纤维素基水凝胶调控藜麦种子逆境胁迫下的萌发特性

黄晓帆 程茹 赵娇娇 邱丽娜 包曙光 李政 李明王妍卿 张华颖 姜亚明 谢晓东 曹高燚，4

（1 天津农学院农学与资源环境学院，天津 300392；2 天津工业大学纺织科学与工程学院，天津 300387；3 天津市农业发展服务中心，天津 300061；4 和田职业技术学院，和田 848000）

土壤盐碱化和干旱是造成我国甚至全球农业生产力下降的主要环境因素，土壤盐浓度过高会影响作物生长并导致产量显著降低，而且盐分还会使土壤水分减少进而加剧土壤水分亏缺，造成盐旱复合胁迫[1]。目前随着全球气候变暖以及不合理的开发利用，土地正在加速土壤盐碱化，水资源的匮乏也在加速土壤干旱，因此，提高植物的耐盐性和耐旱性是人们迫切需要解决的问题。

藜麦（Chenopodium quinoaWilld.）是苋科藜属的一年生双子叶草本植物，因为其营养价值高，含有大量必需脂肪酸、维生素和膳食纤维，吸引了全球越来越多的人的关注，而且对于干旱、盐碱、寒冷等逆境显示了突出的抗逆性，被称为“黄金谷物”[2]。虽然藜麦有很强的耐逆性，但盐碱胁迫也会降低藜麦叶片碳和氮的含量，影响植物的光合作用[3]，而且土壤碱度比盐分更有害，较高的碱度使藜麦的生物量和产量显著降低[4]。当干旱胁迫时间延长和干旱程度加剧，藜麦幼苗生长会受到抑制，叶片含水量逐渐降低[5]。

水凝胶是一种通过高分子交联并形成三维网状的特殊结构材料，具有特别好的保水性能，在农业、医学和制药等领域具有广阔的发展前景。由于其生物降解性差，科学家将天然聚合物纤维素的羟基改性，制备了可降解、生物相容性好的纤维素基水凝胶[6]。纤维素基水凝胶凭借其良好的吸水特性，在干旱条件下可以刺激种子发芽，促进作物生长发育，还可以改善土壤特性[7]。目前，关于纤维素基水凝胶的报道多见于保水抗旱、化肥和农药等方面，而在改善藜麦生长发育方面未见报道。本研究通过纤维素基水凝胶浸种和土壤中施用纤维素基水凝胶等方法，探究藜麦种子在不同盐碱胁迫下和干旱环境下的生理特性，为在盐碱化严重、干旱等贫瘠土地上合理种植藜麦提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料供试材料为藜麦品种津藜1 号，由天津农学院提供；纤维素基水凝胶由天津工业大学纺织科学与工程学院提供。

1.2 试验方法

1.2.1 种子萌发试验试验选取籽粒饱满、大小均匀一致的津藜1 号种子，经1%的次氯酸钠消毒10min 后，用无菌水冲洗干净后置于滤纸晾干。将消毒处理后的津藜1 号种子用纤维素基水凝胶分别浸种1h、2h、4h，以未经纤维素基水凝胶浸种处理的种子作为对照。将种子萌发袋等分为4 部分，对应放入等量的种子后，加水润湿纸芯，置于人工气候室。种子萌发期间及时补水保持纸芯湿润，7d 后每种处理和对照随机选取具有代表性的4 株测量藜麦的胚根长和胚芽长。

1.2.2 盐碱胁迫种子萌发试验选取经过消毒处理的种子，分别用蒸馏水和纤维素基水凝胶浸种2h后，用镊子将种子均匀摆放至铺有双层滤纸的发芽盒中，每盒50 粒。选取中性盐300mmol/L NaCl、200mmol/L Na2SO4和碱性盐200mmol/L NaHCO3、200mmol/L Na2CO34 种溶液作为盐碱胁迫处理，以2h 蒸馏水浸种作为对照，每种处理3 次重复。然后置于人工气候室，分别在24h、48h、72h 后统计发芽率，发芽率以种子发芽胚根长大于种子长2 倍作为萌发标准[8]。3d 后每个重复选取3 株幼苗测量胚根长和胚芽长，选取20 株幼苗测量鲜重。

