青海野决明、芒颖大麦草和盐生草种子 萌发对盐分和干旱胁迫的响应特征

邹 凯，王绿菁，王嘉茜，睢峥岩，曾彦军,2,3

(1.兰州大学草业科学国家级实验教学示范中心/兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020；2.兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室，甘肃 兰州 730020； 3.草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州 730020)

全世界约有1/4的土地面积发生盐渍化，迫使人类考虑在盐渍化土壤上引种耐盐植物。盐生植物资源及其利用成为国际植物学界关注的一个重要问题[1]。种子萌发是植物生活史中一个关键时期，植物必须具备适应盐渍化地区环境条件的萌发策略，才有可能在盐渍化环境条件下实现萌发、存活、建群和可持续发展。在盐渍化土壤环境中，盐分胁迫对大多数盐生植物种子的影响通常表现为抑制种子萌发、诱导种子休眠和抑制幼苗生长，对甜土植物来说通常还表现为毒害种子生活力等方面[2-3]。由于盐分胁迫对种子萌发的效应主要包括渗透效应和离子效应两个方面，其中渗透效应限制种子对水分的吸收，形成类似于干旱的环境条件。而种子萌发、幼苗定居阶段对降水、土壤水分等水分限制因子的耐受能力则很大程度上影响了植物对环境的最终适应情况[4]。因此，种子萌发对盐碱和水分限制的响应特性在植物适应严酷环境中具有至关重要的作用，并且不同物种种子萌发对环境因子的响应特征各不相同，研究各个植物种子萌发对盐碱和水分限制等环境因素的响应特征体现出重要的基础科研价值[3]。

青海野决明(Thermopsisprzewalskii)和盐生草(Halogetonglomeratus)在我国西北干旱区为常见的野生植物。芒颖大麦草(Hordeumjubatum)为越年生禾本科植物，原产于北美及欧亚大陆的寒温带，在我国辽宁、吉林、黑龙江、内蒙古、山东等地早有分布，被认为是逸生植物，近年来在我国西北河西走廊多地发现新分布[5]。已有资料显示，青海野决明为豆科野决明属多年生草本植物，常生长于河滩、山谷、湖岸，主要在高原草地、半荒漠、砾质草地和盐渍地带分布[6]。盐生草为藜科盐生草属一年生草本植物，主要分布于砾石荒漠、撂荒地及盐碱地荒漠[7]。3种植物均具有耐盐特性，能在盐渍化土壤中正常生长。青海野决明和芒颖大麦草也被认为是景观植物[8]，在园林建设中具有潜在的利用价值，盐生草具有一定的饲用价值。此外，青海野决明和盐生草还具有药用价值。

截至目前，上述3种植物中有关青海野决明的研究报道较少，有关种子萌发特性的研究也鲜见报道。关于芒颖大麦草的研究报道主要体现在盐生特性[9-11]、抗寒特性[6]、吸收和积累盐分特性[12]、繁殖体传播特性[6]、观赏价值和生态用途等方面[6,13]。有关芒颖大麦草种子萌发的研究表明了其种子萌发受夏季高温和高于1%的盐分浓度的抑制[11-12]，而受低贮藏温度、预先冷冻处理、赤霉素(GA3)和黑暗条件的促进[5,9,14]，也有研究表明，芒颖大麦草种子具有休眠特性，能形成持久土壤种子库[14]。针对盐生草的研究报道主要涉及种群特征、成年植株的耐盐特性、分布区土壤盐渍化类型和对镍铜等重金属超标土地的适应性等方面[15-18]。种子萌发方面报道了二型性种子的休眠特性和种子萌发耐盐特性[19-20]。目前，有关芒颖大麦草和盐生草种子萌发对干旱胁迫的响应特征还鲜见报道。

