孫清洋,李志勇,李鴻雁,李 俊
(1.中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院,北京 100081; 2.中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所,內蒙古 呼和浩特 010010)
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不同鹽濃度下9份老芒麥種質材料的萌發(fā)及生理特性
孫清洋1,2,李志勇2,李鴻雁2,李 俊2
(1.中國農(nóng)業(yè)科學院研究生院,北京 100081; 2.中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所,內蒙古 呼和浩特 010010)
為研究不同老芒麥(Elymussibiricus)種質材料耐鹽性表現(xiàn),以篩選出耐鹽品種,為耐鹽老芒麥種質材料育種提供科學支撐,采用不同濃度梯度NaCl溶液(0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%)模擬鹽脅迫,對9份來自全國不同地區(qū)的老芒麥種質材料進行耐鹽處理,篩選出老芒麥萌發(fā)期適宜濃度,分別測定其萌發(fā)指標及幼苗葉片生理指標(脯氨酸、超氧化物歧化酶、丙二醛),分析不同濃度脅迫下指標的變化情況,并對9份老芒麥的耐鹽性進行綜合評價。結果表明,NaCl脅迫對老芒麥種子的相對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均產(chǎn)生抑制影響,抑制了胚根與胚芽的生長,其葉片中超氧化物歧化酶活性、丙二醛及脯氨酸含量對鹽脅迫濃度變化響應靈敏,0.9%NaCl鹽濃度為合適的萌發(fā)期篩選濃度,根據(jù)隸屬函數(shù)法進行綜合評價,9份老芒麥材料耐鹽性由強到弱依次為E03、E04、E08、E09、E07、E05、E06、E02和E01。
老芒麥;耐鹽性;萌發(fā);生理特性;隸屬函數(shù)法
土壤鹽堿化是阻礙世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要生態(tài)因素之一,嚴重限制了作物生長,對作物的產(chǎn)量和品質影響顯著[1]。目前,鹽堿地約占世界陸地總面積的10%左右,達9.5億hm2[2],我國是鹽堿地大國,鹽堿地分布范圍廣,其中東北半濕潤-半干旱-草甸鹽漬區(qū)與西藏高寒漠境區(qū)多以草甸沼澤土為主;青、新極端干旱漠境區(qū)、內蒙古干旱-半漠境草原區(qū)因降水量小,蒸發(fā)量大,干旱程度重,溶解在水中的鹽分容易在土壤表層積聚,其鹽漬強度也較高。不同植物在不同生長階段對于鹽脅迫的應激反應是有差異的,因此,篩選培育耐鹽新品種已經(jīng)成為開發(fā)利用鹽漬化土壤的最有效途徑。植物的萌發(fā)期是決定其能否在鹽脅迫下完成整個生育過程的關鍵時期,其發(fā)芽狀況、胚根胚芽的生長等都為植物以后的生長和發(fā)育起決定性的作用[3-4];是進行植物耐鹽性早期鑒定及耐鹽品種早期選擇的基礎[5]。
老芒麥(Elymussibiricus)為禾本科小麥族披堿草屬多年生疏叢型中旱生植物[6],具有適應性強、抗寒、抗旱和耐鹽等特性,在草地畜牧業(yè)中發(fā)揮了巨大作用[7-8],對于開發(fā)利用鹽堿地資源具有重要的意義。目前,關于老芒麥耐鹽性的研究主要集中在禾本科不同牧草與老芒麥材料之間的比較[9-12],關于老芒麥耐鹽性鑒定、耐鹽性機理等方面的研究報道較少。本研究通過對9份老芒麥種質材料在不同NaCl濃度下其萌發(fā)及生理指標的全面測定,綜合評價其耐鹽性,旨為老芒麥的耐鹽育種提供親本材料,為培育老芒麥新品種奠定基礎。
1.1 材料處理
供試材料由中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所國家種質牧草中期庫提供,老芒麥種質資源材料來源于中國的8個省(市、自治區(qū))以及俄羅斯。采集地包括西藏高寒漠境鹽漬區(qū),黃河中上游干旱-半漠境鹽漬區(qū),內蒙古高原干旱-半漠境草原鹽漬區(qū),東北半濕潤-半干旱草原、草甸鹽漬區(qū),青、新極端干旱漠境鹽漬區(qū)等地,地理來源及編號詳見表1。
1.2 試驗方法
