干旱和盐碱胁迫对两个品种番茄种子萌发的影响

文丹丹, 何浩浩, 王鑫超, 张晴晴, 王婷婷, 黄文娟,2,

(1.塔里木大学生命科学与技术学院, 新疆 阿拉尔 843300;2.塔里木盆地生物资源保护利用省部共建国家重点实验室, 新疆 阿拉尔 843300;3.塔里木大学农学院, 新疆 阿拉尔 843300; 4.塔里木大学园艺与林学学院, 新疆 阿拉尔 843300)

在自然界中存在着大量的逆境胁迫因素,这些因素会在一定程度上影响植物的生长,其中最常见的两种因素是高盐和干旱,高盐胁迫和干旱胁迫不仅会影响作物的产量,而且过度的盐胁迫和干旱胁迫会对植物造成不可逆的致死性伤害[1]。植物对高盐和干旱环境的适应是一个很复杂的过程,研究植物种子对盐胁迫和干旱胁迫的响应是探索这一复杂过程的基础。

番茄(SolanumlycopersicumL.)是茄科(Solanaceae)番茄属(SolanumL.)一年生草本植物,含有多种营养成分,有较丰富的维生素、无机盐、碳水化合物、有机酸及少量蛋白质、脂肪。特别是所含的维生素C、维生素B2是苹果的2倍,脂肪、维生素B1相当于苹果的3倍,胡萝卜素则高于苹果4倍,烟酸含量为果菜之冠;钙、磷、铁、硼、锰、铜等含量丰富;此外还含有谷胱甘肽、番茄素、番茄碱和柠檬酸、苹果酸等活性物质[2]。黄虎皮和绿罗成2个番茄品种在东北地区生长,具有糖分含量高、口感好、皮薄肉厚等优良性状,是极佳的鲜食品种。南疆地区市场上的番茄以红色品种为主,还有少量黄色品种。

南疆属于干旱盐碱地区,年平均温度较低(10 ℃左右),空气干燥,夏季4—6月多风。降雨量少,年仅60 mm左右。蒸发量大,年可达2 500 mm左右。年日照时数达2 800 h[3]。本研究通过室内发芽试验的方法,设置不同浓度梯度的盐碱和PEG-6000溶液模拟不同程度的盐胁迫和干旱胁迫,在单因素下,对黄虎皮和绿罗成番茄的种子萌发规律进行比较,探究其对南疆地区干旱和盐碱化土壤的适应性,为进一步在南疆种植该番茄品种提供前期参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验分别选用大小均匀、颗粒完整的黄虎皮和绿罗成番茄种子。野外采集盐壳,溶于水后经过滤、烘干,研磨得到白色盐碱粉末。

1.2 试验方法

先用浓度3%的次氯酸钠(NaClO)溶液浸泡种子5 min,进行消毒,之后用自来水清洗3遍,再用蒸馏水清洗3遍,随后用蒸馏水浸种4～6 h,浸种结束捞出,分散放置于铺有3层滤纸的培养皿中在恒温培养箱进行培养[4]。每个培养皿40粒种子,分别滴加6 mL浓度为0(ck),5%,10%,15%,20%,25%的PEG溶液,0(ck),0.25%,0.5%,0.75%,1%,1.25%的盐碱溶液润湿滤纸[5]。每个浓度设置3个重复。处理后将培养皿放置在恒温培养箱进行萌发。设置参数为:温度 25 ℃/15 ℃(昼/夜),光照12 h/12 h(昼/夜),湿度为50%。从第2天开始每隔1d定时向每个培养皿加入蒸馏水补充蒸发掉的水分,每隔3 d换一次滤纸。每天定时观察并记录每个培养皿的种子发芽个数(以种子胚根长度达到种子长度1/2作为发芽标准),待发芽高峰期过后,如果连续3 d内无种子发芽视为萌发结束[6]。

1.3 测定指标

发芽率/%=(发芽种子的总数/供试种子总数)×100%[3];

发芽势/%=(发芽高峰期发芽的种子数/供试种子总数)×100%[3];

平均发芽速度=∑(D×n)/∑n,D为种子置床之日起的天数,n为相应各日正常发芽粒数[3];

