盐碱胁迫对风箱果和紫叶风箱果种子萌发及耐盐碱性的影响1)

刘乐 魏晓慧 殷东生

(东北林业大学,哈尔滨，150040) (黑龙江省林业科学研究所)

土壤盐碱化是世界性的生态问题，其程度和面积呈逐年增大的趋势[1]。盐碱地区的突出特征是生态环境较脆弱，土壤条件苛刻，植物种类稀少，生物多样性低[2]。因此，筛选和培育耐盐碱植物、丰富该地区植物种类，对该地区生态防护林、水土保持林和生态景观林建设具有重要意义[3]。目前，关于植物耐盐碱研究主要是以中性盐胁迫为主，而盐碱地类型复杂，大多都是盐化和碱化相伴存在[4]。因此，了解不同盐碱胁迫对植物造成的危害，探索不同植物的耐受力及适应机制，为盐碱地栽培植被选择提供理论指导。

种子发芽至苗期是植物生长发育时期最脆弱的环节，同时也是对逆境的敏感时期，因此种子萌发期是研究植物抗逆性的最佳时期[5]。由于种子萌发期的耐盐碱性是可遗传的性状，对于早期抗盐碱材料筛选和品种改良具有重要意义[]6。目前，关于盐碱胁迫对植物影响研究主要集中在草本植物和粮食作物[6-8]，缺乏对灌木，尤其是对彩叶类花灌木的研究。风箱果(Physocarpusamurensis)是我国珍贵的乡土花灌木绿化树种，该树种适应性强，既耐旱又耐寒，白色的花序优美且花期较长，是自然风景区极好的绿化树种，开发应用前景非常广阔[9]。紫叶风箱果(P.opulifolius)枝叶呈紫色，花色淡雅，果实鲜红，具有较高的观赏价值，是近年来为丰富绿化层次和色彩从美国引进，逐渐成为园林中优良的观花灌木和彩叶观赏树种[10]。目前国内对风箱果和紫叶风箱果的相关研究主要集中在生长条件、繁殖技术、抗旱性和抗寒性[9-14]等方面，但是两种风箱果种子萌发对盐碱胁迫响应的研究尚无报道。本文以风箱果和紫叶风箱果种子为研究对象，研究不同浓度中性盐(NaCl)、碱性盐(NaHCO3)以及中性盐(NaCl)和碱性盐(NaHCO3)的混合盐碱胁迫下，对种子萌发特性的影响和对两种风箱果耐盐碱性进行评价，探索两种风箱果种子对盐碱环境的适应能力，进一步为风箱果属植物引种我国盐碱地区，丰富盐碱地区植物种类提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试种子于2019年8月初采自东北林业大学帽儿山林场苗圃引种栽植的风箱果和紫叶风箱果成熟林。风箱果种子和紫叶风箱果种子质量分别为1.122 9、0.953 0 mg/粒。种子阴干后，密封好放入冰箱4 ℃冷藏室内。试验于2019年11月在东北林业大学森林培育实验室进行。随机选取大小一致、饱满的风箱果和紫叶风箱果种子，先用体积分数为75%酒精清洗2次，每次30 s，再用质量分数为3% NaClO浸泡10 min，进行消毒处理，最后用蒸馏水冲洗3～5遍，由于风箱果种子具有休眠特性，胁迫处理前用50 mg·L-1赤霉素(GA3)和质量分数为4% KNO3混合处理72 h进行催芽[15]，将种子自然风干后进行发芽实验。

1.2 试验设计

根据盐碱地土壤的盐碱组成和含盐量来设置盐碱胁迫梯度[16]。本研究采用中性盐(NaCl)胁迫、碱性盐(NaHCO3)胁迫以及NaCl和NaHCO3(m(NaCl)∶m(NaHCO3)=1∶1)混合盐碱胁迫3种处理，每一处理浓度梯度分别为0(CK)、20、40、60、80、100 mmol·L-1，每个浓度重复3次。试验所用NaCl和NaHCO3均为分析纯。

