鹽堿脅迫對(duì)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子萌發(fā)及耐鹽堿性的影響1)

劉樂(lè) 魏曉慧 殷東生

(東北林業(yè)大學(xué),哈爾濱，150040) (黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所)

土壤鹽堿化是世界性的生態(tài)問(wèn)題，其程度和面積呈逐年增大的趨勢(shì)[1]。鹽堿地區(qū)的突出特征是生態(tài)環(huán)境較脆弱，土壤條件苛刻，植物種類稀少，生物多樣性低[2]。因此，篩選和培育耐鹽堿植物、豐富該地區(qū)植物種類，對(duì)該地區(qū)生態(tài)防護(hù)林、水土保持林和生態(tài)景觀林建設(shè)具有重要意義[3]。目前，關(guān)于植物耐鹽堿研究主要是以中性鹽脅迫為主，而鹽堿地類型復(fù)雜，大多都是鹽化和堿化相伴存在[4]。因此，了解不同鹽堿脅迫對(duì)植物造成的危害，探索不同植物的耐受力及適應(yīng)機(jī)制，為鹽堿地栽培植被選擇提供理論指導(dǎo)。

種子發(fā)芽至苗期是植物生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期最脆弱的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是對(duì)逆境的敏感時(shí)期，因此種子萌發(fā)期是研究植物抗逆性的最佳時(shí)期[5]。由于種子萌發(fā)期的耐鹽堿性是可遺傳的性狀，對(duì)于早期抗鹽堿材料篩選和品種改良具有重要意義[]6。目前，關(guān)于鹽堿脅迫對(duì)植物影響研究主要集中在草本植物和糧食作物[6-8]，缺乏對(duì)灌木，尤其是對(duì)彩葉類花灌木的研究。風(fēng)箱果(Physocarpusamurensis)是我國(guó)珍貴的鄉(xiāng)土花灌木綠化樹(shù)種，該樹(shù)種適應(yīng)性強(qiáng)，既耐旱又耐寒，白色的花序優(yōu)美且花期較長(zhǎng)，是自然風(fēng)景區(qū)極好的綠化樹(shù)種，開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景非常廣闊[9]。紫葉風(fēng)箱果(P.opulifolius)枝葉呈紫色，花色淡雅，果實(shí)鮮紅，具有較高的觀賞價(jià)值，是近年來(lái)為豐富綠化層次和色彩從美國(guó)引進(jìn)，逐漸成為園林中優(yōu)良的觀花灌木和彩葉觀賞樹(shù)種[10]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果的相關(guān)研究主要集中在生長(zhǎng)條件、繁殖技術(shù)、抗旱性和抗寒性[9-14]等方面，但是兩種風(fēng)箱果種子萌發(fā)對(duì)鹽堿脅迫響應(yīng)的研究尚無(wú)報(bào)道。本文以風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子為研究對(duì)象，研究不同濃度中性鹽(NaCl)、堿性鹽(NaHCO3)以及中性鹽(NaCl)和堿性鹽(NaHCO3)的混合鹽堿脅迫下，對(duì)種子萌發(fā)特性的影響和對(duì)兩種風(fēng)箱果耐鹽堿性進(jìn)行評(píng)價(jià)，探索兩種風(fēng)箱果種子對(duì)鹽堿環(huán)境的適應(yīng)能力，進(jìn)一步為風(fēng)箱果屬植物引種我國(guó)鹽堿地區(qū)，豐富鹽堿地區(qū)植物種類提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試種子于2019年8月初采自東北林業(yè)大學(xué)帽兒山林場(chǎng)苗圃引種栽植的風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果成熟林。風(fēng)箱果種子和紫葉風(fēng)箱果種子質(zhì)量分別為1.122 9、0.953 0 mg/粒。種子陰干后，密封好放入冰箱4 ℃冷藏室內(nèi)。試驗(yàn)于2019年11月在東北林業(yè)大學(xué)森林培育實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。隨機(jī)選取大小一致、飽滿的風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子，先用體積分?jǐn)?shù)為75%酒精清洗2次，每次30 s，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% NaClO浸泡10 min，進(jìn)行消毒處理，最后用蒸餾水沖洗3～5遍，由于風(fēng)箱果種子具有休眠特性，脅迫處理前用50 mg·L-1赤霉素(GA3)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4% KNO3混合處理72 h進(jìn)行催芽[15]，將種子自然風(fēng)干后進(jìn)行發(fā)芽實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)鹽堿地土壤的鹽堿組成和含鹽量來(lái)設(shè)置鹽堿脅迫梯度[16]。本研究采用中性鹽(NaCl)脅迫、堿性鹽(NaHCO3)脅迫以及NaCl和NaHCO3(m(NaCl)∶m(NaHCO3)=1∶1)混合鹽堿脅迫3種處理，每一處理濃度梯度分別為0(CK)、20、40、60、80、100 mmol·L-1，每個(gè)濃度重復(fù)3次。試驗(yàn)所用NaCl和NaHCO3均為分析純。