发芽指数=∑(Gt/Dt),Gt代表第t天发芽的种子数,Dt代表相应的发芽天数[3];

活力指数=发芽指数(GI)×胚根长[8];

平均发芽速率=(∑D×n)/∑n,D为种子置床之日起的天数,n为相应各日正常发芽粒数[8];

含水率/%=[(Wf-Wd)/Wd]×100%,Wf为鲜重(g);Wd为干重(g)[1](种子发芽培养结束后)。

1.4 数据处理

使用SPSS软件对数据进行标准误和方差分析;用Excel2016和Origin软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子萌发的影响

在植物学研究中,发芽势、发芽率、发芽指数是反映种子质量优劣的主要指标[9]。发芽势高的种子播种后出苗快速、整齐,发芽率和发芽指数高,表示种子生活力强。

2.1.1不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子发芽率的影响

由图1可知,随PEG-6000浓度的升高,绿罗成和黄虎皮发芽率均呈下降趋势。5%,10%,15%三个浓度处理的绿罗成种子发芽率较对照组分别下降19.17%,39.17%和60%;黄虎皮发芽率较对照组发芽率分别下降12.5%,20.83%,48.33%。20%和25%的PEG-6000浓度处理时,绿罗成和黄虎皮发芽率较对照组都出现断崖式下降。其中绿罗成分别下降61.67%,62.5%,黄虎皮分别下降90.83%,93.33%。

图1 不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子发芽率的影响

当PEG浓度为25%时,2个品种番茄种子皆不发芽,这说明对两品种番茄种子萌发产生显著抑制(p<0.05)。当PEG浓度>15%时,黄虎皮发芽率低于50%。从对照组来看,绿罗成发芽率较黄虎皮发芽率低30.83%。说明,当PEG浓度达到15%,会对黄虎皮发芽率产生显著性抑制。而绿罗成整体发芽率比黄虎皮低,说明绿罗成种子生命活力差,耐干旱能力弱。

2.1.2不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子发芽势的影响

由图2可知,当PEG浓度≥15%时,2个番茄品种发芽势出现显著变化,皆在整体发芽高峰期后才进行萌发,发芽势均为0。绿罗成的发芽势随PEG浓度的上升整体呈下降趋势,黄虎皮发芽势随PEG浓度的增加呈先上升后下降的趋势。绿罗成5% PEG处理后,较对照组低24.17%;10% PEG处理后,较对照组低30.84%。黄虎皮10% PEG处理组较对照组降低25.83%,较5%处理组显著下降35%(p<0.05)。5% PEG处理时发芽势较对照组高9.17%。绿罗成对照组发芽指数低于黄虎皮发芽势10%。从发芽势来看,黄虎皮的耐旱程度比绿罗成好。

图2 不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子发芽势的影响

图3 不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子发芽指数的影响

2.1.3不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子发芽指数的影响

整体上来看,黄虎皮和绿罗成的发芽指数随PEG-6000浓度的增加而递减。发芽指数的最大值都出现在对照组,且绿罗成较黄虎皮低2.75。随PEG浓度升高,与对照相比,黄虎皮发芽指数分别下降0.81,2.38,4.21,而绿罗成分别下降1.67,2.84,3.87。黄虎皮在20% PEG处理时,种子发芽指数显著下降(p<0.05),较对照组下降6.63。绿罗成20% PEG处理时,种子发芽指数显著下降(p<0.05),较对照组下降3.95。当PEG浓度为25%时,绿罗成和黄虎皮发芽指数均为0。说明,绿罗成对PEG干旱胁迫敏感性强于黄虎皮。

2.1.4不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子发芽时间与平均发芽速率的影响

由表1可知,当PEG浓度增加时,与对照组相比,绿罗成种子的萌发起始时间有所延迟,其中5% PEG处理与对照组差异极微。PEG浓度≥10%,绿罗成种子萌发起始时间延迟1～3 d,同时萌发高峰期会推迟1～2 d;黄虎皮种子的萌发初期与对照组相比往后推延1～5 d,而萌发高峰期后延0～3 d。