試驗于2015年3月在農(nóng)業(yè)部沙爾沁牧草資源重點科學觀測試驗站試驗溫室中進行,人工溫室溫度控制在27~30 ℃,濕度控制在58%~62%。采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法,用鋪有兩層濾紙直徑9 cm培養(yǎng)皿做發(fā)芽床,選取成熟飽滿、均勻一致的老芒麥種子,經(jīng)1%的次氯酸鈉溶液消毒5 min后,每皿放入50粒種子進行試驗,分別加入等體積的濃度為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%的NaCl溶液進行鹽脅迫處理。每個濃度4個重復,以蒸餾水作為對照。每日16:00―20:00用稱量法根據(jù)水分蒸發(fā)量加入蒸餾水以維持鹽濃度,在人工光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng),恒溫25 ℃,相對濕度(70±5)%,光照間隔12 h,第2天開始觀察并記錄老芒麥種子萌發(fā)情況,第8天統(tǒng)計發(fā)芽率。
將老芒麥種子放在鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中,發(fā)芽后移入人工溫室內裝有風干苗圃土的花盆中,花盆與土重量共計2.5 kg。花盆高14 cm,內徑18.5 cm,底徑12.5 cm。每盆定株10株,3次重復。苗圃土含鹽量極低,可以忽略不計。待幼苗長到40 d分蘗期時,將分析純氯化鈉溶解于定量的蒸餾水中,處理鹽濃度分別為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%,每個處理4個重復,并以空白處理為對照。處理期間每2 d稱花盆重量,用蒸餾水補充蒸發(fā)水分,以保持鹽濃度。
1.3 指標測定與方法
1.3.1 萌發(fā)指標的測定 每天統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)(以胚根至少與種子等長,苗高不短于種子直徑的1/2為發(fā)芽標準),第2天開始記錄種子萌發(fā)情況,第8天測定發(fā)芽率并計算其相對發(fā)芽率,隨機取10株萌發(fā)幼苗測定其胚根長和胚芽長,并計算相對胚根長和相對胚芽長。根據(jù)公式計算[13-14]:
相對發(fā)芽率=處理種子發(fā)芽率/對照種子發(fā)芽率×100%;
發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt);
式中:Gt為t天的發(fā)芽率;Dt為相應的天數(shù)。
相對發(fā)芽指數(shù)=處理種子發(fā)芽指數(shù)/對照種子發(fā)芽指數(shù)×100%;
相對胚根長=處理種子胚根長/對照種子胚根長×100%;
相對胚芽長=處理種子胚芽長/對照種子胚芽長×100%。
1.3.2 生理指標的測定 脯氨酸(Pro)含量測定采用酸式茚三酮法[15],超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定
注:下文中出現(xiàn)的材料名稱均以表中編號表示。
Note: The same code will be used for material name in following text and tables.
采用氮藍四唑(NBT)法[16],以抑制NBT光化還原的50%為1個酶活性單位表示,丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法[17]。
1.4 耐鹽性綜合評價
應用隸屬函數(shù)法對老芒麥種子萌發(fā)期耐鹽性進行綜合評價。先利用公式X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)計算每份材料的相對發(fā)芽率、相對胚根長等具體隸屬函數(shù)值[18]。式中,X為參試材料某一指標的測定值,Xmax和Xmin分別為所有材料中該指標的最大值和最小值,將各項指標隸屬函數(shù)值累加,求其平均值為綜合評價值。根據(jù)各材料平均隸屬函數(shù)值大小確定其耐鹽性強弱。
1.5 數(shù)據(jù)處理
采用Excel作圖,數(shù)據(jù)以“平均值±標準誤”表示,用SPSS18.0軟件進行方差分析及相關性分析,用隸屬函數(shù)法評價各供試材料的耐鹽性強弱。
2.1 鹽脅迫對老芒麥相對發(fā)芽率的影響
隨著鹽濃度的增加,9份材料的相對發(fā)芽率大都呈下降趨勢,不同來源的老芒麥種子發(fā)芽率對鹽脅迫的響應不同(表2),處理組E03、E04、E08在0.3%鹽濃度時的相對發(fā)芽率高于對照,其中E03與對照相比差異顯著(P<0.05);其它6份材料隨著NaCl濃度的升高,相對發(fā)芽率呈依次降低趨勢。NaCl濃度為0.6%時,處理組E02、E05、E06、E07、E09相對發(fā)芽率低于對照組且與之差異顯著(P<0.05);NaCl濃度為0.9%時,不同供試材料之間相對發(fā)芽率差異較大,E04相對發(fā)芽率最大,為89.00%,E01、E06相對發(fā)芽率則低于50%,表明0.9%鹽濃度對供試材料相對發(fā)芽率影響較大;當NaCl濃度>0.9%時,除E08外,其它材料相對發(fā)芽率均顯著低于0.9%處理組;在NaCl濃度為1.8%時,處理組E06的相對發(fā)芽率降幅最大,其相對發(fā)芽率為0,降幅最小的是E04,相對發(fā)芽率為28.67%。
