盐碱胁迫对芸豆种子萌发特性的影响

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(黑龙江八一农垦大学农学院/黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室， 黑龙江 大庆 163319)

土壤盐碱化与次生盐碱化是造成全球土地退化和障碍农业高效利用的主要原因之一。黑龙江省盐碱地主要分布在松嫩平原西部的半干旱地区，约占松嫩平原总土地面积的14%，由于存在着大量的交换性Na+，且pH值(>8)和钠吸附比(SAR)较高，土壤盐化和碱化通常相伴而生，生态破坏力要比中性盐土壤更大，对区域作物产量、品质和效益也造成了巨大影响[1-3]。目前关于盐碱地的生态环境改良和利用研究已经成为研究的热点问题，国内外学者普遍认为，在盐碱土壤上种植耐盐碱作物品种是盐碱耕地高效开发利用及减轻土壤盐碱化危害的有效途径[4-5]。因此，深入系统的探讨碱性盐胁迫对作物生长发育的影响，掌握作物响应盐碱胁迫的生理生态机制，进而高效选育耐盐碱作物新品种(系)，或通过有效农艺措施提升其耐盐碱能力，具有非常重要的理论与现实意义。

芸豆(PhaseolusvulgarisL.)学名普通菜豆，为豆科(Leguminosae)蝶形花亚科(Faboideae)菜豆属(Phaseolus)一年生草本植物，因其籽粒中富含蛋白质、碳水化合物、膳食纤维和多种人体必需的维生素、矿物质，是许多国家补充植物蛋白质营养的重要途径，在贫困地区的营养供给和人类繁衍生存中起到了关键性作用，同时在发达地区膳食结构的调节中也是不可或缺的[6]。目前，芸豆广泛种植于世界90多个国家和地区，总面积达290万hm2，占豆类种植总面积的40%。芸豆在干旱和贫瘠的土地上常被选为“先锋”作物，其适应性强，生育期短，同时能起到固氮养地的作用，也是禾谷类作物、薯类作物的良好前茬，在干旱地区种植结构调整中具有十分重要的地位。但芸豆属盐敏感型作物，土壤盐碱化将严重威胁芸豆的生产力和营养品质[7]，从而制约我国东北地区特别是松嫩平原芸豆播种面积和产质量的进一步提高，因此，芸豆耐盐碱种质的遴选和其盐碱生境适应机制的探究，具有非常重要的意义。

近年来，通过人工模拟碱性盐胁迫环境，对水稻[8]、棉花[9]、玉米[10]、向日葵[11]、绿豆[12]等多种作物开展了研究，发现盐碱胁迫既可以直接影响植物的生长，也可以在盐碱胁迫产生的高pH值和离子毒害作用下，通过不同程度的损伤植物光合系统Ⅱ反应中心[13]、叶绿体结构[14]，抑制参与光反应和TCA循环的酶、蛋白、光合色素合成以及叶原基生长[15-16]，间接导致植物碳同化量减少而影响植物正常生长，且碱性

注：不同小写字母表示在0.05水平差异显著。下同。图1 盐碱胁迫对芸豆种子发芽率的影响

盐胁迫的抑制程度大于中性盐胁迫[17]。种子萌发阶段是决定植物能否在盐碱土壤中进行生育周期的最关键时期[18]。前人针对芸豆萌发期的耐盐性研究已有相应报道，但主要是从中性盐胁迫条件下来研究芸豆萌发对盐胁迫应答机制[19-20]，而针对松嫩平原苏打盐碱土特征的碱性盐胁迫对芸豆萌发期生理特性影响的研究鲜见报道。

因此，本试验以耐盐碱型和盐碱敏感型芸豆品种为试验材料，用NaCl和NaHCO3分别模拟中性盐和碱性盐胁迫，比较不同盐碱耐性芸豆品种在不同盐碱浓度下种子萌发期种子活力、生长特性、相对电导率和α-淀粉酶的差异变化，为利用芸豆进行盐碱化土壤的高效利用奠定理论基础，也为盐碱地区芸豆丰产优质高效栽培和品种选育提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用前期研究[21]筛选获得的耐盐碱型芸豆品种(HYD)和盐碱敏感型芸豆品种(JW)为试验材料。

