新疆棉花萌發(fā)期的耐鹽能力分析

關(guān)鍵詞：棉花；復(fù)合鹽；鹽脅迫；萌發(fā)；種子

新疆是我國棉花的主要種植區(qū)，2022年棉花種植面積占全國總種植面積的83.2%[1]。南疆地區(qū)具有日照時間長、晝夜溫差大、干旱少雨的獨特環(huán)境，為棉花生長提供了優(yōu)勢條件，該區(qū)棉花種植面積超過新疆棉花種植總面積的2/3，形成了“中國棉花看新疆、新疆棉花看南疆”的格局[2]。然而，南疆地區(qū)鹽堿化耕地面積占總耕地面積的49.6%，其中27.68% 為中度、重度鹽堿化耕地[3]。土壤鹽堿化嚴(yán)重制約了南疆地區(qū)棉花產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

棉花（Gossypium hirsutum L.）是中等耐鹽作物，已有的關(guān)于棉花耐鹽脅迫的研究主要集中在單一鹽（如NaCl）脅迫下，涉及種子萌發(fā)特性、幼苗生理特性和光合特性等方面[4-9]，而對混合鹽堿脅迫的研究鮮有報道。鹽堿土中的主要致害鹽分是中性鹽NaCl、Na2SO4 和堿性鹽NaHCO3、Na2CO3[8-12]。種子萌發(fā)是植物生長發(fā)育的重要時期，且對鹽堿敏感[13]。前人已對萌發(fā)期不同植物對鹽堿脅迫的耐受能力進行了研究，如鷹嘴紫云英、稗屬牧草、花生和燕麥[14-17]。然而，有關(guān)混合鹽堿脅迫對不同品種棉花種子萌發(fā)特性影響的研究有限[9]，且對于鹽堿脅迫下棉花種子萌發(fā)期耐鹽半致死濃度的報道較少。因此，本研究利用NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3按一定比例混合模擬南疆鹽堿土壤環(huán)境，并采用棉花萌發(fā)期耐鹽能力快速鑒定方法——雙層濾紙萌發(fā)法[4]，對南疆主栽棉花品種塔河2號和新陸中62號[18]開展種子萌發(fā)期耐鹽堿能力試驗，探討2個品種棉花在不同類型鹽堿脅迫下的萌發(fā)情況，估算不同鹽堿脅迫下的棉花發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度，以期為南疆棉花種質(zhì)的選育以及棉花萌發(fā)期評價耐鹽堿能力的重要指標(biāo)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為棉花品種塔河2 號和新陸中62號，均由塔河種業(yè)提供。其中，塔河2號種子為深棕色，千粒重87.55 g；新陸中62號種子為淺棕色，千粒重90.90 g。試驗所用NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3均為分析純，購自天津市鑫鉑特化工有限公司。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2023年2—6月在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院拜城農(nóng)業(yè)實驗站人工氣候室進行，根據(jù)南疆試驗地土壤鹽分的組成及土壤鹽度和pH的變化進行人工模擬混合鹽堿脅迫試驗[17，19]。根據(jù)美國農(nóng)業(yè)部（United States Department of Agriculture，USDA）實驗室標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)土壤介質(zhì)的電導(dǎo)率（eletricalconductivity，EC）高于4 dS·m?1（相當(dāng)于40 mmol·L?1NaCl）時，達(dá)到土壤鹽堿化，并參照前人棉花種子萌發(fā)期所設(shè)鹽堿水平范圍[4]，將2種中性鹽（NaCl、Na2SO4）和2種堿性鹽（NaHCO3、Na2CO3）按照摩爾比1∶0∶0∶0（S1）、9∶1∶0∶0（S2）、0∶0∶9∶1（S3）、9∶1∶9∶1（S4）進行混合[17，19‐20]（表1），配置總鹽濃度分別為40、80、120、160和200 mmol·L?1的混合鹽堿處理液，共計20 種鹽脅迫處理。在40～200 mmol·L?1的鹽濃度范圍內(nèi)，S1、S2、S3、S4處理的pH分別在7.0～7.2、7.0～7.5、9.0～9.5和9.0～9.1。S1混合鹽堿水平為40 mmol·L?1 記作S1-40，依此類推，以施用蒸餾水作為對照（CK）。