1.2.3 盆栽试验将纤维素基水凝胶与营养土按1∶25 的比例混匀，以没有添加水凝胶的土作为对照。在2 个花盆中以行播的形式播种等量的消毒处理过的藜麦种子，浇上等量且足量的水，置于人工气候室进行萌发试验。3 周后，用植物营养测定仪（TYS-3N）测定叶片叶绿素（SPAD 值）和氮含量（mg/g），每组藜麦幼苗测定重复3 次，连测7d。4 周后，2 个花盆中各选取3 份，每份20 株，测量幼苗根长、株高、以及鲜重和干重下的根冠比。

1.3 数据分析利用Excel 2019 统计数据并进行作图，SPSS 24.0 对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 纤维素基水凝胶浸种对藜麦胚根长和胚芽长的影响纤维素基水凝胶浸种可以促进藜麦幼苗的生长，不同浸种时间处理，藜麦的胚根长和胚芽长多高于未处理对照。在纤维素基水凝胶浸种2h的胚根长度达到最高，与对照组差异达到显著水平（P＜0.05）（图1）。说明对于促进藜麦生长发育以水凝胶浸种2h 效果最佳。

图1 纤维素基水凝胶浸种处理下藜麦的胚根长和胚芽长

2.2 盐碱胁迫下纤维素基水凝胶浸种对藜麦种子的影响

2.2.1 盐碱胁迫下纤维素基水凝胶浸种对藜麦种子萌发率的影响与对照相比，纤维素基水凝胶处理提高了藜麦种子24h 后在NaCl 胁迫下的发芽率（图2A），但是没有达到显著性水平；在Na2SO4胁迫下，纤维素基水凝胶浸种没有明显改善藜麦种子的发芽率（图2B）。在NaHCO3碱性盐胁迫处理下，第1、2、3 天水凝胶浸种下的发芽率与蒸馏水浸种下相比，均显著提高了藜麦种子的发芽率，分别提高了90.14%、72.47%、31.73%（图2C）。由 于Na2CO3对藜麦种子的影响较为严重，无法满足发芽标准，没有进行发芽率的统计。一定浓度的中性盐胁迫对藜麦种子影响较小，而碱性盐对藜麦种子的影响较大，通过纤维素基水凝胶浸种可以提高藜麦种子在NaHCO3胁迫下的发芽率。

图2 盐碱胁迫下纤维素基水凝胶浸种对藜麦种子发芽率的影响

2.2.2 盐碱胁迫下纤维素基水凝胶浸种对藜麦胚根长和胚芽长的影响与蒸馏水浸种相比，纤维素基水凝胶浸种显著提高了在中性盐NaCl、Na2SO4胁迫下藜麦胚根长和胚芽长，其中在NaCl 胁迫下，藜麦胚根长度提升最为显著，提高了110.97%（图3A，B）。但在碱性盐胁迫下，藜麦的胚根长和胚芽长并没有显著增加，而且由于Na2CO3胁迫处理对藜麦发芽影响较为严重，导致在该胁迫下藜麦种子没有表现出胚芽的生长。

2.2.3 盐碱胁迫下纤维素基水凝胶浸种对藜麦幼芽鲜重的影响与对照组相比，在盐碱胁迫处理下，纤维素基水凝胶浸种提高了藜麦幼芽鲜重，但在NaHCO3和Na2CO3碱性盐胁迫下差异未达到显著水平，在NaCl 和Na2SO4中性盐胁迫下达到显著差异，分别提高了38.18%、18.00%（图4）。

图4 盐碱胁迫下纤维素基水凝胶浸种对藜麦幼芽鲜重的影响

2.3 纤维素基水凝胶处理缓解藜麦幼苗干旱胁迫下的生长状况在土壤中施用纤维素基水凝胶后，藜麦种子比对照组萌发更早（图5A），可促进藜麦幼苗的生长发育，增加了幼苗根长且显著增加了幼苗株高（图5B，C）。根冠比是指植物地上部分与地下部分干重或鲜重的比值，它的大小反映了植物地上部分与地下部分的相关性。与对照组相比，处理组的根冠比较低，且干重根冠比显著降低（图5D）。对藜麦幼苗叶片进行1 周的叶绿素和氮含量的测定，处理组叶绿素和氮含量均表现出先降低后缓慢升高的趋势，且第7 天与第1 天相比，叶绿素含量增加了14.38%（图5E），氮含量增加了12.21%（图5F）；而对照组叶绿素含量降低了7.05%（图5E），氮含量降低了6.22%（图5F）。以上数据分析表明，土壤中施用纤维素基水凝胶能够降低干旱胁迫对藜麦幼苗的伤害，提高抗逆性。

