8種鹽生植物種子萌發特征與NaCl鹽度的關系

劉 群,彭 斌,田長彥,趙振勇,王 雷,王守樂

1 中國科學院新疆生態與地理研究所荒漠與綠洲生態國家重點實驗室, 烏魯木齊 830011 2 中國科學院大學, 北京 100049

土地鹽漬化是全球共同面臨的生態問題。我國是鹽堿地大國,鹽漬化土地面積約為3.67×107hm2[1]。新疆作為我國最嚴重的鹽漬化地區之一,鹽漬土地面積達2.33×106hm2占全疆灌區耕地面積的37.7%。南疆地區鹽漬化面積更是占到耕地面積的49.6%,其中27.68%為中度、重度鹽漬化[2—3],土地鹽漬化嚴重制約了當地農業和經濟社會的發展。

目前國內外鹽漬土地的改良方法主要有化學、生物以及水利工程改良[4—5],大量研究表明培育和利用鹽生植物改良鹽漬土地是最經濟有效的措施之一[6—9]。鹽生植物是一種天然具有抗逆功能的植物,具有較強的抗鹽、抗旱能力[10]。目前,用于鹽堿地改良的鹽生植物主要分為真鹽生植物和泌鹽植物兩種類型,前者的葉、同化枝或莖形成肉質化,通過貯存大量水分稀釋吸收到體內的鹽離子;而后者依賴于葉片或莖部的鹽腺或鹽囊泡將吸收到體內的鹽分排出體外[11]。種子萌發時期是對逆境最敏感的時期[12—13],鹽生植物種子能否在鹽漬土地上健康發芽是決定其能成功種植的關鍵。不同鹽生植物萌發期對鹽度的耐受限度不同,同種植物在不同鹽度下的萌發率也不同。如尖葉鹽爪爪(K.cuspidatum)的種子在200 mmol/L下萌發率能達到45%,而K.sinicum在濃度為 300 mmol/L下萌發率幾乎為零[14]。Suaedamaritime的種子能在海水(約595 mmol/L NaCl)中萌發[15],Salicorniarubra的種子甚至在1000 mmol/L的NaCl溶液中仍能萌發[16]。Katembe[17]對比兩種藜科植物種子在NaCl和等滲濃度PEG溶液中的萌發,發現NaCl處理更能抑制萌發。而楊景寧研究表明,輕度的NaCl脅迫對萌發具有一定的促進作用,提高了高堿蓬和駝絨藜的發芽速度和整齊度[18];Glenn等通過對800多種鹽生植物的篩選,最終得到20余種耐鹽性較強的鹽生作物,其中鹽角草屬貝齊羅比(SalicorniabigeloviiTorr.)耐鹽能力最強,但這種植物只適合在沿海灘涂地區種植[19]。

以往鹽漬地生物改良研究主要集中于沿海地區和北疆氯化物—硫酸鹽為主的鹽漬土地區[20—21],而對于南疆部分重度氯化物鹽漬土地的生物改良還少有報道[22],多種鹽生植物的萌發適宜閾值還未見有報道。因此,本試驗以具有典型生物改良效果的8種鹽生植物種子為對象,擬探究單鹽NaCl脅迫對其種子萌發的影響,為新疆地區耐鹽種質資源篩選和氯化物鹽漬化土地生物改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗以真鹽生植物種子:囊果堿蓬、鹽地堿蓬、高堿蓬、鹽角草、鹽爪爪,泌鹽植物種子:大葉補血草、耳葉補血草、黃花補血草為試驗對象。所需種子于2019年10月采集自新疆維吾爾自治區克拉瑪依農業開發區鹽生植物園(東經85°0′27″,北緯45°26′14″)。取樣地點土壤鹽分主要為氯化物-硫酸鹽(表1)。種子成熟后用牛皮紙信封取回并置于4℃冰箱保存備用。前人報道,部分鹽生植物為應對嚴酷或不可預測環境進化出了多種種子形態,不同形態的種子萌發率不同[23]。如相同生境下,鹽角草有翅狀附屬物的大種子萌發率是無附屬物小種子的3—4倍[24—25];高鹽度下,鹽地堿蓬棕色種子萌發率是黑色種子的2—3倍[26—27]。本試驗中均選擇鹽生植物耐鹽性較強的種子,即鹽地堿蓬、高堿蓬選擇棕色種子,鹽角草選擇有翅狀附屬物的大種子。為避免發霉對試驗造成影響,試驗前除去雜質,后用75%酒精消毒10 s,用蒸餾水反復沖洗后實驗。

