(北方民族大學生物科學與工程學院國家民委生態(tài)系統(tǒng)模型及應用重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

土壤干旱和鹽漬化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要限制因子，嚴重威脅著生態(tài)系統(tǒng)健康和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。我國的干旱和半干旱土地面積占到全國總土地面積的52.5%，其中鹽漬化土壤面積達到0.346億hm2[3]。由于干旱和半干旱地區(qū)具有降雨量偏少、土壤鹽分含量高等特點，同時人類對環(huán)境破壞加劇以及不合理的耕作方式，導致土壤次生鹽漬化程度不斷加深，使在這些地區(qū)生長的植物會受到不同程度的干旱脅迫和鹽堿脅迫[4-5]。干旱和鹽堿脅迫均能造成滲透效應，影響植物從環(huán)境中吸收水分，從而抑制植物生長發(fā)育，種子萌發(fā)階段作為植物生長周期中最重要的階段之一，也是自身最脆弱、對外界環(huán)境最敏感的時期，極易受到環(huán)境因子的影響[6-7]。因此，研究植物種子萌發(fā)對環(huán)境因子的響應，特別是干旱和鹽堿脅迫對種子萌發(fā)的影響，對我國干旱和半干旱地區(qū)植物種群的建立和更新具有重要意義。

甜高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)屬禾本科高粱屬一年生草本C 4植物[8]。具有適應性廣、生長速度快、生物產(chǎn)量高等特點，可廣泛作為飼料、能源和糖料作物，現(xiàn)已成為鹽堿地地區(qū)最具有種植潛力的作物之一[9]。PEG-6000是一種大分子滲透調(diào)節(jié)劑，改變其濃度可以有效地控制水分進入種子的速率，是模擬土壤干旱理想的水勢調(diào)節(jié)物質，現(xiàn)已廣泛應用于植物種子萌發(fā)期模擬干旱脅迫研究。鑒于此，本研究以不同濃度PEG-6000溶液模擬干旱脅迫條件，以不同濃度NaCl和NaHCO3溶液模擬鹽堿脅迫條件，選用遼甜1號甜高粱為研究對象，比較研究模擬干旱和鹽堿脅迫條件下甜高粱種子的萌發(fā)特性和早期幼苗生長狀況，以期為在干旱和鹽堿地區(qū)提高甜高粱種子萌發(fā)和幼苗生長提供理論依據(jù)和技術指導，促進我國干旱半干旱地區(qū)甜高粱的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試的種子為甜高粱雜交品種遼甜1號，由遼寧省農(nóng)科院創(chuàng)新中心提供。

1.2 試驗方法

取飽滿、色澤和大小基本一致的甜高粱種子適量，將種子用10%的次氯酸鈉溶液浸泡20 min后用無菌水沖洗7～8次，直至干凈無味，用濾紙吸干種子表面水分。將PEG-6000用蒸餾水配置成0(ck)，50，100，150，200 g·L-1的溶液，將甜高粱種子30粒整齊置于直徑120 mm的墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個處理加入10 mL不同濃度的PEG-6000溶液，均設置4個重復。試驗期間每天更換培養(yǎng)基質，以保證培養(yǎng)環(huán)境的恒定。將NaCl和NaHCO3分別配置成0(ck)，50，100，150，200 mmol·L-1的溶液，種子處理方法與干旱脅迫處理一致。在室內(nèi)智能人工氣候箱(BIC-800)中進行甜高粱種子萌發(fā)實驗，光照/黑暗時間為12 h/12 h，溫度設置為25 ℃。

1.3 萌發(fā)測定指標及生長測定指標

試驗過程中，每隔24 h觀察記錄種子萌發(fā)情況，以胚根伸出種皮2 mm為萌發(fā)標準，記錄種子萌發(fā)個數(shù)，統(tǒng)計萌發(fā)率。7 d后結束萌發(fā)，從各個重復中隨機選出10株幼苗，用直尺測量胚芽、胚根長度，用電子分析天平測量胚芽、胚根干重、種子殘留干重。測干重前先105 ℃烘2 h殺青，后80 ℃烘24 h至恒重，不足10株的全部測定。按以下公式進行各指標的計算[10-12]：

發(fā)芽率(%)=(萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(第4天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt，式中Gt為t天內(nèi)發(fā)芽的種子數(shù)，Dt為相應的萌發(fā)天數(shù)；

