辣椒不同栽培種資源種子萌發期耐鹽性差異及評價

周 帥,刁衛平,潘寶貴,郭廣君,戈 偉,劉金兵,王述彬*

(1.南京農業大學 園藝學院,江蘇 南京 210095;2.江蘇省農業科學院 蔬菜研究所/ 江蘇省高效園藝作物遺傳改良重點實驗室,江蘇 南京 210014)

鹽堿土是一種重要的土地資源[1]。據第二次全國土壤普查資料統計,在不包括濱海灘涂的前提下,我國鹽堿土面積為3300多萬hm2,可開發利用的面積達1300多萬hm2。同時,由于設施環境下土壤得不到自然降水的有效淋溶,表層土壤次生鹽漬化程度不斷加重,鹽堿化土地面積呈進一步上升趨勢。土壤鹽堿化已成為制約農作物生產和農業可持續發展的主要非生物逆境,是我國設施蔬菜產業中亟待解決的問題[2],而篩選耐鹽蔬菜種質資源、培育耐鹽品種則是解決該問題的最有效途徑。種子發芽期作為植物生命周期中對逆境最敏感的時期,已經成為農作物抗逆育種中選擇的重要時期之一[3],篩選或培育具有一定耐鹽能力的蔬菜品種可以有效利用鹽漬化土壤發展蔬菜產業,促進社會經濟發展[4]。

辣椒(Capsicumsp.)又叫番椒,是茄科辣椒屬一年或多年生草本植物[5]。根據我國農業農村部辣椒產業發展報告數據,2018年全國辣椒種植面積為213萬hm2,年產量4000萬t,經濟總量超過1000億元,栽培面積、產量和效益均居蔬菜之首,在我國蔬菜周年供應及提高種植戶經濟收入中占據重要地位。同時,辣椒耐貧瘠,對土壤的選擇并不嚴格,從砂質土到壤土均能生長,因此培育耐鹽辣椒品種對充分利用鹽漬土壤發展辣椒產業具有重要的經濟意義。我們利用辣椒4個栽培種23份材料,在模擬鹽脅迫的條件下,分析了不同栽培種材料種子萌發期耐鹽性差異,以期為辣椒耐鹽性研究和耐鹽品種培育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試辣椒種質材料共23份(表1),其中21份材料引種于美國農業部國家種質資源庫。包含辣椒4個栽培種,其中C.annuum、C.chinense、C.baccatum和C.frutescens分別有8份、7份、7份和1份,由江蘇省農業科學院蔬菜研究所辣椒課題組提供。供試NaCl為分析純。

表1 23份辣椒種質資源的信息

1.2 試驗方法

每份材料挑選成熟飽滿、大小一致的種子420粒,用5%的次氯酸鈉溶液消毒20 min后,用純凈水反復沖洗多次,沖洗干凈待用。選用直徑9 cm的培養皿并鋪上兩層濾紙,將種子置于濾紙上,用不同濃度(0、30、60、90、120、150、180 mmol/L)的NaCl溶液進行處理，以純凈水作對照。每個處理3次重復,每次重復20粒種子,均勻排列；向每個培養皿中加入5 mL不同濃度的NaCl溶液或純凈水。將培養皿放入人工氣候箱,在溫度為(28±1)℃的黑暗條件下,進行鹽處理發芽試驗。每兩天換一次濾紙和鹽溶液,以保持鹽溶液的濃度不變。

1.3 指標測量和計算

每天于相同時間觀察種子的出芽情況,以胚根突破種皮長達到種子直徑的1/2作為發芽標志,記錄種子的發芽數。以第6天的發芽數計算相對發芽勢；以第14天的發芽數計算相對發芽率、相對發芽指數和相對鹽害率[6]。相關指標的計算公式如下:

發芽率(%)=(發芽粒數/供試粒數)×100;

相對發芽率(%)=鹽處理發芽種子數/對照發芽種子數×100;

相對發芽勢(%)=鹽處理初期的發芽種子總數/對照初期發芽種子總數×100;

相對發芽指數(%)=鹽處理發芽指數/對照發芽指數×100;

發芽指數=∑(Gt/Dt)。其中:Gt為t日的發芽數；Dt為日數;

相對鹽害率(%)=[(對照發芽率-處理發芽率)/對照發芽率]×100。

1.4 數據分析

利用Microsoft Excel 2010和DPS 9.01統計軟件進行數據的統計和分析,差異顯著性測驗采用Tukey法。隸屬函數值計算參照高晶霞等[7]的方法,試驗指標的脅迫指數=脅迫下指標值/對照指標值。聚類分析采用歐氏距離類平均法(UPGMA)。

