鹽堿脅迫對風箱果和紫葉風箱果種子萌發及耐鹽堿性的影響1)

劉樂 魏曉慧 殷東生

(東北林業大學,哈爾濱，150040) (黑龍江省林業科學研究所)

土壤鹽堿化是世界性的生態問題，其程度和面積呈逐年增大的趨勢[1]。鹽堿地區的突出特征是生態環境較脆弱，土壤條件苛刻，植物種類稀少，生物多樣性低[2]。因此，篩選和培育耐鹽堿植物、豐富該地區植物種類，對該地區生態防護林、水土保持林和生態景觀林建設具有重要意義[3]。目前，關于植物耐鹽堿研究主要是以中性鹽脅迫為主，而鹽堿地類型復雜，大多都是鹽化和堿化相伴存在[4]。因此，了解不同鹽堿脅迫對植物造成的危害，探索不同植物的耐受力及適應機制，為鹽堿地栽培植被選擇提供理論指導。

種子發芽至苗期是植物生長發育時期最脆弱的環節，同時也是對逆境的敏感時期，因此種子萌發期是研究植物抗逆性的最佳時期[5]。由于種子萌發期的耐鹽堿性是可遺傳的性狀，對于早期抗鹽堿材料篩選和品種改良具有重要意義[]6。目前，關于鹽堿脅迫對植物影響研究主要集中在草本植物和糧食作物[6-8]，缺乏對灌木，尤其是對彩葉類花灌木的研究。風箱果(Physocarpusamurensis)是我國珍貴的鄉土花灌木綠化樹種，該樹種適應性強，既耐旱又耐寒，白色的花序優美且花期較長，是自然風景區極好的綠化樹種，開發應用前景非常廣闊[9]。紫葉風箱果(P.opulifolius)枝葉呈紫色，花色淡雅，果實鮮紅，具有較高的觀賞價值，是近年來為豐富綠化層次和色彩從美國引進，逐漸成為園林中優良的觀花灌木和彩葉觀賞樹種[10]。目前國內對風箱果和紫葉風箱果的相關研究主要集中在生長條件、繁殖技術、抗旱性和抗寒性[9-14]等方面，但是兩種風箱果種子萌發對鹽堿脅迫響應的研究尚無報道。本文以風箱果和紫葉風箱果種子為研究對象，研究不同濃度中性鹽(NaCl)、堿性鹽(NaHCO3)以及中性鹽(NaCl)和堿性鹽(NaHCO3)的混合鹽堿脅迫下，對種子萌發特性的影響和對兩種風箱果耐鹽堿性進行評價，探索兩種風箱果種子對鹽堿環境的適應能力，進一步為風箱果屬植物引種我國鹽堿地區，豐富鹽堿地區植物種類提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試種子于2019年8月初采自東北林業大學帽兒山林場苗圃引種栽植的風箱果和紫葉風箱果成熟林。風箱果種子和紫葉風箱果種子質量分別為1.122 9、0.953 0 mg/粒。種子陰干后，密封好放入冰箱4 ℃冷藏室內。試驗于2019年11月在東北林業大學森林培育實驗室進行。隨機選取大小一致、飽滿的風箱果和紫葉風箱果種子，先用體積分數為75%酒精清洗2次，每次30 s，再用質量分數為3% NaClO浸泡10 min，進行消毒處理，最后用蒸餾水沖洗3～5遍，由于風箱果種子具有休眠特性，脅迫處理前用50 mg·L-1赤霉素(GA3)和質量分數為4% KNO3混合處理72 h進行催芽[15]，將種子自然風干后進行發芽實驗。

1.2 試驗設計

根據鹽堿地土壤的鹽堿組成和含鹽量來設置鹽堿脅迫梯度[16]。本研究采用中性鹽(NaCl)脅迫、堿性鹽(NaHCO3)脅迫以及NaCl和NaHCO3(m(NaCl)∶m(NaHCO3)=1∶1)混合鹽堿脅迫3種處理，每一處理濃度梯度分別為0(CK)、20、40、60、80、100 mmol·L-1，每個濃度重復3次。試驗所用NaCl和NaHCO3均為分析純。

