8种盐生植物种子萌发特征与NaCl盐度的关系

刘 群,彭 斌,田长彦,赵振勇,王 雷,王守乐

1 中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011 2 中国科学院大学, 北京 100049

土地盐渍化是全球共同面临的生态问题。我国是盐碱地大国,盐渍化土地面积约为3.67×107hm2[1]。新疆作为我国最严重的盐渍化地区之一,盐渍土地面积达2.33×106hm2占全疆灌区耕地面积的37.7%。南疆地区盐渍化面积更是占到耕地面积的49.6%,其中27.68%为中度、重度盐渍化[2—3],土地盐渍化严重制约了当地农业和经济社会的发展。

目前国内外盐渍土地的改良方法主要有化学、生物以及水利工程改良[4—5],大量研究表明培育和利用盐生植物改良盐渍土地是最经济有效的措施之一[6—9]。盐生植物是一种天然具有抗逆功能的植物,具有较强的抗盐、抗旱能力[10]。目前,用于盐碱地改良的盐生植物主要分为真盐生植物和泌盐植物两种类型,前者的叶、同化枝或茎形成肉质化,通过贮存大量水分稀释吸收到体内的盐离子;而后者依赖于叶片或茎部的盐腺或盐囊泡将吸收到体内的盐分排出体外[11]。种子萌发时期是对逆境最敏感的时期[12—13],盐生植物种子能否在盐渍土地上健康发芽是决定其能成功种植的关键。不同盐生植物萌发期对盐度的耐受限度不同,同种植物在不同盐度下的萌发率也不同。如尖叶盐爪爪(K.cuspidatum)的种子在200 mmol/L下萌发率能达到45%,而K.sinicum在浓度为 300 mmol/L下萌发率几乎为零[14]。Suaedamaritime的种子能在海水(约595 mmol/L NaCl)中萌发[15],Salicorniarubra的种子甚至在1000 mmol/L的NaCl溶液中仍能萌发[16]。Katembe[17]对比两种藜科植物种子在NaCl和等渗浓度PEG溶液中的萌发,发现NaCl处理更能抑制萌发。而杨景宁研究表明,轻度的NaCl胁迫对萌发具有一定的促进作用,提高了高碱蓬和驼绒藜的发芽速度和整齐度[18];Glenn等通过对800多种盐生植物的筛选,最终得到20余种耐盐性较强的盐生作物,其中盐角草属贝齐罗比(SalicorniabigeloviiTorr.)耐盐能力最强,但这种植物只适合在沿海滩涂地区种植[19]。

以往盐渍地生物改良研究主要集中于沿海地区和北疆氯化物—硫酸盐为主的盐渍土地区[20—21],而对于南疆部分重度氯化物盐渍土地的生物改良还少有报道[22],多种盐生植物的萌发适宜阈值还未见有报道。因此,本试验以具有典型生物改良效果的8种盐生植物种子为对象,拟探究单盐NaCl胁迫对其种子萌发的影响,为新疆地区耐盐种质资源筛选和氯化物盐渍化土地生物改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验以真盐生植物种子:囊果碱蓬、盐地碱蓬、高碱蓬、盐角草、盐爪爪,泌盐植物种子:大叶补血草、耳叶补血草、黄花补血草为试验对象。所需种子于2019年10月采集自新疆维吾尔自治区克拉玛依农业开发区盐生植物园(东经85°0′27″,北纬45°26′14″)。取样地点土壤盐分主要为氯化物-硫酸盐(表1)。种子成熟后用牛皮纸信封取回并置于4℃冰箱保存备用。前人报道,部分盐生植物为应对严酷或不可预测环境进化出了多种种子形态,不同形态的种子萌发率不同[23]。如相同生境下,盐角草有翅状附属物的大种子萌发率是无附属物小种子的3—4倍[24—25];高盐度下,盐地碱蓬棕色种子萌发率是黑色种子的2—3倍[26—27]。本试验中均选择盐生植物耐盐性较强的种子,即盐地碱蓬、高碱蓬选择棕色种子,盐角草选择有翅状附属物的大种子。为避免发霉对试验造成影响,试验前除去杂质,后用75%酒精消毒10 s,用蒸馏水反复冲洗后实验。

表1 8种盐生植物取样地点土壤盐分构成Table 1 Soil salt composition at sampling sites of eight halophytes

1.2 研究方法

以单盐NaCl为盐胁迫条件,设50、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000 mmol/L 13个浓度梯度,以蒸馏水为对照(CK)。选取大小一致、形态相似且饱满的种子,将双层滤纸平铺于内径90 mm的培养皿底部。每皿均匀放置种子25粒,设置4次重复。每皿加入7 mL NaCl溶液,盖上培养皿盖后用封口膜(Parafilm)封口以防止水分蒸发。将培养皿置于25℃光照14 h、10℃黑暗10 h的人工气候培养箱中培养,相对湿度控制在60%。于每日16:00—19:00统计种子萌发数(以胚根伸出长度不小于种子长度1/2为发芽标准),并将已萌发种子移除,连续记录16 d后结束。