1.3 脅迫處理

發(fā)芽床采用濾紙法，在洗凈烘干的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)底部鋪一層脫脂棉，上面鋪一層濾紙，每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)均勻排列20粒種子，分別加入不同處理濃度鹽堿溶液至濾紙飽和，置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱，光照16 h，黑暗8 h。為了防止試驗(yàn)期間由于水分蒸發(fā)引起的溶液濃度改變，培養(yǎng)皿用透氣不透水的封口膜封口，試驗(yàn)期間若失水，采用稱重法添加蒸餾水保持鹽堿溶液濃度不變。

1.4 指標(biāo)與測(cè)定方法

種子以胚根剛突破種皮為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，每隔24 h觀察和記錄萌發(fā)種子數(shù)，連續(xù)觀察30 d(連續(xù)3 d沒(méi)有新種子萌發(fā)視為發(fā)芽結(jié)束)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別計(jì)算種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽率和相對(duì)鹽害率。

發(fā)芽率(Gr)：Gr=(Gn/Sn)×100%；

發(fā)芽指數(shù)(Gi)：Gi=∑(Gt/Dt)；

相對(duì)發(fā)芽率=(Gr/對(duì)照處理的發(fā)芽率)×100%；

相對(duì)鹽害率(Rd)：Rd=[(對(duì)照處理的發(fā)芽率-鹽堿處理發(fā)芽率)/對(duì)照處理的發(fā)芽率]×100%。

式中：Gn為種子萌發(fā)總數(shù)，Sn為供試種子總數(shù)，Gt為第t天的種子發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.5 耐鹽堿性評(píng)價(jià)

種子的耐鹽堿性等級(jí)參考Wang et al.[16]的標(biāo)準(zhǔn)。另外分別以NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫處理30 d后的相對(duì)發(fā)芽率為因變量(y)，以相對(duì)應(yīng)的NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫濃度為自變量(x)建立回歸方程，以相對(duì)發(fā)芽率(CK為100%)為75%、50%、25%所對(duì)應(yīng)的鹽堿溶液濃度，作為種子發(fā)芽時(shí)抗鹽堿性的適宜值、臨界值和極限值[17]。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010進(jìn)行整理，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析、多重比較和回歸分析。發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽率和相對(duì)鹽害率數(shù)據(jù)為百分?jǐn)?shù)，對(duì)其進(jìn)行反正弦平方根轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫對(duì)種子發(fā)芽率的影響

