鹽堿脅迫對甜瓜種子萌發及幼苗生長發育的影響

熊 韜，閆 淼，王豪杰，毛建才，王江濤，胡國智

（1.新疆農業科學院甜瓜研究中心，烏魯木齊 830091；2.新疆林業學校，烏魯木齊 830000）

0 引言

【研究意義】我國鹽堿土壤約占可耕地面積的25%[1]。新疆是我國主要的鹽堿土分布區，土壤中的鹽分組成具有多樣性，主要以硫酸鹽、硫酸鹽-氯化物、氯化鹽、氯化物-硫酸鹽為主[2]。新疆哈密瓜栽培的研究較多，但其栽培生理研究卻相對薄弱，尤其是鹽堿環境對哈密瓜生長發育方面影響的研究甚少。研究新疆哈密瓜的耐鹽性方面有助于豐富哈密瓜的栽培生理理論，對分析哈密瓜鹽水灌溉和鹽堿地生產模式，合理開發利用西部地區的鹽堿地和鹽堿水資源有重要意義。【前人研究進展】植物在鹽脅迫下受到最直接的影響是生長發育進程被抑制，土壤中過量鹽分降低了植物的吸水能力，而水分虧缺阻礙了植物生長進程[3]。甜瓜對低濃度鹽分具有一定的耐受性，但不同品種對鹽脅迫的適應能力均存在一定差異性[4]。張玉鑫等[5]發現NaCl 脅迫對甜瓜幼苗株高、葉面積、地上部鮮重和干物質積累量等指標的抑制強度與鹽脅迫水平及時間具有關聯性；甜瓜幼苗對低濃度NaCl 脅迫具有一定的緩沖適應能力。高玉紅等[6]研究了甜瓜幼苗對3種不同組分鹽脅迫響應的差異性發現，幼苗根系和地上部的生長發育均受到3種鹽脅迫所產生的較強抑制作用，且與濃度成正相關性，張永平等[7]和夏世龍等[8]的研究報道基本一致。【本研究切入點】鹽分對甜瓜生長方面影響的研究已經比較深入，但大多數只涉及中性鹽脅迫，有關多種鹽分脅迫對甜瓜種子萌發與幼苗生長的研究鮮見報道。需研究鹽堿脅迫對甜瓜種子萌發及幼苗生長發育的影響。【擬解決的關鍵問題】以4個甜瓜品種作為材料，配制不同濃度的鹽分溶液（NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3）對甜瓜進行脅迫處理，研究不同濃度鹽分處理對甜瓜種子萌發、幼苗生長發育及根系形態特征的影響，分析不同甜瓜品種對多種鹽分脅迫條件下的適應性，為在鹽堿地區域開展甜瓜鹽堿地栽培和品種人工馴化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2019年5 ～7月在新疆農業科學院哈密瓜研究中心實驗室和吐魯番科研基地進行。選擇甜瓜品種網紋香、風味5號、西州密17號、黃皮9818 作為研究對象。其中網紋香屬于黃皮類型晚熟品種，風味5 號屬于具有獨特風味的白皮類型早中熟品種，西州密17號屬于綠皮類型中晚熟品種，黃皮9818屬于黃皮類型中熟品種。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

1.2.1.1種子萌發期處理

參考徐志然[9]、張雪彬[10]和藺吉祥等[11]等方法，配制混合鹽堿溶液（NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3物質的量比為4∶1∶1∶4），設置4個鹽濃度處理，分別為0（CK）、50、100、150 mmol/L，每個處理重復3次。

采用濾紙培養法，在潔凈烘干，直徑為90 mm的培養皿中放入雙層濾紙，分別加入5 mL不同濃度的鹽堿溶液至濾紙吸足水分，擺入經過篩選的籽粒飽滿、大小一致的種子30 粒，置于人工氣候箱，在（28±1）℃條件下黑暗培養7 d，每2 d更換1次濾紙以確保處理期間鹽濃度維持相對恒定。

