热孜亚·麦麦提,顾元国,李强,王娟,侯献飞,贾东海,买买提·伊明
(1.新疆大学生命科学与技术学院新疆生物资源基因工程重点实验室,乌鲁木齐 830046; 2.新疆农业科学院经济作物研究所,乌鲁木齐 830091)
【研究意义】在干旱和温暖地区自然土壤形成过程总是产生具有低农业潜力的盐渍化土壤,全世界盐渍化土地面积超过8亿公顷[1]。盐度影响农作物的萌发和幼苗生长以及生物产量[2]。油菜是我国植物油的主要来源,也是新疆南北部地区主要的经济油料作物。芥菜型油菜因其良好的耐盐、旱、寒、抗倒、生育期短等特性适合在新疆地区种植和成为主要栽培类型[3]。开展芥菜型油菜耐盐、旱性研究,选育耐盐、旱高产品种,对提高食用植物油供给量,有效地利用盐碱土地资源具有重要的意义。【前人研究进展】目前国内外对不同油菜品种的抗盐性或抗旱性研究主要集中在生理生化和农艺性等两个方面。Kandil等[4]对不同芥菜型油菜品种进行的盐胁迫试验结果表明,随盐胁迫浓度的升高种子发芽率、根的伸长和幼苗的生长量降低,且在相同的盐浓度下不同品种之间存在耐盐性差异,高盐浓度下差异更显著。黄镇等[5]盐胁迫对3大类型油菜种子萌发及幼苗生长的影响的研究显示,盐胁迫下三种不同油菜类型(甘蓝型、白菜型和芥菜型)的种子发芽率随盐浓度的增加而降低,三者之间存在耐盐性差异,其中芥菜型油菜品种的耐盐性最强。【本研究切入点】芥菜型油菜是十字花科芸薹属芥菜的油用变种,植株高大,分支多,含油量高,具有耐瘠性强等特点。当前对芥菜型油菜品种的抗旱抗盐胁迫下的研究较少。试验研究不同浓度的盐旱胁迫对三种芥菜型油菜种子萌发及幼苗生长的影响。【拟解决的关键问题】采用不同浓度的NaCl和甘露醇对油菜种子进行处理,分析盐旱胁迫对三种芥菜型油菜种子萌发及幼苗生长的影响,比较不同芥菜型油菜品种间的耐盐耐旱性差异,为栽培耐盐旱的油菜品种和盐渍土芥菜型油菜的丰产栽培提供理论依据。
供试油菜品种种子由新疆农业科学院油料作物研究所选育并提供。三种芥菜型油菜品种为新油9号、CBJ004-34、CPB160701。试验前对三种种子进行预萌发以保证种子的萌发齐性,其萌发率分别为99.0%、98.7%和99.5%。
1.2.1 种子灭菌和润洗处理
供试种子先用无水乙醇处理30 s,再用10%次氯酸钠处理4 min,然后用灭菌水分别润洗五次。之后将处理好的种子放在灭菌操作台中晾干备用。
1.2.2 盐和甘露醇处理的种子萌发实验
NaCl处理分别为(0(CK)、100、150、200、250、300 mmol/L)6个浓度,甘露醇处理分别为(0(CK)、100、200、300、400 mmol/L)5个浓度。每个处理设三个重复,每重复25粒种子。将种子置于5 mL处理液浸润的滤纸皿于培养箱中进行萌发。萌发条件为:12 h光照/12 h黑暗,温度为28℃,相对湿度为60%。每天定时观察,并记录种子萌发数,于7 d后结束萌发并计算种子发芽率。每皿随机选取10株幼苗,测其根长、苗高,计算平均值。
种子发芽率(%)=(第7 d种子萌发数/供试种子总数)×100%。
发芽势=第4 d种子发芽率/供试种子数×100%。
发芽指数= ∑(Gt/ Dt).
