鹽堿脅迫對菊芋塊莖萌發(fā)及幼苗生長的影響

高 凱,高 陽,朱鐵霞,滕愛娣

(內蒙古民族大學農(nóng)學院，內蒙古 通遼 028043)

土壤鹽漬化是導致可利用土地面積減少和降低農(nóng)作物產(chǎn)量及品質的主要原因之一，如何科學合理利用鹽漬化土壤已成為當前的熱點問題。中國鹽漬土地總面積有9 913.3萬hm2，范圍廣，種類多[1]。其中，中性鹽(NaCl、Na2SO4)和堿性鹽(Na2CO3、NaHCO3)是內陸蘇打鹽堿土的主要鹽堿成分，其pH較高，造成土壤理化性狀不良，嚴重影響植物生長[2]。在自然環(huán)境中，鹽、堿脅迫對栽培植物和野生植物的抑制作用通常同時存在，其中，鹽堿脅迫對植物種子萌發(fā)和苗期生長發(fā)育的影響更是人們關注的焦點問題，但植物種子萌發(fā)和幼苗生長對鹽堿脅迫的響應因植物種類、鹽堿類型的不同而表現(xiàn)出差異。如苦馬豆(Swainsoniasalsula)萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)隨鹽濃度增加逐漸減少[3]；采用NaCl對耐鹽和不耐鹽高粱(Sorghumbicolor)品種的種子引發(fā)試驗表明，隨著鹽濃度的增加，鹽脅迫下高粱種子發(fā)芽率降低，幼苗生長受到抑制，生物量減少[4]；低濃度NO3-促進黃瓜(Cucumissativus)種子萌發(fā)，而隨著鹽濃度增加，黃瓜的胚根總面積和總長度逐漸減少[5]；低濃度NaHCO3及其混合鹽促進芨芨草(Achnatherumsplendens)種子的發(fā)芽[6]；知母(Anemarrhenaasphodeloides)種子萌發(fā)和幼苗生長隨著NaCL濃度增加受到抑制，發(fā)芽率顯著降低[7]。

菊芋(Helianthustuberosus)又名洋姜、鬼子姜，菊科向日葵屬，多年生草本植物。菊芋塊莖菊糖含量豐富，約占干物質70%～90%[8]；菊糖是果糖的聚合物，外切型菊粉酶可將其分解為單個果糖，再經(jīng)發(fā)酵生產(chǎn)乙醇，轉化率高達83%～99%[9-10]，是生物乙醇和菊粉加工的優(yōu)質原材料。針對菊芋的研究逐漸受到國內外學者的關注，分別從菊芋的收獲時間、肥料管理、種植密度、水分管理等角度就如何提高菊芋塊莖產(chǎn)量進行了大量研究[11-14]。近年來，菊芋耐鹽堿特性的研究逐漸受到學者關注，不同學者對鹽堿脅迫下菊芋幼苗生長、光合作用、抗氧化作用、離子吸收運輸?shù)确矫孢M行了研究[15-18]，為開發(fā)菊芋作為鹽堿地栽培植物奠定了基礎。菊芋塊莖萌發(fā)和幼苗生長是其生長發(fā)育的重要階段，對菊芋在鹽堿環(huán)境下的栽培與利用具有重要的指導意義。本研究通過對不同鹽堿脅迫條件下2種菊芋品種(系)塊莖萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)、生物量、株高、主根長、須根長、莖稈直徑、須根直徑、主根直徑、葉片數(shù)、葉面積等的研究，探討不同的鹽堿脅迫對菊芋塊莖萌發(fā)、幼苗生長的影響，為了解菊芋適應不同鹽堿脅迫機理及在鹽堿條件下的開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

1.1.1溶液配制 配制0、100、200、300 mmol·L-14個濃度梯度的NaCl溶液，利用Na2CO3將各濃度的鈉鹽溶液調pH至7、8、9、10。

1.1.2試驗材料 供試菊芋2015年種植，并于2016年4月挖取塊莖供試驗用，品種為通遼地區(qū)鄉(xiāng)土品種白皮和紅皮菊芋，選取無病、無傷、重量為30～40 g的塊莖為鹽堿脅迫對象。

1.1.3試驗處理 試驗采用2(菊芋品種)×4(鈉鹽濃度)×4(pH)，3因素試驗，共計32個處理，每個處理5個重復，共計160盆。

將菊芋塊莖用清水洗凈后，埋入高30 cm、直徑60 cm、內裝7.5 kg 細沙的圓形培養(yǎng)缽內，每個培養(yǎng)缽內播入30枚塊莖。塊莖種入培養(yǎng)缽后，按照試驗處理向培養(yǎng)缽內澆入1 000 mL不同鹽堿濃度的溶液，同時稱重，記錄每個培養(yǎng)缽的初始重量。每天對培養(yǎng)缽進行稱重，按照重量差值補充蒸發(fā)失去的水量。

