不同Ca2+濃度對蒲公英和橡膠草種子萌發及根系生長的影響

嚴青青，邢 濤，王 莉，張 龑，高 強，徐 麟，王永剛

(1.新疆農業科學院農作物品種資源研究所，烏魯木齊 830091；2.山東玲瓏輪胎股份有限公司，山東招遠 265400)

0 引 言

【研究意義】橡膠草(Taraxacumkok-saghyz)，分布于我國新疆、甘肅、陜西以及東北、華北等地，國外哈薩克斯坦及歐洲也有分布；橡膠草為菊科蒲公英屬宿根草本植物，是一種天然產膠植物[1-2]。橡膠草具有適應性強、適應區域廣，生長收獲期短等特點，且生長繁殖能力較強，較強耐鹽性，適合新疆鹽堿地生長栽培，易種植，具有較強抗菌能力和抗蟲害能力以及生物相容性好、抗過敏性能強等優點，因其根部產膠與巴西橡膠樹所產天然橡膠結構相似，成為可替代巴西橡膠樹的產膠植物資源[3-5]。鈣離子(Ca2+)作為植物必需的礦質元素是植物生長發育的重要調節因子，也是植物細胞壁結構的重要組分，鈣離子作為液泡內的滲透保護物質具有維持細胞膜穩定和細胞內離子平衡等功能[6]。根系是植物重要組成部分，是一個具有適應性和可塑性的器官，具有運輸和吸收養分等功能，主要通過調整根系長度、不同徑級根系生長分配等形態特征來表現出對環境適應性[7]，橡膠草根部還是產生橡膠的主要部位，是產量器官，根系生長發育更顯得重要。研究鈣脅迫影響橡膠草種子萌發和根系生長，闡明種子萌發參數、根系生長參數與Ca2+濃度含量的關系，分析橡膠草應對Ca2+的調節機制，對于橡膠草新品種的選育及產業化發展具有重要意義。【前人研究進展】近年來，橡膠草的研究主要集中在以遺傳改良[8]、內源激素、根系活力[9]、分子生物學[10-13]等方面。耐鹽方面研究則較少，李苗等以橡膠草為材料，以NaCl為鹽脅迫處理，認為橡膠草對鹽脅迫的耐受極值為NaCl濃度0.5%，0.2%鹽脅迫處理濃度是進行橡膠草苗期耐鹽性鑒定和篩選的較適宜濃度[14]。陸婷等[15]驗證了中性鹽(NaCl、Na2SO4)和堿性鹽(NaHCO3、Na2CO3)混合鹽脅迫對橡膠草種子發芽的抑制作用，研究結果表明：鹽濃度是抑制種子萌發的主導因素，pH值的影響次之。Ca2+作為新疆鹽堿土壤的主要成分，橡膠草種子對Ca2+的響應機制卻極少有研究。【本研究切入點】目前，對于橡膠草資源引進及品種培育農藝性狀等研究甚少。新疆耕地鈣鹽類型豐富，Ca2+含量大，而Ca2+作為植物生長的重要調節因子，其對植物生長的調控機理一直是研究熱點。亟需研究鈣脅迫對黃蒲蒲公英、科根橡膠草品系種子萌發及根系生長的影響。【擬解決的關鍵問題】選取新疆特有的黃蒲蒲公英(Taraxacummongolicumstrain Huangpu)品系和科根橡膠草(Taraxacumkok-saghyzstrain Kegen)品系為材料，比較不同Ca2+濃度對其種子萌發及根系生長的影響，分析科根橡膠草種子及根部對Ca2+的響應特征，為橡膠草產膠器官根系的深入研究和橡膠草高產優質的品種培育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料選用黃蒲蒲公英和科根橡膠草2個品系(新疆農業科學院農作物品種資源研究所提供)。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

采用5種不同程度的Ca2+(CaCl2溶液)濃度試驗。CaCl2以摩爾質量模擬中性鹽和堿性鹽2種鹽類型，脅迫處理總Ca2+(配置CaCl2溶液獲取相應的Ca2+濃度)濃度設為0(對照，CK)、0.04、0.08、0.12和0.16 mol/L。

