不同基因型大麥堿脅迫下種子萌發及物質轉化效率的差異性研究

范宏博，李建波，劉志萍，巴 圖，王 聰，徐壽軍

（1.內蒙古民族大學農學院，內蒙古 通遼 028043；2.內蒙古自治區飼用作物工程技術研究中心，內蒙古 通遼 028000；3.內蒙古自治區農牧業科學院，內蒙古 呼和浩特 010000）

土壤鹽堿化已逐漸成為限制農業可持續發展的重要因素之一［1］。據統計，全球約有10億hm2的鹽堿化土地，并且其面積以每年100萬～200萬hm2的速度逐步擴大［2］。我國約有9900萬hm2鹽堿地，主要分布在東北、華北、西北內陸及沿海地區，且其面積仍呈不斷擴大的趨勢［3］。土壤鹽度可由中性鹽如氯化鈉（NaCl）和硫酸鈉（Na2SO4）或堿性鹽如碳酸鈉（Na2CO3）或碳酸氫鈉（NaHCO3）構成，其中，堿性鹽由于HCO3-和CO32-的存在，產生額外的高pH脅迫，對植物造成的傷害較鹽化土壤更為嚴重和復雜［4-5］，主要表現在根系吸水能力降低，養分缺乏［6-7］。因此，了解植物適應鹽堿脅迫的表現，對鹽堿地進行有效的開發及利用，對保障國家糧食安全和維護生態可持續發展具有重要意義［8］。

大麥又名米麥、牟麥，是禾本科大麥屬一年生草本植物，其用途廣泛，兼具食用、飼用、啤用和醫用等價值，在國民經濟和畜牧業發展中占有重要地位。其種植面積大且分布廣泛［9］。大麥栽培歷史悠久，總產量僅次于小麥、水稻和玉米，位居世界第四位［10］，具有耐旱、耐瘠薄、生育期短、早熟等生物學特性，是禾本科中較為耐鹽堿的作物［11］，也是改良麥類作物的重要遺傳資源［12］。

鹽脅迫、堿脅迫是2種不同類型的脅迫［13］，當前，關于鹽堿脅迫對大麥的研究主要集中在鹽脅迫上，對堿脅迫的研究較少。種子萌發期是作物生長發育過程中比較脆弱的時期，同時，也是發育成植株的關鍵時期。種子萌發在鹽堿脅迫下首先經受滲透脅迫，隨后發生Na+毒害以及高pH脅迫［14］。高pH影響植物的離子平衡，對種子萌發抑制作用更強［15］，而且不同基因型的萌發特性以及對營養物質的轉化與利用對鹽堿脅迫的響應也均不相同［16］。筆者以2個大麥基因型為材料，研究不同堿脅迫濃度對大麥萌發相關指標以及物質轉化效率的影響，以期為大麥的耐鹽堿栽培研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

耐堿品種四川MS和堿敏感品種奇臺9919均由內蒙古自治區農牧業科學院提供。

1.2 試驗設計

選取籽粒飽滿、大小均勻且無病蟲害的種子，經5%的次氯酸鈉消毒10 min，用蒸餾水沖洗2次，分別加不同濃度的堿（NaHCO3與Na2CO3摩爾比為9∶1）溶液（0、30、60、90、120 mmol/L）置于鋪有濾紙的培養皿中培養，3次重復，每次重復100粒。各處理放在光照培養箱中培養，白天光照時間12 h、溫度25 ℃，黑夜時間12 h、溫度20 ℃，定時補充蒸餾水以保持濾紙濕潤。在發芽第7天時，將幼苗分為根、芽和剩余籽粒，放入105 ℃的烘箱中殺青，0.5 h后調整溫度為80 ℃烘干至恒重后進行稱重，測定根芽轉化率、總體轉化率、貯藏物質動員量和貯藏物質利用率等指標。

1.3 指標測定

種子萌發過程貯藏物質轉化相關指標包括發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數、芽干重、根干重、起始種子干重、根轉化率、芽轉化率、總體轉化率、貯藏物質動員量、貯藏物質利用率。