發(fā)芽速度=∑G/t，式中G為每天的發(fā)芽率，t為發(fā)芽總時間；

活力指數(shù)=GI×S，GI為發(fā)芽指數(shù)，S為胚根平均長度；

相對傷害率=(對照發(fā)芽率-處理發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率；

根冠比=根長/芽長；

干物質轉移量=發(fā)芽前種子干重-發(fā)芽后種子殘留干重；

干物質轉移率(%)=(干物質轉移量/發(fā)芽前種子干重)×100%；

干物質轉化效率(%)=(芽干重/干物質轉移量)×100%；

比根重=根長/根干重。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2003軟件和GraphPad Prism 5.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，圖中參數(shù)的數(shù)據(jù)以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 對甜高粱種子萌發(fā)的影響

2.1.1對甜高粱種子發(fā)芽率的影響

圖1 顯示，隨著濃度的增加，PEG-6000、NaCl和NaHCO3處理均對甜高粱種子萌發(fā)呈現(xiàn)顯著的抑制作用，其中NaHCO3處理對甜高粱種子萌發(fā)最敏感，PEG-6000處理次之，NaCl處理最不敏感。

圖2 干旱和鹽堿脅迫對甜高粱種子累積發(fā)芽率的影響

注：圖中不同字母表示處理間差異達顯著水平(p<0.05)。下同。圖1 干旱和鹽堿脅迫對甜高粱種子發(fā)芽率的影響

干旱和鹽堿脅迫對甜高粱種子發(fā)芽率影響如圖2，隨著PEG-6000濃度的增加，溶液水勢下降，干旱脅迫的程度增加，導致發(fā)芽率逐步下降，經(jīng)方差分析表明，不同濃度PEG-6000脅迫對甜高粱種子發(fā)芽率有顯著的影響，當PEG-6000濃度為50 g/L時，發(fā)芽率比ck處理(發(fā)芽率為98.3%)略有降低，當PEG-6000濃度高于100 g/L時，發(fā)芽率顯著低于ck處理(p<0.05)(圖2 a)。與PEG-6000脅迫有所不同，隨著NaCl處理濃度的加大，甜高粱種子發(fā)芽前期受到明顯抑制，第5天后逐漸適應脅迫，種子發(fā)芽率趨于一致。50 mmol·L-1的NaCl處理提高了種子發(fā)芽率，但無顯著性差異，100 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl處理對甜高粱種子發(fā)芽率比ck處理略有降低，但差異不顯著，200 mmol·L-1NaCl處理達到顯著水平(圖2 b)。NaHCO3處理時，其脅迫程度明顯重于PEG-6000和NaCl處理，當NaHCO3處理高于100 mmol·L-1時，甜高粱種子發(fā)芽率隨著NaHCO3溶液濃度的增加呈現(xiàn)顯著快速下降趨勢(圖2 c)。

2.1.2對甜高粱種子其他萌發(fā)指標的影響

由表1可知，甜高粱種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速度、活力指數(shù)以ck處理為最高；對發(fā)芽勢的影響而言，隨著PEG-6000和NaHCO3濃度的增加逐漸降低，50 mmol·L-1NaCl處理高于ck處理，但差異不顯著；對發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速度、活力指數(shù)的影響來說，隨著PEG-6000、NaCl和NaHCO3濃度的增加，這些萌發(fā)指標逐漸降低，并且差異顯著(p<0.05)。

2.2 對甜高粱種子干物質轉移的影響

2.2.1對甜高粱種子殘留干重的影響

由表2可知，隨著PEG-6000、NaCl和NaHCO3濃度的增加，種子殘留干重逐漸增大，不同濃度PEG-6000處理分別較ck處理增加48.03%、94.35%、143.39%，169.83%，不同濃度NaCl處理分別較ck處理增加23.81%，64.58%，95.16%，138.65%，不同濃度NaHCO3處理分別較ck處理增加62.16%、134.40%、153.08%、160.44%。

2.2.2對甜高粱種子干物質轉移量、轉移率的影響

如表2所示，不同濃度PEG-6000處理的種子干物質轉移量分別是ck處理的75.6%、52.2%、27.3%、13.0%，不同濃度NaCl處理分別是ck處理的87.9%、64.4%、51.7%、26.8%，不同濃度NaHCO3處理分別是ck處理的68.4%、31.8%、22.3%、18.5%，隨著脅迫程度的增加，干物質轉移率也逐漸降低。

2.2.3對甜高粱種子干物質轉化效率的影響

不同濃度PEG-6000處理干物質轉化效率分別是ck處理的87.53%、61.36%、45.98%、29.54 %，不同濃度NaCl處理分別是ck處理的94.78%、71.21%、62.34%、39.28%，不同濃度NaHCO3處理分別是ck處理的54.10%、27.25%、19.82%、10.13%(見表2)。

