7個野生一年生早熟禾種質(zhì)萌發(fā)期耐鹽性綜合評價

李娟霞，白小明*，張 翠，劉婭娜，冉 福，李 萍，陳 輝

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅省草業(yè)工程實驗室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

土壤鹽漬化是世界上最重要和最廣泛的環(huán)境問題之一[1]，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大影響[2]。目前，我國也是土壤鹽堿化危害最嚴重的國家之一，約有2×107hm2鹽荒地和6.67×106hm2鹽堿化土壤，主要分布于東北、西北和華北地區(qū)[3-4]。近年來，過度放牧和水利工程的不合理建設(shè)致使草地鹽堿化日漸嚴重[5]。研究表明，草本植物是鹽堿地生態(tài)植被的重要組成成分，對鹽堿地修復具有重要作用[6]。因此，篩選和培育耐鹽植物是鹽堿地改良與利用的重要途徑[7]，而建立草本植物種質(zhì)資源耐鹽評價體系是其耐鹽育種和種質(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)[8]。

鹽堿脅迫是限制植物生長發(fā)育的主要非生物脅迫之一[9]，能直接影響種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢、根長和苗長、葉綠素含量和光合性能[10]。種子萌發(fā)期和幼苗建成期不僅是草坪建植成敗的關(guān)鍵期[13]，也是植物生活周期中最重要和最脆弱的階段，這一階段植物的耐鹽能力在一定程度上能表征其整體的耐鹽性[14]，也關(guān)系到植物能否在鹽漬環(huán)境中建植成功[15]。目前，國內(nèi)外關(guān)于種子萌發(fā)對鹽脅迫的響應(yīng)，主要集中在NaCl脅迫方面，這在一定程度上可能脫離了植物生境的實際情況[14-15]。

一年生早熟禾(PoaannuaL.)為禾本科(Gramineae)冷季型草坪草，具有耐踐踏、耐修剪、存活率高、易成坪等特性，是快速建植冬、春季優(yōu)良短期觀賞草坪和作為秋末草坪交播或補播的先鋒草種材料之一，近年來被作為新型草坪草種廣受關(guān)注[16]。陳雅琦等[17]的耐鹽性評價指出，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長和根芽比等可作為植物萌發(fā)期耐鹽性評價的指標。受遺傳因素的影響，不同禾本科植物對鹽脅迫的響應(yīng)呈現(xiàn)較大的差異。白小明等[18]對8個野生早熟禾種質(zhì)進行耐鹽性評價，篩選出耐鹽性較強的小藥早熟禾。柴艷等[19]對新疆不同生境下50份狗牙根種質(zhì)進行萌發(fā)期耐鹽性評價，篩選到極耐鹽的種質(zhì)材料。謝宇涵等[20]對5個高羊茅品種進行萌發(fā)期耐鹽性評價，篩選出耐鹽能力最強的高羊茅品種。季波等[21]對10種禾本科牧草種子在NaCl脅迫下的耐受性進行了評價，發(fā)現(xiàn)扁穗冰草的耐鹽性最強。目前，對栽培草坪植物種子萌發(fā)期耐鹽性評價已有諸多報道[22-23]，而關(guān)于野生一年生早熟禾種子萌發(fā)期耐鹽性研究還鮮有報道。本研究選取甘肅和青海境內(nèi)7個不同生境的野生一年生早熟禾種質(zhì)，采用不同濃度NaCl和Na2SO4溶液模擬鹽脅迫，探究鹽脅迫對一年生早熟禾種子萌發(fā)的影響及不同采集地種質(zhì)間耐鹽性差異，以期篩選出耐鹽性更強的種質(zhì)，為一年生早熟禾耐鹽新品種的選育和推廣提供理論和實踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試的7個野生一年生早熟禾種質(zhì)于2021年5月-10月在甘肅和青海境內(nèi)采集，其地理位置及氣候條件見表1。

表1 供試的7個野生一年生早熟禾種質(zhì)

1.2 試驗方法

試驗用NaCl和Na2SO4鹽溶液處理，均設(shè)6個濃度水平，NaCl處理濃度分別為0(CK)，50，100，150，200，250 mmol·L-1，Na2SO4處理濃度分別為0(CK)，25，50，75，100，125 mmol·L-1，均以蒸餾水為對照，每個處理4次重復。供試種子先用0.2% H2O2浸泡消毒1 h，再用75%的酒精消毒30 s，蒸餾水沖洗5～6次，晾干。將消過毒的100粒種子均勻的放在直徑9 cm且鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，分別加入8 mL鹽溶液，置于溫度24℃，12 h光照/12 h黑暗的FYZ-智能光照培養(yǎng)箱內(nèi)進行萌發(fā)。采用稱重補水法每天定時補充蒸發(fā)的水分，以維持鹽濃度。