1.2 測定指標與方法

萌發(fā)率：從第1株菊芋萌發(fā)開始每天記錄萌發(fā)個數(shù)，連續(xù)記錄至沒有變化為止。

萌發(fā)率(Gt)=(萌發(fā)塊莖數(shù)/播塊莖數(shù))×100%，

萌發(fā)速度指數(shù)(GI)=∑Gt/t。

式中：Gt為t天內的發(fā)芽數(shù)；t為相應的萌發(fā)天數(shù)。

脅迫45 d后，每個培養(yǎng)缽內隨機取菊芋10株，清洗干凈后進行葉、葉柄、莖、主根、須根等器官分離，分別稱量各器官鮮重，在105 ℃下殺青15 min，80 ℃下烘干，稱重，測定干物質量。

株高：脅迫45 d后，對所取的10株菊芋幼苗進行株高測量。

主根根長和直徑：與株高測定同步，測量地表以下到植株主根最底端的長度，即為主根長。利用螺旋測微器測定離地面3 cm處的主根粗作為主根直徑。

一級須根根長和直徑：對所取的每株菊芋隨機挑選10條主根上的須根測量須根的長度，測量離主根1 cm處須根的直徑作為一級須根直徑。

二級須根長：每株菊芋隨機挑選10條生長在一級須根上的須根，進行測定。

莖稈直徑：與測定菊芋株高的取樣植株一致，利用螺旋測微器測定離地面3 cm處的莖稈直徑。

葉片數(shù)：記錄所取10株菊芋的全株葉片數(shù)量。

葉面積利用葉面積儀測定所取10株菊芋的全部葉片葉面積，計算平均值作為該株菊芋葉面積。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計分析軟件DPS對不同品種及不同鈉鹽濃度和pH條件下菊芋塊莖的萌發(fā)率、萌發(fā)速度指數(shù)及其主根直徑、主根長度等相關數(shù)據(jù)進行多因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 總體方差分析

2.1.1鹽堿脅迫對菊芋塊莖萌發(fā)的影響 鈉鹽濃度和品種+鈉鹽對菊芋塊莖萌發(fā)率和萌發(fā)速度指數(shù)均有極顯著影響(P<0.01)。品種和品種+pH+鈉鹽對發(fā)芽率具有極顯著影響(P<0.01);品種和品種+pH+鈉鹽對萌發(fā)速度指數(shù)具有顯著影響(P<0.05)。其他各因素對菊芋塊莖發(fā)芽率和萌發(fā)速度指數(shù)均沒有顯著影響(P>0.05)(表1)。

2.1.2鹽堿脅迫對菊芋株高的影響 pH、鈉鹽、品種×鈉鹽、pH×鈉鹽、品種×pH ×鈉鹽對菊芋株高均有極顯著影響(P<0.01);品種+pH值對菊芋株高具有顯著影響(P<0.05);品種對菊芋株高影響不顯著(P>0.05)(表1)。

2.1.3鹽堿脅迫對菊芋葉片的影響 品種對葉片數(shù)和葉片重量具有顯著影響(P<0.05);品種+pH對葉面積具有顯著影響(P<0.05);品種+pH+鈉鹽對葉片重具有顯著影響(P<0.05);品種+pH+鈉鹽對葉柄重具有顯著影響(P<0.05)；pH和鈉鹽對葉片數(shù)量、葉片重和葉面積具有極顯著影響(P<0.01)；品種+pH+鈉鹽和pH+鈉鹽對葉片數(shù)和葉面積具有極顯著影響(P<0.01)；品種+鈉鹽對葉片數(shù)和葉片重具有極顯著影響(P<0.01)；品種、pH、鈉鹽、品種+pH、品種+鈉鹽對葉柄重均具有極顯著影響(P<0.01)(表1)。

2.1.4鹽堿脅迫對菊芋莖稈的影響 pH和鈉鹽對莖稈重具有極顯著影響(P<0.01)；pH+鈉鹽對莖稈重具有顯著影響(P<0.05)；其他因素對莖稈重沒有顯著影響(P>0.05)。品種+pH對莖稈直徑具有顯著影響(P<0.05)；其他因素對莖稈直徑影響均達到極顯著水平(P<0.01)(表1)。

