不同Ca2+浓度对蒲公英和橡胶草种子萌发及根系生长的影响

严青青，邢 涛，王 莉，张 龑，高 强，徐 麟，王永刚

(1.新疆农业科学院农作物品种资源研究所，乌鲁木齐 830091；2.山东玲珑轮胎股份有限公司，山东招远 265400)

0 引 言

【研究意义】橡胶草(Taraxacumkok-saghyz)，分布于我国新疆、甘肃、陕西以及东北、华北等地，国外哈萨克斯坦及欧洲也有分布；橡胶草为菊科蒲公英属宿根草本植物，是一种天然产胶植物[1-2]。橡胶草具有适应性强、适应区域广，生长收获期短等特点，且生长繁殖能力较强，较强耐盐性，适合新疆盐碱地生长栽培，易种植，具有较强抗菌能力和抗虫害能力以及生物相容性好、抗过敏性能强等优点，因其根部产胶与巴西橡胶树所产天然橡胶结构相似，成为可替代巴西橡胶树的产胶植物资源[3-5]。钙离子(Ca2+)作为植物必需的矿质元素是植物生长发育的重要调节因子，也是植物细胞壁结构的重要组分，钙离子作为液泡内的渗透保护物质具有维持细胞膜稳定和细胞内离子平衡等功能[6]。根系是植物重要组成部分，是一个具有适应性和可塑性的器官，具有运输和吸收养分等功能，主要通过调整根系长度、不同径级根系生长分配等形态特征来表现出对环境适应性[7]，橡胶草根部还是产生橡胶的主要部位，是产量器官，根系生长发育更显得重要。研究钙胁迫影响橡胶草种子萌发和根系生长，阐明种子萌发参数、根系生长参数与Ca2+浓度含量的关系，分析橡胶草应对Ca2+的调节机制，对于橡胶草新品种的选育及产业化发展具有重要意义。【前人研究进展】近年来，橡胶草的研究主要集中在以遗传改良[8]、内源激素、根系活力[9]、分子生物学[10-13]等方面。耐盐方面研究则较少，李苗等以橡胶草为材料，以NaCl为盐胁迫处理，认为橡胶草对盐胁迫的耐受极值为NaCl浓度0.5%，0.2%盐胁迫处理浓度是进行橡胶草苗期耐盐性鉴定和筛选的较适宜浓度[14]。陆婷等[15]验证了中性盐(NaCl、Na2SO4)和碱性盐(NaHCO3、Na2CO3)混合盐胁迫对橡胶草种子发芽的抑制作用，研究结果表明：盐浓度是抑制种子萌发的主导因素，pH值的影响次之。Ca2+作为新疆盐碱土壤的主要成分，橡胶草种子对Ca2+的响应机制却极少有研究。【本研究切入点】目前，对于橡胶草资源引进及品种培育农艺性状等研究甚少。新疆耕地钙盐类型丰富，Ca2+含量大，而Ca2+作为植物生长的重要调节因子，其对植物生长的调控机理一直是研究热点。亟需研究钙胁迫对黄蒲蒲公英、科根橡胶草品系种子萌发及根系生长的影响。【拟解决的关键问题】选取新疆特有的黄蒲蒲公英(Taraxacummongolicumstrain Huangpu)品系和科根橡胶草(Taraxacumkok-saghyzstrain Kegen)品系为材料，比较不同Ca2+浓度对其种子萌发及根系生长的影响，分析科根橡胶草种子及根部对Ca2+的响应特征，为橡胶草产胶器官根系的深入研究和橡胶草高产优质的品种培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

材料选用黄蒲蒲公英和科根橡胶草2个品系(新疆农业科学院农作物品种资源研究所提供)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

采用5种不同程度的Ca2+(CaCl2溶液)浓度试验。CaCl2以摩尔质量模拟中性盐和碱性盐2种盐类型，胁迫处理总Ca2+(配置CaCl2溶液获取相应的Ca2+浓度)浓度设为0(对照，CK)、0.04、0.08、0.12和0.16 mol/L。

