盐胁迫下氯化钙对小麦种子萌发及幼苗生长的影响

侯 颖 ,谢 震

(1.商丘师范学院 生物与食品学院，河南 商丘 476000；2.商丘市国营民权农场，河南 商丘 476800)

盐胁迫是植物生长最重要的非生物胁迫因子之一(Shah Zamana et al.,2019),而我国盐碱化土地分布广泛,并且由于不合理的灌溉方式和施肥等原因,次生盐碱化土壤面积还在继续扩大.因此,研究盐胁迫对植物的影响、植物对盐胁迫的响应以及如何缓解盐胁迫的危害对于提高农作物的产量、保障粮食安全具有重要的意义(孙君艳等,2017).

小麦是我国重要的粮食作物,关于盐胁迫对小麦的影响前人已进行了大量的研究,研究表明,盐胁迫对植物造成的危害主要是离子毒害、渗透胁迫和营养失衡(王志,等,2009；郭伟,2011；钮力亚,等,2019),其影响最直观的表现为抑制种子萌发、阻碍植株生长等,这已被多数研究所证实(朱志华,等,1996；郭晓丽,等,2008；孙君艳,等,2017).因此,如何缓解盐胁迫对植物的负面影响成为众多学者研究的热点(刘丽云和王明友,2010).大量研究表明,应用外源物质可以有效地减轻盐碱危害,如钙盐,一方面,钙作为植物生长发育必需的矿质元素,施加适量的钙,可以缓解因Ca2+不足引起的矿质营养胁迫,另一方面可以增强质膜的稳定性和钙信号系统的正常发生和传递,以维持细胞内离子平衡(赵旭,等,2006).但是,外源钙对盐胁迫的缓解作用可能因盐胁迫程度、植物本身抗性的不同而不同(王康君,2018),因此,研究不同作物品种或不同区域下外源钙对植物盐胁迫的缓解作用对作物的育种、田间管理工作会更具有针对性,尤其是新培育的优质品种.郑麦369是河南省农科院培育的优质高产强筋小麦新品种,2017年在河南郸城晚播情况下产量可达到9000 kg/hm2(李平芳,等,2017),对于满足国内日益增加的优质专用小麦需求和农业供给侧结构改革都有着重要意义.因此,本文以郑麦369为研究对象,通过实验室内水培试验,研究小麦369对盐害的耐受程度,在此基础上进一步研究外源钙对小麦种子萌发和幼苗生长盐胁迫的缓解作用,旨在探究缓解小麦盐胁迫的最佳浓度,为优质小麦高产种植和调控措施提供参考.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所采用的小麦品种为郑麦369,为郑麦366的换代品种,是河南省农科院小麦研究所培育的一个优质强筋小麦良种,在抗倒伏、抗病性、耐倒春寒等方面表现突出,适合在黄淮冬麦区南片的河南省(除信阳市和南阳市南部部分地区以外的)平原灌区、陕西、江苏和安徽省的部分地区种植(中华人民共和国农业农村部公告第18号,中华人民共和国农业农村部种子管理局,2018.5.4).供试小麦种子由河南省商丘市种子站提供.

1.2 实验方法

1.2.1 预处理

随机挑选无病害,无破损,大小一致且饱满的小麦种子100粒,置于烧杯中,用无菌水小心地冲洗3遍,注意不要让种子受到损伤,随后让种子在室温下浸泡吸水8 h,然后分别放置于5%的红墨水溶液中染色30 min,之后观察种子的染色情况(活种子种胚不被染成红色,死种子种胚被染成红色)(张淑兰,1999),随后计算活种子所占比例,最后得出活种子所占比例为99%.

1.2.2 耐盐性测定

实验采用水培法,以不同浓度的NaCl溶液模拟盐胁迫,共设7个处理：(1)CK: 对照(无菌水)；(2)T1：50 mmol/L NaCl溶液；(3)T2：100 mmol/L NaCl溶液；(4)T3：150 mmol/L NaCl溶液；(5)T4：200 mmol/L NaCl溶液；(6)T5：250 mmol/L NaCl溶液；(7)T6：300 mmol/L NaCl溶液.每个处理3个重复.在光照培养箱内(白天25 ℃,晚上15 ℃,每天光照15 h)进行发芽实验,7 d为一周期.每天用注射器抽取一定量的溶液予以补充,以保证培养皿内滤纸湿润和各处理的溶液浓度不变.

