干旱脅迫及SA、GA浸種對砂培西藏野生垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

龍建廷, 王兗薇, 高國榮, 陳盈熹, 曹家寧,黃 超, 蘇志剛, 苗彥軍

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院, 西藏 林芝 860000;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)牙克石鄉(xiāng)村振興促進(jìn)中心, 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

第五次全國荒漠化調(diào)查報告顯示,西藏自治區(qū)沙化土地面積達(dá)到2 168.42萬hm2,其中重度沙化區(qū)域超過90%[1-2]。水位驟然縮減使得河谷內(nèi)泥沙暴露,在強(qiáng)日照與大風(fēng)的作用下,雅魯藏布江中游下段(米林縣附近)植被退化嚴(yán)重,形成大面積沙區(qū)89片,其面積超過2 000 hm2[3]。沙化土地導(dǎo)致土壤保水能力下降、土壤養(yǎng)分流失、植被覆蓋度降低,種子萌發(fā)率低、人工補(bǔ)種難度大[4-5]。

垂穗披堿草(Elymusnutans)是禾本科披堿草屬多年生叢生草本植物,分布于中國西藏、河北、青海、四川、陜西、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古等省區(qū),在土耳其、蒙古、印度、俄羅斯等國家也有分布。垂穗披堿草生長力強(qiáng),粗蛋白和粗脂肪含量高、適口性好,在高寒退化草場的改良以及人工草地的建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用,深受牧民喜愛[6-8]。經(jīng)過長期的自然選擇,垂穗披堿草逐漸形成了抗寒、抗旱、抗鹽堿等特性。其不僅具有較高的飼用價值,而且在抗風(fēng)沙害、保持水土等方面,也能起到重要作用[9-11]。

水楊酸(SA)是植物生理過程的調(diào)節(jié)劑,可有效提高植物對干旱等逆境的抗性,在植物響應(yīng)非生物脅迫中發(fā)揮重要的作用[12]。它能降低逆境對植物的危害,具有促進(jìn)種子萌發(fā),促進(jìn)植物逆境生長的酚類化合物[13]。目前國內(nèi)關(guān)于SA對種子萌發(fā)的研究多用于玉米、小麥、大豆等農(nóng)作物上。 馬碧花等[14]研究表明,噴施SA可有效提高多年生黑麥草抗旱性。

赤霉素 (GA)是促進(jìn)植物生長發(fā)育的植物激素,不僅可打破種子休眠,還可促進(jìn)種子發(fā)芽[15]。GA可提高植物對干旱等理化逆境的抗性,促進(jìn)干旱脅迫下植物種子萌發(fā)時根長、芽長的生長[16]。目前國內(nèi)關(guān)于GA對種子萌發(fā)的研究已經(jīng)應(yīng)用于牧草上,單旭東等[17]研究表明,GA可促進(jìn)干旱脅迫下多年生黑麥草的萌發(fā)。

本研究以西藏野生垂穗披堿草為材料,探究不同濃度SA、GA浸種處理對干旱脅迫下垂穗披堿草種子萌發(fā)的緩解作用,以期了解砂培垂穗披堿草種子萌發(fā)特性和SA、GA緩解干旱脅迫的最佳濃度,為西藏沙地區(qū)域植被恢復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為西藏野生垂穗披堿草種子,采于西藏自治區(qū)那曲市巴青縣,平均海拔4 500 m,于2019年9月中旬收獲,存放于4 ℃低溫種子庫內(nèi),初始發(fā)芽率約為85%。本試驗于2022年5月在西藏農(nóng)牧學(xué)院草業(yè)科學(xué)實驗室完成,平均海拔3 000 m。試驗用沙采集于西藏自治區(qū)林芝市米林縣沙丘,pH值為7.5。

1.2 材料處理

挑選大小均勻、籽粒飽滿且無霉變破損的西藏野生垂穗披堿草種子,用75%的乙醇溶液浸泡消毒1 min,后用蒸餾水反復(fù)沖洗,直至將乙醇溶液清洗干凈。試驗開始前將沙子用蒸餾水沖洗干凈后烘干至恒重。