1.3 胁迫处理

发芽床采用滤纸法，在洗净烘干的培养皿(直径9 cm)底部铺一层脱脂棉，上面铺一层滤纸，每个培养皿内均匀排列20粒种子，分别加入不同处理浓度盐碱溶液至滤纸饱和，置于25 ℃恒温培养箱，光照16 h，黑暗8 h。为了防止试验期间由于水分蒸发引起的溶液浓度改变，培养皿用透气不透水的封口膜封口，试验期间若失水，采用称重法添加蒸馏水保持盐碱溶液浓度不变。

1.4 指标与测定方法

种子以胚根刚突破种皮为萌发标准，每隔24 h观察和记录萌发种子数，连续观察30 d(连续3 d没有新种子萌发视为发芽结束)。实验结束后分别计算种子发芽率、发芽指数、相对发芽率和相对盐害率。

发芽率(Gr)：Gr=(Gn/Sn)×100%；

发芽指数(Gi)：Gi=∑(Gt/Dt)；

相对发芽率=(Gr/对照处理的发芽率)×100%；

相对盐害率(Rd)：Rd=[(对照处理的发芽率-盐碱处理发芽率)/对照处理的发芽率]×100%。

式中：Gn为种子萌发总数，Sn为供试种子总数，Gt为第t天的种子发芽数，Dt为相应的发芽天数。

1.5 耐盐碱性评价

种子的耐盐碱性等级参考Wang et al.[16]的标准。另外分别以NaCl胁迫、NaHCO3胁迫和混合胁迫处理30 d后的相对发芽率为因变量(y)，以相对应的NaCl胁迫、NaHCO3胁迫和混合胁迫浓度为自变量(x)建立回归方程，以相对发芽率(CK为100%)为75%、50%、25%所对应的盐碱溶液浓度，作为种子发芽时抗盐碱性的适宜值、临界值和极限值[17]。

1.6 数据处理

试验数据采用Excel 2010进行整理，采用SPSS 21.0软件进行方差分析、多重比较和回归分析。发芽率、相对发芽率和相对盐害率数据为百分数，对其进行反正弦平方根转换后再进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对种子发芽率的影响

由表1可知，NaCl胁迫、NaHCO3胁迫和混合胁迫对风箱果和紫叶风箱果种子的发芽率影响显著(P<0.05)，均随胁迫强度的增大呈下降趋势。3种胁迫处理下，风箱果种子的发芽率均在盐碱浓度为20 mmol·L-1时与CK差异不显著(P>0.05)，当盐碱浓度大于20 mmol·L-1以后的处理显著低于CK(P<0.05)；NaCl浓度为40～100 mmol·L-1时风箱果种子发芽率变化不显著(P>0.05)，而NaHCO3胁迫和混合胁迫下的发芽率下降显著(P<0.05)；紫叶风箱果种子的发芽率在NaCl浓度为20 mmol·L-1时与CK差异不显著(P>0.05)，当NaCl浓度大于20 mmol·L-1以后的处理显著低于CK(P<0.05)，NaCl浓度为40～80 mmol·L-1时发芽率变化不显著(P>0.05)，而NaHCO3胁迫和混合胁迫下的发芽率下降显著(P<0.05)。在高浓度(100 mmol·L-1)的NaCl胁迫、NaHCO3胁迫和混合胁迫下，风箱果的最终发芽率分别比CK减少了24.4%、34.4%和35.6%，紫叶风箱果的最终发芽率分别比CK减少了36.4%、68.2%和65.9%，说明盐碱胁迫对紫叶风箱果种子萌发影响更大。3种胁迫处理下，风箱果种子的发芽率显著高于紫叶风箱果(P<0.05)，同时在NaCl胁迫下两种风箱果都有较高的发芽率，而在NaHCO3胁迫和混合胁迫下，风箱果种子的发芽率变化幅度明显小于紫叶风箱果。