發芽勢=（第3天發芽種子數/試驗種子粒數）×100%；

發芽率=（第7天發芽種子數/試驗種子粒數）×100%；

發芽指數=∑（Gt/Dt），（Gt為每天發芽數，Dt為與Gt相對應的天數）；

活力指數=GI×S0，（GI為發芽指數，S0為發芽結束時幼苗干重）；

起始種子干重=起始種子重×（1-種子含水量）；

根轉化率=根干重/起始種子干重×100%；

芽轉化率=芽干重/起始種子干重×100%；

總體轉化率=根轉化率+芽轉化率；

貯藏物質動員量=起始種子干重-剩余籽粒干重；

貯藏物質利用率=（根干重+芽干重）/（根干重+芽干重+剩余籽粒干重）×100%；

1.4 數據分析

利用Microsoft Excel 2017軟件進行數據初步處理，利用DPS軟件進行相關性分析、差異性分析和回歸分析，利用Origin 2022軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度堿脅迫對2個品種大麥種子萌發特性的影響

隨堿脅迫濃度升高，四川MS和奇臺9919的發芽勢均呈降低趨勢，且四川MS在0、30、60 mmol/L濃度下均顯著高于奇臺9919（P＜0.05），見圖1（A）；隨堿脅迫濃度升高，2個品種的發芽率呈降低趨勢，其中，奇臺9919 的發芽率呈顯著下降趨勢（P＜0.05），四川MS 的發芽率在90、120 mmol/L 時顯著低于0～60 mmol/L（P＜0.05），見圖1（B）。

圖1 不同濃度堿脅迫對2個品種萌發特性的影響Fig.1 Effect of alkali stress at different concentrations on germination characteristics of two cultivars

堿脅迫顯著影響種子活力。2個品種的發芽指數和活力指數均隨堿濃度提高呈下降趨勢（圖1（C）、圖1（D））。此外，四川MS發芽指數及活力指數在不同堿脅迫濃度下均高于奇臺9919，表明堿脅迫可能抑制了種子內部物質的轉化，進而影響種子活力，四川MS抵御堿脅迫的能力更強。

2.2 不同濃度堿脅迫對2個品種大麥種子萌發過程貯藏物質轉化率的影響

隨堿濃度增加，四川MS的芽干重呈先升高后降低趨勢，在30 mmol/L濃度時達到最高，在120 mmol/L濃度時最低，而奇臺9919 則呈降低趨勢，且在120 mmol/L 濃度時，四川MS 芽干重較奇臺9919 高1.07%（圖2（A））。相應的種子萌發過程芽轉化率四川MS表現為先升高后降低趨勢，而奇臺9919表現為下降趨勢，且在90 mmol/L 時2 個品種芽轉化率差異達到顯著水平，四川MS 芽轉化率比奇臺9919 高42.39%（圖2（B））。

圖2 不同濃度堿脅迫對2個品種物質轉化率的影響Fig.2 Effects of different concentrations of alkali stress on material conversion rate of two varieties

隨堿濃度增加，四川MS和奇臺9919的根干重和根轉化率均表現為先升高后降低趨勢，在30 mmol/L時均為最大；在不同濃度堿處理下，四川MS根轉化率和根干重均高于奇臺9919（圖2（C）、圖2（D））。

隨堿濃度增加，四川MS和奇臺9919萌發后剩余籽粒干重均表現上升趨勢，在120 mmol/L 時均達最大；不同脅迫濃度下除60 mmol/L以外，四川MS剩余籽粒干重均小于奇臺9919，在90 mmol/L時，四川MS剩余籽粒干重比奇臺9919低4.57%（圖2（E））。隨堿濃度增加，四川MS和奇臺9919總體轉化率均表現為先升高后降低趨勢；在不同濃度堿處理下，四川MS總體轉化率均高于奇臺9919，并在90 mmol/L時，2個品種總體轉化率差異達到顯著水平，四川MS總體轉化率比奇臺9919高38.88%，表明堿脅迫對四川MS萌發影響較?。▓D2（F））。