2 結果與分析

2.1 不同濃度NaCl脅迫對辣椒材料相對發芽勢的影響

如表2所示,隨著NaCl濃度的升高,不同材料的相對發芽勢總體呈現下降趨勢,說明鹽脅迫對辣椒種子發芽具有抑制作用,降低了種子的發芽速度和整齊度。而不同的材料對鹽脅迫的響應不同,材料間存在顯著差異。

表2 NaCl處理對不同辣椒材料相對發芽勢的影響 %

當鹽濃度為30 mmol/L時,1號、3號、4號、9號、15號、17號、18號、20號、21號和23號材料的相對發芽勢大于對照的相對發芽勢,表明低鹽濃度對這部分材料的種子萌發有促進作用,但促進的程度因材料不同而異;2號和19號材料的相對發芽勢與對照相同,表明低鹽濃度對其種子萌發無影響;5號材料在此鹽濃度下種子萌發已受到抑制,相對發芽勢顯著降低至20%以下(P<0.01),而其他材料的相對發芽勢無明顯降低。當鹽濃度為60 mmol/L時,1號、4號、9號、15號、17號、18號、19號、22號和23號材料的相對發芽勢比對照高；16號和21號材料的相對發芽勢與對照相同;5號、8號、10號、13號、14號和20號材料的相對發芽勢與對照相比顯著降低,其中14號材料的相對發芽勢降為0%(P<0.01)。當鹽濃度為90 mmol/L時,14號材料的相對發芽勢較鹽濃度為60 mmol/L時升高；3號、4號、9號、17號、18號、19號和23號的相對發芽勢高于對照；22號材料的相對發芽勢與對照相同,這幾個材料對鹽脅迫的適應性強;5號、6號、8號、10號、12號、13號、14號和20號材料的相對發芽勢顯著下降(P<0.01),其中5號和8號材料已下降為0%；其他材料的相對發芽勢與對照相比無顯著變化。

在120 mmol/L的鹽濃度下,3號、6號、16號和23號材料的相對發芽勢較鹽濃度90 mmol/L時升高；3號、9號、19號和23號材料的相對發芽勢比對照高,此鹽濃度對這幾個材料的種子萌發仍有促進作用,其中3號材料的相對發芽勢最高,說明該材料受到促進萌發的作用最明顯；1號和17號材料的相對發芽勢與對照相同;5號、8號、10號、11號、12號、13號、14號、15號和20號材料的相對發芽勢與對照相比明顯下降,其中5號和8號材料的相對發芽勢顯著下降到0%(P<0.01)；其余材料的相對發芽勢無明顯下降。在鹽濃度為150 mmol/L下,3號材料的相對發芽勢比對照高,表明該材料的耐鹽性很強;大多數材料的種子萌發受到抑制,其中5號、8號和14號材料的相對發芽勢下降最為顯著(0%,P<0.01)。當鹽濃度為180 mmol/L時,仍有2號、3號、9號、16號、18號、19號和22號材料的相對發芽勢與對照相比無明顯變化,說明這7份材料對高鹽脅迫的適應性較強;而其余材料的相對發芽勢與對照相比均有顯著下降,其中5號、8號、12號、13號和14號的相對發芽勢下降最為明顯(0%,P<0.01),表明這幾份材料耐鹽性較差。

2.2 不同濃度NaCl脅迫對辣椒材料相對發芽率的影響

從表3結果可以看出,隨著NaCl濃度的升高,所有辣椒材料種子的相對發芽率總體呈現下降趨勢,在不同辣椒材料間相對發芽率的下降程度不同。

表3 NaCl處理對不同辣椒材料相對發芽率的影響 %

當NaCl濃度為30 mmol/L時,4號、6號、9號、14號、15號、21號、22號和23號這8份材料的相對發芽率高于對照,表明低鹽濃度能促進上述材料的種子萌發；1號、2號、8號、17號、18號和19號材料的相對發芽率則與對照相同,表明低鹽濃度對上述材料的種子萌發無影響;3號和5號材料的相對發芽率分別顯著下降至50.00%和60.00%以下(P<0.05),對低鹽濃度較敏感;其他材料的相對發芽率無明顯變化。當NaCl濃度為60 mmol/L時,4號、10號、13號和16號材料的相對發芽率較NaCl濃度為30 mmol/L時增加；4號、9號、10號、13號、22號和23號材料的相對發芽率比對照高,以4號材料的相對發芽率最高,表明鹽脅迫對該材料種子萌發的促進作用最強；1號、16號、17號、19號和21號材料的相對發芽率與對照相同,能正常發芽,表明鹽脅迫對這幾個材料的種子萌發無抑制作用;3號、5號和8號材料的相對發芽率與對照相比明顯降低(P<0.01);而其他材料的相對發芽率無顯著下降。當鹽濃度提高到90 mmol/L時,2號、3號、7號、12號、14號、21號、22號和23號材料的相對發芽率較NaCl濃度為60 mmol/L時有小幅度升高,其中14號、21號、22號和23號材料的相對發芽率比對照高；2號、9號和19號材料的相對發芽率與對照相同,能正常發芽,表明這3份材料對鹽脅迫的適應性強;3號、5號、8號和20號材料的相對發芽率顯著降低(P<0.01);其他材料的相對發芽率無顯著下降。