1.3 測定指標與方法

自種子培養(yǎng)開始每天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，以胚根長0.2 cm為標志。第14天時統(tǒng)計不同處理下的發(fā)芽勢，共處理28天。第28天時統(tǒng)計種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、鹽害率，并測定幼苗胚根長、芽長，稱量幼苗鮮重(單株幼芽)。計算公式[24-25]如下：

發(fā)芽率=發(fā)芽結(jié)束時正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;

發(fā)芽勢=發(fā)芽14天時正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%;

發(fā)芽指數(shù)=Σ(每天正常發(fā)芽種子數(shù)/對應(yīng)發(fā)芽天數(shù));

活力指數(shù)=胚芽長×發(fā)芽指數(shù);

相對發(fā)芽率=鹽脅迫處理下種子發(fā)芽率/對照發(fā)芽率×100%;

相對發(fā)芽勢=鹽脅迫處理下種子發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢×100%;

相對發(fā)芽指數(shù)=鹽脅迫處理下種子發(fā)芽指數(shù)/對照發(fā)芽指數(shù)×100%;

相對活力指數(shù)=鹽脅迫處理下種子活力指數(shù)/對照活力指數(shù)×100%;

相對芽長=鹽脅迫處理下幼苗芽長/對照芽長×100%;

相對根長=鹽脅迫處理下幼苗根長/對照根長×100%;

相對根芽比=鹽脅迫處理下幼苗根芽比/對照根芽比×100%;

相對鮮重=鹽脅迫處理下幼苗鮮重/對照鮮重×100%;

相對鹽害率=(對照發(fā)芽率-鹽脅迫處理下種子發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理及評價方法

利用Excel 2010，SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)處理、回歸分析、主成分分析等，使用GraphPad Prism 9繪圖，采用主成分賦予權(quán)重法和隸屬函數(shù)法計算各種質(zhì)的耐鹽性綜合評價值[26]。各綜合指標的隸屬函數(shù)值：指標與耐鹽性成正相關(guān)的隸屬函數(shù)公式為μ(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)；指標與耐鹽性成負相關(guān)的隸屬函數(shù)公式為μ(Xj)=1-(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)，式中μ(Xj)表示第j個指標的隸屬函數(shù)值；Xj表示第j個指標值；Xmin表示第j個指標最小值；Xmax表示第j個指標最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽脅迫對一年生早熟禾種質(zhì)萌發(fā)特性的影響

2.1.1對一年生早熟禾種子相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢的影響 由圖1可知，鹽處理對一年生早熟禾種子的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢均有抑制作用，且兩者隨鹽濃度的增加均呈下降趨勢。Na+濃度為50 mmol·L-1時，NaCl脅迫下YZYC，YZGZ和YZHZ，Na2SO4脅迫下YZYC，YZGZ的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢與對照差異不顯著，其余材料均顯著低于對照(P<0.05)。當Na+濃度大于100 mmol·L-1時，7個種質(zhì)的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢均顯著低于對照(P<0.05)，種子萌發(fā)受到顯著抑制。Na+濃度為250 mmol·L-1時，NaCl脅迫與對照相比，YZLZ的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢降幅均最大，分別下降96.69%和98.30%，且分別顯著小于YZGZ和YZAN(P<0.05)，YZGZ和YZAN的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢降幅最小，分別下降77.81%和84.15%；Na2SO4脅迫與對照相比，YZTZ的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢降幅均最大，分別下降95.46%和98.20%，且分別顯著小于YZYC和YZLZ(P<0.05)，YZYC和YZLZ的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢降幅最小，分別下降72.78%和84.27%。