本研究拟以青海野决明、芒颖大麦草和盐生草种子为材料，实验室内条件下分析3种种子萌发对水分限制和盐分胁迫的响应特征，旨在了解种子的耐盐耐旱性能，为理解参试植物种子萌发对盐碱干旱环境的适应能力以及栽培利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 采种地及储藏概况

试验材料青海野决明和芒颖大麦草种子于2015年7月下旬采集于甘肃省张掖市临泽县境内，盐生草种子于2015年11月上旬采集于甘肃省武威市民勤县境内。采种地均为自然生长植物群落，并且在采集时种穗已经处于完全成熟期，青海野决明和盐生草的果实已完全干枯，芒颖大麦草种子已经开始自然地脱落。种子样品为多株采集的混合样品，用纸袋包装。收获的种子带回实验室在室温条件下(温度在20～25 ℃，相对湿度在15%～30%)存放，试验开始前种子已贮存了9个月。

采集地甘肃省张掖市临泽县位于河西走廊中部，地处99° 51′-100° 30′ E，38° 57′-39° 42′ N。采集地甘肃省武威市民勤县位于河西走廊东段，地处99° 05′-100° 30′ E，38° 57′-39° 42′ N。两处种子采集地均处于欧亚大陆腹地，大陆性荒漠草原气候，四季分明，光照充足，太阳辐射强。其中，临泽县年均气温7.6 ℃，年均无霜期176 d，年均降水量121.5 mm,年均蒸发量2 337.6 mm[21]。民勤县平均气温7.8 ℃，年均无霜期162 d以上，年均降水量110 mm，年均蒸发量2 644 mm[22]。由于采集地降水稀少，蒸发量大，干旱和盐渍化生境常见，有不少旱生和盐生植物在此建成群落。

1.2 研究方法

1.2.1种子的预处理 对于盐生草和青海野决明，在试验前去除种皮，将种子清选干净。对于芒颖大麦草，试验前去除芒颖和果柄。将清选后的种子样品进行充分混合，试验前随机抽取种子参与试验。

由于青海野决明和芒颖大麦草具有较深的休眠特性，在萌发试验前均采取了破除休眠处理。具体方法：对于芒颖大麦草，参照赵傲雪等[5]方法将种子置于清水中，并于25 ℃的环境温度下浸泡3 d，之后将种子装入纸袋中，置于温度为35 ℃、相对湿度为10%左右、空气循环良好的培养箱内干热2 d；对于青海野决明的种子，参照《国际种子检验规程》中破除豆科种子硬实的方法，采取机械破皮法用钢锯条在种脐的背侧面割破种皮，但不伤害到胚[23]。处理好的种子均装于纸袋中待用。盐生草种子无休眠特性，试验前未进行破除休眠处理。

1.2.2模拟盐分和干旱条件 试验采用不同浓度的氯化钠(NaCl)和聚乙二醇(PEG-6000)溶液来分别模拟盐分胁迫和干旱胁迫。盐分胁迫条件设置为-2.7～0(蒸馏水)MPa，以-0.3 MPa为间隔，共设置10个渗透势的溶液梯度。干旱胁迫条件在-2.4～0 (蒸馏水)MPa，以-0.3 MPa为间隔，共设置9个渗透势的溶液梯度。溶液浓度与渗透势的关系按照Michel和Radcliffe开发的相关程序[24]来确定。NaCl溶液在室温下现配现用，用透明塑料瓶盛装，人工摇晃使溶质充分溶解均匀。PEG溶液用棕色广口瓶配置，并放在摇床上摇晃2 d使溶质充分溶解均匀。

1.2.3萌发试验 萌发试验采用塑料培养盒(100 mm×100 mm)纸上法(TP)，试验温度均采用25 ℃，于黑暗条件下培养。试验中的每一物种每一处理设4次重复，每一重复青海野决明和芒颖大麦草设50粒种子，盐生草100粒种子。培养时间均为14 d。

