鋁脅迫下蕎麥萌發(fā)特性分析及評(píng)價(jià)

張鶴山，劉 洋，田 宏，熊軍波，蔡 化

（湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所／動(dòng)物胚胎規(guī)程及分子育種湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430064）

鋁是地殼中儲(chǔ)量最大的金屬元素之一，約占地殼元素總量的7%。通常，在中性的土壤中鋁不會(huì)對(duì)植物造成影響，但在酸性環(huán)境中（p H值＜5），毒性較大的活性鋁便會(huì)從土壤中析出，對(duì)植物造成危害。研究發(fā)現(xiàn)，酸性土壤中作物產(chǎn)量的下降和森林的毀滅都和鋁毒害有直接關(guān)系［1］，鋁毒害已成為酸性土壤植物生長(zhǎng)的主要限制因素［24］。我國(guó)酸性土壤主要是紅壤，分布在南方15個(gè)省區(qū)，總面積為2 030萬(wàn)hm2，占全國(guó)土地總面積的21%［5］。近年來(lái)，隨著酸雨的頻繁發(fā)生以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中酸性肥料的大量施用，使得土壤的酸度進(jìn)一步增強(qiáng)［6］，造成土壤中鋁毒害加劇。酸性土壤中的鋁毒害已成為制約我國(guó)紅壤區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素之一。生產(chǎn)上也有通過(guò)在酸性土壤中施用石灰或其他堿性物質(zhì)來(lái)治理鋁毒害的措施，但生產(chǎn)成本太大，并且長(zhǎng)期施用會(huì)破壞土壤理化結(jié)構(gòu)，影響生態(tài)平衡。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，鑒定篩選耐鋁作物種質(zhì)材料，培育作物新品種是一種經(jīng)濟(jì)、有效的措施［78］。

蕎麥（Fagopyrum.esculentumMoench）為蓼科蕎麥屬雙子葉植物，是我國(guó)重要的糧食作物，也是很好的藥用植物［9］。蕎麥耐鋁性強(qiáng)，常作為酸性土壤上的改良植物［1011］。研究表明，不同蕎麥品種對(duì)鋁毒害的反應(yīng)各異，它們的耐鋁性也有差異［12］。因此，通過(guò)耐鋁性鑒定篩選強(qiáng)耐鋁性的品種或種質(zhì)資源，對(duì)于蕎麥的推廣利用和耐鋁性新品種選育具有重要意義。本試驗(yàn)擬以40份蕎麥材料為研究對(duì)象，通過(guò)鋁脅迫處理，測(cè)定其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長(zhǎng)度和胚芽長(zhǎng)度等指標(biāo)，研究不同濃度鋁脅迫對(duì)蕎麥芽期萌發(fā)特性的影響，并對(duì)40份材料進(jìn)行耐鋁性綜合評(píng)價(jià)，為蕎麥的抗性評(píng)價(jià)及新品種培育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料來(lái)自湖北地區(qū)野外收集的蕎麥種質(zhì)，共40份（自Q 1至Q 40按順序編號(hào)）。

1.2 試驗(yàn)方法

脅迫處理為不同Al3＋濃度溶液，p H值4.5。試驗(yàn)設(shè) Al3＋濃度為0.01，0.1 mol／L和0.5 mol／L 3個(gè)濃度梯度，以HCl和NaOH調(diào)節(jié)溶液酸度維持p H值4.5。對(duì)照為不加鋁溶液的去離子水。

將種子用0.1%HgCl2表面消毒5 min，蒸餾水沖洗干凈，放在鋪有2層濾紙的潔凈培養(yǎng)皿中，每個(gè)處理4次重復(fù)，每重復(fù)50粒種子，分別加入15 m L處理溶液。于人工氣候箱進(jìn)行變溫培養(yǎng)（25℃，16 h，光照／18℃，8 h，黑暗）。逐日（每天固定時(shí)間觀測(cè)）觀察記載發(fā)芽種子數(shù)，以胚根長(zhǎng)度超過(guò)2 mm視為發(fā)芽，試驗(yàn)過(guò)程中不再加入其他任何溶液。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1）發(fā)芽率：從放入種子即日起至第7天終止，統(tǒng)計(jì)正常發(fā)芽種子粒數(shù)占供試種子總數(shù)的百分率。

即發(fā)芽率（%）＝N0／N×100%（式中，N0為發(fā)芽終期全部發(fā)芽的種子數(shù)；N為供試種子數(shù)）。

2）發(fā)芽指數(shù)（GI）＝∑Gt／Dt（式中，Gt為日發(fā)芽數(shù)；Dt為發(fā)芽天數(shù)）。

3）胚芽長(zhǎng)度：隨機(jī)取20個(gè)正常生長(zhǎng)的幼苗，用直尺分別測(cè)幼苗長(zhǎng)度（cm），取平均值作為胚芽長(zhǎng)度。