1.2.3 CaCl2缓解作用测定

根据前期耐盐性测定,确定郑麦369发芽的半致死盐胁迫浓度,在此基础上,施用CaCl2处理,共设6个处理：(1)CK: 对照(无菌水)；(2)S1：NaCl半致死胁迫浓度；(3)S2：NaCl半致死胁迫浓度+3 mmol/L CaCl2；(4)S3：NaCl半致死胁迫浓度+6 mmol/L CaCl2(5)S4：半致死胁迫浓度+9 mmol/L CaCl2；(6)S5：半致死胁迫浓度+12 mmol/L CaCl2,每个处理3个重复,培养方法同上.

1.3 测定指标及计算方法

培养开始后,每天统计发芽情况,在种子发芽3 d后,计算发芽势；7 d后,计算发芽率；然后测量发芽种子的幼苗长、主根长以及根数,最后再用刀片切掉发芽的种子的芽,用吸水纸吸光表面所携带的水,称重,以此来测芽的鲜重.

计算发芽指数(Gi)和活力指数(Vi)：

Gi=ΣGt/Dt

Vi=S*ΣGt/Dt

Gt为在t日的发芽数,Dt为相应的发芽日数,S为幼苗生长势(等同于幼苗的平均长度).Gi越大,表明发芽速度越快；Vi越大,表明发芽快,长势好.

实验数据用Microsoft Excel 2010和SPSS20.0软件进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同浓度盐溶液对小麦萌发的影响

由表1可以看出,盐胁迫可以降低小麦种子的相对发芽势,且当盐溶液浓度逐渐升高时,郑麦369的发芽势逐渐降低.处理为CK、T1、T2、T3、T4、T5和T6时,郑麦369的相对发芽势分别为100.00%、76.67%、56.67%、43.33%、28.33%、6.67%和2.31%.方差分析结果表明,除T1外,各浓度处理均与对照存在着极显著差异.250 mmol/L NaCl溶液(T4处理)时,小麦的发芽受到的抑制作用明显,在300 mmol/L NaCl溶液(T6处理)时,相对发芽势降几乎降为0%.

由表1可以看出,随着盐溶液浓度的升高,郑麦369的发芽率受到抑制作用,呈现出逐渐降低的趋势.当处理为CK、T1、T2、T3、T4、T5和T6时,小麦的相对发芽率分别为100.00%、91.67%、83.33%、66.67%、48.33%、25.00%和1.08%.方差分析结果表明,除低浓度处理T1外,各浓度处理均与对照存在着极显著差异.当处理为200 mmol/L NaCl溶液(T3处理)时,郑麦369的相对发芽率降为对照的一半,在250 mmol/L NaCl溶液(T4处理)下,相对发芽率下降极显著,而在300 mmol/L时,小麦种子几乎不发芽.因此,可以将200 mmol/L NaCl溶液作为郑麦369的半致死临界浓度,而300 mmol/L NaCl溶液(T4处理)作为小麦369发芽能力的致死临界盐胁迫浓度.

表1 不同浓度NaCl溶液对小麦369相对发芽势和发芽率的影响/(%)

2.2 盐胁迫下CaCl2处理对小麦萌发的影响

2.2.1 CaCl2处理对盐胁迫小麦相对发芽势和发芽率的影响

表2表明,在盐胁迫下施用CaCl2处理3 d后,小麦种子的相对发芽势仍显著低于对照(CK),但盐胁迫作用显著得到缓解,且随CaCl2浓度升高,小麦种子的相对发芽势呈现出一种先升高后降低的规律,表明CaCl2处理只能在一定程度上对盐胁迫起到缓解作用.方差分析表明,与对照(S1)相比,各处理均达到极显著差异,这表明从3 mmol/L至12 mmol/L CaCl2溶液处理间(即S2至S5处理间),小麦369受到的盐胁迫抑制作用都得到了一定缓解,其中在6 mmol/L CaCl2溶液处理(S3处理)下,相对发芽势达到了最高水平,为55.00%,但随着CaCl2溶液浓度的进一步提高,相对发芽势降低,表明高浓度的CaCl2溶液对盐胁迫的缓解作用反而降低.

