不同地区野生芨芨草种子萌发期耐盐性综合评价

时嘉翊,曹 岭,余舟昌,白小明,张 伟

(1.西北农林科技大学 草业与草原学院,陕西杨凌 712100;2.甘肃农业大学 草业学院,兰州 730070)

随着气候变化的不断加剧,加之人类对土地资源的不合理利用,土壤盐渍化面积逐年扩大,已成为全球农业和生态健康可持续发展所面临的重大问题[1]。一方面,盐渍化土壤可通过盐胁迫抑制种子萌发、减缓生理代谢、阻碍养分吸收等方式来妨碍作物繁殖和生长,威胁区域农业持续与健康发展[2];另一方面,盐渍化土壤还会导致土壤结构组成发生变化,造成土壤退化、水土流失等严重的生态环境问题[3-4]。因此,开展盐渍化土壤改良和生态修复工作不仅在保护耕地资源、增加粮食产量等方面具有重要作用,在调节局地气候、改善生态环境方面也具有十分重要的价值[5]。

中国西北干旱半干旱区为土壤盐渍化较为严重的区域,在该区域进行盐渍化土壤生态改良过程中,选择耐盐、适生、优良的草本植物品种极为重要[6]。芨芨草(Achnatherum splendens)为禾本科芨芨草属植物[7],属多年生草本,具有耐盐碱、耐寒冷、耐干旱等优点。部分学者对多种草本植物进行了NaCl胁迫处理后发现,芨芨草耐盐性最强,盐胁迫下死亡率为0.00%,显著低于其他草本植物[8]。此外,有学者[9]研究发现,芨芨草具有发达的根系,可以治理水土流失、防止侵蚀,是盐生草甸的重要建群种,可以作为盐渍化土壤改良以及生态重建过程中的首选植物。因此,探究芨芨草耐盐特征可为复杂生境下盐渍化土壤改良和治理提供理论依据。种子萌发和幼苗形态建成是草本植物生长发育的关键阶段,同时也是草本植物整个生活史周期中抗外界干扰能力最弱的环节[10],很大程度上能够准确、客观地反映草本植株整体的耐盐性,决定该种植物能否在盐渍化土壤上成功繁殖、定居与生长。因此,对芨芨草萌发期生长指标耐盐性进行评价,对于选择优良芨芨草种质开展盐渍化土壤治理具有重要意义。

部分学者研究了该地区紫花苜蓿、草木犀、碱蓬、湖南稷子、高羊茅、鹰嘴紫云英等草本植物的耐盐特征[11-13],对芨芨草耐盐性的研究相对较少,特别是缺乏对不同地区、不同生境条件下芨芨草种子萌发过程耐盐性的比较研究。基于此,本研究以中国西北干旱半干旱区13个地区的芨芨草种子为材料,探究不同浓度NaCl溶液对13个地区芨芨草种子萌发指标的影响,通过综合评价筛选出耐盐性较强的芨芨草种质资源,为芨芨草种子萌发期耐盐性研究提供数据支持,也为西北地区盐渍化土壤治理过程中芨芨草品种选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 种质来源 供试野生芨芨草种子均于2020年在芨芨草种子成熟期采收,分别采自甘肃、陕西、内蒙及新疆,详细信息见表1。

表1 芨芨草种质编号及其来源Table 1 Code and source of Achnatherum splendens germplasm

1.1.2 仪器与试剂 人工日光培养箱,宁波普朗特仪器有限公司产品,型号为LRX-1100;供试NaCl为分析纯。

1.1.3 试验时间及地点 试验从2021年3月10日-4月30日在西北农林科技大学草业与草原学院实验室进行。

1.2 试验设计

设置6 个不同盐(NaCl)浓度处理,分别为0.00%(对照)、0.30%、0.60%、0.90%、1.20%、1.50%。每个处理6次重复。试验在人工日光培养箱中进行,培养条件为:每天光照培养8 h,温度为25 ℃±0.5 ℃;每天暗培养16 h,温度为20 ℃±0.5 ℃;相对湿度均为55%。

