堿性鹽脅迫對(duì)3個(gè)國外引進(jìn)工業(yè)大麻品種萌發(fā)特性的影響及評(píng)價(jià)

張曉艷， 王曉楠， 曹 焜， 趙 越， 邊 境， 韓承偉， 姜 穎， 孫宇峰

(黑龍江省科學(xué)院大慶分院， 黑龍江 大慶 163319)

大麻(CannabissativaL.)是木蘭綱、蕁麻目、大麻科、大麻屬、大麻種一年生草本植物[1]，通常為雌雄異株，偶爾有雌雄同株，是最早種植的經(jīng)濟(jì)作物之一，幾千年來一直是纖維、食品和醫(yī)藥的重要來源[2]。工業(yè)大麻是指致幻成分四氫大麻酚(THC)含量<0.3%無毒品利用價(jià)值的一個(gè)品種類型[1]，其根、莖、葉、花、韌皮、籽粒等均具有較好的開發(fā)和利用價(jià)值[3-5]。

土壤鹽堿化已成為全球性的環(huán)境問題和限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的重要因素。特別是東北大慶地區(qū)，鹽漬化土壤主要是蘇打鹽堿土，其主要特點(diǎn)是pH值大于8，NaHCO3、Na2CO3含量高，毒性較大，嚴(yán)重抑制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[6]。鄭麗娜等[7]研究表明，經(jīng)氯化鈉和碳酸氫鈉處理后，蕓豆種子的萌發(fā)時(shí)間延遲，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)下降，嚴(yán)重抑制了上胚軸和胚根長的長勢(shì)。在許多研究報(bào)告中已清楚的表明堿脅迫比鹽脅迫嚴(yán)重[8-11]。當(dāng)鹽漬土含有HCO3-或CO32-時(shí)，土壤pH值升高，植物會(huì)受到鹽堿脅迫的損害。已證實(shí)堿脅迫比鹽脅迫更具破壞性，在鹽脅迫條件下，隨著鹽分的增加，出苗時(shí)間推遲，出苗率和幼苗成活率降低。然而在堿脅迫條件下，幼苗成活率急劇下降，但出苗時(shí)間和出苗率沒有變化。此外，堿脅迫對(duì)植物生長和光合作用的破壞作用比鹽脅迫更嚴(yán)重[12]。工業(yè)大麻因其生長適應(yīng)性和抗逆性較強(qiáng)而成為鹽堿地區(qū)推廣的作物之一，然而關(guān)于堿性鹽脅迫對(duì)工業(yè)大麻萌發(fā)的影響，目前僅云南大學(xué)做過相關(guān)研究，嚴(yán)重影響了工業(yè)大麻在蘇打鹽堿地區(qū)的推廣種植。本試驗(yàn)主要研究了堿性鹽脅迫下國外引進(jìn)工業(yè)大麻品種的萌發(fā)及幼苗生長量的變化，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。此研究不僅豐富了工業(yè)大麻的種質(zhì)資源，而且對(duì)蘇打鹽堿地區(qū)推廣工業(yè)大麻種植具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料是黑龍江省科學(xué)院大慶分院從烏克蘭引進(jìn)的工業(yè)大麻品種格列西亞(V 1)、金刀15(V 2)、格里昂(V 3)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年3月在黑龍江省科學(xué)院大慶分院栽培生理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。選擇籽粒飽滿、清選后的工業(yè)大麻種子，經(jīng)消毒、清洗及吸干種子表面水分后，放置于鋪有3層濾紙的發(fā)芽盒內(nèi)(12 cm×12 cm×5 cm)，每盒50粒，3次重復(fù)。通過近幾年測(cè)定大慶地區(qū)農(nóng)田輕、中、重度蘇打鹽堿土pH值的規(guī)律，采用100 mmol·L-1的Na2CO3、NaHCO3及濃鹽酸配置堿性鹽溶液，模擬大田蘇打鹽堿土的pH值，設(shè)定4個(gè)濃度梯度(如表1)，分別為對(duì)照(pH值7.0)、輕度堿性鹽脅迫(pH值7.89)、中度堿性鹽脅迫(pH值8.91)、重度堿性鹽脅迫(pH值9.44)，向發(fā)芽盒添加相應(yīng)的堿性鹽溶液(或蒸餾水)，保持溶液的加入量一致，以濾紙充分濕潤為宜。將發(fā)芽盒置于25 ℃的人工氣候箱，光照強(qiáng)度和濕度分別為50 μmol·(m2·s)-1和75%，每天光照、黑暗各12 h。每天觀察工業(yè)大麻發(fā)芽的種子數(shù)，發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn)為胚芽長度達(dá)到工業(yè)大麻種子直徑的1/2，發(fā)芽后第7天測(cè)定胚芽長度、胚根長度和鮮重，最后計(jì)算種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等萌發(fā)特性[13]。萌發(fā)期間每個(gè)發(fā)芽盒按處理補(bǔ)充相同量的蒸餾水和堿性鹽溶液，保持濕潤。