2.1.5鹽堿脅迫對菊芋根系的影響 pH和鈉鹽對主根直徑、一級須根直徑、主根重、須根重、主根長、一級須根長和二級須根長均具有極顯著影響(P<0.01)；品種對主根直徑、一級須根直徑、主根重、主根長和一級須根長均具有極顯著影響(P<0.01)；品種+pH對主根重具有極顯著影響(P<0.01)；品種+鈉鹽、pH+鈉鹽和品種+pH+鈉鹽對一級須根直徑、主根長和二級須根長具有極顯著影響(P<0.01)；品種+鈉鹽和品種+pH+鈉鹽對主根直徑具有極顯著影響(P<0.01)。品種+鈉鹽和pH+鈉鹽對一級須根長具有極顯著影響(P<0.01)；pH+鈉鹽對須根重有極顯著影響(P<0.01)；品種+鈉鹽和pH+鈉鹽對主根重具有顯著影響(P<0.05)；品種+pH對一級須根長有顯著影響(P<0.05)(表1)。

2.2 品種因子對菊芋塊莖萌發(fā)及苗期生長發(fā)育的影響

白皮菊芋發(fā)芽率、葉柄重、莖稈直徑、主根直徑、一級須根直徑、主根重、主根長和一級須根長均極顯著高于紅皮菊芋(P<0.01)。白皮菊芋萌發(fā)速度指數(shù)和葉片數(shù)顯著高于紅皮菊芋(P<0.05)。紅皮菊芋葉片重顯著高于白皮菊芋(P<0.05)。株高、葉面積、莖稈重、須根重和二級須根長兩品種之間差異不顯著(P>0.05)(表2)。

2.3 pH對菊芋塊莖萌發(fā)及苗期生長發(fā)育的影響

不同pH條件下菊芋發(fā)芽率順序為pH 10>pH 8>pH 7>pH 9，其中pH 10條件下，菊芋發(fā)芽率顯著高于pH 9處理(P<0.05)，pH 8、 pH 7和pH 9處理之間差異不顯著(P>0.05)。萌發(fā)速度指數(shù)隨pH增加逐漸升高，其中pH 10條件下，菊芋萌發(fā)速度指數(shù)顯著高于pH 7處理(P<0.05)，其他pH處理條件下，菊芋萌發(fā)速度指數(shù)差異不顯著(P>0.05)。隨pH的升高菊芋株高、葉片數(shù)、葉面積、莖稈直徑、主根直徑、一級須根直徑、主根長、一級須根長和二級須根長逐漸增加，且pH 10處理各項指標均極顯著高于其他pH處理(P<0.01)(表3)。

pH 9條件下，主根直徑的觀測值極顯著高于pH 7處理(P<0.01)，pH 8和pH 9處理之間差異不顯著(P>0.05)。在4個pH條件下，莖稈直徑和一級須根直徑的觀測值之間極顯著差異(P<0.01)。在pH 7條件下，株高、主根直徑和主根長3個指標觀測值最小，極顯著低于其他pH條件下的觀測值(P<0.01)，pH 8和pH 9處理之間差異不顯著(P>0.05)(表3)。

葉片重、葉柄重、莖稈重、主根重和須根重的觀測指標隨pH增加而降低，pH為7時各項指標的觀測值均極顯著高于其他pH(P<0.01)，葉片重和莖稈重在pH 8條件下極顯著高于pH 9和pH 10處理(P<0.01)，pH 9 和pH 10處理二者之間差異不顯著(P>0.05)。在pH 10條件下，主根重的觀測值極顯著低于其他pH處理(P<0.01)，pH 8和pH 9處理之間差異顯著(P<0.05)。在pH 10條件下，葉柄重和須根重的觀測值極顯著低于pH 8處理(P<0.01)，pH 8和pH 9處理以及pH 9和pH 10處理之間差異不顯著(P>0.05)(表3)。

表1 方差分析Table 1 Analysis of Variance

表2 品種因子對菊芋塊莖萌發(fā)及苗期生長發(fā)育的影響Table 2 The effects of different lines on germination and seedling growth of Helianthus tuberosus

同列不同大小寫字母分別表示差異極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)。下同。

Different capital and lowercase letters within the same column indicate significant difference at 0.01 and 0.05 levels, respectively; similarly for the following tables.

