钠盐胁迫对中华羊茅种子萌发的影响

高 敏， 蔺伟虎， 田 沛

(兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室/兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室/兰州大学草地农业科技学院， 甘肃 兰州 730020)

土壤盐渍化是影响世界农业用地、限制农业生产力、影响植物生存和植物地理环境分布的重要因素[1-2]。全球约有9.5亿hm2的土地受盐渍化影响，而我国约有9 000万hm2受影响，由于全球气候变化和施肥灌溉等农业措施的影响，预计土壤盐渍化将持续增加[3-5]，因此研究盐碱胁迫对植物生长发育的影响十分重要。

中华羊茅(Festucasinensis)是禾本科羊茅属多年生草本植物，是我国西北、华北和青藏高原等地的常见野生牧草[6]，具有营养价值高、适口性好、再生性和抗逆性强等优点[7-8]。近年来，国内外关于中华羊茅种子萌发及幼苗生长的研究主要集中在内生真菌[9-11]、温度[12-13]、水分[14]、PEG[15]、酸碱条件[16]等对其影响上，关于中华羊茅盐碱胁迫方面的研究主要集中在单盐、单碱胁迫对种子萌发及幼苗生长的影响[17-19]，目前还没有关于盐碱混合胁迫对中华羊茅种子萌发及幼苗生长的研究。

种子萌发是植物生命周期中最重要也是最复杂的一个阶段，同时也是植物对盐碱胁迫最为敏感的阶段[20]，该阶段是决定植物能否在盐碱环境条件下生存的关键时期[21]；植物种子在此时期的生长特征，也可以在一定程度上反映植物总体的耐盐碱能力[22-24]。盐碱胁迫是田间作物生产的主要非生物胁迫之一，对作物生产造成严重危害[25]；过量的盐分是直接干预种子萌发和作物充分发育的重要非生物因素，并且限制了作物的产量[26]；在盐或碱条件下保持种子活力的能力，以及在这种胁迫减弱或消除后开始发芽的能力，是耐盐和耐碱植物在极端非生物条件下存活的机制之一[27]。因此本试验以中华羊茅种子为材料，研究中华羊茅种子在不同钠盐胁迫下的萌发特性及对不同钠盐胁迫的响应，探究中华羊茅种子对盐碱环境的耐受机理，为进一步耐盐品种的选育与推广利用以及盐碱地的改良奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

2014年将采自青海省平安县古城镇(36°50′N，102°10′E，海拔3 060 m)的中华羊茅种子播种在兰州大学榆中校区草地农业科技学院试验田中，2015年收获种子。采集的种子4 ℃保存于农业农村部牧草和草坪草种子质量检测和测试中心(兰州)种子贮藏室备用。

1.2 试验方法

2019年11月20日采用分析纯NaHCO3和NaCl试剂配制NaHCO3溶液和NaCl+NaHCO3混合溶液(NaCl和NaHCO3按物质的量为1∶1进行混合)对中华羊茅种子进行胁迫培养。每种钠盐溶液分别设10个浓度梯度(10，20，30，40，50，60，70，80，90，100 mmol·L-1)。选取籽粒饱满、大小一致且无病虫害的中华羊茅种子用蒸馏水冲洗干净，将种子置于直径为9 cm铺有2层滤纸的培养皿中，每个培养皿中50粒种子，分别加入不同浓度的钠盐溶液5 mL，以蒸馏水培养作为对照，每个处理3个重复。将培养皿置于光照培养箱(温度25 ℃，光周期为光16 h/暗8 h；光照强度5 000 lx)中进行培养。每天用称重法补充失去的水分，保持处理液浓度恒定。按照国际种子检验规程[28]规定种子的发芽时间为14 d，以种子发芽长度超过1 mm为发芽标准，每天同一时间观察并记录种子的发芽数，第7天测定种子的发芽势，14 d后发芽结束，统计种子发芽率等指标，每个处理随机挑选30粒发芽种子测量胚根长和胚芽长。

1.3 测定指标

1.3.1种子萌发

发芽率(%)=(n/N)×100%，式中：n为最终正常发芽粒数，N为供试种子总数[28]；

发芽势(%)=(种子发芽达高峰时的发芽数/供试种子总数)×100%[29]；

发芽指数=∑(Gt/Dt)，式中：Gt为第t天的发芽数，Dt为相应的发芽天数[29]；

活力指数=GI×S，式中：GI为发芽指数，S为幼苗平均总长度(单位为cm)[29]；

根芽比=胚根长/胚芽长；

相对盐害率(%)=[(对照发芽率-处理发芽率)/对照发芽率]×100%[30]；

耐盐指数(%)=(处理组种子发芽率/对照种子发芽率)×100%[31]。

1.3.2耐盐浓度

为了确定中华羊茅种子耐钠盐适宜浓度，本试验以种子发芽率作为钠盐胁迫适宜浓度指标，对中华羊茅种子的发芽率进行线性回归，确定中华羊茅对两种钠盐胁迫的耐盐浓度、半致死浓度和耐盐极限浓度。

