混合盐碱胁迫对桑树种子萌发和根系生长的影响

丁俊男，迟德富

（东北林业大学 生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

混合盐碱胁迫对桑树种子萌发和根系生长的影响

丁俊男，迟德富

（东北林业大学 生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

将两种中性盐（NaCl和Na2SO4）、两种碱性盐（NaHCO3和Na2CO3）按不同比例混合，模拟出16种盐度和碱度不同的盐碱条件，并对桑树种子萌发过程进行混合盐碱处理，测定桑树种子发芽率、发芽指数和发芽势等种子萌发参数，以及萌发中根系长度和活力指数等根系生长参考，通过模糊数学隶属函数值的方法分析了各参数与各种致胁变因素之间的相关关系。结果表明：在复杂的盐碱混合胁迫下，影响桑树种子萌发和根系生长的致胁变因素主要是盐度、pH和缓冲量。盐度是桑树种子萌发过程中的主导因素，碱胁迫的影响较小；而碱胁迫(pH值)主要抑制桑树种子萌发过程中根系生长和活力指数，尤其是pH大于8.0时，桑树幼根褐化、变软，根系生长主要受pH值和缓冲量等碱性条件的制约。因此，盐胁迫限制了桑树种子发芽，碱胁迫抑制了萌发中根系生长。这是松嫩平原盐碱土制约植被恢复的重要限制因素之一。

桑树种子；萌发过程；根系生长；混合盐碱胁迫

松嫩平原盐碱多以NaCl、Na2SO4为主的中性盐和以NaHCO3、Na2CO3为主的碱性盐形成的，其危害性高于单一的中性盐[1-2]。目前，已经有大量的研究证明碱性盐胁迫比中性盐胁迫对植物的生化破坏力更强[3-4]。桑树虽然具有较强的抗低温、盐碱和干旱等逆境条件的能力，但是，复杂的盐碱条件限制了桑树种子的萌发和幼苗的生长，但有关桑树种子在盐碱条件下种子萌发和根系生长特性方面的研究较少。目前，有关盐碱条件下植物种子萌发已在星星草[5]、高粱[6]、棉花[7]、大枣[8]和向日葵[9]等农作物中报道，主要引起植物产生渗透胁迫和离子胁迫，改变植物细胞内部离子浓度和种类，使植物细胞吸水困难，叶绿体受到损伤，膜系统遭到破坏，从而造成植物体的伤害甚至死亡。松嫩平原盐碱土地区桑树植物生长的先决条件是桑树种子能够正常萌发，而在桑树种子萌发过程中，盐度和碱度分别影响到种子萌发的哪个过程还没有文献报道。为此，本试验分别以不同含量的两种中性盐（NaCl、Na2SO4）和两种碱性盐（NaHCO3、Na2CO3）模拟了松嫩平原盐碱环境，探讨了混合盐碱胁迫对桑树种子萌发和根系生长的影响，以期为解决桑树在盐碱地上的正常萌发和生长提供一些基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及处理

试验于2013年7月在东北林业大学植物营养实验室进行。将两种中性盐NaCl和Na2SO4、两种碱性盐NaHCO3和Na2CO3按不同比例混合，根据桑树种子的萌发特点及其对酸碱的耐受程度的不同，分别设 50、100、150、200 mmol·L-14 个盐浓度处理（文中分别1、2、3、4代表4个浓度），然后每个盐浓度内按碱比例逐渐增大的趋势设4个pH值剃度，依次标为A、B、C、D，共计16个处理组合。各处理的盐分组成及比例见表1。各处理液的pH值用数字pH计测定，并分别用低浓度的KOH和HCl将A、B、C、D各处理pH值标定为7.0、8.0、9.0和10.0，其各溶液中各盐组分及比例如表1所示。

