盐和干旱胁迫对沙葱种子萌发的影响

魏鹏超，曹镇宇，杨忠仁，2，张凤兰，韩 旭，周 岩

（1.内蒙古农业大学园艺与植物保护学院/内蒙古自治区野生特有蔬菜种质资源与种质创新重点实验室，内蒙古呼和浩特 010011；2.内蒙古自治区农牧业大数据研究与应用重点实验室，内蒙古呼和浩特 010011）

土壤盐渍化和干旱化问题日益突出，已成为影响农作物生长的主要非生物胁迫因子[1-2]。我国盐渍土地和荒漠化面积较大，分布较广，其危害不仅阻碍了农业生产和农业经济发展，还导致环境恶化，严重影响了地区的可持续发展[3-5]。同时，种子萌发是植物生活史的起点，也是对环境胁迫最敏感的时期，而种子萌发状况直接决定了植物能否成功建植[1，6]。有研究表明，盐胁迫和干旱胁迫下水杉[3]、甘青青兰[7]、紫花苜蓿[8]和刺槐[9]等种子萌发延迟，随着胁迫的增强，还会出现萌发指标下降、幼苗生长量降低等情况，而轻度盐与干旱胁迫则会促进某些种子的萌发，如紫花野百合[10]、神香草[11]和芝麻[12]等种子，这可能是作物种类不同所导致。因此，研究植物在盐和干旱环境条件下的种子萌发情况，对深入了解植物的抗旱耐盐性以及实现盐碱和干旱地区的合理种植有重要意义。

沙葱（Allium mongolicumRegel）为百合科葱属多年生旱生植物[13]。由于其生境特殊，主要生长在半荒漠带固定沙地、干旱草原、荒漠草甸和部分盐碱地[14]，其抗逆性、适应性强，具有很高的营养价值和生态价值。目前，关于沙葱种子的研究主要集中在种子休眠[15]、贮藏方式[16]、老化机制[13]和外源物质对种子萌发的影响等方面[17]，而盐和干旱胁迫对沙葱种子萌发影响的研究鲜有报道。因此，本试验以沙葱种子为材料，分析不同浓度的NaCl 与Na2SO4混合中性盐以及聚乙二醇（PEG-6000）胁迫下种子萌发情况，进一步探究盐胁迫和干旱胁迫环境下沙葱种子的耐受能力，以期为沙葱在盐碱与荒漠地区等不良环境中实现人工栽培和规范种植提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

贮藏1年的沙葱种子，中性盐溶液（NaCl 与Na2SO4物质的量浓度比为1∶1）、PEG-6000 溶液。

1.2 试验方法

将沙葱种子经2%的次氯酸钠溶液消毒10 min后，用蒸馏水反复冲洗，浸种12 h 后用滤纸吸干其表面水分进行试验。

设置盐溶液浓度分别为25、50、75、100、125 和150 mmol/L，PEG-6000 溶液浓度分别为5%、10%、15%、20%，以蒸馏水作为对照（CK）。按预设处理在培养皿中均匀放置50 粒沙葱种子，每个处理4 次重复，将培养皿置于20 ℃的恒温培养箱中培养，采用称重法保持各处理渗透势不变。

1.3 萌发指标的测定

从萌发试验开始，每隔24 h 观察种子萌发情况，以种子露白为标准，记录每天发芽数直至试验结束，并计算各项萌发指标。选择各处理胚根完整的10 株幼苗，不足10 株则全部取用，用游标卡尺测量其胚根长。计算公式为

式中，t为萌发期内每天正常发芽种子数量；N为供试种子总数。

式中，n代表正常发芽种子数量。

式中，m为萌发第6 天发芽总数。

式中，Gt为每天累计发芽指数；Dt为相应发芽天数。

式中，Sx为种子胚根长度。

参照朱敏嘉等[18]方法计算不同浓度盐溶液渗透势，公式为

式中，i=1.86，为溶液的等渗系数；C为溶液的摩尔浓度/（mol/L）；R=0.008 314（MPa/L·mol/L）/K，为气体常数；T=273+t（t 为试验时的恒温培养箱温度20 ℃），T 为绝对温度。各浓度盐溶液对应渗透势分别为-0.11、-0.22、-0.33、-0.44、-0.55、-0.66 MPa。

参照陈士超等[19]方法计算不同浓度PEG-6000溶液渗透势，公式为

式中，C为PEG-6000 浓度（g/kg）；T 为溶液温度20 ℃。各浓度PEG-6000 对应渗透势分别为-0.58、-1.66、-3.25、-5.34 MPa。

1.4 耐盐与耐旱性分析

参照刘玉艳等[20]的方法，分别以盐胁迫和干旱胁迫处理下的相对发芽率为因变量（y）、以各处理渗透势为自变量（x）建立函数方程，以相对发芽率下降75%、50%和10%时所对应的渗透势作为沙葱种子对各胁迫的适宜渗透势、半致死渗透势和极限渗透势。

