鹽堿脅迫對南疆喀什市牛皮消種子萌發的響應

孫艷美， 王 東

(1. 喀什大學 化學與環境科學學院; 2. 喀什大學 生命與地理科學學院 葉爾羌綠洲生態與生物資源研究高校重點實驗室， 喀什 844000)

新疆位于中國的西北部，是中國鹽漬土的主要分布區域，鹽漬土總面積高達11萬km2，而廣袤的南疆是新疆鹽漬土的主要分布地區[1-2]。南疆喀什市由于毗鄰塔克拉瑪干沙漠，喀什具有暖溫帶大陸性干旱氣候特征，干旱少雨，氣候極端干燥。長期以來，土壤鹽堿化一直困擾著喀什地區經濟和社會發展[1-2]。采用耐鹽堿植物是改良鹽堿土壤的有效途徑[3-4]。

牛皮消(Cynanchiauricuti)屬于蘿摹科鵝絨藤屬(Auriculatum)，具有一定的藥理活性[5-6]。牛皮消廣泛分布于南疆喀什地區，筆者發現在喀什市吐曼河兩岸生長有大量牛皮消植株，因此牛皮消能較好地適應南疆的鹽堿土壤。目前有關牛皮消適應鹽堿土壤的機理研究鮮有報道?；诖?，本試驗研究了喀什市牛皮消種子萌發對典型中性鹽NaCl和堿性鹽Na2CO3脅迫的響應，以期為進一步深入研究牛皮消適應鹽堿土壤的機理提供信息，也為牛皮消用于改良南疆鹽堿土壤奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 供試牛皮消種子

本試驗所用牛皮消種子于2017年11月采自南疆喀什市吐曼河兩岸野生的牛皮消植株。選取籽粒飽滿且大小均勻一致的種子進行試驗。牛皮消植株及種子形態見圖1。

a：喀什市牛皮消植株；b：葉片；c：種子

1.2 不同處理濃度溶液的配制

分別配制濃度梯度為50、100、150、200和250 mmol/L的NaCl和Na2CO3溶液備用。采用無菌蒸餾水進行溶液配制。

1.3 鹽堿脅迫對牛皮消種子萌發的影響

選取內徑為9 cm的玻璃培養皿進行試驗，首先對培養皿進行高溫高壓滅菌。分別選取50、100、150、200和250 mmol/L的NaCl溶液以及50、100、150、200和250 mmol/L 的Na2CO3溶液作為10個處理，用無菌蒸餾水作為對照處理，每個處理均設3個重復。向每個培養皿中放置雙層濾紙，然后均勻放置30粒供試牛皮消種子，之后按照不同處理分別加入供試NaCl和Na2CO3溶液，每個培養皿加入10 mL溶液，每個對照培養皿加入10 mL滅菌蒸餾水，置于溫度為(25±1) ℃，光照為4000 lx，光-暗周期為12 h∶12 h的培養箱內進行培養。每天于同一時間向每個培養皿中補充2 mL無菌蒸餾水以保持濕度并統計種子萌發情況(以芽露出種皮為發芽標準)，連續統計7 d。在第7天的時候，測定每個培養皿中發芽種子的胚根長度。

1.4 種子萌發指標計算

采用上述試驗獲得的數據，根據文獻報道[7-11]，分別計算如下指標。

1)日發芽率(%) = (Ni/N)×100%(Ni為第i天發芽數；N為種子總數)；

2)發芽率(%) = (N7d/N)×100%(N7d為第7天發芽數；N為種子總數)；

3)發芽勢(%) = (N3d/N)×100%(N3d為第3天發芽數；N為種子總數)；

4)發芽指數 = ∑Gt/Dt(Gt為每日發芽數；Dt為發芽日數)；

5)生長速率 =S/∑[Ni×(Dj-Di+0.5)](S指每個培養皿中萌發種子胚根長度的總和；Ni為第i天發芽數；Dj指試驗天數；Di指第i天)；

6)相對發芽率(%) = (Gr1/Gr0)×100%(Gr1為第7天的處理發芽率；Gr0為第7天的對照發芽率)；

7)相對鹽害率(%) = (1-Gr1/Gr0)×100%(Gr1與Gr0含義同上)；

8)耐鹽性評價：將相對發芽率作為因變量(y)，NaCl和Na2CO3處理濃度作為自變量(x)建立函數方程。以相對發芽率下降75%時作為牛皮消種子對NaCl和Na2CO3脅迫的耐鹽適宜濃度；以相對發芽率下降50%時作為耐鹽半致死濃度；以相對發芽率下降10%時作為耐鹽極限濃度。

