堿脅迫下硅促進冰草種子萌發(fā)

張一弓，王玉，劉夢，楊淑君，張薈薈(新疆畜牧科學院草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

堿脅迫下硅促進冰草種子萌發(fā)

張一弓，王玉，劉夢，楊淑君，張薈薈
(新疆畜牧科學院草業(yè)研究所，新疆 烏魯木齊 830000)

以塔烏庫姆冰草(Agropyroncristatumcv. Tawukumu)種子為材料，采用人工模擬堿(NaHCO3)脅迫，設(shè)10、30、60、90、120 mmol·L-15個濃度作為堿處理，各濃度添加1.0 mmol·L-1Na2SiO3溶液作為堿+硅處理，研究堿脅迫下硅對冰草種子萌發(fā)的影響。結(jié)果顯示，在不同濃度的堿脅迫下添加外源硅顯著增加了冰草種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根和胚芽生物量(P<0.05)，明顯縮短了萌發(fā)時間，提高了發(fā)芽整齊度。這一結(jié)果初步說明在堿脅迫下硅參與種子的萌發(fā)過程，在一定程度上降低滲透脅迫和離子毒害，增強了冰草種子在堿脅迫下的抵抗力。

塔烏庫姆冰草；外源硅；發(fā)芽率；胚芽；胚根

土壤鹽漬化是當前人類面臨的嚴峻生態(tài)環(huán)境問題[1]。全世界約有4×108hm2的鹽漬土地，約占耕地的1/3，我國鹽漬化面積達2.6×107hm2，已經(jīng)成為影響植物生長的重要因素[2]。鹽堿土可以進一步分為中性鹽(NaCl和Na2SO4)和堿性鹽(Na2CO3和NaHCO3)，中性鹽脅迫稱為鹽脅迫，堿性鹽脅迫稱為堿脅迫[3]。鹽脅迫和堿脅迫是兩種不同的脅迫，二者對植物的作用機制不同，植物對其生理適應機制也不同[4]。土壤中若含有HCO3-和CO32-，植物不僅受到滲透脅迫和離子毒害，而且還受到高pH脅迫，因此堿脅迫比鹽脅迫具有更大的生態(tài)破壞力[5]。已有研究表明，堿脅迫會造成冰草(Agropyroncristatum)種子吸水困難，種子吸水量和吸水速率下降，發(fā)芽率下降，發(fā)芽時間推遲，胚芽和胚根的生長緩慢[6]。硅是地殼中含量第二的元素，Dedatta首次發(fā)現(xiàn)硅是水稻(Oryzasativa)生長不可缺少的重要元素[7]。隨后，植物硅營養(yǎng)研究逐漸引起人們的關(guān)注，并先后證實了硅對水稻[8]、大麥(Hordeumvulagre)[9]、小麥(Triticumaestivum)[10]、甘蔗(Saccharumsinense)[11]和瓜果蔬菜[12]等植物在逆境條件下的生長具有顯著的促進作用[13]。

塔烏庫姆冰草(Agropyroncristatumcv. Tawukumu)是2004年從哈薩克斯坦引進的禾本科冰草屬多年生草本植物，株型直立，分蘗再生性能強，品質(zhì)優(yōu)良，營養(yǎng)豐富，是一種刈牧兼用型牧草。適口性好，生態(tài)適應幅度寬，可用于建植栽培草地和改良退化天然草地，因此具有高度的開發(fā)和利用價值[14]。2009年經(jīng)全國草品種審定委員會審定，登記為牧草新品種。目前針對這一冰草新品種已開展了相關(guān)的抗鹽堿研究工作，但是有關(guān)外源硅對其堿脅迫下種子萌發(fā)的研究還未見報道，為了進一步開展新品種的推廣和高效種植，這項研究顯得尤為重要。

本研究以冰草新品種為對象，探討堿(NaHCO3)脅迫下，施加外源硅(Na2SiO3)對冰草種子萌發(fā)的影響，為硅參與冰草種子萌發(fā)提供科學證據(jù)，同時也為這一牧草新品種的推廣和鹽堿地種植提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

選取籽粒飽滿、大小一致的冰草種子，用5%次氯酸鈉溶液浸泡10 min，先用自來水沖洗數(shù)次，再用蒸餾水沖洗3次，最后用濾紙將水吸干。在90 mm玻璃培養(yǎng)皿中放入兩層8.5 mm×8.5 mm用處理液浸濕的濾紙，然后挑選均勻飽滿的種子100粒，置于濾紙上，放入光照培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)溫度為25 ℃，每天光照12 h，每天以稱重法補充蒸發(fā)失去的水分，保持處理液濃度恒定。

