模擬鹽脅迫對高山紫菀種子萌發(fā)及幼胚生長的影響

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院， 山西 太谷 030801)

我國鹽堿地總面積約9 914萬hm2，居世界第3位，主要分布于西北、東北、華北及濱海等地區(qū)，且鹽堿地的面積有著逐漸增加的趨勢[1-2]。鹽堿地鹽濃度高，產(chǎn)生鹽脅迫可對植物造成滲透脅迫、離子毒害以及營養(yǎng)虧缺等方面的傷害，影響植物正常的生長發(fā)育[3]。種子萌發(fā)期對鹽濃度的變化最為敏感，同時受到鹽脅迫的影響程度也最大[4]。植物作為生態(tài)城市建設(shè)的重要載體[5]，其種子萌發(fā)是植株正常生長、產(chǎn)生生態(tài)效益及園林觀賞價(jià)值的前提。因此篩選在鹽脅迫下萌發(fā)良好的植物種子，對于豐富應(yīng)用于鹽堿地區(qū)城市生態(tài)建設(shè)的園林植物資源具有一定意義。

高山紫菀(AsteralpinusL.)是菊科(Compositae)紫菀屬(Aster)多年生草本植物。舌狀花紫羅蘭色，偶有粉或白色，管狀花黃色，花色豐富，株型優(yōu)美，具有良好的園林觀賞價(jià)值[6]。目前對高山紫菀的研究多限于分類學(xué)研究、抗旱性及花粉形態(tài)研究[7-9]，對于高山紫菀種子的耐鹽性研究還未見報(bào)導(dǎo)。因此本試驗(yàn)以高山紫菀種子為材料，研究鹽脅迫對種子萌發(fā)的影響，以期為高山紫菀在鹽堿地區(qū)作為園林植物的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試高山紫菀種子購自北京千年大地草業(yè)生態(tài)科技開發(fā)有限公司。配置濃度梯度為0.30%、0.60%、0.90%、1.20%、1.50%的NaCl、Na2SO4、MgCl2及復(fù)合鹽溶液(NaCl∶Na2SO4=2∶1)模擬鹽脅迫，并設(shè)置蒸餾水處理作為對照(ck)。

選取形態(tài)完整，大小一致，飽滿健康的種子，用濃度0.10%的HgCl2浸泡消毒10 min，用蒸餾水沖洗3次、吸干。在培養(yǎng)皿(Φ=90 mm)中鋪入2層濾紙，每個培養(yǎng)皿中放置50粒種子，分別加入上述鹽溶液10 mL，每處理重復(fù)3次。將培養(yǎng)皿稱重并記錄，蓋上培養(yǎng)皿上蓋，放置于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天根據(jù)記錄的培養(yǎng)皿重量，加入蒸餾水，保證培養(yǎng)皿中鹽溶液濃度不變[10]。胚芽長度大于種子直徑2倍視作種子開始萌發(fā)[11]，每天觀察并記錄種子發(fā)芽數(shù)，當(dāng)種子連續(xù)3 d不再發(fā)芽，視為種子發(fā)芽結(jié)束。

1.2 測定指標(biāo)與方法

發(fā)芽率(%)=(n/N)×100%；式中，n為脅迫處理發(fā)芽種子數(shù)，N為種子總數(shù)[12]；

相對發(fā)芽率(%)=(n/Cn)×100%；式中，Cn為對照種子發(fā)芽數(shù)；

發(fā)芽勢(%)=(G/N)×100%；式中，G為第7天種子發(fā)芽數(shù)[13];

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt；式中，Gt為不同天數(shù)發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)發(fā)芽天數(shù)。

鹽害指數(shù)=[(Cn-n)/Cn]×100%。

耐鹽濃度[14]：以鹽濃度為自變量(x)，以4種鹽脅迫下的相對發(fā)芽率為因變量(y)建立3次曲線函數(shù)方程，相對發(fā)芽率為75%、50%和10%所對應(yīng)的鹽溶液濃度分別作為種子耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度和耐鹽極限濃度。