随机选取颗粒饱满、大小均匀、无破损的芨芨草种子,每个重复100 粒,用75%酒精消毒5 min,再用蒸馏水冲洗3～5次,吸水纸吸干水分,备用。采用直径90 mm 的培养皿培养,每个培养皿放两层滤纸,按试验设计加7 m L 对应浓度的盐溶液,称量,放置于人工日光培养箱中,以恒量法每天定时称量补水以维持盐浓度的相对稳定。种子萌发培养时期共计28 d,发芽第7天时计算发芽势,试验第16天时测量胚芽长、胚根长和幼苗鲜质量,每个培养皿中随机取15 粒萌发的幼苗,用直尺从胚芽与胚根的分界处分别测定幼苗和幼根绝对长度;然后用滤纸吸干种子表面的水分并立即放入精确度为0.000 1 g的天平称取质量,计算单株幼苗平均质量,28 d后结束发芽,计算发芽率和发芽指数。

1.3 测定方法

每天观察发芽情况并记录当天发芽数,以胚根露出种皮1 mm 作为发芽标准。

初始萌发时间定义为第一粒种子萌发所需的时间,单位用d表示。

发芽率(Germination rate,GR)=发芽终期(规定日期内)全部发芽粒数/供试种子粒数×100%[14];发芽势(Germination potential,GP)=发芽初期(规定日期内)正常发芽粒数/供试种子粒数×100%[14];发芽指数(Germination index,GI)=∑(Gt/Dt),其中,Gt为时间t内的发芽数,Dt为相应的发芽时间[14];简化活力指数(Vigor index,VI)=S×发芽率,其中,S表示生物量,以种苗生长量(长度或者质量)表示[14]。

1.4 数据处理

以发芽率、发芽势、胚芽长、胚根长、鲜质量及简化活力指数作为芨芨草种子萌发期耐盐性评价的基本指标,分析处理前先对各指标进行标准化处理,通过主成分分析得到主成分公因子方差、载荷矩阵和贡献率[15]。采用加权法计算种子耐盐性综合指数,表达式为[16]:IFI=∑W i×F i,其中,W i为各主成分贡献率,F i为各地区主成分因子得分。

采用Excel 2016和SPSS 26.00软件进行统计分析,以Origin 2022软件绘制插图。通过单因素方差分析法(one-way ANOVA)检验不同处理下各发芽指标的显著性,采用多元线性回归分析建立综合指数与发芽指标的多元线性回归方程。

2 结果与分析

2.1 不同盐浓度对芨芨草种子发芽率的影响

从各个不同来源种质种子放入培养皿开始到第28天终止,统计每个处理的全部发芽种子数。按试验设计要求计算种子的发芽率。由图1 可见,NaCl浓度对芨芨草种子发芽率具有显著影响。分析图1发现,除天祝地区外,其他12个地区的芨芨草种子发芽率随NaCl浓度的升高均呈下降趋势,其中0.90%、1.20%和1.50%的处理对发芽率抑制较为明显,发芽率仅为5.33%～22.67%、2.00%～12.00%和0.00%～4.67%。天祝地区芨芨草种子发芽率随NaCl浓度的升高呈先增加后降低趋势,其发芽率在0.30%时最高,为38.00%;在1.5%时最低,仅为1.67%。与对照(浓度0.00%)的发芽率相比,NaCl浓度为1.50%时发芽率下降幅度最大的地区为榆林、张掖和新疆,降幅均达到100.00%,下降幅度最小的为天祝地区,降幅91.04%。

图1 不同盐浓度处理的芨芨草种子发芽率Fig.1 Germination rate of Achnatherum splendens seeds treated with different salt concentrations