以種子開始露出胚根作為萌發標準，統計種子的發芽勢（3 d）和發芽率（7 d）。

1.2.1.2 幼苗期處理

試驗品種和鹽脅迫處理液與1.2.1.1 相同，所配置鹽處理液的母液均為Hogland營養液。

先將蛭石和珍珠巖按1∶1的體積比混合后裝入40穴育苗穴盤中，再將經過浸種和催芽處理的甜瓜種子播種于穴盤中，甜瓜出苗后用Hogland營養液進行澆灌，當幼苗長至三葉一心期時進行鹽脅迫處理，處理時間定于上08：00～09：00 進行，第1d 每個處理均澆濃度為50 mmol/L 的處理液以此避免鹽濃度突然上升所產生的沖擊效應，以50 mmol/L作為每日遞增濃度，直至到達最終設定濃度，每次用相應濃度的鹽溶液進行適量澆灌，CK 處理澆同等容量的清水，定時觀察蒸發情況并及時用清水補充損失水分。脅迫處理7 d后對測定生長指標和采集植株樣品。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1種子萌發

（1）發芽勢（GE）：第3 d 發芽種子個數/參試種子數×100%。

（2）發芽率（GP）：第7 d 發芽種子個數/參試種子數×100%。

（3）發芽指數GI=∑（GtDt）。

式中Gt表示種子在t天之內發芽的個數，Dt則表示為種子發芽對應的實際天數；

（4）發芽速度（Gν）=∑（Dn）Σn。

式中D為從種子置床起算的天數，n為相應各日正常發芽粒數。

1.2.2.2 幼苗生長

（1）株高（根莖相交處到最高生長點的長度）、莖粗（根莖相交處上方約1 cm處）。

（2）在105℃溫度條件下將已經過分離處理的根、莖、葉放入高溫干燥箱內殺青30 min，之后在75℃下烘至恒重，稱量并記錄地上部干重、根部干重，并計算根冠比。

根冠比=根部干重/地上部干重。

1.2.2.3 鹽耐受指數（STI）和鹽敏感指數（SSI）

參照Molhtar[12]和Khayat[13]等計算鹽敏感指數和鹽耐受指數。

STI=（DWtreatment/DWck）×100。

SSI=［（DWtreatment-DWck）/DWck］×100。

式中，DWtreatment表示鹽處理下植株干重，DWck表示對照植株干重。

1.2.2.4 根系形態指標

用清水沖洗去除根系和莖葉上附著的基質及其它雜物，用去離子水徹底沖洗干凈，再將水分用吸水紙吸干，將根系與地上部分開，采用中晶公司生產的Microtek ScanMaker i800 雙光源彩色掃描儀獲取根部的形態結構圖像，采用杭州萬深檢測科技有限公司研發的萬深LA-S系列植物圖像分析系統對根部樣品的根長、平均直徑、表面積、體積、根尖數等形態學參數分析測定。

1.3 數據處理

所有數據均采用Excel 2016 進行繪圖，采用SPSS（Version 22.0）進行數據方差分析（One-way ANOVA），并檢驗處理間差異顯著性（P=0.05）。

2 結果與分析

2.1 鹽脅迫處理對不同甜瓜品種種子萌發特性的影響

2.1.1 鹽脅迫對甜瓜種子發芽勢的影響

研究表明，雖然甜瓜對鹽脅迫具有一定的耐受性，但隨著鹽脅迫濃度的上升，不同甜瓜品種發芽勢均表現出整體逐漸下降趨勢，且各脅迫處理之間也存在一定差異性。50 mmol/L 濃度脅迫下，4個品種的發芽勢均高于50%，但在100 和150 mmol/L的高濃度鹽處理顯然明顯的抑制了四種甜瓜的發芽勢，尤其是西州密17號和黃皮9818的發芽勢出現大幅下降。各品種在100 和150 mmol/L 濃度處理下，發芽勢均比CK 下降了11.43% ，18.33% 、65.49% ，76.9% 和23.52% ，28.38%、76.06%和80.69%。