1.5 數據分析

使用Microsoft Excel 2010進行數據整理、圖表繪制以及回歸分析。使用SPSS 17.0進行差異顯著性分析，采用最小顯著差異LSD法進行多重比較(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 牛皮消種子日發芽率對鹽堿脅迫的響應

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子日發芽率結果表明，NaCl和Na2CO3對牛皮消種子的萌發均產生了明顯的抑制作用(圖2)。對照組種子在前4 d進行萌發，從第5天開始至試驗結束對照組沒有萌發的種子。NaCl和Na2CO3對牛皮消種子萌發表現出不同的抑制作用。所有濃度NaCl處理條件下牛皮消種子均能萌發(圖2-A)，而Na2CO3只有在低濃度處理條件下(50、100和150 mmol/L濃度)牛皮消種子才能萌發，在高濃度處理條件下(200和250 mmol/L濃度)牛皮消種子完全不能萌發(圖2-B)。因此，Na2CO3對牛皮消種子日發芽率的影響明顯高于NaCl。

A：NaCl脅迫； B：Na2CO3脅迫

2.2 牛皮消種子發芽率對鹽堿脅迫的響應

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子發芽率結果表明，NaCl和Na2CO3對牛皮消種子的萌發均產生了明顯的抑制作用，Na2CO3的抑制作用明顯強于NaCl(圖3)。在NaCl脅迫下，除了250 mmol/L處理濃度發芽率與對照表現為顯著性差異(P<0.05)外，其他處理濃度均無顯著性差異(P>0.05)。在Na2CO3脅迫下，除了50 mmol/L處理濃度發芽率與對照相比無顯著性差異(P>0.05)之外，其他濃度均表現為顯著性差異(P<0.05)。

2.3 牛皮消種子發芽勢對鹽堿脅迫的響應

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子發芽勢結果表明，NaCl和Na2CO3對牛皮消種子的發芽勢均產生了明顯的抑制作用，隨著處理濃度的升高，兩種鹽脅迫下的發芽勢均呈下降趨勢，Na2CO3的抑制作用明顯強于NaCl(圖4)。在NaCl脅迫下，低處理濃度(50和100 mmol/L濃度)與對照相比無差異顯著性(P>0.05)，而在高處理濃度(150、200和250 mmol/L濃度)條件下與對照表現為顯著性差異(P<0.05)。在Na2CO3脅迫下，所有處理濃度與對照均表現為顯著性差異(P<0.05)。

圖3 NaCl和Na2CO3脅迫對牛皮消種子發芽率的影響

圖4 NaCl和Na2CO3脅迫對牛皮消種子發芽勢的影響

2.4 鹽堿脅迫對牛皮消種子發芽指數的影響

圖5 NaCl和Na2CO3脅迫對牛皮消種子發芽指數的影響

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子發芽指數結果表明，NaCl和Na2CO3對牛皮消種子的發芽指數產生了較為明顯的影響，隨著NaCl和Na2CO3處理濃度的升高，牛皮消發芽指數均表現為逐漸減小的趨勢(圖5)。NaCl和Na2CO3所有處理濃度與對照表現為顯著性差異(P<0.05)。當Na2CO3處理濃度為200和250 mmol/L時，發芽指數均為0?？傮w來看，Na2CO3對牛皮消種子發芽指數的影響高于NaCl。

2.5 鹽堿脅迫對牛皮消種子胚根長度和胚根生長速率的影響

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子胚根長度和胚根生長速率結果表明，NaCl和Na2CO3對牛皮消種子胚根長度和胚根生長速率均產生了較為明顯的影響(表1)。在NaCl和Na2CO3脅迫下，除了NaCl 50 mmol/L處理濃度胚根生長速率與對照無顯著性差異外(P>0.05)，兩種鹽其他處理濃度與對照均表現為顯著性差異(P<0.05)。隨著NaCl和Na2CO3處理濃度的升高，胚根長度和胚根生長速率均呈下降趨勢，而Na2CO3下降趨勢比NaCl更為明顯。當Na2CO3處理濃度達到200和250 mmol/L時，胚根長度和胚根生長速率均為0(表1)。此外，經Na2CO3處理的種子其表面顏色更深，有些發黑(圖6)?？傮w來看，Na2CO3對牛皮消種子胚根長度和胚根生長速率的影響高于NaCl。

表1 不同濃度NaCl和Na2CO3脅迫對牛皮消種子胚根長度和胚根生長速率的影響

a:CK；b：50 mmol/L NaCl；c：100 mmol/L NaCl；d：150 mmol/L NaCl；e：200 mmol/L NaCl；f：250 mmol/L NaCl；g：50 mmol/L Na2CO3；h：100 mmol/L Na2CO3；i：150 mmol/L Na2CO3；j：200 mmol/L Na2CO3；k：250 mmol/L Na2CO3