2.2 不同盐浓度对芨芨草种子发芽势和发芽指数的影响

发芽势和发芽指数是衡量种子活力的重要指标,它们能较好地反映种子品质优劣和萌发速度。从各个处理种子放入培养皿计时,试验进行到第7天统计发芽的种子数,按照试验设计要求计算各处理种子的发芽势。从图2和图3可以看出,不同浓度的NaCl溶液对芨芨草种子发芽势和发芽指数有不同的影响。随NaCl浓度的增加,芨芨草种子发芽势和发芽指数在各地区均呈现不同程度的下降趋势。与对照相比(浓度0.00%),各地区芨芨草种子在0.30%、0.60%、0.90%、1.20%和1.50%盐浓度时发芽指数分别下降6.32%(金昌)～21.65%(平川)、35.45%(包头)～57.14%(天祝)、70.86%(巴 彦淖尔)～90.33%(新疆)、80.84%(武威)～93.61%(金昌)和97.61%(兰州)～100%(榆林和新疆),发芽势分别下降10.13%(新疆)～31.38%(包头)、21.86%(平川)～63.55%(巴彦淖尔)、65.28%(天祝)～86.26%(金昌)、63.23%(天祝)～100%(兰州、张掖、武威、包头、景泰和新疆)和100%(所有地区)。

图2 不同盐浓度处理的芨芨草种子发芽势Fig.2 Germination potential of Achnatherum splendens seeds treated with different salt concentrations

图3 不同盐浓度处理的芨芨草种子发芽指数Fig.3 Germination index of Achnatherum splendens seeds treated with different salt concentrations

2.3 不同盐浓度对芨芨草种子胚芽和胚根的影响

由表2可知,随着NaCl浓度的增加,供试材料的胚芽长度呈现不同变化。与对照(浓度0.00%)相比,巴彦淖尔、榆林、张掖、天祝和平川地区的芨芨草种子胚芽长度表现先增加后降低的趋势,其余地区呈下降趋势。整体而言,各地区芨芨草种子在浓度为0.30%、0.60%、0.90%、1.20%和1.50%时胚芽长度分别下降3.94%(景泰)～33.33%(武威)、5.12%(酒泉)～49.17%(兰州)、7.12%(张掖)～53.25%(新疆)、5.88%(天祝)～53.68%(榆 林)、32.35%(天 祝)～100.00%(榆林、张掖和新疆)。

此外,同一盐浓度下不同地区芨芨草种子胚芽长度存在差异(表2),与对照(浓度为0.00%)相比,1.50% 盐浓度下芨芨草种子胚芽长度减少幅度最大地区为榆林、酒泉和新疆,均减少100.00%,减少幅度最小的为天祝地区,仅减少32.35%。

表2 不同盐浓度处理下芨芨草种子胚芽的长度(¯x±s)Table 2 Length of seed germ of Achnatherum splendens under different salt concentrations

表3表明,随着NaCl浓度的增加,供试材料的胚根长度呈现不同的变化规律。其中,兰州、巴彦淖尔、榆林、天祝、内蒙包头、金昌、平川和景泰地区的芨芨草胚根长度随NaCl浓度的增加呈先增加后降低趋势,其余地区则呈下降趋势。整体而言,与对照浓度相比,13个地区芨芨草种子在浓度 为0.30%、0.60%、0.90%、1.20% 和1.50%时胚根长度分别下降13.00%(酒泉)～24.00%(庆阳)、4.00%(包头)～49.00%(武威)、3.00%(新疆)～49.00%(武威)、2.00%(景泰)～63.00%(武威)、8.00%(天祝)～100.00%(张掖、新疆)。与对照(浓度0.00%)相比,1.50%NaCl浓度下芨芨草种子胚根长度减少幅度最大的地区为榆林、张掖和新疆,均减少100.00%,幅度最小的地区为天祝,减少8.00%。

表3 不同盐浓度处理下芨芨草种子的胚根长度(¯x±s)Table 3 Radicle length of Achnatherum splendens seeds under different salt concentrations