表3 pH對菊芋塊莖萌發(fā)及苗期生長發(fā)育的影響Table 3 The effect of pH on germination and seedling growth of Helianthus tuberosus

2.4 鈉鹽對菊芋塊莖萌發(fā)及苗期生長發(fā)育的影響

隨著鹽濃度的增加發(fā)芽率、株高、葉片數(shù)、葉片重、葉面積、葉柄重、莖稈重、莖稈直徑、主根直徑、一級須根直徑、主根重、須根重、主根長、一級須根長和二級須根長均降低。株高、葉片數(shù)、葉片重、葉面積、莖稈重、一級須根直徑、須根重、一級須根長和二級須根長的指標觀測值在不同鹽濃度之間表現(xiàn)為極顯著差異(P<0.01)。發(fā)芽率、莖稈直徑、主根直徑、主根重和主根長的指標觀測值在0和100 mmol·L-1之間差異不顯著(P>0.05)，但0和100 mmol·L-1處理下的觀測值極顯著高于200和300 mmol·L-1(P<0.01)，300 mmol·L-1處理下觀測值極顯著低于其他濃度(P<0.01)。萌發(fā)速度指數(shù)在不同鹽濃度處理下的觀測值大小順序為100>200>0>300 mmol·L-1，100 mmol·L-1處理下極顯著高于其他各濃度(P<0.01)，300mmol·L-1處理下的觀測值極顯著低于其他各濃度(P<0.01)，0和200 mmol·L-1之間差異不顯著(P>0.05)(表4)。

表4 鹽濃度對菊芋塊莖萌發(fā)及苗期生長發(fā)育的影響Table 4 Effect of salt strength on germination and seedling growth in the jerusalem artichoke

3 討論與結論

鹽堿脅迫是影響植物種子萌發(fā)的主要外因之一，有關鹽堿脅迫對種子萌發(fā)的影響也是相關學者研究的熱點問題。但不同種子萌發(fā)率和萌發(fā)速度指數(shù)對鹽堿脅迫的響應情況也不盡相同，如：低鹽堿能夠促進種子萌發(fā)[19-21]，而隨著鹽堿脅迫濃度的增加，新疆野豌豆(Viciasativa)、燕麥(Avenasativa)、甜瓜(Cucumismelo)等種子萌發(fā)率呈現(xiàn)下降趨勢[22-23]。本研究菊芋塊莖隨著鹽濃度的增加發(fā)芽率呈逐漸降低的變化趨勢，萌發(fā)速度指數(shù)呈先升高后降低的變化趨勢。萌發(fā)率降低主要是由于高鹽環(huán)境條件下，菊芋塊莖不能從外界環(huán)境吸收充足水分的同時，其自身塊莖所含的水分還會出現(xiàn)部分外滲現(xiàn)象，致使合成塊莖萌芽所需要的各種酶類和結構蛋白受阻，難以完成細胞分化，從而降低發(fā)芽率；而在低鹽情況下，菊芋塊莖發(fā)芽率高且發(fā)芽速率快(低鹽下萌發(fā)率是降低的，但差異不顯著，見表4)，但萌發(fā)指數(shù)顯著提高，這說明低鹽環(huán)境能促進菊芋塊莖萌發(fā)。從統(tǒng)計學分析結果(表1)可以看出鈉鹽對菊芋塊莖萌發(fā)率、萌發(fā)速度指數(shù)的影響要高于pH，這表明鈉鹽對塊莖萌發(fā)的影響要高于pH。也就是說鈉鹽脅迫是鹽堿生境條件下菊芋塊莖萌發(fā)階段所面對的主要脅迫，堿對菊芋塊莖萌發(fā)的影響相對較小。

鹽堿脅迫對植物種子萌發(fā)的影響不僅表現(xiàn)在萌發(fā)率和萌發(fā)速度指數(shù)上，對幼苗生長、幼株的各種形態(tài)指標均具有一定的影響；并且已有研究證明鹽堿脅迫能夠造成植物生長發(fā)育遲緩[24]。鹽脅迫能夠導致葉片、莖稈、根系鮮重和干重明顯降低，如番茄(Lycopersiconesculentum)隨著鹽濃度的增加，枝條重、株重、葉片數(shù)、根長和根表面積等均顯著下降[25]。本研究中菊芋株高、葉片數(shù)量、葉片重、葉面積、葉柄重、莖稈重、莖稈直徑、主根直徑、須根直徑、主根重、須根重、主根長度、一級須根和二級須根均隨著鹽濃度的增加呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢，該結論也進一步證實了鹽堿脅迫能夠造成植物生長發(fā)育遲緩。同時，鹽堿脅迫對菊芋塊莖萌發(fā)及幼苗生長均具有一定的影響，且鹽堿脅迫對本研究中所測定的各項指標基本呈負面影響，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是鹽離子毒害和滲透脅迫共同作用的結果[26-28]。