1.3 测定指标

发芽率=萌发数/供试种子数×100%

发芽势=前6天种子发芽总数/供试种子数×100%[12]

萌发指数=∑(第t天种子发芽数/相应的萌发天数t)

相对盐害率=(CK发芽率—处理发芽率)/CK发芽率×100%

耐盐适宜浓度:发芽率达对照发芽率75%时的盐浓度

耐盐半致死浓度:发芽率达对照发芽率50%的盐浓度

耐盐极限浓度:发芽率达对照发芽率10%的盐浓度[28]

发芽速率:∑(Gi/Ti)

(Gi表示第i天种子发芽率,Ti表示萌发统计的第i天)[29]

1.4 数据处理

试验数据用Excel 2016软件整理统计,取4次重复数据的平均值±标准差,计算相应指标。利用SPSS 19.0进行单因素方差分析和差异显著性检验(α=0.05),Duncan法多重比较(P<0.05);GraphPad Prism 8.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 NaCl盐度对盐生植物种子发芽率的影响

从表2可以看出,不同盐度对8种盐生植物萌发大致表现为低浓度促进高浓度抑制,抑制程度随溶液浓度的升高而增大,但不同植物对盐胁迫的响应程度不同。盐度为50 mmol/L时,8种植物萌发率均高于CK,且囊果碱蓬、高碱蓬、盐爪爪、大叶补血草、耳叶补血草、黄花补血草在此盐度下萌发率达到最高。盐地碱蓬和盐角草分别在100 mmol/L和300 mmol/L时萌发率达最高,相比CK分别高出14.5%和17.1%,差异显著(P<0.05,下同)。说明低盐度环境一定程度上能够促进真盐生植物和泌盐植物种子的萌发;盐度升至500 mmol/L时,真盐生植物盐地碱蓬、高碱蓬和囊果碱蓬萌发率显著降低,分别为CK的62.3%、52.2%和34.2%。而此浓度下3种泌盐植物萌发率均已不足其对照的10%,差异极显著,说明中高盐度胁迫下真盐生植物比泌盐植物表现出更强的萌发耐盐性。盐度大于 250 mmol/L后,盐角草的萌发率始终高于其他7种植物,甚至在1000 mmol/L盐度下其萌发率仍能达到54.0%,而此盐度下其他植物萌发率已接近零或已为零。

表2 不同盐度NaCl胁迫对盐生植物种子发芽率的影响/%Table 2 Effect of NaCl stress on germination rate of halophytes

2.2 NaCl盐度对盐生植物种子发芽势的影响

发芽势表示种子的生活力及发芽整齐度情况。由表3可知,盐度在≤50 mmol/L时,泌盐植物耳叶补血草发芽势最高。100 mmol/L盐度下,3种泌盐植物的发芽势较CK均显著降低。300 mmol/L时,5种真盐生植物发芽势均在39%以上,盐角草最高,达89%,而3种泌盐植物发芽势均已不足15%。500 mmol/L时,真盐生植物囊果碱蓬、盐地碱蓬、高碱蓬和盐角草发芽势高于20%,盐爪爪及泌盐植物大叶补血草、耳叶补血草发芽势已降为0。结果表明,中高盐度下真盐生植物的种子生活力要大于泌盐植物,其中盐地碱蓬、盐角草种子的生活力更高,超高盐度(>800 mmol/L)下仅有盐角草耐受性较好,这一结果与发芽率结果相似。

表3 不同盐度NaCl胁迫对盐生植物种子发芽势的影响/%Table 3 Effect of NaCl stress on seed germination potential of halophytes

2.3 NaCl盐度对盐生植物种子发芽指数的影响

萌发指数是种子的活力指标。如表4所示,随盐度的升高,两种类型种子萌发指数变化相似,但也有所差异。其中耳叶补血草、黄花补血草在盐度为0时萌发指数最高,囊果碱蓬、盐地碱蓬、大叶补血草在盐度为50 mmol/L时达到最高,高碱蓬、盐角草、盐爪爪在100 mmol/L时达到最大值。相比于其他真盐生植物,盐角草种子发芽指数虽较低,但萌发持续而分散,说明其对中高盐度有较好的适应性和耐逆性。

表4 不同盐度NaCl胁迫对盐生植物种子发芽指数的影响/%Table 4 Effect of NaCl stress on seed germination index of halophytes