2.4 不同盐浓度对芨芨草种子简化活力指数的影响

随着NaCl浓度的升高,所有地区芨芨草种子的简化活力指数均呈现渐变的降低趋势(表4)。与对照相比(浓度0.00%),各地区芨芨草种子简化活力指数在浓度为0.30%、0.60%、0.90%、1.20%和1.50%时分别下降4.17%(天祝)～73.91%(武威)、25.00%(天祝)～70.00%(新 疆)、33.33%(天 祝)～87.50%(兰 州)、76.19%(巴彦淖尔)～98.44%(榆林)、95.65%(武威)～100%(榆林、张掖、新疆)。与对照相比(浓度0.00%),1.50%浓度下芨芨草种子简化活力指数下降幅度最大的为榆林、张掖和新疆地区,降幅为100.00%;下降幅度最小的为武威地区,降幅为95.65%。

表4 不同盐浓度处理下芨芨草种子的简化活力指数(¯x±s)Table 4 Simplified vitality index of Achnatherum splendens seeds under different salt concentrations

2.5 耐盐性综合评价

从表5可以看出,各发芽指标的公因子方差互不相同。其中,发芽指数的公因子方差最大,为0.965,胚根长的公因子方差最小,为0.506。2个主成分特征值分别为5.812和0.957,这2个主成分的累计贡献率达到84.62%,即这2个主成分反映出的原始数据提供的信息占总量的84.62%。对前2种主成分做进一步分析,第1主成分的贡献率达到72.66%,为最重要的影响因子,与发芽率、活力指数显著相关,载荷系数较大。第2主成分的贡献率为11.96%,该主成分在鲜质量上的负载较大。

表5 13个地区芨芨草种子初始因子载荷矩阵及主成分的贡献率Table 5 Initial factor load matrix and contribution rate of principal components of germplasm seeds in 13 regions

对各地区的主成分因子得分和方差贡献率加权得到芨芨草耐盐性综合指数,因子分析结果见表6。不同地区芨芨草种质耐盐性综合指数依次表现为:酒泉(0.383)＞榆林(0.348)＞平川(0.265)＞金昌(0.215)＞庆阳(0.203)＞景泰(0.159)＞张掖(0.002)＞包头(-0.019)＞巴彦淖尔 (-0.095)＞武威(-0.239)＞新疆(-0.259)＞天祝(-0.432)＞兰州(-0.531)。从耐盐性综合指数变化情况看,不同采样地芨芨草种质的耐盐性差别较大,其中耐盐性最高的芨芨草种子(酒泉)比耐盐性最差的芨芨草种子(兰州)耐盐性综合指数值高0.914。从综合指数分析结果可以看出,酒泉、榆林、平川、金昌、庆阳和景泰地区的芨芨草种子耐盐性较强,张掖、包头以及巴彦淖尔地区的芨芨草种子耐盐性一般,武威、新疆、天祝和兰州地区的芨芨草种子耐盐性最弱。

表6 不同地区芨芨草种子主成分因子得分及耐盐性综合指数Table 6 Principal component factor scores and comprehensive index of salt tolerance of different germplasm seeds

2.6 耐盐性指标筛选

从图4可以看出,盐浓度与各指标之间以及各指标内部均存在显著的相关关系。其中,盐浓度与野生芨芨草种子各测试项目都呈现出显著的负相关关系,盐浓度与各指标的相关性排序为:活力指数、发芽率、发芽势、发芽指数、胚芽长、胚根长、鲜质量。说明盐浓度对活力指数的抑制作用最为明显。此外,活力指数、发芽率、发芽势、发芽指数、胚芽长、胚根长、鲜质量两两之间均呈现出显著的正相关关系。