试验所用“青龙桑”种子，由黑龙江省蚕业研究所提供。将16种处理液分别加到铺有双层滤纸的培养皿中，每个培养皿各加5 ml，然后将每个培养皿中都整齐摆入30粒“青龙桑”种子。每个处理重复3次，共48个培养皿。放入25 ℃的恒温培养箱中培养。为使培养皿内的盐浓度保持不变，每2天更换一次培养皿及滤纸，每次更换时加入的处理液用量及方法与第一次相同，待种子萌发后进行各萌发参数的测定。

1.2 测定项目和方法

按照国家质量监督检验检疫总局颁发的《农作物种子检验规程》（1995）分别测定桑树种子萌发过程中的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数：发芽率（Germination rate，GR） （%） =第6 d发芽种子数/供试种子数×100%；发芽势（Germination energy，GE） （%） = 4 d内发芽种子数/供试种子数×100%；发芽指数（Germination index，GI） =ΣGt/Dt（Gt指时间 t的发芽数，Dt指相应的发芽天数）；活力指数（vigor index，VI）=萌发率×（幼苗根的长度（cm）），并记录累积发芽率（accumulate germination percentage）和根系长度（root length，RI）。盐害系数按董志刚等人的方法计算，其公式为盐害系数（%）= （对照值-处理值）/对照值×100%。在桑树种子萌发过程中的致胁变因素包括盐浓度、pH值、缓冲量、Na+、Cl-、、和等，根据处理液的实际比例算出。

1.3 数据处理和统计方法

运用Excel和SPSS软件对试验数据进行统计分析，计算3次重复的平均值±标准差（SE），采用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）比较不同数据组间的差异，并且采用隶属函数法对各盐浓度和pH值进行桑树种子萌发和初期根系生长主导因素的综合评定[10]，隶属函数值X(ij)采用模糊数学隶属函数值的方法计算，公式为：X(ij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，式中X(ij)表示i种类j指标的隶属值；Xij表示i种类j指标的测定值；Xjmax、Xjmin分别为指标的最大值和最小值，然后求其各隶属函数的总和，利用总隶属函数值对桑树种子萌发情况进行排序，并利用各因素与萌发项目的相关性确定桑树种子萌发的主导影响因素。

2 结果与分析

2.1 桑树种子萌发参数之间的相关分析

表2显示桑树种子萌发期间发芽率（GR）、发芽指数（GI）、发芽势（GE）、根长（RL）和活力指数（EI）之间的相关性分析表。结果表明，发芽率、发芽指数和发芽势之间的相关系数都在0.95以上，均达极显著正相关（P＜0.01），根长与活力指数的相关性较大，而发芽率、发芽指数、发芽势与根长、活力指数之间的相关性较小，其原因可能种子萌发阶段和根系伸长阶段所受制约因素不同造成的。因此，将发芽率、发芽指数、发芽势确定为桑树种子萌发的参考指标，而将根长与活力指数确定为影响根系生长的参考指标。

2.2 盐碱胁迫因素与桑树种子萌发参数之间的相关分析

通过表3中各萌发参数与各胁迫因素的相关性分析发现，各萌发参数与各胁迫因素之间均为负相关，即各胁迫因素均能抑制桑树种子的萌发和根系的生长。其中，发芽率、发芽势和发芽指数三个指标与盐浓度相关性高于其它指标，其相关性极显著（F0.01=0.59），与缓冲量和[]+[]之间的呈显著负相关（F0.01=0.468），与[]、[]和[之间的相关性较差，这说明桑树种子的萌发主要受盐浓度的影响，而根系长度和活力指数受盐浓度影响略有下降，与pH值、缓冲量和2[+[]之间达极显著负相关，说明桑树萌发过程中根系生长主要受其环境中碱性条件的限制。

表3 各胁迫因素与发芽指标间的相关系数Table3 Correlation coefficients between stress factors and germination indexes

图1 混合盐碱条件对桑树种子萌发的影响Fig.1 Effects of complex salt and alkali conditions on germination of mulberry seeds