2.4 NaCl盐度对盐生植物种子萌发进程和萌发速率的影响

萌发进程和萌发速率可以衡量种子的受胁迫情况。图1表明,NaCl对8种盐生植物种子萌发进程影响相似,随盐度的升高,初始萌发时间和萌发高峰时间均不同程度地向后推迟,浓度越高,萌发越困难。由图2可知,低盐度≤200 mmol/L时,囊果碱蓬的萌发占据优势,其萌发速率大于其他植物且差异显著。中盐度400 mmol/L左右时,盐地碱蓬和盐角草萌发最快,二者无显著差异。盐度≥600 mmol/L时,盐角草萌发速率较快,相比其他植物差异显著。同一物种不同盐度下比较结果表明,8种植物萌发速率大致表现为随盐度增大而下降。盐度≤400 mmol/L时,盐地碱蓬、盐角草萌发速率与CK相比无显著差异,600 mmol/L时,除盐角草之外的7种植物萌发速率均显著降低。

图1 不同盐度NaCl胁迫对盐生植物种子萌发进程的影响Fig.1 Effects of NaCl stress with different salinity on seed germination progress of halophytesCK: 对照

2.5 NaCl盐度对盐生植物种子相对盐害率的影响

图3表明,两种耐盐类型植物种子在不同盐度下受害率不同。200 mmol/L时,对盐地碱蓬、高碱蓬、盐角草、盐爪爪相对盐害率影响不显著,而此浓度下大叶补血草、耳叶补血草、黄花补血草的相对盐害率分别达到41.6%、60.42%和51.22%,差异显著。400 mmol/L时,5种真盐生植物的相对盐害率分别达到62.03%、13.43%、13.04%、-8.82%和50%;而3种泌盐植物的盐害率已分别达86.11%、92.71%、90.24%,差异极显著;盐度800 mmol/L时,仅有盐角草表现出了较强的抗逆能力,受害率为15.79%,其余4种真盐生植物受到的盐害率均已大于70%,3种泌盐植物已受到完全的胁迫抑制而未能萌发。

图3 不同浓度NaCl对盐生植物种子相对盐害率的影响Fig.3 Effects of NaCl stress at different concentrations on relative salt damage rate of halophyte seeds

2.6 NaCl盐度与盐生植物发芽率的相关关系

基于NaCl浓度和种子发芽率建立的线性回归方程表明:除盐角草外,7种植物萌发率和NaCl浓度均表现出显著负相关关系,即萌发率随NaCl浓度的升高而降低(表5)。两种耐盐类型的植物种子耐盐阈值有所差异, 5种真盐生植物的耐盐适宜浓度、耐盐半致死浓度、耐盐极限浓度均高于3种泌盐植物,综合比较得出8种植物萌发期耐盐能力:盐角草>盐地碱蓬>高碱蓬>囊果碱蓬>盐爪爪>大叶补血草>黄花补血草>耳叶补血草。

表5 8种盐生植物种子发芽率与NaCl盐度相关性分析Table 5 Correlation analysis between seed germination rate and NaCl Salinity of 8 Halophytes

3 讨论

种子萌发是植物生长过程中最重要的阶段,也是植物对逆境反应最敏感的时期,种子能正常萌发是盐生植物完成自身生活史、建立种群的关键[12,25]。 NaCl作为氯化物盐渍土中的主要盐分,对种子萌发的抑制作用既有离子毒害,又有渗透胁迫效应[30]。Khalid和Huang等研究发现,高浓度的盐胁迫能够诱导鹰嘴豆、梭梭种子休眠,抑制了种子萌发[31—32];也有研究发现低浓度的盐处理能促进部分植物种子的萌发[12]。本研究通过测定两种不同耐盐机制的8种盐生植物种子在不同NaCl盐度胁迫下的萌发特性,发现低盐度(NaCl浓度≤100 mmol/L)下盐生植物萌发差异不大,随着盐度的上升,萌发率表现出真盐生植物高于泌盐植物。通过线性回归分析表明,真盐生植物萌发受抑制的阈值要高于泌盐植物,其耐盐适宜性和耐盐极限程度均大于泌盐植物,这一结果与赵可夫等在盐地碱蓬、滨藜、獐毛等植物的研究结果相似[33]。推测这是由于两种植物适应逆境的方式不同,泌盐植物萌发阶段未分化出茎、叶等排盐器官,不能将多余盐分有效排出体外。而另5种真盐生植物适应胁迫的手段主要是通过液泡吸盐、积累盐分进行渗透调节,无需“排盐”器官,故其耐盐能力表现要大于泌盐植物。另外,Khan等先前在盐角草和盐穗木的种皮中发现了离子的区隔化[34]现象,这也是其适应盐渍环境的重要机制,而这种机制在泌盐植物中还尚未有见报道。本研究中,盐角草表现出了极强的耐盐能力,在盐度1000 mmol/L时,其发芽率仍能达到54%左右,且具有发芽指数低,萌发持续而分散的特点,这是由于其种皮的离子区隔化作用[34]和液泡特殊的Na+多区室化机制[35]使其具有高耐盐性。

