鲁梅克斯F2代种子萌发及幼苗的生理生化特性研究

刘 丹， 王丽娟， 贺付蒙， 徐永清， 袁 强， 冯 旭， 李爱雨， 王 雪， 李翠婷， 李凤兰

(东北农业大学生命科学学院， 黑龙江 哈尔滨 150030)

表1 各处理组不同浓度的pH值Table 1 pH value of each treated group with different concentrations

鲁梅克斯(Rumexpatientia×R.tianschanicusCV. Rumex)为蓼科(Polygonaceae)酸模属(Rumex)，是以巴天酸模(R.patientia)为母本，天山酸模(R.tianschanicus)为父本杂交培育而成的牧草品种[1]。从生物学角度看，杂交种F1代具有杂种优势，而F2代基因分离重组，品种退化，将导致减产[2]。鲁梅克斯不仅具有耐盐碱、抗寒、适应性强、生长速度快等特点，还是改善生态环境、防止水土流失的优良地被植物，其营养丰富、鲜嫩茎叶适口性好、蛋白质含量较高，适用于饲喂家畜、家禽和鱼类等[3-4]。本课题组从俄罗斯引进了6个鲁梅克斯品种，最终筛选出一个适合我国北方种植的品种——Щавель Чемпион，该品种具有抗寒性强、营养价值高、产量高、抗盐碱性强等优点，对该品种和国内对照品种进行盐碱地种植的初步大田试验，发现筛选出的国外引进品种能够在盐碱地正常生长，具有较强的抗盐碱性[5-6]。而土壤盐碱化是影响种子萌发和植物生长的主要因素之一。随着工业化的深入推进以及人类长期不合理的施肥与灌溉，全球耕地盐碱化呈现不断恶化的趋势[7]。土壤盐化和碱化对植物的生长、发育、繁殖以及分布等生理生态特征有一定影响[8]。盐碱胁迫下，随着盐碱浓度增大和胁迫时间延长，抑制作用愈发明显[9]。因此，筛选抗盐碱种子使其F2代种子具有相同能力至关重要，但目前对鲁梅克斯的研究主要集中在农艺特性[10]、幼苗的生理生化特性[5]以及营养价值特性[11]等方面，有必要对鲁梅克斯后代种子性状方面进行持续研究。

本研究以课题组引进的鲁梅克斯品种F2代种子为材料，对F2代及亲本进行复合盐碱处理，探究F2代是否具有亲本的抗盐碱特性，研究该品种F2代种子的生理特性，为其推广栽培提供理论依据，也为盐碱地综合利用与治理提供新的思路。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试鲁梅克斯品种(Щавель Чемпион)(F1)购于俄罗斯，鲁梅克斯F2代种子(F2)，2015年9月收获自东北农业大学；国内对照品种(ck)为鲁梅克斯K-1杂交酸模，购于山东曹县农牧科技研究所。

1.2 试验设计

1.2.1种子萌发实验设计

将中性盐(NaCl、Na2SO4)和碱性盐(NaHCO3、Na2CO3)按碱性盐比例(摩尔比为1 ∶ 1)增加分成5组处理(A处理为中性盐，B～D处理为混合盐碱，E处理为碱性盐)，每组处理设置6个浓度梯度(20、40、60、80、100、120 mmol/L)(见表1)。采用纸上培养法[12]，随机选取颗粒饱满的F1、F2、ck种子，用10% H2O2浸泡30 min后，再用蒸馏水冲洗干净，放置在铺有2～3层湿润滤纸的培养皿中，每个培养皿放30粒种子，再向培养皿中加入不同浓度的处理液20 mL，每个处理设3次重复。将其置于25 ℃恒温培养箱内进行培养，光照周期昼18 h/夜6 h，每天称重补充丢失水分以保证滤纸湿润，并做好种子萌发记录；萌发的标准为胚根从种皮明显地突出至少2 mm，第7天计算发芽率、发芽指数[6]。

1.2.2幼苗生理实验设计

室温条件下播种F1、F2及ck，光照周期昼18 h/夜6 h，待长出2片真叶后，随机选取大小一致、长势良好的植株。每盆浇灌80 mL浓度为80 mmol/L的5种复合盐碱溶液进行胁迫处理(同表1)，设3次重复，并在处理3、6、12、24、48 h后分别取样。