種子發(fā)芽結(jié)束后，每個處理隨機(jī)選取20個幼胚，測量胚根長、胚芽長，使用葉面積儀(FS-3080 D)測定葉面積。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2017軟件完成數(shù)據(jù)處理及圖表繪制；采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行one-wayANOVA分析及曲線回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對種子萌發(fā)的影響

由表1可知，鹽溶液種類及同種鹽溶液不同濃度梯度對高山紫菀種子發(fā)芽率的影響不同。各濃度Na2SO4、NaCl和復(fù)合鹽脅迫下發(fā)芽率均顯著小于ck(p<0.05)。0.30%濃度Na2SO4鹽溶液處理下發(fā)芽率顯著小于ck(p<0.05)，但高于其他濃度處理；1.50%濃度處理的低于其他濃度處理，是ck的30.82%。NaCl、復(fù)合鹽脅迫下，種子發(fā)芽率隨鹽溶液濃度升高呈降低趨勢。0.60%濃度NaCl鹽脅迫的比0.30%濃度的下降了36.00%(p<0.05)，1.50%濃度的比0.60%濃度的下降了28.66%(p<0.05)。復(fù)合鹽溶液處理下，1.50%濃度的顯著小于0.30%濃度(p<0.05)。濃度為0.30% MgCl2鹽溶液處理的與ck無顯著性差異(p<0.05)，0.60%、0.90%及以上濃度處理對發(fā)芽率影響相同。

表1 NaCl、Na2SO4、MgCl2及復(fù)合鹽對高山紫菀種子發(fā)芽的影響

指標(biāo)濃度/%Na2SO4NaClMgCl2復(fù)合鹽發(fā)芽率/%ck88.67±6.43a88.67±6.43a88.67±6.43a88.67±6.43a0.3072.67±11.02b69.33±12.22b80.00±7.21ab62.00±9.17b0.6054.67±8.33c33.33±2.31c68.67±11.02b52.67±3.06b0.9060.67±8.33bc22.00±6.00cd68.67±5.77b38.00±9.17c1.2038.67±4.62d19.33±4.16d52.00±7.21c15.33±10.07d1.5027.33±7.02d4.67±6.43e42.67±1.15c4.67±6.43d發(fā)芽勢/%ck85.33±6.11a85.33±6.11a85.33±6.11a85.33±6.11a0.3067.33±10.26b56.00±6.93b76.00±5.29b58.00±8.72b0.6052.00±6.00c18.00±4.00c60.00±5.29c46.67±2.31c0.9052.00±6.93c12.67±6.43c60.00±3.46c27.33±7.02d1.2026.67±4.62d9.33±2.31cd40.67±3.06d8.00±6.93e1.5022.00±10.00d0.67±1.15d36.00±0.00d1.33±2.31e發(fā)芽指數(shù)ck83.35±6.55a83.35±6.55a83.35±6.55a83.35±6.55a0.3057.35±7.25b53.69±7.70b69.82±4.70b52.37±9.72b0.6044.80±4.54c19.75±0.90c54.75±5.93c42.34±1.14b0.9044.30±5.41c12.09±4.33cd53.40±4.48c25.00±7.22c1.2023.75±2.07d10.00±1.90de35.22±3.17d8.35±5.74d1.5016.15±5.01d2.15±2.99e29.12±2.72d2.22±3.21d

注：表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；不同小寫字母表示處理間顯著差異(p<0.05)。下同。

表2 NaCl、Na2SO4、MgCl2及復(fù)合鹽對高山紫菀種子的鹽害指數(shù)

