鹽堿脅迫對白榆種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

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(聊城大學 生命科學學院， 山東 聊城 252059)

土壤鹽堿化是制約植物生長發(fā)育的主要非生物脅迫之一，是限制農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。全世界約有3.8億hm2土地存在不同程度的鹽漬化,約占可耕地面積的10%。預計到2050年，50%以上的耕地會發(fā)生鹽堿化[2]，嚴重威脅著土地利用率和作物產(chǎn)量。中國約有2 600萬hm2鹽荒地和700萬hm2次生鹽漬化土壤,約占可耕地面積的25%[3]。鹽堿化地區(qū)的土壤pH值高，肥效低，保水性差，造林成活率低，嚴重制約這些地區(qū)生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定[4]。因此，開展耐鹽堿樹種選育，豐富該地區(qū)造林樹種，對該地區(qū)生態(tài)防護林、水土保持林和城市生態(tài)景觀林建設具有重大意義[5]。

白榆(UlmuspumilaL.) 是我國華北、東北地區(qū)重要的鄉(xiāng)土樹種，生長快、材質(zhì)好、適應性強。 在我國北方濱海土壤鹽漬化地區(qū)，白榆是用材林、防護和鹽堿地造林的主要樹種之一[6]。目前，對白榆抗逆性研究方面主要集中在干旱、鹽、堿脅迫等單一因子的研究[7-9]，復合脅迫研究相對較少。本研究以白榆種子為材料，研究9種不同鹽堿脅迫處理對其種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，以期了解白榆在鹽堿脅迫下種子萌發(fā)的變化規(guī)律和幼苗生長的特點，旨在為鹽堿地造林的苗木選擇、培育和引種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與試驗設計

供試材料白榆(UlmuspumilaL.)種子由山東省聊城市冠縣園林苗木基地提供。白榆發(fā)芽試驗于2017年8月在聊城大學生命科學學院實驗室內(nèi)進行。

濃度分別為0,100,200 mmol/L的中性鹽NaCl和濃度分別為0,25,50 mmol/L的堿性鹽Na2CO3，混合模擬出9種不同的鹽堿脅迫處理： 1) 對照處理； 2) 低鹽脅迫處理； 3) 高鹽脅迫處理； 4) 低堿脅迫處理； 5) 高堿脅迫處理； 6) 低鹽低堿復合脅迫處理； 7) 高鹽低堿復合脅迫處理； 8) 低鹽高堿復合脅迫處理； 9) 高鹽高堿復合脅迫處理。

1.2 試驗方法

選取籽粒飽滿、均一的白榆種子，用濃度為2 g/L的次氯酸鈉溶液消毒種子10 min, 然后用蒸餾水清洗5次，每次3 min。將30粒種子整齊放置于鋪有2層濾紙的直徑90 mm培養(yǎng)皿中，分別加入9種相應濃度的處理液25 mL, 用以淹沒種子直徑的1/2，對照處理加入相同體積的蒸餾水, 每個處理4次重復。將培養(yǎng)皿移入溫度為25 ℃，光照強度為860.8 lx，光照12 h/黑暗12 h的光照培養(yǎng)箱內(nèi)進行7 d的種子發(fā)芽試驗。期間每天每個培養(yǎng)皿補充10 mL的處理液或蒸餾水并統(tǒng)計各培養(yǎng)皿中的發(fā)芽種子數(shù)(以芽突破種皮為發(fā)芽標準),記錄數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

實驗結(jié)束，統(tǒng)計種子總發(fā)芽數(shù)，計算相關(guān)指標：

發(fā)芽率(%)=發(fā)芽終期全部正常發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽勢(%)=規(guī)定天數(shù)內(nèi)發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%(白榆為3 d)；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)(式中，Dt為發(fā)芽日數(shù)，Gt為對應日發(fā)芽種子數(shù))；