耐盐浓度(适宜值)：试验组达到对照组发芽率75%时对应的盐浓度[32]；

半数抑制浓度(临界值)：试验组达到对照组发芽率50%时对应的盐浓度[32]；

耐盐极限值(极限值)：试验组达到对照组发芽率25%时对应的盐浓度[32]。

1.4 数据统计分析

运用Microsoft Excel 2010软件对实验数据进行统计及计算，以IMB SPSS Statistics 18.0统计分析软件对不同指标采用LSD法进行单因素方差分析和多重比较，设定显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 不同浓度钠盐胁迫对中华羊茅种子萌发的影响

2.1.1对中华羊茅种子发芽率和发芽势的影响

不同浓度NaHCO3溶液和NaCl+NaHCO3混合溶液处理下，中华羊茅种子的发芽率均随溶液浓度的升高呈先升高后降低的趋势。NaHCO3溶液处理下，中华羊茅种子的发芽率在溶液浓度为10 mmol·L-1时达最大值，与对照和20 mmol·L-1处理下的种子发芽率无显著差异，显著高于其他浓度处理下的发芽率(p<0.05)；当溶液浓度为90 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，种子的发芽率为0。混合溶液处理下，种子的发芽率在溶液浓度为30 mmol·L-1时达最大值(88.67%)，比对照高10.84%，但与对照间无显著差异。当溶液浓度超过30 mmol·L-1时，混合溶液处理下的种子发芽率显著高于NaHCO3溶液处理下的发芽率(p<0.05)(图1)。

不同浓度NaHCO3溶液和NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，中华羊茅种子的发芽势随溶液浓度的升高均呈先升高后下降的趋势。NaHCO3溶液处理下，溶液浓度为10 mmol·L-1时，种子的发芽势达最大值(53%)，显著高于对照及其他浓度处理下的种子发芽势(p<0.05)；当溶液浓度为80 mmol·L-1、90 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，种子的发芽势为0。混合溶液处理下，种子的发芽势在30 mmol·L-1时达最大值(51.33%)，显著高于对照及其他浓度处理下的发芽势(p<0.05)；当溶液溶度为90 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，种子的发芽率为0。当溶液浓度大于30 mmol·L-1时，混合溶液胁迫下中华羊茅种子的发芽势均高于NaHCO3溶液胁迫下的发芽势，且在30 mmol·L-1、60 mmol·L-1及70 mmol·L-1溶液处理下具有显著差异(p<0.05)(图1)。

2.1.2对中华羊茅种子发芽指数和活力指数的影响

不同浓度NaHCO3溶液和NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，中华羊茅种子的发芽指数随溶液浓度的升高均呈先上升后下降的趋势。NaHCO3溶液处理下，溶液浓度为10 mmol·L-1时，种子的发芽指数达最大值(27.49%)，显著高于对照(p<0.05)；当溶液浓度为30 mmol·L-1时，种子的发芽指数显著低于对照(p<0.05)；当溶液浓度为90 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，种子的发芽指数为0。混合溶液处理下，种子的发芽指数在溶液浓度为30 mmol·L-1时达最大值(28.65%)，显著高于对照，但与10 mmol·L-1和20 mmol·L-1溶液处理下的发芽指数无显著差异(p<0.05)。当溶液浓度大于30 mmol·L-1时，混合溶液胁迫下的种子发芽指数显著高于NaHCO3溶液胁迫下的发芽指数(p<0.05)(图2)。

不同浓度NaHCO3溶液和NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，中华羊茅种子的活力指数也呈先上升后下降的趋势。NaHCO3溶液处理下，种子的活力指数在溶液浓度为10 mmol·L-1时达最大值(113.61%)，与20 mmol·L-1处理下的种子活力指数无显著差异，但显著高于对照及其他浓度处理下的种子活力指数(p<0.05)；溶液浓度为90 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，种子的活力指数为0。混合溶液胁迫下，种子的活力指数在溶液浓度为10 mmol·L-1时达最大值(115.41%)，显著高于对照，但与20 mmol·L-1处理下的种子活力指数无显著差异(p<0.05)。同一浓度下混合溶液处理的种子活力指数大于NaHCO3溶液处理下的种子活力指数，且在30 mmol·L-1、50 mmol·L-1、60 mmol·L-1及70 mmol·L-1下具有显著差异(p<0.05)(图2)。