2.3 堿脅迫對不同耐堿性大麥種子萌發過程貯藏物質利用率的影響

種子萌發過程中，需要貯藏物質的動員來提供營養及能量，對種子萌發至關重要。四川MS 和奇臺9919貯藏物質動員量隨堿濃度升高均呈下降趨勢；在90 mmol/L和120 mmol/L時，四川MS貯藏物質動員量較奇臺9919分別高134.44%和88.18%，見圖3（A）。隨堿濃度增加，四川MS和奇臺9919物質利用率均呈下降趨勢；不同濃度堿處理下，四川MS物質利用率均高于奇臺9919，且在90 mmol/L 時，四川MS物質利用率顯著高于奇臺9919（30.51%，P＜0.05），見圖3（B）。

圖3 不同濃度堿脅迫對2個品種貯藏物質動員量與物質利用率的影響Fig.3 Effects of different concentrations of alkali stress on the Mobilization amount of storage material and material utilization in two varieties

3 討論與結論

發芽率與發芽勢是反映種子萌發特性的重要指標，能夠反映種子的出苗情況［17］。不同基因型大麥種子的耐鹽堿能力決定了鹽堿環境下種子的發芽率狀況。鄭曉雨等［18］研究發現，低濃度NaCl處理對西域802和康地五號2種向日葵種子的發芽率有一定的促進作用，高濃度鹽脅迫則抑制種子萌發。段冰等［19］研究發現，隨著混合堿脅迫濃度的升高，不同品種高粱種子的發芽率均有所降低。時麗冉等［20］研究發現，旱稻種子的發芽指數、活力指數均隨著Na2CO3濃度的升高而降低。本研究中，隨著堿脅迫濃度升高，四川MS的發芽率呈緩慢降低趨勢，奇臺9919呈直線下降趨勢；2個品種的發芽勢均呈降低趨勢，說明堿脅迫對大麥種子的發芽有抑制作用，這與段冰等［19］研究結果一致。發芽指數和活力指數是評價種子活力的重要指標，研究表明，發芽率與種子活力呈正相關［20］。本研究中，2個品種的發芽指數和活力指數均隨堿處理濃度增高呈下降趨勢，這與時麗冉等［20］研究結果一致，表明堿脅迫可能抑制種子內部物質的轉化，進而影響種子活力。此外，四川MS 發芽率、發芽勢、發芽指數及活力指數在不同脅迫濃度下均高于奇臺9919，表明四川MS較奇臺9919抵御堿脅迫的能力更強。

種子中儲藏的營養物質的充分轉化與利用是形成壯苗的基礎［21］。鹽堿脅迫下，由于營養物質水解轉化的相關酶活性降低，代謝物被固定，生長的種子缺乏營養，因此不能增加重量。這種重量損失是以幼苗鮮重和干重的減少來體現的。ALAM等［22］研究發現，當暴露于高鹽度脅迫時，馬齒莧的鮮重和干重顯著降低。其他作物，如番茄［23］、玉米［24］和谷子［25］等也存在鹽脅迫導致地上部鮮重和干重減少現象。四川MS 和奇臺9919 兩個品種隨著脅迫濃度的增加，芽干重、芽轉化率、根干重和根轉化率均呈先升高后降低趨勢，相應的剩余籽粒干重呈逐漸升高趨勢，在高堿脅迫下尤為明顯，這可能是由于鹽度增加抑制了水解酶活性，導致萌發過程營養物質產生不足，從而限制了對芽和根等新的生長組織的營養供應，這與ALAM 等［22］研究結果一致。此外，隨著鹽濃度的增加，種子吸水減少，進一步抑制水解過程，進而限制幼苗干鮮重的增加［26-27］。在較高堿濃度下，四川MS的貯藏物質動員量和物質利用率大部分顯著高于奇臺9919，表明四川MS的耐堿性強于奇臺9919，這可能由于堿脅迫下四川MS能夠保持較高水解酶活性和滲透調節能力，防止發生生理性缺水，有利于貯藏物質的水解、轉化，促進營養物質向新生的根、芽組織轉移，因此表現出芽干重和根干重高于奇臺9919。