10種禾本科牧草種子萌發(fā)期耐鹽性

季 波，徐金鵬，時 龍，蔣 齊，俞鴻千，王占軍

(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所，銀川 750002；2.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，銀川 750021；3.寧夏防沙治沙與水土保持重點(diǎn)實(shí)驗室，銀川 750002；4.北京林業(yè)大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

【研究意義】土壤中鹽濃度過高導(dǎo)致細(xì)胞滲透脅迫，使植物從土壤中吸收水分受到限制，造成植物生理干旱和營養(yǎng)虧缺，抑制植物生長[1-3]。我國是世界鹽堿地大國之一，約有鹽堿地667×104hm2[4]。在干旱半干旱地區(qū)，由于水分的缺失更易導(dǎo)致土壤鹽漬化，并且由于近年在氣候變暖及化肥大量施用等各種不合理因素的影響下，土壤次生鹽漬化程度更加嚴(yán)重[5，6-8]。改良鹽漬土過程復(fù)雜、難度大，通過篩選耐鹽植物，種植耐鹽牧草是高效利用及改良鹽漬化土壤最為有效和經(jīng)濟(jì)的途徑和措施[4，9]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】蒙古冰草、沙生冰草、扁穗冰草、細(xì)莖冰草、新麥草、老芒麥、格林針茅、披堿草和長穗偃麥草均為禾本科多年生草本植物，且均具有較高的飼用價值。如達(dá)布拉嘎[10]對沙生冰草、扁穗冰草、蒙古冰草、細(xì)莖冰草、老芒麥及新麥草等16種草種，在科爾沁沙地植被恢復(fù)中的適應(yīng)效果的研究認(rèn)為，蒙古冰草、老芒麥及扁穗冰草在沙地植被恢復(fù)及人工草地植被建設(shè)中效果良好；陳昕等[11]對寧夏鹽池半干旱地區(qū)禾本科牧草引種試驗研究認(rèn)為，粗穗偃麥草在寧夏鹽池半干旱區(qū)產(chǎn)量最高，其次是蒙古冰草、沙生冰草、西伯利亞冰草、雜交冰草、扁穗冰草等。【本研究切入點(diǎn)】但對這些牧草系統(tǒng)的開展萌發(fā)期耐鹽性的研究報道還較少。種子是植物最重要的繁殖器官，不同的植物種子因其生態(tài)型不同，種子萌發(fā)對水分、溫度、光照及鹽分等生態(tài)因子的響應(yīng)程度也不同[12]。通過植物種子萌發(fā)階段的鹽分脅迫試驗，可以反映不同物種的耐鹽力，也可為早期鑒定并篩選優(yōu)良的耐鹽植物提供參考[4，13]。寧夏地處我國西北內(nèi)陸農(nóng)牧交錯帶干旱、半干旱氣候區(qū)，干旱和土壤鹽漬化是影響該區(qū)域生態(tài)環(huán)境最主要的因素。在該區(qū)域進(jìn)行退化生態(tài)修復(fù)過程中，選擇適生、優(yōu)良的牧草品種就顯得尤為重要。研究鹽脅迫對其種子萌發(fā)的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】研究選擇10種多年生禾本科牧草種質(zhì)資源，采用不同濃度NaCl溶液模擬鹽脅迫，比較和評價各牧草種質(zhì)材料的耐鹽力，為寧夏干旱半干旱區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)，篩選耐鹽力高的種植材料提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗在寧夏農(nóng)林科學(xué)院荒漠化治理研究所植物生態(tài)實(shí)驗室進(jìn)行。共選用禾本科牧草種質(zhì)資源10種，均為2018年采收和采購的種子。表1

表1 供試禾本科牧草種質(zhì)材料Table 1 Information of gramineae forages germplasms used in this study

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

選擇成熟、大小均勻一致的各供試材料種子50粒作為萌發(fā)材料。每份種子用0.1%高錳酸鉀消毒3 min.，用蒸餾水清洗干凈，再用濾紙吸干后，均勻的置于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中。每個培養(yǎng)皿分別加入7 mL濃度為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.2%和1.4%的NaCl溶液作為鹽脅迫處理，對照為7 mL蒸餾水，每個處理組重復(fù)3次。放入智能人工氣候培養(yǎng)箱。培養(yǎng)條件為培養(yǎng)溫度調(diào)控在25℃，濕度為60%，光照設(shè)置為白天/黑暗為12 h/12 h。從種子置于培養(yǎng)皿開始，每天觀察種子發(fā)芽情況，以胚芽長度為種子長度的1/2作為萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，記錄發(fā)芽種子數(shù)，適時補(bǔ)充相應(yīng)量的NaCl溶液和蒸餾水，以維持培養(yǎng)皿內(nèi)滲透勢，第15 d時結(jié)束發(fā)芽實(shí)驗。