在120 mmol/L鹽濃度處理下,9號和23號材料的相對發芽率較鹽濃度90 mmol/L時升高；4號、9號、21號和23號這4份材料的相對發芽率大于對照；2號和19號材料的相對發芽率與對照相同;3號、5號、8號、15號和20號材料的相對發芽率顯著降低(P<0.01)，其中8號材料的相對發芽率下降為0%；其余材料的相對發芽率與對照相比無明顯變化。當NaCl濃度為150 mmol/L時,21號材料的相對發芽率仍大于對照,23號材料的相對發芽率等于對照,說明這兩份材料對鹽脅迫的耐性很強；5號和8號材料的相對發芽率為0%(P<0.01),表明耐鹽性很差。當NaCl濃度為180 mmol/L時,1號、2號、9號、16號、17號、18號、19號、21號、22號和23號材料的相對發芽率與對照相比差異不大；其余材料的相對發芽率下降顯著(P<0.01或P<0.05),尤其5號和8號材料的相對發芽率下降為0%,說明這2份材料的耐鹽性最差。

2.3 不同濃度NaCl脅迫對辣椒材料相對發芽指數的影響

發芽指數能反映種子的發芽能力及活力,相對發芽指數越高,種子的發芽能力越強。從表4可以看出,隨著NaCl濃度的升高,所有辣椒材料種子的相對發芽指數總體上呈現下降趨勢，但不同材料種子的相對發芽指數下降程度不同。

表4 NaCl處理對不同辣椒材料相對發芽指數的影響 %

在30 mmol/L NaCl處理下,1號、2號、4號、9號、13號、15號、17號、18號、19號、20號和21號等11份材料的相對發芽指數大于對照,表明該濃度可以促進這些材料種子的發芽能力和活力；3號和5號材料的相對發芽指數與對照相比分別顯著下降至70.00%(P<0.05)和30.00%(P<0.01)以下,表明這2份材料對低鹽脅迫很敏感;其他材料的相對發芽指數無顯著下降。在60 mmol/L NaCl處理下,4號、15號、17號、18號和19號材料的相對發芽指數大于對照;3號、5號和8號材料的相對發芽指數與對照相比下降明顯(P<0.01),耐鹽性較差；其他材料的相對發芽指數無明顯變化。當鹽濃度為90 mmol/L時,只有17號材料的相對發芽指數大于對照,說明該材料的種子活力受到了促進作用;3號、5號、8號、10號、14號和20號材料的相對發芽指數下降明顯(P<0.01),對鹽脅迫較為敏感；其他材料的相對發芽指數較對照下降不明顯。

當鹽濃度為120 mmol/L時,除1號、4號、9號、13號、17號、19號和21號這7份材料的相對發芽指數無明顯下降外,其余參試材料的相對發芽指數均有顯著下降,其中8號材料的相對發芽指數變化最大,下降為0%,與對照相比差異極顯著(P<0.01)。當鹽濃度為150 mmol/L時,多數材料的相對發芽指數較之前持續下降,其中5號和8號材料的相對發芽指數下降極顯著，為0%(P<0.01)。當鹽濃度為180 mmol/L時,所有材料的相對發芽指數與對照相比差異顯著或極顯著(P<0.01或P<0.05),其中5號和8號材料的相對發芽指數下降至0%,說明這兩份材料對鹽脅迫最為敏感。

2.4 不同濃度NaCl脅迫對辣椒材料相對鹽害率的影響

相對鹽害率可以反映種子萌發時期耐鹽脅迫的程度,數值越大,表明供試材料種子萌發期的耐鹽性越差。在整個NaCl脅迫試驗中,隨著鹽濃度升高,不同辣椒材料的相對鹽害率總體呈上升趨勢(表5),然而各材料對鹽脅迫的反應不同。