1.2 试验设计

试验于2017年12月在黑龙江八一农垦大学现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室进行。各芸豆品种选择饱满、整齐的自然风干种子，分别用30% H2O2种子表面消毒10 min，去离子水清洗3次，吸干表面水分后，放置于铺有2层滤纸的发芽盒内(15 cm×25 cm)，每盒30粒。发芽盒中分别加入0(以蒸馏水处理为对照)，50，100，150 mmol/L的NaCl和NaHCO3溶液，每个处理3次重复。种子置于25 ℃的恒温培养箱中培养，光照强度50μmol/(m2·s)，湿度75%，光照/黑暗时间(12 h/12 h)，处理后开始统计不同处理的种子萌发相关指标，处理后第7天测定上胚轴长度、胚根长度和鲜重、干重，以及相对电导率、α-淀粉酶活性。

1.3 测定方法

1.3.1 种子萌发指标的测定

每天观察记录各处理种子发芽数，使用直尺于第7天后测定上胚轴长度、胚根长度，称取胚芽和胚根鲜重，并在70 ℃下烘至恒重后称重，最后计算种子发芽率、发芽指数和活力指数。

发芽率(%)=(发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)(式中：Dt为发芽日数；Gt为第天的发芽数)；

活力指数(AI)=S×GI(式中：S为胚根鲜重，GI为发芽指数)；

相对盐害率(%)=(对照发芽率-处理发芽率)/对照发芽率×100%。

1.3.2 相对电导率的测定(伤害率)

每个试管中加入25 mL蒸馏水，从每个处理中随机取5粒种子放入试管中，设定3次重复，将试管放在25 ℃的培养箱中暗培养，12 h后用电导率仪测定其电导率R1，然后将其放在沸水中20 min，拿出冷却至室温后，测定其电导率R2。

相对电导率(%)=(R1/R2)×100%。

1.3.3 α-淀粉酶活性的测定

种子α-淀粉酶活性的测定参照高俊凤[22]《植物生理学实验指导》的方法。

1.4 数据处理

采用Excel 2003软件和SPSS 11.0软件进行数据统计分析、制图，采用Duncan新复极差法在α=0.05水平上进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对芸豆种子发芽率的影响

如图1所示，NaCl和NaHCO3胁迫均不同程度的抑制了芸豆种子的发芽率，2个芸豆品种的发芽率均随盐碱胁迫浓度的升高而呈下降趋势，NaHCO3处理下各品种的发芽率降幅均大于NaCl处理，150 mmol/L NaHCO3和NaCl处理下，HYD较对照处理分别降低了14.91%和27.11%，JW较对照处理分别降低了35.27%和40.72%，以HYD的发芽率变化相对平缓。除对照处理外，不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫处理下，2个芸豆品种发芽率之间均存在明显差异，其中以150 mmol/L NaCl处理和100 mmol/L NaHCO3处理下2品种发芽率差异较大。由此可见，芸豆种子发芽率对NaHCO3胁迫的响应强于NaCl胁迫，且JW较HYD对盐碱的响应更为敏感。

图2 盐碱胁迫对芸豆种子发芽指数的影响

图3 盐碱胁迫对芸豆种子活力指数的影响

2.2 盐碱胁迫对芸豆种子发芽指数的影响

由图2可知，2个品种的发芽指数均随盐碱胁迫浓度的升高逐渐下降，尽管不同浓度NaCl和NaHCO3胁迫处理发芽指数均显著低于对照处理，但发芽指数在NaHCO3胁迫下较NaCl胁迫处理下降趋势更为明显。从品种差异来看，当Na+浓度达到150 mmol/L时，NaCl和NaHCO3胁迫处理下HYD的发芽指数分别比对照降低了34.49%和58.05%，而JW在相同胁迫处理下的发芽指数分别比对照降低了40.80%和85.96%，说明在盐碱逆境下，耐盐碱型芸豆品种发芽速度、发芽整齐度均优于盐碱敏感型芸豆品种。

2.3 盐碱胁迫对芸豆种子活力指数的影响

NaCl和NaHCO3胁迫均不同程度的抑制了2个芸豆品种的种子活力指数(图3)，中性盐和碱性盐各浓度胁迫处理下，HYD的活力指数均显著高于JW，如在150 mmol/L浓度胁迫下，2个芸豆品种的种子活力指数均达到最低，但与对照处理相比，150 mmol/L NaCl胁迫处理导致HYD和JW活力指数分别降低了61.26%和71.36%，NaHCO3处理对HYD和JW则分别降低了74.40%和83.84%，这说明同等浓度胁迫处理下，中性盐或碱性盐对JW发芽率和活力指数具有更加明显的抑制作用。此外，2个芸豆品种活力指数在NaHCO3胁迫处理下的降幅大于NaHCO3胁迫处理，这说明相比于NaCl胁迫处理，相同浓度的NaHCO3胁迫处理对种子活力指数的影响更加明显。