1.5 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2019 软件进行数据统计与整理，IBM SPSS Statistics 22.0 统计学软件进行统计分析（多重比较选择Duncan 方法），Origin 2021 与Excel 2019 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同盐胁迫下沙葱种子萌发特性的响应

2.1.1 不同浓度盐溶液处理下沙葱种子逐日萌发率的响应

由图1 可知，随着盐溶液浓度的升高，沙葱种子初始萌发时间延后，当盐溶液浓度≥75 mmol/L 时，种子初始萌发时间延后至第3 天；当盐溶液浓度达到150 mmol/L 时，种子初始萌发时间延后至第5 天。不同浓度的盐溶液对种子萌发均会产生抑制作用，并且各浓度处理下种子逐日萌发率峰值均明显低于对照，当盐溶液浓度高于50 mmol/L 时，逐日萌发率峰值时间开始延后。

图1 不同浓度盐溶液处理下沙葱种子的逐日萌发率

2.1.2 不同浓度盐溶液处理下沙葱种子发芽率和发芽势的响应

由图2 可知，当盐溶液浓度为25 mmol/L 时，沙葱种子发芽率与发芽势分别为42.66%和20.33%，显著低于对照（P＜0.05）；当盐溶液浓度为75～150 mmol/L时，沙葱种子发芽率和发芽势为23.33%～12.66%和2.66%～1.33%，与25、50 mmol/L 相比，均显著降低（P＜0.05）。由此可见，随着盐溶液浓度的增加，抑制沙葱种子萌发的效果也随之增加。

图2 不同浓度盐溶液处理下沙葱种子的发芽率和发芽势

2.1.3 不同浓度盐溶液处理下沙葱种子发芽指数和活力指数的响应

由图3 可知，当盐溶液浓度达到75 mmol/L 时，沙葱种子发芽指数为7.30，为对照的19.23%；当盐溶液浓度达到150 mmol/L 时，沙葱种子发芽指数为3.52，仅为对照的9.2%。活力指数在盐胁迫下变化更为显著，当盐溶液浓度为50 mmol/L 时，种子活力指数为58.73，为对照的39.36%；当盐溶液浓度达到150 mmol/L 时，种子活力指数下降趋势显著，仅为1.40，为对照的0.93%。可见，盐溶液浓度的增加，抑制和降低了沙葱种子萌发与活性（P＜0.05）。

图3 不同浓度盐溶液处理下沙葱种子的发芽指数和活力指数

2.2 不同干旱胁迫下沙葱种子萌发特性的响应

2.2.1 不同浓度PEG-6000 处理下沙葱种子逐日萌发率的响应

由图4 可知，当PEG-6000 浓度＞10%时，沙葱种子初始萌发时间开始延后。当PEG-6000 浓度为5%、10%、15%、20%时，沙葱种子逐日萌发率的峰值分别为14%、12%、11%、6%，均小于对照，并且出现峰值的日期也均晚于对照。

图4 不同浓度PEG-6000 处理下沙葱种子的逐日萌发率

2.2.2 不同浓度PEG-6000 处理下沙葱种子发芽率和发芽势的响应

由图5 可知，当PEG-6000 浓度为5%时，沙葱种子的发芽率和发芽势分别为65.33%和30.67%，与对照相比无显著差异（P＞0.05），说明此时干旱环境未抑制种子萌发；当浓度达到10%时，种子发芽率与发芽势分别降到50%和26%，与对照相比差异显著（P＜0.05），此时干旱环境开始抑制种子的萌发。

图5 不同浓度PEG-6000 处理下沙葱种子的发芽率和发芽势

2.2.3 不同浓度PEG-6000 处理下沙葱种子发芽指数和活力指数的响应

由图6 可知，当PEG-6000 浓度为5%时，沙葱种子的发芽指数和活力指数分别为21.16 和64.39，与对照相比差异不显著（P＞0.05）；当PEG-6000 浓度达到10%时，沙葱种子的发芽指数由25.02 降至15.21，活力指数由117.66 降至33.16。当PEG-6000的浓度为10%～25%时，沙葱种子的发芽指数和活力指数显著下降（P＜0.05）。

图6 不同浓度PEG-6000 处理下沙葱种子的发芽指数和活力指数

2.3 沙葱种子的耐受性评价

根据沙葱种子不同处理后的相对发芽率进行线性回归分析，进一步探究沙葱种子萌发对干旱胁迫和盐胁迫的耐受程度。由表1 可知，沙葱种子相对发芽率与不同胁迫下的渗透势之间均呈良好的线性函数关系，其中，相对发芽率与盐溶液渗透势之间的最优线性函数方程为y=0.915 6x1+0.689 0，R2=0.916 1；相对发芽率与PEG-6000 溶液渗透势之间的最优线性函数方程为y=0.114 2x2+0.943 7，R2=0.967 5。由最优线性函数方程求得沙葱种子的耐盐和耐旱适宜渗透势分别为-0.06 MPa 和-1.60 MPa，耐盐和耐旱半致死渗透势分别为-0.20 MPa 和-3.80 MPa，耐盐和耐旱极限渗透势分别为-0.60 MPa 和-7.38 MPa。