表5 NaCl處理對不同辣椒材料相對鹽害率的影響 %

當鹽濃度為30 mmol/L時,4號、6號、9號、14號、15號、21號、22號和23號這8份材料的相對鹽害率為負值,說明低鹽濃度對這些材料的種子萌發有促進作用；1號、2號、8號、17號、18號和19號材料的相對鹽害率與對照相同,表明低鹽濃度對這部分材料無影響;3號和5號材料的相對鹽害率上升最明顯(P<0.05),分別上升至50%和40%以上,表明低鹽濃度對這兩份材料產生了明顯的鹽害作用；其余材料的相對鹽害率與對照相比無明顯上升。當NaCl濃度為60 mmol/L時,4號、9號、10號、13號、22號和23號材料的相對鹽害率為負值,其中4號材料的相對鹽害率最小,表明該材料的種子萌發受鹽脅迫的促進作用最強;1號、16號、17號、19號和21號材料的相對鹽害率與對照相同；而3號、5號和8號材料的相對鹽害率較對照極顯著上升(P<0.01)；其他材料的相對鹽害率無顯著上升。在90 mmol/L鹽濃度處理下,14號、21號、22號和23號材料的相對鹽害率為負值,鹽脅迫對這4份材料的種子萌發有促進作用；2號、9號和19號材料的相對鹽害率則與對照相同;3號、5號、8號和20號材料的相對鹽害率顯著升高(P<0.01),鹽脅迫毒害明顯；其他材料的相對鹽害率與對照相比上升不顯著。

當NaCl濃度為120 mmol/L時,3號、5號、8號、15號和20號材料的相對鹽害率明顯上升,以8號材料的上升尤為明顯(100%,P<0.01),顯示其對鹽脅迫最敏感;4號、9號、21號和23號材料的相對鹽害率為負值,表明這4份材料的耐鹽性強；2號和19號材料的相對鹽害率與對照相同,說明這2份材料的種子萌發不受抑制。當鹽濃度為150 mmol/L時,21號材料的相對鹽害率為負值,23號材料的相對鹽害率與對照相同,表明這2份材料對鹽脅迫的適應性很強;5號和8號材料的相對鹽害率與對照相比上升顯著(100%,P<0.01),表明其耐鹽性很差。當NaCl濃度為180 mmol/L時,1號、2號、9號、16號、17號、18號、19號、21號、22號和23號材料的相對鹽害率與對照相比無明顯差異；其余材料的相對鹽害率上升顯著(P<0.01或P<0.05),其中5號和8號材料的相對鹽害率上升最為顯著(100%,P<0.01),說明這2份材料在23份參試材料中耐鹽性很差,這與相對發芽率得出的結論基本一致。

2.5 不同辣椒種子發芽期耐鹽性指標的相關分析

根據23份辣椒材料的4個耐鹽性指標值進行相關分析，結果(表6)表明：在相對發芽勢、相對發芽率、相對發芽指數和相對鹽害率這4個指標之間均存在極顯著(P<0.01)相關的關系；相對鹽害率與其他3個指標均存在極顯著的負相關關系；在其他3個耐鹽性指標間彼此存在極顯著的正相關關系。

2.6 各辣椒材料耐鹽性的綜合評價

辣椒的耐鹽能力是多種代謝的綜合表現,只用1個指標來評價難以準確反映各材料真實的耐鹽性,要對多個耐鹽指標進行綜合評價。因此采用模糊數學中的隸屬函數法對23份辣椒材料的4個耐鹽指標進行了耐鹽性綜合評價。由表7可知，平均隸屬函數值的分布范圍為0.271～0.708,其數值越大則說明耐鹽能力越強。根據各材料的平均隸屬函數值進行排序,得出耐鹽性較強的5份辣椒材料為21號、19號、23號、2號、17號,其隸屬函數值在0.629～0.708之間,其中排第1位的是21號材料,其綜合耐鹽能力最強。耐鹽性較弱的5份辣椒材料為12號、20號、3號、8號、5號,其隸屬函數值在0.271～0.453之間,其中5號材料排在末位,綜合耐鹽能力最弱。

