鄒 瑾, 王曉佳, 曹 兵*, 李運毛, 馮學(xué)瑞, 劉佳欣
(1. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2. 寧夏銀川市中山公園, 寧夏 銀川 750001)
我國西北地區(qū)為大陸性氣候區(qū),降水稀少,植被分布稀疏,土壤蒸發(fā)量較大,鹽分在地表聚集,導(dǎo)致鹽漬化問題顯著[1],荒漠化問題長期存在,生態(tài)環(huán)境修復(fù)問題受到廣泛關(guān)注。許多學(xué)者對西北地區(qū)的荒漠化治理、植被恢復(fù)以及對鹽漬化土地的開發(fā)利用等問題進(jìn)行了研究,認(rèn)為改善本地區(qū)生態(tài)環(huán)境最有效、最經(jīng)濟(jì)的生物措施是栽種耐鹽、耐旱植物[2-4]。花棒(HedysarumscopariumFisch. et Mey.)為豆科巖黃耆屬半灌木,其生長迅速,根系發(fā)達(dá),樹形獨特,具有抗旱、耐風(fēng)蝕、適應(yīng)性強的特點,是優(yōu)良的固沙灌木樹種[5]。花棒不僅可以營造獨特的沙漠景觀,其根際和非根際中的根瘤菌與其本身共生形成根瘤,實現(xiàn)共生固氮,對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)平衡的維持、土壤改良等有著重要貢獻(xiàn)。此外,其枝干中富含油脂,可以作為生物燃料的補充,嫩枝葉可成為牛羊飼料,種子可以榨油[6],花期較長,花色艷麗,不僅可以用來作為潛在能源植物[7],也是優(yōu)質(zhì)的蜜源植物[8]。由此可見,花棒的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價值都十分顯著[9]。生產(chǎn)中主要通過植苗和直播造林方式應(yīng)用,花棒種植方式簡單、成本較低,被廣泛用于沙區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復(fù)治理。
對于干旱荒漠區(qū)植物種子而言,鹽分和濕度是測定其抗逆性的重要影響因素[10-12],研究植物抗逆性的關(guān)鍵時期是種子萌發(fā)時期。在植物所遭受的各種非生物災(zāi)害中,干旱對其生長造成的危害最為嚴(yán)重[13];鹽適應(yīng)性是鹽生環(huán)境下植物生存的首要條件,亦是干旱區(qū)植物長期進(jìn)化過程中需適應(yīng)的重要因子[14]。采用NaCl和PEG-6000處理種子,分別模擬鹽、旱脅迫環(huán)境,探究植物種子萌發(fā)期的抗逆性[15],這種試驗方法已在檸條[16-17]、刺鈴鐺[18]、沙蒿[19]等植物的抗鹽旱研究中成功應(yīng)用,但不同植物其種子萌發(fā)期、苗期、幼年期等不同生長發(fā)育階段對土壤水分和鹽分有不同的適應(yīng)性[20]?;ò舾蛋l(fā)達(dá)、葉片小,抗旱性強,是干旱沙區(qū)植被恢復(fù)與重建的優(yōu)選樹種之一。目前對花棒的研究主要集中在沙埋深度影響[21]、環(huán)境因子影響[22]及其生理生態(tài)[5]等方面,未見有關(guān)其種子萌發(fā)期抗旱、耐鹽的研究報道。本試驗采用不同濃度的NaCl溶液和PEG-6000溶液,分別模擬不同程度鹽脅迫和干旱脅迫環(huán)境,測定花棒種子萌發(fā)指標(biāo),分析花棒種子萌發(fā)期對鹽、旱脅迫的反應(yīng),以期為花棒的人工培育及直播造林提供參考依據(jù)。
花棒種子于2021年在寧夏上谷農(nóng)牧種子公司購買。試驗所用鹽(NaCl)、聚乙二醇6000(PEG-6000)分析純試劑,均為天津市大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。
1.2.1種子預(yù)處理 試驗前挑選種粒飽滿、大小相同、無病蟲害的花棒種子,去除果莢[22],用0.3%的高錳酸鉀溶液浸泡消毒(10 min)后,用蒸餾水進(jìn)行反復(fù)沖洗,濾紙吸干表面水分備用。