精選飽滿、大小一致的2個品系種子，使用規格為22 cm×11 cm的培養皿，每個培養皿平鋪1張濾紙，均勻放置50粒種子，每個培養皿加對應濃度的CaCl2溶液2 mL，對照加2 mL蒸餾水，每個Ca2+濃度重復3次。蓋上培養皿蓋子，保證水分不流失。置于光照培養室內，白天溫度(25±2)℃，光強400 μmol/(m·s)，12 h；夜間溫度(22±2)℃，12 h，相對濕度70%～75%。從第1 d開始每天統計發芽數，第10 d統計完發芽數后，將發芽芽苗移栽至花盆中，將一定量的CaCl2溶液均勻灌入營養土和蛭石復合基質內，每盆裝土300 g，每盆移栽6～8棵芽苗，保持每棵芽苗的移栽深度2～3 cm，每處理移種12盆，每個營養缽保證3株幼苗。將各處理置于智能培養室中培養，培養條件設置為晝/夜溫度為25℃/22℃、光照強度為400/0 μmol/(m·s)，相對濕度70%～75%，光周期12 h/12 h(晝/夜)。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 種子萌發參數

播種后，每天20:00～22:00統計種子發芽數。

發芽勢：播種后第4 d統計種子發芽數，發芽勢=發芽種子數/供試種子數×100%。

發芽率：播種后第10 d統計種子發芽數，發芽標準為芽長達種子長度的1/2。發芽種子數/供試種子數×100%，即為發芽率。

發芽指數：發芽指數(GI)=∑(Gt/Dt).

式中：Gt為在不同時間的發芽數，Dt為發芽天數。

1.2.2.2 根系形態學參數

移栽后第30 d時，每個處理取5株幼苗，洗凈根系后采用Scan Wizard EZ掃描儀掃描，用萬深LA-S植物根系分析系統分析根長、表面積、體積以及不同徑級根長和表面積等形態學參數。

1.3 數據處理

采用SPSS 19.0計算軟件進行數據分析，采用新復極差法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)，采用Microsoft Office Excel 2010軟件整理數據和繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同Ca2+濃度對蒲公英和橡膠草種子萌發的影響

2.1.1 不同Ca2+濃度蒲公英和橡膠草發芽率的影響

研究表明，隨著Ca2+濃度的增加，2個品系的發芽率均顯著下降。當Ca2+濃度為0 mol/L時，2個品系的發芽率無明顯差異；隨著Ca2+濃度的增加，2個品系的發芽率逐漸下降，與對照相比，0.04、0.08 mol/L分別下降了174%、286%。黃蒲的發芽率在Ca2+濃度大于0.04 mol/L時均小于科根，科根種子較黃蒲更耐Ca2+脅迫。與發芽率表現一致，隨著Ca2+濃度的增加，2個品系的發芽勢、發芽指數均呈下降趨勢，Ca2+濃度的增加降低了2個品系種子的活力；各Ca2+濃度下，2個品系的發芽勢、發芽指數無顯著差異。Ca2+濃度在0.12、0.16 mol/L下的2個品系的發芽率、發芽勢、發芽指數幾乎為0。圖1～3

圖2 不同Ca2+濃度下蒲公英和橡膠草發芽勢變化Fig.2 Effect of different Ca2+ concentration on germination potential of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

圖3 不同Ca2+濃度下蒲公英和橡膠草發芽指數變化Fig.3 Effect of different Ca2+ on germination index of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

2.2 不同Ca2+濃度對蒲公英和橡膠草根系生長的影響

2.2.1 不同Ca2+濃度對蒲公英和橡膠草根系長度(L)的影響

研究表明，隨著Ca2+濃度的增加，2個品系的幼苗根系總長度和各徑級根系均呈顯著下降趨勢。Ca2+濃度大于0.04 mol/L時，在同一Ca2+濃度下，科根的根系總長度大于黃蒲，黃蒲較科根不耐Ca2+脅迫，各濃度下2個品系的細根(直徑(d)<0.5 cm)顯著多于中根(0.5≤直徑(d)<2.0 cm)。與CK相比，科根在0.04、0.08、0.12、0.16 mol/L處理下根系總長度分別減少了154.64、166.65、203.65、220.45 cm，黃蒲在0.04、0.08、0.12、0.16 mol/L處理下根系總長度分別減少了221.15、266.98、338.21、360.67 cm，黃蒲的根系總長度下降程度大于科根。表1

表1 不同Ca2+濃度下蒲公英和橡膠草不同徑級根系長度(L)變化Table 1 Effects of different Ca2+ concentrations on root length (L) of different diameter classes of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