選取顆粒飽滿、大小一致的供試棉花種子，用0.4%高錳酸鉀溶液消毒15 min，蒸餾水沖洗5次，并晾24 h后備用。在直徑為90 mm的墊有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中加入5 mL各處理液，每個處理均設(shè)置3次重復(fù)。再將20粒棉花種子整齊置于培養(yǎng)皿中，置于25 ℃恒溫人工氣候室中進行試驗（相對濕度設(shè)定為50%、12 h 光照/12 h 黑暗、光照強度為284 μmol·m?2·s?1）。試驗過程中，每2 d更換1次處理液及濾紙。

1.3 測定項目及方法

在種子萌發(fā)過程中，每24 h觀察并記錄1次種子萌發(fā)情況，以胚芽突破種皮且超過種子本身長度1/2作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)[12]，每重復(fù)中有1粒種子萌發(fā)即為該處理的初始萌發(fā)時間，于第3天統(tǒng)計發(fā)芽勢，第7天統(tǒng)計發(fā)芽率[5，12]，計算萌發(fā)速率[3]。種子萌發(fā)指標(biāo)計算公式如下。

式中，Gi為第i 天的發(fā)芽率，Di為統(tǒng)計萌發(fā)的第i 天。

生長8 d后，從各處理樣品中選取長勢一致的棉花幼苗，剝?nèi)グ酌绲姆N皮，用萬分之一天平稱取鮮重；然后裝入信封袋中置入烘箱105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，并稱其干重。

通過擬合濃度?發(fā)芽率關(guān)系計算棉花種子發(fā)芽率耐鹽半致死濃度，耐鹽半致死濃度為對照發(fā)芽率降低50%的鹽濃度[6，21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010處理數(shù)據(jù)，用SPSS 26進行方差分析，用Duncan’s 檢驗法進行差異顯著性（Plt;0.05）分析。用Origin 2018進行線性擬合（Logistic）和繪圖。用R語言進行相關(guān)性分析和主成分分析并進行繪圖。所有結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，3次生物學(xué)重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 4 種鹽脅迫對棉花種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響

由圖1和圖2可知，在4種鹽脅迫下，塔河2號和新陸中62號棉花種子的發(fā)芽勢均隨著鹽水平的升高呈下降趨勢。由圖1可知，各水平下塔河2號在S4處理的發(fā)芽勢均顯著高于其他處理。在鹽水平為40 mmol·L?1時，S1、S2和S3處理發(fā)芽勢顯著低于CK，S4處理發(fā)芽勢與CK無顯著差異，S1～S4 處理間存在顯著差異。在鹽水平為80 和120 mmol·L?1時，發(fā)芽勢大小為S4gt;S3gt;S2、S1。在鹽水平為160和200 mmol·L?1時，S1、S2和S3處理之間無顯著差異。

由圖2 可知，在鹽水平為40 和80 mmol·L?1時，S1～S4處理下新陸中62號種子的發(fā)芽勢均顯著低于CK，S1～S4處理之間無顯著差異。鹽水平≥80 mmol·L?1 時，同一鹽水平下S4 處理新陸中62號發(fā)芽勢均顯著高于其他處理，與塔河2號發(fā)芽勢類似。S1、S2和S3處理下，塔河2號分別在120、200和160 mmol·L?1鹽水平時失去發(fā)芽能力；而新陸中62號均在160 mmol·L?1鹽水平時失去發(fā)芽能力。200 mmol·L?1鹽水平的S4處理下，塔河2 號和新陸中62 號的發(fā)芽勢分別為33.33% 和10.00%。同一鹽水平下，塔河2號和新陸中62號對S4鹽脅迫的耐受能力較強，且塔河2號比新陸中62號對S4鹽脅迫的耐受能力強。

從發(fā)芽率來看，在鹽水平40 mmol·L?1 時，塔河2 號和新陸中62 號的發(fā)芽率與CK 差異不顯著，且S1～S4 處理之間無顯著差異。在鹽水平80 mmol·L?1時，塔河2號4 個處理間的發(fā)芽率差異不顯著；新陸中62號的發(fā)芽率表現(xiàn)為S2顯著大于S3，而與S1、S4處理間差異不顯著。在鹽水平160 mmol·L?1 時，塔河2號和新陸中62號發(fā)芽率均表現(xiàn)為S4處理顯著高于其他處理。在鹽水平200 mmol·L?1 時，塔河2號和新陸中62號的發(fā)芽率均表現(xiàn)為S4 和S2 處理顯著高于S1 和S3處理。