表1 堿性鹽成分及用量Table 1 Composition and dosage of alkaline salt

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

發(fā)芽率(%)=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(shì)(%)=(第3天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)；

活力指數(shù)=S×GI，

式中：Dt為發(fā)芽日數(shù)；Gt為第t天的發(fā)芽數(shù)；S為胚根鮮重，GI為發(fā)芽指數(shù)；

相對(duì)鹽害率(%)=[(對(duì)照發(fā)芽率-處理發(fā)芽率)/對(duì)照發(fā)芽率]×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016軟件處理后，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行方差、相關(guān)及主成分分析。并采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行耐堿性鹽的綜合評(píng)價(jià)，其計(jì)算方法如下：

隸屬函數(shù)值計(jì)算公式：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

反隸屬函數(shù)值計(jì)算公式：

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，Xi為各指標(biāo)測(cè)定值；Xmin、Xmax為各測(cè)定指標(biāo)的最小值和最大值。當(dāng)某一指標(biāo)與工業(yè)大麻的耐堿

性鹽呈正相關(guān)時(shí)，用公式(1)；當(dāng)某一指標(biāo)與工業(yè)大麻耐堿性鹽呈負(fù)相關(guān)時(shí)，則用公式(2)[14]。

2 結(jié) 果

2.1 萌 發(fā)

隨著堿性鹽脅迫濃度的增加工業(yè)大麻種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)呈逐漸降低的趨勢(shì)，輕度、中度和重度堿性鹽脅迫的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)分別比對(duì)照降低了2.00%～40.67%、21.33%～66.00%。方差分析表明，對(duì)照與重度堿性鹽脅迫差異顯著，說明堿性鹽脅迫對(duì)工業(yè)大麻種子的萌發(fā)具有明顯的抑制作用。不同堿性鹽脅迫下3個(gè)工業(yè)大麻品種間的發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)差異顯著，輕度堿性鹽脅迫V 1的發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)比V 2和V 3增加了16.66%和10.66%，中度堿性鹽脅迫V 1的發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)比V 2和V 3增加了20.67%和12.67%，重度堿性鹽脅迫V 1的發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)比V 2和V 3增加了10.67%和6.00%(表2)，表明V 1品種的抗鹽堿性最好，V 2最差。

如表2所示，不同工業(yè)大麻品種的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨著堿性鹽濃度的升高呈降低的趨勢(shì)，且對(duì)照與重度堿性鹽脅迫差異顯著，重度堿性鹽脅迫下，V 1的發(fā)芽指數(shù)比V 2和V 3增加了2.27和0.13，V 1的抗堿性鹽能力最強(qiáng)，V 2最差。

表2 堿性鹽脅迫對(duì)萌發(fā)特性的影響Table 2 Effects of alkaline salt stress on germination characteristics

2.2 幼苗生長量

由圖1可知，堿性鹽脅迫均在一定程度上抑制了工業(yè)大麻幼苗生長量， 3個(gè)工業(yè)大麻品種的胚芽長、胚根長及胚芽+胚根鮮重均隨著堿性鹽濃度的升高呈降低的變化規(guī)律，中度堿性鹽脅迫的胚芽長、胚根長及胚芽+胚根鮮重明顯低于輕度堿性鹽脅迫和對(duì)照。不同堿性鹽脅迫下3個(gè)工業(yè)大麻品種間的胚芽長、胚根長及胚芽+胚根鮮重差異顯著，輕度堿性鹽脅迫V 1的胚芽長、胚根長及胚芽+胚根鮮重比V 2和V 3分別提高了30.88%、26.93%、59.03%、41.92%、30.85%、11.33%；中度堿性鹽脅迫V 1胚芽長、胚根長及胚芽+胚根鮮重明顯高于V 2和V 3。由以上分析可知，V 1的抗堿性鹽能力最好，V 2最差。當(dāng)堿性鹽脅迫濃度的pH值達(dá)9.44時(shí)，萌發(fā)到后期，胚根和胚芽變黃腐爛，活力指數(shù)為0。