添加Na2SiO3作為加硅處理，選擇1.0 mmol·L-1Na2SiO3溶液，同時加入不同濃度的Na2SO4來維持Na+濃度的一致性，防止因Na+濃度差異導致種子滲透壓出現(xiàn)差異。試驗分為兩組，每組6個處理，每個處理6個重復(表1)。

表1 冰草種子萌發(fā)試驗處理液配方Table 1 Formula of treatment solution for germination ofAgropyroncristatumcv. Tawukumu

1.2 指標計算

以胚芽突破種皮確認為發(fā)芽，期間每日統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，在第12天停止發(fā)芽后，計算發(fā)芽率、發(fā)芽趨勢、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)，測量胚芽、胚根長度，稱量胚芽、胚根鮮重。

發(fā)芽率(%)=(發(fā)芽終止期全部正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(5 d內(nèi)供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt。

式中,Gt為在t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽天數(shù)；

活力指數(shù)(VI)=GI×S。

式中，GI為發(fā)芽指數(shù)，S為第12天的胚芽和胚根長度之和。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 12.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)，以及平均數(shù)LSD多重比較檢驗，差異顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對冰草發(fā)芽動態(tài)的影響

硅對冰草種子初始萌發(fā)時間具有明顯的影響(圖1)。在堿處理下，只有對照(CK)在處理后第2天開始萌發(fā)，其余處理液的種子均在第3天開始萌發(fā)；而添加外源硅后，10和30 mmol·L-1處理液種子在第2天便開始萌發(fā)，60、90和120 mmol·L-1處理液在第5天發(fā)芽數(shù)均占總發(fā)芽數(shù)的60%以上，相比同濃度下的堿處理有明顯升高。由此可見，硅影響冰草種子集中萌發(fā)所需要的時間。同時，堿脅迫下冰草種子在第12天結(jié)束萌發(fā)，但是添加硅后，在第10天基本結(jié)束萌發(fā)。這說明硅能有效縮短種子萌發(fā)的時間，對堿脅迫起到一定的緩解作用。試驗結(jié)果同時表明，硅對低濃度堿脅迫作用不明顯，但隨著脅迫濃度升高，促進萌發(fā)作用越明顯。

2.2 硅對冰草發(fā)芽特性的影響

2.2.1 發(fā)芽率 施加外源硅可以明顯提高堿脅迫下冰草種子的發(fā)芽率(圖2)。在堿脅迫濃度≤30 mmol·L-1時，添加硅對發(fā)芽率沒有顯著影響，但隨著堿脅迫濃度的增大，硅對堿脅迫下種子發(fā)芽的促進作用越明顯，當堿脅迫濃度≥60 mmol·L-1，添加外源硅與不添加的發(fā)芽率有著顯著差異(P<0.05)，分別提高26%、25%和162%。

圖1 堿和堿+硅處理對種子發(fā)芽過程的影響Fig.1 Effects of addition alkaline and alkaline+silicon on the germination progress

圖2 堿和堿+硅處理對種子發(fā)芽率的影響Fig.2 Effects of addition alkaline and alkaline+silicon on the germination rate

注：不同小寫字母表示同一處理不同濃度間差異顯著(P<0.05)；**表示同一濃度不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: Different lower case letters show significant difference among different concentration in the same treatment at 0.05 level; ** show significant difference among different treatment in the same concentration at 0.05 level. The same below.

2.2.2 堿和堿+硅處理對種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和和種子活力指數(shù)的影響 堿脅迫處理下施加外源硅可以明顯提高冰草種子的發(fā)芽勢(表2)。隨著堿脅迫濃度的升高發(fā)芽勢呈顯著下降(P<0.05)，施加外源硅后，發(fā)芽勢仍然隨濃度升高呈下降趨勢，但當NaHCO3濃度≥60 mmol·L-1時，與相同濃度堿脅迫相比，發(fā)芽勢又有顯著提高。與發(fā)芽勢相同，隨著堿脅迫濃度的升高發(fā)芽指數(shù)顯著下降，施加外源硅后，發(fā)芽指數(shù)仍然降低，但當NaHCO3濃度≥60 mmol·L-1時，與相同濃度堿脅迫相比，發(fā)芽勢又有顯著提高。除NaHCO3濃度為10 mmol·L-1外，其他濃度的堿脅迫下添加外源硅對種子活力指數(shù)的增加尤為顯著。