精选饱满、大小一致的2个品系种子，使用规格为22 cm×11 cm的培养皿，每个培养皿平铺1张滤纸，均匀放置50粒种子，每个培养皿加对应浓度的CaCl2溶液2 mL，对照加2 mL蒸馏水，每个Ca2+浓度重复3次。盖上培养皿盖子，保证水分不流失。置于光照培养室内，白天温度(25±2)℃，光强400 μmol/(m·s)，12 h；夜间温度(22±2)℃，12 h，相对湿度70%～75%。从第1 d开始每天统计发芽数，第10 d统计完发芽数后，将发芽芽苗移栽至花盆中，将一定量的CaCl2溶液均匀灌入营养土和蛭石复合基质内，每盆装土300 g，每盆移栽6～8棵芽苗，保持每棵芽苗的移栽深度2～3 cm，每处理移种12盆，每个营养钵保证3株幼苗。将各处理置于智能培养室中培养，培养条件设置为昼/夜温度为25℃/22℃、光照强度为400/0 μmol/(m·s)，相对湿度70%～75%，光周期12 h/12 h(昼/夜)。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 种子萌发参数

播种后，每天20:00～22:00统计种子发芽数。

发芽势：播种后第4 d统计种子发芽数，发芽势=发芽种子数/供试种子数×100%。

发芽率：播种后第10 d统计种子发芽数，发芽标准为芽长达种子长度的1/2。发芽种子数/供试种子数×100%，即为发芽率。

发芽指数：发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt).

式中：Gt为在不同时间的发芽数，Dt为发芽天数。

1.2.2.2 根系形态学参数

移栽后第30 d时，每个处理取5株幼苗，洗净根系后采用Scan Wizard EZ扫描仪扫描，用万深LA-S植物根系分析系统分析根长、表面积、体积以及不同径级根长和表面积等形态学参数。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0计算软件进行数据分析，采用新复极差法进行差异显著性检验(P<0.05)，采用Microsoft Office Excel 2010软件整理数据和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同Ca2+浓度对蒲公英和橡胶草种子萌发的影响

2.1.1 不同Ca2+浓度蒲公英和橡胶草发芽率的影响

研究表明，随着Ca2+浓度的增加，2个品系的发芽率均显著下降。当Ca2+浓度为0 mol/L时，2个品系的发芽率无明显差异；随着Ca2+浓度的增加，2个品系的发芽率逐渐下降，与对照相比，0.04、0.08 mol/L分别下降了174%、286%。黄蒲的发芽率在Ca2+浓度大于0.04 mol/L时均小于科根，科根种子较黄蒲更耐Ca2+胁迫。与发芽率表现一致，随着Ca2+浓度的增加，2个品系的发芽势、发芽指数均呈下降趋势，Ca2+浓度的增加降低了2个品系种子的活力；各Ca2+浓度下，2个品系的发芽势、发芽指数无显著差异。Ca2+浓度在0.12、0.16 mol/L下的2个品系的发芽率、发芽势、发芽指数几乎为0。图1～3

图2 不同Ca2+浓度下蒲公英和橡胶草发芽势变化Fig.2 Effect of different Ca2+ concentration on germination potential of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

图3 不同Ca2+浓度下蒲公英和橡胶草发芽指数变化Fig.3 Effect of different Ca2+ on germination index of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

2.2 不同Ca2+浓度对蒲公英和橡胶草根系生长的影响

2.2.1 不同Ca2+浓度对蒲公英和橡胶草根系长度(L)的影响

研究表明，随着Ca2+浓度的增加，2个品系的幼苗根系总长度和各径级根系均呈显著下降趋势。Ca2+浓度大于0.04 mol/L时，在同一Ca2+浓度下，科根的根系总长度大于黄蒲，黄蒲较科根不耐Ca2+胁迫，各浓度下2个品系的细根(直径(d)<0.5 cm)显著多于中根(0.5≤直径(d)<2.0 cm)。与CK相比，科根在0.04、0.08、0.12、0.16 mol/L处理下根系总长度分别减少了154.64、166.65、203.65、220.45 cm，黄蒲在0.04、0.08、0.12、0.16 mol/L处理下根系总长度分别减少了221.15、266.98、338.21、360.67 cm，黄蒲的根系总长度下降程度大于科根。表1

表1 不同Ca2+浓度下蒲公英和橡胶草不同径级根系长度(L)变化Table 1 Effects of different Ca2+ concentrations on root length (L) of different diameter classes of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

