碳酸鹽脅迫對柳枝稷種子萌發及幼苗生長的影響

摘要 [目的]研究碳酸鹽逆境對柳枝稷種子萌發及幼苗生長的影響。[方法]選用Na2CO3及NaHCO3兩種碳酸鹽對柳枝稷種子進行脅迫處理，脅迫濃度分別為0、5、7、10、12、15 mM。[結果]不同濃度Na2CO3及NaHCO3均對柳枝稷種子萌發表現出抑制作用，種子發芽率顯著降低，Na2CO3對種子發芽的脅迫作用強于NaHCO3，隨著碳酸鹽濃度的增加相對堿害率上升，15 d后相對堿害率趨同，說明柳枝稷受碳酸鹽脅迫影響，隨著發芽時間的推遲，抑制作用得到緩解。[結論]柳枝稷對碳酸鹽逆境具有一定耐受性，研究結果可為柳枝稷東北鹽堿地區引種奠定基礎。

關鍵詞 柳枝稷；碳酸鹽；逆境脅迫；種子萌發；幼苗生長

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）17-05564-03

Abstract [Objective] The research aimed to study the effect of carbonate stress to the seed germination and seedling growth of Panicum virgatum.[Method] Two kinds of carbonate stress， Na2CO3 and NaHCO3 were chose to treat P. virgatum seeds， with concentrations of 0 mM， 5 mM， 7 mM， 10 mM， 12 mM， and 15 mM.[Result] The results showed that different concentrations of Na2CO3 and Na2CO3 inhibited seeds germination， the seed germination rate reduced significantly， but the effect of Na2CO3 stress on seed germination was stronger than that of NaHCO3. The relative alkali harm rate went up with the increasing concentration of carbonate， and the relative rate resembled after 15 days， which illustrated P. virgatum was affected by salt stress， but as time delayed， germination inhibition eased.[Conclusion] P. virgatum had a certain tolerance to carbonate stress， which layed a foundation for the introduction of P. virgatum in northeast China.

Key words Panicum virgatum； Carbonate； Adversity stress； Seed germination； Seedling growth

當前，全球土地鹽漬化備受矚目，據世界糧農組織預計，到2050年，將有50%的耕地鹽漬化[1]。在我國東北部地區，其鹽漬土壤是以Na2CO3和NaHCO3為主要鹽分的蘇打堿土[2]。而堿性碳酸鹽除了具有中性鹽的脅迫因素外（如離子毒害、低滲透勢、離子不平衡等），還具有明顯的礦物質元素可利用性低和高pH等特殊影響因素[3]。因此，堿性碳酸鹽對植被造成的危害比中性鹽更為嚴峻，更具生態破壞力。目前，在鹽脅迫研究中研究者多以NaCl、Na2S等中性鹽為研究對象[4-6]，對堿性鹽脅迫對種子萌發及幼苗生長的影響研究較少，因此無法為東北地區蘇打堿土的植被恢復提供依據。

柳枝稷（Panicum virgatum）原產美國，是一種禾本科多年生高產牧草。在美國，有研究人員采用GIS系統對柳枝稷種植區域、年產量等進行研究，而美國能源部資助弗尼亞理工學院和州立大學用柳枝稷進行可再生性液體乙醇燃料開發研究[7-8]。作為能源作物，柳枝稷的種植可以減少化學藥品的使用，降低對土壤生物多樣性的影響，起到改善荒地、鹽堿地等劣質土地的作用[9-11]。我國李代瓊等[12]、許炳成等[13]先后在半干旱黃土丘陵溝壑區（陜西省安塞縣）引種柳枝稷，起到了很好的水土保持作用及較高的生物質生產量。我國多采用稀酸、稀堿等預處理柳枝稷進行纖維素降解產乙醇發酵，使水解產物能夠被釀酒酵母利用[14-17]。該研究則選取不同濃度的碳酸鹽對柳枝稷種子進行脅迫，通過對種子發芽率、發芽指數和幼苗活力指數等數據進行統計分析，研究碳酸鹽脅迫對柳枝稷種子萌發及幼苗生長的影響，探討東北鹽漬土壤地區柳枝稷自然繁殖的可能性，為東北地區鹽漬土壤地區柳枝稷的引種奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

柳枝稷種子系商業來源，于2011年3月購于美國Everwilde Farms，遺傳背景不詳。購回后，保存于4 ℃。

1.2 植物材料的種植與處理方法

1.2.1

種子預處理。將柳枝稷種子浸泡于蒸餾水中，4 ℃靜置2 d，棄去浮于水面上的干癟種子及種殼。用1%NaClO3室溫浸泡3 h，以促進發芽[18]。蒸餾水沖洗3～5次去除NaClO3。

1.2.2

水培種植。將2層紗布覆蓋于塑料筐上作為種子發芽用的芽床，將預處理后的種子均勻放在芽床上，將芽床放置于5、7、10、12、15 mM濃度梯度的Na2CO3 及NaHCO3溶液中，并以蒸餾水為對照，每個處理隨機放置100粒種子，重復3次。