2.3 硅對堿脅迫下冰草幼苗生長的影響

2.3.1 硅對冰草胚芽、胚根長度的影響 隨著處理液濃度的上升，堿脅迫和堿+硅脅迫胚芽長度均呈下降趨勢(圖3)，但是堿濃度在60 mmol·L-1時開始出現(xiàn)顯著差異(P<0.05)，而施加外源硅后直到90 mmol·L-1才出現(xiàn)顯著差異。兩組處理相比，在處理液濃度≤30 mmol·L-1時，施加外源硅對胚芽長度的影響不顯著(P>0.05)，當堿濃度升至60 mmol·L-1時，堿+硅脅迫與堿脅迫具有顯著性差異。在60、90和120 mmol·L-1堿+硅脅迫與堿脅迫相比，胚芽長度分別提高了41%、62%和113%。

表2 堿和堿+硅處理種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和種子活力指數(shù)的變化Table 2 The change of germination energy, germination index and seed vigor index under alkaline and alkaline+silicon treatments

圖3 堿和堿+硅處理對胚芽長度的影響Fig.3 Effects of addition alkaline and alkaline+silicon on the shoot length

隨著處理液濃度的上升，胚根長度均呈下降趨勢(圖4)。在0和10 mmol·L-1時，在堿脅迫胚根長度差異顯著(P<0.05)，在硅+堿脅迫差異不顯著(P>0.05)。當處理液濃度為30 mmol·L-1時，堿脅迫和硅+堿脅迫胚根長度均顯著下降，但是堿脅迫降幅更為劇烈。兩組處理相比，30和60 mmol·L-1時，胚根長度差異顯著，硅+堿脅迫比堿脅迫分別增長了156%和127%。在120 mmol·L-1時，硅+堿脅迫胚根長度為0.09 cm，但堿脅迫胚根長度為0。

圖4 堿和堿+硅處理對胚根長度的影響Fig.4 Effects of addition alkaline and alkaline+silicon on the root length

2.3.2 硅對堿脅迫下冰草胚芽、胚根鮮重的影響 隨著處理液濃度的上升，堿脅迫下胚芽鮮重緩慢下降(圖5)，10和30 mmol·L-1時，胚芽鮮重略高于對照(CK)，但差異不顯著(P>0.05)；90和120 mmol·L-1之間差異顯著(P<0.05)，同時與CK差異顯著。堿+硅脅迫下，胚芽鮮重呈直線下降趨勢，10和30 mmol·L-1與CK差異不顯著，60、90和120 mmol·L-1與CK差異顯著(P<0.05)。兩組處理相比，堿+硅脅迫各濃度處理下鮮重均高于堿脅迫，在0、60和120 mmol·L-1時，差異顯著，其中120 mmol·L-1堿+硅脅迫高出堿脅迫73%。

圖5 堿和堿+硅處理對胚芽鮮重的影響Fig.5 Effects of addition alkaline and alkaline+silicon on the shoot fresh weight

隨著處理液濃度的上升，堿脅迫和堿+硅脅迫胚根鮮重均表現(xiàn)出逐漸降低趨勢(圖6)，同時各處理間差異顯著(P<0.05)。除30 mmol·L-1以外，堿+硅脅迫各濃度胚根鮮重均顯著高于堿脅迫。單一硅處理下較無堿無硅的胚根鮮重提高約40%，10 mmol·L-1時，提高28%，其余處理隨濃度的升高，增幅依次減小。堿脅迫下胚根鮮重在90 mmol·L-1時降為0，而堿+硅脅迫在120 mmol·L-1時為0。

圖6 堿和堿+硅處理對胚根鮮重的影響Fig.6 Effects of addition alkaline and alkaline+silicon on the root fresh weight

3 討論與結(jié)論

土壤鹽漬化已經(jīng)成為影響全球生態(tài)系統(tǒng)的重要環(huán)境因素，嚴重的影響植物生長和作物安全。因此，在鹽漬化土地中如何進行種植生產(chǎn)已成為重要的科學問題。鹽堿脅迫下，植物細胞膜系統(tǒng)是受害的主要部位，表現(xiàn)為質(zhì)膜透性增大，膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物升高，細胞膜正常生理功能損害，細胞代謝受影響，最終影響種子萌發(fā)和生長[15]。