1.3 测定方法

1.3.1种子萌发指标的测定

发芽率(%)=(培养7 d内正常发芽种子数/供试种子数)×100%；

发芽指数=Gt/Dt，式中，Gt为第t天的种子发芽数量；Dt为种子发芽试验第t天。

1.3.2幼苗生理指标的测定

采用氮蓝四唑(NBT)法[13]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用愈创木酚法[13]测定过氧化物酶(POD)活性；采用硫代巴比妥酸(TBA)法[13]测定丙二醛(MDA)含量，采用酸性茚三酮法[13]测定脯氨酸(Pro)含量，采用乙醇丙酮法[14]测定叶绿素含量。

注：图A为A处理；图B为B处理；图C为C处理；图D为D处理；图E为E处理。同一浓度间不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。下同。图1 复合盐碱胁迫下鲁梅克斯的发芽率Fig.1 Germination rate of Rumex under mixed saline-alkali stress

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel软件处理数据并作图，SPSS 17.0软件进行数据分析并进行差异显著性检验(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 复合盐碱胁迫对不同品种鲁梅克斯种子萌发的影响

2.1.1对发芽率的影响

由图1可知，随着盐碱溶液浓度的增加，不同品种鲁梅克斯种子的发芽率总体呈下降趋势，其中F1和F2种子发芽率下降趋势缓慢且均高于ck。在A、B处理条件下，胁迫浓度小于或等于40 mmol/L和60 mmol/L时，F1和F2种子的发芽率差异不显著(p>0.05)；C处理条件下，胁迫浓度为20 mmol/L时，F2种子的发芽率(84.44%)高于F1种子；胁迫浓度为80 mmol/L时，ck均不萌发，而在A、B、C、D、E处理条件下，F2种子的发芽率分别为43.33%、40.00%、26.66%、10.00%、10.00%。

2.1.2对发芽指数的影响

各处理下，随着盐碱溶液浓度的增加，不同品种鲁梅克斯种子的发芽指数总体呈下降趋势；胁迫浓度为0时，F1和F2种子的发芽指数分别为48.42和41.34，而ck的发芽指数为9.39；80 mmol/L时F1、F2和ck的发芽指数均为0。A、B处理条件下，F1和F2的发芽指数相近且远高于ck。 C、D、E处理条件时下降明显，在C处理条件下胁迫浓度为20 mmol/L时，F1和F2的发芽指数分别为35.54和35.24；在D、E处理条件下，分别在40 mmol/L和60 mmol/L时发芽指数下降较快，F2与F1差异显著(p<0.05)(图2)。

2.2 复合盐碱胁迫对不同品种鲁梅克斯幼苗生理生化的影响

2.2.1对SOD活性的影响

由图3可见，复合盐碱胁迫下，不同品种鲁梅克斯幼苗的SOD活性不同。随着胁迫时间的增加，3种幼苗的SOD活性整体呈先升后降的趋势。在A、B、D、E处理下，F2与F1分别在3 h、6 h、12 h、24 h时差异不显著(p>0.05)，但在C处理条件下，3种鲁梅克斯幼苗的响应是相似的。

图2 复合盐碱胁迫下鲁梅克斯的发芽指数Fig.2 Germination index of Rumex under mixed saline-alkali stress

图3 复合盐碱对鲁梅克斯幼苗SOD活性的影响Fig.3 Effect of mixed saline-alkali on SOD activity in Rumex seedlings

图4 复合盐碱对鲁梅克斯幼苗POD活性的影响Fig.4 Effect of mixed saline-alkali on POD activity in Rumex seedlings

2.2.2对POD活性的影响

不同的盐碱组合对鲁梅克斯幼苗叶片内酶活性的影响不同(图4)，其中，3个供试材料幼苗的POD活性呈先升后降的趋势，且在12 h时POD活性达到最大，除E处理外，F1和F2幼苗均无显著差异。在C处理条件下，F1和F2幼苗POD活性显著上升，其值分别为4.25 U/(g·min)和4.39 U/(g·min)。