1.2.2試驗設(shè)計 試驗采用紙上發(fā)芽法,配置不同濃度的NaCl溶液和PEG-6000溶液,分別模擬不同程度鹽脅迫和干旱脅迫環(huán)境下花棒種子的萌發(fā)狀況。按照Michel[23]、陳東凱[19]等的方法,結(jié)合預(yù)試驗結(jié)果,本試驗確定設(shè)置5個不同濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液,分別為0.2%,0.4%,0.6%,0.8%,1.0%模擬鹽脅迫[24-25];設(shè)置5個不同濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))PEG-6000溶液,分別為5%,10%,15%,20%,25%模擬干旱脅迫[26-27],PEG-6000濃度對應(yīng)水勢為-0.10,-0.20,-0.40,-0.60,-0.86 MPa[28]。試驗共設(shè)置12組處理,其中蒸餾水對照(CK1,CK2)2組,NaCl溶液5組,PEG-6000溶液5組;每組處理3個重復(fù),共計36個培養(yǎng)皿,每培養(yǎng)皿放置30粒種子,培養(yǎng)皿標(biāo)記處理編號。先將培養(yǎng)皿(內(nèi)徑90 mm)用高壓滅菌鍋進(jìn)行消毒30 min,取出放入雙層大小與培養(yǎng)皿內(nèi)徑一致的干凈無菌濾紙。用移液槍往對應(yīng)編號的培養(yǎng)皿中分別加入不同濃度的NaCl溶液及無菌蒸餾水(CK1)、不同濃度的PEG溶液及無菌蒸餾水(CK2),至濾紙飽和并依次稱重記錄。將所有處理的培養(yǎng)皿放入人工氣候箱中培養(yǎng),溫度為25℃、濕度60%、光照晝夜時間為12 h/12 h。每天定量加入各溶液,補充散失水分,同時稱重并做好記錄,每2 d更換濾紙,維持正常環(huán)境水勢[29]。
本試驗從種子置床之日起每隔24 h觀察1次,種子露白即可認(rèn)定為萌發(fā);在3次重復(fù)中,有1粒以上的種子出現(xiàn)萌發(fā),可認(rèn)定是種子萌發(fā)開始期,每天在規(guī)定的時間內(nèi)觀察種子萌芽情況并做好記錄[18],參照《國際種子檢驗規(guī)程》,以連續(xù)3 d無種子發(fā)芽作為發(fā)芽試驗的結(jié)束。完成試驗后,做好各指標(biāo)計算工作,選擇胚根完整的10株幼苗,用精度為0.02 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量其胚根長并取平均值。正常萌發(fā)閾值的確定參照《GB7908-1999林木種子質(zhì)量分級》[30],以花棒一級種子發(fā)芽率為標(biāo)準(zhǔn),發(fā)芽率高于70%而低于對照組,則認(rèn)定為該濃度對種子萌發(fā)有影響;發(fā)芽率低于70%,則被認(rèn)定該濃度抑制了種子萌發(fā),其他萌發(fā)指標(biāo)參照發(fā)芽率抑制濃度,以對照組的50%為標(biāo)準(zhǔn)判定。
逐日萌發(fā)率(Daily germination rate,DGR)=t/N×100%,t為萌發(fā)期內(nèi)每天正常發(fā)芽種子數(shù)量。
發(fā)芽率(Germination rate,GR)=n/N×100%,n代表正常發(fā)芽種子數(shù)量,N為種子總數(shù)。
發(fā)芽勢(Germination potential,GP)=m/N×100%,m為總萌芽天數(shù)前1/3 d種子發(fā)芽數(shù)量。
發(fā)芽指數(shù)(Germination index,GI)=∑(Gt/Dt),Gt為在t天發(fā)芽種子數(shù)量,Dt為對應(yīng)發(fā)芽天數(shù)。
活力指數(shù)(Vigor index,VI)=GI×Sx,Sx為種子胚根長度。
使用Microsoft excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,用SPSS 26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析(多重比較選擇Duncan方法,其中置信水平具體為95%),用Origin 2018軟件來進(jìn)行繪圖。
