柵藻對小麥種子萌發及初期幼苗生長的影響

譚梅娟,張 婷,李雅吉,王嘉姝,陳靜玥,王 捷*

(太原師范學院 生物科學與技術學院,山西 晉中 030619)

農業生產過程中,大量化學肥料的濫用導致土壤質量下降,化肥利用率低下,農作物品質下降和農業污染等一系列問題[1-3].近年來,隨著全球氣候變暖及世界人口的激增,對糧食的需求也不斷增加,必須在不影響環境的情況下解決糧食需求問題[4].2022年國家發布《科技支持碳達峰碳中和實施方案(2022-2030)》通知,提出要開發微藻肥技術、生物固氮增匯肥料技術,研究鹽藻或藍藻固碳增強等技術推動碳達峰及碳中和.在農業方面,為實現可持續消費和生產模式(第12個可持續發展目標),有必要選擇天然或生物肥料來替代合成肥料的使用[5-6].在這種背景下,生物刺激劑,包括多糖、植物激素、維生素、氨基酸等作為能夠促進植物生長的天然物質受到了廣泛關注[7].近年來,微藻已成為農業中一種很有前途的生物肥料和生物刺激劑的來源,用于促進植物健康以提高作物產量[8].

淡水微藻含有高比例植物生長所需的大量及微量營養元素,且含有各種植物生長促進物質,如多糖、脂質、蛋白質和植物激素等[9],微藻細胞提取物處理過的種子表現出更高的萌發率[10,11],葉面和土壤施用提取物均可提高植物生長率,其可溶性糖、蛋白質和游離葉綠素含量也有升高趨勢[12].柵藻是淡水中常見的浮游藻類,對有機污染物具有較強的耐性,是有機污水氧化塘中的優勢藻種,且在水體凈化有一定作用[13,14].柵藻是有機物的高效生產者,以柵藻的細胞提取物為研究對象,對種子引物、葉面噴霧劑和生物肥料的施用效果進行評價.當用量超過0.75 g/mL時,種子萌發提前兩天,側根發育更大.葉面噴施3.75 g/mL提取物可提高株高、花數和單株分枝數,并可促進早期果實發育[15].鑒于微藻含有高比例的微量營養素和植物生長所必需的營養素,并且是環境友好和高效的化肥替代品[16,17],因此微藻生物刺激劑作為生物肥料具有潛在的應用前景.

目前有關微藻生物刺激劑的研究主要集中在大型海藻和具有固氮能力的藍藻上,而對其他藻類研究較少.綠藻門中的柵藻生長迅速,分布范圍廣,可做到全年生產,具有作為生物刺激劑的潛力.本研究選取我國重要糧食作物小麥(TriticumaestivumLinn.)(作為實驗植物,對其施加柵藻生物刺激劑,旨在研究柵藻提取物(25 mg/L～800 mg/L)對小麥種子萌發的影響以及其提取物和微藻懸浮液對小麥幼苗生長的影響.細胞活性物質的提取,隨后用于種子處理以提高種子的發芽率及發芽勢,通過土壤施用提高植物生長.植物的生長參數是根據生物量、根莖長度來決定.同時,測定了收獲后植物生物量的葉綠素、可溶性蛋白及可溶性總糖的含量.本結果為進一步研究柵藻生物刺激劑對小麥生長的應用提供參考,為探索柵藻源生物刺激劑最佳施用濃度,提高施用效益,降低施用成本提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥(TriticumaestivumLinn.)種(子購自農貿市場,常溫儲存;柵藻(Scenedesmussp.),(由太原師范學院生物科學與技術學院藻種庫提供.該藻分離自山西省太原市晉陽湖景區.

1.2 試驗設計

1.2.1 微藻肥的制備

取對數期生長的柵藻,離心10 min(4000 r/min),離心完畢后沉淀為藻泥,用蒸餾水沖洗藻泥并充分混合后再次離心,以排除小球藻肥料中培養基的影響,重復3次后得到純凈藻泥.向離心洗凈后的一半藻泥加入適當體積的蒸餾水,得到所需濃度的微藻懸浮液(細胞密度為 7.8×1012個/mL).另外一半純凈藻泥于-40 ℃冷凍干燥機內冷凍干燥48 h制成藻粉.0.5 g藻粉放入100 mL燒杯內,加50 mL蒸餾水.放入超聲波破碎儀超聲處理,之后離心,離心后的上清液為提取物母液.其濃度為 0.01 g/mL,用蒸餾水稀釋到不同濃度(25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L、800 mg/L),4 ℃保存備用.