圖1 堿性鹽脅迫對(duì)工業(yè)大麻幼苗生長量的影響Fig.1 Effects of alkaline salt stress on the growth of industrial hemp seedlings

2.3 堿性鹽鹽害指數(shù)

從圖2可以看出，不同工業(yè)大麻品種的耐堿性鹽程度差異顯著，隨著脅迫濃度增加堿性鹽鹽害指數(shù)逐漸增加，各處理之間差異顯著，V 2的堿性鹽鹽害指數(shù)比V 1和V 3高出5.87%～22.02%。由此可以看出，堿性鹽脅迫對(duì)V 2的損害程度最強(qiáng)，其次是V 3。

圖2 堿性鹽鹽害指數(shù)的變化Fig.2 Changes of salt stress index of alkaline salts

“*”和“**”分別表示在p<0.05和p<0.01水平顯著。

2.4 耐鹽堿特性綜合評(píng)價(jià)

2.4.1相關(guān)性分析

各萌發(fā)指標(biāo)之間的相關(guān)性均達(dá)到顯著或極顯著水平，除耐堿性鹽指數(shù)與其他萌發(fā)指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)外，其余均呈正相關(guān)。整體來看，工業(yè)大麻種子的萌發(fā)指標(biāo)之間具有明顯的相關(guān)性，如果只用某一萌發(fā)指標(biāo)進(jìn)行耐堿性鹽分析，其結(jié)果具有不確定性，所以需對(duì)工業(yè)大麻所有萌發(fā)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)(表3)。

表3 各指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of each index

2.4.2主成分分析

不同堿性鹽脅迫處理下對(duì)3個(gè)工業(yè)大麻品種的8個(gè)萌發(fā)特性相關(guān)指標(biāo)(發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長、胚芽長、胚根+胚芽鮮重、堿性鹽鹽害指數(shù))進(jìn)行主成分分析，確定幾個(gè)具有代表性的因子來綜合評(píng)價(jià)其耐堿性鹽脅迫能力。按照累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%、特征值大于1來確定主成分個(gè)數(shù)。結(jié)果表明，1個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.913%，而損失量?jī)H為12.087%；主成分特征值為7.033，方差貢獻(xiàn)率為87.913%；8個(gè)萌發(fā)指標(biāo)均與主成分密切相關(guān)，并且這8個(gè)萌發(fā)指標(biāo)的得分系數(shù)差別不大，除堿性鹽鹽害指數(shù)得分系數(shù)為負(fù)值外，其他7個(gè)得分系數(shù)均為正值，且與堿性鹽脅迫濃度差異達(dá)極顯著水平(見表4)。由此說明，主成分值越大，這8個(gè)萌發(fā)指標(biāo)的得分系數(shù)絕對(duì)值越大，其耐堿性鹽脅迫能力越強(qiáng)。因此，可將種子萌發(fā)時(shí)的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長、胚芽+胚根鮮重及耐堿性鹽鹽害指數(shù)作為工業(yè)大麻耐堿性鹽脅迫評(píng)價(jià)的特征因子。

表4 主成分因子的載荷矩陣和得分系數(shù)矩陣Table 4 Load matrix and score coefficient matrix of principal component factor

2.4.3隸屬函數(shù)分析

以上結(jié)果表明，不同工業(yè)大麻品種各萌發(fā)指標(biāo)對(duì)堿性鹽脅迫的響應(yīng)程度差別較大，很難用某一萌發(fā)指標(biāo)評(píng)價(jià)其抗堿性鹽的強(qiáng)弱。因此，根據(jù)主成分分析對(duì)8個(gè)萌發(fā)指標(biāo)(發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚芽長、胚根長、胚芽+胚根鮮重及耐堿性鹽鹽害指數(shù))，求其平均值并進(jìn)行隸屬函數(shù)分析，對(duì)3個(gè)國外引進(jìn)工業(yè)大麻品種耐堿性鹽進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其結(jié)果表明，3個(gè)國外引進(jìn)工業(yè)大麻品種耐堿性鹽能力依次為V 1>V 3>V 2(表5)。

表5 堿性鹽脅迫條件下工業(yè)大麻的隸屬函數(shù)值Table 5 Membership function values of industrial hemp under alkaline salt stress