表1 盐碱胁迫的风箱果和紫叶风箱果种子发芽率

2.2 盐碱胁迫对发芽指数的影响

由表2可知，NaCl胁迫、NaHCO3胁迫和混合胁迫对风箱果和紫叶风箱果种子的发芽指数影响显著(P<0.05)，均随胁迫强度的增大呈下降趋势。NaCl胁迫下，风箱果种子的发芽指数在20 mmol·L-1时与CK差异不显著(P>0.05)，当NaCl浓度大于20 mmol·L-1以后显著低于CK(P<0.05)；紫叶风箱果种子的发芽指数在NaCl浓度为20和40 mmol·L-1时与CK差异不显著(P>0.05)，当NaCl浓度大于40 mmol·L-1以后显著低于CK(P<0.05)。NaHCO3胁迫下，风箱果和紫叶风箱果种子的发芽指数均随着胁迫强度的增大显著下降(P<0.05)，且紫叶风箱果的发芽指数均小于1，NaHCO3浓度为100 mmol·L-1时的发芽指数仅为0.3，说明种子即使有萌发，但其萌发的速度也较慢；混合胁迫下，风箱果和紫叶风箱果种子的发芽指数均随着胁迫强度的增大显著下降(P<0.05)。在NaCl胁迫下，两种风箱果都有较高的发芽指数，而在NaHCO3胁迫和混合胁迫下，两种风箱果发芽指数的下降幅度均大于NaCl胁迫。在高浓度(100 mmol·L-1)的NaCl胁迫、NaHCO3胁迫和混合胁迫下，风箱果的发芽指数分别比CK减少了40.5%、52.7%和54.1%，紫叶风的发芽指数分别比CK减少了57.6%、84.3%和76.2%，说明盐碱胁迫对紫叶风箱果种子的发芽速度和整齐度影响更大。

表2 盐碱胁迫的风箱果和紫叶风箱果种子发芽指数

2.3 耐盐碱性评价

由表3可知，NaCl胁迫、NaHCO3胁迫和混合胁迫对风箱果和紫叶风箱果种子的相对盐害率影响显著(P<0.05)，均随着胁迫强度的增大呈增大趋势。除了NaCl胁迫下两种风箱果种子在20 mmol·L-1时，相对盐害率与CK差异不显著(P>0.05)外，其他胁迫处理的盐害程度均显著高于CK(P<0.05)，而且风箱果种子的相对盐害率变动幅度明显低于紫叶风箱果，尤其是浓度超过20 mmol·L-1时，紫叶风箱果的相对盐害率骤然上升。根据种子耐盐碱性等级标准，风箱果在3种胁迫处理下均属于1～2级，种子表现出较强的耐受性，没有明显的盐碱伤害，而紫叶风箱果种子随着盐碱胁迫强度的增大，相对盐害率也显著增大(P<0.05)，并且在80 mmol·L-1NaHCO3胁迫和100 mmol·L-1混合胁迫时达到4级。

由表4可知，风箱果和紫叶风箱果种子的相对发芽率与盐碱浓度间存在着极显著的负相关关系(P<0.01)；两种风箱果种子的相对发芽率在NaCl胁迫下的适宜值、临界值和极限值明显高于NaHCO3胁迫和混合胁迫，而且NaHCO3胁迫和混合胁迫的变化并不明显；同一胁迫处理下，风箱果种子相对发芽率的适宜值、临界值和极限值明显高于紫叶风箱果。

