混合盐碱胁迫对3种稗属牧草种子萌发的影响

兰 艳， 朱 林， 王甜甜， 荆庆芳， 张 杨， 赵学琳

(1.宁夏大学生态环境学院， 银川 750021；2.宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地， 银川 750021；3.宁夏大学西北退化生态系统恢复与重建教育部重点实验室， 银川 750021)

土壤盐渍化是全世界农作物主要的非生物胁迫因素，严重影响全球农业产量和生态环境[1]。目前，世界上至少五分之一的耕地存在不同程度的盐渍化，我国盐碱化土地总面积达1亿hm2，耕地面积逐年急剧下降，已经接近警戒线边缘[2]。宁夏地处我国西北内陆的干旱半干旱带，土壤盐渍化主要分布在北部引黄灌区，是影响该区域生态环境和农业发展重要因素之一[3-4]，该区域盐碱土壤盐分特征复杂，对盐化土壤产生危害的主要盐分离子是：Na+、SO42-、Cl-，对碱化土壤产生危害的主要盐分离子是Cl-、SO42-、Na+、HCO3-、CO32-[5-6]。据前人研究，在同样的土壤盐浓度下，复杂盐碱胁迫对植物生长发育的影响高于中性盐胁迫[10-12]，植物的耐盐性随个体发育阶段的不同而有所差异，种子发芽期是植物生活史中对盐碱胁迫最敏感的一个时期[6]。由于这一特性，种子萌发期的耐盐性一直是选育耐盐品种的关键时期[25]。不同植物种子的发芽期在盐胁迫下的耐盐响应表现各异[13-14]。在盐碱胁迫下植物较高的种子发芽率对于盐碱地农业生产和盐渍化地区生态恢复十分重要。

稗属植物(Echinochloa)属于禾本科 (Gramineae)一年生或多年生的草本植物，繁殖力强、生态适应性广[15]。宁夏地区的湖南稷子(Echinochloafrumentacea(Roxb.) Link)是宁夏草原站万力生研究员发现并选育的一年生禾本科稗属牧草[17]；宁夏无芒稗(Echinochloacrusgallivar. mitis)由吴素琴[18]研究员从野生种人工栽培驯化，成为一种稗属栽培型牧草；朝牧一号稗子(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv ‘Chaomu 1’)是郜玉田研究员经多年定向优化选育而成的一种新型饲料作物[19]。由于具有抗盐碱、耐瘠薄、耐水淹等特性，湖南稷子和宁夏无芒稗作为优良牧草在西北、华北等地被广泛种植，朝牧一号稗子牧草品质优良，近年被引种到宁夏地区。

目前，关于湖南稷子、宁夏无芒稗和朝牧一号稗子的研究主要集中在引种栽培利用[20]以及对单盐胁迫的耐受性[21-22]等方面，关于混合盐碱胁迫对3种稗属牧草种子萌发影响的研究鲜见报道，且缺乏对于三者之间的比较研究。因此，本研究以NaCl、Na2SO4和NaHCO3、Na2CO3配制混合盐碱胁迫溶液，开展湖南稷子、宁夏无芒稗和朝牧一号稗子种子萌发期耐盐碱性试验，旨在探讨不同稗属牧草种子萌发期生物学指标对3种混合盐碱胁迫的响应，计算相对盐害率，估算其在不同混合盐碱胁迫下的耐盐阈值，揭示3种稗属牧草种子萌发期的耐盐碱机制，从而为盐渍化地区耐盐碱优良牧草种质资源的鉴定以及栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

湖南稷子(海子一号)种子来自宁夏西贝农林牧生态科技有限公司；宁夏无芒稗种子来自宁夏草原站；朝牧一号稗子种子来自于辽宁省朝阳市畜牧科研所。

1.2 方 法

1.2.1盐碱胁迫溶液的配制

根据宁夏引黄灌区盐碱地土壤盐分特征的研究结果[3]，如表1所示，将中性盐(NaCl、Na2SO4)和碱性盐(NaHCO3、Na2CO3)按不同摩尔比混合，设置A、B和C共3组盐碱混合胁迫处理。从A到C碱性盐所占的比例依次增大，每组处理内设定8个浓度梯度，依次为30、60、90、120、150、200、250、350 mmol/L，共计配制24种混合盐碱胁迫溶液。设置一个对照组(0 mmol/L)。pH计(雷磁PHBJ-260 F) 测定各溶液的pH值。