2.2 鹽脅迫對老芒麥相對發(fā)芽指數(shù)的影響
各材料種子相對發(fā)芽指數(shù)隨著鹽濃度的增加大都呈下降趨勢(表3),在NaCl濃度為0.3%時,處理組E01、E02、E04、E05、E06、E07、E08低于對照且與之差異顯著(P<0.05),E03、E09與對照相比差異不顯著(P>0.05);除處理組E01、E02外,其它材料在NaCl濃度為0.3%時發(fā)芽指數(shù)均高于其它高濃度鹽處理。與對照相比,1.8%NaCl處理下的E09相對發(fā)芽指數(shù)下降幅度最小,為81.00%,E01相對發(fā)芽指數(shù)降幅最大,為90.67%。
2.3 鹽脅迫對老芒麥幼苗生長的影響
處理組E01、E04、E07、E09幼苗的相對胚根長隨著NaCl濃度的增加表現(xiàn)為先升后降的趨勢(表4),在NaCl濃度為0.3%時,這4份材料相對胚根長均高于對照,但與對照相比差異不顯著(P>0.05);其中E09相對胚根長最高,為116%,顯著高于其它材料(P<0.05),其它材料均隨著NaCl濃度的增加而下降。當NaCl的濃度≥0.9%時,所有材料相對胚根長均顯著低于對照(P<0.05)。與對照相比,1.8%NaCl濃度處理下的E05的相對胚根長降幅最大,為81.78%,E09的相對胚根長降幅最小,為46.20%。
隨著NaCl濃度的不斷升高,處理組 E03、E08、E09的相對胚芽長出現(xiàn)先升高后下降的現(xiàn)象(表5),與對照相比,在NaCl濃度為0.3%時,E03、E08、E09相對胚芽長高于對照,且差異顯著(P<0.05);其它材料相對胚芽長顯著低于對照(P<0.05)。與對照相比,在1.8%NaCl處理下,E05的相對胚芽長降幅最大,達76.95%;E04的相對胚芽長下降幅度最小,為61.11%。
2.4 鹽脅迫對老芒麥SOD活性的影響
SOD是植物體內保護細胞膜并免受自由基傷害的重要物質,其活性的高低能夠反映植物自身的修復能力,活性越高則說明其修復能力越強,植物忍耐和抵抗逆境脅迫的能力越強。9份老芒麥種質材料隨著NaCl 濃度的不斷升高,其活性出現(xiàn)先升高后降低的現(xiàn)象(表6)。當鹽濃度在0.3%~0.9%時,各供試材料SOD活性變化幅度較小,說明老芒麥幼苗對低濃度鹽脅迫有一定耐鹽能力。隨著鹽脅迫的加劇,當鹽濃度為1.2%時,除E02外,各供試材料SOD活性顯著增加,與對照相比差異顯著(P<0.05);除E02、E08外,其它材料的SOD活性均達到最大值,說明1.2%NaCl是其最佳耐受鹽度。當鹽濃度在1.5%~1.8%時,不同材料SOD活性顯著降低,這可能與其自身特性有關,當鹽濃度超過其耐受鹽濃度的”闕值”,其自身防御系統(tǒng)被破壞,導致SOD酶活性顯著降低;E08的SOD活性變化幅度最大,說明其對鹽脅迫的敏感度最大。
2.5 鹽脅迫對老芒麥丙二醛含量的影響
隨著鹽脅迫強度的加劇,各老芒麥種質材料的葉片中丙二醛(MDA)的含量均出現(xiàn)不同程度的升高(表6),當NaCl濃度在0~0.6%時,各供試材料葉片中MDA含量增加,但其變化幅度較小,當NaCl為0.9%時,各處理組MDA含量明顯增加,與對照相比均差異顯著(P<0.05),其中處理組E01變化幅度最大,為對照的2.23倍;在鹽濃度為1.8%時,除E07外,各處理組葉片中MDA含量均達到最高值;其中E09最大,為35.55 nmol·g-1,所有材料中E08變化幅度最小,其葉片中MDA含量是對照的1.77倍,說明其具有較強的耐鹽能力。
2.6 鹽脅迫對老芒麥脯氨酸含量的影響
在正常生長條件下,老芒麥脯氨酸含量較低,但在逆境條件下,脯氨酸含量會大量累積。隨著鹽濃度的升高,各老芒麥種質材料葉片中脯氨酸含量不斷遞增(表6)。用1.2%NaCl濃度處理后,各處理組老芒麥種質材料脯氨酸含量出現(xiàn)大幅度的上升,且與對照相比差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為1.8%時,各處理組中脯氨酸含量均達到最大值,其中E06變化幅度最大,脯氨酸含量為1 009.21 μg·g-1,說明其對鹽脅迫比較敏感;E08脯氨酸含量是對照的3.72倍,增加幅度最小,表明該材料耐鹽性較好。
2.7 老芒麥種子耐鹽性指標相關性分析及抗鹽性綜合評價