2.2.2 不同Ca2+浓度对蒲公英和橡胶草根系表面积(SA)的影响

研究表明，根系总表面积与根系总长度表现一致，随着Ca2+浓度增加，2个品系的幼苗根系总表面积在逐渐减少，差异显著。黄蒲的根系总表面积、细根(直径(d)<0.5 cm)表面积在CK(未添加Ca2+溶液)处理下显著大于科根，但是在0.08、0.12、0.16 mol/L的Ca2+浓度处理下表面积却小于科根，黄蒲根系生长受Ca2+抑制比科根程度大。科根的根系总表面积在0.04、0.08、0.12、0.16 mol/L浓度下较CK分别下降了35.52%、90.13%、141.34%、167.59%，与黄蒲一样，根系生长受到严重抑制。表2

表2 不同Ca2+浓度下蒲公英和橡胶草不同径级根系表面积(SA)变化Table 2 Effects of different Ca2+ concentrations on root surface area (SA) of different diameter classes of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

2.2.3 不同Ca2+浓度对蒲公英和橡胶草根系体积(V)的影响

研究表明，2个品系的根系体积与根系长度、表面积表现一致，除CK外2个品系在各处理下的根系总体积随着浓度的增加逐渐降低，各径级根系体积在CK和0.04 mol/L Ca2+浓度处理下最大。黄蒲和科根根系总体积较小，Ca2+浓度下细根(d<0.5 cm)和中根(0.5≤d<2.0 cm)体积呈不同程度的下降。表3

表3 不同Ca2+浓度下蒲公英和橡胶草不同径级根系体积(V)变化Table 3 Effects of different Ca2+ concentrations on root volume (V) of different diameter classes of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

3 讨 论

3.1 不同Ca2+浓度对蒲公英和橡胶草种子萌发的影响

研究表明，2个品系材料的发芽率、发芽指数、发芽势均随着Ca2+浓度的增加逐渐减少，当Ca2+浓度大于0.08 mol/L时严重抑制了科根橡胶草和黄蒲蒲公英种子的萌发，0.16 mol/L Ca2+浓度下的种子发芽率、发芽势、发芽指数几乎为0，与吕朝燕、肖雪[15-16]研究的结果一致，高浓度Ca2+含量(大于0.08 mol/L时)抑制了牧草、苦荞及金荞麦种子的萌发，显著降低了种子的发芽率、发芽势、发芽指数。当Ca2+浓度小于0.08 mol/L时对黄蒲蒲公英、科根橡胶草种子的萌发无显著影响，肖雪[16]研究表明，低浓度0.075 mol/L的Ca2+含量处理相较于无Ca2+含量处理促进了苦荞种子的萌发，与试验结果不同。檀龙颜[17]表明在1.5%的Ca2+浓度下种子萌发下降显著。科根橡胶草在小于0.08 mol/L Ca2+浓度处理下的发芽势和发芽指数低于黄蒲蒲公英或者无显著差异，科根橡胶草的种子活力在Ca2+浓度处理下要小于黄蒲蒲公英，但发芽率高于黄蒲蒲公英，科根橡胶草的种子出苗率要大于黄蒲蒲公英。

3.2 不同Ca2+浓度对蒲公英和橡胶草根系生长参数的影响

不同分支等级的根序具有显著不同的解剖、形态、养分和生理特征，细根的主要功能是吸收营养，粗根的主要功能是运输养分并让植株稳定在土壤中，改善根系研究框架是提高根系特征认识的基础[18-19]。根系作为橡胶草产胶产量器官，根系生长发育尤为重要，根系形态学参数是反映根系生长的最直观的指标，试验条件下，Ca2+浓度的增加抑制了根系的生长，根系长度、表面积、体积均随着Ca2+浓度的增加在逐渐降低，2个品系的细根(d<0.5 mm)的总长度、表面积、体积均大于中根(0.5≤d<2.0 mm)，幼苗期的黄蒲蒲公英、科根橡胶草主要增长细根长度，以吸收水分和营养来维持幼苗的正常生长，需进一步在开花期及成熟期测定根系的生长动态。

4 结 论

0.04 mol/L的Ca2+浓度对科根橡胶草、黄蒲蒲公英的种子萌发无显著影响，大于此浓度的Ca2+含量抑制了2个品系的种子萌发和根系的生长。Ca2+浓度小于0.08 mol/L时，黄蒲蒲公英的品系的发芽势、发芽指数高于科根橡胶草，发芽率低于科根橡胶草。大于此浓度的2个品系的种子萌发参数显著降低甚至为0。2个品系的根系总长度、表面积、体积随着Ca2+浓度的增加呈现降低趋势，0.08 mol/L Ca2+浓度下的科根橡胶草根系总长度大于黄蒲蒲公英。