表1 处理组所含盐分摩尔配比Table 1 Molar ratio of salinity in treatment group

1.2.2盐碱胁迫处理试验

将种子用2%NaClO溶液消毒处理0.4 h，然后蒸馏水冲洗不少于5次。将培养皿(9 cm)垫2层滤纸，每个培养皿分别加入5 mL溶液作为处理，对照加入5 mL蒸馏水，共计25个处理，每个处理3次重复。每皿放入30粒直径均匀、个体饱满的种子，每个处理重复3次。置于光周期(昼/夜)16 h/8 h，光照强度4 000 lx/0 lx，温度28 ℃/16 ℃，湿度45%的光照培养箱中培养。每2 d更换一次处理液，期间每天用称重补水法补充散失水分。从处理之后的第2天开始， 以胚芽长突出种皮2 mm作为发芽标准，每24 h统计种子发芽数[26]。直至连续3 d种子发芽数不再变化停止，14 d结束发芽试验。

1.3 指标测定

平均发芽时间(d)=∑(ti×ni)/∑ni，ti为实验开始的时间，ni为每天发芽的种子数[27]；

发芽率(%)=(N14 d/N)×100%，N14 d为第14天发芽数；N为种子总数[24]；

发芽势(%)=(N7 d/N)×100%，N7 d为第7天发芽数；N为种子总数[24]；

发芽指数(GI)=∑(Gi/Di)，Gi为第i天的发芽率，D为天数[24]；

活力指数=GI×S，S为胚芽长度[24]。

胚芽长、胚根长。每个培养皿中随机选取10粒生长正常的种子，游标卡尺测量芽长和根长，如不足10株的则全部测量，每个处理3次重复[4]；

相对盐害率(%)=[(对照发芽率-处理组发芽率)/对照发芽率]×100%[28]；

相对发芽率(%)=(处理组发芽率/对照发芽率)×100%[29]。

耐盐性评价：处理14 d的相对发芽率为因变量(y)，处理组不同浓度梯度为自变量(x)，二者建立一元二次回归方程。3种稗草种子对相对应胁迫的耐盐适宜浓度、耐盐半致死浓度和耐盐极限浓度以相对发芽率下降 75%、50%和10%时作为标准[29]。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理和图表绘制，采用DPS 9.0统计软件对数据进行差异显著性分析(p<0.05)，以Duncan’s新复极差法进行多重比较。

2 结果分析

2.1 不同浓度盐碱胁迫对各稗草种子平均萌发时间的影响

由图1可知，不同盐碱胁迫处理下，3种稗草种子平均发芽时长均随着盐浓度的增加而延长。在A处理中，湖南稷子种子在胁迫浓度达150 mmol/L后，平均发芽时长较对照显著增长(p<0.05)，而宁夏无芒稗和朝牧一号稗子种子在盐胁迫达60 mmol/L后，发芽进程受到了显著抑制(p<0.05)。在B处理中，当盐胁迫为30 mmol/L时，湖南稷子和宁夏无芒稗种子的发芽时长显著长于对照(p<0.05)。C处理中，盐胁迫为200 mmol/L时，仅有朝牧一号种子发芽，其余2种并未发芽。以上结果说明碱性盐对种子发芽进程的影响要大于中性盐。

图1 盐胁迫对种子平均发芽时间的影响Fig.1 Effects of salt stress on the average seed germination time

2.2 不同浓度盐碱胁迫对各稗草种子发芽势和发芽率的影响

由图2可知，在各组混合盐碱胁迫处理下，3种稗草种子发芽率和发芽势均随着盐溶液浓度的升高而有不同程度的降低。在浓度为250 mmol/L胁迫处理下，3种种子在A处理下发芽势较对照分别下降了93.33%、63.33%、53.33%，发芽率较对照分别下降了43.33%、43.33%、33.33%；在B处理下，发芽势较对照分别下降了96.67%、100%、93.33%，发芽率较对照分别下降了93.33%、96.67%、64.44%；C处理时3个种子均未发芽，显著抑制了种子萌发(p<0.05) 。在浓度为350 mmol/L胁迫处理下，除朝牧一号种子在A处理下有10%的发芽率外，3种稗草种子的发芽势和发芽率均为0。可以看出，C处理对种子发芽势和发芽率的抑制作用明显高于A处理和B处理。

图2 盐胁迫对种子萌发的影响Fig.2 Effects of salt stress on seed germination

2.3 不同浓度盐碱胁迫对各稗草种子胚芽长和胚根长的影响

由图3可知，在各组混合盐碱胁迫处理下，3种种子在A、B处理和C处理中各浓度梯度下的胚芽和胚根的长度均显著低于对照(p<0.05)。在浓度250 mmol/L下，3个种子在A处理中胚芽长为对照值的12.85%、0%、0%，B处理中为对照值的13.83%、6.25%、0%，C处理中为对照值的21.30%、8.18%、0%；仅A处理的湖南稷子和C处理的朝牧一号稗子的种子胚根长出，长度为对照值的1.66%、3.60%，其余均未长出。宁夏无芒稗种子发育受抑制作用最明显。且在试验过程中发现3个种子的胚芽胚根表面均有变黑的情况，胚根长度的下降幅度较胚芽长度大。

