處理5個重復,第9天采集幼苗葉片,在超低溫冰箱-80℃保存待測。

1.3 指標測定

自種子置床之日起開始觀察,每天觀察記錄種子萌發情況,以胚芽長大于種子長為萌發標準[15],通過稱重法補充每天損失的水分,連續3天無種子萌發時萌發試驗結束,試驗共進行37天。計算種子發芽勢(Germination potential,GP)、發芽率(Germination rate,GR)、發芽指數(Germination index,GI)、活力指數(Vitality index,VI)。計算公式如下:

式中:Gt為第t天的發芽數;Dt為萌發第t天;S為芽長[17]。

種子萌發試驗結束后,從每個培養皿中選取生長一致的10株幼苗(不足10株的全部取出),用蒸餾水沖洗3～4次后,用濾紙擦干水分后置于稱量紙上,采用數顯游標卡尺測定幼苗的胚根長(Radicle length,RL)、胚芽長(Germ length,GL)。再使用天平測定10株幼苗的總鮮重,將幼苗裝進信封,置于40℃烘箱烘干至恒重,測定幼苗總干重,計算鮮重(Fresh weight,FW)、干重(Dry weight,DW)。

發芽盒中采集的幼苗葉片用作幼苗生理指標的測定。超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性采用氮藍四唑法測定,過氧化物酶(Peroxidase,POD)活性采用愈創木酚法測定,過氧化氫酶(Catalase,CAT)活性采用過氧化氫法測定[18]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel進行數據整理,SPSS 24.0進行數據分析,Origin 2022作圖。應用隸屬函數法對不同脅迫條件下鹽爪爪耐受性進行綜合評價。若某一指標與耐受性為正相關,采用式(1)計算;若為負相關,則采用式(2)[19]。

(1)

(2)

式中,X為某一指標測定值,Xmin,Xmax分別為該指標的最小值、最大值。最后將各個指標隸屬值累加求平均值,平均值越大則抗性越強,傷害越小。

2 結果與分析

2.1 鹽、旱及交互脅迫對鹽爪爪種子萌發的影響

對鹽爪爪種子萌發指標進行雙因素方差分析(表1),結果表明NaCl,PEG單一和交互脅迫對鹽爪爪種子的發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數均有極顯著影響(P<0.01)。各處理對鹽爪爪種子發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數的影響值均為NaCl>PEG>NaCl×PEG。因此,NaCl脅迫是影響鹽爪爪種子萌發的主要因素。

表1 鹽旱交互處理對鹽爪爪種子萌發的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVAs of the interactions between NaCl and PEG stresses on the germination indexes of K. foliatum seeds

由表2可知,單一NaCl脅迫下,鹽爪爪的發芽勢、發芽指數隨著溶液濃度的增加呈下降趨勢,發芽率、活力指數呈先增后降趨勢。單一PEG脅迫下,鹽爪爪的發芽勢、發芽率隨著脅迫濃度的增加呈先增后降的趨勢,發芽指數和活力指數呈下降趨勢。活力指數在S2D0處理較CK增加7.35%,發芽勢在S0D1顯著大于CK(P<0.05),低濃度的鹽脅迫下鹽爪爪種子萌發能力增強,低濃度干旱脅迫促進種子萌發。低濃度的鹽旱交互脅迫對鹽爪爪種子萌發有促進作用,高濃度則有抑制作用。S1D2處理可提高發芽勢,S2D2處理時發芽率和發芽指數有所提高,鹽旱脅迫濃度增加則降低,S5D4處理下鹽爪爪不能萌發。在同一PEG脅迫下,發芽率、發芽指數、活力指數均隨NaCl濃度的增加呈下降趨勢。結果表明,中低濃度鹽旱交互脅迫可促進鹽爪爪種子萌發,高濃度則抑制。

表2 鹽旱脅迫下鹽爪爪種子萌發指標的變化Table 2 The changes in seeds germination indexes in K. foliatum under salt and drought stress

2.2 鹽、旱及交互脅迫對鹽爪爪幼苗生長的影響

對鹽爪爪幼苗生長指標進行雙因素方差分析(表3),結果表明單一和交互脅迫對鹽爪爪幼苗的胚根長、胚芽長、鮮重均有極顯著影響(P<0.01),NaCl對干重有顯著影響(P<0.05)。從各處理的平方和看,對胚根長的影響程度為NaCl>NaCl×PEG>PEG,對胚芽長和鮮重的影響程度為NaCl>PEG>NaCl×PEG,對干重的影響程度為NaCl×PEG>PEG>NaCl。因此,NaCl脅迫是影響鹽爪爪幼苗生長和鮮重的主要因素。

