郝 統(tǒng),趙晉忠,杜維俊 ,楊衛(wèi)仙 ,王 敏 ,岳愛琴
(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,山西太谷030801;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院,山西太谷030801;3.交城縣農(nóng)業(yè)委員會(huì)土肥站,山西交城030500)
土壤鹽堿化是一種重要的非生物脅迫,對(duì)世界農(nóng)業(yè)發(fā)展影響巨大[1]。全世界鹽漬鹽堿土地面積約10億hm2,我國(guó)有9 913萬(wàn)hm2,主要集中在華北、西北和東北地區(qū)。鹽堿地分為以NaCl和Na2SO4積累為主的中性鹽土和以積累Na2CO3和NaHCO3為主的堿性鹽土[2]。中性鹽和堿性鹽脅迫都能導(dǎo)致滲透脅迫和離子毒害,而堿脅迫又具有高pH值的特點(diǎn),對(duì)植物的傷害更加嚴(yán)重。研究表明,相同濃度的中性鹽和堿性鹽處理下,堿性鹽對(duì)植物的傷害更嚴(yán)重[2-4]。堿性鹽中的Na2CO3和NaHCO3所含的CO32-和HCO3-離子發(fā)生水解,使土壤的pH值升高而呈強(qiáng)堿性。pH值過高會(huì)對(duì)種子產(chǎn)生鹽堿燒傷,造成離子堆積,種子內(nèi)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)與代謝失調(diào),導(dǎo)致多種營(yíng)養(yǎng)元素的匱乏,損壞或抑制了質(zhì)膜的電滲透,使種子在萌發(fā)階段的細(xì)胞質(zhì)膜喪失選擇性吸收功能,終止發(fā)芽[5]。GONG等[2]研究認(rèn)為,鹽堿脅迫會(huì)誘導(dǎo)植物體內(nèi)活性氧(reactive oxygen species,ROS)的暴發(fā),從而導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡,這是造成植物損害的重要途徑。因此,研究如何減緩鹽堿脅迫對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的危害具有非常重要的意義。
近年來,國(guó)內(nèi)外鹽堿地的改良逐漸成為研究的熱點(diǎn)[6-7]。研究表明,外源物浸種或噴灑于作物葉片上可以在一定程度提高作物發(fā)芽率,增強(qiáng)幼苗耐鹽堿能力。例如,將種子經(jīng)過適量濃度的硝普鈉、亞精胺、油菜素內(nèi)酯、硝酸鈣、水楊酸和赤霉素等處理,都可以提高種子的萌發(fā)率和幼苗的生理活性[8-15],這些外源物主要通過調(diào)節(jié)作物代謝來緩解鹽堿脅迫造成的傷害。前人研究?jī)H局限于鹽脅迫和干旱脅迫對(duì)植物的影響,而堿脅迫下對(duì)植物的影響相對(duì)較少。因此,研究作物種子萌發(fā)對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)機(jī)制以及如何減輕鹽堿脅迫對(duì)植物的影響具有重要的意義。
山西農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆課題組針對(duì)上述存在的問題,提出以乙?;咸烟菫榛|(zhì)用于改良鹽堿地的新思路,并用于大田試驗(yàn)。研究結(jié)果表明,活性乙?;咸烟遣粌H可以改善鹽堿地土壤的理化性狀,還可以提高作物產(chǎn)量[16-18]。但是關(guān)于乙?;咸烟菍?duì)堿脅迫下大豆種子萌發(fā)的影響還未進(jìn)行研究。
本研究采用水培法探討不同濃度堿脅迫及添加不同濃度乙?;咸烟菍?duì)大豆種子萌發(fā)的影響,以期為大豆種子萌發(fā)階段的鹽堿改良提供參考。
供試大豆材料為武鄉(xiāng)小黑豆,由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)大豆課題組提供。
乙酰葡萄糖(C16H22O11)由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)鹽堿地治理課題組合成;Na2CO3和NaHCO3均為分析純。