低鹽（50 mmol/L）處理下，4個甜瓜品種可以維持50%以上的萌發率，但高鹽脅迫下（100 和150 mmol/L），所有鹽處理的發芽勢均呈現顯著下降，并且各甜瓜品種之間存在較為明顯的差異，為網紋香＞風味5號＞西州密17號＞黃皮9818。圖1

圖1 不同濃度鹽脅迫下各甜瓜品種種子發芽勢變化Fig.1 Effects of salt stress at different concentrations on seed germination potential of melon varieties

2.1.2 鹽分脅迫對甜瓜種子發芽率的影響

研究表明，在50 mmol/L 濃度下，各品種的發芽率都≥60%，其中網紋香和風味5號的發芽率均在95%以上，兩種甜瓜對低濃度鹽脅迫具有良好的耐受性。西州密17 號和黃皮9818 在3種濃度處理下的發芽率與CK處理相比均表現出顯著性差異，分別比對照低26.44%、60%、72.54%和35.49%、68.26%、77.82%，甜瓜種子受到抑制效應隨鹽濃度的上升越來越明顯。圖2

圖2 不同濃度鹽脅迫下各甜瓜品種種子發芽率變化Fig.2 Effects of salt stress at different concentrations on seed germination rate of melon cultivars

2.1.3 鹽脅迫對甜瓜種子發芽指數的影響

研究表明，所有處理的發芽指數均受到鹽脅迫的影響，并且各品種間發芽指數差異較為明顯，其中網紋香的發芽指數最高，黃皮9818 的發芽指數最低，并且黃皮9818下降幅度最明顯。在鹽堿脅迫濃度150 mmol/L時，黃皮9818的發芽指數為3.42%，與CK 相比下降了78.95%，而網紋香的發芽指數下降率最低，具體為31.76%。圖3

圖3 不同濃度鹽脅迫下甜瓜品種種子發芽指數變化Fig.3 Effects of salt stress at different concentrations on seed germination index of melon cultivars

2.1.4 鹽脅迫對甜瓜種子萌發速度的影響

研究表明，網紋香和風味5 號保持了較快的發芽速度，其次是西州密17 號；在150 mmol/L 鹽濃度時，其他品種仍保持一定的萌發速度，而黃皮9818 受到的影響比較明顯，較CK 延長了49.8%。甜瓜的發芽速率受低濃度鹽脅迫的影響較為有限，但高濃度鹽脅迫能夠抑制或減緩甜瓜種子的萌發進程。圖4

圖4 不同濃度鹽脅迫下甜瓜品種種子平均萌發速度變化Fig.4 Effects of salt stress at different concentrations on seed germination rate of melon cultivar

2.2 鹽脅迫對不同甜瓜品種幼苗生長的影響

研究表明，4個品種幼苗株高和莖粗均隨濃度的上升而下降，鹽分脅迫限制了甜瓜株高和莖粗的增長，并且抑制影響會隨鹽濃度的上升而不斷加強。在150 mmol/L 脅迫條件下，各品種幼苗株高和莖粗分別比對照低36.03%、32.95%、27.87%、24.73%和33.37%、35.77%、30.08%和24.01%，表現出顯著性差異，鹽脅迫對甜瓜生長發育進程影響較為明顯。

4個品種幼苗地上部生長受到高鹽分脅迫的抑制較為突出，抑制率分別達76.92%、69.48%、66.61%、51.73%和89.57%、83.47%、78.19%和68.53%；而4種甜瓜地上部的生長在低濃度鹽脅迫下表現各不相同，網紋香的地上部生物量雖然存在一定程度的下降，但與對照相比差異不顯著，而風味5號、黃皮9818、西州密17號在低鹽分脅迫下地上部生物量表現出明顯下降；網紋香地上部生長受低濃度鹽脅迫的影響較有限，而其它3個甜瓜幼苗地上部的生長所受的影響較大。4種甜瓜根系生物量在不同濃度鹽脅迫下均出現下降，與CK相比均存在顯著的差異。