1.3 試驗設(shè)計

將供試種子浸入SA(25、50、75、100 mg/L)[18]、GA (50、75、100、125 mg/L)[19]溶液中浸泡24 h,以蒸餾水浸泡作對照,浸種完成后開始試驗。試驗采用砂培及PEG-6000溶液作為干旱脅迫,設(shè)置4個PEG-6000濃度梯度(5%、10%、15%、20%),以蒸餾水作對照,各處理重復(fù)3次。每個發(fā)芽盒內(nèi)鋪有1 000 g干沙,均勻擺放50粒供試種子,再覆蓋1 000 g的干沙,加入不同梯度的PEG-6000溶液200 mL[20],使用稱重法,根據(jù)發(fā)芽盒內(nèi)蒸發(fā)量每天早、中、晚3次補(bǔ)充蒸餾水,保證砂培中PEG-6000溶液含量在10%左右。將發(fā)芽盒置于25 ℃的人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi),以芽露出沙表面作為種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),每天記錄種子發(fā)芽情況。

1.4 測定指標(biāo)與方法

種子萌發(fā)相關(guān)指標(biāo)的測定和計算公式如下:

發(fā)芽率/%=(發(fā)芽終期15 d內(nèi)正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽勢/%=(發(fā)芽試驗前7 d的正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt),式中,Gt指第t天的發(fā)芽種子數(shù),Dt指相對應(yīng)的發(fā)芽天數(shù);

活力指數(shù)(VI)=GI×S,式中,S為平均根長;

苗長和根長:發(fā)芽試驗結(jié)束后,在各處理發(fā)芽盒中隨機(jī)選取10株幼苗,用直尺(1 mm)測量幼苗苗長和根長。

利用隸屬函數(shù)法對不同濃度浸種處理的抗旱性進(jìn)行分析比較,指標(biāo)計算公式為:X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),若該指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān),則公式為:X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用DPS 6.0統(tǒng)計分析軟件對種子萌發(fā)的指標(biāo)進(jìn)行方差分析, 用Tukey’ HSD檢驗樣本間的顯著性,用Origin 2018軟件制作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽率的影響

由圖1可知,隨著PEG-6000濃度增加,砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽率呈下降趨勢,ck與5% PEG-6000脅迫處理的發(fā)芽率差異不顯著,隨著PEG-6000濃度增加至10%、15%、20%,發(fā)芽率顯著下降(p<0.05)。低濃度SA浸種處理可提高砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽率,濃度為50 mg/L的處理效果最佳,發(fā)芽率可達(dá)94%,濃度高于50 mg/L會抑制垂穗披堿草種子萌發(fā);低濃度GA浸種處理同樣可提高垂穗披堿草種子發(fā)芽率,濃度為75 mg/L處理效果最佳,發(fā)芽率可達(dá)90%,濃度高于75 mg/L同樣抑制垂穗披堿草種子萌發(fā);5%PEG-6000脅迫下,濃度為75 mg/L的GA處理效果最佳,發(fā)芽率可達(dá)82%;10%PEG-6000脅迫下,濃度為50 mg/L的GA處理效果最佳,發(fā)芽率可達(dá)78%;15%PEG-6000脅迫下,濃度為75 mg/L 的GA處理效果最佳,發(fā)芽率可達(dá)63%;20%PEG-6000脅迫下,濃度為50 mg/L、75 mg/L 的GA與50 mg/L的SA處理效果較好,發(fā)芽率可達(dá)50%左右。

注:不同小寫字母表示各處理間差異顯著(p<0.05)。下同。圖1 SA、GA浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effects of salicylic acid and gibberellin seed soaking treatments on the germination rate of Elymus nutans under PEG-6000 stress