图3 盐胁迫对种子发育的影响Fig.3 Effects salt stress on seed development

2.4 不同浓度盐碱胁迫对各稗草种子发芽指数和活力指数的影响

由图4可知，除A处理下的湖南稷子种子外，在各组混合盐碱胁迫处理下，3种稗草种子的发芽指数和活力指数均随着盐溶液浓度的升高呈下降趋势。湖南稷子种子在A处理浓度为30 mmol/L胁迫下，发芽指数为82.05，显著大于对照(p<0.05) ，活力指数为392.01，略大于对照值。其余在A、B处理和C处理中各浓度梯度下，3种稗子种子的发芽指数和活力指数较对照均显著降低(p<0.05) 。在浓度为250 mmol/L胁迫下，3个种子发芽指数和活力指数在A处理中分别为对照值的18.15%、1.78%、0和2.28%、0.09%、0，在B处理中分别为对照值的22.01%、0、0和3.05%、0、0，在C处理中分别为对照值的31.22%、9.87%、0和6.88%、0.80%、0。

图4 盐胁迫对种子发芽指数和活力指数的影响Fig.4 Effects of salt stress on seed germination index and vigor index

2.5 不同浓度盐碱胁迫对各稗草种子相对盐害率的影响

由图5可知，在各组混合盐碱胁迫处理下随着胁迫浓度与碱性盐比例的升高，3种稗草种子受盐害程度呈增加趋势。在A、B处理和C处理中，受盐害的情况分别如下：湖南稷子种子在浓度为30～90 mmol/L下没有受到盐害；宁夏无芒稗和朝牧一号稗子种子在所有浓度处理下均受到不同程度盐害。3组混合盐碱胁迫处理对宁夏无芒稗种子的相对盐害率要高于朝牧一号稗子和湖南稷子种子，朝牧一号种子对盐碱胁迫的耐受性更高。

图5 盐胁迫对种子萌发相对盐害率的影响Fig.5 Effects of salt stress on the relative salt damagerate of seed germination

2.6 种子耐盐碱性评价

为了能够明确3种稗草种子对于3组不同盐碱胁迫处理的耐受阈值，将相对发芽率和盐浓度进行回归曲线分析，建立一元二次函数方程，结果如表2所示，随着碱性盐比例的增加，三者对3组盐碱胁迫的耐受性排序为A>B>C，同一盐处理浓度下，3种稗草种子对盐胁迫的耐受性排序为朝牧一号稗子>湖南稷子>宁夏无芒稗。

表2 3种稗草种子的耐盐阈值Table 2 Salt-tolerant threshold of three kinds of barnyardgrass seeds

3 讨 论

对植物生长和土地生产力造成影响的众多逆境因素中，土壤盐渍化是主要因素之一。在盐碱胁迫的土地上种子能够萌发出苗，是植株生长发育的前提[30]。已有研究表明，盐胁迫对植物种子萌发抑制程度相关因素包括：盐浓度、盐组分、胁迫时间、pH值及其植物耐受性等[24]。

种子的萌发进程会着重对发芽整齐度造成影响，在田间栽培过程中，会决定补苗的关键时间点，收获时机和产量也会受到不同程度的影响[25]。本研究中发现，3个种子的萌发进程随着盐浓度的升高以及碱性盐比例的增加均延长。中性盐(A处理)作为盐胁迫处理时，湖南稷子种子在胁迫浓度为30～120 mmol/L时，与对照相比较时长相同，没有抑制该种子的发芽。宁夏无芒稗和朝牧一号稗子种子仅在30 mmol/L时二者的平均发芽时长未受到影响。加入碱性盐之后，B、C处理中，在盐胁迫浓度30 mmol/L时，平均发芽时长较A处理同浓度小幅延长。同种盐处理中，随着盐浓度的升高，发芽进程受影响程度表现为宁夏无芒稗>朝牧一号>湖南稷子。相同盐浓度下，随着碱性盐比例的增加，发芽进程显著推迟，受影响程度表现为宁夏无芒稗>湖南稷子>朝牧一号。这一现象的原因可能是盐碱胁迫过程中将碱性盐的比例逐渐增加之后，这会使土壤的pH值变高，抑制了种子内部与萌发相关的酶活性，细胞内部养分缺乏，最后种子不能萌发。这与赵满兴等[26]在混合盐碱胁迫条件下对紫花苜蓿种子萌发研究中得出的结论是一致的。