綜上可知，在40 mmol·L?1時4種鹽脅迫對棉花種子萌發(fā)抑制的程度較小，隨著鹽水平的增加，4 種鹽脅迫對棉花種子發(fā)芽勢的影響強于發(fā)芽率。

2.2 4 種鹽脅迫對棉花種子萌發(fā)進程的影響

由圖3可知，在4種鹽脅迫處理下，塔河2號和新陸中62號的初始萌發(fā)時間均隨著鹽水平的升高逐漸延后。2個棉花品種在CK處理下的初始萌發(fā)時間相同，均為第1天。在40 mmol·L?1鹽水平時，2 個品種棉花在S1～S4 處理下的初始萌發(fā)時間均推遲了1 d。鹽水平≥80 mmol·L?1 時，2個品種棉花的初始萌發(fā)時間存在差別，其中，80mmol·L?1 鹽水平時塔河2號在S1和S2處理的初始萌發(fā)時間均推遲了2 d，在S3和S4處理均推遲了1 d；新陸中62 號在S1 和S4 處理的初始萌發(fā)時間均推遲了1 d，在S2和S3處理均推遲了2 d。120 mmol·L?1鹽水平時，塔河2號在S1～S4處理的初始萌發(fā)時間推遲了1～3 d；而新陸中62號均推遲了2 d。160 mmol·L?1鹽水平的S1、S2、S3和S4處理下，塔河2號的初始萌發(fā)時間分別推遲了4、2、 5 和1 d；新陸中62號除了在S3處理始終未萌發(fā)外，在S1、S2和S4處理分別推遲了3、3和2 d。當(dāng)鹽水平高達(dá)200 mmol·L-1 時，2 個品種棉花種子在S3 處理下始終未萌發(fā)，在S1、S2 和S4 處理下，塔河2號的初始萌發(fā)時間分別推遲了6、3和1 d，新陸中62號的初始萌發(fā)時間分別推遲了3、3和2 d。以上結(jié)果表明，4種鹽脅迫延長了2個品種棉花種子的初始萌發(fā)時間，鹽水平40 mmol·L?1時，4種鹽脅迫推遲棉花種子的初始萌發(fā)時間相同；鹽水平高于40 mmol·L?1時，鹽脅迫推遲棉花種子初始萌發(fā)時間因棉花品種、鹽堿類型和水平而異。

2.3 4 種鹽脅迫對棉花種子萌發(fā)速率的影響

由圖4 和圖5 可知，4 種鹽脅迫處理下塔河2號和新陸中62號的萌發(fā)速率隨著鹽水平的升高呈顯著下降趨勢。同一鹽水平下，塔河2號均在S4處理的萌發(fā)速率最高，且顯著高于其他處理，其中，40和80 mmol·L?1鹽水平時，S1與S2間無顯著差異；在鹽水平≥120 mmol·L?1 時。S1 與S3 間無顯著差異。在40和80 mmol·L?1鹽水平時，新陸中62號的萌發(fā)速率在S1～S4處理之間無顯著差異；當(dāng)鹽水平為120 和160 mmol·L?1時，同一鹽水平下新陸中62號萌發(fā)速率表現(xiàn)為S4gt;S1、S2gt;S3，S1與S2間無顯著差異；當(dāng)鹽水平為200 mmol·L?1時，新陸中62號萌發(fā)速率表現(xiàn)為S4gt;S2gt;S1、S3，S1與S3間無顯著差異。以上結(jié)果表明，4種鹽脅迫處理均降低了萌發(fā)速率。

2.4 4 種鹽脅迫對棉花幼苗鮮重和干重的影響

由圖6 可知，在40 mmol·L?1 鹽水平時，S1 處理提高了新陸中62 號幼苗的鮮重，較CK 增加6.86%，S3鹽處理提高了塔河2號幼苗的鮮重，較CK 增加6.25%；與CK 相比，S2 和S4 處理均降低了2 個品種棉花幼苗的鮮重。當(dāng)鹽水平超過40 mmol·L?1 時，與CK相比，S1～S4處理均降低了2 個品種棉花幼苗的鮮重。當(dāng)鹽水平高達(dá)200 mmol·L?1時，S3處理下2個品種棉花種子均失去了發(fā)芽能力，與CK相比，在S1、S2和S4處理下塔河2號幼苗鮮重降幅分別為56.41%、32.07%和35.45%，新陸中62 號幼苗鮮重降幅分別為27.01%、28.05%和9.77%。