2.3 對甜高粱早期幼苗生長的影響

2.3.1對甜高粱早期幼苗根冠比的影響

表3所示， PEG-6000和NaCl處理對芽長的影響大于根長，NaHCO3處理對根長的影響大于芽長。隨著PEG-6000和NaCl濃度的增加，甜高粱早期幼苗根冠比逐漸增大，不同濃度處理的根冠比較ck處理均差異顯著(p<0.05)；50 mmol·L-1的NaHCO3處理根冠比顯著高于ck處理(p<0.05)，當NaHCO3濃度高于100 mmol·L-1時，幼苗根冠比變得很小。

表1 PEG-6000和鹽堿脅迫對甜高粱種子萌發(fā)指標的影響

處理濃度發(fā)芽勢發(fā)芽指數(shù)發(fā)芽速度活力指數(shù)相對傷害率098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05095.00±3.33ab60.35±1.53b201.15±5.12b636.72±16.19b0.03PEG-6000/(g·L-1)10089.17±3.19b52.41±1.60c174.69±5.33c386.23±11.78c0.0915082.50±1.67c41.90±1.47d139.66±4.90d163.40±5.73d0.1520075.83±3.19d32.60±1.55e108.66±5.18e85.25±4.06e0.22098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05099.17±1.67a72.70±0.75a242.33±2.50a831.16±8.58b-0.01NaCl/(mmol·L-1)10095.00±5.77ab61.44±4.11b204.79±13.70b530.98±35.51c0.0415086.67±7.20ab47.77±3.81c159.23±12.70c340.62±27.16d0.0820080.00±14.14b41.04±7.07c136.79±23.58c196.97±33.96e0.1098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05090.83±4.19ab62.39±3.32b207.96±11.06b283.08±15.06b0.08NaHCO3/(mmol·L-1)10080.00±8.61bc39.46±3.14c131.52±10.46c12.66±1.01c0.1815071.67±5.77c30.14±4.46d100.46±14.88d1.88±0.28c0.2720065.00±15.52c24.73±5.57d82.44±18.57d0.93±0.21c0.34

表2 PEG-6000和鹽堿脅迫對甜高粱種子干物質轉移的影響

處理濃度種子殘留干重干物質轉移量干物質轉移率干物質轉化效率09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5014.67±2.20b14.76±2.20b50.16±7.47b47.10±7.39bPEG-6000/(g·L-1)10019.26±2.51c10.18±2.51c34.57±8.54c33.02±3.95c15024.12±2.88d5.31±2.88d18.04±9.78d24.74±3.03d20026.74±3.01e2.53±2.86e8.59±9.72e15.89±3.97e09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5012.27±2.07b17.16±2.07b58.31±7.02b51.00±6.57bNaCl/(mmol·L-1)10016.31±2.03c12.57±2.40c42.73±8.16c38.32±5.82c15019.34±2.58d10.09±2.58d34.27±8.77d33.54±4.04d20023.65±2.42e5.24±2.76e17.82±9.38e21.14±4.62e09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5016.07±2.68b13.36±2.68b45.39±9.09b29.10±5.33bNaHCO3/(mmol·L-1)10023.23±4.06c6.20±4.06c21.06±13.80c14.66±4.30c15025.08±4.31cd4.35±4.31cd14.77±14.64cd10.66±4.24d20025.81±2.76d3.62±2.76d12.31±9.37d5.45±1.62e

2.3.2對甜高粱早期幼苗比根重的影響

由表3可知，50 g·L-1PEG-6000和50 mmol·L-1的NaCl處理的芽干重顯著低于ck處理(p<0.05)，但其根干重卻顯著高于ck處理(p<0.05)；不同濃度NaHCO3處理的芽干重和根干重均顯著低于ck處理(p<0.05)(見表3)。PEG-6000處理對芽干重的影響大于根干重，NaCl處理對芽干重的影響大于根干重，NaHCO3處理對根干重的影響大于芽干重。隨著PEG-6000、NaCl和NaHCO3濃度的增加，幼苗比根重逐漸減小，不同濃度處理的比根重較ck處理均差異顯著(p<0.05)；當NaHCO3鹽溶液濃度超過150 mmol·L-1時比根重接近于零。