对种子萌发时抗盐性进行检验的主要指标之一为发芽率，对种子发芽整齐度进行鉴别的主要指标为发芽势[34]。种子活力的强弱可通过活力指数来体现，种子萌发的快慢与出苗情况则用发芽指数来表现[35]。本研究发现，在同一盐组分胁迫条件下，3种稗草种子的发芽率、发芽势、发芽指数以及活力指数，均随着盐溶液浓度的升高而降低，而胚根长和胚芽长则是缩短，相对盐害率升高。这一现象的原因可能是盐溶液浓度越高导致种子渗透压力越大，细胞质壁分离，从而抑制了种子的吸胀作用，或是高浓度盐离子对种子的毒害作用，抑制了酶活力，从而影响了细胞内的代谢活动，最终导致各项发芽指标均下降[24]。赵颖等[36]在混合盐碱胁迫条件下对藜麦种子萌发研究指出的变化规律与本研究结果一致。在A处理中，低盐浓度(30 mmol/L)胁迫下，湖南稷子发芽指数值为82.05，显著大于对照值(p<0.05)，活力指数值为392.01，略大于对照值。表明低浓度盐胁迫对种子萌发速度与有促进作用，可以提高种子活力，这可能与低盐溶液能够促进细胞膜的渗透调节相关，细胞渗透调节能力越强，在逆境中吸水能力就越强，越有利于对外界不良环境的抵抗，也可能是微量无机离子钠离子在一定程度上可以刺激细胞的呼吸酶，离子的浸润能够激活细胞代谢过程中的某些酶，从而使种子发芽过程所需要的物质合成变得更加充足，使发芽速度提高，活力增强，这与前人多个研究发现，部分植物在低浓度盐胁迫下，对种子萌发有促进作用[37-39]得出的这一结论是一致的。

在盐浓度相同条件下，3种稗草发芽率、发芽势、发芽指数以及活力指数均随着盐溶液中碱性盐比例的增高而降低，胚根长和胚芽长均随着盐溶液中碱性盐比例的增高而缩短，相对盐害率均随着盐溶液中碱性盐比例的增高而升高。这是因为同浓度碱性盐比中性盐的Na+浓度高，高浓度Na+对种子有毒害胁迫，所有指标均显著降低。在同一盐组分胁迫以及盐浓度相同条件下，3种稗草的各项指标又存在着不同的差异性。浓度为200 mmol/L盐处理下，A处理两种中性复合盐(NaCl∶Na2SO4)胁迫，3种种子的发芽率为88.89%、66.67%和90.00%；B处理3种复合盐NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3胁迫，三者的发芽率依次为83.33%、20.00%和83.33%，发芽率下降，说明在碱性盐NaHCO3对种子萌发产生了影响，种子对碱性盐胁迫较中性盐胁迫敏感，但湖南稷子和朝牧一号稗子的种子发芽率仍相对较高；C处理4种复合盐(NaCl∶Na2SO4∶NaHCO3∶NaHCO3)胁迫，发芽率分别为0、0和10.00%。总体来看，碱性盐的加入对宁夏无芒稗种子的萌发产生的影响最为显著，对湖南稷子种子萌发影响次之，对朝牧一号稗子种子的萌发影响最小，说明宁夏无芒稗种子萌发期的盐敏感性要高于湖南稷子和朝牧一号稗子种子，后两者在胁迫条件相同时，耐盐性高于宁夏无芒稗种子。

研究还发现，用碱性盐处理过的种子和胚根，其表面颜色更深且发黑。混合盐碱胁迫时，碱性盐土壤中CO32-和HCO3-含量升高，从而土壤pH值升高，对种子有一定的腐蚀作用，使其表面变黑，抑制胚根发育，严重影响了植物生长[32]。因而碱性盐被认为较中性盐对生态环境具有更大破坏力[7]。纪荣花等[39]和孙艳美等[40]在盐碱胁迫对南疆喀什市牛皮消种子萌发和芨芨草种子萌发的响应研究中得出了相同的结论。

4 结 论

综上所述，3组混合盐碱胁迫对3种稗属牧草种子萌发均有抑制作用并且随着盐浓度的升高，种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数下降，胚根长和胚芽长缩短，发芽进程延长，相对盐害率升高，且碱性盐的抑制作用高于中性盐。3种稗属牧草种子对不同盐碱胁迫耐受性有显著差异，宁夏无芒稗种子对盐碱胁迫敏感性高于湖南稷子和朝牧一号稗子种子。通过建立一元二次函数方程表明，3种稗属牧草在3组混合盐碱处理下的耐盐适宜浓度、耐盐半致死浓度和耐盐致死浓度排序均为：朝牧一号稗子>湖南稷子>宁夏无芒稗。3种稗属牧草种子可根据各自的耐盐碱特性在不同盐碱程度的地区进行栽培推广种植，在生产实践和育种中作为优良饲草资源加以充分利用。