由表1可知，NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫對(duì)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子的發(fā)芽率影響顯著(P<0.05)，均隨脅迫強(qiáng)度的增大呈下降趨勢(shì)。3種脅迫處理下，風(fēng)箱果種子的發(fā)芽率均在鹽堿濃度為20 mmol·L-1時(shí)與CK差異不顯著(P>0.05)，當(dāng)鹽堿濃度大于20 mmol·L-1以后的處理顯著低于CK(P<0.05)；NaCl濃度為40～100 mmol·L-1時(shí)風(fēng)箱果種子發(fā)芽率變化不顯著(P>0.05)，而NaHCO3脅迫和混合脅迫下的發(fā)芽率下降顯著(P<0.05)；紫葉風(fēng)箱果種子的發(fā)芽率在NaCl濃度為20 mmol·L-1時(shí)與CK差異不顯著(P>0.05)，當(dāng)NaCl濃度大于20 mmol·L-1以后的處理顯著低于CK(P<0.05)，NaCl濃度為40～80 mmol·L-1時(shí)發(fā)芽率變化不顯著(P>0.05)，而NaHCO3脅迫和混合脅迫下的發(fā)芽率下降顯著(P<0.05)。在高濃度(100 mmol·L-1)的NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫下，風(fēng)箱果的最終發(fā)芽率分別比CK減少了24.4%、34.4%和35.6%，紫葉風(fēng)箱果的最終發(fā)芽率分別比CK減少了36.4%、68.2%和65.9%，說(shuō)明鹽堿脅迫對(duì)紫葉風(fēng)箱果種子萌發(fā)影響更大。3種脅迫處理下，風(fēng)箱果種子的發(fā)芽率顯著高于紫葉風(fēng)箱果(P<0.05)，同時(shí)在NaCl脅迫下兩種風(fēng)箱果都有較高的發(fā)芽率，而在NaHCO3脅迫和混合脅迫下，風(fēng)箱果種子的發(fā)芽率變化幅度明顯小于紫葉風(fēng)箱果。

表1 鹽堿脅迫的風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子發(fā)芽率

2.2 鹽堿脅迫對(duì)發(fā)芽指數(shù)的影響

由表2可知，NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫對(duì)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子的發(fā)芽指數(shù)影響顯著(P<0.05)，均隨脅迫強(qiáng)度的增大呈下降趨勢(shì)。NaCl脅迫下，風(fēng)箱果種子的發(fā)芽指數(shù)在20 mmol·L-1時(shí)與CK差異不顯著(P>0.05)，當(dāng)NaCl濃度大于20 mmol·L-1以后顯著低于CK(P<0.05)；紫葉風(fēng)箱果種子的發(fā)芽指數(shù)在NaCl濃度為20和40 mmol·L-1時(shí)與CK差異不顯著(P>0.05)，當(dāng)NaCl濃度大于40 mmol·L-1以后顯著低于CK(P<0.05)。NaHCO3脅迫下，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子的發(fā)芽指數(shù)均隨著脅迫強(qiáng)度的增大顯著下降(P<0.05)，且紫葉風(fēng)箱果的發(fā)芽指數(shù)均小于1，NaHCO3濃度為100 mmol·L-1時(shí)的發(fā)芽指數(shù)僅為0.3，說(shuō)明種子即使有萌發(fā)，但其萌發(fā)的速度也較慢；混合脅迫下，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子的發(fā)芽指數(shù)均隨著脅迫強(qiáng)度的增大顯著下降(P<0.05)。在NaCl脅迫下，兩種風(fēng)箱果都有較高的發(fā)芽指數(shù)，而在NaHCO3脅迫和混合脅迫下，兩種風(fēng)箱果發(fā)芽指數(shù)的下降幅度均大于NaCl脅迫。在高濃度(100 mmol·L-1)的NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫下，風(fēng)箱果的發(fā)芽指數(shù)分別比CK減少了40.5%、52.7%和54.1%，紫葉風(fēng)的發(fā)芽指數(shù)分別比CK減少了57.6%、84.3%和76.2%，說(shuō)明鹽堿脅迫對(duì)紫葉風(fēng)箱果種子的發(fā)芽速度和整齊度影響更大。

表2 鹽堿脅迫的風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子發(fā)芽指數(shù)

2.3 耐鹽堿性評(píng)價(jià)