指標(biāo)濃度/%Na2SO4NaClMgCl2復(fù)合鹽鹽害指數(shù)/%ck0.00±0.00d0.00±0.00e0.00±0.00c0.00±0.00d0.3018.10±10.81c21.77±13.47d9.62±8.34c29.42±14.75c0.6037.78±13.18b62.24±4.27c22.85±7.33b40.40±5.48c0.9030.99±13.61bc74.81±8.34bc22.40±7.17b57.30±8.78b1.2056.16±6.88a78.10±5.20b41.47±5.46a82.68±11.79a1.5068.71±9.89a95.04±6.64a51.78±2.15a95.04±6.64a

各鹽脅迫下，種子發(fā)芽勢均顯著小于ck(p<0.05)。Na2SO4、MgCl2鹽溶液處理組0.30%濃度下，發(fā)芽勢顯著小于ck(p<0.05)，同種鹽0.60%、0.90%濃度對發(fā)芽勢的影響相同，濃度為1.20%、1.50%同種鹽溶液處理的與ck差異顯著程度相同。濃度大于0.30%的NaCl鹽脅迫的與0.30%濃度的相比顯著降低(p<0.05)，1.50%濃度處理的發(fā)芽指數(shù)與ck差異最顯著，是ck的0.79%(p<0.05)。復(fù)合鹽溶液處理組中，0.30%濃度的發(fā)芽指數(shù)最大，是ck的67.97%，濃度為1.50%的最小，顯著小于ck。

同種類鹽溶液處理下，發(fā)芽指數(shù)隨濃度的升高呈下降趨勢。鹽溶液濃度大于等于0.30%時，發(fā)芽指數(shù)均顯著低于ck(p<0.05)。0.30%濃度下，各處理中MgCl2發(fā)芽指數(shù)比ck下降最少，是ck的83.77%(p<0.05)。濃度大于0.30%的NaCl鹽溶液處理的比同濃度下MgCl2、Na2SO4處理的發(fā)芽指數(shù)小。濃度為1.50%的NaCl、復(fù)合鹽處理的發(fā)芽指數(shù)顯著小于ck(p<0.05)，低于同濃度下其它處理。

2.2 高山紫菀種子耐鹽性分析

鹽害指數(shù)對各鹽脅迫的響應(yīng)不同，當(dāng)脅迫濃度高于0.30%時，鹽害指數(shù)均顯著高于對照(p<0.05)。0.30%濃度下，僅MgCl2鹽脅迫的鹽害指數(shù)與對照無顯著性差異(p<0.05)。Na2SO4、MgCl2鹽處理中，濃度為1.20%、1.50%的與ck差異大于其余處理與ck的差異(p<0.05)。NaCl、復(fù)合鹽溶液處理的鹽害指數(shù)隨濃度升高呈上升趨勢，其中1.50%濃度兩種處理的鹽害指數(shù)均顯著大于對照(p<0.05)(表2)。

將相對發(fā)芽率與鹽濃度進(jìn)行曲線回歸分析，建立方程，求解種子對4種鹽溶液的耐受范圍，結(jié)果(表3)表明：高山紫菀種子對Na2SO4、NaCl、MgCl2和復(fù)合鹽的耐受適宜濃度為0.40%、0.24%、0.81%和0.30%，耐受半致死濃度為1.18%、0.53%、1.45%和0.71%，耐受極限濃度為1.69%、1.39%、1.98%和1.40%。以上結(jié)果表明：高山紫菀種子對4種鹽耐受程度從大到小依次為：MgCl2>Na2SO4>復(fù)合鹽>NaCl。

表3 高山紫菀種子耐鹽濃度

鹽處理回歸方程R2耐鹽適宜濃度/%耐鹽半致死濃度/%耐鹽極限濃度/%Na2SO4y=1.002-89.904x1+8228.243x12-358406.305x120.8660.401.181.69NaCly=1.027-126.792x2+5652.358x22-95403.118x220.9370.240.531.39MgCl2y=1.000-41.662x3+2406.811x32-131501.593x320.8560.811.451.98復(fù)合鹽y=0.983-87.209x4+3613.531x42-134080.058x420.9390.300.711.40