式中:Gt为td内的种子发芽数,D为相应的发芽天数。
对三种油菜的主根长和株高采用软件Image 1.48V 进行统计,所有数据采用软件Graphad prism 5.0 进行单因素方差分析并在图中进行标注。
2.1.1发芽指数
用不同浓度(0(CK)、100、150、200、250、300 mmol/L)的NaCl溶液对三种芥菜型油菜进行处理,结果显示,三种芥菜型油菜种子的发芽率、发芽势和发芽指数随着NaCl浓度的升高而降低。随着盐浓度的增加三种油菜种子的发芽指数呈现降低趋势,NaCl浓度为0~100 mmol/L,新油9号油菜和CBJ004-34种子的发芽指数没有显著变化,但二者之间没有显著差异,CPB160701种子的发芽指数显著下降(P>0.05),NaCl浓度为300 mmol/L时,CPB160701的种子萌发指数0,完全抑制其种子的萌发。低盐浓度对新油9号油菜和CBJ004-34种子的萌发的影响不显著,高盐浓度显著抑制种子的萌发,对CPB160701种子发芽的抑制最明显。表1
表1 不同NaCl浓度处理下三种油菜种子A发芽势、发芽指数变化
Table 1 Effects of different NaCl treatment on germination(G) potential,G index with (A),CBJ004-34(B) and CPB160701(C)
处理Treatment(mmol/L)发芽势G Potential (%)发芽指数 G indexABCABC094.77a94.57a90a37.53a37.6a32.64a10085.33a88ab84a33.32a33.37a 27.58b15072ab80bc68b26.08ab29.08ab17.48c20056b72c37c20.85ab27.38ab9.83d25036c41.33d18d7.74b14.73b4.91e3002.67d16e0e1.13b4.88c0fF27.3797.95177.935.8570.49156.8
注:不同字母代表差异显著(P<0.05 或<0.01 )
Note: lowercase letters indicate significant difference among different salt treatments(P<0.05 or 0.01 )
2.1.2 发芽率变化
在同一NaCl浓度下,CBJ004-34油菜种子的发芽率最高,新油9号次之,CPB160701最低;在低浓度(100~150 mmol/L)时,新油9号和CBJ004-34油菜萌发率的变化不大(P>0.05);而NaCl浓度升至300 mmol/L时,CPB160701油菜种子的萌发完全被抑制,其他两种的发芽率显著下降但仍保持一定水平的发芽率 (P<0.05)。高浓度的NaCl溶液对三种芥菜型油菜种子的萌发均产生了较强的抑制作用,新油9号油菜和CPB160701所受的影响小于CPB160701油菜。图1
注:不同小写字母(a,b,c,d)表示同一品种不同处理之间存在显著差异(P<0.05或0.01),(*)表示在同一个浓度不同品种之间存在显著差异(P<0.05或0.01)
Note: lowercase letters the column of the same cultivar indicate significant difference among different salt treatments(P<0.05 or 0.01 ),(*)indicate significant difference among different cultivars the same treatment(P<0.05或0.01)
图1 不同浓度NaCl胁迫下三种芥菜型油菜种子萌发率变化
Fig.1 Effect of different NaCl concentrations on seed germination of three types ofB.juncea
2.1.3 发芽势变化
研究表明,新油9号对照组(0 mmol/L)从第2 d开始萌发,至第7 d基本稳定,发芽率达99%;而300 mmol/L NaCl浓度处理下第3 d才开始萌发,第7 d发芽率仅为7%;高盐浓度延期了其种子萌发率。CBJ004-34在250 mmol/L和300 mmol/L处理的种子萌发较慢,到7 d时发芽率为49%和23%。CPB160701在200 mmol/L和250 mmol/L NaCl浓度处理至第7 d时发芽率为46%和28%;300 mmol/L时萌发完全受到抑制。图2,图3,表1
图2 不同NaCl浓度处理下三种芥菜型油菜种子萌发日变化
Fig.2 Effects of different NaCl concentrations on three types ofB.juncea
图3 不同NaCl浓度处理下7 d后三种芥菜型油菜种子萌发情况
Fig.3 Germination of three types ofB.junceaseeds treated with different concentrations of NaCl for 7 days
2.2.1幼苗根长变化
研究表明,随着NaCl浓度的增加,三种芥菜型油菜种子的根长有降低趋势。相较其他两种,新油9号的根长较短,CPB160701根最长。前者在NaCl浓度为100 mmol/L时比对照明显增加,250 mmol/L时显著低于对照,但最高和最低值在1.5~4 cm,由此显示,低浓度NaCl能促进新油9号根的生长。其他两种类型的根长随NaCl浓度升高显著下降(P<0.05),其最高值与最低值在1.5~8 cm (CBJ004-34) 或0.5~9.5 cm (CPB160701)。图4