表1 不同浓度PEG溶液处理下2个品种番茄种子发芽时间与平均发芽速度

当PEG溶液浓度≤10%时,绿罗成种子发芽平均速度随着PEG浓度的增加而增加。黄虎皮随着PEG浓度升高,平均发芽速度数值增大,说明种子的出芽速度减慢,即种子的发芽能力受到抑制。当PEG溶液浓度≥15%,平均速度为7.00 d,相比对照组,二者增加明显,说明种子出芽被抑制。当PEG浓度为20%时,当PEG浓度为25%时,二者皆不发芽,说明种子萌发被完全抑制。整体上来看黄虎皮比绿罗成先发芽,发芽速度较快。

2.1.5不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子萌发的毒害作用

在15%,20%,25% PEG处理组连续3 d发芽总数为0后,在实验第11天为验证PEG对该番茄种子萌发是否存在毒性,进行复水实验,以蒸馏水培养。随着PEG浓度的上升,绿罗成发芽率复水后相比复水前分别增加13.33%,30.83%,36.67%,37.5%,26.67%,49.17%,其中25%PEG浓度复水前后增长最大。黄虎皮发芽率复水后比复水前分别增加3.33%,9.17%,15%,48.33%,91.67%,92.5%,可明显看出,当PEG浓度≥20%时,复水后发芽率爆发式增长。从图4、图5可直观看出,在同等14 d的时间内,黄虎皮几乎全部发芽,绿罗成发芽总数低于黄虎皮,说明黄虎皮整体发芽率优于绿罗成,PEG溶液对绿罗成和黄虎皮种子的生长只存在抑制,几乎无毒害作用。

图4 不同PEG浓度处理对绿罗成种子的毒害作用

图5 不同PEG浓度处理对黄虎皮种子毒性的影响

2.1.6不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子发芽进程的影响

图6反映的是不同浓度PEG处理下,绿罗成种子的发芽进程 。试验前3 d,所有种子未发芽。在3 d之后,对照组发芽总数持续上升,明显优于其他处理组。在试验第5天,绿罗成种子0.5%的PEG浓度处理下,出现萌发高峰期,10%,15%的PEG浓度处理下,种子萌发高峰期推迟至第6天,20%的PEG浓度处理下,种子萌发高峰期推迟至第7天,说明随着PEG浓度的增大,绿罗成种子萌发随之延迟。15%,20%的PEG浓度处理下萌发数极低,25%的PEG浓度处理下,种子未发芽,说明当浓度高于15%会极大抑制种子发芽。

图6 不同PEG浓度处理下绿罗成种子发芽进程

图7可见,试验前2 d,所有处理均未发芽。在实验第3天开始,随着PEG浓度的升高,发芽总数逐渐降低,说明高浓度对黄虎皮种子发芽有抑制作用。在实验第5天,黄虎皮种子达到萌发高峰期,而5%和10%的PEG浓度处理下,萌发高峰期与对照组无差异。15%和20%的PEG浓度处理下,黄虎皮种子萌发高峰期分别推延至第7天和第8天。而在第4天,PEG浓度为5%的处理组发芽总数略高于对照组,并且PEG为5%的浓度下,黄虎皮种子与对照组发芽情况相差不大,说明黄虎皮种子可能耐轻微干旱。PEG为25%的浓度处理下,种子整个过程未发芽。

图7 不同PEG浓度处理下黄虎皮种子发芽进程

2.1.7不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子含水率的影响

由图8可看出,随PEG浓度升高,绿罗成和黄虎皮种子含水率随之下降。与对照组相比,当PEG浓度为5%时,含水率基本无差别。整体上黄虎皮下降趋势较绿罗成更为明显。当PEG浓度≥15%时,黄虎皮含水率出现明显下降,分别下降12.56%,14.76%,15.50%。当PEG浓度≥10%时,绿罗成含水率出现明显下降,分别下降1.06%,1.45%,2.38%,5.36%。黄虎皮对照组含水率高于绿罗成对照组含水率1.49%,当PEG浓度≥15%时,黄虎皮和绿罗成出现显著差异。黄虎皮含水率分别高于绿罗成12.59%,13.87%,11.63%。