2.4 盐碱胁迫对芸豆种子相对盐害率的影响

由表1可以看出，NaCl和NaHCO3胁迫处理均对2个芸豆品种种子萌发过程产生了一定盐害作用，并随着胁迫浓度的增加，相对盐害率不断上升。通过对不同浓度中性盐或碱性盐胁迫处理下不同芸豆品种间的差异进行比较分析，可以看出，JW的相对盐害率显著高于HYD，说明盐碱胁迫下HYD对盐碱胁迫的

图4 盐碱胁迫对芸豆种子相对电导率的影响

抵抗能力要强于JW。相同处理浓度下，中性盐与碱性盐胁迫下种子相对盐害率数据表明，NaHCO3胁迫处理比NaCl胁迫处理对种子的盐害影响更加明显。

表1 盐碱胁迫对芸豆种子相对盐害率的影响

品种处理浓度(mmol/L)NaCl处理相对盐害率(%)NaHCO3处理相对盐害率(%)HYD00.00±0.00a0.00±0.00a504.66±0.21b14.03±0.54b1006.83±0.04d21.19±0.05d15014.91±1.14f35.27±1.18fJW00.00±0.00a0.00±0.00a509.55±0.62c17.99±1.19c10016.25±0.23e26.59±0.94e15027.11±1.21g40.72±1.22g

注：根据Duncan检验，同一列数据后的不同字母表示在0.05水平上差异显著，表中数值为3次重复的平均值±SE。下同。

2.5 盐碱胁迫对芸豆种子生长特性的影响

由表2和表3可以看出，NaCl和NaHCO3胁迫均抑制了2个芸豆品种种子萌发后上胚轴的生长，随着胁迫浓度的增加，上胚轴的长度逐渐缩短。与对照相比，低浓度盐碱胁迫对上胚轴影响不显著，但高浓度盐碱处理影响差异均达到显著水平。150 mmol/L盐碱胁迫处理下，2个芸豆品种的上胚轴长均达到最低值，其中NaCl胁迫处理下，HYD和JW的上胚轴长度分别比对照处理降低55.60%和67.55%；NaHCO3胁迫处理下，HYD和JW的上胚轴长度分别比对照处理降低78.75%和93.83%，且品种间差异显著，以HYD在盐碱胁迫下上胚轴的长势强于JW。通过分析胚根长度数据发现，不同浓度中性盐和碱性盐处理均明显抑制了2个芸豆品种胚根的生长，但HYD胚根长度始终高于JW，且胁迫处理浓度达到150 mmol/L时，NaHCO3已经完全抑制了JW胚根的生长。由此可见，同浓度胁迫处理下NaCl胁迫抑制胚根生长的程度要小于NaHCO3胁迫。

2.6 盐碱胁迫对芸豆种子相对电导率的影响

相对电导率的大小反映了质膜的完整性，电导率越大说明质膜的完整性越差，受到伤害的程度也越大。如图4所示，NaCl和NaHCO3胁迫处理均增加了芸豆种子萌发期浸出液的相对电导率，随着胁迫浓度的增加相对电导率逐渐上升，并随着胁迫浓度的增加，上升幅度也不断增大，150 mmol/L 盐碱胁迫处理下，萌发种子的相对电导率均达到最大，且JW的相对电导率上升幅度大于HYD，2个品种在NaHCO3胁迫处理下的相对电导率明显高于NaCl胁迫处理。整体来看，盐碱胁迫对JW的伤害程度显著大于对HYD的伤害程度，且NaHCO3的破坏性要大于NaCl。

表2 NaCl处理对芸豆种子生长特性的影响

品种处理浓度(mmol/L)上胚轴长度(cm)胚根长度(cm) HYD06.87±0.40a4.47±0.15a505.90±0.52b4.01±0.20b1004.25±0.31c3.17±0.01c1503.05±0.34e1.97±0.00eJW06.81±0.39a4.56±0.10a505.79±0.47b3.97±0.16b1003.79±0.31d2.58±0.15d1502.21±0.21f1.18±0.07f

表3 NaHCO3处理对芸豆种子生长特性的影响

品种处理浓度(mmol/L)上胚轴长度(cm)胚根长度(cm) HYD06.87±0.06a4.47±0.22a503.61±0.23b4.06±0.08b1002.34±0.22c3.29±0.22c1501.46±0.12e1.24±0.05eJW06.81±0.43a4.56±0.03a503.56±0.31b4.08±0.00b1001.77±0.07d2.43±0.09d1500.42±0.04f0.00±0.00f