2.2 不同浓度钠盐胁迫对中华羊茅胚根长和胚芽长的影响

不同浓度NaHCO3溶液胁迫下，中华羊茅的胚根长随溶液浓度的升高逐渐降低，当溶液溶度为30 mmol·L-1时，胚根长小于1 cm，溶液浓度为60 mmol·L-1、70 mmol·L-1、80 mmol·L-1、90 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，胚根长为0。不同浓度NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，中华羊茅的胚根长随溶液浓度的升高呈先上升后下降的趋势，溶液浓度为10 mmol·L-1时，胚根长达最大值(2.09 cm)，显著高于对照及其他浓度下的胚根长(p<0.05)；当溶液浓度为40 mmol·L-1时，胚根长显著低于对照(p<0.05)；溶液浓度为80 mmol·L-1、90 mmol·L-1、100 mmol·L-1时，胚根长为0。溶液浓度相同时，混合溶液处理下的中华羊茅胚根长显著高于NaHCO3溶液处理下的胚根长(p<0.05)(图3)。

不同浓度NaHCO3溶液处理下，中华羊茅的胚芽长随着溶液浓度的升高逐渐降低，对照与10 mmol·L-1溶液处理下的胚芽长无显著差异，显著高于其他浓度处理下的胚芽长(p<0.05)；溶液浓度为90 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，胚芽长为0。混合溶液胁迫下，胚芽长随着溶液浓度的升高呈先上升后下降的趋势，胚芽长在溶液浓度为10 mmol·L-1时达最大值，与对照和20 mmol·L-1处理下的胚芽长无显著差异，但显著高于其他浓度处理下的胚芽长(p<0.05)。溶液浓度为60 mmol·L-1、70 mmol·L-1、80 mmol·L-1、90 mmol·L-1、100 mmol·L-1时，混合溶液处理下的胚芽长显著高于NaHCO3溶液处理下的胚芽长(p<0.05)(图3)。

2.3 不同浓度钠盐胁迫对中华羊茅根芽比的影响

不同浓度NaHCO3溶液和NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，中华羊茅的根芽比均呈先上升后下降的趋势。NaHCO3胁迫下，溶液浓度为10 mmol·L-1时，根芽比高于对照，但与对照及20 mmol·L-1处理下的根芽比无显著差异；溶液浓度大于60 mmol·L-1时，中华羊茅的根芽比为0。混合溶液胁迫下，根芽比在溶液浓度为10 mmol·L-1时达最大值(0.48)，与20 mmol·L-1溶液处理下的根芽比无显著差异，显著高于对照及其他浓度处理下的根芽比(p<0.05)；当溶液浓度为80 mmol·L-1、90 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，中华羊茅的根芽比为0。溶液浓度相同时，NaHCO3溶液胁迫下的根芽比显著小于混合溶液胁迫下的根芽比(p<0.05)(图4)。

2.4 不同浓度NaHCO3和NaCl+NaHCO3对中华羊茅种子耐盐性的影响

2.4.1对中华羊茅种子相对盐害率和耐盐指数的影响

相对盐害率反映了钠盐胁迫对种子的伤害程度。不同浓度NaHCO3溶液胁迫下，相对盐害率在溶液浓度为100 mmol·L-1时达到最大值；浓度为10 mmol·L-1和20 mmol·L-1时种子并未受到毒害，反而表现为萌发促进作用。不同浓度NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，溶液浓度小于30 mmol·L-1时对种子的萌发有促进作用，浓度大于40 mmol·L-1时，相对盐害率逐渐增大，当溶液浓度为100 mmol·L-1时，相对盐害率达最大值。溶液浓度相同时，NaHCO3溶液比NaCl+NaHCO3混合溶液对处于萌动状态的种子伤害作用更大，且在溶液浓度大于30 mmol·L-1时具有显著差异(p<0.05)(图5)。

耐盐指数反映了中华羊茅种子对盐碱胁迫的耐受程度。不同浓度NaHCO3溶液和NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，中华羊茅种子的耐盐指数均呈先上升后下降的趋势。NaHCO3溶液胁迫下，种子的耐盐指数在10 mmol·L-1处理下达到最大值，与对照和20 mmol·L-1处理下的耐盐指数无显著差异；30～80 mmol·L-1浓度下，耐盐指数不断下降，溶液浓度超过90 mmol·L-1时，种子的耐盐指数为0。NaCl+NaHCO3混合溶液处理下，种子的耐盐指数在溶液浓度为30 mmol·L-1时达最大值，显著高于对照，但与10 mmol·L-1和20 mmol·L-1处理下的耐盐指数无显著差异(p<0.05)；浓度为100 mmol·L-1时，耐盐指数下降到最小值，仅为对照的20.53%。溶液浓度大于30 mmol·L-1时，混合溶液处理下的耐盐指数显著高于NaHCO3溶液处理下的耐盐指数(p<0.05)(图5)。