由表2可知,在盐胁迫下用CaCl2处理7 d后,小麦种子的相对发芽率仍显著低于对照(CK),但盐胁迫作用显著得到缓解,且随CaCl2浓度升高,小麦种子的相对发芽率呈现出一种先升高后降低的规律,表明CaCl2处理只能在一定程度上对盐胁迫起到缓解作用.方差分析表明,S2、S5与对照S1无显著差异,表明较低浓度和较高浓度的CaCl2溶液对小麦种子的相对发芽率的缓解作用不明显,而S3、S4与对照S1差异显著,表明在6 mmol/L 和9 mmol/L CaCl2溶液处理下,相对发芽率达到了最高水平,其值分别为为63.33%和60.00%.

表2 盐胁迫下CaCl2处理对小麦种子相对发芽势和发芽率的影响(%)

2.2.2 CaCl2处理对盐胁迫小麦发芽指数和活力指数的影响

发芽指数在一定程度上可以表明一个小麦品种发芽速度或发芽的整齐度.由表3可知,盐胁迫显著地降低了小麦的发芽指数,但施用外源CaCl2可以缓解这种胁迫作用.在盐胁迫下,随着CaCl2溶液浓度升高,小麦的发芽指数先升高后降低,从S1到S5,其值分别为37.73%、59.64%、74.00%、60.69%和59.55% ,且与S1相比,S2、S3、S4和S5均达到显著差异,但只有S3处理时下,差异达到极显著差异,说明6 mmol/L的CaCl2是缓解作用的最佳浓度,高浓度的CaCl2溶液反而降低了对盐胁迫的缓解作用.

活力指数越大,表明小麦的出芽速率越快和长势越旺.由表3可以看出,盐胁迫极显著地降低了小麦的萌发活力指数,但施用外源CaCl2可以缓解这种胁迫作用.在盐胁迫下,随着CaCl2溶液浓度升高,萌发活力指数先升高后降低,从S1到S5,其值分别为75.46%、178.92%、266.40%、188.14%和166.74% ,且与S1相比,S2、S3、S4和S5均达极显著差异,其中,S3处理(6 mmol/L CaCl2)时,萌发活力指数最大,说明其对盐胁迫的缓解效果最好,过高或过低的CaCl2溶液反而降低了对盐胁迫的缓解作用.

表3 盐胁迫下氯化钙处理对小麦发芽指数和活力指数的影响

2.2.3 对小麦幼苗生长的影响

由图1(A、B、C、D)可知,盐胁迫对小麦幼苗的生长有显著影响,与对照(CK)相比,盐胁迫极显著地降低了幼苗的鲜重、根数、苗长和和根长.外源CaCl2处理可缓解盐胁迫作用,且对各个部位的作用趋势基本一致,即,随着CaCl2溶液浓度升高,各指标表现为先升高后降低的规律,均是在6 mmol/L CaCl2处理(S3)时表现最好,表明6 mmol/L CaCl2处理(S3)对小麦盐胁迫的缓解作用最显著.但对不同部位的缓解作用不同,与S1相比,中等浓度的CaCl2浓度处理(S3、S4)均显著(P<0.05)提高了小麦幼苗的根数和根长(图1A、B),苗长只有在S3处理下与S1相比差异显著(图1C),而所有浓度的CaCl2处理对盐胁迫下小麦的鲜重均无显著缓解作用(图1D).