表3 鹽旱交互處理對鹽爪爪幼苗生長的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVAs of the interactions between NaCl and PEG stresses on growth of K. foliatum seedlings

由表4可知,單一NaCl脅迫下,鹽爪爪幼苗的胚根長、胚芽長、鮮重、干重均呈先增后降的趨勢。單一PEG脅迫下,鹽爪爪幼苗的胚根長呈現下降趨勢,胚芽長、鮮重和干重隨著濃度的增加呈先增后減趨勢。低濃度的鹽旱交互脅迫對鹽爪爪幼苗生長有促進作用,高濃度則抑制。S1D1處理胚根長、胚芽長、鮮重、干重分別較CK增加了16.48%,20.75%,42.25%,39.52%;與CK相比,S1,S2處理下鮮重均增加,有利于生物量的積累。在同一NaCl處理下,胚根長、胚芽長、鮮重均隨PEG濃度的增加呈減小趨勢。在同一PEG處理下,胚根長、胚芽長、干重均隨NaCl濃度的增加呈先增加后減小趨勢,鮮重呈減小趨勢。結果表明,中低濃度鹽旱交互脅迫可促進鹽爪爪幼苗生長和生物量的積累,高濃度則抑制。

表4 鹽旱脅迫下鹽爪爪幼苗生長指標的變化Table 4 The changes in seedlings growth indexes of K. foliatum under salt and drought stresses

2.3 鹽、旱及交互脅迫對鹽爪爪抗氧化酶活性的影響

對鹽爪爪幼苗抗氧化酶活性進行雙因素方差分析(表5),結果表明單一鹽、旱脅迫對鹽爪爪幼苗的SOD,POD,CAT活性有極顯著影響(P<0.01),鹽旱交互脅迫對SOD,POD有極顯著影響(P<0.01),對CAT有顯著影響(P<0.05)。從各處理的平方和看,對SOD,POD,CAT的影響均為NaCl>PEG>NaCl×PEG。因此,NaCl脅迫是影響鹽爪爪幼苗抗氧化酶活性的主要因素。

表5 鹽旱交互處理對鹽爪爪幼苗抗氧化酶活性的雙因素方差分析Table 5 Two-way ANOVAs of the interactions between NaCl and PEG stresses on antioxidant enzyme activities of K. foliatum seedlings

在單一NaCl脅迫時,鹽爪爪幼苗SOD活性隨NaCl濃度增加呈先減小后增加趨勢,在S2D0,S3D0,S4D0,S5D0處理下鹽爪爪幼苗SOD活性較CK分別增加了11.41%,22.98%,26.18%和18.85%;在S3D0處理下POD活性達到最大值;在S1D0,S3D0,S4D0,S5D0處理下鹽爪爪幼苗CAT活性分別較CK顯著增加了34.46%,26.54%,109.97%,48.67%。在單一PEG脅迫時,鹽爪爪幼苗SOD活性隨著PEG濃度的增加呈減小趨勢,分別較CK減少了9.85%,28.05%,28.12%和49.10%,鹽爪爪POD,CAT活性呈增加趨勢,分別較CK增加了8.61%,0.51%,58.66%,53.81%和9.37%,7.96%,12.26%,24.20%(表6)。

表6 鹽旱脅迫下鹽爪爪幼苗生理特性的變化Table 6 The changes in seedlings physiological characteristics in K. foliatum under salt and drought stresses

鹽旱交互脅迫時,在S1處理下隨著PEG濃度的增加鹽爪爪幼苗的SOD,POD活性先降低后增加,而CAT活性呈先增加后減小趨勢;在S2,S3,S4處理下,隨著PEG濃度的增加鹽爪爪幼苗SOD,POD,CAT活性均呈先增加后減小趨勢。在S3與D0～D4交互脅迫時,POD活性顯著高于其它濃度鹽旱脅迫。在同一PEG脅迫時,隨著NaCl濃度的增加,鹽爪爪幼苗的SOD活性呈先減小后增加趨勢,POD活性呈降低-增加-降低趨勢,CAT活性均呈先增加后降低的趨勢,即低濃度的NaCl抑制SOD,POD活性,提高CAT活性。