表1 8種鹽生植物取樣地點土壤鹽分構成Table 1 Soil salt composition at sampling sites of eight halophytes

1.2 研究方法

以單鹽NaCl為鹽脅迫條件,設50、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000 mmol/L 13個濃度梯度,以蒸餾水為對照(CK)。選取大小一致、形態相似且飽滿的種子,將雙層濾紙平鋪于內徑90 mm的培養皿底部。每皿均勻放置種子25粒,設置4次重復。每皿加入7 mL NaCl溶液,蓋上培養皿蓋后用封口膜(Parafilm)封口以防止水分蒸發。將培養皿置于25℃光照14 h、10℃黑暗10 h的人工氣候培養箱中培養,相對濕度控制在60%。于每日16:00—19:00統計種子萌發數(以胚根伸出長度不小于種子長度1/2為發芽標準),并將已萌發種子移除,連續記錄16 d后結束。

1.3 測定指標

發芽率=萌發數/供試種子數×100%

發芽勢=前6天種子發芽總數/供試種子數×100%[12]

萌發指數=∑(第t天種子發芽數/相應的萌發天數t)

相對鹽害率=(CK發芽率—處理發芽率)/CK發芽率×100%

耐鹽適宜濃度:發芽率達對照發芽率75%時的鹽濃度

耐鹽半致死濃度:發芽率達對照發芽率50%的鹽濃度

耐鹽極限濃度:發芽率達對照發芽率10%的鹽濃度[28]

發芽速率:∑(Gi/Ti)

(Gi表示第i天種子發芽率,Ti表示萌發統計的第i天)[29]

1.4 數據處理

試驗數據用Excel 2016軟件整理統計,取4次重復數據的平均值±標準差,計算相應指標。利用SPSS 19.0進行單因素方差分析和差異顯著性檢驗(α=0.05),Duncan法多重比較(P<0.05);GraphPad Prism 8.0軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 NaCl鹽度對鹽生植物種子發芽率的影響

從表2可以看出,不同鹽度對8種鹽生植物萌發大致表現為低濃度促進高濃度抑制,抑制程度隨溶液濃度的升高而增大,但不同植物對鹽脅迫的響應程度不同。鹽度為50 mmol/L時,8種植物萌發率均高于CK,且囊果堿蓬、高堿蓬、鹽爪爪、大葉補血草、耳葉補血草、黃花補血草在此鹽度下萌發率達到最高。鹽地堿蓬和鹽角草分別在100 mmol/L和300 mmol/L時萌發率達最高,相比CK分別高出14.5%和17.1%,差異顯著(P<0.05,下同)。說明低鹽度環境一定程度上能夠促進真鹽生植物和泌鹽植物種子的萌發;鹽度升至500 mmol/L時,真鹽生植物鹽地堿蓬、高堿蓬和囊果堿蓬萌發率顯著降低,分別為CK的62.3%、52.2%和34.2%。而此濃度下3種泌鹽植物萌發率均已不足其對照的10%,差異極顯著,說明中高鹽度脅迫下真鹽生植物比泌鹽植物表現出更強的萌發耐鹽性。鹽度大于 250 mmol/L后,鹽角草的萌發率始終高于其他7種植物,甚至在1000 mmol/L鹽度下其萌發率仍能達到54.0%,而此鹽度下其他植物萌發率已接近零或已為零。

表2 不同鹽度NaCl脅迫對鹽生植物種子發芽率的影響/%Table 2 Effect of NaCl stress on germination rate of halophytes