图1 盐胁迫下氯化钙处理对小麦幼苗生长的影响

3 结论与讨论

盐胁迫是目前制约小麦产量的主要逆境因素之一,国内外学者对盐胁迫下小麦育种、栽培和生理等方面开展了大量研究(张敏,等,2008；Bai R Q et al.,2011；朱永兴，等,2017).前人研究表明,在盐胁迫条件下,小麦种子的萌发受到抑制作用,且盐浓度越高,其抑制作用越强(乔佩，等,2013).本试验也得出与前人一致的结果,即不同浓度NaCl溶液对小麦种子的萌发抑制作用不同,随着NaCl溶液浓度升高,小麦种子的相对发芽势和相对发芽率受到的抑制作用逐渐增强.本试验结果还表明,250 mmol/L 的NaCl溶液为郑麦369的发芽临界浓度,比乔佩,等(2013)和贾娜尔·阿汗,等(2010)对春小麦“高原602”和小冰麦种子的研究结果值低,其NaCl发芽临界浓度为300 mmol/L左右,但与河南高产小麦“新麦9”的发芽临界值相似,表明不同小麦品种或不同区域下的品种对盐的敏感性不同,其原因在于其亲本长期适应当地的土壤条件而形成的遗传基础造成的.因此,开展小麦对盐胁迫的抗性机理及适应机理研究必须注意不同区域或不同立地条件的影响作用.

应对日益扩大的盐碱化土地,缓解盐碱对小麦的胁迫作用是保障小麦安全生产的重要举措之一.因此,应用外源物质减轻盐害成为抗盐研究的热点(刘丽云和王明友,2010).研究表明,适当浓度的CaCl2处理对小麦的盐胁迫具有缓解作用,但缓解作用受盐浓度的影响.王志强,等(2009)对小麦的研究表明,低盐胁迫(150 mmol/L)下,Ca2+明显促进了鲜重的增加,表现出对盐胁迫一定的缓解效应,而高盐胁迫(300 mmol/L)下,这种效应表现不明显,说明外源Ca2+对缓解低盐胁迫更有效.本文研究表明,200 mmol/L NaCl溶液处理下,适当的CaCl2溶液处理有显著的缓解作用,综合来看,外源Ca2+对中低浓度的盐胁迫均有缓解作用,这与张雪微,等(2017)的研究结果一致.

CaCl2溶液对盐胁迫的缓解作用还受其本身的浓度影响,浓度过低或过高对盐胁迫作用的缓解作用不明显或者加重盐害作用(赵旭,等,2006；任珺,2019).本文研究中,虽然低、中、高浓度的CaCl2溶液对小麦的盐胁迫均有缓解作用,但中等浓度的CaCl2溶液(6mmol/L)作用最显著,随着Ca2+浓度的进一步升高(12 mmol/L),缓解作用变弱,如果再进一步加大Ca2+浓度,可能会出现抑制作用,这有待进一步研究.本试验中12 mmol/L CaCl2溶液对小麦的萌发仅是缓解作用减弱,但赵旭，等(2006)的试验中,12mmol/L 的CaCl2溶液对盐胁迫下陕229小麦的萌发却加重了盐害作用,这也说明郑麦369抗盐性较强.因此,外源钙对小麦盐胁迫的缓解作用,不但与胁迫盐浓度、外源钙离子浓度有关,还与植物本身的抗性有关.

研究认为外源钙通过提高a-淀粉酶的活性而缓解NaCl对种子萌发的抑制效应,因此盐胁迫条件下使用CaCl2处理能促进小麦种子萌发(韩多红，等,2014),本文研究结果与此一致,经不同浓度CaCl2处理后,盐胁迫下郑麦369的相对发芽势、发芽率,发芽指数和活力指数均显著提高；CaCl2处理对盐胁迫下幼苗生长也具有一定的缓解作用(王亚英，等,2010),本试验研究表明,盐胁迫下随着CaCl2溶液浓度升高,小麦幼苗的鲜重、苗长、根长和根数均表现为先升高后降低的规律,均是在6mmol/L CaCl2溶液处理时对盐胁迫的缓解作用最显著.同时,本试验研究进一步表明,外源钙对小麦幼苗不同器官生长的缓解作用不同,其对根数和根长的缓解程度大于鲜重和苗长,可能原因是CaCl2处理有助于胚根的伸长(王亚英，等,2010),另一方面,也可能与不良环境下植物的适应策略(如,物质分配、形态结构)有关,有待进一步研究.