2.2.2 不同Ca2+濃度對蒲公英和橡膠草根系表面積(SA)的影響

研究表明，根系總表面積與根系總長度表現一致，隨著Ca2+濃度增加，2個品系的幼苗根系總表面積在逐漸減少，差異顯著。黃蒲的根系總表面積、細根(直徑(d)<0.5 cm)表面積在CK(未添加Ca2+溶液)處理下顯著大于科根，但是在0.08、0.12、0.16 mol/L的Ca2+濃度處理下表面積卻小于科根，黃蒲根系生長受Ca2+抑制比科根程度大。科根的根系總表面積在0.04、0.08、0.12、0.16 mol/L濃度下較CK分別下降了35.52%、90.13%、141.34%、167.59%，與黃蒲一樣，根系生長受到嚴重抑制。表2

表2 不同Ca2+濃度下蒲公英和橡膠草不同徑級根系表面積(SA)變化Table 2 Effects of different Ca2+ concentrations on root surface area (SA) of different diameter classes of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

2.2.3 不同Ca2+濃度對蒲公英和橡膠草根系體積(V)的影響

研究表明，2個品系的根系體積與根系長度、表面積表現一致，除CK外2個品系在各處理下的根系總體積隨著濃度的增加逐漸降低，各徑級根系體積在CK和0.04 mol/L Ca2+濃度處理下最大。黃蒲和科根根系總體積較小，Ca2+濃度下細根(d<0.5 cm)和中根(0.5≤d<2.0 cm)體積呈不同程度的下降。表3

表3 不同Ca2+濃度下蒲公英和橡膠草不同徑級根系體積(V)變化Table 3 Effects of different Ca2+ concentrations on root volume (V) of different diameter classes of Taraxacum mongolicum and Taraxacum kok-saghyz

3 討 論

3.1 不同Ca2+濃度對蒲公英和橡膠草種子萌發的影響

研究表明，2個品系材料的發芽率、發芽指數、發芽勢均隨著Ca2+濃度的增加逐漸減少，當Ca2+濃度大于0.08 mol/L時嚴重抑制了科根橡膠草和黃蒲蒲公英種子的萌發，0.16 mol/L Ca2+濃度下的種子發芽率、發芽勢、發芽指數幾乎為0，與呂朝燕、肖雪[15-16]研究的結果一致，高濃度Ca2+含量(大于0.08 mol/L時)抑制了牧草、苦蕎及金蕎麥種子的萌發，顯著降低了種子的發芽率、發芽勢、發芽指數。當Ca2+濃度小于0.08 mol/L時對黃蒲蒲公英、科根橡膠草種子的萌發無顯著影響，肖雪[16]研究表明，低濃度0.075 mol/L的Ca2+含量處理相較于無Ca2+含量處理促進了苦蕎種子的萌發，與試驗結果不同。檀龍顏[17]表明在1.5%的Ca2+濃度下種子萌發下降顯著。科根橡膠草在小于0.08 mol/L Ca2+濃度處理下的發芽勢和發芽指數低于黃蒲蒲公英或者無顯著差異，科根橡膠草的種子活力在Ca2+濃度處理下要小于黃蒲蒲公英，但發芽率高于黃蒲蒲公英，科根橡膠草的種子出苗率要大于黃蒲蒲公英。

3.2 不同Ca2+濃度對蒲公英和橡膠草根系生長參數的影響

不同分支等級的根序具有顯著不同的解剖、形態、養分和生理特征，細根的主要功能是吸收營養，粗根的主要功能是運輸養分并讓植株穩定在土壤中，改善根系研究框架是提高根系特征認識的基礎[18-19]。根系作為橡膠草產膠產量器官，根系生長發育尤為重要，根系形態學參數是反映根系生長的最直觀的指標，試驗條件下，Ca2+濃度的增加抑制了根系的生長，根系長度、表面積、體積均隨著Ca2+濃度的增加在逐漸降低，2個品系的細根(d<0.5 mm)的總長度、表面積、體積均大于中根(0.5≤d<2.0 mm)，幼苗期的黃蒲蒲公英、科根橡膠草主要增長細根長度，以吸收水分和營養來維持幼苗的正常生長，需進一步在開花期及成熟期測定根系的生長動態。

4 結 論

0.04 mol/L的Ca2+濃度對科根橡膠草、黃蒲蒲公英的種子萌發無顯著影響，大于此濃度的Ca2+含量抑制了2個品系的種子萌發和根系的生長。Ca2+濃度小于0.08 mol/L時，黃蒲蒲公英的品系的發芽勢、發芽指數高于科根橡膠草，發芽率低于科根橡膠草。大于此濃度的2個品系的種子萌發參數顯著降低甚至為0。2個品系的根系總長度、表面積、體積隨著Ca2+濃度的增加呈現降低趨勢，0.08 mol/L Ca2+濃度下的科根橡膠草根系總長度大于黃蒲蒲公英。