4）胚根長(zhǎng)度：隨機(jī)取20個(gè)正常生長(zhǎng)的幼苗，用直尺分別測(cè)幼苗的根長(zhǎng)（cm），取平均值作為胚根長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與分析

2.1 Al3＋脅迫對(duì)發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的影響

在Al3＋脅迫下，不同蕎麥種質(zhì)表現(xiàn)出不同的發(fā)芽特性（表1）。在0.01～0.5 mol／L Al3＋濃度脅迫下，Q 8、Q 15、Q 21和Q 29等4份種質(zhì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的發(fā)芽能力，其發(fā)芽率相對(duì)于對(duì)照有所提高或保持不變；在0.01～0.1 mol／L Al3＋濃度下，Q 1、Q 3～Q 5、Q 7～Q 9、Q 11、Q 14～Q 16、Q 18、Q 22、Q 24、Q 25、Q 27、Q 29、Q 31、Q 33和Q 40等20份種質(zhì)發(fā)芽率均為100%，而種質(zhì) Q 13、Q 17、Q 20、Q 21、Q 23、Q 28、Q 32、Q 35～Q 39更是表現(xiàn)出發(fā)芽率提高的現(xiàn)象，但在0.5 mol／L Al3＋濃度時(shí)所有這些種質(zhì)的發(fā)芽率明顯降低。從發(fā)芽率增減幅度看，在0.01 mol／L Al3＋濃度下，種質(zhì)發(fā)芽率增減幅度為－5.4%～44.7%，其中種質(zhì)Q 38發(fā)芽率提高44.7%，而種質(zhì)Q 10發(fā)芽率降低5.4%；在0.1 mol／L Al3＋濃度下，種質(zhì)發(fā)芽率增減幅度為－5.0%～26.9%，其中種質(zhì) Q 38發(fā)芽率提高26.9%，而種質(zhì) Q 39發(fā)芽率降低5.0%；在0.5 mol／L Al3＋濃度下，種質(zhì)發(fā)芽率顯著降低，其增減幅度為－52.5%～0.9%，其中種質(zhì) Q 12發(fā)芽率提高0.9%，而種質(zhì)Q 39發(fā)芽率降低52.5%。由此可見，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)Al3＋濃度下，多數(shù)蕎麥種質(zhì)仍表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受鋁脅迫能力，具有較高發(fā)芽率。進(jìn)一步的方差分析結(jié)果（表2）表明，在0.01 mol／L和0.1 mol／L Al3＋濃度下，發(fā)芽率與對(duì)照不存在顯著差異，但在0.5 mol／L濃度下，發(fā)芽率顯著下降，并且與對(duì)照和其他2個(gè)處理差異達(dá)極顯著水平（p＜0.01）。

表1 不同Al3＋濃度脅迫下各指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

發(fā)芽指數(shù)是表示種子萌發(fā)特性的又一重要指標(biāo)，反映了種子發(fā)芽速度、發(fā)芽整齊度和幼苗健壯的潛勢(shì)。本研究結(jié)果（表1）表明，多數(shù)參試材料發(fā)芽指數(shù)隨Al3＋濃度的增加呈下降趨勢(shì)，但種質(zhì) Q 15、Q 20、Q 21、Q 28、Q 35、Q 37、Q 38和Q 39隨Al3＋濃度的增加呈先升后降的變化趨勢(shì)。在不同Al3＋濃度脅迫下，種質(zhì)所受影響程度亦不同。相比于對(duì)照處理，在0.01 mol／L Al3＋濃度下，種質(zhì)發(fā)芽指數(shù)增減幅度為－14.5%～45.5%，在0.1 mol／L Al3＋濃度和0.5 mol／L Al3＋濃度下其增減幅度分別為－24.4%～23.4%和－78.9%～－50.5%?？?見，當(dāng) Al3＋濃度達(dá)到 0.5 mol／L時(shí)，種質(zhì)的發(fā)芽指數(shù)出現(xiàn)顯著下降。方差分析（表2）表明，在0～0.1 mol／L Al3＋濃度范圍內(nèi)，不同處理間發(fā)芽指數(shù)沒有顯著差異，但0.5 mol／L Al3＋濃度處理顯著降低了種質(zhì)發(fā)芽指數(shù)，且差異達(dá)極顯著水平（p＜0.01）。