2.1.1鹽脅迫對花棒種子逐日萌發(fā)率的影響 在不同NaCl濃度處理下,花棒種子起始萌發(fā)天數(shù)分別為第1,1,1,4,5,5 d(圖1)。隨NaCl濃度不斷升高,花棒種子起始萌發(fā)時間延后,不同濃度NaCl對花棒萌發(fā)存在不同程度抑制作用:種子逐日萌發(fā)率峰值均明顯低于CK1,當(dāng)鹽脅迫逐步增強時,種子逐日萌發(fā)率峰值出現(xiàn)時間明顯滯后,種子停止萌發(fā)天數(shù)對應(yīng)分別為第6,11,14,14,12,14 d。
圖1 不同濃度NaCl脅迫對花棒種子逐日萌發(fā)率的影響Fig.1 Effects of different concentrations of NaCl stress on daily germination rate of Hedysarum scoparium seeds
2.1.2鹽脅迫對花棒種子發(fā)芽率及發(fā)芽勢的影響 不同濃度NaCl溶液處理,花棒種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢差異性顯著(圖2)。隨著NaCl濃度逐漸升高,花棒種子的發(fā)芽率整體呈下降趨勢,且與對照組表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。當(dāng)使用0.2%濃度的NaCl溶液處理種子時,花棒種子發(fā)芽率為83.3%,高于70%,為對照組的87.1%;當(dāng)NaCl溶液濃度為0.4%時,種子發(fā)芽率為46.7%,為對照組的47.1%,出現(xiàn)明顯抑制作用;當(dāng)溶液濃度達(dá)到1.0%時,種子的發(fā)芽率低至8.9%,僅為對照組的9.3%。說明當(dāng)NaCl濃度逐步升高時花棒種子的發(fā)芽率呈線性降低,當(dāng)NaCl濃度為0.2%時,花棒種子發(fā)芽率受到一定影響,當(dāng)NaCl溶液濃度達(dá)到0.4%時,花棒種子發(fā)芽率明顯降低,該濃度明顯抑制種子發(fā)芽。
圖2 不同濃度NaCl脅迫對花棒種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢的影響Fig.2 Effects of different concentrations of NaCl stress on germination rate and germination potential of Hedysarum scoparium seeds注:不同小寫字母表示同一溶液不同濃度處理下差異顯著(P<0.05),下同Note:Differen lowercase letters indicate the significant difference under different concentrations of the same solution at the 0.05 level,the same as below
發(fā)芽勢是指在種子萌發(fā)試驗中,從開始發(fā)芽到最高峰時,已經(jīng)發(fā)芽的種子數(shù)占測試種子總粒的比重[31]。當(dāng)NaCl溶液濃度逐步升高時,花棒種子發(fā)芽勢整體呈下降趨勢。用0.2%濃度NaCl溶液處理花棒種子時,其發(fā)芽勢為50%,為對照組的52.3%;當(dāng)NaCl溶液濃度達(dá)到0.4%時,其發(fā)芽勢為1.1%,僅為對照的10.4%,出現(xiàn)明顯抑制作用;隨著濃度增高,花棒種子發(fā)芽勢急劇降低,與對照存在顯著差異(P<0.05)。