4個甜瓜的根冠比在不同濃度鹽脅迫下均表現為高濃度下的根冠比高于CK，但變化趨勢均表現為先降低再升高。在50 mmol/L 濃度處理下，根冠比與CK 相當，無顯著差異（P＞0.05）；而100和150 mmol/L 濃度處理下，四個甜瓜的根冠比均顯著高于CK 處理，甜瓜幼苗地上部受到鹽脅迫的抑制作用要大于地下根系。表1

表1 不同濃度鹽脅迫下甜瓜生長特性變化Table 1 Effects of salt stress at different concentrations on the growth characteristics of muskmelon

2.3 不同甜瓜品種對鹽脅迫的敏感性和耐受性

研究表明，4種甜瓜地上部和地下部對鹽脅迫的敏感性均表現出相似的變化趨勢，即敏感性均表現為根部＜地上部。4個品種的耐鹽性各不相同，網紋香對鹽脅迫的耐受性要高于風味5號、黃皮9818和西州密17號。圖5

圖5 鹽脅迫下四種甜瓜的鹽敏感指數Fig.5 The salt sensitivity index of four melons under salt stress

4種甜瓜的鹽耐受指數隨脅迫濃度的增加均表現出遞減的趨勢。在100 mmol/L 濃度下，4個品種的耐受性指數均出現明顯下降，甜瓜對鹽的敏感程度在高鹽分脅迫下明顯升高，而對鹽分的耐受性相應降低。圖6

圖6 鹽脅迫下四種甜瓜的鹽耐受指數Fig.6 Salt tolerance index of four kinds of melon under salt stress

2.4 鹽脅迫對甜瓜幼苗根系分布的影響

研究表明，隨著濃度的增加，四種甜瓜的根系形態學指標在鹽脅迫下的變化均呈下降趨勢；在150 mmol/L處理下網紋香、風味5號、西州密17號和黃皮9818的根系長度與CK處理相比分別降低了44.33%、60.81%、56.99%和67.24%；根系平均直徑分別降低了20.83%、36.32%、46.02%、50.51%；根系表面積分別降低了32.63%、50.48%、63.8%、71.01%；根系體積分別降低了56.04%、62.09%、67%、78.94%；根系投影面積分別降低了45.79%、50.93%、63.12%、78.89%；根尖數分別降低了46.04%、57.48%、60.67%、66.62%，且均表現出顯著性差異（P＜0.05）。網紋香的所有根系形態指標均高于其它3個甜瓜品種，與根系干重結果相對應，鹽脅迫下其根系受到的抑制作用要小于其它3個品種。而隨著濃度的增加，4種甜瓜品種根系生長受到抑制作用逐漸加強。表2

表2 鹽脅迫下四種甜瓜根系分布特征變化Table 2 Effects of salt stress on root distribution characteristics of four melon species

3 討論

研究認為[14]在相同的脅迫環境下，種子的萌發速率不變或加快，可能是受到某些耐脅迫基因的影響。而其他研究認為[15]：種子萌發容易受高鹽分脅迫的抑制，主要是由于外部滲透壓導致種子吸水量匱乏引起的。敏感性研究結果與高玉紅等[6]研究得出的結論相一致，即甜瓜幼苗地上部比根系對鹽脅迫的反應敏感，受脅迫傷害的程度大。種子萌發是植物生命周期中非常重要的起始階段，也是極易受到外界不利因素干擾和影響的階段。發芽勢、發芽率和發芽指數是評價種子發芽速度、發芽整齊度和幼苗健壯度的重要參考指標[16]。發芽速度和發芽后幼苗的活力表現能直接反映出作物對鹽堿環境的適應能力。研究表明植物種子在萌發期對高鹽環境下非常敏感，種子正常萌發會受到明顯的抑制，這是由于細胞質膜的完整性被高鹽脅迫所破壞，導致細胞膜選擇透性下降，甚至喪失；并且鹽分含量過高致使水勢降低，使種子吸水不足，引起細胞水分虧缺[17]。也有研究認為低濃度鹽分能夠促進種子萌發，而高濃度鹽分對萌發具有限制作用[18-20]。