1.3 脅迫處理

發芽床采用濾紙法，在洗凈烘干的培養皿(直徑9 cm)底部鋪一層脫脂棉，上面鋪一層濾紙，每個培養皿內均勻排列20粒種子，分別加入不同處理濃度鹽堿溶液至濾紙飽和，置于25 ℃恒溫培養箱，光照16 h，黑暗8 h。為了防止試驗期間由于水分蒸發引起的溶液濃度改變，培養皿用透氣不透水的封口膜封口，試驗期間若失水，采用稱重法添加蒸餾水保持鹽堿溶液濃度不變。

1.4 指標與測定方法

種子以胚根剛突破種皮為萌發標準，每隔24 h觀察和記錄萌發種子數，連續觀察30 d(連續3 d沒有新種子萌發視為發芽結束)。實驗結束后分別計算種子發芽率、發芽指數、相對發芽率和相對鹽害率。

發芽率(Gr)：Gr=(Gn/Sn)×100%；

發芽指數(Gi)：Gi=∑(Gt/Dt)；

相對發芽率=(Gr/對照處理的發芽率)×100%；

相對鹽害率(Rd)：Rd=[(對照處理的發芽率-鹽堿處理發芽率)/對照處理的發芽率]×100%。

式中：Gn為種子萌發總數，Sn為供試種子總數，Gt為第t天的種子發芽數，Dt為相應的發芽天數。

1.5 耐鹽堿性評價

種子的耐鹽堿性等級參考Wang et al.[16]的標準。另外分別以NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫處理30 d后的相對發芽率為因變量(y)，以相對應的NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫濃度為自變量(x)建立回歸方程，以相對發芽率(CK為100%)為75%、50%、25%所對應的鹽堿溶液濃度，作為種子發芽時抗鹽堿性的適宜值、臨界值和極限值[17]。

1.6 數據處理

試驗數據采用Excel 2010進行整理，采用SPSS 21.0軟件進行方差分析、多重比較和回歸分析。發芽率、相對發芽率和相對鹽害率數據為百分數，對其進行反正弦平方根轉換后再進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 鹽堿脅迫對種子發芽率的影響

由表1可知，NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫對風箱果和紫葉風箱果種子的發芽率影響顯著(P<0.05)，均隨脅迫強度的增大呈下降趨勢。3種脅迫處理下，風箱果種子的發芽率均在鹽堿濃度為20 mmol·L-1時與CK差異不顯著(P>0.05)，當鹽堿濃度大于20 mmol·L-1以后的處理顯著低于CK(P<0.05)；NaCl濃度為40～100 mmol·L-1時風箱果種子發芽率變化不顯著(P>0.05)，而NaHCO3脅迫和混合脅迫下的發芽率下降顯著(P<0.05)；紫葉風箱果種子的發芽率在NaCl濃度為20 mmol·L-1時與CK差異不顯著(P>0.05)，當NaCl濃度大于20 mmol·L-1以后的處理顯著低于CK(P<0.05)，NaCl濃度為40～80 mmol·L-1時發芽率變化不顯著(P>0.05)，而NaHCO3脅迫和混合脅迫下的發芽率下降顯著(P<0.05)。在高濃度(100 mmol·L-1)的NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫下，風箱果的最終發芽率分別比CK減少了24.4%、34.4%和35.6%，紫葉風箱果的最終發芽率分別比CK減少了36.4%、68.2%和65.9%，說明鹽堿脅迫對紫葉風箱果種子萌發影響更大。3種脅迫處理下，風箱果種子的發芽率顯著高于紫葉風箱果(P<0.05)，同時在NaCl脅迫下兩種風箱果都有較高的發芽率，而在NaHCO3脅迫和混合脅迫下，風箱果種子的發芽率變化幅度明顯小于紫葉風箱果。