2.2 不同Al3＋濃度對(duì)胚根長(zhǎng)度和胚芽長(zhǎng)度的影響

不同Al3＋濃度脅迫下，各蕎麥種質(zhì)胚根長(zhǎng)度和胚芽長(zhǎng)度見表1。相對(duì)于發(fā)芽率對(duì)Al3＋脅迫的強(qiáng)耐受性，胚根的生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)Al3＋脅迫更為敏感。在0.01 mol／L Al3＋濃度處理下，所有種質(zhì)的胚根長(zhǎng)度顯著減小，長(zhǎng)度僅為對(duì)照處理的2.5%～38.0%，在0.5 mol／L Al3＋濃度時(shí)所有種質(zhì)的胚根生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制，胚根無(wú)法生長(zhǎng)。Al3＋脅迫可顯著抑制蕎麥胚根的生長(zhǎng)發(fā)育，隨著Al3＋濃度的增加這種脅迫更加明顯。0.01 mol／L Al3＋濃度處理下所有材料平均胚根長(zhǎng)度為0.76 cm，僅為對(duì)照的10.4%，且與對(duì)照差異達(dá)極顯著水平（p＜0.01）；0.1 mol／L Al3＋濃度處理下胚根平均長(zhǎng)度為0.34 cm，為對(duì)照的4.7%，與對(duì)照差異達(dá)極顯著水平（p＜0.01），但與0.01 mol／L Al3＋濃度處理差異不顯著（表2）。

同樣，胚芽的生長(zhǎng)也受Al3＋脅迫的影響（表1），但在同一Al3＋濃度下其所受抑制程度較胚根被抑制程度輕。在0.01 mol／L時(shí)，Al3＋脅迫反而促進(jìn)了 Q 20、Q 21、Q 22和Q 28等種質(zhì)胚芽的生長(zhǎng)，其長(zhǎng)度分別比對(duì)照增加2.4%、19.9%、18.6%和0.8%；在0.1 mol／L時(shí)所有種質(zhì)胚芽生長(zhǎng)受到抑制，其長(zhǎng)度為對(duì)照的24.6%～100.0%；在0.5 mol／L 時(shí)，所有種質(zhì)不能發(fā)芽。方差分析（表2）表明，0.01 mol／L Al3＋處理和0.1 mol／L Al3＋處理下胚芽長(zhǎng)度分別為2.89 cm 和1.87 cm，分別為對(duì)照的74.7%和48.2%，且與對(duì)照差異達(dá)極顯著水平（p＜0.01）。

表2 不同Al3＋濃度脅迫對(duì)蕎麥各指標(biāo)的影響

2.3 耐鋁性綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 級(jí)別值確立

本研究采用5級(jí)評(píng)價(jià)法，對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行分級(jí)，使每一指標(biāo)具有對(duì)應(yīng)的級(jí)別值，這樣各性狀因數(shù)值大小和變化幅度的不同而產(chǎn)生的差異即可消除，其換算公式如下：

式中，X jmax為第j個(gè)指標(biāo)測(cè)定的最大值；X jmin為第j個(gè)指標(biāo)測(cè)定的最小值；X ij為第i份材料第j項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定的實(shí)測(cè)值；λ為得分極差（每得1分之差）；Z ij為第i份材料第j項(xiàng)指標(biāo)的級(jí)別值。

2.3.2 權(quán)重系數(shù)建立

為了減少因種質(zhì)材料本身品質(zhì)差異所造成的誤差，本研究利用每一測(cè)定指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，其相對(duì)值計(jì)算公式為：

由于蕎麥各指標(biāo)對(duì)不同鋁脅迫的耐受性不同，為了更好地體現(xiàn)不同種質(zhì)間的差異，研究利用每個(gè)指標(biāo)中變異系數(shù)最大的處理作為本評(píng)價(jià)方法的原始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在0.5 mol／L濃度處理時(shí)具有更大的變異系數(shù)，分別為15.2%和16.8%；而胚根長(zhǎng)度和胚芽長(zhǎng)度在0.1 mol／L濃度處理時(shí)具有最大變異系數(shù)，分別為98.9%和28.9%。由公式（3）可計(jì)算出發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長(zhǎng)度、胚芽長(zhǎng)度4個(gè)指標(biāo)參與綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重系數(shù)分別為0.096、0.105、0.617和0.182。

式中，W j為第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)；δj為第j項(xiàng)指標(biāo)的變異系數(shù)。

2.3.3 綜合評(píng)價(jià)值

綜合評(píng)價(jià)值的大小反映了種質(zhì)間的耐鋁性差異，其計(jì)算公式為：

式中：V i為每一份材料的綜合評(píng)價(jià)值，Z ij為各測(cè)定值的級(jí)別值，W j為對(duì)應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