2.2 NaCl鹽度對鹽生植物種子發芽勢的影響

發芽勢表示種子的生活力及發芽整齊度情況。由表3可知,鹽度在≤50 mmol/L時,泌鹽植物耳葉補血草發芽勢最高。100 mmol/L鹽度下,3種泌鹽植物的發芽勢較CK均顯著降低。300 mmol/L時,5種真鹽生植物發芽勢均在39%以上,鹽角草最高,達89%,而3種泌鹽植物發芽勢均已不足15%。500 mmol/L時,真鹽生植物囊果堿蓬、鹽地堿蓬、高堿蓬和鹽角草發芽勢高于20%,鹽爪爪及泌鹽植物大葉補血草、耳葉補血草發芽勢已降為0。結果表明,中高鹽度下真鹽生植物的種子生活力要大于泌鹽植物,其中鹽地堿蓬、鹽角草種子的生活力更高,超高鹽度(>800 mmol/L)下僅有鹽角草耐受性較好,這一結果與發芽率結果相似。

表3 不同鹽度NaCl脅迫對鹽生植物種子發芽勢的影響/%Table 3 Effect of NaCl stress on seed germination potential of halophytes

2.3 NaCl鹽度對鹽生植物種子發芽指數的影響

萌發指數是種子的活力指標。如表4所示,隨鹽度的升高,兩種類型種子萌發指數變化相似,但也有所差異。其中耳葉補血草、黃花補血草在鹽度為0時萌發指數最高,囊果堿蓬、鹽地堿蓬、大葉補血草在鹽度為50 mmol/L時達到最高,高堿蓬、鹽角草、鹽爪爪在100 mmol/L時達到最大值。相比于其他真鹽生植物,鹽角草種子發芽指數雖較低,但萌發持續而分散,說明其對中高鹽度有較好的適應性和耐逆性。

表4 不同鹽度NaCl脅迫對鹽生植物種子發芽指數的影響/%Table 4 Effect of NaCl stress on seed germination index of halophytes

2.4 NaCl鹽度對鹽生植物種子萌發進程和萌發速率的影響

萌發進程和萌發速率可以衡量種子的受脅迫情況。圖1表明,NaCl對8種鹽生植物種子萌發進程影響相似,隨鹽度的升高,初始萌發時間和萌發高峰時間均不同程度地向后推遲,濃度越高,萌發越困難。由圖2可知,低鹽度≤200 mmol/L時,囊果堿蓬的萌發占據優勢,其萌發速率大于其他植物且差異顯著。中鹽度400 mmol/L左右時,鹽地堿蓬和鹽角草萌發最快,二者無顯著差異。鹽度≥600 mmol/L時,鹽角草萌發速率較快,相比其他植物差異顯著。同一物種不同鹽度下比較結果表明,8種植物萌發速率大致表現為隨鹽度增大而下降。鹽度≤400 mmol/L時,鹽地堿蓬、鹽角草萌發速率與CK相比無顯著差異,600 mmol/L時,除鹽角草之外的7種植物萌發速率均顯著降低。

圖1 不同鹽度NaCl脅迫對鹽生植物種子萌發進程的影響Fig.1 Effects of NaCl stress with different salinity on seed germination progress of halophytesCK: 對照

2.5 NaCl鹽度對鹽生植物種子相對鹽害率的影響

圖3表明,兩種耐鹽類型植物種子在不同鹽度下受害率不同。200 mmol/L時,對鹽地堿蓬、高堿蓬、鹽角草、鹽爪爪相對鹽害率影響不顯著,而此濃度下大葉補血草、耳葉補血草、黃花補血草的相對鹽害率分別達到41.6%、60.42%和51.22%,差異顯著。400 mmol/L時,5種真鹽生植物的相對鹽害率分別達到62.03%、13.43%、13.04%、-8.82%和50%;而3種泌鹽植物的鹽害率已分別達86.11%、92.71%、90.24%,差異極顯著;鹽度800 mmol/L時,僅有鹽角草表現出了較強的抗逆能力,受害率為15.79%,其余4種真鹽生植物受到的鹽害率均已大于70%,3種泌鹽植物已受到完全的脅迫抑制而未能萌發。