表1 鹽堿脅迫的風箱果和紫葉風箱果種子發芽率

2.2 鹽堿脅迫對發芽指數的影響

由表2可知，NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫對風箱果和紫葉風箱果種子的發芽指數影響顯著(P<0.05)，均隨脅迫強度的增大呈下降趨勢。NaCl脅迫下，風箱果種子的發芽指數在20 mmol·L-1時與CK差異不顯著(P>0.05)，當NaCl濃度大于20 mmol·L-1以后顯著低于CK(P<0.05)；紫葉風箱果種子的發芽指數在NaCl濃度為20和40 mmol·L-1時與CK差異不顯著(P>0.05)，當NaCl濃度大于40 mmol·L-1以后顯著低于CK(P<0.05)。NaHCO3脅迫下，風箱果和紫葉風箱果種子的發芽指數均隨著脅迫強度的增大顯著下降(P<0.05)，且紫葉風箱果的發芽指數均小于1，NaHCO3濃度為100 mmol·L-1時的發芽指數僅為0.3，說明種子即使有萌發，但其萌發的速度也較慢；混合脅迫下，風箱果和紫葉風箱果種子的發芽指數均隨著脅迫強度的增大顯著下降(P<0.05)。在NaCl脅迫下，兩種風箱果都有較高的發芽指數，而在NaHCO3脅迫和混合脅迫下，兩種風箱果發芽指數的下降幅度均大于NaCl脅迫。在高濃度(100 mmol·L-1)的NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫下，風箱果的發芽指數分別比CK減少了40.5%、52.7%和54.1%，紫葉風的發芽指數分別比CK減少了57.6%、84.3%和76.2%，說明鹽堿脅迫對紫葉風箱果種子的發芽速度和整齊度影響更大。

表2 鹽堿脅迫的風箱果和紫葉風箱果種子發芽指數

2.3 耐鹽堿性評價

由表3可知，NaCl脅迫、NaHCO3脅迫和混合脅迫對風箱果和紫葉風箱果種子的相對鹽害率影響顯著(P<0.05)，均隨著脅迫強度的增大呈增大趨勢。除了NaCl脅迫下兩種風箱果種子在20 mmol·L-1時，相對鹽害率與CK差異不顯著(P>0.05)外，其他脅迫處理的鹽害程度均顯著高于CK(P<0.05)，而且風箱果種子的相對鹽害率變動幅度明顯低于紫葉風箱果，尤其是濃度超過20 mmol·L-1時，紫葉風箱果的相對鹽害率驟然上升。根據種子耐鹽堿性等級標準，風箱果在3種脅迫處理下均屬于1～2級，種子表現出較強的耐受性，沒有明顯的鹽堿傷害，而紫葉風箱果種子隨著鹽堿脅迫強度的增大，相對鹽害率也顯著增大(P<0.05)，并且在80 mmol·L-1NaHCO3脅迫和100 mmol·L-1混合脅迫時達到4級。

由表4可知，風箱果和紫葉風箱果種子的相對發芽率與鹽堿濃度間存在著極顯著的負相關關系(P<0.01)；兩種風箱果種子的相對發芽率在NaCl脅迫下的適宜值、臨界值和極限值明顯高于NaHCO3脅迫和混合脅迫，而且NaHCO3脅迫和混合脅迫的變化并不明顯；同一脅迫處理下，風箱果種子相對發芽率的適宜值、臨界值和極限值明顯高于紫葉風箱果。