2.2 浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽勢的影響

由圖2可知,隨著PEG-6000濃度增加,砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽勢呈下降趨勢,ck和5% PEG-6000脅迫不顯著,隨著濃度增加至10%、15%、20%,種子發(fā)芽勢顯著下降(p<0.05)。SA浸種處理可提高砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽勢,濃度為50 mg/L處理效果最佳,發(fā)芽勢可達(dá)82%;低濃度GA浸種處理同樣可提高垂穗披堿草種子發(fā)芽勢,濃度為75 mg/L的處理效果最佳,發(fā)芽勢可達(dá)84%;濃度為75 mg/L的處理與各濃度PEG-6000脅迫發(fā)芽勢呈顯著性差異(p<0.05);濃度為50 mg/L、100 mg/L的SA處理與5% PEG-6000脅迫不影響發(fā)芽勢,隨著PEG-6000濃度增加至10%、15%、20%,發(fā)芽勢呈顯著降低趨勢(p<0.05)。低濃度GA(50 mg/L、75 mg/L)浸種處理與各濃度PEG-6000脅迫發(fā)芽勢呈顯著性差異(p<0.05);高濃度GA(100 mg/L、125 mg/L)浸種處理會降低砂培垂穗披堿草發(fā)芽勢。

圖2 SA、GA浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽勢的影響Fig.2 Effects of salicylic acid and gibberellin seed soaking treatments on the germination potential of Elymus nutans under PEG-6000 stress

2.3 浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子根長的影響

由圖3可知,隨著PEG-6000濃度增加,砂培垂穗披堿草根長呈顯著降低趨勢(p<0.05)。低濃度SA浸種處理可促進(jìn)砂培垂穗披堿草根長生長,濃度為50 mg/L的處理效果最佳,根長可達(dá)106.2 mm,濃度高于50 mg/L會抑制垂穗披堿草根長生長,且各濃度SA浸種處理,垂穗披堿草均會受到PEG-6000脅迫,根長呈顯著降低趨勢(p<0.05);與SA處理不同,各濃度GA浸種處理均會提高垂穗披堿草根長,處理濃度為125 mg/L時根長最長,為141.5 mm;隨著PEG-6000濃度的增加,各GA處理的根長均顯著下降(p<0.05)。

2.4 浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子芽長的影響

由圖4可知,隨著PEG-6000濃度增加,砂培垂穗披堿草芽長呈顯著降低趨勢(p<0.05)。各濃度SA浸種處理均可促進(jìn)砂培垂穗披堿草芽長生長,濃度為75 mg/L的處理效果最佳,芽長可達(dá)89.9 mm,隨著PEG-6000濃度增加,砂培垂穗披堿草芽長呈顯著降低趨勢(p<0.05);各濃度GA浸種處理可促進(jìn)砂培垂穗披堿草芽長生長,濃度為125 mg/L的處理效果最佳,芽長可達(dá)134.75 mm,隨著PEG-6000濃度增加,砂培垂穗披堿草芽長呈顯著降低趨勢(p<0.05)。

圖4 SA、GA浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子芽長影響Fig.4 Effects of salicylic acid and gibberellin seed soaking treatments on bud growth of Elymus nutans under PEG-6000 stress

2.5 浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖5可知,隨著PEG-6000濃度增加,砂培垂穗披堿草發(fā)芽指數(shù)呈顯著降低趨勢(p<0.05)。濃度為50 mg/L的SA浸種處理可提高砂培垂穗披堿草發(fā)芽指數(shù),達(dá)50.6;低濃度GA(50 mg/L、75 mg/L)處理可提高砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽指數(shù),其中75 mg/L濃度最佳,發(fā)芽指數(shù)為63.2。

圖5 SA、GA浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子發(fā)芽指數(shù)影響Fig.5 Effects of salicylic acid and gibberellin soaking treatments on the germination index of Elymus nutans under PEG-6000 stress

圖6 SA、GA浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子活力指數(shù)影響Fig.6 Effects of salicylic acid and gibberellin soaking on the vigor index of Elymus nutans under PEG-6000 stress