1.2.2 測定指標(biāo)

發(fā)芽率(Germination rate，GR)=發(fā)芽結(jié)束時正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

發(fā)芽勢(Germination potential，GP)=發(fā)芽7 d時正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

胚芽長(Germ length，GL)、胚根長(Radicle length，RL)：從每個培養(yǎng)皿中隨機(jī)選取10株生長正常的種苗，用直尺測量芽長和根長，若不足10株的則全部測量，每個處理3組重復(fù)。

發(fā)芽指數(shù)(Germination index，GI)=ΣGt/Dt。

活力指數(shù)(Vigor index，Ⅵ)=胚芽長×發(fā)芽指數(shù)。

上式中：Gt為第td發(fā)芽的種子數(shù)；Dt為發(fā)芽的天數(shù)[14]。

按照發(fā)芽率、發(fā)芽勢、芽長、根長、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的值，分別計算相對發(fā)芽率(relative germination rate，RGR)、相對發(fā)芽勢(relative germination potential，RGP)、相對胚芽長(relative germ length，RGL)、相對胚根長(relative radicle length，RRL)、相對發(fā)芽指數(shù)(relative germination index，RGI)和相對活力指數(shù)(relative vigor index，RⅥ)[15]。

相對發(fā)芽率(RGR)=鹽脅迫處理下種子發(fā)芽率/對照發(fā)芽率×100%；

相對發(fā)芽勢(RGP)=鹽脅迫處理下種子發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢×100%；

相對胚芽長(RGL)=鹽脅迫處理下胚芽長度/對照胚芽長×100%；

相對胚根長(RRL)=鹽脅迫處理下胚根長度/對照胚根長×100%；

相對發(fā)芽指數(shù)(RGI)=鹽脅迫處理下發(fā)芽指數(shù)/對照發(fā)芽指數(shù)×100%；

相對活力指數(shù)(RVI)=鹽脅迫處理下活力指數(shù)/對照活力指數(shù)×100%。

1.2.3 耐鹽性

采用相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對胚芽長、相對胚根長、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)6項指標(biāo)，計算被引選的10種多年生禾本科牧草種質(zhì)材料鹽脅迫下萌發(fā)期的綜合隸屬函數(shù)值，以評價其耐鹽性。按下述公式(1)先計算每份材料在不同濃度NaCl溶液脅迫下RGR、RGP、RGL、RRL、RGI和RVI的具體隸屬函數(shù)值，再用公式(2)計算每個指標(biāo)在不同濃度NaCl溶液脅迫下的隸屬函數(shù)值的平均值[14]，即為該物種該指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；然后按照式(3)、(4)、(5)依次計算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)(Vj)、權(quán)重系數(shù)(Wj)、加權(quán)隸屬函數(shù)值(Z)[15]。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對種子發(fā)芽率和相對發(fā)芽率的影響

研究表明，10種禾本科牧草種質(zhì)材料的發(fā)芽率(GR)和相對發(fā)芽率(RGR)均隨著鹽脅迫濃度的增強(qiáng)而呈現(xiàn)下降趨勢。種質(zhì)材料A和B鹽脅迫濃度為0.2%時，種子發(fā)芽率即顯著低于對照，2種種質(zhì)材料對鹽脅迫非常敏感；種植材料C、G和H在鹽濃度0.2%～0.6%，種子發(fā)芽率均與對照差異不顯著，在鹽濃度為0.8%時才顯著低于對照，這3種種質(zhì)材料可以耐受0.6%濃度的鹽脅迫，對鹽脅迫較不敏感；種質(zhì)材料D在鹽濃度0.4%時顯著低于對照，該種質(zhì)材料對鹽脅迫也較敏感；種質(zhì)材料E和F在鹽濃度0.6%時顯著低于對照，2種種質(zhì)材料可以耐受0.4%的鹽脅迫；種質(zhì)材料I和J在鹽濃度0.2%～1.0%時種子發(fā)芽率均與對照差異不顯著，這2種種質(zhì)材料可以耐受1.0%的鹽濃度，對鹽脅迫不敏感。