圖1 鹽脅迫對野生一年生早熟禾相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢的影響

2.1.2對一年生早熟禾種子相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)的影響 隨鹽濃度的增加，一年生早熟禾種子的相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)均呈下降趨勢(圖2)。Na+濃度為50 mmol·L-1時，NaCl脅迫下YZGZ和YZHZ，Na2SO4脅迫下YZYC，YZGZ的相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)與對照差異均不顯著，其余材料均顯著低于對照(P<0.05)。當Na+濃度大于100 mmol·L-1時，7個種質(zhì)的相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)均顯著低于對照(P<0.05)。Na+濃度為250 mmol·L-1時，NaCl脅迫與對照相比，YZLZ的相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)降幅均最大，分別下降97.86%和99.42%，且分別顯著小于YZGZ和YZHZ(P<0.05)，YZGZ，YZHZ的相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)降幅最小，分別下降77.43%和85.10%；Na2SO4脅迫與對照相比，YZQZ的相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)降幅均最大，分別下降97.26%和99.02%，均顯著小于YZYC(P<0.05)，YZYC的相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)降幅均最小，分別下降65.84%和93.61%。

圖2 鹽脅迫對野生一年生早熟禾相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)的影響

2.2 不同鹽脅迫對一年生早熟禾幼苗生長的影響

鹽脅迫對7個野生一年生早熟禾種質(zhì)幼苗生長的影響不相同(圖3，圖4)。Na+濃度為50 mmol·L-1時，NaCl脅迫下，YZLZ，YZGZ，YZTZ和YZHZ的相對芽長，YZYC的相對根長，YZAN，YZQZ和YZYC的相對根芽比，YZHZ的相對鮮重均大于對照，但除YZTZ的相對芽長與對照差異顯著外(P<0.05)，其余均與對照差異不顯著；Na2SO4脅迫下，YZGZ，YZTZ和YZHZ的相對芽長與YZHZ的相對鮮重均大于對照，且YZTZ和YZHZ的相對芽長與對照差異顯著(P<0.05)。當Na+濃度大于150 mmol·L-1時，除NaCl脅迫下YZHZ的相對芽長和相對鮮重仍大于對照外，其余材料的相對芽長、相對根長、相對根芽比和相對鮮重均小于對照。Na+濃度為250 mmol·L-1時，NaCl脅迫與對照相比，YZYC的相對芽長，YZLZ的相對根長和相對根芽比及YZQZ的相對鮮重降幅最大，分別下降80.7%，96.15%，87.21%和93.82%，且分別顯著小于YZHZ，YZGZ，YZYC和YZHZ(P<0.05)；Na2SO4脅迫與對照相比，YZYC的相對根長，YZAN的相對根長，YZTZ的相對根芽比和YZQZ的相對鮮重降幅均最大，分別下降80.7%，96.16%，93.75%和94.95%，且分別顯著小于YZTZ，YZHZ，YZQZ和YZHZ(P<0.05)。

圖3 鹽脅迫下野生一年生早熟禾幼苗生長情況

圖4 鹽脅迫對野生一年生早熟禾材料幼苗生長的影響

2.3 鹽脅迫對一年生早熟禾相對鹽害率的影響

由圖5可知，一年生早熟禾種子的相對鹽害率隨鹽濃度的增加呈上升趨勢。Na+濃度為50 mmol·L-1時，NaCl脅迫下YZYC，YZGZ和YZHZ，Na2SO4脅迫下YZYC的相對鹽害率與對照差異不顯著，其余材料均顯著高于對照(P<0.05)。當Na+濃度大于100 mmol·L-1時，7個種質(zhì)的相對鹽害率均顯著高于對照(P<0.05)，種子萌發(fā)受到顯著抑制。Na+濃度為250 mmol·L-1時，NaCl脅迫與對照相比，YZLZ的相對鹽害率增幅最大，增加96.69個百分點，且顯著小于YZGZ(P<0.05)，YZGZ的相對鹽害率增幅最小，增加79.81個百分點；Na2SO4脅迫與對照相比，YZTZ的相對鹽害率增幅最大，增加95.46個百分點，且顯著小于YZYC(P<0.05)，YZYC的相對鹽害率增幅最小，增加82.78個百分點。

圖5 鹽脅迫對野生一年生早熟禾材料種子相對鹽害率的影響

2.4 不同鹽脅迫與野生一年生早熟禾種子萌發(fā)率間的回歸分析

為進一步分析鹽脅迫對野生一年生早熟禾種子萌發(fā)率的影響，以鹽溶液濃度為自變量(x)、種子萌發(fā)率為因變量(y)建立一年生早熟禾種子萌發(fā)率與鹽濃度之間的線性回歸方程(表2)。由表2可見，7個種質(zhì)萌發(fā)率與不同鹽分濃度回歸方程斜率均為負值，表明隨著鹽濃度的增加種子萌發(fā)率均降低，且7個種質(zhì)的萌發(fā)率與鹽濃度間回歸方程斜率的絕對值均為NaCl