表3 盐碱胁迫下风箱果和紫叶风箱果种子的相对盐害率及等级

3 结论与讨论

种子萌发是植物生存和延续至关重要的阶段，更是植物能否适应环境变化并成功建植的关键[18-19]。许多研究表明，盐碱胁迫对植物种子萌发的影响主要表现在发芽率降低、发芽时间滞后、种子活力降低，甚至引起种子死亡等[20]，但也有研究发现，适宜的盐碱胁迫有利于种子的萌发[21-22]，说明不同植物种类对盐碱胁迫的适应能力存在明显差异。本研究中，3种胁迫处理均不同程度的抑制了风箱果和紫叶风箱果种子的发芽率和发芽指数，提高了相对盐害率和等级，相对发芽率与盐碱浓度间存在着极显著的负相关关系。在乔灌木树种，例如刺槐(Robiniapseudoacacia)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)、桑树(Morusalba)等树种的研究中发现，盐碱胁迫严重抑制这些树种的种子萌发[20，23]，在很多草本植物和粮食作物，例如小麦(Triticumaestivum)、水稻(Oryzasativa)、高粱(Sorghumbicolor)等研究中也发现盐碱胁迫显著降低了种子的萌发指标[6，24-25]。大量研究证明碱性盐胁迫比中性盐胁迫对植物的破坏力更强[7]，本研究发现，相同浓度条件下，NaHCO3胁迫下的两种风箱果种子的各种萌发指标均明显低于NaCl胁迫，相对发芽率在NaHCO3胁迫下的适宜值、临界值和极限值也明显高于NaCl胁迫，说明NaHCO3胁迫对两种风箱果种子萌发的抑制作用大于NaCl胁迫，原因是由于NaCl为中性盐，对植物种子胁迫影响主要是Na+的毒性作用和由Na+浓度引起的膜渗漏作用，而NaHCO3是碱性盐，除了与NaCl具有相同的胁迫影响外，还表现出高pH胁迫[17，26]，引起种子内部脱落酸的积累，从而抑制种子细胞分裂、伸长和胚芽生长[27]。此外，混合胁迫下两种风箱果种子的各种萌发指标以及相对发芽率的适宜值、临界值和极限值基本介于NaCl胁迫和NaHCO3胁迫之间，并没有表现出类似栓皮栎(Quercusvariabilis)[28]、白榆(Ulmuspumila)[29]、合欢(Albiziajulibrissin)[17]等树种的种子对两种盐的协同作用，说明本研究中混合胁迫中的NaHCO3胁迫起关键作用。

表4 风箱果和紫叶风箱果种子相对发芽率与盐碱浓度的回归分析

风箱果种子在3种胁迫下，盐碱浓度低于20 mmol·L-1时，对发芽率、发芽指数和相对盐害率均没有显著影响。紫叶风箱果在NaCl浓度低于20 mmol·L-1时，各发芽指标与CK差异不显著，表明风箱果种子能够适应低浓度的盐碱胁迫，而紫叶风箱果仅能适应低浓度的NaCl胁迫，对NaHCO3胁迫和混合胁迫耐受性较差；从相对耐盐碱性结果看，风箱果的耐盐碱等级均未超过2级，而紫叶风箱果最高达到4级，说明风箱果种子对盐碱胁迫具有更强的耐受性，而紫叶风箱果仅对NaCl胁迫具有耐受性，对NaHCO3胁迫和混合胁迫耐受性较差；从耐盐碱性来看，NaCl胁迫下两种风箱果种子相对发芽率的适宜值、临界值和极限值均明显高于NaHCO3胁迫和混合胁迫，同一胁迫下的风箱果种子相对发芽率的适宜值、临界值和极限值均明显高于紫叶风箱果，进一步说明了两种风箱果对NaCl胁迫的耐受性较好，对NaHCO3胁迫和混合胁迫的耐受性较差，而且风箱果种子对盐碱胁迫的耐受性强于紫叶风箱果。实验中还发现，风箱果种子在盐浓度20～40 mmol·L-1下胚根较对照(CK)伸长，而紫叶风箱果在3种胁迫下胚根长抑制明显，表明风箱果比紫叶风箱果能保持较高的根系活力和体内的水分平衡以适应盐碱环境[30]；紫叶风箱果在浓度40～100 mmol·L-1NaHCO3胁迫和浓度60～100 mmol·L-1混合胁迫时种子虽有萌发，但生物量很小，部分萌发种子还伴随着叶黄并且胚根出现褐化、甚至出现腐烂死亡现象，进一步证明风箱果种子对盐碱胁迫的耐受性强于紫叶风箱果。种子对盐碱胁迫的适应机制非常复杂[19，31]，今后的研究重点将从生理机制和耐盐基因表达等方面进行深入研究两种风箱果种子对盐碱胁迫的响应机理。

综上所述，盐碱胁迫均不同程度抑制了两种风箱果种子的萌发，NaHCO3胁迫对种子萌发的抑制作用大于NaCl胁迫。两种风箱果对NaCl胁迫均具有一定的耐受性，对NaHCO3胁迫和混合胁迫的耐受性较差，风箱果种子对盐碱胁迫的耐受性强于紫叶风箱果。