表1 沙葱种子萌发对盐和干旱的耐受度分析

3 结论与讨论

种子萌发是一个复杂的植物生理生化、物质代谢过程，受其内部或外部生长物质及环境因子的调控作用，直接或间接影响植物的生长和发育[21]。本试验结果表明，随着两种胁迫溶液的渗透势增加，均会使沙葱种子初始萌发时间延迟，这与鲁富宽等[8]对紫花苜蓿种子萌发的研究结果一致。随着盐溶液浓度的增加，沙葱发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数显著降低，当盐溶液浓度达到25 mmol/L 和150 mmol/L时，沙葱种子发芽率分别降低至42.66%与12.66%。说明一定程度的盐胁迫可能会导致种子吸水困难以及产生的离子毒害会引发种子内酶活性发生一系列变化，从而使种子萌发力下降[8]。这与各学者在赛菊芋[22]、星星草[23]和马齿苋[24]等植物上的研究结果一致；张建锋等[25]在研究流苏和香椿种子时发现，各浓度盐胁迫均会抑制种子萌发，且浓度越大，引发的抑制作用会越明显。

PEG 作为一种高分子渗透剂，可以人为地限制水分进入种子的速率，从而控制种子的吸水率和发芽进程[26]，引发种子内各种细胞和酶的活性[27]。本试验以PEG-6000 溶液模拟干旱环境对种子的胁迫，实际上是利用种子自身的渗透调节机制[28]。通过试验发现，当PEG-6000 浓度≤5%时，沙葱种子萌发并未受到明显抑制，说明沙葱种子在轻度干旱胁迫下具有一定耐性；当PEG-6000 浓度≥10%时，沙葱种子各项发芽指标均明显受到抑制，且种子萌发时间延迟，这可能是随着PEG-6000 溶液渗透势增加，引发种子胚细胞吸水困难，种子内产生大量活性氧，导致细胞膜损伤，从而抑制了种子的萌发。而在干旱胁迫下，植物种子的延迟萌发是一种对不利环境的适应方式[29-30]。这与安霞等[31]研究干旱胁迫对红麻、亚麻和黄麻种子萌发的影响以及罗颖洁等[32]研究白三叶萌发期耐旱性的研究结果一致。

植物在生长发育过程中会遇到诸多的胁迫环境，因此在漫长的进化过程中植物会形成各种抗逆机制，从而更好地适应胁迫环境[33-35]。而植物抗旱性和耐盐性的形成机制是一个复杂的过程，同一植物的抗旱性与耐盐性具有很大差别[36]。一方面，在干旱胁迫下，沙葱种子的发芽率和发芽势虽然随着干旱胁迫程度增加而下降，但当水势降到-5.34 MPa 时，种子发芽率仍有25.33%，种子发芽势为7.33%，且根据沙葱种子相对发芽率与干旱胁迫的最优线性方程可知其耐旱半致死渗透势为-3.80 MPa，其耐旱能力与我国梭梭、红砂、驼绒藜和碱蓬4 种荒漠植物的种子相当[37]，说明沙葱种子具有较强的耐旱性，这与王国泽等[38]和丁艳丽等[39]的研究结果相似；另一方面，在不同浓度盐溶液胁迫下，随着盐溶液浓度升高，沙葱种子的发芽势、发芽率和发芽指数均呈下降的趋势，这与张明婷[40]在研究沙冬青、小沙冬青和柠条3 种沙生植物对盐胁迫响应的研究结果类似。本试验中当盐溶液渗透势为-0.11 MPa 时，沙葱种子的发芽率下降至42.66%，与对照差异显著，说明盐胁迫的低渗环境下可明显抑制沙葱种子的萌发。当盐溶液渗透势增加到-0.66 MPa 时，沙葱种子的最终发芽率降至12.66%，且根据沙葱种子相对发芽率和盐溶液渗透势之间的线性方程可知，沙葱种子的耐盐极限渗透势为-0.60 MPa，其耐盐性低于同为沙生植物的沙冬青[41]和柠条锦鸡儿[42]，也低于同为蔬菜作物的冰菜[43]和绿豆[44]，由此可见，沙葱种子耐盐性相对较差。

综上所述，轻度干旱胁迫下沙葱种子萌发未受到明显抑制，沙葱种子的耐旱极限渗透势为-7.38 MPa；低渗盐溶液显著抑制其萌发，耐盐极限渗透势为-0.60 MPa。因此，在非盐胁迫环境，大田种植沙葱需要保持土壤湿润状态；在盐胁迫环境，为保证沙葱种子出苗快且整齐一致，最好采用育苗移栽。