2.4.2对中华羊茅种子耐盐碱半致死浓度和耐盐极限浓度的影响

NaHCO3溶液胁迫下，中华羊茅种子的耐盐浓度、半致死浓度和耐盐极限浓度分别为36.91 mmol·L-1、57.09 mmol·L-1和77.28 mmol·L-1；NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，中华羊茅种子的耐盐浓度、半致死浓度和耐盐极限浓度分别为58.09 mmol·L-1、90.64 mmol·L-1和123.19 mmol·L-1。

3 讨 论

种子萌发受多种生物和非生物条件的影响，包括温度、盐碱、光照、水分和空气等[33]。盐胁迫能够通过渗透作用延缓或阻止种子发芽[34]；通过离子毒害使植物发生营养失调，从而抑制种子的萌发[35]，甚至改变膜的透性，造成代谢紊乱，使植物的光合作用和呼吸作用发生变化，蛋白质合成减少，有毒物质在体内积累。另外，碱性盐和中性盐对植物的生长有不同的影响，植物可能对不同的盐溶液做出不同的反应[36]。

本研究发现，随着钠盐溶液浓度的升高，中华羊茅种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和耐盐指数均呈先升高后降低的趋势，相对盐害率在低浓度下表现为促进作用，即钠盐溶液具有高浓度抑制，低浓度促进的作用，这与纪荣花等[37]、张通颖等[38]、于崧等[39]和聂江力等[40]对芨芨草种子(Achnatherumsplendens)、猪毛蒿种子(Artemisiascoparia)、小麦种子(Triticumaestivum)和狼尾草种子(Pennisetumalopecuroides)的研究结果一致，可能是低浓度的钠盐溶液能够促进细胞膜的渗透调节，也可能是微量的Na+对呼吸酶有一定的激活作用[41]，高浓度的钠盐抑制种子萌发可能是由于渗透胁迫和离子毒害的作用[42]。本研究表明，当NaHCO3溶液浓度超过80 mmol·L-1，中华羊茅种子很难萌发，这与王康英[18]研究结果不一致，可能是两种中华羊茅种子的生长环境不同，受光照、温度、海拔等环境因素的影响，种子自身遗传物质以及贮存时间长短等因素的影响，种子的萌发率亦受到影响。两种钠盐溶液浓度大于30 mmol·L-1时，相同浓度情况下，NaHCO3溶液胁迫下中华羊茅种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和耐盐指数均小于NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下的，说明NaHCO3胁迫比NaCl+NaHCO3混合胁迫具有更大的伤害力[43-44]，这可能是Na+的单盐毒害作用，单种盐比多种盐类同时存在时的毒性大，同时由于离子间的相互拮抗作用，当存在多种离子时毒害反而减少[45]。低浓度的NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫下，中华羊茅胚根的发育受到促进作用，高浓度胁迫下胚根和胚芽的生长均受到抑制，即随溶液浓度的升高显著下降；NaHCO3溶液胁迫下中华羊茅胚芽和胚根的生长严重受阻，与贾秀峰[46]和蔺吉祥等[47]对苜蓿(Medicagosativa)种子和小麦种子的研究结果一致，这可能与植物细胞内激素的调节作用有关[48]。两种钠盐溶液浓度相同时，NaHCO3溶液胁迫下的胚根长、胚芽长、根芽比均低于NaCl+NaHCO3混合溶液胁迫，可能是因为碱性盐胁迫下除了Na+作用外还增加pH值的作用[49]，高pH值能够破坏根细胞的结构与功能，打破离子平衡，使细胞代谢紊乱，为此植物需要代谢更多的物质与能量来抵御高pH值的伤害[47]。耐盐半致死浓度是由低盐到高盐胁迫的中转浓度，是所有耐盐指标由低盐到高盐浓度的受抑制过程中的一个“转折点”[50]；在一定的钠盐浓度范围内，中华羊茅种子发芽率随胁迫浓度的升高而降低，钠盐溶液浓度过高可完全抑制中华羊茅种子萌发，这是因为过量的Na+能够导致植物细胞膨胀或变异，造成胞内离子不平衡，破坏了细胞的正常生理功能[34]。

4 结 论

不同的钠盐胁迫对中华羊茅种子萌发和幼苗生长的影响不同，适宜浓度的NaHCO3溶液和NaCl+NaHCO3混合溶液对中华羊茅种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和耐盐指数具有促进作用，高浓度则会抑制甚至阻止种子的萌发和幼苗的生长，说明中华羊茅种子具有一定的抗钠盐胁迫的能力；相同浓度条件下，NaHCO3溶液比NaCl+NaHCO3混合溶液对种子萌发及幼苗生长的抑制作用强。