2.3 不同盐浓度对桑树种子萌发参数的影响

进一步分析不同盐浓度对桑树种子发芽率、发芽指数和发芽势的影响（图1），可以看出在复合盐碱胁迫下，种子萌发比CK推迟1 d。盐浓度一定时，碱比例增加，种子萌发明显受到抑制，当盐浓度为100 mmol·L-1时种子萌发减弱，达到150 mmol·L-1时种子萌发基本停止，萌发困难，盐浓度达到200 mmol·L-1时，种子不再萌发（结果未列出）。随着盐浓度的变化，种子的发芽率、发芽势、发芽指数均变化明显，随着盐浓度的增大，三个指标均呈现明显降低趋势。在盐浓度为50 mmol·L-1到 150 mmol·L-1的区段内，种子萌发下降明显，150 mmol·L-1之时，萌发受到严重抑制。

2.4 pH值对桑树根系生长的影响

由于pH值抑制种子根系生长，进一步分析不同pH值对根系生长中的根系长度和活力指数的影响的程度。图2结果显示，盐处理和碱处理均明显抑制种子根系的生长。在低盐浓度下，桑树种子虽然能够保证正常的萌发，但其根系生长受到严重的抑制，并且在盐浓度一定时随着pH值的增加根系生长受到抑制的程度加大，特别是在种子萌发的第6 d，各处理的根系长度在同一盐浓度但不同pH值条件下表现出显著差异水平。说明根系生长除受盐浓度影响外，受溶液中碱性环境影响也较为显著，通过根系长度和活力指数在不同pH值下生长趋势可以看出，在盐浓度50 mmol·L-1和100 mmol·L-1下当pH值增加到9.0和10.0时，根系生长受到明显抑制。

图2 混合盐碱条件对桑树根系生长的影响Fig.2 Effects of complex salt and alkali conditions on the root growth of mulberry seedlings

2.5 混合盐碱下桑树种子萌发和根系生长的综合评价

表4结果显示，隶属函数值排名前几位的均是低盐浓度，说明盐分对种子萌发影响最大，当盐浓度一定时，桑树各萌发和根系生长参数的隶属函数均随碱含量的升高呈现降低趋势。当盐浓度达到150 mmol·L-1时，隶属函数总排序虽然不是按碱浓度增加而增加，但由于此时桑树种子的萌发受到严重抑制，各参数的隶属函数值之间并无显著差异，而当盐浓度增加到200 mmol·L-1时，桑树种子无萌发迹象，各隶属函数值均为0。

3 讨 论

通过测定桑树种子萌发过程中的种子发芽和根系生长指标，桑树种子在盐碱胁迫下的发芽率、发芽指数和发芽势之间存在明显正相关，各指标之间的相关系数都在0.95以上，均达极显著正相关（P＜0.01），而根长与活力指数之间呈现明显正相关关系。但是，发芽率、发芽指数、发芽势与根长、活力指数之间的相关性较小。因此，可以将发芽率、发芽指数和发芽势确定为桑树种子萌发的参考指标，而将根长与活力指数确定为影响根系生长的参考指标。

本试验通过以两种中性盐NaCl和Na2SO4、两种碱性盐NaHCO3和Na2CO3按不同比例混合模拟实际情况下土壤盐碱含量分析发现，复合盐对桑树种子的萌发影响与单盐胁迫有着相似的特点，都是随着盐浓度的升高，种子的萌发率呈明显下降趋势，并且发芽势、发芽指数等参数均随着盐浓度的增加而下降。但是，混合盐碱胁迫包含的胁迫因素比单盐复杂，各生理指标受到不同离子以及离子之间相互作用的影响，加上种子萌发过程中种子发芽和根系生长所处环境不同，有必要确定影响萌发的主导因素。通过统计学分析发现，尽管胁迫因素很多，但是盐度仍是决定桑树种子发芽的主导因素，而碱胁迫的影响很小。其原因可能是随着盐胁迫的不断升高，种子周围的水势逐渐降低，种子的生理吸水受到限制，致使种子胚乳内储藏的物质不能动员，种子难以萌发，也可能是在种子吸涨吸水过程中高浓度的盐胁迫会破坏种子的细胞膜结构，细胞膜透性的增大导致细胞中电解质的外渗量增加，从而导致种子萌发受阻[11-12]。发芽势主要反映了种子发芽的快慢和整齐度，发芽率反映了种子发芽的多少，发芽指数能够反映种子在整个发芽期的综合活力，这些指标虽能够从不同的角度反映出桑树种子萌发期的耐盐性强弱，但单个指标反映耐盐性往往具有一定的片面性[13]，为研究植物在复合盐胁迫下的综合评定，不能仅仅对单一指标进行分析，需要将各指标综合起来，从而建立合适的数量化指标体系来进行抗盐碱胁迫的综合评价。本研究中采用了数学分析方法——隶属函数法，通过对不同盐碱浓度下的桑树种子的5个生理生化指标进行综合分析评判，通过隶属函数法的排序可以发现，排名前几位的均是低盐浓度，同样说明盐分对种子萌发影响最大。