3 討 論

植物種子萌發(fā)是生命的開始，是生長的第一個(gè)階段，而種子能夠在鹽堿等逆境環(huán)境下萌發(fā)出苗，是植株生長發(fā)育的基礎(chǔ)[15-16]。并且鹽堿脅迫直接抑制植物組織器官的生長及形態(tài)變化，而萌發(fā)指標(biāo)被認(rèn)為是最直接、最廣泛、最直觀的鑒定植物抗鹽堿能力指標(biāo)[17-18]。堿性鹽脅迫主要由NaHCO3和Na2CO3等引起，與一般的鹽脅迫相比，堿性鹽脅迫不僅造成了滲透脅迫和離子毒害，而且還有高pH值脅迫[19]。賈娜爾阿汗等[20]、盛彥敏等[21]研究表明，NaHCO3和Na2CO3等堿性鹽的堿脅迫對(duì)植物的破壞作用明顯大于由NaCl、Na2SO4等中性鹽所造成的鹽脅迫。在高濃度Na2CO3脅迫下，大麻種子不萌發(fā)或幼苗死亡，但經(jīng)不同濃度NaCl、Na2SO4處理后，大麻種子具有一定的萌發(fā)能力和幼苗生長量，所以對(duì)植物生長發(fā)育的抑制作用，相同濃度堿性鹽比中性鹽更明顯[22]。劉源等[23]研究也表明，植物種子的萌發(fā)、幼苗根長、莖長等均受到鹽脅迫和pH值的影響，而高pH值的堿性鹽脅迫對(duì)種子萌發(fā)特性的抑制作明顯高于中pH值的堿性鹽脅迫。

本研究表明，堿性鹽對(duì)工業(yè)大麻種子的萌發(fā)和幼苗生長量具有明顯的抑制作用；在堿性鹽脅迫下，隨著pH值的升高，各品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長、胚芽長及胚芽+胚根鮮重呈逐漸降低的趨勢(shì)，而鹽害指數(shù)呈逐漸增加的趨勢(shì)，3個(gè)工業(yè)大麻品種耐堿性鹽強(qiáng)弱差異明顯，這與前人關(guān)于萌發(fā)期抗鹽堿的研究結(jié)果相似[24-28]；在高堿性鹽(pH值9.44)脅迫下，工業(yè)大麻種子雖萌發(fā)，但在萌發(fā)后期，胚根和胚芽開始變黃腐爛，其活力指數(shù)為0?？梢?，工業(yè)大麻種子萌發(fā)后，高濃度堿性鹽對(duì)胚根胚芽等新器官會(huì)造成致死性的危害，這與戴凌燕等[29]的研究結(jié)果一致。

種子萌發(fā)期既是植物生長發(fā)育的重要階段，也是產(chǎn)量形成的決定因素。景宇鵬等[14]運(yùn)用主成分分析和模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)值法對(duì)玉米苗萌發(fā)期和苗期的9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，得出6個(gè)玉米品種的耐鹽性強(qiáng)弱順序。孫東雷等[30]采用主成分分析、隸屬函數(shù)法及聚類分析方法，對(duì)花生萌發(fā)期耐鹽性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)及篩選，得出萌發(fā)期的耐鹽性強(qiáng)弱受多個(gè)指標(biāo)的影響。劉永惠等[31]研究表明，發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)等綜合評(píng)價(jià)花生耐鹽堿性強(qiáng)弱更可靠。

本研究通過主成分和隸屬函數(shù)分析工業(yè)大麻種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長、胚芽長及胚芽+胚根鮮重及鹽害指數(shù)，得出各工業(yè)大麻品種對(duì)堿性鹽脅迫的耐受性大小順序?yàn)閂 1>V 3>V 2；該研究對(duì)黑龍江省大慶地區(qū)蘇打鹽堿區(qū)耐鹽堿工業(yè)大麻選擇與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 論

堿性鹽對(duì)工業(yè)大麻種子的萌發(fā)和幼苗生長量具有明顯的抑制作用。在堿性鹽脅迫下，隨著pH值的升高，各品種萌發(fā)期的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長、胚芽長及胚芽+胚根鮮重呈逐漸降低的趨勢(shì)，而堿性鹽鹽害指數(shù)呈逐漸增加的趨勢(shì)，不同品種對(duì)鹽脅迫的反應(yīng)程度不同。高濃度堿性鹽(pH值9.44)脅迫下，工業(yè)大麻種子在萌發(fā)后期，胚根和胚芽開始變黃腐爛。通過主成分和隸屬函數(shù)分析，對(duì)3個(gè)工業(yè)大麻品種耐堿性鹽強(qiáng)弱進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，得出其耐堿性鹽順序?yàn)閂 1>V 3>V 2。該研究對(duì)黑龍江省蘇打鹽堿地區(qū)工業(yè)大麻的選擇與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。