由表3可知，NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫對(duì)風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子的相對(duì)鹽害率影響顯著(P<0.05)，均隨著脅迫強(qiáng)度的增大呈增大趨勢(shì)。除了NaCl脅迫下兩種風(fēng)箱果種子在20 mmol·L-1時(shí)，相對(duì)鹽害率與CK差異不顯著(P>0.05)外，其他脅迫處理的鹽害程度均顯著高于CK(P<0.05)，而且風(fēng)箱果種子的相對(duì)鹽害率變動(dòng)幅度明顯低于紫葉風(fēng)箱果，尤其是濃度超過(guò)20 mmol·L-1時(shí)，紫葉風(fēng)箱果的相對(duì)鹽害率驟然上升。根據(jù)種子耐鹽堿性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)箱果在3種脅迫處理下均屬于1～2級(jí)，種子表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性，沒(méi)有明顯的鹽堿傷害，而紫葉風(fēng)箱果種子隨著鹽堿脅迫強(qiáng)度的增大，相對(duì)鹽害率也顯著增大(P<0.05)，并且在80 mmol·L-1NaHCO3脅迫和100 mmol·L-1混合脅迫時(shí)達(dá)到4級(jí)。

由表4可知，風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子的相對(duì)發(fā)芽率與鹽堿濃度間存在著極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；兩種風(fēng)箱果種子的相對(duì)發(fā)芽率在NaCl脅迫下的適宜值、臨界值和極限值明顯高于NaHCO3脅迫和混合脅迫，而且NaHCO3脅迫和混合脅迫的變化并不明顯；同一脅迫處理下，風(fēng)箱果種子相對(duì)發(fā)芽率的適宜值、臨界值和極限值明顯高于紫葉風(fēng)箱果。

表3 鹽堿脅迫下風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子的相對(duì)鹽害率及等級(jí)

3 結(jié)論與討論

種子萌發(fā)是植物生存和延續(xù)至關(guān)重要的階段，更是植物能否適應(yīng)環(huán)境變化并成功建植的關(guān)鍵[18-19]。許多研究表明，鹽堿脅迫對(duì)植物種子萌發(fā)的影響主要表現(xiàn)在發(fā)芽率降低、發(fā)芽時(shí)間滯后、種子活力降低，甚至引起種子死亡等[20]，但也有研究發(fā)現(xiàn)，適宜的鹽堿脅迫有利于種子的萌發(fā)[21-22]，說(shuō)明不同植物種類對(duì)鹽堿脅迫的適應(yīng)能力存在明顯差異。本研究中，3種脅迫處理均不同程度的抑制了風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，提高了相對(duì)鹽害率和等級(jí)，相對(duì)發(fā)芽率與鹽堿濃度間存在著極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。在喬灌木樹(shù)種，例如刺槐(Robiniapseudoacacia)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)、桑樹(shù)(Morusalba)等樹(shù)種的研究中發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫嚴(yán)重抑制這些樹(shù)種的種子萌發(fā)[20，23]，在很多草本植物和糧食作物，例如小麥(Triticumaestivum)、水稻(Oryzasativa)、高粱(Sorghumbicolor)等研究中也發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫顯著降低了種子的萌發(fā)指標(biāo)[6，24-25]。大量研究證明堿性鹽脅迫比中性鹽脅迫對(duì)植物的破壞力更強(qiáng)[7]，本研究發(fā)現(xiàn)，相同濃度條件下，NaHCO3脅迫下的兩種風(fēng)箱果種子的各種萌發(fā)指標(biāo)均明顯低于NaCl脅迫，相對(duì)發(fā)芽率在NaHCO3脅迫下的適宜值、臨界值和極限值也明顯高于NaCl脅迫，說(shuō)明NaHCO3脅迫對(duì)兩種風(fēng)箱果種子萌發(fā)的抑制作用大于NaCl脅迫，原因是由于NaCl為中性鹽，對(duì)植物種子脅迫影響主要是Na+的毒性作用和由Na+濃度引起的膜滲漏作用，而NaHCO3是堿性鹽，除了與NaCl具有相同的脅迫影響外，還表現(xiàn)出高pH脅迫[17，26]，引起種子內(nèi)部脫落酸的積累，從而抑制種子細(xì)胞分裂、伸長(zhǎng)和胚芽生長(zhǎng)[27]。此外，混合脅迫下兩種風(fēng)箱果種子的各種萌發(fā)指標(biāo)以及相對(duì)發(fā)芽率的適宜值、臨界值和極限值基本介于NaCl脅迫和NaHCO3脅迫之間，并沒(méi)有表現(xiàn)出類似栓皮櫟(Quercusvariabilis)[28]、白榆(Ulmuspumila)[29]、合歡(Albiziajulibrissin)[17]等樹(shù)種的種子對(duì)兩種鹽的協(xié)同作用，說(shuō)明本研究中混合脅迫中的NaHCO3脅迫起關(guān)鍵作用。