注：y為高山紫菀種子相對發(fā)芽率，x1、x2、x3和x4分別代表NaCl、Na2SO4、MgCl2及復(fù)合鹽溶液濃度。

表4 NaCl、Na2SO4、MgCl2及復(fù)合鹽對高山紫菀種子幼胚生長的影響

指標(biāo)濃度/%Na2SO4NaClMgCl2復(fù)合鹽胚根長/mmck22.96±1.88a22.96±1.88a22.96±1.88a22.96±1.88a0.3016.01±3.46b16.71±2.56b3.81±1.44b12.83±9.44b0.6016.95±2.67b1.82±1.09c0.27±0.47c2.34±0.79c0.901.23±0.11c1.55±0.37c0.00±0.00c0.91±0.33c1.201.31±0.04c0.73±0.12c0.00±0.00c0.78±0.12c1.500.92±0.04c0.00±0.00c0.00±0.00c0.00±0.00c胚芽長/mmck2.19±0.12a2.19±0.12a2.19±0.12a2.19±0.12a0.301.66±0.48b2.32±0.07a1.10±0.10b1.27±0.26b0.601.16±0.08c0.93±0.11b1.18±0.17b1.19±0.26bc0.900.49±0.07d1.14±0.20b1.02±0.04bc1.06±0.13bc1.200.36±0.04d1.24±0.16b0.89±0.05c0.90±0.09c1.500.26±0.01d0.23±0.40c0.84±0.09c0.00±0.00d葉面積/mm2ck5.48±1.10a5.48±1.10a5.48±1.10a5.48±1.10ab0.304.52±1.40a5.91±0.23a4.27±0.31b6.91±2.15a0.604.69±1.50a4.66±0.76a3.77±0.44b3.86±0.30bc0.902.39±0.08b2.97±0.68b3.31±0.58cd3.17±0.24c1.202.38±0.31b3.16±0.26b3.54±0.78cd3.45±1.06c1.501.99±0.11b0.74±1.28c2.33±0.36d0.00±0.00d

2.3 鹽脅迫對幼胚生長的影響

由表4可看出，各鹽脅迫下，胚根長度均顯著低于ck(p<0.05)。0.30%、0.60%濃度的Na2SO4鹽溶液處理下，胚根長度顯著低于ck(p<0.05)，濃度大于0.60%的處理組胚根長度均小于2.00 mm。NaCl鹽脅迫下，僅0.30%濃度處理下的幼胚胚根長度大于2.00 mm。濃度為0.30%、0.60%MgCl2溶液處理下胚根長度是ck的16.59%、1.18%，其余濃度處理的胚根長度均為0。復(fù)合鹽溶液處理的幼胚，胚根長隨濃度的升高呈降低趨勢，1.50%濃度的胚根長度為0。

胚芽長對各鹽脅迫的響應(yīng)不同。所有處理下，僅0.30%濃度NaCl鹽溶液處理的與ck無顯著性差異(p<0.05)，其余處理的均顯著小于ck(p<0.05)。Na2SO4和復(fù)合鹽脅迫的幼胚，其胚芽長度隨溶液濃度升高呈降低趨勢，濃度為1.50%的復(fù)合鹽溶液處理的幼胚，其胚芽長度為0。MgCl2脅迫的幼胚，1.20%、1.50%濃度處理與ck的差異更顯著(p<0.05)。

濃度大于0.60%的各種鹽溶液處理下，葉面積均顯著低于ck(p<0.05)。濃度小于等于0.60%的各處理中，僅MgCl2的顯著小于ck(p<0.05)，其余處理與ck無顯著性差異(p<0.05)。