2.2.3对MDA含量的影响

由图5可看出，随着时间的增加，MDA含量呈先升后降的趋势，ck的MDA含量高于F2，且ck与F2的MDA含量均大于F1，并且F2与F1的MDA含量随胁迫时间延长差异不显著(p>0.05)，而F2和ck中MDA含量差异显著(p<0.05)。在C处理条件下，F1和F2均在24 h时达到峰值，分别为0.17 μmmol/L、0.14 μmmol/L，从A、B、D、E四种处理中可以看出，随着时间的增加，F1和F2幼苗的MDA含量均在24 h时趋于一致。

2.2.4对叶绿素总含量的影响

由图6可知，随着时间的增加，F1和F2的叶绿素含量整体上较接近，3个材料叶绿素含量呈先下降后上升的趋势，F1的叶绿素含量大于F2的叶绿素含量，均大于ck的叶绿素含量。E处理下，12 h的叶绿素含量F1和F2差异不显著(p>0.05)，但均与ck差异显著(p<0.05)。

2.2.5对Pro含量的影响

由图7可见，随着时间的增加，Pro含量呈先升后降的趋势，且F1和F2的Pro含量均大于ck。A、B、C处理下， F1和F2的Pro含量均高于0.015 μg/g，且在C处理下，F2在24 h的Pro含量最高(0.026 μg/g)，并与ck差异显著(p<0.05)。D处理下，3个材料均在12 h时Pro含量最高，分别为0.037 μg/g、0.032 μg/g、0.026 μg/g。D、E处理下，F1和F2在动态变化上呈相同趋势。

3 讨 论

3.1 盐碱胁迫对不同鲁梅克斯种子萌发的影响

土壤盐碱化已成为影响农业生产发展和生态环境的重要限制因子之一，不同的农作物品种对盐胁迫的响应程度存在明显的差异[15]，并且盐碱地中盐害与碱害并存，单独的NaCl胁迫作用并不能代表真实情况[16]。本研究中，胁迫浓度为60 mmol/L的D、E处理，E处理种子发芽率降幅更大，是由盐和碱产生双重胁迫所导致。金梦野等[12]研究表明，中性盐与碱性盐混合胁迫作用比单施中性盐对水稻(OryzasativaL.)种子萌发的抑制更明显。种子萌发期和幼苗期是植物最为敏感的两个时期[17]，在植物抗盐碱机制的研究中最为适合，可以反映出该品种的耐盐性。鲁梅克斯国内对照种子本身具有良好的耐盐碱能力，而本实验发现，在不同盐碱胁迫处理下，对照种子的发芽率不高，说明种子本身抵御盐碱胁迫环境的能力不同，并且由下降幅度可见，各种子萌发时受到的抑制程度不同，ck种子发芽率、发芽指数胁迫初期下降幅度大；F2和F1种子下降幅度较缓，较耐盐碱。刘一明等[18]以柳枝稷(Panicumvirgatum)F2代的53个单株为研究对象，以亲本材料Alamo、Dacotah和F1代的DA 90、DA 120为参照，通过对耐盐指数STTI进行主成分分析和隶属函数分析，发现柳枝稷F2代的不同材料间耐盐能力存在显著差异，亲本Alamo的耐盐能力较强，亲本Dacotah的耐盐能力较差，F1代的DA 90和DA 120的耐盐能力中等，F2代的耐盐性有明显分离。而本研究中F2代种子与F1代种子萌发率下降幅度基本一致，抗盐碱性状差别不大，仍保持了亲本的抗盐碱能力。

图5 复合盐碱对鲁梅克斯幼苗MDA含量的影响Fig.5 Effect of mixed saline-alkali on MDA content in Rumex seedlings

图6 复合盐碱对鲁梅克斯幼苗叶绿素总含量的影响Fig.6 Effect of mixed saline-alkali on total chlorophyll content in Rumex seedlings

图7 复合盐碱对鲁梅克斯幼苗Pro含量的影响Fig.7 Effect of mixed saline-alkali on Pro content in Rumex seedlings