2.1.3鹽脅迫對花棒種子發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的影響 發(fā)芽指數(shù)是指測試種子發(fā)芽成活指數(shù)情況,用來表示該測試種子實際均值發(fā)芽率[32]。花棒種子在不同濃度NaCl溶液處理后,其發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)總體皆呈下降趨勢,且差異顯著(圖3)。當(dāng)使用0.2%濃度的NaCl溶液處理花棒種子時,種子發(fā)芽指數(shù)為36.1,為對照組的54.8%;當(dāng)NaCl濃度達(dá)到0.4%時,其發(fā)芽指數(shù)為10.9,為對照的16.5%,產(chǎn)生明顯抑制作用(P<0.05);當(dāng)NaCl濃度達(dá)到1.0%時,其發(fā)芽指數(shù)僅為1.3,為對照的2.0%??梢?,隨著處理濃度的升高,花棒種子發(fā)芽指數(shù)下降幅度明顯增加,受抑制作用明顯。
圖3 不同濃度NaCl脅迫對花棒種子發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)的影響Fig.3 Effects of different concentrations of NaCl stress on germination index and vigor index of Hedysarum scoparium seeds
活力指數(shù)用來表示種子迅速整齊萌發(fā)潛勢和生長力情況[33]。在NaCl溶液的不同濃度處理下,花棒種子的活力指數(shù)整體呈下降趨勢。當(dāng)使用0.2%濃度的NaCl溶液處理花棒種子時,種子活力指數(shù)為4.0,為對照組的42.6%,開始產(chǎn)生抑制作用;當(dāng)使用NaCl濃度達(dá)到0.4%時,其活力指數(shù)為0.7,僅為對照組的7.4%,產(chǎn)生明顯抑制作用(P<0.05)。可見,相對于其他萌發(fā)指標(biāo),活力指數(shù)對NaCl脅迫響應(yīng)較為敏感。
2.2.1干旱脅迫對花棒種子逐日萌發(fā)率的影響 干旱脅迫下花棒種子起始萌發(fā)天數(shù)分別為第1,1,1,1,1,3 d(圖4)。當(dāng)PEG-6000溶液達(dá)到25%的濃度時,花棒種子起始萌發(fā)的時間延后,抑制了萌發(fā)進(jìn)程。當(dāng)PEG-6000溶液為5%,10%,15%時,花棒種子逐日萌發(fā)率的峰值分別為36%,24%,17%,均小于對照組CK2,但與對照組的逐日萌發(fā)率峰值同天出現(xiàn)。當(dāng)PEG-6000溶液濃度≥20%時,種子逐日萌發(fā)率的峰值出現(xiàn)明顯滯后現(xiàn)象。
圖4 不同濃度PEG-6000脅迫對花棒種子逐日萌發(fā)率的影響Fig.4 Effects of different concentrations of PEG-6000 stress on daily germination rate of Hedysarum scoparium seeds
2.2.2干旱脅迫對花棒種子發(fā)芽率及發(fā)芽勢的影響 隨著PEG-6000溶液濃度逐步升高,花棒種子發(fā)芽率及發(fā)芽勢呈下降趨勢(圖5)。當(dāng)PEG-6000溶液為15%時,花棒種子的發(fā)芽率達(dá)到87.7%,為對照的91.6%,此時與對照組差異不顯著;當(dāng)溶液濃度達(dá)到20%時,種子發(fā)芽率開始降低為67.7%,與對照組差異顯著(P<0.05);當(dāng)PEG-6000溶液為25%時,花棒種子發(fā)芽率降低至25.7%,僅為對照組的26.9%??梢姡?dāng)PEG-6000溶液濃度高于20%時,發(fā)芽率低于70%,該環(huán)境對花棒種子發(fā)芽率存在顯著抑制作用。
圖5 不同濃度PEG-6000脅迫對花棒種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響Fig.5 Effects of different concentrations of PEG-6000 stress on germination rate and germination potential of Hedysarum scoparium seeds