表3 鹽堿脅迫下風箱果和紫葉風箱果種子的相對鹽害率及等級

3 結論與討論

種子萌發是植物生存和延續至關重要的階段，更是植物能否適應環境變化并成功建植的關鍵[18-19]。許多研究表明，鹽堿脅迫對植物種子萌發的影響主要表現在發芽率降低、發芽時間滯后、種子活力降低，甚至引起種子死亡等[20]，但也有研究發現，適宜的鹽堿脅迫有利于種子的萌發[21-22]，說明不同植物種類對鹽堿脅迫的適應能力存在明顯差異。本研究中，3種脅迫處理均不同程度的抑制了風箱果和紫葉風箱果種子的發芽率和發芽指數，提高了相對鹽害率和等級，相對發芽率與鹽堿濃度間存在著極顯著的負相關關系。在喬灌木樹種，例如刺槐(Robiniapseudoacacia)、黑果枸杞(Lyciumruthenicum)、桑樹(Morusalba)等樹種的研究中發現，鹽堿脅迫嚴重抑制這些樹種的種子萌發[20，23]，在很多草本植物和糧食作物，例如小麥(Triticumaestivum)、水稻(Oryzasativa)、高粱(Sorghumbicolor)等研究中也發現鹽堿脅迫顯著降低了種子的萌發指標[6，24-25]。大量研究證明堿性鹽脅迫比中性鹽脅迫對植物的破壞力更強[7]，本研究發現，相同濃度條件下，NaHCO3脅迫下的兩種風箱果種子的各種萌發指標均明顯低于NaCl脅迫，相對發芽率在NaHCO3脅迫下的適宜值、臨界值和極限值也明顯高于NaCl脅迫，說明NaHCO3脅迫對兩種風箱果種子萌發的抑制作用大于NaCl脅迫，原因是由于NaCl為中性鹽，對植物種子脅迫影響主要是Na+的毒性作用和由Na+濃度引起的膜滲漏作用，而NaHCO3是堿性鹽，除了與NaCl具有相同的脅迫影響外，還表現出高pH脅迫[17，26]，引起種子內部脫落酸的積累，從而抑制種子細胞分裂、伸長和胚芽生長[27]。此外，混合脅迫下兩種風箱果種子的各種萌發指標以及相對發芽率的適宜值、臨界值和極限值基本介于NaCl脅迫和NaHCO3脅迫之間，并沒有表現出類似栓皮櫟(Quercusvariabilis)[28]、白榆(Ulmuspumila)[29]、合歡(Albiziajulibrissin)[17]等樹種的種子對兩種鹽的協同作用，說明本研究中混合脅迫中的NaHCO3脅迫起關鍵作用。

表4 風箱果和紫葉風箱果種子相對發芽率與鹽堿濃度的回歸分析

風箱果種子在3種脅迫下，鹽堿濃度低于20 mmol·L-1時，對發芽率、發芽指數和相對鹽害率均沒有顯著影響。紫葉風箱果在NaCl濃度低于20 mmol·L-1時，各發芽指標與CK差異不顯著，表明風箱果種子能夠適應低濃度的鹽堿脅迫，而紫葉風箱果僅能適應低濃度的NaCl脅迫，對NaHCO3脅迫和混合脅迫耐受性較差；從相對耐鹽堿性結果看，風箱果的耐鹽堿等級均未超過2級，而紫葉風箱果最高達到4級，說明風箱果種子對鹽堿脅迫具有更強的耐受性，而紫葉風箱果僅對NaCl脅迫具有耐受性，對NaHCO3脅迫和混合脅迫耐受性較差；從耐鹽堿性來看，NaCl脅迫下兩種風箱果種子相對發芽率的適宜值、臨界值和極限值均明顯高于NaHCO3脅迫和混合脅迫，同一脅迫下的風箱果種子相對發芽率的適宜值、臨界值和極限值均明顯高于紫葉風箱果，進一步說明了兩種風箱果對NaCl脅迫的耐受性較好，對NaHCO3脅迫和混合脅迫的耐受性較差，而且風箱果種子對鹽堿脅迫的耐受性強于紫葉風箱果。實驗中還發現，風箱果種子在鹽濃度20～40 mmol·L-1下胚根較對照(CK)伸長，而紫葉風箱果在3種脅迫下胚根長抑制明顯，表明風箱果比紫葉風箱果能保持較高的根系活力和體內的水分平衡以適應鹽堿環境[30]；紫葉風箱果在濃度40～100 mmol·L-1NaHCO3脅迫和濃度60～100 mmol·L-1混合脅迫時種子雖有萌發，但生物量很小，部分萌發種子還伴隨著葉黃并且胚根出現褐化、甚至出現腐爛死亡現象，進一步證明風箱果種子對鹽堿脅迫的耐受性強于紫葉風箱果。種子對鹽堿脅迫的適應機制非常復雜[19，31]，今后的研究重點將從生理機制和耐鹽基因表達等方面進行深入研究兩種風箱果種子對鹽堿脅迫的響應機理。

綜上所述，鹽堿脅迫均不同程度抑制了兩種風箱果種子的萌發，NaHCO3脅迫對種子萌發的抑制作用大于NaCl脅迫。兩種風箱果對NaCl脅迫均具有一定的耐受性，對NaHCO3脅迫和混合脅迫的耐受性較差，風箱果種子對鹽堿脅迫的耐受性強于紫葉風箱果。