硅作為地殼中的重要元素，對植物生長發(fā)育的影響始終是植物營養(yǎng)學研究的重要內(nèi)容之一[16]。有研究報道，增施外源硅，能在一定程度上緩解鹽害，提高種子的發(fā)芽率，加快種子發(fā)芽速率，降低幼苗在鹽堿脅迫下的死亡現(xiàn)象[11]。硅通過影響植物的生態(tài)環(huán)境、增強植物抗逆性來影響植物。可以認為，硅能引起作物生理生化性質(zhì)變化，進而影響作物生長發(fā)育[17]。目前，硅對促進禾本科植物生長發(fā)育的研究已被總結(jié)出兩種途徑，分為直接途徑和間接途徑，直接途徑指硅參與了植物的生理生化過程，間接途徑表現(xiàn)在硅通過改善植物生長環(huán)境的養(yǎng)分有效利用率而促進植物生長[13]。

本研究結(jié)果顯示，塔烏庫姆冰草種子在不同濃度的堿脅迫下加硅后，發(fā)芽率有了明顯提高，萌發(fā)時間提前，萌發(fā)進程縮短，發(fā)芽整齊度提高，發(fā)芽指數(shù)、種子活力指數(shù)也有了明顯提高，硅對堿脅迫下冰草種子胚根長度和胚芽長度的生長也具有明顯促進作用，這與硅對玉米(Zeamays)[18-19]、紫花苜蓿(Medicagosativa)[13]、黃瓜(Cucumissativus)[20-21]、高羊茅(Festucaarundinacea)[22]、小麥[23]、水稻[24]等研究結(jié)果相一致。初步說明硅參與堿脅迫下種子的萌發(fā)過程，增強種子逆境脅迫的抵抗力[15,25]。種子在吸脹萌發(fā)過程中，細胞膜系統(tǒng)需要進行修復重建，而在堿脅迫下細胞膜的修復受阻，膜的選擇吸收能力遭到破壞，引起大量離子涌入，但是硅能保護種子膠體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部一些酶的活性，阻止堿脅迫對膜的降解，使種子在一定堿濃度下能夠萌發(fā)生長[26]，隨著脅迫濃度的升高，這種保護作用越發(fā)明顯。研究證實，堿脅迫對胚根的傷害程度較大，從而導致胚根降低幅度明顯大于胚芽，這主要是因為胚根與處理液相接觸，受到的傷害更直接，生長抑制更明顯[27]。但是，添加外源硅后，硅的正四面體結(jié)構(gòu)，能夠充分的與處理液中的Na+、HCO3-相結(jié)合，形成一種螯合物，在一定程度上起了“緩沖”作用，從而降低離子的滲透脅迫，便于胚根吸收水分[26,28]。這也可能是當堿脅迫濃度>90 mmol·L-1胚根生物量為0，而添加硅后在120 mmol·L-1胚根仍然存在的原因。

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(責任編輯 張瑾)

Effects of silicon onAgropyroncristatumseed germination under alkaline stress

ZHANG Yi-gong, WANG Yu, LIU Meng, YANG Shu-jun, ZHANG Hui-hui
(Grassland institute, Xinjiang Academy of Animal Science, Urumqi 830000, China)

In order to study the effects of silion on seeds germination ofAgropyroncristatumcv. Tawukumu under alkaline stress, the seeds performance under alkaline +silicon treatments including five alkaline (NaHCO3) stress levels (10，30，60，90 and 120 mmol·L-1) with 1.0 mmol·L-1Na2SiO3solution were evaluated. The results showed that Na2SiO3treatment significantly increased (P<0.05) germination energy, germination percentage, seed germination index, vigor index, biomass of shoot and root and significantly reduced (P<0.05) germination time. The results preliminary explained that silicon involved in the germination under alkaline stress，reduced osmotic stress and ion toxicity and enhanced seed resistance.

Agropyroncristatumcv. Tawukumu; exogenous silicon; germination percentage; shoot; root

ZHANG Yi-gong E-mail:zhangyigong203@163.com

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0525

2014-11-24 接受日期：2015-04-15

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學基金項目(2014211B043)

張一弓(1984-)，男，甘肅蘭州人，助理研究員，在讀博士，主要從事牧草生理生態(tài)學研究。E-mail: zhangyigong203@163.com

S543+.9;Q945.78

A

1001-0629(2015)07-1093-06*

張一弓，王玉，劉夢，楊淑君，張薈薈.堿脅迫下硅促進冰草種子萌發(fā)[J].草業(yè)科學,2015,32(7):1093-1098.

ZHANG Yi-gong,WANG Yu,LIU Meng,YANG Shu-jun,ZHANG Hui-hui.Effects of silicon onAgropyroncristatumseed germination under alkaline stress[J].Pratacultural Science,2015,32(7)：1093-1098.