萌发试验具体方法：发芽前先将双层滤纸铺垫于培养盒底部，将种子播种于滤纸表面，用胶头滴管滴入7～8 mL配置好的溶液，立即用电子天平称量每个培养盒的重量，并做记录。为维持培养盒溶液渗透势的稳定，用锡箔纸将培养盒包裹密封。试验期间，每日检查种子萌发情况，记录新发芽的种子数(以胚根伸出种皮2 mm作为发芽标准)，称重检查培养盒重量，并补充蒸馏水以维持培养盒渗透势。发芽试验结束时，在每个发芽床中随机选择5个幼苗测量其初生根和初生芽的长度。按以下公式计算每一重复参试种子的发芽势、最终萌发率、初生根芽比、平均萌发时间和耐盐/旱指数[25]。

发芽势(GT5) =(第5 天种子萌发数/参试种子数)×100%；

初生根芽比(R/S)=胚根长度/胚芽长度；

最终萌发率(FGP)=(最终种子萌发数/参试种子数 )×100%；

平均萌发时间(MGT)=(∑ni·ti)/N。

式中：ni为第i天种子萌发数，ti为第i天，N为试验终期萌发数。

耐盐/旱指数(STI/DTI)=(平均相对萌发率+平均相对发芽势+平均相对根芽比)/3。

式中：相对萌发率=某种植物处理的萌发率/相应对照的萌发率；相对发芽势=某种植物处理的发芽势/相应对照的发芽势；相对根芽比=某种植物处理的根芽比/相应对照的根芽比。

耐盐/旱极限值：当种子萌发率为0时，盐分/干旱条件下渗透势的数值。

1.2.4数据统计与分析 采用SPSS 19.0软件对所测数据统计分析，用平均值±标准误表示测定结果，分别对同一胁迫类型不同渗透势处理下的FGP、GT5、R/S和MGT进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，用Duncan方法比较测定参数平均值之间的差异显著性。采用Excel 2007软件制图。

2 结果

2.1 盐分胁迫

在恒温25 ℃黑暗条件下培养5 d，青海野决明GT5以对照(0 MPa)为最高，在-0.3 MPa盐分渗透势条件下显著下降(P<0.05)，在-1.8 MPa盐分渗透势条件下很低，仅为10%(图1)。芒颖大麦草GT5以对照最高，在-1.5 MPa的盐分渗透势下很低，仅为4%。盐生草GT5以对照最高，-0.3和-0.6 MPa盐分渗透势下与对照差异不显著(P>0.05)，在-2.4 MPa的盐分渗透势下为12%。

在恒温25 ℃黑暗条件下培养14 d，3种植物种子FGP均以对照和轻度盐分胁迫(-0.6～-0.3 MPa)条件下为高，依青海野决明、芒颖大麦草和盐生草的顺序，最高FGP分别为97%、86%和76%。随着盐分胁迫的增加，3种植物种子FGP呈下降趋势(图1)。其中，青海野决明和芒颖大麦草种子的FGP均在-0.9 MPa盐分渗透势下开始显著下降(P<0.05)，在-2.1 MPa的盐分渗透势下很低，仅分别为11%和4%。盐生草种子的FGP在-1.2 MPa盐分渗透势下开始显著性下降(P<0.05)，在-2.1 MPa的盐分渗透势下仍然较高(62%)，渗透势为-2.7 MPa时有17%的种子萌发。

图1 不同盐分胁迫下3种植物种子在25 ℃黑暗条件下萌发的最终萌发率和发芽势Fig. 1 The germination rate and germination potential after exposing the seeds of the three species to different salt stresses at a temperature of 25 ℃ in darkness

不同小写字母表示相同指标不同处理间差异显著(P<0.05)。图2同。

Different lowercase letters indicate significant difference among treatments for the same item at the 0.05 level; similarly for the Figure 2.