注:不同小写字母(a,b,c,d)表示同一品种不同处理之间存在显著差异(P<0.05或0.01),(*)表示在同一个浓度不同品种之间存在显著差异(P<0.05或0.01)
Note: lowercase letters the column of the same cultivar indicate significant difference among different salt treatments(P<0.05 or 0.01),(*)indicate significant difference among different cultivars the same treatment(P<0.05或0.01)
图4 不同浓度NaCl处理下三种芥菜型油菜根生长情况
Fig.4 Effects of different NaCl concentrations on root length of three types ofB.junceaseedling
2.2.2 幼苗株高变化
研究表明,NaCl处理后三种油菜株高明显低于对照(P<0.05),但是不同浓度NaCl 处理同一个品种油菜的株高之间没有显著差异(P>0.05)。图5
研究表明,三种油菜种子的发芽率随着甘露醇浓度升高而降低;在同一浓度下,CBJ004-34和CPB160701油菜种子的发芽率比新油9号好,低浓度甘露醇溶液(100~200 mmol/L)对三种油菜种子发芽率的影响不大 (P>0.05);当甘露醇浓度为300~400 mmol/L时,三种油菜种子的发芽率呈明显降低趋势,尤其是新油9号。高浓度的甘露醇对三种油菜种子的发芽率产生显著抑制作用,但CBJ007-34和CPB160701油菜所受的影响小于新油9号。图6
注:不同小写字母(a,b,c,d)表示同一品种不同处理之间存在显著差异(P<0.05或0.01),(*)表示在同一个浓度不同品种之间存在显著差异(P<0.05或0.01)
Note: lowercase letters the column of the same cultivar indicate significant difference among different salt treatments(P<0.05 or 0.01),(*)indicate significant difference among different cultivars the same treatment(P<0.05或0.01)
图5 不同浓度NaCl处理下三种芥菜型油菜株高变化
Fig.5 Effects of different NaCl concentrations on plant height of three types ofB.junceaseedling
注:不同小写字母(a,b,c,d)表示同一品种不同处理之间存在显著差异(P<0.05或0.01),(*)表示在同一个浓度不同品种之间存在显著差异(P<0.05或0.01)
Note: lowercase letters the column of the same cultivar indicate significant difference among different salt treatments(P<0.05 or 0.01 ),(*)indicate significant difference among different cultivars the same treatment(P<0.05或0.01)
图6 不同甘露醇浓度下三种芥菜型油菜种子萌发率变化
Fig.6 Effects of different mannitol concentrations on seed germination of three types ofB.juncea
研究表明,新油9号对照组(0 mmol/L)从第2 d开始萌发,至第7 d基本稳定,发芽率达96%;而甘露醇浓度400 mmol/L处理下第3 d才开始萌发,第7 d萌发率仅为42%;其他浓度下的发芽率随盐浓度升高而降低。高浓度的甘露醇会抑制新油9号种子的萌发(P<0.05)。在甘露醇浓度0~200 mmol/L时,对CBJ004-34和CPB160701油菜种子的发芽率没有显著的影响,当浓度达300~400 mmol/L时种子发芽率呈降低趋势,但仍保持较高的发芽率,到7 d时萌发率分别为74%和70%。图7,图8
图7 不同浓度甘露醇处理下三种芥菜型油菜种子萌发日变化
Fig.7 Effects of different mannitol concentrations on seed germination of three types ofB.juncea
图8 不同甘露醇浓度处理下7 d后三种芥菜型油菜种子萌发情况
Fig.8 Effects of different mannitol concentrations on seed germination of three types ofB.juncea
2.4.1根长变化
研究表明,随着甘露醇浓度的增加,三种油菜幼苗的根长呈降低趋势;新油9号和CBJ004-34油菜幼苗的根长在低浓度甘露醇(100 mmol/L)处理 时比对照明显增加 (P<0.05),400 mmol/L时最低;CPB160701油菜幼苗根长随甘露醇浓度增加显著变短。图9
注:不同小写字母(a,b,c,d)表示同一品种不同处理之间存在显著差异(P<0.05或0.01),(*)表示在同一个浓度不同品种之间存在显著差异(P<0.05或0.01)
