模擬鹽和干旱脅迫對4種虉草雜交后代種子萌發(fā)的影響

斯日古楞，張玉霞，韓雪梅，田 甜，王宏鵬，胡 潔

(內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 024800)

科爾沁地區(qū)位于北方的半干旱區(qū)域，年均降水量300～400 mm，除氣候干旱外，土壤鹽堿化也較嚴重。是該區(qū)作物生產(chǎn)和種植優(yōu)良牧草的重要的制約因素[1]。因此，培育適應(yīng)當(dāng)?shù)胤N植的牧草品種就顯得尤為重要。虉草(Phalarisarundinacea)在科爾沁地區(qū)有天然的分布，培育對科爾沁地區(qū)干旱、鹽堿的環(huán)境有適應(yīng)性的新品種是此次研究的宗旨。虉草具有很高的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值，可作為新能源材料，也可作為護坡、水體富營養(yǎng)化的指示植物。張永亮等[2-5]對虉草抗鹽堿性方面進行了研究，并選育出‘通草1號’品種。在選育過程中，虉草品系在抗堿方面都有較好的表現(xiàn)，但抗鹽方面表現(xiàn)都較差[3-5]。試驗對虉草雜交后代模擬干旱及鹽脅迫條件下的萌發(fā)情況進行研究，旨在為虉草耐鹽性雜交后代的選育提供基礎(chǔ)材料和科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

虉草雜交品系YC10902、YC11101、YC11002、YC108由內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供。供試種子2017年采集于內(nèi)蒙古民族大學(xué)科學(xué)技術(shù)園區(qū)，待種子成熟后晾干清選后分別裝入紙袋，并在4℃下冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗方法

萌發(fā)試驗在室溫25℃利用花盆培養(yǎng)法。花盆底徑20 cm，內(nèi)鋪一層保鮮膜防止水分的滲漏，沙子和蛭石4∶1的比例混合裝入花盆，種子播種之前400 mg/L GA3浸種24 h，每盆播50粒種子，播種深度2 cm，覆土后澆4種處理液500 mL，4種處理分別為(水、100 mmol/L NaCl、10%PEG、100 mmol/L NaCl+10%PEG)，每個處理3次重復(fù)。每天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)目，試驗周期15 d。

1.3 測定指標(biāo)

測定萌發(fā)(出苗)率、萌發(fā)(出苗)指數(shù)、活力指數(shù)、胚根和胚芽長。

萌發(fā)(出苗)率=(n/N)×100%

式中：n為供試種子中萌發(fā)(出苗) 的種子數(shù);N為供試種子數(shù)。

萌發(fā)(出苗)指數(shù)=∑(Gt/Dt)

式中：Gt為供試種子中與Dt相對應(yīng)每天萌發(fā)(出苗)的種子數(shù);Dt為萌發(fā)天數(shù)。

活力指數(shù)=Gi×Sx

式中:Gi為萌發(fā)指數(shù)；Sx為根平均長度[6]

胚根和胚芽長的測定是從每個處理的花盆內(nèi)隨機取20個正常生長的幼苗用直尺進行胚根和胚芽長的測量，不夠20株的全部測量，取平均值[7]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1.4.1 各項指標(biāo) 耐鹽系數(shù)=鹽處理值/對照值；耐旱系數(shù)=PEG處理值/對照值；交互作用影響系數(shù)=交互處理值/對照值。

1.4.2 不同處理下的隸屬函數(shù)評價 采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬法進行綜合評價。按照公式Fij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，計算各品種每個指標(biāo)在各種處理時的隸屬值。

式中：Fij為i品種j性狀指標(biāo)測定的具體隸屬值，Xij為i品種j性狀的萌發(fā)指數(shù)值，Xjmin和Xjmax分別為所有品種的j性狀中萌發(fā)指數(shù)值的最小、最大值；最大值取1，最小值取0。求出各品種每個性狀指標(biāo)在所有處理下的平均值，計算各品種5個性狀指標(biāo)的平均值，即該品種的具體隸屬度。然后用隸屬度大小進行排序。

1.4.3 數(shù)據(jù)處理 采用DPS 15.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析，樣本間的差異顯著性用Duncan檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl處理對不同品種種子萌發(fā)的影響

不同虉草雜交后代之間，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽長、活力指數(shù)的耐鹽系數(shù)變異范圍較大，用單一指標(biāo)判斷各材料的耐鹽性，其結(jié)果并不完全一致。從根長和芽長分析，YC11101的耐鹽系數(shù)最大，YC11002和YC10902的耐鹽系數(shù)較??；活力指數(shù)，YC108的耐鹽系數(shù)最大；YC11101的發(fā)芽率耐鹽系數(shù)最高；YC108的發(fā)芽指數(shù)耐鹽系數(shù)最高。因為單個指標(biāo)對萌發(fā)的影響評價并不完全，所以利用隸屬函數(shù)對其進行綜合評價，以隸屬度排序其耐鹽性為：YC108>YC10902>YC11101>YC11002(表1)。