盐分胁迫对3种植物种子的初始萌发时间和达到最大FGP的时间均有显著的延迟效应(P<0.05)。其中，青海野决明对照组初始萌发时间为1 d，3 d时达到最高FGP;在-2.1～-0.3 MPa的渗透势下萌发时间延迟至2～6 d，3～8 d时分别达到最高FGP。芒颖大麦草在-0.3～0 MPa的渗透势下初始萌发时间为2 d，7～8 d时分别达到最高FGP;在-2.1～-0.6 MPa的渗透势下初始萌发时间延迟至3～7 d，8～14 d时分别达到其最高FGP。盐生草在-0.9～0 MPa的渗透势下初始萌发时间为1 d，3～6 d时分别达到其最高FGP，在-2.7～-1.2 MPa的渗透势下萌发时间延迟至2～6 d，10～14 d时达到其最高FGP。

平均萌发时间(MGT)统计结果显示，对照条件下青海野决明、芒颖大麦草和盐生草种子MGT依次为2.0、2.8和1.5 d，在-2.1 MPa条件下依次增加为7.0、11.7和5.6 d(表1)。

幼苗生长数据结果显示，盐分胁迫下3种植物幼苗的初生根芽比(R/S)随渗透势的增加而增大。青海野决明、芒颖大麦和盐生草对照组的R/S分别为0.79、0.77和0.93，当渗透势增加至-2.1 MPa时，R/S分别增至1.01、1.00和1.15(表1)。

表1 不同盐分胁迫下3种植物种子的平均萌发时间、幼苗初生根芽比及耐盐指数Table 1 Mean germination time, root to shoot ratio, and salinity tolerance index after exposing the seeds of the three species to different salt stresses

同列不同小写字母表示相同植物不同盐分胁迫处理间差异显著(P<0.05),同行不同大写字母表示不同植物间差异显著(P<0.05)。表2同。

Different lowercase letters indicate significant difference among different salt stresses in the same test species at the 0.05 level; similarly for the Table 2.

结合平均相对萌发率、平均发芽势和平均相对根芽比得出，青海野决明、芒颖大麦和盐生草的耐盐指数(STI)分别是0.76、0.70和0.84(表1)。其中，盐生草STI显著大于青海野决明和芒颖大麦草(P<0.05)，而青海野决明STI要显著大于芒颖大麦草(P<0.05)。

2.2 水分限制胁迫

在水分限制胁迫试验中，培养5 d时青海野决明GT5以对照和-0.3 MPa PEG溶液渗透势条件下为最高，在-0.6 MPa溶液渗透势下开始显著下降(P<0.05)，在-1.2 MPa渗透势条件下很低，仅为5%(图2)。芒颖大麦草GT5以对照组为最高，在-2.1～-1.5 MPa的渗透势下很低，仅在1%～4%。盐生草GT5在-0.9～0 MPa渗透势下均处于最高水平，在-2.4 MPa的渗透势下为9%。

培养14 d，青海野决明种子的FGP以对照和-0.3 MPa PEG溶液渗透势条件下为较高水平，分别为95%和97%，在-0.6 MPa渗透势下开始显著下降(P<0.05)，在-2.4～-1.8 MPa渗透势下较低，FGP在7%～8% (图2)。芒颖大麦草种子的FGP以对照条件下为最高，为76%，在-0.3MPa渗透势下开始显著下降(P<0.05)，在-2.4 MPa的渗透势下有20%种子萌发。盐生草种子的FGP以-2.1～0 MPa PEG溶液渗透势条件下均为较高水平，FGP在59%～68%，从-2.4 MPa渗透势下开始显著下降(P<0.05)，有35%的种子萌发。

图2 不同水分限制胁迫条件下3种植物种子在25 ℃黑暗条件下萌发的最终萌发率和发芽势Fig. 2 The germination rate and germination potential after exposing the seeds of the three species to different drought stresses at a temperature of 25 ℃ in darkness