在40 mmol·L?1鹽水平時，S1處理提高了新陸中62號幼苗的干重，較CK增加1.81%；S2處理提高了塔河2號幼苗的干重，較CK增加3.47%；而S3和S4處理均較CK降低了2個品種棉花幼苗的干重。在80 mmol·L?1鹽水平時，S2處理提高了塔河2號幼苗的干重，較CK增加1.83%。當(dāng)鹽水平超過80 mmol·L?1時，S1～S4處理均較CK降低了2個品種棉花幼苗的干重，當(dāng)鹽水平高達(dá)200 mmol·L?1時，與CK相比，在S1、S2和S4鹽處理下塔河2號幼苗干重的降幅分別為13.89%、5.67%和9.77%，新陸中62號幼苗干重的降幅分別為11.25%、30.49%和11.62%。

綜上可知，40 mmol·L?1的S1、S2和S3處理可促進棉花幼苗生物量的積累，而S4處理各水平均抑制了棉花幼苗生物量的積累。

2.5 4 種鹽脅迫對棉花種子各項指標(biāo)的綜合影響

對4 種鹽脅迫下2 個棉花品種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)速率、幼苗鮮重和干重進行相關(guān)性分析（圖7A、B）。可以看出，各指標(biāo)之間呈正相關(guān)關(guān)系，且發(fā)芽率與其他指標(biāo)之間存在顯著相關(guān)性（Plt;0.01）。然而，2 個棉花品種的各指標(biāo)之間的相關(guān)程度存在一定差異，塔河2號的發(fā)芽勢與幼苗干重間沒有顯著相關(guān)性，而新陸中62號的各項指標(biāo)之間均顯著相關(guān)（Plt;0.05）。

為綜合評價不同處理對2 個棉花品種的影響，進行主成分分析（圖7C、D）。以特征值gt;1為原則，提取出2個主成分，在主成分雙標(biāo)圖中，距離越近表示相似程度越高。對于塔河2號，第1主成分解釋了總方差的78.5%，第2 主成分解釋了總方差的17.9%，二者共解釋了96.4% 的方差。對于新陸中62 號，第1 主成分解釋了總方差的78.1%，第2主成分解釋了總方差的18.7%，二者共解釋了96.8%的方差。2個品種的主成分分析結(jié)果均顯示：①發(fā)芽勢、發(fā)芽率和萌發(fā)速率在同一象限，鮮重和干重在同一象限；發(fā)芽率對第1主成分（PC1）的貢獻(xiàn)最大；②CK處理與指標(biāo)發(fā)芽勢、發(fā)芽率和萌發(fā)速率在相同的象限；③S3-160 和S3-200 處理與其他處理在主成分空間中距離較遠(yuǎn)。綜上可知，發(fā)芽率是評價棉花萌發(fā)期耐鹽堿能力的重要指標(biāo)。

2.6 4 種鹽脅迫下棉花種子發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度

通過棉花種子發(fā)芽率來模擬分析4種鹽處理對棉花種子萌發(fā)的影響（圖8）。種子發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度是指發(fā)芽率降低50%時所對應(yīng)的鹽濃度，根據(jù)擬合曲線得到塔河2號種子在S1、S2和S3 脅迫下發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度分別為109.62 、145.34 、103.64 mmol·L?1，而在試驗所設(shè)水平范圍內(nèi)未達(dá)到塔河2號種子在S4鹽脅迫下發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度。新陸中62號種子對S1、S2、S3和S4鹽脅迫下發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度分別115.99 、137.12 、92.54 和186.13 mmol·L?1。比較2個品種棉花在4種鹽脅迫下發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度表明，塔河2 號和新陸中62 號種子在4種鹽處理下耐鹽能力由強到弱依次為S4gt;S2gt;S1gt;S3；在S1處理下，塔河2號lt;新陸中62號；在S2、S3和S4鹽脅迫下，塔河2號gt;新陸中62號。說明同一作物對不同類型鹽脅迫的耐受能力不同，且同一作物不同品種對相同類型鹽脅迫的耐受能力存在差異。