活力指數(shù)(VI)=發(fā)芽指數(shù)×幼苗鮮重。

發(fā)芽試驗結(jié)束后，每處理選取10株幼苗，用剪刀剪下胚根與胚芽，分別對胚根、胚芽進行快速稱重，然后準確測量胚根與胚芽的長度。利用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件，對不同鹽堿脅迫處理間進行單因素方差分析，用Duncan法對平均值進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對白榆種子萌發(fā)的影響

低鹽脅迫處理對白榆種子萌發(fā)沒有抑制作用，但高鹽脅迫處理顯著抑制了白榆種子發(fā)芽率, 且這種抑制作用在種子萌發(fā)第1天即表現(xiàn)出來，且隨著脅迫時間加長，抑制作用持續(xù)(圖1)。

低堿脅迫處理對白榆種子的萌發(fā)沒有明顯抑制，但高堿處理抑制作用顯著，發(fā)芽率大大降低, 開始2 d白榆種子幾乎不發(fā)芽, 種子外觀顏色變深，且隨著脅迫時間加長，抑制作用持續(xù)(圖1)。

注：系列1，對照處理；系列2，低鹽脅迫處理；系列3，低堿脅迫處理；系列4，低鹽低堿脅迫處理；系列5，高鹽低堿脅迫處理；系列6，高鹽脅迫處理；系列7，高堿脅迫處理； 系列8，低鹽高堿脅迫處理；系列9，高鹽高堿脅迫處理。圖1 鹽堿脅迫對白榆種子萌發(fā)的影響

復合鹽堿處理下，發(fā)芽率均比單獨鹽、堿脅迫處理時顯著降低，且堿脅迫作用明顯強于鹽脅迫，低鹽低堿和高鹽低堿處理時，對種子萌發(fā)有較小的抑制作用；但低鹽高堿和高鹽高堿處理下，白榆種子萌發(fā)率進一步降低，在高鹽高堿處理下，發(fā)芽率非常低(圖1)。

2.2 鹽堿脅迫對白榆種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的影響

低鹽脅迫處理對白榆種子發(fā)芽率沒有抑制作用，但顯著降低了發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)；高鹽脅迫處理則顯著抑制了白榆種子發(fā)芽率, 且發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)比低鹽脅迫均進一步降低(圖2、圖3、圖4、圖5)。

注：1為對照處理；2為低鹽脅迫處理；3為高鹽脅迫處理；4為低堿脅迫處理；5為高堿脅迫處理；6為低鹽低堿復合脅迫處理；7為高鹽低堿復合脅迫處理；8為低鹽高堿復合脅迫處理；9為高鹽高堿復合脅迫處理。不同字母表示在p<0.05水平下差異顯著。以下圖、表相同。圖2 鹽堿脅迫對白榆種子發(fā)芽率的影響

低堿脅迫處理與低鹽脅迫處理效應一致,但高堿脅迫處理對白榆種子萌發(fā)的抑制效果極顯著，白榆種子在高堿脅迫下發(fā)芽率極低，發(fā)芽勢和活力指數(shù)基本為零, 且脅迫過程中未發(fā)芽種子外觀顏色變深(圖2、圖3、圖4、圖5)。

復合鹽堿處理下，低鹽低堿與高鹽低堿復合脅迫對白榆種子發(fā)芽率沒有顯著影響，但低鹽高堿和高鹽高堿復合脅迫顯著抑制了白榆種子發(fā)芽率(圖2)：4種復合脅迫對白榆種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)均顯著抑制，且高堿的脅迫效應表現(xiàn)更顯著(圖3、圖4、圖5)。

圖3 鹽堿脅迫對白榆種子發(fā)芽勢的影響

圖4 鹽堿脅迫對白榆種子發(fā)芽指數(shù)的影響

圖5 鹽堿脅迫對白榆種子活力指數(shù)的影響

2.3 鹽堿脅迫對白榆幼苗生長的影響

由表1可知，同對照相比，無論是鹽、堿單獨脅迫還是鹽堿復合脅迫處理，均顯著降低了白榆的胚芽長、胚芽重、胚根長及胚根重；同鹽堿單獨脅迫處理相比，復合脅迫處理抑制效應更為明顯；且堿脅迫效應明顯強于鹽脅迫對幼苗生長的抑制效應，特別是對胚根的抑制更為顯著。