種質(zhì)材料A、B、D、F、G、H和I均在0.2%濃度鹽脅迫時，相對發(fā)芽率就表現(xiàn)出不同程度的降幅，分別為CK的56.52%、51.22%、81.82%、76.27%、83.92%、97.66%和91.00%，這7種種質(zhì)材料對鹽脅迫較為敏感。種質(zhì)材料C、E和J在鹽脅迫濃度為0.2%濃度時，種子相對發(fā)芽率均有增幅，分別為CK的100.76%、106.10%和120.00%，顯著高于種質(zhì)材料A和B(P<0.05)，低濃度的鹽脅迫對這3種種質(zhì)材料種子發(fā)芽具有促進(jìn)作用。其中，種質(zhì)材料J在鹽脅迫濃度增加到1.0%時，其相對發(fā)芽率才出現(xiàn)降幅，為CK的53.33%，該種質(zhì)材料對鹽脅迫不敏感，耐鹽性較高。表2

表2 不同濃度NaCl溶液脅迫下種子發(fā)芽率和相對發(fā)芽率Table 2 The germination rate and relative germination rate under different concentrations of NaCl solution

2.2 鹽脅迫對種子發(fā)芽勢和相對發(fā)芽勢的影響

研究表明，10種禾本科牧草種質(zhì)材料的發(fā)芽勢(GP)和相對發(fā)芽勢(RGP)均隨著鹽脅迫濃度的增大而均呈現(xiàn)下降趨勢。從GP數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，種質(zhì)材料A、B、F、G和I均在鹽脅迫濃度為0.2%時，種子發(fā)芽勢即顯著低于對照，這5種種質(zhì)對鹽脅迫非常敏感；種植材料C、D、E和H在鹽濃度0.4%時，種子發(fā)芽勢顯著低于對照，這4種種質(zhì)材料發(fā)芽勢對鹽脅迫較敏感；種質(zhì)材料J對照發(fā)芽勢就較低，僅為5.33%，其種子發(fā)芽勢在鹽脅迫下，在鹽濃度0.8%時降為0，但7個試驗處理與對照發(fā)芽勢差異均不顯著(P<0.05)。

種質(zhì)材料A、B、D、F、G、H和I均在0.2%濃度鹽脅迫時，相對發(fā)芽勢就表現(xiàn)出不同程度的降幅，分別為CK的33.33%、22.22%、66.67%、61.54%、58.65%、90.48%和68.67%，這7種種質(zhì)材料發(fā)芽勢對鹽脅迫較為敏感。種質(zhì)材料C在鹽脅迫濃度為0.2%濃度時，種子相對發(fā)芽勢較對照有增幅，為CK的106.72%；種質(zhì)材料E在鹽脅迫濃度0.2%～0.4%，種子相對發(fā)芽勢均有增幅，分別為CK的160.87%和130.43%，并在0.4%鹽脅迫濃度時種子相對發(fā)芽勢顯著高于其他種質(zhì)材料(P<0.05)，低濃度的鹽脅迫對種質(zhì)材料C和E的種子發(fā)芽勢具有促進(jìn)作用。種質(zhì)材料J在鹽脅迫濃度為0.2%時，發(fā)芽勢與對照相比無增減，故此相對發(fā)芽勢為對照的100%，隨著鹽脅迫濃度增加，其種子相對發(fā)芽勢在鹽濃度為0.4%時，降為CK的50.00%，該種質(zhì)材料發(fā)芽勢對鹽脅迫較敏感。表3

表3 不同濃度NaCl溶液脅迫下種子發(fā)芽勢和相對發(fā)芽勢Table 3 The germination power and relative germination power under different concentrations of NaCl solution