根系的生长和萌发分别受不同因素的限制，因此影响根系生长和桑树种子萌发的主导因素也不相同，本试验结果发现，种子萌发后，pH值和缓冲量与桑树根系长度和活力指数呈极显著负相关关系，而在种子萌动阶段与环境的物质交流主要以吸水为主，所以受环境pH影响很小。pH胁迫会造成种子周围矿质营养状况的严重破坏[14]，而在种子生长后期，涉及胚根、胚芽的生长以及细胞分裂、伸长和分化等生理过程，需要从环境摄取大量矿质元素，因此植物不仅需要进行必要的渗透调节，同时也需要进行细胞中酸碱环境的调节，本试验发现保持盐浓度不变碱含量升高的情况下，在高碱性盐胁迫使桑树根系严重氧化，pH达到8.0时根系开始变柔软，根尖生长点褐化，生长受到严重抑制。通过隶属函数法的排序也可以发现，当保持盐浓度一致，根系的生长主要受pH值和缓冲量等碱性胁迫因素影响。

表4 混合盐碱胁迫下桑树种子萌发期各指标的隶属函数值Table4 Effects of complex salt and alkali conditions on salt toxicity coefficient of indices in germination stage

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Effects of mixed salt and alkali stress on germination and root growth of mulberry seeds

DING Jun-nan, CHI De-fu
(College of Life Sciences, Northeast Forest University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

During germination, seeds of mulberry were treated with 16 different of alkalinity and salinity conditions, which were established by mixing NaCl, NaHCO3, Na2SO4, and Na2CO3at various proportions. Germination parameters (germination rate,germination index and germination energy etc.) and root growth parameters (root length, vigor index etc.) were investigated. The correlations of indexes and stress-caused factors during mulberry seeds germination were analyzed by using method of subordinate function value. The results show that salinity, pH, buffer capacity were the dominant stress acting factors in all of stress indexes during mulberry seed germination and root growth under complex saline and alkali conditions; Salinity was the leading factor on the germination of mulberry seeds than alkali stress, but root length and vigor index were inhibited more seriously by alkali stress than salt stress; While alkaline stress (pH value) mainly inhibited the root growth during germination and vigour index of Mulberry seeds,Mulberry root became darkened and soft when pH was over 8, so root growth was mainly inhibited by pH and buffer capacity. It was found that the germination of mulberry seeds was inhibited by salinity, and the root growth were limited by alkali stress. These stress were one of the most important limiting factors of vegetation recovery in Songnen Plain, Northeast China.

Morus alba L.; mulberry seeds; germination process; root system growth; salt and alkali mixed stress

S722.3

A

1673-923X(2014)12-0078-05

2014-01-20

国家自然科学基金（31370649）项目资助

丁俊男（1982-），男，黑龙江哈尔滨人， 博士研究生，主要从事分子生物学研究；E-mail：ding.junnan@163.com

迟德富（1962-），男，辽宁海城人，教授，博士生导师，研究方向为森林保护学； E mail：chidefu@126.com

[本文编校：文凤鸣]