對于發(fā)芽勢來說,當(dāng)PEG-6000溶液濃度為5%時,種子發(fā)芽勢為86.7%,為對照組的90.7%,與對照組無顯著差異;當(dāng)溶液濃度達(dá)到10%時,種子發(fā)芽勢為77.0%,為對照組的80.5%,與對照組產(chǎn)生顯著差異(P<0.05),但與5%濃度處理發(fā)芽勢差異不顯著;當(dāng)溶液濃度逐步增加到15%時,其種子發(fā)芽勢為52.2%,為對照組的54.6%;當(dāng)濃度增加至20%時,花棒種子發(fā)芽勢為31.1%,僅為對照組的32.5%,產(chǎn)生明顯抑制作用;當(dāng)溶液濃度達(dá)到25%時,花棒種子發(fā)芽勢降低至5.6%。因此,隨著PEG-6000溶液濃度的升高,花棒種子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢均呈下降趨勢,當(dāng)PEG-6000溶液濃度高于15%時,對花棒種子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢產(chǎn)生明顯抑制作用。
2.2.3干旱脅迫對花棒種子發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的影響 隨著PEG-6000溶液濃度的升高,花棒種子的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)均呈下降趨勢(圖6)。當(dāng)PEG-6000溶液濃度為5%時,花棒種子發(fā)芽指數(shù)為62.3,與對照組無顯著差異;當(dāng)PEG-6000溶液濃度為10%時,其發(fā)芽指數(shù)為53.6,為對照組的83.4%,雖未產(chǎn)生抑制作用,但表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05);當(dāng)PEG-6000溶液濃度為15%時,種子發(fā)芽指數(shù)為35.6,為對照組的55.4%,沒有產(chǎn)生明顯抑制作用;當(dāng)溶液濃度為20%時,種子發(fā)芽指數(shù)為22.0,為對照組的34.2%,此時產(chǎn)生明顯抑制作用;在溶液濃度達(dá)到25%時,種子發(fā)芽指數(shù)僅為5.0。
圖6 不同濃度PEG-6000溶液脅迫對花棒種子發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)的影響Fig.6 Effects of different concentrations of PEG-6000 stress on germination index and vigor index of Hedysarum scoparium seeds
隨著PEG-6000溶液濃度不斷升高,花棒種子活力指數(shù)下降幅度不斷增大,表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。當(dāng)溶液濃度為5%時,其活力指數(shù)為7.4,為對照的79.6%;當(dāng)PEG-6000溶液濃度為15%時,花棒種子活力指數(shù)為3.8,為對照組的40.4%,開始產(chǎn)生抑制作用;當(dāng)溶液濃度升高至20%時,其活力指數(shù)為1.3,為對照組的14%,抑制作用明顯;當(dāng)溶液濃度達(dá)到25%時,其活力指數(shù)僅為0.1,為對照組的1.0%。由此可得出,隨著PEG-6000溶液濃度升高,種子活力指數(shù)下降,當(dāng)PEG-6000溶液濃度大于15%時,活力指數(shù)下降趨勢明顯,種子生長潛力明顯降低,可見花棒種子活力指數(shù)對PEG-6000脅迫響應(yīng)較為明顯。