表2 不同鹽處理與一年生早熟禾種子萌發(fā)率間的回歸方程

2.5 野生一年生早熟禾耐鹽指標主成分分析

采用主成分降維的方法對7個材料的9個耐鹽指標進行主成分分析(表3)。前3個主成分的累積貢獻率為89.76%，可作為評價7個野生一年生早熟禾種質(zhì)萌發(fā)期耐鹽性的綜合指標。第一主成分和第二主成分累積貢獻率達到80.84%，基本代表了萌發(fā)期耐鹽指標的大部分信息。選第一主成分和第二主成分中的較大特征向量：相對發(fā)芽勢、相對根長、相對鹽害率、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)等6個指標作為7個野生一年生早熟禾種質(zhì)萌發(fā)期耐鹽性篩選與評價的關(guān)鍵指標。

表3 一年生早熟禾種質(zhì)耐鹽指標的主成分分析

2.6 野生一年生早熟禾種子萌發(fā)期耐鹽性評價

為全面綜合反映7個野生一年生早熟禾種質(zhì)萌發(fā)期耐鹽性強弱，本研究在6個處理中選擇所有種子各指標實測值非零、且變異系數(shù)最大的鹽濃度水平[18]，即Na+濃度為250 mmol·L-1。根據(jù)主成分分析篩選結(jié)果，將7個野生一年生早熟禾材料在2種鹽Na+濃度為250 mmol·L-1脅迫下的相對發(fā)芽勢、相對根長、相對鹽害率、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)等6項指標分別取其均值，作為種子萌發(fā)期耐鹽性綜合評價各指標的實測值，然后計算隸屬函數(shù)值，并以此為標準對7個種質(zhì)萌發(fā)期的綜合耐鹽能力進行評價，結(jié)果如表4所示。7個野生一年生早熟禾種子萌發(fā)期耐鹽性強弱依次為：一年生早熟禾(YZHZ)>一年生早熟禾(YZGZ)>一年生早熟禾(YZYC)>一年生早熟禾(YZAN)>一年生早熟禾(YZTZ)>一年生早熟禾(YZLZ)>一年生早熟禾(YZQZ)。

表4 7個一年生早熟禾種質(zhì)萌發(fā)期耐鹽性綜合評價

3 討論

種子萌發(fā)易受干旱、低溫、鹽堿等環(huán)境脅迫的影響[27]。鹽脅迫對種子萌發(fā)最直觀的影響為相對發(fā)芽率，相對發(fā)芽勢，相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)下降[28]。本研究表明，7個野生一年生早熟禾種子的萌發(fā)指標隨NaCl和Na2SO4濃度的增大受到的抑制作用增強，這可能是脅迫初期低濃度的鹽溶液因種子周圍的水勢降低而使其吸水受阻，并未完全影響種子的正常吸脹[29]，但隨鹽濃度的增加，種子內(nèi)外水勢差增大，種皮細胞失水，使細胞壁受到破壞[30]，大量溶質(zhì)外滲，使內(nèi)部激素合成及淀粉酶、蛋白酶的誘導受到阻礙[31]，導致萌發(fā)所需的原料和能量不足，最終使種子萌發(fā)受到影響，這與王治江等[32]和宋建超等[33]的研究結(jié)果相似。

鹽脅迫對種子的萌發(fā)、形態(tài)、細胞、生理、分子等水平產(chǎn)生影響，當脅迫嚴重時會抑制植物的生長[34]。李珍等[35]研究鹽脅迫對新麥草種子萌發(fā)及幼苗期生理特性的影響，發(fā)現(xiàn)NaCl抑制植物生長。而本研究中，當Na+濃度為50 mmol·L-1時，NaCl的添加提高了一年生早熟禾(涼州)、一年生早熟禾(甘州)、一年生早熟禾(天祝)和一年生早熟禾(湟中)的相對芽長，一年生早熟禾(永昌)的相對根長，一年生早熟禾(安寧)、一年生早熟禾(秦州)和一年生早熟禾(永昌)的相對根芽比，一年生早熟禾(湟中)的相對鮮重；Na2SO4的添加提高了一年生早熟禾(甘州)、一年生早熟禾(天祝)和一年生早熟禾(湟中)的相對芽長與一年生早熟禾(湟中)的相對鮮重，這可能是由于鈉元素是植物生長所必需的，低鈉對植物生長也會有促進作用，這與張娜等[36]、彭玉梅等[37]得出的結(jié)論一致。而其他種質(zhì)的相對根長、相對芽長、相對根芽比和相對鮮重均隨NaCl和Na2SO4脅迫的增大而受到顯著抑制，且這種抑制效應(yīng)隨鹽濃度的增大而增強，這與羅小燕等[38]和吳承東等[39]的研究結(jié)果一致。鹽脅迫對不同植物種子的抑制效果各不相同，這是因為不同植物對不同鹽的耐受能力各不相同，不同種子生理代謝也存在一定差異[40]。