3 討論與結論

植物在不同的生長發(fā)育時期抗逆能力不同，種子萌發(fā)期是植物生長史的關鍵階段之一，也是對外界環(huán)境十分敏感的時期[13]。發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽速度、活力指數(shù)是種子活力的常用評價指標，可以反映出種子的萌發(fā)能力[14]。在本研究中，與對照相比，低濃度的NaCl脅迫(50 mmol·L-1)對甜高粱發(fā)芽率、發(fā)芽勢影響不顯著，其余濃度的PEG-6000和NaHCO3脅迫均顯著抑制甜高粱種子的萌發(fā)指標，其中NaHCO3脅迫抑制程度明顯高于PEG-6000脅迫。

在植物種苗轉化中所需的物質和能量是由種子中貯藏的有機物質提供，因此在種子萌發(fā)過程中干物質轉移量和干物質轉化效率能體現(xiàn)出植物種苗轉化狀況[10]。在本研究中，PEG-6000、NaCl和NaHCO3脅迫均顯著影響甜高粱種子的干物質轉移量，三者相比，NaCl脅迫影響最小，PEG-6000脅迫除200 g·L-1外，其余均低于NaHCO3處理，說明重度PEG-6000脅迫嚴重破壞種子萌發(fā)時的吸脹吸水，嚴重影響甜高粱種子干物質的轉移，這與施成曉[10]等在小麥上的研究結果一致。

表3 PEG-6000和鹽堿脅迫對甜高粱早期幼苗生長的影響

處理濃度芽長根長根冠比芽干重根干重比根重012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24d10.44±0.65a5.12±0.64b0.22±0.02a507.71±1.01b10.54±2.68b1.32±0.09c8.37±1.48b5.66±0.84a0.20±0.03bPEG-6000/(g·L-1)1003.99±0.50c7.37±1.48c1.71±0.18b5.73±0.66c3.99±0.79c0.14±0.03c1502.34±0.28d3.90±0.86d2.03±0.18a4.11±0.74d3.16±0.56d0.10±0.02d2001.72±0.19e2.62±0.62e2.09±0.15a2.49±0.67e2.46±0.78e0.07±0.02e012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24f10.44±0.65a5.12±0.64b0.22±0.02a509.31±0.47b11.47±1.77b1.21±0.21f8.89±0.78b5.71±0.77a0.20±0.01bNaCl/(mmol·L-1)1006.11±0.47c8.52±1.08c1.46±0.29e7.10±0.49c4.08±0.51c0.14±0.01c1504.07±0.49d7.16±0.81d1.78±0.43d6.24±0.48d3.41±0.64d0.12±0.01d2002.17±0.21e4.75±0.76e2.29±0.55c3.40±0.43e2.70±0.29e0.09±0.01e012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24b10.44±0.65a5.12±0.64a0.22±0.02a502.77±0.43b4.59±0.64b1.66±0.44a5.92±0.85b2.74±0.70b0.11±0.03bNaHCO3/(mmol·L-1)1001.38±0.16c0.31±0.15c0.24±0.16c3.72±0.48c1.54±0.44bc0.08±0.05c1501.11±0.12d0.19±0.11d0.06±0.10d2.66±0.36d1.07±0.40c0.00±0.00d2000.73±0.12e0.14±0.07d0.06±0.09d1.58±0.36e0.61±0.44d0.00±0.00d

植物根系作為對環(huán)境最為敏感的部位，當環(huán)境改變時，植物的根系會首先響應，比根重是指單位根長的根重，比根重越小，植物單位根系表面積越大，可以增強植物從環(huán)境中吸收水分的能力[15]。在本研究中，低濃度PEG-6000(50 g·L-1)和NaCl(50 mmol·L-1)脅迫顯著提高早期幼苗胚根干重，但其長度和比根重卻顯著低于ck處理，這可能是輕度干旱或鹽脅迫抑制甜高粱早期幼苗的根系長度，卻促進根系側生分支的生長，為的是增強其從環(huán)境中吸水的能力，這些結果與劉佳月[16]等的研究結果相似。隨著PEG-6000和NaCl濃度的增加早期幼苗根冠比呈增大趨勢，比根重呈減小趨勢，對胚芽生長的影響高于胚根，這都是增強植物從環(huán)境中吸收水分的能力做出的改變?？傊?，干旱和鹽堿脅迫均顯著影響甜高粱種子萌發(fā)，并且隨處理濃度增大而加重，其中NaCl脅迫對其影響最輕、PEG-6000次之，NaHCO3最重，說明甜高粱種子萌發(fā)對碳酸鹽脅迫(離子毒害和溶液pH)更敏感。