3 討論

本研究所選2個品種棉花種子在蒸餾水處理下初始萌發(fā)時間為第1 天，發(fā)芽率均高于95%，說明供試材料萌發(fā)用時短、出芽整齊、種子活力高。40 mmol·L?1的4種鹽處理下2個品種棉花種子的發(fā)芽率均與CK無顯著差異，且各處理間無顯著差異，其初始萌發(fā)時間均較CK推遲1 d。此外，在2個品種棉花主成分分析個體和向量雙標(biāo)圖中，40 mmol·L?1的S1～S4處理均與CK處理在同一象限且距離較近， 說明2 個品種棉花種子對40 mmol·L?1的4種鹽處理具有一定的耐受能力。隨著鹽水平的升高，2個品種棉花種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)速率均呈下降趨勢，初始萌發(fā)時間推遲，這與已有的研究[6，9，22]相似。種子發(fā)芽率越低，說明鹽脅迫對種子萌發(fā)的危害程度越大。本研究結(jié)果表明，在40 和80 mmol·L?1鹽水平時，同一品種棉花在中性單鹽NaCl（S1）和中性復(fù)鹽（S2）的發(fā)芽率和萌發(fā)速率差異較小，萌發(fā)速率表現(xiàn)為S1gt;S2；80 mmol·L?1 鹽水平時，S1lt;S2。隨著鹽水平的增加，同一鹽水平下，2 個品種棉花的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和萌發(fā)速率均表現(xiàn)為S1小于S2，表明在中性鹽里單鹽的危害大于復(fù)鹽。

研究表明，堿性鹽脅迫下，在鹽水平較低時HCO-3 和CO23 -對種子萌發(fā)的影響較小，而在鹽水平較高時，除了具有與中性鹽相同的鹽害（滲透脅迫和離子毒害）外，還有高pH產(chǎn)生的負(fù)面影響，即相同鹽水平條件下堿性鹽較中性鹽對種子萌發(fā)危害更大[7，19-21，23]。在本研究中，在堿性復(fù)鹽（S3）水平為0～120 mmol·L?1 時，塔河2號和新陸中62號均有萌發(fā)，在本研究所設(shè)最高水平200 mmol·L?1時，S3脅迫下2個品種棉花種子失去發(fā)芽能力，而同水平的S1、S2和S4鹽脅迫下2個品種棉花種子均有萌發(fā)。并且S3脅迫下棉花根系受到的損傷更嚴(yán)重，出現(xiàn)了胚根腐爛現(xiàn)象。孫文君[19]對棉花幼苗新陸中37在正常環(huán)境下生長至2葉1心后進行中性復(fù)鹽、堿性復(fù)鹽、鹽堿混合脅迫處理，結(jié)果表明，150 mmol·L?1鹽水平時，3種鹽脅迫對棉花幼苗的鹽害程度依次是鹽堿混合脅迫gt;堿性復(fù)鹽gt;中性復(fù)鹽。本研究結(jié)果與孫文君[19]存在差異，160 mmol·L?1鹽水平時，從種子的發(fā)芽率、萌發(fā)速率和幼苗的鮮重、干重來看，4種鹽脅迫對2個品種棉花種子萌發(fā)期的鹽害程度依次是堿性復(fù)鹽（S3）gt;中性單鹽（S1）gt;中性復(fù)鹽（S2）gt;鹽堿混合（S4）脅迫，這可能與試驗材料、生育期和試驗方法等不同有關(guān)。

作物耐鹽堿性是個復(fù)雜的特征，通過相關(guān)性分析可知2個品種棉花的發(fā)芽率均與其他各項指標(biāo)存在顯著相關(guān)。楊淑萍等[6]研究表明，棉花種子發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度能夠判定其耐鹽能力。本研究通過擬合曲線得到塔河2號和新陸中62號種子在S1脅迫下發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度分別為109.62和115.99 mmol·L?1，該結(jié)果與楊淑萍等[6]的研究結(jié)果較為接近。同一作物不同品種在不同類型鹽脅迫下的耐鹽能力存在差異[6，9，22]。本研究結(jié)果證實了該觀點，通過擬合曲線得到塔河2號在S2和S3脅迫下發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度分別為145.34 和103.64 mmol·L?1，新陸中62號在S2、S3和S4脅迫下發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度為137.12 、92.54和186.13 mmol·L?1。對2個品種棉花種子發(fā)芽率的耐鹽半致死濃度比較表明，新陸中62號對S1脅迫表現(xiàn)出更強的耐受性，塔河2號對S2、S3和S4表現(xiàn)出更強的耐受性。該研究僅在室內(nèi)對種子萌發(fā)期耐鹽性進行了評價，不同階段棉花耐鹽性存在差異，其他階段的耐鹽性還有待進一步研究。