圖3 不同濃度NaCl對鹽生植物種子相對鹽害率的影響Fig.3 Effects of NaCl stress at different concentrations on relative salt damage rate of halophyte seeds

2.6 NaCl鹽度與鹽生植物發芽率的相關關系

基于NaCl濃度和種子發芽率建立的線性回歸方程表明:除鹽角草外,7種植物萌發率和NaCl濃度均表現出顯著負相關關系,即萌發率隨NaCl濃度的升高而降低(表5)。兩種耐鹽類型的植物種子耐鹽閾值有所差異, 5種真鹽生植物的耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度、耐鹽極限濃度均高于3種泌鹽植物,綜合比較得出8種植物萌發期耐鹽能力:鹽角草>鹽地堿蓬>高堿蓬>囊果堿蓬>鹽爪爪>大葉補血草>黃花補血草>耳葉補血草。

表5 8種鹽生植物種子發芽率與NaCl鹽度相關性分析Table 5 Correlation analysis between seed germination rate and NaCl Salinity of 8 Halophytes

3 討論

種子萌發是植物生長過程中最重要的階段,也是植物對逆境反應最敏感的時期,種子能正常萌發是鹽生植物完成自身生活史、建立種群的關鍵[12,25]。 NaCl作為氯化物鹽漬土中的主要鹽分,對種子萌發的抑制作用既有離子毒害,又有滲透脅迫效應[30]。Khalid和Huang等研究發現,高濃度的鹽脅迫能夠誘導鷹嘴豆、梭梭種子休眠,抑制了種子萌發[31—32];也有研究發現低濃度的鹽處理能促進部分植物種子的萌發[12]。本研究通過測定兩種不同耐鹽機制的8種鹽生植物種子在不同NaCl鹽度脅迫下的萌發特性,發現低鹽度(NaCl濃度≤100 mmol/L)下鹽生植物萌發差異不大,隨著鹽度的上升,萌發率表現出真鹽生植物高于泌鹽植物。通過線性回歸分析表明,真鹽生植物萌發受抑制的閾值要高于泌鹽植物,其耐鹽適宜性和耐鹽極限程度均大于泌鹽植物,這一結果與趙可夫等在鹽地堿蓬、濱藜、獐毛等植物的研究結果相似[33]。推測這是由于兩種植物適應逆境的方式不同,泌鹽植物萌發階段未分化出莖、葉等排鹽器官,不能將多余鹽分有效排出體外。而另5種真鹽生植物適應脅迫的手段主要是通過液泡吸鹽、積累鹽分進行滲透調節,無需“排鹽”器官,故其耐鹽能力表現要大于泌鹽植物。另外,Khan等先前在鹽角草和鹽穗木的種皮中發現了離子的區隔化[34]現象,這也是其適應鹽漬環境的重要機制,而這種機制在泌鹽植物中還尚未有見報道。本研究中,鹽角草表現出了極強的耐鹽能力,在鹽度1000 mmol/L時,其發芽率仍能達到54%左右,且具有發芽指數低,萌發持續而分散的特點,這是由于其種皮的離子區隔化作用[34]和液泡特殊的Na+多區室化機制[35]使其具有高耐鹽性。

當鹽度大于300 mmol/L時,隨鹽度的上升,除鹽角草外的7種鹽生植物的發芽率、發芽勢和發芽指數均顯著降低,說明7種植物種子萌發分別受到了不同程度的鹽脅迫傷害,推測這是由于過高濃度的NaCl溶液導致細胞滲透作用過強,細胞質膜遭到破壞,導致細胞內離子失調、失水過多,進而使得種子萌發受到抑制[18]。高奔等[36]以盆栽澆灌的方法研究囊果堿蓬出苗對不同濃度NaCl的響應,結果發現在NaCl濃度為200 mmol/L時出苗率最高,為74%,而本研究相同鹽度下萌發率僅為59%,推測認為這是由于單鹽條件下NaCl加大了離子毒害效應,復合鹽或鹽漬土壤環境中對種子萌發的危害要小于單鹽[37]。除此之外,試驗發現在鹽度為50 mmol/L時8種鹽生植物種子萌發率均大于CK,說明較低濃度的NaCl脅迫促進了鹽生植物種子的萌發,這一結果與李志萍[12]、楊景寧[18]、Orlovsky[25]等在栓皮櫟、堿蓬、鹽角草等植物的研究結果相似,這由于植物種子從NaCl溶液中吸收Cl—或Na+,增加了細胞液濃度,降低了細胞水勢,使種子吸水能力提升,形成補償效應[38]從而促進了種子萌發,亦是微量Na+對呼吸酶有一定刺激作用,從而加速了種子萌發[39]。