由于植物種類的不同，鹽脅迫對不同組織和器官的響應(yīng)也不同，有的植物地上部抑制作用較地下部明顯，有的則地下部較地上部更敏感[41]。本研究表明同一鹽濃度脅迫對相對根長的抑制普遍強于相對芽長，可能與幼苗的胚根和鹽溶液直接接觸有關(guān)[20]，這與楊迎月等[42]的研究結(jié)果一致。此外，一年生早熟禾(甘州)、一年生早熟禾(天祝)、一年生早熟禾(涼州)、一年生早熟禾(秦州)和一年生早熟禾(湟中)的相對根芽比均隨鹽濃度的增加而受到顯著抑制，這也再次表明了鹽脅迫對胚根的傷害強于胚芽。相對鹽害率表征種子萌發(fā)期鹽脅迫對種子的傷害程度[43]。本研究結(jié)果表明，鹽脅迫對一年生早熟禾種子的傷害程度隨鹽濃度的增加而增大，這與徐寧偉等[44]的研究結(jié)果相似。

植物種子萌發(fā)耐鹽的實質(zhì)主要是種子萌發(fā)過程中適應(yīng)鹽溶液而引起的滲透效應(yīng)和離子效應(yīng)的強弱，進而使種子耐鹽性受到影響[45]。本研究結(jié)果表明一年生早熟禾(湟中)種子萌發(fā)時對鹽溶液的耐性最強，對NaCl和Na2SO4的耐鹽閾值分別為165.27 mmol·L-1和99.59 mmol·L-1，極限值分別為284.31 mmol·L-1和192.19 mmol·L-1。7個野生一年生早熟禾種子萌發(fā)對不同鹽分脅迫的響應(yīng)不同，且種子萌發(fā)受到不同鹽分的抑制程度均為Na2SO4>NaCl，這與范惠玲等[46]的研究結(jié)果相似。研究還發(fā)現(xiàn)7個野生一年生早熟禾對NaCl和Na2SO4的耐鹽閾值和極限值均不同，故在西北鹽堿地引種時應(yīng)盡早分析土壤的鹽分和含鹽量組成。植物耐鹽性綜合評價是一個復雜的過程，這和植物種類、品種和發(fā)育階段密切相關(guān)，不能僅用單一指標來有效衡量植物的耐鹽性[47]。因此，本研究使用主成分分析法將多項指標轉(zhuǎn)化成綜合指標，結(jié)合隸屬函數(shù)法科學有效的對7個野生一年生早熟禾萌發(fā)期耐鹽性進行評價。耐鹽性綜合評價顯示，7個種質(zhì)萌發(fā)期耐鹽性強弱依次為：一年生早熟禾(湟中)>一年生早熟禾(甘州)>一年生早熟禾(永昌)>一年生早熟禾(安寧)>一年生早熟禾(天祝)>一年生早熟禾(涼州)>一年生早熟禾(秦州)，表明植物的耐鹽性與其采集地的區(qū)域環(huán)境(土壤、降水、無霜期等)有關(guān)。此外，不同種質(zhì)萌發(fā)期耐鹽性強弱也可能與種子采集的時間有關(guān)，這還有待進一步研究。

4 結(jié)論

在鹽脅迫下7個野生一年生早熟禾種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)均受到抑制，且同一鹽濃度脅迫對相對胚根的抑制作用普遍強于相對胚芽。一年生早熟禾(湟中)種子萌發(fā)時對鹽溶液的耐性最強，對NaCl和Na2SO4的耐鹽閾值分別為165.27 mmol·L-1和99.59 mmol·L-1，其極限值分別為284.31 mmol·L-1和192.19 mmol·L-1，且Na2SO4對7個野生一年生早熟禾種子萌發(fā)的抑制作用均大于NaCl。一年生早熟禾(湟中)和一年生早熟禾(甘州)種子萌發(fā)期耐鹽性較強，可在以氯化鹽和硫酸鹽為主的鹽堿地上引種種植，具有培育耐鹽一年生早熟禾新品種的開發(fā)應(yīng)用潛力。