模拟干旱胁迫对3种植物种子的初始萌发时间和达到最大FGP的时间均有显著的延迟效应(P<0.05)。其中，青海野决明对照组初始萌发时间为2 d，3 d时达到最高FGP。芒颖大麦草对照组初始萌发时间为2 d，5 d时达到最高FGP。盐生草在-0.3～0 MPa的渗透势下初始萌发时间为1 d，4 d时分别达到最高FGP。

MGT数据统计结果显示，对照条件下青海野决明、芒颖大麦草和盐生草种子MGT依次为2.4、3.7和2.6 d，在-2.1 MPa干旱胁迫条件下依次增至12.3、10.5和9.4 d(表2)。

幼苗生长数据结果显示，干旱胁迫下3种植物幼苗的R/S随渗透势的增加而增大。青海野决明、芒颖大麦和盐生草草对照组的R/S分别为0.88、0.94和0.97，当渗透势增加至-2.4 MPa时，R/S分别增至1.23、1.29和1.30(表2)。

结合平均相对萌发率、平均发芽势和平均相对根芽比得出，青海野决明、芒颖大麦和盐生草的DTI分别是0.71、0.72和0.88(表2)。其中，盐生草DTI显著大于青海野决明和芒颖大麦草(P<0.05)，但青海野决明DTI与芒颖大麦草无显著差异(P>0.05)。

表2 不同水分限制胁迫下3种植物种子的平均萌发时间及幼苗初生根芽比及耐旱指数Table 2 Mean germination time, root to shoot ratio, and drought tolerance index after treating the seeds of the three species with different drought stresses

3 讨论

以往相关研究报道显示，植物种子萌发的耐盐范围不尽相同。一般情况下，盐生植物种子萌发耐盐性强，甜土植物耐盐性弱[3]。就盐生植物而言，种子萌发的耐盐特性也有较大差别。例如盐生植物梭梭(Haloxylonammodendron)、碱蓬(Suaedaglauca)、白刺(Nitrariatangutorum)、小果白刺(N.sibirica)种子萌发耐盐极限值分别为-9.0、-2.3、-1.2和-1.8 MPa[26-27]。盐爪爪(Kalidiumfoliatum)和里海盐爪爪(K.capsicum)种子仅能分别在高于-1.8和-1.4 MPa渗透势的NaCl溶液条件下萌发[28]。本研究中青海野决明和芒颖大麦草两种植物种子萌发耐盐极限值均在-2.1 MPa左右，盐生草种子萌发耐盐极限值在-3.3 MPa左右。因此，从种子萌发耐盐范围上分析，盐生草耐盐能力要强于碱蓬、白刺和小果白刺，青海野决明和芒颖大麦草的耐盐能力要强于白刺和小果白刺。

相关研究证实，植物种子萌发的耐旱范围也不尽相同。对于盐生植物也不例外。例如,梭梭种子萌发的最低渗透势阈值为-2.7 MPa，碱蓬为-1.2 MPa左右，红砂(Reaumuriasoongorica)种子萌发的最低渗透势阈值为-1.8 MPa，白刺和小果白刺分别为-0.9和-1.5 MPa[24,29]。本研究中青海野决明和芒颖大麦草两种植物种子萌发耐旱极限值均在-2.4 MPa左右，盐生草种子萌发耐旱极限值在-3.5 MPa左右。在种子萌发耐旱范围上，盐生草具有很大的优势，耐旱能力要强于梭梭等种子，而青海野决明和芒颖大麦草则介于梭梭和红砂之间。