表1 鹽堿脅迫對白榆幼苗生長的影響

脅迫處理胚芽長(mm)胚芽重(g)胚根長(mm)胚根重(g)143.93±1.75a 0.31 ± 0.01a33.27 ± 3.37a0.07 ± 0.01a210.63 ± 0.57b0.22 ± 0.00bc15.20 ± 1.04b0.02 ± 0.00b35.37 ± 0.24c0.11 ± 0.00d4.97 ± 0.18cd0.00 ± 0.00c410.10 ± 0.72b0.17 ± 0.01bcd7.50 ± 0.90c0.01 ± 0.00c51.90 ± 0.35d0.01 ± 0.01e0.00 ± 0.00e0.00 ± 0.00c610.13 ± 0.73b0.22 ± 0.01b7.13 ± 0.15c0.02 ± 0.00b75.90 ± 0.12c0.15 ± 0.01cd2.87 ± 0.23de0.00 ± 0.00c84.50 ± 0.00c0.13 ± 0.06cd4.87 ± 0.52cd0.03 ± 0.00b91.00 ± 0.00d0.00 ± 0.00e0.00 ± 0.00e0.00 ± 0.00c

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)能力和幼苗長勢是植物耐鹽堿性早期鑒定及耐鹽堿個體、品種早期選擇的基礎(chǔ)。生長在鹽堿環(huán)境中的植物，當土壤溶液中鹽堿成分超過一定含量時就會對植物生長產(chǎn)生危害，主要包括離子毒害、滲透脅迫和營養(yǎng)不均衡等方面[10]。本研究中，低濃度鹽堿脅迫幾乎沒有抑制白榆種子萌發(fā)，可能是由于低濃度鹽堿溶液促進了細胞膜的滲透調(diào)節(jié)，或是微量無機離子(Na+)對呼吸酶有刺激作用[11]；而高濃度鹽堿脅迫及鹽堿復合脅迫顯著抑制種子萌發(fā)可能是由于鹽堿離子的滲透效應和毒性效應[12]；且這種效應隨著鹽堿脅迫濃度的增強而增強，表現(xiàn)出白榆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都呈顯著下降趨勢。

本研究中，低濃度鹽、堿脅迫下白榆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和種子活力指數(shù)都沒有顯著下降，而高濃度鹽、堿脅迫及復合鹽堿脅迫時，白榆種子的萌發(fā)及幼苗生長均出現(xiàn)顯著抑制，且高堿脅迫的危害強度更大。說明鹽脅迫和堿脅迫均有“低促高抑”的特點，且是2種不同性質(zhì)的脅迫；堿脅迫強度較低時鹽脅迫起主導作用，堿脅迫強度較高時堿脅迫起主導作用；在混合鹽堿脅迫中，既有鹽脅迫也有堿脅迫，二者間具有協(xié)同效應。類似結(jié)果在栓皮櫟(Quercusvariabilis)[13]、紅堅木(Dysoxylumspp.)[14]種子等研究中均有報道。

鹽堿脅迫容易造成植物明顯的發(fā)育遲緩[15]。本研究中，鹽、堿脅迫及復合鹽堿脅迫均顯著抑制了白榆幼苗胚根和胚芽的長度及重量的增長，特別是對胚根的影響?？赡芨侵苯咏佑|鹽堿溶液的部分，根周圍土壤pH值升高時，一些金屬離子如Fe2+、Mg2+、Ca2+等沉積，伴隨著無機陰離子減少，植物對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收受阻，進而造成嚴重營養(yǎng)脅迫, 抑制整株植株生長[16]。

本研究結(jié)果表明，在低鹽和低堿單獨及復合脅迫下，白榆種子可以正常萌發(fā)生長，但在高鹽和高堿單獨及復合脅迫下，白榆種子萌發(fā)及生長受到顯著抑制，特別是在50 mmol/L Na2CO3的高堿脅迫下，白榆種子萌發(fā)率極低，且很難成苗。