表1 隸屬函數(shù)值及排序Table 1 Membership function values and ordering

2.6 浸種處理對PEG-6000脅迫下砂培垂穗披堿草種子活力指數(shù)的影響

由圖6可知,隨著PEG-6000濃度增加,砂培垂穗披堿草種子活力指數(shù)呈顯著降低趨勢(p<0.05)。濃度為50 mg/L的SA浸種處理可提高砂培垂穗披堿草活力指數(shù),達(dá)538.2;低濃度GA(50 mg/L、75 mg/L)處理可提高砂培垂穗披堿草活力指數(shù),其中75 mg/L濃度最佳,發(fā)芽指數(shù)為724.96。

2.7 隸屬函數(shù)分析

由表1可知,經(jīng)隸屬函數(shù)分析砂培條件播種垂穗披堿草,在未采用PEG-6000脅迫與5%、10%、15%的PEG-6000脅迫時, 75 mg/L GA處理表現(xiàn)最佳;20%PEG-6000脅迫時,50 mg/L GA處理表現(xiàn)最佳。

3 討 論

低濃度的SA、GA浸種處理均可有效提高砂培西藏野生垂穗披堿草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢,但高濃度處理較低濃度處理則會抑制種子萌發(fā)。低濃度SA浸種處理可促進(jìn)砂培垂穗披堿草根長生長,但隨著PEG-6000濃度升高,根長呈顯著降低趨勢(p<0.05),這可能與PEG-6000溶液使試驗用沙出現(xiàn)板結(jié)的情況有關(guān),PEG-6000濃度升高板結(jié)情況越嚴(yán)重;與根長生長情況相同,低濃度SA 浸種處理,可以促進(jìn)砂培垂穗披堿草芽長生長。各濃度GA浸種處理可有效促進(jìn)砂培垂穗披堿草根長生長,隨著GA溶液濃度的升高,垂穗披堿草根長越長;與根長生長情況相同,GA浸種處理可有效促進(jìn)砂培垂穗披堿草芽長生長,GA溶液濃度的升高,垂穗披堿草芽長越長。通過隸屬函數(shù)分析,沙地播種垂穗披堿草前,可根據(jù)當(dāng)?shù)厣惩梁壳闆r,選用適宜濃度的 GA 浸種處理。

本試驗中砂培種子萌發(fā)率低于培養(yǎng)皿試驗[21],其主要原因可能是澆水時間間隔過長,沙中含水量較長時間低于10%,影響種子萌發(fā)。由于沙土保水能力較差,因此沙中含水量變化符合沙地實際情況,具有一定實際意義。目前,國內(nèi)關(guān)于砂培用PEG-6000脅迫的研究較少,其主要原因可能是砂培蒸發(fā)量較大,若補(bǔ)充PEG-6000溶液,則會導(dǎo)致沙中PEG-6000含量不斷升高,本試驗采取稱重法,以補(bǔ)充蒸餾水的形式保證砂培中溶液濃度。

4 結(jié) 論

砂培降低了西藏野生垂穗披堿草的發(fā)芽率及發(fā)芽勢,且砂培試驗中PEG-6000的脅迫顯著降低垂穗披堿草發(fā)芽率(p<0.05)。SA 50 mg/L、GA 75 mg/L 浸種處理可顯著提高垂穗披堿草種子發(fā)芽率,兩種溶液濃度過高則會抑制垂穗披堿草種子萌發(fā)。并且50 mg/L SA與所有濃度的GA浸種處理均可促進(jìn)垂穗披堿草根、芽的生長。因此在需要牧草播種快速生根的沙區(qū),可選擇較高濃度的GA溶液浸種處理。通過隸屬函數(shù)分析,本試驗中可緩解中度及輕度干旱脅迫對砂培垂穗披堿草抑制作用,促進(jìn)垂穗披堿草種子萌發(fā)、根長、芽長生長的最適宜濃度與溶液為75 mg/L GA;重度干旱脅迫(15%、20% PEG-6000)最適宜濃度與溶液分別為125 mg/L GA、50 mg/L GA。