鹽脅迫會降低作物幼苗的生長能力，減少光合產物的積累，影響作物正常的生理代謝，最終使植物整體生長變慢甚至死亡[21-22]。邱岸[23]通過苗期試驗發現，黃瓜幼苗的生長受到鹽分顯著抑制，表現為株高降低，莖粗減少，鹽敏感品種比抗鹽品種變化明顯。劉鑫等[24]研究比較了21個西瓜品種幼苗的耐鹽性，發現鹽脅迫對供試品種幼苗的株高、莖粗和地上部干重產生了明顯的抑制作用。張海軍等[25]研究發現，NaC1脅迫引起了兩個茄子品種幼苗生物積累量的顯著下降。

植物不同部位對鹽分的敏感性存在著一定的差異。閻秀峰等[26]研究發現，星星草幼根的生長進程隨鹽濃度升高逐漸減慢，且與鹽濃度呈極顯著的負相關關系，但其幼芽在低濃度鹽處理下都表現出增效效應。朝朝紅等[27]研究得出，水稻幼苗芽、根長均受到鹽脅迫的抑制，幼芽與根對鹽脅迫的敏感性存在差異，尤其是芽的伸長受抑制率均比根要高。何歡樂等[28]對9種經過鹽分處理的黃瓜進行研究后發現黃瓜的根、下胚軸、子葉生長受鹽脅迫的抑制程度不同，不同器官對鹽脅迫反應不同，根對鹽脅迫最為敏感的結論，可能是鹽分對各器官生長的影響機制存在不同，也可能與各器官所處不同環境有關。

根系是植物從外界獲取營養物質的重要通道，也是植物最先感知周圍環境是否存在鹽分的器官[29]。環境中鹽分過高會破壞根系的結構，根系無法正常吸收植物生長發育所必需的各類養分，植物生長進程。謝德意等[30]和辛承松等[31]研究得出鹽脅迫抑制了棉花根長，減少了側根數量。谷艷芳等[32]和姜秀娟等[33]分別在冬小麥和水稻中發現，鹽脅迫加快了冬小麥根長的下降趨勢和水稻單株平均根數減少的速度。鄭柱榮等[34]研究得出花生幼苗的根長、根平均直徑、根總表面積隨著NaCl濃度增加而逐漸降低。

4 結論

4.1 4個甜瓜品種在低鹽處理下可以維持50%以上的發芽率和60%以上的發芽勢，但高鹽脅迫下的發芽勢和發芽率均呈現顯著下降。各甜瓜品種萌發指標綜合表現為網紋香＞風味5號＞西州密17 號＞黃皮9818。在150 mmol/L 鹽濃度時，其他品種仍保持一定的萌發速度，而黃皮9818受到的影響比較明顯，較CK延長了49.8%。

4.2 各甜瓜品種株高、莖粗、地上/下生物量積累隨鹽脅迫濃度的上升總體呈下降趨勢，且與高鹽濃度呈顯著負相關。相同濃度鹽處理下網紋香受到的抑制作最小。網紋香對鹽脅迫的適應性均強于風味5號、黃皮9818、西州密17號。

4.3 鹽脅迫均使四種甜瓜的根冠比隨濃度的增加呈現先降低再上升的趨勢，且高鹽濃度下明顯高于CK。各甜瓜的鹽敏感指數和耐受性指數均下降，特別是耐受性指數在濃度為100 mmol/L 下降相對明顯，4個甜瓜品種在高濃度鹽脅迫的敏感性升高，其鹽分耐受性降低。

4.4 鹽脅迫下4種甜瓜的根系形態學參數變化情況基本一致，均呈下降趨勢，并且與CK相比差異顯著，甜瓜幼苗根系生長進程在鹽脅迫下受到明顯抑制影響，但網紋香所受到抑制強度明顯低于風味5號，西州密17號、黃皮9818。