2.6 鹽堿脅迫對牛皮消種子的相對鹽害率

NaCl和Na2CO3脅迫下牛皮消種子相對鹽害率結果表明，NaCl和Na2CO3對牛皮消種子的相對鹽害率表現出不同的影響趨勢(表2)。對于NaCl脅迫，當處理濃度為250 mmol/L時，相對鹽害率達到了最大值。但值得注意的是，當處理濃度為100和200 mmol/L時，NaCl促進了牛皮消種子的萌發。對于Na2CO3脅迫，隨著處理濃度的升高，相對鹽害率表現為逐漸增大的趨勢。當處理濃度為200和250 mmol/L時，相對鹽害率達到了100%?？傮w來看，Na2CO3對牛皮消種子的相對鹽害率要高于NaCl，高濃度的Na2CO3直接抑制牛皮消種子的萌發。

表2不同濃度NaCl和Na2CO3脅迫對牛皮消種子的相對鹽害率

2.7 喀什市牛皮消種子耐鹽堿性評價

為明確喀什市牛皮消種子對NaCl和Na2CO3脅迫的耐受程度，通過相對發芽率及鹽濃度建立函數方程，計算獲得牛皮消種子萌發期對NaCl和Na2CO3的耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度以及耐鹽極限濃度(表3)。結果表明，牛皮消種子萌發期對NaCl的耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度以及耐鹽極限濃度均高于Na2CO3。因此，Na2CO3對牛皮消種子萌發的脅迫要強于NaCl。

3 討論與結論

牛皮消廣泛分布于南疆喀什地區，是一種能較好適應南疆鹽堿土壤的植物。目前有關牛皮消適應鹽堿土壤的機理研究鮮有報道?；诖?，本試驗研究了喀什市牛皮消種子萌發對典型中性鹽NaCl和堿性鹽Na2CO3脅迫的響應，分析了NaCl和Na2CO3脅迫對牛皮消種子日發芽率、發芽率、發芽勢、發芽指數、胚根長度和胚根生長速率的影響，計算了NaCl和Na2CO3脅迫對牛皮消種子的相對鹽害率。此外，對喀什市牛皮消種子耐鹽堿性進行了評價。結果表明，NaCl和Na2CO3對牛皮消種子日發芽率、發芽率、發芽勢、發芽指數、胚根長度和胚根生長速率均產生了較為明顯的影響?？傮w來看，Na2CO3對牛皮消種子萌發的脅迫強于NaCl。NaCl和Na2CO3對牛皮消種子的相對鹽害率表現出不同的影響趨勢，Na2CO3對牛皮消種子的相對鹽害率要高于NaCl，高濃度的Na2CO3直接抑制牛皮消種子的萌發。牛皮消種子萌發期對NaCl的耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度以及耐鹽極限濃度均高于Na2CO3。本試驗為進一步深入研究牛皮消適應鹽堿土壤的機理提供信息。此外，也為牛皮消用于改良南疆鹽堿土壤奠定基礎。

表3 喀什市牛皮消種子的耐鹽濃度

在NaCl脅迫下，當NaCl處理濃度為100和200 mmol/L時牛皮消種子的發芽率均比對照要高(圖3)，發芽率比對照分別增高了3.33%和1.11%，這表明適宜濃度的中性鹽NaCl可促進牛皮消種子的萌發。這可能是由于低鹽可促進細胞膜的滲透或微量的Na+和Cl-對呼吸酶的激活作用所致[12]。同等條件下，堿性鹽Na2CO3對牛皮消種子萌發的影響要強于中性鹽NaCl，這很可能是由于同濃度堿性鹽Na2CO3比中性鹽NaCl的Na+濃度高，牛皮消種子受到了高濃度Na+的脅迫所致[13]。發芽指數可作為最敏感和最可靠的評價指標，用于綜合反映種子的萌發情況[14]。Na2CO3對牛皮消種子發芽指數的影響高于NaCl(圖5)，這進一步說明了Na2CO3對牛皮消種子萌發的影響強于NaCl。種子在萌發期過后能否生長為一株幼苗可根據胚根的生長情況進行初步判定[15]。Na2CO3對牛皮消種子胚根長度的影響高于NaCl(表1)，而且經Na2CO3處理的種子其表面顏色更深，有些發黑(圖6)，這可能是由于Na2CO3作為堿性鹽產生的較高pH值會對種子具有較強的腐蝕作用。此外，同濃度堿性鹽Na2CO3比中性鹽NaCl的Na+濃度高，較高濃度的Na+會使根細胞的細胞膜受到損害，新陳代謝受到抑制，從而影響種子的萌發[16]。有關喀什市牛皮消能較好適應南疆鹽堿環境的詳細機理有待進一步深入研究。