2.3 鹽脅迫對種子相對胚芽長和相對胚根長的影響

研究表明，10種禾本科牧草種質(zhì)材料受不同濃度鹽脅迫，其相對胚芽長和相對胚根長受影響程度各不相同，但均表現(xiàn)為隨著鹽脅迫濃度的增加，呈現(xiàn)降低趨勢。種質(zhì)材料A、B、C、D、G、H和J在鹽脅迫濃度為0.2%時，種子相對胚芽長均較對照出現(xiàn)不同程度的降幅，分別為CK的66.40%、65.68%、97.48%、92.12%、76.57%、80.60%和96.86%，這7種種質(zhì)材料胚芽的生長對鹽脅迫較為敏感；種質(zhì)材料E在鹽脅迫濃度為0.2%時，種子胚芽長較對照有增幅，為CK的124.76%；種質(zhì)材料F和I在鹽脅迫濃度為0.2%～0.4%時，種子胚芽長較對照均有增幅，分別為CK的122.26%、106.76%和112.76%、108.38%，0.4%內(nèi)低濃度的鹽脅迫對這2種種質(zhì)材料胚芽的生長具有促進(jìn)作用。10種禾本科牧草種質(zhì)材料在NaCl鹽溶液脅迫下，胚根長均受到抑制，較對照均呈現(xiàn)不同程度降幅，分別為對照的54.27%、31.11%、86.70%、81.82%、87.50%、88.33%、55.40%、96.30%、64.32%和77.04%，其中降幅程度較大的為種質(zhì)材料A、B和G，顯著低于其他種質(zhì)材料(P<0.05)，10種禾本科牧草胚根的生長對鹽脅迫均較敏感，其中種質(zhì)材料A、B和G較其他種植材料更敏感。表4

2.4 鹽脅迫對種子相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)影響

研究表明，10種多年生禾本科牧草種質(zhì)材料相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)也均隨著鹽脅迫濃度的增大，而呈現(xiàn)降低的趨勢。種質(zhì)材料A、B、D、F、G、H和I在鹽脅迫濃度為0.2%時，種子相對發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)不同程度降幅，分別為CK的56.52%、51.22%、81.82%、76.27%、83.92%、97.66%和93.00%，其中降幅較大的為種質(zhì)材料A和B，發(fā)芽指數(shù)僅為對照56.52%和51.22%，顯著低于其他種質(zhì)材料(P<0.05)，2種種質(zhì)材料種子的萌發(fā)對鹽脅迫非常敏感。種質(zhì)材料C和E在鹽脅迫濃度0.2%時，發(fā)芽指數(shù)較對照均有增幅，分別為CK的100.76%和106.10%，這2種種質(zhì)材料對低濃度的鹽脅迫不敏感；種質(zhì)材料J在鹽脅迫濃度0.2%～0.8%，種子發(fā)芽指數(shù)分別為CK的120.00%、100.00%、100.00%和100.00%，該種質(zhì)材料對鹽脅迫不敏感，耐鹽性較強(qiáng)。種質(zhì)材料A、B、C、D、F、G和H種子相對活力指數(shù)在0.2%鹽濃度脅迫下，均較CK呈現(xiàn)不同程度降幅，分別為CK的38.84%、34.45%、98.38%、74.90%、92.42%、64.07%和78.79%，其中降幅較大的種質(zhì)材料A、B、D和G，顯著低于其他種質(zhì)材料，這4種種質(zhì)材料對鹽脅迫較為敏感，不耐鹽。種質(zhì)材料E、I和J在0.2%濃度鹽脅迫時，種子活力指數(shù)均較CK有增幅，分別為CK的131.62%、104.73%和118.27%，低濃度的鹽脅迫對這3種種質(zhì)材料種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用。表5

2.5 10種禾本科牧草萌發(fā)期耐鹽性綜合評價

研究表明，10種多年生禾本科牧草種質(zhì)材料綜合耐鹽性Z值在0.104～0.233，Z值大小順序依次為D>J>G>A>H>C>E>F>B>I，相對其他種質(zhì)材料，種質(zhì)D和J具有較強(qiáng)的耐鹽性，種質(zhì)B和I的耐鹽性相對較差。表6

表4 不同濃度NaCl溶液脅迫下種子相對胚芽長和相對胚根長Table 4 The relative germ length and relative radicle length under different concentrations of NaCl solution

表5 不同濃度NaCl溶液脅迫下種子相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)Table 5 The relative germination index and relative vigor index under different concentrations of NaCl solution

表6 不同種質(zhì)材料各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評價值Table 6 The value of subordinate function and comprehensive evaluation (Z)of each germplasm material

