不同鹽分脅迫對皂莢種子萌發(fā)及幼苗生理特征的影響

于兆友，閆海冰，張慧芳，楊秀清

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

土地鹽堿化是全球性環(huán)境問題，嚴重制約農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展[1]。我國是世界上受鹽堿化危害最大地區(qū)之一[2]，嚴重限制農(nóng)作物及林木正常生長，導(dǎo)致鹽堿地區(qū)土壤利用率低，植被稀少[3-4]。篩選和培育耐鹽植物并加以推廣，是改良和利用鹽堿地有效措施之一[5-6]。目前，國內(nèi)外對植物鹽害或堿害研究主要集中在單一鹽或堿[7]，我國鹽堿地除部分地區(qū)以硝酸鹽為主，多數(shù)地區(qū)為復(fù)合鹽堿地，鹽化和堿化同時存在[8]。因此研究混合鹽堿下植物生理響應(yīng)規(guī)律，對鹽堿地區(qū)適生樹種選育及增加樹種多樣性具有重要意義。

皂莢（Gleditsia sinensisLam.），又名皂角，為豆科皂莢屬落葉喬木，是一種多用途生態(tài)經(jīng)濟型鄉(xiāng)土闊葉樹種。皂莢耐貧瘠，耐干旱和鹽堿，在我國生長分布廣泛，具有在鹽堿地種植及生長潛力[9-10]。目前，皂莢抗鹽堿生理研究相對較少，且研究以單鹽（NaCl）為主[11-12]。不同鹽分脅迫對皂莢種子萌發(fā)和幼苗生理特征影響較少。為此，本研究利用 NaCl、Na2SO4、NaHCO3和 Na2CO34 種鹽分，模擬單鹽、中性鹽、混合鹽、堿性鹽不同組分鹽堿條件，研究不同鹽分脅迫對皂莢種子萌發(fā)和幼苗生理特征影響，探討皂莢種子萌發(fā)和幼苗期鹽堿脅迫耐受能力，以期為皂莢在鹽堿地區(qū)栽培和推廣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用皂莢種子采自山西省綠源春生態(tài)林業(yè)有限公司皂莢種子園中果、刺兩用型皂莢優(yōu)良品種“帥丁”。將采集回種子置于陰涼干燥處保存，挑選尺寸一致、飽滿且無病蟲害種子備用。

1.2 鹽脅迫模擬設(shè)計

試驗共設(shè)置4組鹽分類型，每組鹽分6個濃度梯度。各組鹽分組成及物質(zhì)的量比分別為：①單鹽NaCl；② 中性鹽（NaCl∶Na2SO4=1∶1）；③ 混合鹽（NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶Na2CO3=1∶1∶1∶1）；④ 堿性鹽（NaHCO3∶Na2CO3=1∶1）。6個濃度梯度分別為50、100、150、200、250和300 mmol·L-1。共計24個處理組合，以蒸餾水為對照。各處理組合鹽脅迫液對應(yīng)pH如表1所示。各濃度pH排序為堿性鹽＞混合鹽＞中性鹽＞單鹽。

表1 各處理組合鹽脅迫液對應(yīng)pHTable 1 pH of salt stress solution of each treatment combination

1.3 種子萌發(fā)試驗

種子經(jīng)2 g·L-1KMnO4消毒30 min后，清水沖洗干凈，十字破皮法破除種皮后，40℃恒溫浸泡種子12 h，待吸漲吸水后放置于鋪放2層紗布和1層濾紙發(fā)芽盒（12 cm×12 cm×5 cm）中，每盒25粒種子，盒中加入100 mL鹽脅迫液，每處理3次重復(fù)，蒸餾水處理作對照。將發(fā)芽盒置于25℃，光照時間12 h，2 500 lx光照強度。每日采用稱重法補充蒸發(fā)失去水分，保持脅迫液濃度恒定。

1.4 幼苗試驗

幼苗試驗選用盆栽沙培法。將種子播種于盛有洗凈河沙花盆中，每盆播種1粒。第一天澆灌150 mL 1/2 Hoagland營養(yǎng)液（去除Na2EDTA·2H2O），此后每日澆灌15 mL營養(yǎng)液。待幼苗萌發(fā)15 d（長出5～6片復(fù)葉）后鹽脅迫處理，向花盆中加入150 mL脅迫處理液，共設(shè)置12個處理。每個處理設(shè)置6次重復(fù)（3個重復(fù)用于測定生理指標，3個重復(fù)用于測定生物量），共處理植株72株，對照加150 mL蒸餾水。每日用稱重法補充蒸發(fā)失去水分，保持脅迫液濃度恒定。處理過程墊有托盤，盤中滲出液需倒回盆中以防鹽分流失。脅迫處理10 d后待處理植株葉片出現(xiàn)發(fā)黃萎蔫現(xiàn)象時測定生長量及生理指標。