利用Na2CO3和NaHCO3配制成不同濃度的堿脅迫溶液(表1)。將濃度為50 mmol/L堿脅迫溶液中分別添加不同濃度的改良劑(表2)。
表2 不同改良劑處理溶液及其pH值
表1 不同堿脅迫溶液及pH值
挑選顆粒飽滿、大小均勻、未破碎的大豆種子,用1%NaClO溶液進(jìn)行消毒,蒸餾水清洗3次后,浸泡5 h。之后放置于滅菌培養(yǎng)皿(放置2層濾紙),每個(gè)培養(yǎng)皿中放入100粒種子,并加入10 mL不同濃度的處理液,每個(gè)處理重復(fù)3次。在溫度25℃、相對(duì)濕度80%、黑暗條件下進(jìn)行萌發(fā)。從第2天起,每天8:00統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù),并更換處理液,以防止種子腐爛并保證處理液濃度不變;在第7天,隨機(jī)選擇30粒種子以測(cè)量芽長(zhǎng)度,然后在105℃下殺青15 min,并在75℃下烘至恒質(zhì)量稱干質(zhì)量,計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。
采用Microsoft Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖,用SPSS 22軟件對(duì)平均數(shù)進(jìn)行多重比較和差異顯著性分析。
2.1.1 堿脅迫對(duì)武鄉(xiāng)小黑豆種子發(fā)芽率的影響
從表3可以看出,不同濃度的堿脅迫對(duì)大豆種子的發(fā)芽率影響不同。發(fā)芽第1~7天,25 mmol/L堿脅迫下的發(fā)芽率與空白組(蒸餾水)的發(fā)芽率差異均不顯著。第3~7天,50 mmol/L的發(fā)芽率均顯著低于空白組。在100 mmol/L的脅迫濃度下,發(fā)芽的第2~7天均顯著低于空白組。而脅迫濃度為150,200,250 mmol/L時(shí),發(fā)芽率在第1~7天均顯著低于空白組。除25 mmol/L堿脅迫外,隨著堿脅迫濃度的增加,發(fā)芽率逐漸降低,對(duì)發(fā)芽率的抑制作用也越來越明顯。
2.1.2 堿脅迫對(duì)武鄉(xiāng)小黑豆種子發(fā)芽勢(shì)的影響
由圖1可知,在堿脅迫濃度為25 mmol/L時(shí),大豆種子的發(fā)芽勢(shì)與空白組(蒸餾水)的發(fā)芽勢(shì)無(wú)顯著差異。50,100 ,150,200,250 mmol/L條件下發(fā)芽勢(shì)均顯著低于對(duì)照組。結(jié)果表明,隨著堿脅迫濃度的提高,對(duì)種子發(fā)芽勢(shì)抑制作用增強(qiáng)。
2.1.3 堿脅迫對(duì)武鄉(xiāng)小黑豆種子發(fā)芽指數(shù)的影響
由圖2可知,不同濃度的堿脅迫對(duì)大豆種子的發(fā)芽指數(shù)影響不同。堿脅迫濃度為25 mmol/L時(shí)的發(fā)芽指數(shù)比空白組高3.94%。隨著堿脅迫濃度的增加,發(fā)芽指數(shù)逐漸降低。顯著性分析結(jié)果表明,堿濃度為25 mmol/L脅迫下的發(fā)芽指數(shù)與空白組間差異不顯著;50,100,150,200,250 mmol/L 堿濃度脅迫下的發(fā)芽指數(shù)均與空白組間差異顯著,并且隨著堿脅迫濃度的升高,發(fā)芽指數(shù)逐漸減小。
表3 堿脅迫對(duì)武鄉(xiāng)小黑豆發(fā)芽率的影響 %
2.1.4 堿脅迫對(duì)武鄉(xiāng)小黑豆種子胚根長(zhǎng)的影響
由圖3,4可知,不同濃度的堿脅迫處理下,武鄉(xiāng)小黑豆的胚根長(zhǎng)在第7天時(shí)均顯著變短??瞻讓?duì)照條件下平均胚根長(zhǎng)為 12.83 cm,25,50,100,150,200,250 mmol/L堿濃度脅迫下胚根長(zhǎng)分別為7.87,5.17,2.03,2.00,0.90,0.43 cm,與空白組相比依次減少了38.66%,59.70%,84.18%,84.41%,92.99%,95.56%。由此可見,無(wú)論低濃度還是高濃度堿脅迫,均嚴(yán)重抑制了武鄉(xiāng)小黑豆種子胚根的生長(zhǎng)。