表1 NaCl處理下的各項指標(biāo)耐鹽系數(shù)及隸屬度

注：同列不同大寫字母表示同一指標(biāo)下不同品種相比差異極顯著(P<0.01)，下同

2.2 干旱處理對不同品種種子萌發(fā)的影響

在PEG-600模擬干旱處理下，5個指標(biāo)在耐旱系數(shù)上存在較大變異差異。從單一指標(biāo)上分析，YC11101在根長、芽長和發(fā)芽率的耐旱系數(shù)上均有最高值；從發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的耐旱系數(shù)，YC108最高；而YC10902的發(fā)芽率、芽長和活力指數(shù)的耐旱系數(shù)都最低，4個品系沒有極顯著的差異。從耐旱隸屬度排序為：YC108> YC11101> YC11002> YC10902(表2)。

表2 干旱處理下的各項指標(biāo)耐旱系數(shù)

2.3 交互脅迫處理對不同品種種子萌發(fā)的影響

在鹽和干旱交互處理下，YC11101的根長、芽長和活力指數(shù)的耐脅迫系數(shù)最大，YC11002的則最??；YC108的發(fā)芽率耐鹽脅迫系數(shù)最高，YC10902的發(fā)芽率耐脅迫系數(shù)最低；YC11002的發(fā)芽指數(shù)耐脅迫系數(shù)最高，YC108的發(fā)芽指數(shù)耐脅迫系數(shù)最低，YC11101與其他3個品系有極顯著的差異。因為單個指標(biāo)對萌發(fā)的影響評價不完全，所以利用隸屬函數(shù)對其進行綜合評價，以隸屬度排序其耐脅迫程度為：YC11101> YC108>YC10902>YC11002(表3)。

表3 交互脅迫處理下的耐鹽旱系數(shù)及隸屬度

3 討論

3.1 鹽分對種子萌發(fā)的影響

鹽脅迫對植物的影響涉及到植物生長發(fā)育的各方面，包括種子萌發(fā)，營養(yǎng)生長和生殖發(fā)育。試驗中鹽脅迫的不利影響不僅出現(xiàn)在虉草種子萌發(fā)初期，在苗后生長期也有顯著的影響。鹽脅迫給植物帶來滲透脅迫、離子毒害、營養(yǎng)元素的虧缺和氧化應(yīng)激等危害[8]。高鹽濃度導(dǎo)致植物從土壤中吸收水分受到限制且在細胞壁積累的鈉離子可迅速導(dǎo)致細胞死亡[9]。離子毒害主要體現(xiàn)在生物化學(xué)反應(yīng)中的Na+和K+置換以及Na+和Cl-結(jié)合引起的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化。K+是代謝酶輔助因子，也是tRNA與核糖體結(jié)合合成蛋白質(zhì)所需的離子[10-11]，如被Na+取代，不僅造成離子毒害和滲透脅迫，導(dǎo)致植物代謝失衡，更可造成氧化損傷[12]。從而測定植物耐鹽性的指標(biāo)也與鹽脅迫危害相關(guān)聯(lián)。在植物種子萌發(fā)期主要測定發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長和芽長等指標(biāo)；生長后期主要采用各個受脅迫部分中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、保護酶類系統(tǒng)和離子濃度等測定。王曉龍等[13]對5種禾本科牧草種子萌發(fā)期及幼苗進行鹽脅迫的試驗，從發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、耐鹽指數(shù)等方面對其進行了評價。趙明德等[14]對青藏高原4種牧草的耐鹽性評價試驗中，其滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、保護酶系統(tǒng)和根長芽長等特征在處理前后都發(fā)生了顯著的變化。辛慧慧等[15]在評價披堿草屬3種牧草的耐鹽性時測定了與滲透脅迫調(diào)節(jié)相關(guān)的生理指標(biāo)，這些指標(biāo)在處理前后也出現(xiàn)了顯著的變化。陳彬等[16]對5種禾本科牧草耐鹽性的研究中，采用測定細胞保護酶類作為評價指標(biāo)，對5個品種做出了耐鹽性強弱的排序。還有報道將上述這些指標(biāo)做主成分分析，將數(shù)個達到累計貢獻率達80%以上的指標(biāo)作為主成分進行重點研究和評價。試驗材料在模擬鹽脅迫下，隨處理時間的延長，根長、芽長、發(fā)芽率等指標(biāo)都有不同程度的變化，根長有顯著變化的是YC11002，芽長有顯著變化的是YC10902，發(fā)芽率有顯著變化的是YC10902，說明雖然鹽脅迫濃度及時間都相同，但是各個品系對鹽脅迫的應(yīng)答卻不盡相同。鹽脅迫主要限制品系YC11002的胚根延長，而對品系YC10902的影響主要表現(xiàn)在限制胚芽的伸長，而胚根在種子萌發(fā)過程中深入土壤中吸收水分及營養(yǎng)，以供種子進一步的萌發(fā)；胚芽伸出土壤后進行光合作用以維持新生機體所需的碳水化合物，因此，胚根和胚芽的生長受到限制后植株就難以繼續(xù)存活。