2.4 單一脅迫與交互脅迫差異比較及耐受性綜合評價

本研究采用隸屬函數法對單一NaCl,PEG和交互脅迫對鹽爪爪的傷害進行綜合評價,由表7可知,在單一NaCl脅迫下,S2D0處理下隸屬函數值最小,植物抗鹽性最弱,受到的傷害最大[17];單一PEG脅迫下,S0D4處理下隸屬函數值最大,抗旱性最強,受到的傷害最小;鹽旱交互脅迫下,S4D2處理下隸屬函數值最大,抗鹽旱性最強。

表7 鹽旱交互脅迫下鹽爪爪耐受性綜合評價Table 7 The tolerance evaluation of single and interactive treatments on K. foliatum germination

3 討論與結論

種子萌發是植物生長發育的關鍵時期[19],植物在生長過程中常常會遭受干旱、鹽堿、高溫等多種非生物脅迫[20],鹽分和水分是河西走廊地區影響植物種子萌發的主要因素[21],植物對鹽旱脅迫有一定的適應性[22]。本試驗中,單一脅迫對鹽爪爪種子的發芽率均表現為低濃度促進,高濃度抑制,這可能是因為鹽爪爪自身生長需要一定濃度的鹽分,且已適應低鹽旱環境,這與康芙蓉等[23]對燕麥、劉佳月等[24]對苜蓿的研究結果一致。相關研究表明[25],適當的鹽旱交互脅迫可以提高植物對鹽旱環境的適應性。本試驗在100 mmol·L-1NaCl+10%PEG時鹽爪爪種子發芽勢提高,在高濃度鹽旱脅迫(500 mmol·L-1NaCl+20%PEG)時鹽爪爪種子不能萌發,與前人的研究結論相似,這可能是因為高滲透下種子吸收快,對膜系統造成損傷[26]。本試驗通過隸屬函數綜合分析,鹽、旱及交互脅迫對鹽爪爪種子萌發的影響程度表現為鹽脅迫>干旱脅迫>交互脅迫,這可能是因為鹽脅迫不僅產生了滲透脅迫,還對鹽爪爪種子產生了離子毒害,從而抑制了種子萌發[27],而鹽旱交互脅迫下鹽爪爪種子萌發表現出交叉適應性,說明鹽爪爪種子萌發期具有一定的耐鹽旱性[28]。

生物量是植物生長狀況的綜合體現,也是植物生存能力的重要反映[29]。植物在受到逆境脅迫時,根首先做出反應[30]。研究表明,鹽、旱脅迫主要通過降低滲透勢,阻礙植物根系吸收水分的方式影響植物的生長發育,降低生物量的積累[31]。本研究結果顯示,單一鹽脅迫時,隨著NaCl濃度的增加鹽爪爪幼苗胚根長受到抑制,胚芽長、鮮重、干重表現為低濃度促進,高濃度抑制,這可能是因為鹽脅迫使植物體內離子平衡失調、毒性化合物大量堆積,從而抑制了植物的生長[32]。單一干旱脅迫時,隨著PEG濃度的增加,鹽爪爪幼苗胚根長、胚芽長、鮮重和干重均表現為低濃度促進,高濃度抑制,與郭米山等[33]的研究結果一致,在5%PEG時均高于對照,這可能是因為鹽爪爪種子在低濃度干旱脅迫時,產生了引發作用,提高了代謝過程的酶活性,促進根系生長,生物量增加[34]。鹽爪爪對低濃度交互脅迫有較高的耐受性,高濃度的交互脅迫對胚根長產生明顯的抑制作用,通過隸屬函數綜合評價,在400 mol·L-1NaCl+10%PEG鹽旱脅迫時隸屬函數值最大,表明此時鹽爪爪幼苗的耐鹽旱性較強[3]。

綜上所述,單一鹽脅迫時,鹽爪爪生長受到抑制;單一干旱脅迫時,15% PEG時鹽爪爪耐旱性最強;在400 mmol·L-1NaCl+10% PEG鹽旱交互脅迫時,鹽爪爪的耐鹽旱性最強。鹽爪爪幼苗對中低程度的鹽旱交互脅迫有一定的耐受性,可通過調節自身胚根、胚芽的生長以適應鹽旱環境。CAT是鹽爪爪在面對鹽、旱脅迫時發揮主要作用的抗氧化酶,鹽脅迫是影響鹽爪爪種子萌發和幼苗生長的主要生態因子。