植物的耐鹽表現(xiàn)是涉及到生理、生化等多方面的綜合反應。不同耐鹽指標間必然存在一定的相關性,這種相關性有助于進一步了解老芒麥耐鹽性。通過對老芒麥耐鹽指標的相關性分析發(fā)現(xiàn)(表7):大多數(shù)性狀間的相關性均達到了極顯著水平(P<0.01)。其中相對發(fā)芽率與相對發(fā)芽指數(shù)相關性極顯著,相關系數(shù)達到0.935。相對發(fā)芽指數(shù)與相對胚芽長相關性極顯著,相關系數(shù)為0.903,相對胚芽長與相對發(fā)芽率的相關系數(shù)也達到0.921。SOD活性與丙二醛含量相關性也極顯著(P<0.01)。
由NaCl濃度對供試材料的相對發(fā)芽率、相對胚根長、SOD等7項指標的影響可知,0.9%濃度NaCl鹽溶液對老芒麥萌發(fā)期影響顯著,可以作為老芒麥芽期耐鹽性材料篩選的最適處理濃度。采用隸屬函數(shù)法對供試9份老芒麥種質材料的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)等7個指標進行隸屬函數(shù)值計算,結果表明,耐鹽性強弱順序依次為 E03>E04>E08>E09>E07>E05>E06>E02>E01(表8)。
鹽脅迫是一種普遍的非生物脅迫,在整個植物生長和發(fā)育過程中是主要的限制性環(huán)境因素[19-20]。植物對鹽脅迫的反應可能是復雜的系統(tǒng)性過程,其耐鹽能力是多種代謝的綜合體現(xiàn)。采用6個不同濃度NaCl溶液對不同來源的芒屬(Miscanthus)植物種子脅迫的研究表明,隨著NaCI溶液濃度的升高,芒屬植物種子的相對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等萌發(fā)指標均呈下降趨勢[21]。本研究結果表明,隨著鹽濃度的升高,老芒麥種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)均大都呈現(xiàn)下降趨勢,但在低濃度脅迫下,E03、E08的相對發(fā)芽率高于對照,出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是低濃度鹽脅迫會促進老芒麥的種子的某些萌發(fā)過程,這與竇聲云等[11]的研究結果一致。
植物處于鹽逆境脅迫下,植物體內通過提高自身抗氧化系統(tǒng)活性來平衡失衡的活性氧代謝[22]。采用不同NaCl濃度對高寒老芒麥進行脅迫研究[23],結果顯示SOD、CAT活性隨著NaCl濃度的增加,在150 mmol·L-1脅迫時活性達到最大,而后呈現(xiàn)降低趨勢。本研究中,隨著鹽脅迫程度的升高,在1.2%NaCl濃度下,SOD活性達到峰值,隨后不斷下降,同時隨著NaCl濃度的不斷升高,老芒麥葉片中的脯氨酸和丙二醛含量也隨之不斷的上升,以降低細胞的滲透勢,應對不利的逆境環(huán)境。
本研究選擇來自全國不同鹽漬地區(qū)的9份老芒麥種質作為試驗材料,在0.3%~1.8%NaCl鹽濃度下進行耐鹽性鑒定,結果顯示,在0.9%NaCl處理下,不同材料間的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對胚根長、相對胚芽長的差異最明顯,而在其它濃度處理下,各材料之間的差異性不大,說明本研究中0.9%NaCl濃度是進行老芒麥萌發(fā)期耐鹽性鑒定的篩選濃度。
選擇不同的指標對種質材料萌發(fā)期耐鹽性強弱評價時,得到的結果可能并不完全一致。本研究采用隸屬函數(shù)值對9份老芒麥種質材料的相對發(fā)芽率、超氧化物歧化酶活性等7個指標進行綜合分析,能夠客觀地反映出植物的耐鹽能力,結果顯示,9份老芒麥種質材料耐鹽性強弱次序依次是E03、E04、E08、E09、E07、E05、E06、E02、E01。
植物耐鹽性是由多因素相互作用而形成的一個較為復雜的生態(tài)生理響應過程,同一植物不同生育期對于鹽脅迫的響應能力是不同的[24]。本研究在老芒麥萌發(fā)期與苗期對供試的9份老芒麥材料進行了耐鹽性綜合評價,其中E03、E04、E08耐鹽性綜合排名前三,表現(xiàn)為較強的耐鹽性,可以應用于耐鹽栽培,為老芒麥耐鹽品種的選育提供了材料。
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(責任編輯 王芳)
Seed germination and physiological characteristics of nineElymussibiricusaccessions under diferent salt stress
Sun Qing-yang1,2, Li Zhi-yong2, Li Hong-yan2, Li Jun2