1.5 種子萌發(fā)及幼苗生理指標測定

發(fā)芽率（G）=m/N×100%（m為發(fā)芽種子數(shù)，N為供試種子數(shù)）；

發(fā)芽勢（Gr）=n/N×100%（n為發(fā)芽高峰期發(fā)芽種子數(shù)，N為供試種子數(shù)）；

發(fā)芽指數(shù)（Gi）=∑Gt/Dt（Gt為在t日內(nèi)發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽日數(shù)）；

活力指數(shù)（Vi）=S×Gi（S為生物量，Gi為發(fā)芽指數(shù)）。

生物量測定：每個處理取3盆幼苗，清水沖洗植株表面污物及根部附著沙子，再用蒸餾水沖洗。擦干水分，剪取根、莖、葉，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重，分別稱得干重（精確至0.001 g）。計算生物量和根冠比值，總生物量=根干重+莖干重+葉干重，根冠比值=根干重/(莖干重+葉干重）。

丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸法；過氧化氫酶（CAT）活性測定采用紫外吸收法；脯氨酸（Pro）含量測定采用磺基水楊酸法；可溶性糖（SS）含量測定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白質(zhì)（SP）含量采用考馬斯亮藍法測定[13]。

1.6 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Microsoft Excel 2010，SPSS 22.0分析差異顯著性，Origin2017作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽分脅迫對皂莢種子萌發(fā)的影響

2.1.1 不同鹽分脅迫對皂莢種子發(fā)芽率的影響

鹽脅迫處理后，除單鹽和中性鹽50 mmol·L-1提高種子發(fā)芽率（但未達顯著）外，4種鹽分均抑制種子萌發(fā)（較對照組發(fā)芽率81.33%），且隨脅迫濃度增加，種子發(fā)芽率逐漸降低。其中，單鹽和中性鹽≥200 mmol·L-1、混合鹽≥150 mmol·L-1及堿性鹽≥100 mmol·L-1時顯著抑制皂莢種子萌發(fā)。相同濃度下，隨pH升高和堿性鹽成分增加，鹽脅迫對種子萌發(fā)抑制作用增強，且堿性鹽抑制作用最大，當濃度高于150 mmol·L-1時，堿性鹽處理種子發(fā)芽率較對照降幅超52%，說明高鹽度且高pH對皂莢種子萌發(fā)影響最大（見圖1）。

2.1.2 不同鹽分脅迫對皂莢種子發(fā)芽勢的影響

脅迫處理后，除50～150 mmol·L-1單鹽和中性鹽處理皂莢種子發(fā)芽勢提高（但未達到顯著）外，4種鹽分均降低種子發(fā)芽勢，且隨脅迫濃度增加，種子發(fā)芽勢降低。其中，單鹽和中性鹽≥250mmol·L-1、混合鹽≥150 mmol·L-1及堿性鹽≥50 mmol·L-1均顯著抑制皂莢種子發(fā)芽勢。相同濃度下，50～150 mmol·L-1鹽分對皂莢種子發(fā)芽勢無顯著影響；濃度＞150 mmol·L-1，隨pH增高和堿性鹽成分增加，鹽脅迫對發(fā)芽勢抑制作用增強，且堿性鹽抑制作用最大。當堿性鹽濃度＞200 mmol·L-1時，堿性鹽處理后種子發(fā)芽勢較對照組（66.27%）降幅達58%以上（見圖2）。

2.1.3 不同鹽分脅迫對皂莢種子發(fā)芽指數(shù)的影響

脅迫處理后，除 50～150 mmol·L-1單鹽、50～100 mmol·L-1中性鹽和混合鹽以及50 mmol·L-1堿性鹽處理后發(fā)芽指數(shù)提高（但并未達顯著）外，4種鹽分均降低種子發(fā)芽指數(shù)，且隨脅迫濃度增加，種子發(fā)芽指數(shù)降低，發(fā)芽速度減緩。相同濃度下，50～200 mmol·L-1鹽分對皂莢種子發(fā)芽指數(shù)無顯著影響（見圖3）。