3.2 不同鲁梅克斯幼苗的生理指标差异比较

研究表明，不同的植物耐盐碱性不同，若长时间处在高盐碱环境中，植物生理代谢会出现紊乱，植物体内所产生的活性氧大量积累从而启动了膜脂过氧化作用，会严重影响植物的生长发育，甚至导致死亡[19]。所以植物为了适应高盐碱环境，其内部的生理生化特性会发生一系列变化，如渗透调节物质的积累和保护酶系统(SOD、POD、CAT)的激活[5]。本试验中，C处理下的种子随时间增加SOD活性差别不大，可以看出F2代同F1代具有相同的抗盐碱能力。不同盐碱处理对POD活性的影响只在E处理下F1代和F2代差别较大，说明在强碱性条件下，两者之间的抗性有一定的差别。但现实的土壤环境中的盐碱种类是复杂的，C处理下盐碱种类相对较多，SOD活性表现出3种种子指标相差不大，POD活性表现出F1和F2在12 h时最高，与ck差异显著，这可以很好地证明引进品种的F1代和F2代的抗盐碱能力。在不同盐碱处理下，F1和F2的MDA含量会有上下波动，但随胁迫时间延长趋于相同，并在24 h处含量一致。齐军仓等[2]进行了油葵种子DK 3790、新葵杂5号、KW 202三个品种F1代和F2代的比较试验，其中叶绿素含量均表现出F2代叶绿素a、叶绿素b及总光合色素低于相应的F1代。而F2代中叶绿素等光合色素的降低可能会导致最终经济产量降低。本研究发现，不同盐碱胁迫处理下3种幼苗叶绿素前期含量降低，后期逐渐升高，其中F1代和F2代间叶绿素差异在不同盐碱处理下表现并不相同，但总体上差异并不显著。薛延丰等[20]研究表明，碱性盐胁迫破坏了细胞微环境的酸碱平衡，影响叶绿体类囊体两侧H+浓度梯度的建立，从而降低了叶绿体中ATP合成的动力，造成叶绿素含量下降。而对于后期叶绿素升高，这可能是因为复合盐碱胁迫时间越长，导致植株代谢紊乱严重，叶片叶绿素与蛋白间的结合变得松弛，使得在测定中叶绿素更容易被提取，从而造成复合盐碱处理的叶绿素含量有所上升[21]。Pro一直被看作是植物受到环境胁迫后产生的指示性物质[22]，袁驰等[23]、杨发荣等[24]研究表明，盐碱胁迫处理能够增加Pro的含量，随着胁迫时间的延长，Pro含量呈先上升后下降的趋势，且F1种子和F2种子的Pro含量变化相似，这两种物质含量的变化可以看出短期胁迫下植物应激反应较强，而胁迫时间越长，植物抗盐碱能力逐渐降低。郭景红等[25]以新陆早43号、新陆早56号为试验材料，对2个杂交棉的F1、F2植株形态特征、农艺性状、纤维品质指标、产量性状等方面进行比较。冯国艺等[26]以杂交棉石杂2号和新陆早43的F1、F2代及亲本NT 2、H 2、4-14 为试材，通过测定不同生育时期各材料叶面积指数(LAI)、叶倾角(MTA)、冠层光截获率等指标的变化分析了对群体光合物质生产的影响。李珍等[27]测定了相对含水量、细胞膜透性、游离脯氨酸含量等生理生化指标，来判断在盐胁迫下亲本披碱草和野大麦及其BC1F2代不同株系幼苗的抗盐性。在理想情况下，想要准确地评价实验材料的耐盐碱性需尽可能多地测定耐盐碱指标，但常有外界条件难以控制，实验误差较大的问题，并且想要大量推广的F2代，也必须进行品质检测等一系列后续研究，探究鲁梅克斯种子后代是否还保持着相同的抗盐碱特性。

4 结 论

本试验通过测定种子发芽率、发芽指数、生理生化指标(SOD、POD、MDA、叶绿素、Pro)，发现鲁梅克斯F2代种子仍能保持第一代的抗盐碱特性，且种子抗盐碱特性相差较小，均优于国内品种，并对中性盐及混合盐碱的抗性要强于对碱性盐的抗性，因此鲁梅克斯F2代种子适合推广且更适合在60 mmol/L的中性盐及混合盐碱土地上种植。研究鲁梅克斯F2代种子抗盐碱特性，为进一步挖掘饲用价值潜力以及提高F2代的应用价值提供理论依据。