图8 不同PEG浓度处理对2个品种番茄种子含水率的影响

2.2 不同盐碱溶液对2个品种番茄种子萌发的影响

2.2.1不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子发芽率的影响

由图9可知,随着盐碱浓度的升高,绿罗成发芽率呈现ck>0.5%>0.25%>0.75%。说明低浓度(0.5%)的盐碱对绿罗成发芽率起促进作用。而当盐碱浓度>1%时,绿罗成发芽率与对照组相比差异显著(p<0.05),说明种子发芽被抑制。相比对照组,0.25%,0.5%,0.75%,1%的盐碱浓度处理下,黄虎皮发芽率在90%以上,在1.25%的盐碱浓度处理下,发芽率低于90%,说明实验中最高浓度对黄虎皮发芽率有轻微抑制作用。整体上黄虎皮发芽率优于绿罗成种子发芽率,也更耐盐碱。

图9 不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子发芽率的影响

2.2.2不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子发芽势的影响

2个品种番茄发芽势均随盐碱浓度升高而呈现下降趋势(图10)。与对照组相比,0.25%的盐碱浓度处理下,绿罗成发芽势下降14%,黄虎皮则差异不显著;0.5%的盐碱浓度处理下,绿罗成发芽势下降15%,黄虎皮下降51.67%;当盐碱浓度≥0.75%时,与对照组相比绿罗成发芽势下降43%～47%,黄虎皮发芽势下降48.33%～64.17%,二者差异显著(p<0.05)。由此可见,当盐碱浓度≥0.5%时,会对绿罗成和黄虎皮种子的生活力产生明显的抑制作用。当盐碱浓度<0.5%时,黄虎皮发芽势明显优于绿罗成。盐碱浓度为1.25%时,二者发芽势均为0,说明高浓度会抑制2个品种种子发芽。而0.75%的盐碱处理下,黄虎皮发芽势高于0.5%和1%处理,可能因为后期处理时,水分控制有误差。

图10 不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子发芽势的影响

2.2.3不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子发芽指数的影响

由图11可知,随着盐碱浓度的增加,2个品种的发芽指数总体呈现下降趋势。与对照组相比,盐碱浓度为0.25%与0.5%的处理下,绿罗成发芽指数分别下降0.83,0.91;黄虎皮0.25%处理差异不明显,0.5%处理下降51.67%。黄虎皮在盐碱浓度>0.5%时,开始出现明显差异。绿罗成在盐碱浓度>0.75%时,出现明显差异。但在同等浓度下,黄虎皮发芽指数分别高于绿罗成发芽指数4.76,5.21,2.75,4.14,3.60,2.67。

图11 不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子发芽指数的影响

2.2.4不同盐碱浓度处理下对2个番茄种子发芽时间与平均发芽速度的影响

由表2可知,在对照组上,黄虎皮比绿罗成提前1 d发芽。在5%的盐碱浓度处理下,二者与对照组差异极微。随着盐碱溶液浓度的提高,与ck相比,绿罗成种子的起始发芽时间向后推延0～6 d,发芽高峰期向后推延0～4 d;黄虎皮种子的起始发芽时间向后推延1～6 d,发芽高峰期后延0～7 d。从平均发芽速度来看,随着盐碱溶液浓度的升高,发芽速度逐渐趋于缓慢。黄虎皮的平均发芽速度比绿罗成快0.2～3.98 d。随着盐碱溶液浓度的升高,其差异也逐渐减小。说明,当盐碱溶液浓度>0.75%会对番茄种子产生抑制。从整体来看,黄虎皮更耐盐碱。

表2 不同盐碱浓度处理下2个品种番茄种子发芽时间与平均发芽速度

2.2.5不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子含水率的影响

由图12可知,黄虎皮含水率大于绿罗成含水率。并且随盐碱浓度升高,种子整体含水率随之下降。与对照组相比,当盐碱浓度为0.25%时,2种番茄含水率下降差异均不明显;当盐碱浓度为0.5%时,绿罗成下降7.71%,黄虎皮下降1.88%;盐碱浓度为0.75%时,绿罗成下降13.25%,黄虎皮下降3.16%;盐碱浓度为1%时,绿罗成下降13.25%,黄虎皮下降9.30%;当盐碱浓度为1.25%时,含水率下降17.20%,出现显著性差异(p<0.05)。