表7 在鹽脅迫下辣椒材料各指標的隸屬函數值及其排序

2.7 辣椒材料耐鹽性的聚類分析

以23份辣椒種質材料的平均隸屬函數值為基礎,采用類平均法(UPGMA)進行聚類分析。如圖1所示,在歐式距離0.10處可將參試材料分為四大類群：第Ⅰ類群包含21號、19和23號3份材料,屬于極耐鹽材料,占供試材料總份數的13.04%;第Ⅱ類群有10份種質材料,包括2號、17號和1號等,歸為耐鹽性較強材料,占供試材料的43.48%;第Ⅲ類群有6份種質材料,包括15號、6號和18號等,歸為耐鹽性中等的材料,占供試材料的26.09%;第Ⅳ類群有4份種質材料,包括20號、3號、8號和5號材料,為敏鹽性材料,占供試材料的17.39%。

圖1 辣椒種質資源耐鹽性的聚類分析結果

3 結論與討論

種子萌發期是作物器官的形成初期,是整個生長發育過程中對鹽脅迫最為敏感的時期。種子萌發期的耐鹽能力可以初步反映作物在其他生長期的耐鹽性[8]。龔明等[9]用不同濃度的鹽溶液處理不同生育期的小麥,得出播種出苗期和受精期這兩個時期對鹽脅迫較為敏感,因此鑒定耐鹽性要從早期開始。將種子對鹽脅迫的敏感程度作為鑒定植物是否耐鹽的標準,在玉米、白菜、蘿卜、番茄、藜麥[10-14]等上都有應用。

本試驗結果表明，隨著鹽濃度的增加,辣椒種子的發芽情況越來越差,說明較高的鹽濃度脅迫能明顯抑制23份辣椒材料的種子發芽,但在不同辣椒材料之間耐鹽性存在很大的差異,而且低鹽濃度對部分辣椒種子的萌發有一定的促進作用。王勤禮等[15]研究發現，低濃度NaCl脅迫對辣椒自交系HXUY0912的發芽率、總干質量、總鮮質量具有一定的促進作用;顧閩峰等[16]研究表明在不同濃度NaCl脅迫下,低濃度NaCl脅迫對羊角椒品種有促進萌發作用;王清華等[17]研究發現所有辣椒品種在0.5%鹽濃度下的發芽率、發芽勢均超過了對照,說明低濃度鹽處理可以促進其種子萌發;郭春蕊等[18]得出在鹽濃度30 mmol/L脅迫下,洲椒霸和高產懶椒王的發芽勢、發芽率和發芽指數均顯著提高。這些研究結果與本試驗的研究結果一致。低鹽濃度能促進種子萌發,可能是因為低鹽濃度能促進細胞膜的滲透調節,從而可以吸收更多水分來抵御外界逆境,而且NaCl中的Na+對呼吸酶有激活作用,可以促進種子呼吸[19]。

有關研究表明，鹽脅迫對作物種子萌發的抑制效果隨鹽濃度增大而愈加明顯,這與本試驗的結果相符。高鹽抑制種子萌發可能與高濃度Na+對植物的毒害作用有關[20]；種子在萌發過程中一些酶的合成和活性受到抑制,也可能是由于Na元素濃度過高抑制根系對K、Ca等元素的吸收,導致離子濃度不平衡[21]。

鹽脅迫抑制作物種子發芽的因素有很多,植物的耐鹽機制是一個極其復雜的過程[22]。目前蔬菜作物芽期耐鹽性鑒定指標主要有發芽勢、發芽率、相對發芽率、發芽指數、相對發芽指數、萌發活力指數和相對萌發活力指數等。本試驗利用相對發芽勢、相對發芽率、相對發芽指數和相對鹽害率4個耐鹽指標做評定標準。對于耐鹽性的綜合評價,大多數研究者選用隸屬函數法。劉向蕊等[23]對產量相關性狀和平均冷害隸屬函數值進行相關分析，結果表明平均隸屬函數值消除了與對照之間的差異,可以更為科學地評價雜交晚稻的冷害強度。范惠玲等[24]采用模糊數學的隸屬函數法對26份蕓芥材料種質進行耐鹽性分析,篩選出了7份耐鹽性較強的材料。曹帥等[25]采用模糊隸屬度函數法和聚類分析法對混合鹽堿脅迫下大豆品種的耐鹽堿性進行了評價,將18個大豆品種分為耐鹽堿品種、中等耐鹽堿品種、鹽堿敏感品種三個類群。

本試驗采用萌發期鹽脅迫,利用隸屬函數法和聚類分析法對分屬辣椒4個栽培種的23份材料進行評價，將其分為4個類群,并從不同栽培種辣椒材料中篩選出3份耐鹽性極強的材料，都屬于C.annuum栽培種；在4份敏鹽材料中，有3份屬于C.chinense栽培種。為了更加全面地反映辣椒材料的耐鹽能力,今后還需要進一步對不同生長階段的耐鹽性進行評價與比較。