由以上試驗(yàn)可知,50 mmol/L堿脅迫顯著影響武鄉(xiāng)小黑豆的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和胚根長(zhǎng),因此,在50 mmol/L堿脅迫溶液中分別添加濃度為1,2,3,4,5 mmol/L的改良劑進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn),探究添加改良劑對(duì)武鄉(xiāng)小黑豆發(fā)芽的影響。
2.2.1 改良劑對(duì)堿脅迫下武鄉(xiāng)小黑豆種子發(fā)芽過程中發(fā)芽率的影響 由圖5可知,添加不同濃度改良劑對(duì)大豆種子發(fā)芽率的影響不同。隨著改良劑濃度的增加,種子的發(fā)芽率呈先上升后下降。其中,添加3 mmol/L的改良劑時(shí),武鄉(xiāng)小黑豆種子的發(fā)芽率最高,第1~7天發(fā)芽率均顯著高于對(duì)照(CK);添加4,5 mmol/L改良劑時(shí)發(fā)芽率降低,說明改良劑濃度太高反而對(duì)種子的發(fā)芽率有抑制作用。
2.2.2 改良劑對(duì)堿脅迫下武鄉(xiāng)小黑豆種子發(fā)芽力的影響 由表4和圖6可知,添加改良劑濃度分別為 1,2,3,4 mmol/L時(shí),發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和胚根長(zhǎng)度均顯著高于CK(堿脅迫)。隨著改良劑濃度的增加,武鄉(xiāng)小黑豆的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和胚根長(zhǎng)度均呈先上升后下降。當(dāng)添加3 mmol/L改良劑時(shí),發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和胚根長(zhǎng)度均達(dá)最高,分別為 82.33%,143.55,572.34,3.99 cm,與CK(堿脅迫)處理相比分別提高12.55%,14%,38.72%,28.82%。結(jié)果說明,堿脅迫下添加改良劑可以提高大豆的種子活力,且添加3 mmol/L改良劑時(shí)效果最佳。
表4 改良劑對(duì)堿脅迫下武鄉(xiāng)小黑豆發(fā)芽力的影響
種子萌發(fā)是幼苗成長(zhǎng)的關(guān)鍵階段。VOIGY等[19]研究表明,鹽堿脅迫會(huì)減緩種子內(nèi)部?jī)?chǔ)藏器官中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的水解和轉(zhuǎn)運(yùn),破壞其與生長(zhǎng)組織營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供給之間的平衡關(guān)系,導(dǎo)致種子的萌發(fā)受制。本研究結(jié)果表明,鹽堿脅迫濃度為25 mmol/L時(shí)種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)與空白對(duì)照間差異均不顯著,而胚根長(zhǎng)顯著低于對(duì)照,并且隨著堿脅迫濃度的增加,大豆種子萌發(fā)過程中發(fā)芽力均逐漸降低。說明堿脅迫顯著降低了種子的發(fā)芽力,延長(zhǎng)了發(fā)芽時(shí)間。
本研究使用的鹽堿改良劑乙?;咸烟遣粌H降低了堿脅迫液的pH值,還產(chǎn)生了糖類物質(zhì),可用作外源糖來促進(jìn)植物生長(zhǎng)。前人研究結(jié)果表明,鹽堿脅迫下經(jīng)過低濃度的葡萄糖或果糖浸種處理的水稻種子,其發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)得到了顯著提高[20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,堿脅迫下添加乙酰化葡萄糖濃度為3 mmol/L時(shí),對(duì)大豆種子萌發(fā)的促進(jìn)作用最強(qiáng),隨著添加乙?;咸烟菨舛鹊脑黾?,對(duì)大豆種子萌發(fā)產(chǎn)生了抑制作用,可能是由于產(chǎn)生糖濃度過高,導(dǎo)致培養(yǎng)液的滲透壓增加,對(duì)大豆種子產(chǎn)生了滲透脅迫,但結(jié)果還有待進(jìn)一步研究。