图12 不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子含水率的影响

2.2.6不同盐碱浓度处理对2个品种番茄种子发芽进程的影响

由图13和图14可知,随着盐碱浓度的升高,黄虎皮种子的生长趋势为0.5%>0.75%>1%>1.25%,同时最终发芽数都趋于试验总数,只在发芽初始期和高峰期随浓度升高相应延迟。绿罗成盐碱浓度为0.25%和0.5%的处理组,萌发初始时期相差1 d,而萌发总数几乎无差异。盐碱浓度为1%的处理下,在第9天开始快速萌发;盐碱浓度为1%和1.25%的处理下,在第12天开始萌发。

图13 不同盐碱浓度处理下绿罗成种子发芽进程

图14 不同盐碱浓度处理下黄虎皮种子发芽进程

在相同试验天数内,黄虎皮在第11天低浓度发芽总数为0,趋近于应试总数,绿罗成则生长缓慢。黄虎皮后期每天的出芽总数基本重叠。说明盐碱溶液对发芽率影响较低,对发芽时间有着明显的抑制作用。而绿罗成1.25%组,在12 d才发芽,说明高浓度盐碱对绿罗成种子发芽时间有显著抑制作用。综上所述,黄虎皮的抗盐碱能力强于绿罗成。

3 讨论与结论

随着PEG溶液浓度的上升,黄虎皮和绿罗成的发芽率、发芽势、发芽指数、含水率均逐渐下降。这与高昆和张明阳[10]在干旱对番茄萌发的研究中的结论一致。从整体来看,与对照相比,当PEG浓度较低时,抑制作用不明显;当PEG浓度越高时,抑制作用越明显,种子萌发受到的抑制越强烈。绿罗成在低浓度处理下,也远不如黄虎皮种子具有活力,对照组绿罗成在各指标上也低于黄虎皮。在未进行复水实验时,黄虎皮发芽率高于绿罗成,在进行复水实验后,黄虎皮发芽率在90%以上。黄虎皮从发芽速度,首次发芽天数,种子活力来看都优于绿罗成,其中5%浓度处理的发芽势优于其他实验组,说明低浓度处理可能促进黄虎皮生长,其也更具有耐旱的品质。赵国骥等[11]对药用PEG的毒性展开了研究,发现其PEG-4000和PEG-6000在短期和长期药用上并无毒性,张云贵和谢永红[12]在PEG研究综述中提到,PEG-6000诱导水分逆境所得的效果与将土壤逐步干旱是一样的,唯有PEG-4000具有毒副作用。本试验在复水后,种子发芽率迅速增长,在高浓度处理下黄虎皮出现爆发式增长。说明PEG对于植物的毒害作用几乎不存在。这与赵国骥等[11]和张云贵等[12]的研究结论一致。

0～0.25%的盐碱浓度对番茄种子生长影响不大,这与戴伟民等[13]在对番茄抗盐碱的研究中提出小于0～0.2%的盐碱浓度其种子萌发和幼苗生长影响不大的浓度相差微小。

从整体来看,随着PEG浓度和盐碱溶液浓度上升,黄虎皮和绿罗成各项指标对比对照组随之下降。发芽率、发芽势、发芽指数、含水率、平均发芽速率、发芽时间等指标黄虎皮都远优于绿罗成。不同浓度的PEG和盐碱溶液对黄虎皮的发芽率差异不显著。但2个品种番茄其发芽势和发芽指数在>0.25%浓度后逐渐下降,差异显著。在同等时间内,黄虎皮对照组发芽总数优先达到应试种子数,而绿罗成发芽总数较低。说明该番茄具有一定的耐盐碱、耐旱能力,其中黄虎皮耐盐碱和耐旱能力强于绿罗成。

综上所述,黄虎皮对干旱和盐碱都具有较强的抗逆性,更适宜在南疆种植。本次种子萌发的测试仅在实验室进行,关于黄虎皮和绿罗成在田间种植的生长生理指标的测定目前还没有明确的研究。