3 討 論

3.1 鹽脅迫對種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)受鹽脅迫影響的程度與植物抗鹽能力、鹽的濃度以及鹽種類有關(guān)，鹽脅迫對種子萌發(fā)的危害主要是滲透效應(yīng)和離子效應(yīng)[15-16]。滲透效應(yīng)是指當(dāng)土壤中鹽分含量高時，滲透壓高水勢低，使種子吸水困難，對種子萌發(fā)造成危害；離子效應(yīng)是指某種離子濃度升高對種子造成毒害[17]。馬恩等對玉米的研究表明，低濃度Mg2+延緩了發(fā)芽時間，但對發(fā)芽率影響較小[18]。本試驗(yàn)中，濃度為0.30%的MgCl2脅迫的種子發(fā)芽率與ck差異不顯著，但種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)顯著降低。其余處理的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)顯著低于ck，這是由于鹽脅迫對種子萌發(fā)起抑制作用，表現(xiàn)在降低種子發(fā)芽率、降低種子發(fā)芽整齊度，試驗(yàn)結(jié)果與魏振艷等[19]的研究結(jié)果一致。鹽害指數(shù)是表示種子受鹽害程度的重要指標(biāo)[20]，本試驗(yàn)中1.50%濃度的NaCl、復(fù)合鹽溶液處理的鹽害指數(shù)均為95.04%，為所有處理組中最高，這是因?yàn)辂}溶液濃度高產(chǎn)生滲透效應(yīng)，且細(xì)胞內(nèi)積累大量離子，破壞細(xì)胞質(zhì)膜完整性，造成毒害作用[21]。

3.2 鹽脅迫對幼胚生長的影響

幼胚的不同器官對各種類各濃度鹽溶液響應(yīng)不同。本試驗(yàn)中不同濃度、不同種類鹽脅迫均對胚根生長產(chǎn)生顯著抑制作用，這是由于胚根直接接觸鹽溶液，且胚根比胚芽和葉片對鹽脅迫更敏感[14]。宰學(xué)明等[22]提出鹽分濃度達(dá)到植物忍耐限度時，植物本身調(diào)節(jié)作用很難保持膜系統(tǒng)完整性，本試驗(yàn)中幼胚在1.50%濃度復(fù)合鹽溶液脅迫下未生長。孫海博等研究認(rèn)為，Mg2+毒害作用較強(qiáng)，對胚根生長起抑制作用[20]。本試驗(yàn)中濃度大于0.90%的MgCl2鹽溶液處理的胚根未生長。0.30%濃度的NaCl鹽溶液處理的胚芽長與ck差異不顯著，這是由于低濃度NaCl鹽溶液能滿足幼胚對水分的需求，未造成鹽害[23]。Mg2+對葉片產(chǎn)生了離子毒害作用，濃度小于0.90%的4種鹽處理組中，僅MgCl2鹽脅迫的葉面積顯著低于ck。

4 結(jié) 論

高山紫菀種子萌發(fā)與幼胚生長對鹽脅迫響應(yīng)機(jī)理復(fù)雜。種子萌發(fā)時期對鹽脅迫表現(xiàn)敏感。除0.30%濃度的MgCl2外，其余處理均對高山紫菀種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)產(chǎn)生顯著抑制，但低濃度鹽脅迫下種子表現(xiàn)出較好的發(fā)芽狀況，說明高山紫菀種子具有一定耐鹽性。高山紫菀種子對Na2SO4、NaCl、MgCl2和復(fù)合鹽的耐受適宜濃度為0.40%、0.24%、0.81%和0.30%，耐受半致死濃度為1.18%、0.53%、1.45%和0.71%，耐受極限濃度為1.69%、1.39%、1.98%和1.40%。高山紫菀種子對4種鹽耐受程度從大到小依次為：MgCl2>Na2SO4>復(fù)合鹽>NaCl。4種鹽溶液在不同脅迫水平下對胚根、胚芽和葉片生長的影響不同，胚芽、葉片對鹽分的敏感程度低于胚根。