当盐度大于300 mmol/L时,随盐度的上升,除盐角草外的7种盐生植物的发芽率、发芽势和发芽指数均显著降低,说明7种植物种子萌发分别受到了不同程度的盐胁迫伤害,推测这是由于过高浓度的NaCl溶液导致细胞渗透作用过强,细胞质膜遭到破坏,导致细胞内离子失调、失水过多,进而使得种子萌发受到抑制[18]。高奔等[36]以盆栽浇灌的方法研究囊果碱蓬出苗对不同浓度NaCl的响应,结果发现在NaCl浓度为200 mmol/L时出苗率最高,为74%,而本研究相同盐度下萌发率仅为59%,推测认为这是由于单盐条件下NaCl加大了离子毒害效应,复合盐或盐渍土壤环境中对种子萌发的危害要小于单盐[37]。除此之外,试验发现在盐度为50 mmol/L时8种盐生植物种子萌发率均大于CK,说明较低浓度的NaCl胁迫促进了盐生植物种子的萌发,这一结果与李志萍[12]、杨景宁[18]、Orlovsky[25]等在栓皮栎、碱蓬、盐角草等植物的研究结果相似,这由于植物种子从NaCl溶液中吸收Cl—或Na+,增加了细胞液浓度,降低了细胞水势,使种子吸水能力提升,形成补偿效应[38]从而促进了种子萌发,亦是微量Na+对呼吸酶有一定刺激作用,从而加速了种子萌发[39]。

随着盐度的升高,8种盐生植物的初始萌发和萌发高峰时间均推迟,其萌发策略大致分为 “快速型”和“缓慢型”两种。如囊果碱蓬、高碱蓬、盐角草、黄花补血草仅在4—6天就完成了萌发,而盐地碱蓬、盐爪爪、耳叶补血草、大叶补血草在8—12天才完成萌发。前者快速的萌发机制使得其在降水量极为有限的荒漠或极端盐碱生境中,种子能够把握住有限时间快速萌发,扎根生存,从而维持种群的繁衍,相似机制在猪毛菜中有过报道,猪毛菜的异型性大种子甚至可以在吸涨后的0.5小时内萌发[40,41];而后者盐爪爪、大叶补血草等植物则是采用均衡且缓慢的“谨慎型”策略,10天左右完成萌发。此种萌发方式可以防止种子在逆境中一次萌发全部受害,减小种群灭绝的风险,逐渐为种群争取生存的机会,此种策略与异子蓬黑色种子[42]、角果碱蓬[43]黑色种子的“低风险萌发策略”相似。萌发策略也与本研究下该物种异型性种子的选择有关[24,26]。

盐生植物的种植对盐碱地改良有着积极作用,确保改良物种适合盐渍地的环境有利于改良物种潜能的发挥。Wang等在北疆克拉玛依三年大田实验表明,盐地碱蓬的种植显著降低了盐渍土中Na+和Cl—含量[8];另有研究发现盐地碱蓬能有效吸收硫酸盐或氯化物-硫酸盐盐渍土中的SO42—[44];通过盐生植物和棉花间作不仅减少了盐碱地中的盐分积累,还能提高土壤理化性质和作物生产力[45]。目前新疆盐渍化耕地除克拉玛依呈下降趋势外,其余各地区仍呈增长趋势[2],南疆地区以氯化物为主的中度(含盐1%—2%)、重度(含盐2%—3%)盐渍化土地较多[2,22]。本试验通过对典型盐生植物的萌发耐盐筛选,发现盐角草耐盐适宜浓度大于900 mmol/L(氯化钠盐5.26%),具有重度盐渍土种植和改良潜力;盐地碱蓬、高碱蓬耐盐适宜浓度大于400 mmol/L(氯化钠盐2.34%),具有中度盐渍土种植和改良潜力;囊果碱蓬、盐爪爪大于190 mmol/L(氯化钠盐1.11%),具有轻度盐渍土改良潜力;大叶补血草、耳叶补血草、黄花补血草大于80 mmol/L(氯化钠盐0.47%)适合更为轻微的盐渍土地种植。对南疆地区以氯化物为主的盐渍土地生物改良具有一定指导意义,但本研究不能完全代表大田种植实际情况,还有待于进一步进行大田耐盐种植试验。

综上所述,8种盐生植物对NaCl盐均有一定抵抗能力,一定浓度的盐分对萌发有促进作用;真盐生植物萌发阶段的耐盐性强于泌盐植物;逆境下盐生植物大致通过“快速型”和“缓慢型”两种萌发策略延续生存;8种盐生植物均有作为氯化物为主盐渍土生物改良材料的潜力。