Note: lowercase letters the column of the same cultivar indicate significant difference among different salt treatments(P<0.05 or 0.01 ),(*)indicate significant difference among different cultivars the same treatment(P<0.05或0.01)
图9 不同浓度甘露醇处理下三种芥菜型油菜根长变化
Fig.9 Effects of different mannitol concentrations on root length of three types ofB.junceaseedling
2.4.2 株高变化
研究表明,当甘露醇浓度<400 mmol/L时,新油9号的株高明显高于对照 (P<0.05),400 mmol/L浓度对其株高无影响,一定浓度的甘露醇能够促进新油9号油菜幼苗的生长;CBJ004-34和CPB160701油菜在不同浓度NaCl处理后株高与对照没有显著差异,这两种油菜对一定浓度甘露醇胁迫不敏感。图10
注:不同小写字母(a,b,c,d)表示同一品种不同处理之间存在显著差异(P<0.05或0.01),(*)表示在同一个浓度不同品种之间存在显著差异(P<0.05或0.01)
Note: lowercase letters the column of the same cultivar indicate significant difference among different salt treatments(P<0.05 or 0.01 ),(*)indicate significant difference among different cultivars the same treatment(P<0.05或0.01)
图10 不同浓度甘露醇处理下三种芥菜型油菜株高变化
Fig.10 Effects of different mannitol concentrations on plant height of three types ofB.junceaseedling
种子萌发时很敏感和容易受到周围环境的影响,不同植物在萌发时期的耐盐性不同,因此,同一盐浓度下不同品种之间存在耐盐性差异,且随盐浓度升高这种差异更明显[6-7]。在盐、旱等逆境胁迫下,植物发生一系列的生理生化变化:如种子体内水分亏缺,渗透压升高而水势降低,使种子吸水困难造成生理干旱,从而影响种子萌发[8-9]。本试验研究了不同浓度的盐旱胁迫对三种芥菜型油菜种子萌发及幼苗生长的影响,研究表明,NaCI和甘露醇胁迫明显抑制了芥菜型油菜种子萌发和幼苗生长且这种抑制作用随盐浓度的增加而加剧。
甘蓝型油菜和白菜型油菜NaCl在300 mmol/L时的发芽率分别是37.23%、14.67%[10]。研究中NaCl在 300 mmol/L时CBJ004-34油菜的发芽率为34.3%,这个品系是耐盐性油菜品种。低浓度的NaCl会促进种子萌发,但NaCl浓度较高迫使其进入次生种子休眠[11]。研究显示,CBJ004-34号和CPB160701油菜种子在甘露醇浓度为(>300 mmol/L)时保持80%~98%的发芽率,跟对照比没有显著差异,与NaCl处理的种子萌发和幼苗生长相比,甘露醇处理的种子萌发和幼苗生长均显著优于NaCl处理。这表明在盐胁迫下,Na+和Cl-里可能被种子吸收,对种子表现出毒性作用因而抑制种子萌发和幼苗生长,而甘露醇分子进入,进不了种子里面,对种子没有毒性[12]。
盐、旱胁迫下,植物细胞原生质膜结构遭到破坏,细胞膜透性增大,降低植物光合速率,导致植物生长受到抑制和导致植物根系形状的变化,抑制根的伸长。根系是作物吸收水和营养的主要部位,与植物的耐盐、旱性有密切的关系[13-14]。低浓度的盐旱胁迫对油菜幼苗的生长有促进作用,随着盐旱胁迫程度的提高,根和幼苗的生长受到不同程度的抑制,不同品种之间也存在耐盐旱性差异[15,16,17]。研究材料三种芥菜型油菜,NaCl和甘露醇浓度100 mmol/L时促进了新油9号和CBJ004-34油菜根的伸长,随着NaCl和甘露醇浓度的升高,根的伸张受到了不同程度的抑制。根长跟植物耐旱性有正相关的,低浓度的盐旱胁迫还引起植物呼吸作用、植物的呼吸增强,蛋白质合成受到促进,植物的生理活动朝着有利于其适应盐胁迫的方向发展比如:加速个体发育的进程、根的长度增加、株茎变短等[18]。筛选出了耐、盐旱性比较强的芥菜品种,新油9号和CBJ004-34号油菜种子的耐盐性和耐旱性比其他两种较强,适合进一步进行耐盐旱性育种及耐盐旱分子机理研究中。
NaCl 浓度小于150 mmol/L时,对三种油菜种子萌发的影响不明显,300 mmol/L盐浓度显著抑制了其种子萌发。试验材料新油9号和CBJ004-34油菜种子在盐浓度为(0~200 mmol/L)时仍保持75%~98%的萌发率,NaCl 浓度 100 mmol/L时,促进了新油9号和CBJ004-34油菜幼苗根的伸长。盐胁迫对三种芥菜型油菜的株高没有显著差异。三种芥菜型油菜耐盐性强弱依次为新油9号> CBJ004-34> CPB16070。在甘露醇模拟干旱胁迫下,CBJ004-34和CPB160701油菜种子在甘露醇浓度为(>300 mmol/L)时保持80%~98%的萌发率,400 mmol/L甘露醇浓度抑制了其种子萌发。甘露醇浓度为100 mmol/L时,促进了新油9号和CBJ004-34油菜幼苗根的伸长,随着甘露醇浓度的升高,三种芥菜型油菜株高呈现下降趋势,甘露醇浓度为(>300 mmol/L)时,对CPB160701油菜幼苗生长的影响不明显。三种芥菜型油菜耐旱性强弱依次为新油CBJ004-34> CPB160701>新油9号。