(1.Graduate School Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081,China;2.Institute of Grassland Research, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Hohhot 010010, China)
The aim of this study was to evaluate the salt resistence of differentElymussibiricusgermplasm and to screen varieties with salt resistance. The seeds of nineE.sibiricuswere treated with different NaCl solutions of 0, 0.3%, 0.6%, 0.9%, 1.2%, 1.5% and 1.8%, to select the best concentration of NaCl solution. The salt stress of nine accessions was studied in germination index and seedling leaf physiological indexes. The results of this study showed that the salt decreased the relative germination rate and relative germination index, inhibited the growth of radicle length and plumule length. It was obvious that the level of SOD enzyme activities, MDA, proline in the leaves at seedling stage were sensitive to the level of salt stress. The concentration of 0.9% NaCl was suitable for screening salt tolerance inE.sibiricusat seed germination stage. According to the descending order of the comprehensive evaluation of salt resistance, the order of nineE.sibiricusaccessions from high to low was E03, E04, E08, E09, E07, E05, E06, E02, E01.
Elymussibiricus; salt tolerance; seed germination; physiological characteristics; membership function method
Li Zhi-yong E-mail:zhiyongli1216@126.com
10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0004
2016-01-09 接受日期:2016-03-21
“十二五”農(nóng)村領域國家科技計劃課題“淀粉類(小麥野生材料)種質遺傳完整性新技術研究及監(jiān)測”(2013BAD01B0105);牧草種質資源保護項目(2015-167);農(nóng)作物種質資源保護項目(2015NWB037)
孫清洋(1988-),男,山東淄博人,在讀碩士生,研究方向為牧草種質資源鑒定評價與創(chuàng)新利用。E-mail:wjzysqy@126.com
李志勇(1965-),男,內蒙古涼城人,研究員,博士,研究方向為牧草種質資源鑒定、評價、保存與創(chuàng)新。E-mail:zhiyongli1216@126.com
S543+.903.4;Q945.34
A
1001-0629(2016)11-2266-10*
孫清洋,李志勇,李鴻雁,李俊.不同鹽濃度下9份老芒麥種質材料的萌發(fā)及生理特性.草業(yè)科學,2016,33(11):2266-2275.
Sun Q Y,Li Z Y,Li H Y,Li J.Seed germination and physiological characteristics of nineElymussibiricusaccessions under diferent salt stress.Pratacultural Science,2016,33(11):2266-2275.