1.2.2 種子萌發試驗

選取大小一致飽滿的小麥種子,將種子在20 mL 0.5% NaClO溶液中浸泡30 min消毒,無菌水沖洗 3 次.于25 ℃黑暗條件下,將種子放于蒸餾水中浸泡后,然后分配到90 mm培養皿中,于25 ℃、相對濕度為60%、光周期為12 h∶12 h條件下培養,添加不同濃度柵藻提取液處理(T1∶25 mg/L、T2∶50 mg/L、T3∶100 mg/L、T4∶200 mg/L、T5∶400 mg/L、T6∶800 mg/L).蒸餾水處理作為對照(CK),每個處理重復 3 次.之后定期灌溉以替換損失的水.每日觀察、記錄發芽粒數.測定的萌發參數為:發芽率(GP)、發芽勢(GS)、發芽指數(GI).

1.2.3 盆栽試驗

選取大小一致飽滿的小麥種子,用 0.5% NaClO浸泡30 min消毒,無菌水沖洗3次.25 ℃黑暗條件下種子于蒸餾水浸泡后,于培養皿中孵育2 d,選取長勢一致的種子放入含有基質(蛭石和泥炭混合物,1∶1 v/v)的萌發盤,小麥種子均勻放于萌發孔中間,種子種植深度約1 cm.于25 ℃,相對濕度為60 %,光周期為12 h∶12 h條件下培養.加入不同濃度微藻提取液和微藻懸浮液處理(T1∶25 mg/L、T2∶50mg/L、T3∶100 mg/L、T4∶200 mg/L、T5∶400 mg/L、T6∶800 mg/L、T7∶柵藻懸浮液),蒸餾水處理作為對照(CK),每個處理重復3次.每天補充流失的水分.兩周后實驗結束,所有植株的器官都被收獲.

1.3 測定項目與方法

種子萌發實驗根據標準種子分析師協會(AOSA 2005)的方法測定各處理組小麥種子的發芽率、發芽勢和發芽指數.盆栽實驗用直尺測定以及測量株高、根長,用電子天平測量莖葉和根的鮮重及干重(以10株記).幼苗葉片中葉綠素含量的測定采用乙醇提取分光光度計法測定、可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定、可溶性糖含量測定采用蒽酮法測定[18].

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2010進行整理,計算數據的平均值和標準誤差,用SPSS 21.0軟件進行方差分析,用Origin Pro 8.5軟件制圖.

2 結果

2.1 微藻提取液對種子萌發的影響

由圖1可知,與對照組相比,不同濃度藻提取液處理的小麥種子的發芽率、發芽勢及發芽指數均有所提高.其中T4處理的影響最顯著,發芽率、發芽勢、發芽指數分別為90.47%、73.01%和23(P<0.05).T1、T2、T3、T4、T5處理組對小麥種子發芽率分別顯著增加了17%、22%、24%、7%、4%(P<0.05);對發芽勢分別增加了21%、29%、35%、3%、3%;對發芽指數分別增加了20%、21%、28%、4%、3%.T6高濃度處理對小麥種子的萌發影響不顯著.

圖1 不同濃度柵藻提取物對小麥種子發芽率、發芽勢和發芽指數的影響

2.2 微藻提取液對幼苗生長的影響

由圖2可知,與對照幼苗相比,添加低濃度柵藻提取物顯著刺激了營養生長參數.與其他處理方法相比,用T3處理幼苗莖長最高,為 15.07±1.080 cm,T4處理的根長最長為15.22±1.86 cm.與對照組相比,T1、T2、T3、T4、T5處理組莖高顯著增加23%、29%、38%、21%、20%(P<0.05).T7處理組對莖高提高了4%.T3處理后的植株生物量的積累最高,莖葉鮮重和干重分別為1.5575±0.12 g 和 0.1548±0.01 g,根的鮮重和干重分別為0.7854±0.064 g 和 0.0787±0.0051 g,未處理的植株產量最低.其中T2、T3、T4、T7處理組對莖葉鮮重顯著提高了18%、24%、21%、25%(P<0.05),T1、T5分別提高了9%和7%.其中T2、T3、T4、處理組對根鮮重顯著提高了27%、27%、26%、(P<0.05).T1、T5、T6、T7 分別提高了18%、13%、4%、13%.T2、T3、T4、T7處理組對莖葉干重顯著提高了24%、29%、35%、31%(P<0.05).T1、T5分別提高了13%、16%.柵藻提取液及懸浮液對小麥根干重的影響不顯著.

圖2 不同濃度柵藻提取物及懸浮液對小麥幼苗莖葉及根的長度、鮮重和干重的影響

2.3 小麥幼苗中葉綠素含量的變化

由圖3可知,處理組的葉綠素含量均高于對照組,T3處理組對葉綠素a的含量顯著提高了35%(P<0.05),T1、T2、T4、T5、T6、T7分別提高了14%、24%、13%、6%、8%和12%.T1-T7處理組中葉綠素b含量分別提高了29%、47%、14%、13%、3%、1%和27%.

圖3 不同濃度柵藻提取物及懸浮液對小麥葉片葉綠素含量的影響

2.4 小麥幼苗中蛋白質含量的變化

由圖4可知,各處理組較對照組相比均提高了小麥幼苗中可溶性蛋白質的含量,其中T3、T7明顯增加,顯著提高了可溶性蛋白質含量19%和12%(P<0.05).T1、T2、T4、T5、T6促進作用不明顯.