表4 風(fēng)箱果和紫葉風(fēng)箱果種子相對(duì)發(fā)芽率與鹽堿濃度的回歸分析

風(fēng)箱果種子在3種脅迫下，鹽堿濃度低于20 mmol·L-1時(shí)，對(duì)發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和相對(duì)鹽害率均沒(méi)有顯著影響。紫葉風(fēng)箱果在NaCl濃度低于20 mmol·L-1時(shí)，各發(fā)芽指標(biāo)與CK差異不顯著，表明風(fēng)箱果種子能夠適應(yīng)低濃度的鹽堿脅迫，而紫葉風(fēng)箱果僅能適應(yīng)低濃度的NaCl脅迫，對(duì)NaHCO3脅迫和混合脅迫耐受性較差；從相對(duì)耐鹽堿性結(jié)果看，風(fēng)箱果的耐鹽堿等級(jí)均未超過(guò)2級(jí)，而紫葉風(fēng)箱果最高達(dá)到4級(jí)，說(shuō)明風(fēng)箱果種子對(duì)鹽堿脅迫具有更強(qiáng)的耐受性，而紫葉風(fēng)箱果僅對(duì)NaCl脅迫具有耐受性，對(duì)NaHCO3脅迫和混合脅迫耐受性較差；從耐鹽堿性來(lái)看，NaCl脅迫下兩種風(fēng)箱果種子相對(duì)發(fā)芽率的適宜值、臨界值和極限值均明顯高于NaHCO3脅迫和混合脅迫，同一脅迫下的風(fēng)箱果種子相對(duì)發(fā)芽率的適宜值、臨界值和極限值均明顯高于紫葉風(fēng)箱果，進(jìn)一步說(shuō)明了兩種風(fēng)箱果對(duì)NaCl脅迫的耐受性較好，對(duì)NaHCO3脅迫和混合脅迫的耐受性較差，而且風(fēng)箱果種子對(duì)鹽堿脅迫的耐受性強(qiáng)于紫葉風(fēng)箱果。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，風(fēng)箱果種子在鹽濃度20～40 mmol·L-1下胚根較對(duì)照(CK)伸長(zhǎng)，而紫葉風(fēng)箱果在3種脅迫下胚根長(zhǎng)抑制明顯，表明風(fēng)箱果比紫葉風(fēng)箱果能保持較高的根系活力和體內(nèi)的水分平衡以適應(yīng)鹽堿環(huán)境[30]；紫葉風(fēng)箱果在濃度40～100 mmol·L-1NaHCO3脅迫和濃度60～100 mmol·L-1混合脅迫時(shí)種子雖有萌發(fā)，但生物量很小，部分萌發(fā)種子還伴隨著葉黃并且胚根出現(xiàn)褐化、甚至出現(xiàn)腐爛死亡現(xiàn)象，進(jìn)一步證明風(fēng)箱果種子對(duì)鹽堿脅迫的耐受性強(qiáng)于紫葉風(fēng)箱果。種子對(duì)鹽堿脅迫的適應(yīng)機(jī)制非常復(fù)雜[19，31]，今后的研究重點(diǎn)將從生理機(jī)制和耐鹽基因表達(dá)等方面進(jìn)行深入研究?jī)煞N風(fēng)箱果種子對(duì)鹽堿脅迫的響應(yīng)機(jī)理。

綜上所述，鹽堿脅迫均不同程度抑制了兩種風(fēng)箱果種子的萌發(fā)，NaHCO3脅迫對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用大于NaCl脅迫。兩種風(fēng)箱果對(duì)NaCl脅迫均具有一定的耐受性，對(duì)NaHCO3脅迫和混合脅迫的耐受性較差，風(fēng)箱果種子對(duì)鹽堿脅迫的耐受性強(qiáng)于紫葉風(fēng)箱果。