图5 盐碱胁迫对萌发芸豆种子α-淀粉酶活性的影响

2.7 盐碱胁迫对芸豆种子α-淀粉酶活性的影响

NaCl和NaHCO3胁迫处理明显降低了萌发期芸豆种子的α-淀粉酶活性(图5)，虽然0 mmol/L时2个品种的α-淀粉酶活性存在显著差异，但随着盐碱胁迫处理浓度的不断提升，2个芸豆品种种子的α-淀粉酶活性均逐渐下降，且HYD和JW在150 mmol/L浓度胁迫下均达到最小值。此外，在响应盐碱胁迫浓度增加的过程中，HYD种子α-淀粉酶活性的降幅低于JW，与对照处理相比，在NaCl胁迫下HYD和JW分别降低了71.96%和74.19%，而在NaHCO3胁迫下则分别降低了76.58%和82.51%。这说明同浓度胁迫处理对JW的α-淀粉酶活性抑制程度大于HYD，且碱性盐胁迫对萌发期芸豆种子的α-淀粉酶活性抑制程度大于中性盐胁迫。

3 讨 论

盐碱胁迫是影响植物生长的主要逆境胁迫因子之一。在植物整个生育期中，种子萌发期是对盐碱胁迫反应较为敏感的一个时期[23]，因此，本研究比较分析了不同浓度中性盐和碱性盐胁迫对芸豆种子萌发特性的影响。发芽率、发芽指数、活力指数是判定种子活力的重要指标，根据种子在不同浓度NaCl和NaHCO3胁迫溶液下的发芽情况，亦可以判定种子发芽时的耐盐碱能力。本研究中，不同盐碱胁迫处理下的芸豆品种发芽率、发芽指数、活力指数、相对盐害率均与盐碱处理浓度呈显著负相关关系，这与李志萍等[24]的研究结果一致。上胚轴长和胚根长是种子发芽质量的重要指标。从试验结果可以看出，2个芸豆品种的上胚轴长和胚根长均随盐碱胁迫处理浓度的增加而不断下降，这与裴毅等[25]的研究结果一致。同时，HYD的上胚轴长和胚根长均高于JW，说明盐碱胁迫下HYD种子发芽质量高于JW。

电导率是反映细胞膜透性的一个重要指标，植物在盐碱胁迫应答过程中，首先感受到伤害的是细胞膜，通过电导率的测定可以直观反映植物细胞受伤害的程度。本研究表明，2个芸豆品种种子电导率均随胁迫处理浓度的增大而增大，其中JW的电导率始终大于HYD，且上升幅度也较大，这可能是由于电导率与质膜完整性相关，电导率越大，质膜的完整性越差的原因所致。α-淀粉酶是分解种子内储藏淀粉的主要酶，可使种子内的淀粉降解成为小分子物质，以供种子萌发和幼苗生长[26]。本研究中，2个芸豆品种α-淀粉酶活性均随盐碱胁迫处理浓度的增加而降低，这与柴雁飞等[27]对油菜的研究结果一致。在中性盐胁迫处理下，JW的α-淀粉酶活性较强，而在碱性盐胁迫下HYD的α-淀粉酶活性较强，且盐碱胁迫影响种子内部α-淀粉酶活力随盐碱浓度的增大而降低。

在不同盐碱胁迫处理下，同一芸豆品种不同鉴定指标或同一鉴定指标下不同芸豆品种都存在差异，这说明同一品种对不同的盐碱类型耐性各不相同，且不同品种也因盐碱胁迫类型的变化而异。NaCl胁迫主要因素为渗透胁迫和离子毒害作用，与NaHCO3胁迫相比，随着盐碱浓度的增大萌发期各指标的下降幅度较小，说明芸豆种子在萌发期受到NaHCO3的胁迫作用大于NaCl胁迫，这与聂江力等[28]的研究一致。本试验表明，高浓度碱性盐胁迫因其不仅具有离子毒害作用，同时又受高pH值的影响，使得芸豆种子的萌发受到抑制作用更强。关于不同芸豆品种萌发期对不同浓度中性盐和碱性盐胁迫处理下的响应机制，还需要进一步研究。

4 结 论

NaCl和NaHCO3处理均不同程度的使芸豆种子发芽率下降，萌发时间延迟，发芽指数和活力指数下降，对种子的盐害严重，同时抑制了上胚轴和胚根的长势。盐碱胁迫也引起了芸豆种子细胞膜透性的增强，

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且随盐碱胁迫强度的增加，2个芸豆品种的相对电导率提升，α-淀粉酶活性降低，障碍种子萌发进程，以NaHCO3比NaCl胁迫处理对芸豆种子萌发的抑制影响更加明显，且HYD较JW表现出更好的耐盐碱性。