3 討 論

植物種子在受到鹽脅迫時，能否正常萌發(fā)成苗，是植物在鹽堿條件下可以正常生存發(fā)育最基本的前提條件[18]。植物種子能正常萌發(fā)的一個先決條件是充足的水分，當(dāng)植物種子受到鹽脅迫時，實(shí)質(zhì)上是由于鹽濃度產(chǎn)生的滲透脅迫，而影響種子對水分的吸收利用；當(dāng)植物種子從外界吸收水分受阻，其種子萌發(fā)所需的各種酶、蛋白等物質(zhì)的合成也因此受阻，進(jìn)而影響種子整個發(fā)芽過程[19]。不同的植物種子對不同濃度的鹽脅迫的耐受程度不同，研究發(fā)現(xiàn)低濃度(0.2%)鹽脅迫對部分禾本科牧草種子(C、E和J)萌發(fā)具有促進(jìn)作用，即“引發(fā)作用”[20]。與張利霞等[21]的研究結(jié)果一致，即認(rèn)為低濃度鹽脅迫對夏枯草種子的萌發(fā)具有促進(jìn)作用。分析原因可能是在低濃度鹽溶液脅迫下，激發(fā)了種子內(nèi)酶的活性，引起引發(fā)，在種子的引發(fā)過程，種子完成了一些有利于其后萌發(fā)及生長的物質(zhì)代謝過程[22-23]。

根系的發(fā)育直接影響植物的生長發(fā)育，綜合研究學(xué)者的研究，鹽脅迫下胚根的生長變化與其抗鹽性呈正相關(guān)，是一個良好的抗鹽評價指標(biāo)[16]。研究結(jié)果中NaCl鹽溶液對10種禾本科牧草種子萌發(fā)胚根的生長均有抑制作用，與陳小芳等[4]的研究結(jié)果不一致，究其原因，可能與種質(zhì)材料不同有關(guān)，陳小芳等[4]研究的是雙子葉植物—紫花苜蓿，研究單子葉植物，但具體還需要進(jìn)一步研究探討確定。植物耐鹽性評價是一個較為復(fù)雜的問題[4]，它是受多種因素影響的復(fù)雜數(shù)量性狀。目前，萌發(fā)期選用發(fā)芽勢及發(fā)芽率數(shù)據(jù)是必選的鑒定指標(biāo)[24]。研究學(xué)者對植物耐鹽性評價的方法也各異，研究采用隸屬函數(shù)值法，綜合考慮各指標(biāo)的變異系數(shù)和權(quán)重，可以消除個別指標(biāo)帶來的片面性，能全面、準(zhǔn)確的評價種質(zhì)的耐鹽性[17]。但在研究中，僅僅只選擇NaCl單鹽溶液模擬鹽脅迫研究其對牧草種子萌發(fā)的影響，這與實(shí)際土壤中鹽離子的組成還存在差異；此外，種子萌發(fā)在大田中還受到土壤溫度、土壤理化性質(zhì)等各方面因素的影響，而且研究也僅是在萌發(fā)期得出的鑒定結(jié)果，具體在苗期及整個生育期的耐鹽性都還需要進(jìn)一步的研究證實(shí)，篩選優(yōu)質(zhì)耐鹽性牧草還需要進(jìn)一步開展田間試驗進(jìn)行鑒定[5]。

4 結(jié) 論

4.1 8個濃度梯度的NaCl鹽溶液對10種多年生禾本科牧草種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對胚芽長、相對胚根長、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)的影響，均表現(xiàn)出隨著鹽脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)，呈現(xiàn)降低趨勢。

4.2 低濃度(0.2%)的鹽脅迫對種質(zhì)材料C、E和J種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用，對種質(zhì)材料E、F和I種子胚芽長有促進(jìn)作用，可以顯著提高種質(zhì)材料E、I和J種子活力指數(shù)。

4.3 8個濃度梯度的NaCl鹽溶液對10種多年生禾本科牧草種子萌發(fā)胚根長均有抑制作用，相對胚根長均較對照降低。

4.4 采用相對發(fā)芽率(RGR)、相對發(fā)芽勢(RGP)、相對胚芽長(RGL)、相對胚根長(RRL)、相對發(fā)芽指數(shù)(RGI)和相對活力指數(shù)(RVI)6項指標(biāo)的加權(quán)隸屬函數(shù)值，對10種多年生禾本科牧草耐鹽性進(jìn)行綜合評價認(rèn)為，10種多年生禾本科牧草，其耐鹽性強(qiáng)弱表現(xiàn)為D(扁穗冰草)>J(長穗偃麥草)>G(老芒麥)>A(蒙古冰草-寧夏)>H(格林針茅)>C(沙生冰草)>E(細(xì)莖冰草)>F(新麥草)>B(蒙古冰草-內(nèi)蒙)>I(披堿草)。