本試驗通過運用不同濃度NaCl溶液模擬不同程度鹽脅迫環(huán)境,觀察記錄花棒種子在鹽脅迫環(huán)境下萌發(fā)情況,探討花棒種子的耐鹽性。關(guān)于NaCl溶液對種子萌發(fā)的影響,目前有兩種結(jié)果,喬楓、朱金方等在沙棘[34]和檉柳[35]種子上得出的研究結(jié)果顯示,低濃度NaCl脅迫有助于種子萌發(fā)[3],高濃度時則存在抑制作用。張建鋒等[36]在研究流蘇和香椿種子時得出結(jié)果顯示,各濃度NaCl脅迫均會抑制種子萌發(fā),且濃度越大,引發(fā)的抑制作用會越明顯。本試驗得出的結(jié)果與張建鋒等研究結(jié)果相似。當(dāng)NaCl濃度為0.2%時,花棒種子內(nèi)部膜系統(tǒng)可以有效修復(fù)[37],該濃度發(fā)芽率為83.3%,未產(chǎn)生抑制作用;隨著NaCl濃度增加,種子內(nèi)部膜系統(tǒng)的修復(fù)逐漸延緩,當(dāng)濃度達(dá)到0.4%時,種子內(nèi)部膜系統(tǒng)不能修復(fù),發(fā)芽率僅為46.7%,受抑制作用較為明顯。在本試驗中,低于0.2% NaCl濃度并未抑制種子的萌發(fā),當(dāng)濃度不斷升高時,花棒種子各項萌發(fā)指標(biāo)急劇下降。由此可推知,在含鹽量較低的環(huán)境下,花棒種子具有一定的耐受性,該研究結(jié)果和楊佳鑫[38]、朱金方等[35]研究觀點相似,后期應(yīng)開展系統(tǒng)選育,以培育耐鹽品種,探究利用沙區(qū)地下鹽水進(jìn)行固沙造林的方法。
PEG-6000是常見的大分子滲透調(diào)節(jié)劑,通過對種子滲透壓進(jìn)行調(diào)整,改變水勢環(huán)境,對水分進(jìn)入種子內(nèi)進(jìn)行限制[39],使種子內(nèi)的各種細(xì)胞、酶處于活化狀態(tài)。因此,采取PEG-6000溶液處理花棒種子,模擬干旱對種子的脅迫試驗,實際上是利用其對種子所具有的這種滲透調(diào)節(jié)作用[40]。通過本試驗發(fā)現(xiàn),當(dāng)PEG-6000溶液≤5%時,花棒種子萌發(fā)能力受到影響并不顯著,當(dāng)溶液濃度高于15%時,花棒種子各萌發(fā)指標(biāo)均與對照存在顯著差異??梢?,當(dāng)PEG-6000濃度≤15%時,花棒種子的發(fā)芽能力未受到明顯影響;而當(dāng)溶液濃度達(dá)到20%時,各項發(fā)芽指標(biāo)明顯受抑制作用;當(dāng)PEG-6000溶液濃度為25%時,對應(yīng)環(huán)境水勢具體為-0.86 MPa[41],在這種環(huán)境下花棒種子的發(fā)芽率為25.6%,說明在重度干旱脅迫環(huán)境下,花棒種子也具有一定的耐受性。有研究表明,輕微干旱脅迫環(huán)境能促使種子啟動自我保護(hù)機制,緩解種子吸脹過程中對膜系統(tǒng)造成的損傷,這對修復(fù)膜系統(tǒng)極為有益,進(jìn)而有助于植物種子發(fā)芽率的提升[42-43]。姜生秀、劉帥等對沙冬青[44]、沙棘[34]、檉柳[45]等沙生植物抗旱性研究結(jié)果與上述結(jié)果一致。本試驗得出的結(jié)果與上述結(jié)果不同,花棒種子的發(fā)芽率受種子采摘年份影響較大,低濃度PEG-6000環(huán)境對花棒種子發(fā)芽率的提升不明顯,所以輕微干旱是否能促使種子萌發(fā),可能還與受到脅迫種子的種類、采摘年份及其生長環(huán)境等因素有關(guān)。
通過本試驗可知,花棒種子萌發(fā)能力隨NaCl和PEG-6000溶液濃度的升高均呈下降趨勢,揭示了花棒種子萌發(fā)的NaCl和PEG-6000濃度界限,對其選擇適宜栽植的環(huán)境條件和區(qū)域提供參考價值。本試驗初步得到了花棒種子在鹽旱條件下的萌發(fā)閾值,但是花棒種子在萌發(fā)過程中,其生理指標(biāo)受鹽旱脅迫下出現(xiàn)的具體特征、相應(yīng)變化以及構(gòu)建耐鹽基因載體,改良植株培育等問題,還需要進(jìn)行深入研究。
本試驗結(jié)果表明,隨著NaCl濃度的升高花棒的萌發(fā)能力呈下降趨勢,當(dāng)NaCl濃度高于0.2%時,種子各項萌發(fā)指數(shù)均急劇下降,說明花棒耐鹽性相對較低。隨著PEG-6000溶液濃度的升高花棒種子萌發(fā)能力同樣呈下降趨勢,當(dāng)PEG-6000溶液濃度高于15%時,種子各萌發(fā)指標(biāo)顯著降低,種子萌發(fā)受抑制作用明顯。因此,花棒種子萌發(fā)能忍耐的模擬鹽脅迫和干旱脅迫的濃度分別為0.2% NaCl,15% PEG-6000,花棒種子萌發(fā)期能忍耐低鹽分、中度干旱脅迫。