一般情况下，植物种子萌发率随盐分胁迫的增加呈逐渐下降的趋势，初始萌发时间随盐分胁迫的增加呈逐渐延迟的趋势，平均萌发时间随盐分胁迫的增加呈逐渐延长的趋势。如白茎盐生草(H.arachnoideus)的平均萌发时间在200～500 mmol·L-1的NaCl浓度范围逐渐延长，初始萌发时间呈延迟趋势，且萌发率递减[30]。但是，在盐生植物中有例外情况发生，呈现出轻度盐分溶液促进种子萌发的效应[31]。例如，小果白刺种子在-0.3 MPa NaCl溶液条件下萌发率显著增加，在-0.9～-0.6 MPa NaCl溶液条件下萌发率与对照无显著差异，低于-0.9 MPa条件下呈下降趋势[3]。本研究中，3种种子萌发对盐分胁迫的响应特征与白茎盐生草的研究结论相符，没有出现轻度盐分溶液促进种子萌发的效应。

一般情况下，植物种子萌发率随干旱胁迫的增加呈逐渐下降的趋势，初始萌发时间随干旱胁迫的增加呈逐渐延迟的趋势，平均萌发时间随干旱胁迫的增加呈逐渐延长的趋势。例如盐节木(Halocnermumstr)在-1.4～-0.6 MPa的PEG溶液中时，随着渗透势下降，盐节木种子的萌发受到显著抑制，当外界渗透势为-1.4～-1.2 MPa时，盐节木种子的平均萌发时间显著增长[32]。在轻度干旱胁迫下促进种子萌发的效应则没有相关报道。本研究中，3种种子萌发对干旱胁迫的响应特征与盐节木等相关研究结论相符，也没有出现轻度干旱胁迫对于种子萌发的促进效应。

研究表明，植物幼苗生长过程中胚根和胚芽的生长会受盐分和干旱胁迫的抑制，例如羊草(Leymuschinensis)和野大麦(Hordeumbrevi-subulatum)随着Na2CO3和混合盐溶液浓度的增加，羊草和野大麦种子的胚根和胚芽的相对生长均呈下降趋势[33]。中华羊茅(Festucasinensis)等4种羊茅属植物胚根和胚芽的生长受较高PEG浓度(10%～15%)显著抑制，且PEG浓度对胚芽生长的抑制效应比胚根大[34]。本研究中，随着耐盐分和干旱胁迫渗透势的增加，3种植物幼苗胚根和胚芽的生长均受到抑制，且R/S值呈增大趋势。这与以往相关研究相一致。而植物幼苗生长对盐分和干旱胁迫的这种响应特征，有利于幼苗的存活[3]。

比较而言，在参试的3种植物之间，盐生草种子萌发的耐盐分和干旱胁迫的渗透势极限值分别为-3.3和-3.5 MPa，耐盐和耐旱指数分别为0.84和0.88，显著高于青海野决明和芒颖大麦草。青海野决明和芒颖大麦草两种植物种子萌发耐盐和耐旱极限值均分别在-2.1和-2.4 MPa；耐盐指数分别为0.76和0.70，青海野决明要显著高于芒颖大麦草，耐旱指数分别为0.71和0.72，无显著差异。在-2.1 MPa盐分胁迫条件下，盐生草、青海野决明和芒颖大麦草的平均萌发时间依次为5.6、7.0和11.7 d。在-2.4 MPa干旱胁迫条件下，盐生草、青海野决明和芒颖大麦草的平均萌发时间依次为11.0、14.0和12.8 d(表1和表2)。综合以上结果，可以认为盐生草、青海野决明和芒颖大麦草种子萌发均具有较强的耐盐和耐旱特性，其中以盐生草种子萌发耐盐和耐旱性为最强。

4 结论

青海野决明和芒颖大麦草种子萌发耐盐和耐旱极限值均在-2.1和-2.4 MPa，盐生草种子萌发耐盐和耐旱极限值在-3.3和-3.5 MPa。结合萌发率、发芽势、初生根芽比、平均萌发时间及耐盐/旱指数等方面的数据特征，认为盐生草、青海野决明和芒颖大麦草种子萌发均具有较强的耐盐和耐旱特性，其中以盐生草种子萌发耐盐和耐旱性为最强。