圖4 不同濃度柵藻提取物及懸浮液對小麥葉片可溶性蛋白含量的影響

2.5 小麥幼苗中可溶性糖含量的變化

由圖5可知,各處理組可溶性總糖質量分數均高于對照組,T1、T2處理組與對照相比對小麥幼苗中可溶性總糖質量分數顯著提高了56%和65%(P<0.05).其余處理組效果不顯著.

圖5 不同濃度柵藻提取物及懸浮液對小麥葉片可溶性總糖含量的影響

3 討論

3.1 柵藻提取物對種子萌發的影響

種子在不同環境條件下均勻快速發芽的能力是包括小麥在內的大多數植物所需要的基本特征.發芽勢體現在種子的生活能力,發芽是否整齊,出苗是否一致等方面.發芽率體現出了每次處理中發芽的種子數的存活率.本實驗結果表明小麥種子在不同濃度柵藻提取液的處理下,發芽指標均有所提高,說明小麥種子受到柵藻提取物內活性化合物的影響,促進了小麥種子的萌發.在種子處理過程中吸收的代謝物或生物活性化合物,將作為生化途徑的前體,幫助胚根的早期突出.已研究表明從藻類生物量中提取的碳水化合物、蛋白質和其他微量和宏觀元素能被種子被皮吸收,從而增加了吸脹速率,并提供了影響萌發過程中胚根的生化途徑加快突出的前體[19].研究報道海藻粗提物(10 mL/L)使牛角瓜發芽率提高了42%[20].與上述類似的研究也報道了海藻提取物處理番茄種子,其發芽率增加了6%～37%.用富含植物激素和植物生長促進劑的微藻提取物處理種子,可以減少種子休眠,促進有效萌發[21].

3.2 柵藻提取物及懸浮液對小麥幼苗生長的影響

當小麥幼苗受到柵藻提取液及懸浮液影響時,小麥體內的主要生理過程也會因此受到影響,主要體現在小麥植株莖葉長、根長及生物量的變化.本研究表明,添加柵藻提取物和懸浮液提高了植物生長參數,其中添加低濃度的柵藻提取物后,根、莖葉的長度、鮮重和干重均顯著增加.可能是柵藻提取物中所含的活性物質誘導了小麥的生理反應,促進了生物量的積累,結果與Blanca 等人對柵藻處理幼苗的研究結果一致[22].研究表明,藻類提取物及其純化的化合物可以誘導植物產生強烈的生理反應,并增加地上部和根的重量[23-25].

3.3 柵藻提取物及懸浮液對小麥幼苗生理的影響

可溶性蛋白和可溶性總糖是植物生長發育的重要營養物質,葉綠素是存在于植物中的綠色色素,參與光合作用的進行,因此葉綠素含量是植物整體生長的一種衡量指標[26].葉綠素含量越高,植物的光合作用和生長速率就越高.從而促進幼苗體內營養物質的積累.實驗結果說明,柵藻提取物和懸浮液提高了小麥葉片中葉綠素的含量,同時也促進了可溶性糖和蛋白的積累.結果與Mutale-Joan等人對多種藻類提取物處理番茄植株能促進葉綠素含量增加的結果一致[27].不同濃度柵藻提取物對小麥葉綠素、可溶性蛋白及總糖的含量的促進效果呈現先升高后降低的狀態,施用微藻提取物的濃度越低或濃度越大,促進作用均不明顯,只有在最適濃度下促進生長最佳.其原因可能是當濃度過小時,具有刺激生長作用的成分含量太少,無法起作用,而當濃度過大時,影響植物細胞吸收水分,導致促進效果減弱.何銳和Silambarasan等研究也顯示出適當濃度時促進效果最佳,濃度過低或過高均會減弱其促進效果[28,29].

4 結論

柵藻提取物處理對種子萌發和柵藻提取物及懸浮液土壤澆灌對植物生長速率均有積極的影響.研究結果表明,100 mg/L柵藻提取物處理種子顯示最大促進效果,發芽率、發芽勢及發芽指數分別為90.47±0.047(%)、73.01±0.055(%)和23±1.24.效果最佳的藻類提取物濃度為 100 mg/L,株高為15.07±1.08 cm,根長14.29±0.79 cm,莖葉鮮重和干重分別為1.5575±0.12 g和0.1548±0.01 g,根的干重和鮮重分別為0.7854±0.064 g和0.0787±0.0051 g,總葉綠素含量5.6315±0.5700 mg/g,可溶性蛋白含量為20.8309±1.771 mg/g.本研究結果確定了柵藻源生物刺激劑對小麥的最佳施用濃度,為其在農業和化工業的應用提供理論依據,柵藻提取物作為生物刺激劑具有潛在的應用前景.