利用公式（4）得出，各種質(zhì)耐鋁性綜合評(píng)價(jià)值（見表3）。由表3可知，在0～5分的范圍內(nèi)，有34份種質(zhì)綜合評(píng)分在1～3分之間，說(shuō)明多數(shù)蕎麥種質(zhì)耐鋁性處于中等水平；但種質(zhì)Q 24的評(píng)價(jià)分值明顯高于其他種質(zhì)，為4.36，屬于強(qiáng)抗逆型。得分低于1分的種質(zhì)有Q 34、Q 35、Q 36、Q 38和Q 39，它們對(duì)鋁脅迫耐受性較差，其中種質(zhì)Q 39的綜合評(píng)價(jià)值僅為0.49。

3 討論與結(jié)論

1）發(fā)芽率是體現(xiàn)種子萌發(fā)特性的重要指標(biāo)。蕎麥?zhǔn)潜容^耐鋁脅迫的植物［13］，低濃度鋁脅迫對(duì)其發(fā)芽率影響較低，在一定范圍內(nèi)（10 mg／L和100 mg／L）還可提高蕎麥發(fā)芽率［14］；南益麗發(fā)現(xiàn)，低于2 000 mg／L濃度的鋁脅迫可以促進(jìn)蕎麥種子萌發(fā)［15］。本研究結(jié)果表明，不同蕎麥種質(zhì)對(duì)鋁脅迫的反應(yīng)不同，試驗(yàn)中有24份種質(zhì)在低濃度（0.01 mol／L）Al3＋脅迫下發(fā)芽率有提高趨勢(shì)，但也有16份種質(zhì)隨Al3＋濃度增加發(fā)芽率增減降低。由此可見，盡管蕎麥具有較強(qiáng)的耐鋁能力，但不同蕎麥種質(zhì)對(duì)鋁脅迫表現(xiàn)出不一樣的萌發(fā)特性，這一特性有助于篩選優(yōu)異耐鋁蕎麥種質(zhì)，為蕎麥抗逆性育種提供基礎(chǔ)材料。

2）胚根和胚芽的生長(zhǎng)發(fā)育是體現(xiàn)種子萌發(fā)的又一重要指標(biāo)。許多研究表明，鋁脅迫對(duì)蕎麥根系的影響最大，在100 mg／L鋁脅迫下根系即受到顯著抑制，與對(duì)照差異顯著［14］。本研究也發(fā)現(xiàn)，0.01 mol／L Al3＋濃度即可嚴(yán)重抑制蕎麥根系生長(zhǎng)，其胚根長(zhǎng)度僅為對(duì)照的2.5%～38.0%，說(shuō)明蕎麥根系對(duì)鋁脅迫比較敏感，是評(píng)價(jià)篩選耐鋁性蕎麥種質(zhì)材料的重要指標(biāo)。同樣，胚芽的生長(zhǎng)發(fā)育也受鋁脅迫的影響，但在不同Al3＋濃度下，不同的種質(zhì)表現(xiàn)也不同，低濃度（0.01 mol／L）的Al3＋脅迫可以促進(jìn)部分蕎麥胚芽生長(zhǎng)，但高濃度（＞0.1 mol／L）處理顯著抑制蕎麥胚芽生長(zhǎng)。由此可見，相對(duì)于胚芽生長(zhǎng)，蕎麥根系對(duì)Al3＋脅迫更為敏感。

表3 各材料級(jí)別值及耐鋁性綜合評(píng)價(jià)值

3）評(píng)價(jià)植物的耐鋁性有多種方法，包括量取根的伸長(zhǎng)、測(cè)定根尖鋁含量以及評(píng)價(jià)生物量等［1618］，由于鋁對(duì)植物毒害作用最明顯的特征就是抑制根伸長(zhǎng)，因此常被用來(lái)衡量植物受到鋁毒害程度的參數(shù)［19］。本研究以鋁脅迫下的蕎麥的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長(zhǎng)度和胚芽長(zhǎng)度作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以較為全面地反映不同蕎麥種質(zhì)的萌發(fā)特性，對(duì)于耐鋁性蕎麥種質(zhì)的篩選具有重要意義。結(jié)果表明，參試的40份蕎麥種質(zhì)多數(shù)屬于中等耐鋁水平，1份屬于強(qiáng)耐鋁水平，屬于弱耐鋁的材料有5份。盡管如此，蕎麥種質(zhì)資源的耐鋁性鑒定涉及指標(biāo)多，過(guò)程復(fù)雜，尋找更簡(jiǎn)單有效的評(píng)價(jià)方法是研究者下一步的工作重點(diǎn)。

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