图4 各测试指标相关性热图Fig.4 Correlation heat map of each test index

如表7所示,将种子萌发期生长指标作为自变量,耐盐性综合指数作为因变量,设自变量X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7分 别 代 表 胚 根 长、胚 芽长、鲜质量、发芽率、发芽指数、发芽势、活力指数,建立不同地区生长指标与耐盐性综合指数的回归方程,筛选出影响不同地区耐盐性综合指数的生长指标,回归方程均达到显著性差异水平。由表7可知,在各地区耐盐性综合指数(Y)与生长指标(X)的正态总体中,13 个地区种质整体受胚根长、胚芽长、鲜质量、发芽率、发芽指数、发芽势和活力指数影响最大。综上表明,13个地区种质耐盐性综合指数主要受鲜质量、发芽率、发芽指数和发芽势影响,可以作为耐盐性评价的核心指标。此外,可以根据各地区种质不同的特性选择培育方法,通过提高以上4个生长指标达到增加种质耐盐性目的。

表7 影响耐盐性综合指数的生长指标筛选及回归方程Table 7 Selection and regression equation of growth indexes affecting comprehensive index of salt tolerance

3 讨论

在植物生活史过程中种子萌发是最为关键的环节[17],种子萌发期是对盐胁迫最为敏感的阶段[18],研究发现,同种种子对不同浓度盐分胁迫响应不同[19]。在本研究中,兰州、巴彦淖尔、榆林等13个地区野生芨芨草种子发芽率、发芽指数、发芽势和简化活力指数随着盐浓度增加呈下降趋势,这与刘薇等[20]的研究结果一致,出现这一情况的原因主要有以下3个方面:一是盐胁迫对种子造成的渗透胁迫使种子吸水能力降低,导致种子处于生理干旱状态,从而抑制其萌发[21]。二是盐胁迫会造成种子细胞中Na+内流,破坏细胞内离子平衡,高浓度的Na+会降低种子K+的吸收,导致离子区域化产生离子毒害[22],种子吸收过多的Na+和Cl-后,破坏细胞膜结构并干扰正常代谢,从而抑制种子生长[23-24]。三是高盐环境下抗氧化酶类活性受盐胁迫环境的抑制快速降低,造成种子中积累的ROS无法及时被清理,对种子萌发造成一定影响[25]。在低盐浓度下,盐胁迫种子的发芽率,发芽势和发芽指数影响作用不明显,高浓度盐对参试种质的发芽率、发芽势和发芽指数都存在明显的抑制作用,0.90% NaCl浓度处理后,芨芨草的萌发率均小于25%。当NaCl浓度到达1.50% 时,不同产地芨芨草种子大部分发芽率极低,甚至不萌发,这与徐曼等[26]在长穗偃麦草种子耐盐性研究的结果一致,其研究发现高浓度盐破坏了种子细胞膜,使细胞膜对物质选择性透过功能及控制膜内外物质交换功能丧失,影响了种子的整个萌发进程[27]。此外,本研究中部分种质种子胚芽长和胚根长随着NaCl浓度增加呈现先增后减趋势,这可能是由于低浓度的无机离子促进了细胞膜的渗透作用[27],激活了胚根胚芽生长发育相关酶的活性,使种子处于最适生长状况,进而促进了幼苗胚根胚芽的发育,但后期高盐环境抑制种子生长,导致指标下降[28]。大部分学者认为:盐胁迫对种子的萌发有显著的抑制效应[29],也有人认为低浓度促进种子萌发[30]。