图5 土壤中施用纤维素基水凝胶对干旱胁迫下藜麦幼苗的影响

3 讨论与结论

土壤盐碱化是导致全球农作物产量大幅减少的主要因素之一[4]，盐碱胁迫主要通过渗透胁迫和离子失衡影响植物的生长发育，植物吸收了过量盐离子后，吸收水分能力下降[9]。盐碱胁迫会影响植物的整个生长发育过程，藜麦虽然耐盐碱，但萌发期和苗期耐盐碱能力较弱，因此研究如何提高藜麦种子在盐碱地的萌发率很有意义。本研究表明，盐碱胁迫会降低藜麦种子的发芽率，抑制藜麦种子的生长发育，经纤维素基水凝胶处理后能够改善盐碱胁迫对种子造成的伤害，提高了发芽率、胚根和胚芽长以及幼芽鲜重的积累。目前关于纤维素基水凝胶对植物的影响鲜有报道，但有不少研究通过外源褪黑素、赤霉素、NaHS 等浸种剂处理种子后提高盐碱胁迫下植物种子的发芽率。王明瑶等[10]研究发现褪黑素浸种可以缓解不同浓度的盐碱胁迫对大豆种子发芽的抑制作用，姜若超等[11]研究发现赤霉素浸种是影响滇油杉种子发芽性状的主导因子，能够极显著地提高种子发芽率。刘建新等[12]研究发现适宜浓度的NaHS 浸种裸燕麦种子处理，提高了种子的发芽率，促进萌发苗生长。还有研究表明用藜麦种子表面的皂苷提取液浸种，能够缓解藜麦种子萌发过程中盐胁迫造成的影响，提高了盐胁迫下种子的萌发率[13]。

纤维素基水凝胶可以作为一种保水剂，具有超强吸水能力，能够吸收并保持的水分可以达到自身重量的几千倍，当土壤水分减少时释放的水分可以保证植物在遇到干旱胁迫时进行正常生理活动[14-16]。本研究在土壤中施用纤维素基水凝胶后有利于藜麦种子更早萌发，并通过增加藜麦幼苗的根长和株高、降低幼苗根冠比和提高幼苗叶片的叶绿素含量和氮含量，进而缓解了干旱胁迫对藜麦幼苗的损害。也有研究表明土壤中施用其他保水剂促进植物的生长发育或者缓解干旱胁迫对植物的影响。仝亚娜等[16]通过施用γ-聚谷氨酸水凝胶，提高了草莓的假茎粗，改善了草莓的生长水平、产量和果品质。董成武等[17]通过施用新型复合保水剂，显著提高了干旱胁迫下小麦幼苗的叶绿素含量，提高了小麦的光合作用，保证了小麦正常的生理代谢活动。作为一种有效的土壤保水剂，氧化石墨烯可以阻止土壤水分蒸发，减轻干旱胁迫对凤仙花的伤害，增加株高，增强抗氧化酶活性和光合作用[18]。

种子萌发是植物完成生长发育的首要条件[19]，但种子萌发和幼苗生长时期是对逆境很敏感的阶段，比如盐分会对作物的萌发和幼苗的发育有很大的影响，通过增强种子耐逆性可以缓解胁迫对种子萌发过程中不利的生理生化变化[20]。本研究通过纤维素基水凝胶浸种处理2h，缓解了不同盐碱胁迫下对藜麦种子的不利影响，具体表现在发芽率、胚根长、胚芽长和鲜重升高，增加了幼苗生物量。在土壤中施用纤维素基水凝胶后，更有利于藜麦种子萌发，最终增加了藜麦幼苗的根长和株高、降低了幼苗根冠比，提高了幼苗叶片的叶绿素含量和氮含量，减轻了干旱胁迫对藜麦幼苗的损害。因此纤维素基水凝胶浸种处理和通过土壤中施用水凝胶处理可以改善盐碱胁迫和干旱胁迫环境下藜麦的生长，可以为藜麦在盐碱和干旱地区的推广种植提供理论依据。