1.2.3

培養條件。將種子置于光照培養箱中，光照16 h/30 ℃，黑暗8 h/20 ℃。每3 d更換1次溶液，培養27 d。

1.2.4

數據記錄。種植7 d后開始統計發芽的種子數，胚根或胚芽長度達到種子自身長度的1/2時記為發芽，發芽后每2 d進行一次統計。培養27 d后，測定幼苗的鮮重。

1.3 數據處理

在Na2CO3脅迫下，各濃度梯度下種子發芽率隨天數增加而增加，分別在第23天、21天和第17天達到21.00%、9.67%和1.67%，隨著濃度的增加，種子萌發受了到嚴重抑制。NaHCO3脅迫對柳枝稷種子發芽的抑制趨勢與Na2CO3相同，濃度5 mM、10 mM和15 mM脅迫下的發芽率在27 d、27 d和25 d達到最大，分別為34.00%、30.00%和18.67%。相同濃度的NaHCO3和Na2CO3對種子發芽的抑制有所差異，這是因為 Na2CO3脅迫下，Na+濃度和pH較高，種子發芽率更低。

發芽指數是種子發芽的速率，更直觀、更靈敏地反映出種子活力。對照組柳枝稷種子發芽指數為20.23，兩種碳酸鹽脅迫下種子發芽指數顯著下降（P<0.05），5 mM Na2CO3脅迫下，種子發芽指數為12.12，低于5 mM NaHCO3脅迫下種子的發芽指數（16.43）。可見相同濃度的Na2CO3對種子發芽的毒害作用高于NaHCO3，兩種碳酸鹽脅迫下柳枝稷種子發芽指數均呈現顯著（P<0.05）降低趨勢，但低濃度的NaHCO3（5 mM和7 mM）差異不顯著，說明低濃度的NaHCO3對柳枝稷種子毒害作用大致相同（圖1）。

Na2CO3和NaHCO3脅迫下，隨著碳酸鹽濃度的增加，相對堿害率均表現出上升的趨勢，低濃度的NaHCO3（5 mM、7 mM）差異不大（圖2）。Na2CO3脅迫7～11 d時相對堿害率下降，隨著脅迫時間的延長，相對堿害率上升，第13天整體呈現出平緩趨勢，相對堿害率不再上升，或有小幅上升。NaHCO3脅迫下，隨脅迫時間延長，相對堿害率表現出降低的趨勢。總體上看，兩種碳酸鹽脅迫對柳枝稷種子的萌發均有抑制作用，NaHCO3脅迫的抑制作用小，且隨著脅迫時間的延長，脅迫作用得到緩解，這是因為柳枝稷種子對NaHCO3脅迫表現出一定的耐受性。

2.3 碳酸鹽脅迫對柳枝稷幼苗的影響

幼苗活力指數反映種子萌發速度和幼苗整齊度。由圖3可以看出隨著碳酸鹽（Na2CO3和NaHCO3）濃度的增加，柳枝稷幼苗活力指數逐漸下降，高濃度Na2CO3（12 mM和15 mM）處理下幼苗活力指數幾乎為0，表明高濃度的Na2CO3脅迫嚴重抑制柳枝稷幼苗生長。NaHCO3對幼苗的抑制較Na2CO3輕，但低于對照組（0.072），5 mM NaHCO3下柳枝稷的幼苗活力指數為0.042，比對照組低42%。由此可見，Na2CO3和NaHCO3對柳枝稷幼苗均有一定的抑制作用，相同濃度的Na2CO3脅迫下的幼苗活力指數均低于NaHCO3。

3 結論與討論

植物在鹽漬土壤中發育的前提條件是其種子能否在碳酸鹽脅迫下萌生成苗。經過試驗研究發現，未經處理的柳枝稷種子只有5%左右的發芽率，相對較低，屬于深度睡眠種子，經不同濃度NaClO3處理后在蒸餾水中發芽率27 d后達到40.67%，發芽率大大提高了，說明試驗對于柳枝稷種子預處理可以對打破休眠效果起到明顯提升，有加快種子呼吸代謝和物質代謝的促進作用，從而減輕甚至解除種子的休眠。建議人工種植時可以用此方法進行預處理，提高柳枝稷種子發芽率。從兩種鹽脅迫的發芽率可以看出，Na2CO3對種子發芽率的脅迫強于NaHCO3，這是因為同等濃度下Na2CO3溶液的pH要高于NaHCO3。不同Na2CO3濃度均對種子萌發表現出抑制作用，種子發芽率顯著降低，但27 d后發芽率不再變化，且Na2CO3對種子發芽的脅迫強于NaHCO3。隨著溶液濃度的增加相對堿害率上升，但是在15 d后的相對堿害率相對趨同，說明柳枝稷受鹽脅迫影響，但隨著發芽時間的推遲，抑制作用得到緩解，說明其具有很好的耐受性。該研究整個過程在實驗室中進行，是否在北寒地帶種植還有待進一步研究。

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