虽然同种种子对不同浓度盐分胁迫存在相似关联,但在不同地区中由于环境条件的差异及长期筛选适应,同种种子耐盐性各不相同,其抑制作用变化幅度差异较大[19]。本研究发现,发芽率、发芽势、发芽指数最高的种子出现在酒泉地区,最低出现在兰州地区。酒泉地区种子发芽率、发芽势和发芽指数随着NaCl浓度的不断增加变化幅度最大,分别从60.33%、51.33%、49.64变化到3.67%、0.00%、0.57,说明酒泉芨芨草种质对盐的耐受力比较强,在低盐浓度时表现出极强的耐盐性,随着盐浓度不断增加,种子受伤害程度逐渐加大,对种子的萌发起到抑制作用,这与宋国英[31]的研究结果一致。而兰州地区芨芨草种子的变化幅度相对最小,其原因有可能是该种质本身发芽率低,发芽势和发芽指数小导致随着浓度增加,发芽率和发芽势、发芽指数变化幅度不大。造成种子之间变化差异较大的一个原因是种子自身原因,种子自身因素可能有种皮障碍、种子休眠、胚发育不完全、含有抑制物质等[32]。另一个原因是环境筛选,在不同地区中,环境温度和土壤p H 共同作用影响种子生长,酒泉地区年平均气温7.5 ℃,土壤p H 平均为8.56,土壤含盐量高,使植物体内聚集盐分[33],酒泉地区种子长期在低温高盐环境下生长,对种子自身形成一定程度的耐盐性训练,环境筛选对其作用强,种子耐盐性增强,在盐胁迫下萌发率相对较高。兰州地区年平均气温10.3 ℃,土壤p H 平均为8.49[34],和酒泉地区相比气温高,土壤p H 低,种子萌发环境较为温和,环境筛选对其作用弱,因此兰州地区种子耐盐性弱,在高盐条件下萌发率低。同时研究发现,种子其他生长指标最值并不出现在酒泉和兰州地区,胚芽、胚根最长的种子出现在巴彦淖尔地区,最短出现在新疆地区,简化活力指数最大的种子出现在金昌地区,最小出现在新疆地区,这是由于种子萌发后不同地区水分、盐、光照、土壤存在差异,导致萌发之后胚根胚芽生长存在差异,不同地区气候海拔以及温度存在的差异,导致各种质种子之间生长习性呈现多样化,盐胁迫下生长指标也存在不同。

植物的耐盐性是一个受多种因素影响的较为复杂的综合性状[35],选择不同的耐盐指标可能得出不同的结果[36],不同盐浓度下种子生长指标因品种地区不同存在差异,单一的生长指标不能很好衡量种子耐盐性,应采用综合多种指标评价耐盐性,因此综合指数可以反映出种子耐盐性。13个地区中,综合指数最大在酒泉地区,最小在兰州地区,这是由于不同地区土壤盐分不同导致环境长期筛选的结果。综合指数主要受到鲜质量、发芽率、发芽势、发芽指数的影响,随着这4种生长指标的升高,综合指数也会随之升高。种子发芽率、发芽指数等指标均能反映作物种子发芽期耐盐性的大小[37-38],根据综合指数的多元线性回归分析结果,可以将鲜质量、发芽率、发芽势、发芽指标作为后续试验中测定种质种子耐盐性的重要指标,还可以根据各地区种质不同的特性选择培育方法,通过提高以上4个生长指标达到增强种质种子耐盐性的目的。下一步可以对其不同产地野生芨芨草种子在抗氧化保护酶活性、可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸、MDA 等影响进行研究,以从生理生化角度进一步分析不同产地野生芨芨草耐盐性的生理机理。

4 结论

本试验通过对甘肃、新疆、陕西和内蒙等地采集的野生芨芨草种子采用不同浓度盐(NaCl)溶液[分 别 为0.00% (对 照)、0.30%、0.60%、0.90%、1.20%和1.50%]进行处理,结果表明:不同盐浓度均不利于野生芨芨草种子的萌发,表现在对种子萌芽率、发芽势、发芽指数、胚芽和胚根等都存在不同的抑制作用,而且随盐浓度增大,发芽率、发芽势、发芽指数、胚根长度、胚芽长度及活力指数等越来越低,说明盐浓度越大,越不利于野生芨芨草种子的萌发。

不同采集地的野生芨芨草种子的耐盐性呈现差异,芨芨草种子耐盐性主要通过鲜质量、发芽率、发芽势、发芽指数来体现。不同地区种子耐盐性表现为酒泉＞榆林＞平川＞金昌＞庆阳＞景泰＞张掖＞包头＞巴彦淖尔＞武威＞新疆＞天祝＞兰州。