隨著鹽度的升高,8種鹽生植物的初始萌發和萌發高峰時間均推遲,其萌發策略大致分為 “快速型”和“緩慢型”兩種。如囊果堿蓬、高堿蓬、鹽角草、黃花補血草僅在4—6天就完成了萌發,而鹽地堿蓬、鹽爪爪、耳葉補血草、大葉補血草在8—12天才完成萌發。前者快速的萌發機制使得其在降水量極為有限的荒漠或極端鹽堿生境中,種子能夠把握住有限時間快速萌發,扎根生存,從而維持種群的繁衍,相似機制在豬毛菜中有過報道,豬毛菜的異型性大種子甚至可以在吸漲后的0.5小時內萌發[40,41];而后者鹽爪爪、大葉補血草等植物則是采用均衡且緩慢的“謹慎型”策略,10天左右完成萌發。此種萌發方式可以防止種子在逆境中一次萌發全部受害,減小種群滅絕的風險,逐漸為種群爭取生存的機會,此種策略與異子蓬黑色種子[42]、角果堿蓬[43]黑色種子的“低風險萌發策略”相似。萌發策略也與本研究下該物種異型性種子的選擇有關[24,26]。

鹽生植物的種植對鹽堿地改良有著積極作用,確保改良物種適合鹽漬地的環境有利于改良物種潛能的發揮。Wang等在北疆克拉瑪依三年大田實驗表明,鹽地堿蓬的種植顯著降低了鹽漬土中Na+和Cl—含量[8];另有研究發現鹽地堿蓬能有效吸收硫酸鹽或氯化物-硫酸鹽鹽漬土中的SO42—[44];通過鹽生植物和棉花間作不僅減少了鹽堿地中的鹽分積累,還能提高土壤理化性質和作物生產力[45]。目前新疆鹽漬化耕地除克拉瑪依呈下降趨勢外,其余各地區仍呈增長趨勢[2],南疆地區以氯化物為主的中度(含鹽1%—2%)、重度(含鹽2%—3%)鹽漬化土地較多[2,22]。本試驗通過對典型鹽生植物的萌發耐鹽篩選,發現鹽角草耐鹽適宜濃度大于900 mmol/L(氯化鈉鹽5.26%),具有重度鹽漬土種植和改良潛力;鹽地堿蓬、高堿蓬耐鹽適宜濃度大于400 mmol/L(氯化鈉鹽2.34%),具有中度鹽漬土種植和改良潛力;囊果堿蓬、鹽爪爪大于190 mmol/L(氯化鈉鹽1.11%),具有輕度鹽漬土改良潛力;大葉補血草、耳葉補血草、黃花補血草大于80 mmol/L(氯化鈉鹽0.47%)適合更為輕微的鹽漬土地種植。對南疆地區以氯化物為主的鹽漬土地生物改良具有一定指導意義,但本研究不能完全代表大田種植實際情況,還有待于進一步進行大田耐鹽種植試驗。

綜上所述,8種鹽生植物對NaCl鹽均有一定抵抗能力,一定濃度的鹽分對萌發有促進作用;真鹽生植物萌發階段的耐鹽性強于泌鹽植物;逆境下鹽生植物大致通過“快速型”和“緩慢型”兩種萌發策略延續生存;8種鹽生植物均有作為氯化物為主鹽漬土生物改良材料的潛力。