2.1.4 不同鹽分脅迫對皂莢種子活力指數(shù)的影響

除單鹽50 mmol·L-1提高活力指數(shù)（但并未達顯著）外，4種鹽分均降低皂莢種子活力指數(shù)。隨脅迫濃度增加，種子活力指數(shù)降低。單鹽濃度≥200 mmol·L-1以及中性鹽、混合鹽和堿性鹽處理均顯著降低皂莢種子活力指數(shù)。相同濃度時，50 mmol·L-1鹽分對皂莢種子活力指數(shù)無顯著影響，濃度大于150 mmol·L-1時，堿性鹽對發(fā)芽指數(shù)抑制作用最大，處理后皂莢種子活力指數(shù)較對照組降幅超65%（見圖4）。

2.1.5 不同鹽分脅迫對皂莢種子胚根長度的影響

脅迫處理后，除50 mmol·L-1中性鹽，其他脅迫處理后胚根較對照組（4.19 cm）顯著變短，且隨脅迫濃度增加，種子胚根長度降低。相同濃度時，堿性鹽對種子胚根長度抑制作用最大，當堿性鹽濃度超過200 mmol·L-1后，胚根長度縮短60%以上（見圖5）。

2.2 不同鹽分脅迫對皂莢幼苗生長及生理特征的影響

2.2.1 不同鹽分脅迫對株高生長量、生物量及根冠比的影響

脅迫處理后，各鹽分均表現(xiàn)出對幼苗株高生長的抑制作用，而對根冠比無顯著影響。隨脅迫濃度增加，株高生長和生物量降低，植株生長受抑制作用增強。相同濃度時，堿性鹽對幼苗生長抑制作用最大，堿性鹽處理后株高生長量較對照組（2.32 cm）下降80.6%～94.4%，生物量較對照組（0.497 g）減少32.6%～36.2%（見表2）。

2.2.2 不同鹽分脅迫對丙二醛含量的影響

脅迫處理后，單鹽和中性鹽處理下MDA含量在100 mmol·L-1脅迫濃度時較對照無顯著變化，表明皂莢幼苗在該脅迫下表現(xiàn)耐受性。單鹽和中性鹽濃度≥200 mmol·L-1以及混合鹽脅迫處理后，MDA含量顯著增加，皂莢幼苗受到鹽堿危害。堿性鹽處理后MDA含量呈先增后降趨勢，同一濃度隨鹽分pH升高MDA含量也遵循此規(guī)律，表明高堿環(huán)境對皂莢幼苗危害更為嚴重，已超出皂莢幼苗對鹽堿脅迫耐受極限，導(dǎo)致代謝發(fā)生紊亂（見表2）。

2.2.3 不同鹽分脅迫對Pro、SP、SS含量及CAT活性的影響

單鹽和中性鹽處理后，Pro、SP、SS含量及CAT活性隨脅迫濃度增加而升高，混合鹽和堿性鹽處理下隨脅迫濃度增加呈先升后降趨勢。低濃度（＜300 mmol·L-1）鹽分隨pH升高，Pro、SP含量逐漸升高，而SS含量和CAT活性呈先升后降趨勢。濃度達300 mmol·L-1時，鹽分隨pH升高，Pro、SP、CAT活性及SS含量均呈先升后降趨勢，其中，堿性鹽處理下SS含量和CAT活性降低至對照以下。

表明在脅迫濃度和pH范圍內(nèi)，鹽堿環(huán)境對皂莢幼苗產(chǎn)生毒害作用，可通過調(diào)節(jié)自身Pro、SP、SS含量及CAT活性抵御鹽堿脅迫，表現(xiàn)一定耐受性。但過高鹽堿環(huán)境導(dǎo)致SS和CAT代謝較Pro、SP代謝更早發(fā)生紊亂（見表3）。

表2 不同鹽分脅迫對皂莢幼苗生長及MDA含量的影響Table 2 Effects of different salt stress on the growth and MDA content of Gleditsia sinensis seedling

表3 不同鹽分脅迫對皂莢幼苗Pro、SP、SS含量及CAT活性的影響Table 3 Effects of different salt stress on Pro,SP,SS contents and CAT activity in Gleditsia sinensis seedlings