3.2 干旱對種子萌發(fā)的影響

干旱在科爾沁地區(qū)作為牧草生產(chǎn)的主要限制因素之一，不僅影響植物的生長發(fā)育，還降低牧草的生產(chǎn)及再生，甚至導(dǎo)致植物的死亡。植物對干旱脅迫的響應(yīng)主要表現(xiàn)在形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化、水分虧缺、細胞膜系統(tǒng)受損、光合作用的變化、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化、抗氧化酶活性的變化以及植物激素類物質(zhì)的變化等方面。對于種子萌發(fā)期的干旱危害主要表現(xiàn)在對種子發(fā)芽特征的影響，降低發(fā)芽率和出苗整齊一致度。研究從根長、芽長、發(fā)芽率等指標(biāo)分析，品系YC10902是對干旱脅迫最敏感的材料，其他3個品系根長、芽長和發(fā)芽率等指標(biāo)也隨著處理時間的延長有不同程度的下降。與其他學(xué)者研究結(jié)果相同，姜生秀等[17]對2種沙冬青種子進行干旱脅迫后，其種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢、日相對發(fā)芽率受到不同程度的抑制，萌發(fā)進程推遲，胚芽長和胚根長也受到抑制，萌發(fā)種子含水量下降；譚春燕等[18]利用相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、種子抗旱指數(shù)、幼苗活力指數(shù)、幼苗活力抗旱指數(shù)、種子萌芽抗旱指數(shù)、儲藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運率等指標(biāo)將20份春大豆材料分為強、弱、中3個耐干旱等級；李偉等[19]利用PEG-600模擬干旱對小麥品種進行抗旱性評價，得出隨著PEG濃度的提高4個小麥品種種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)抗旱指數(shù)、葉片長度均隨PEG 濃度增加而逐漸降低；程波等[20]對內(nèi)蒙古半干旱地區(qū)經(jīng)常種植的5種苜蓿品種種子的抗旱性進行評價，結(jié)果表明不同滲透勢的PEG溶液對5種紫花苜蓿種子的萌發(fā)均有抑制作用，且抑制效果隨著滲透勢的降低而增強。

3.3 交互作用對種子萌發(fā)的影響

大田生產(chǎn)中干旱和鹽分影響往往同時存在，研究兩者的交互作用對種子的萌發(fā)比研究單個因素對種子萌發(fā)的影響更有具有科學(xué)意義。宗莉等[21]在研究干旱、鹽分和發(fā)芽溫度對黑果枸杞種子萌發(fā)的影響研究中報道，在單因素干旱和鹽分脅迫條件下3個因素對黑果枸杞種子的萌發(fā)有極顯著的抑制作用，在干旱和鹽交互處理中，對種子有顯著的抑制作用，三者的影響程度大小排序為PEG> NaCl>溫度。試驗中單因素在發(fā)芽率、根長等方面有顯著影響，而交互作用在發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)方面有顯著影響，而對于芽長，單因素和交互脅迫之間無顯著差異。這說明干旱或者鹽分脅迫在種子萌發(fā)的具體指標(biāo)上具有更強的抑制作用。除了研究交互作用對種子萌發(fā)的指標(biāo)外，學(xué)者們常利用一些生理生化指標(biāo)來表示脅迫的影響。于振旭等[22]在研究干旱和鹽分交互脅迫對桑樹部分生理生化指標(biāo)的影響研究中發(fā)現(xiàn)干旱是影響桑樹光合作用、蒸騰作用和SOD等生理生化性狀的主導(dǎo)因子， 而土壤鹽分的影響作用不明顯；但鹽分與干旱交互脅迫，會加重對桑樹滲透調(diào)節(jié)功能的影響。楊樹德等[23]也利用葉片相對含水量(RWC)，膜脂過氧化產(chǎn)物(MDA)和抗氧化酶活力(SOD，POD，CAT)及滲透調(diào)節(jié)物含量(脯氨酸，可溶性蛋白)等指標(biāo)來研究干旱和鹽分交互脅迫作用對16種冬小麥品種的生理調(diào)節(jié)差異性。

4 結(jié)論

種子萌發(fā)不僅要具備自身的條件還需要適宜的環(huán)境因素，而干旱和鹽分等外部環(huán)境因素是常見的逆境條件。種子往往通過形態(tài)特征的變化或調(diào)節(jié)參與特定生理生化反應(yīng)的物質(zhì)來應(yīng)對逆境，這些物質(zhì)包括膜脂過氧化物、抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。從單一處理的隸屬度排序分析，YC108品種(系)在鹽和干旱單獨脅迫情況下，均有較好的表現(xiàn)。在交互處理的隸屬度綜合評價下YC11101有最好的表現(xiàn)，YC108僅次于YC11101。除此之外，虉草種子萌發(fā)指數(shù)低與其種子具有休眠性也相關(guān)[24]，其次虉草無性繁殖能力較強，這也可能是影響其種子繁殖不利的因素。