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)過程對鹽分脅迫十分敏感，本研究中低濃度鹽分提高種子發(fā)芽指數(shù)，且低濃度單鹽和中性鹽提高種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢，而混合鹽、堿性鹽及較高濃度單鹽、中性鹽降低種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢。蒙古扁桃[14]、栓皮櫟[15]、臘梅[16]和棉花[17]種子在鹽脅迫下表現(xiàn)相似萌發(fā)特征：低濃度鹽脅迫提高種子發(fā)芽率或發(fā)芽勢，而高濃度鹽脅迫抑制種子萌發(fā)。但與王妮妮研究4種鹽分脅迫均降低皂莢種子發(fā)芽指標結(jié)果不同，這可能與皂莢品種不同有關(guān)[2]。濃度相同時，混合鹽和堿性鹽脅迫皂莢種子，特別是堿性鹽，萌發(fā)情況差于單鹽和中性鹽，可能是因為混合鹽和堿性鹽不僅對皂莢種子造成滲透脅迫，還造成高pH脅迫，對皂莢種子萌發(fā)造成進一步抑制和傷害，這與陳培玉高鹽度高pH脅迫嚴重抑制紫穗槐種子萌發(fā)研究結(jié)果一致[18]。

本研究表明，皂莢種子在萌發(fā)過程中活力指數(shù)隨鹽分濃度增加呈下降趨勢，胚根生長也受抑制。進一步研究表明，鹽分脅迫下皂莢幼苗株高生長量和生物量積累受抑制，與路斌和孫海菁等對野皂莢和美國皂莢研究結(jié)果一致[12,19]。這與各鹽分脅迫下皂莢MDA含量增加相對應(yīng)，幼苗生長發(fā)生不同程度膜質(zhì)過氧化作用。而根冠比變化不顯著與美國皂莢鹽脅迫導(dǎo)致根冠比增大研究結(jié)果不一致，可能與受試幼苗生長時間及鹽脅迫時間有關(guān)[19-20]。本研究初始鹽脅迫時，皂莢苗齡為15 d，脅迫時間持續(xù)10 d；而孫海菁研究中所用材料為1年生美國皂莢，脅迫時間持續(xù)10周。短期脅迫內(nèi)，植物通過調(diào)整生物量分配維持逆境下存活和生長現(xiàn)象不明顯。關(guān)于鹽脅迫下皂莢根冠比變化，仍有待進一步研究。

與此同時，隨脅迫濃度增加，CAT活性在單鹽和中性鹽處理時逐漸升高，在混合鹽和堿性鹽處理時先升后降，且除300 mmol·L-1混合鹽和堿性鹽處理外，其余處理時CAT活性均高于對照，這與樸樹受鹽脅迫后生理響應(yīng)一致[21]。說明隨脅迫濃度增加和pH升高，幼苗受脅迫加劇，而皂莢通過提高CAT活性清除活性氧，維持植株生長。但高濃度混合鹽和堿性鹽脅迫造成高鹽高堿脅迫破壞酶系統(tǒng)，抑制酶活性，引起植物體內(nèi)代謝紊亂，甚至引起植株死亡[22]。除酶系統(tǒng)活性氧清除功能外，植物通過提高體內(nèi)Pro、SP和SS等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增強抗性[23]。本研究表明，除300 mmol·L-1堿性鹽脅迫處理導(dǎo)致SS含量低于對照組外，鹽分脅迫處理后，Pro、SP和SS含量與對照比均升高，表明皂莢通過調(diào)節(jié)其自身滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量調(diào)整細胞滲透壓以維持植株生長。隨單鹽和中性鹽濃度增加，Pro、SP和SS含量逐漸升高，而隨混合鹽和堿性鹽濃度增加，Pro、SP和SS含量先升后降。這與銀杏[3]、流蘇[5]和小葉欖仁[24]受鹽脅迫后滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量隨脅迫濃度增加呈先升后降趨勢相同。

綜上說明，皂莢種子可在輕度鹽堿脅迫下正常萌發(fā)，但隨不同鹽分類型脅迫濃度增加和pH升高，種子萌發(fā)及幼苗生長受抑制。皂莢幼苗可通過調(diào)節(jié)Pro、SP、SS含量和CAT活性緩解鹽堿脅迫，表現(xiàn)一定耐受性，但過高鹽堿環(huán)境導(dǎo)致皂莢幼苗代謝紊亂。本研究為輕度鹽堿化土壤環(huán)境下皂莢適生品種篩選和種植提供依據(jù)。