干旱与盐胁迫对盐生植物盐生草种子萌发特征影响近年来,水资源匮乏以及土壤盐渍化已成为影响农业发展及生态环境建设的两大全球性问题[1]目前,全世界遭受水土流失的耕地面积约2.5×109hm2[2],受到盐渍化威胁的全球耕地面积约为9.5×108hm2[3],在影响作物产量的各种非生物因素中,干旱和盐碱造成的作物减产约40%,严重影响了农作物的生长,制约了农业经济的发展[4]干旱胁迫下,植物体内由于水分失衡会发生一系列生理生化响应,进而引起代谢紊乱,影响植物正常生长[5]盐胁迫下会导致植物体内发生渗透胁迫、离子毒害作用,扰乱植物体内营养元素平衡,使其出现中毒甚至死亡的现象[6]种子萌发期是植物对环境胁迫响应最敏感的时期,直接影响植株的生长发育[7]在干旱及盐分胁迫下,由于植物体内缺水和产生的离子毒害会使植物体内酶的活性发生一系列的变化,进而限制植物生长发育[8]种子能否在干旱及盐碱环境下发芽成苗是决定该植株在该环境下完成整个生长发育过程的重要阶段[9]因此,研究植物在萌发期的抗旱耐盐性,以及了解植物抗旱耐盐的生理特点有着重要的意义目前,利用模拟干旱和盐胁迫的方法对植物种子萌发特性的研究受到广泛应用[10,11,12]。
盐生草(Halogetonglomeratus)属藜科(Chenopodiaceae),一年生草本植物,广泛生长于甘肃、青海、新疆、内蒙古、宁夏等荒漠地区,地上多分枝的肉质化茎、叶组织具有极强的抗旱、耐盐及富集重金属的特性,被称为荒漠地区抗旱、耐盐先锋植物[13,14],然而关于盐生草种子萌发期的抗旱、耐盐性评价的报道较少基于此,本研究将盐生草种子分别置于不同浓度PEG-6000和NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3溶液中,模拟干旱以及不同盐分胁迫处理,通过测定发芽指标、鲜重、干重、株高以及根系活力来分析盐生草种子对干旱及不同盐分的胁迫的耐受能力,并对各项指标进行综合评价分析,以期为盐生草在干旱、盐碱地的种植及生态治理提供理论依据1、材料与方法1.1试验材料2018年11月在甘肃省会宁县盐碱地采集成熟的盐生草种子,进行清洗、除杂后备用千粒重为0.38g1.2试验方法1.2.1浓度设置根据预试验及参考文献[15]将PEG-6000的浓度梯度设置为CK(0)、2%、4%、6%、8%、10%、15%、20%为保证4种钠盐处理中Na+浓度相同,浓度梯度设置如表1所示以上溶液均由蒸馏水配制。
1.2.2萌发试验取饱满、大小均一的盐生草种子于离心管中置于超净工作台,首先用无菌水冲洗种子表面杂质,然后用75%的酒精灭菌消毒30s,再用无菌水清洗种子表面的酒精至干净,后用10%的NaClO溶液颠倒清洗数次,最后用无菌水冲洗4～5次,得到无菌盐生草种子,在直径为90mm的垫有双层滤纸的培养皿中加入5mL不同浓度的处理溶液,每个处理均设置4个重复,以蒸馏水作为对照再将50粒盐生草种子整齐置于培养皿中,并用封口膜封口,每天用分析天平称量蒸发散失的水分,并加蒸馏水补充,使渗透势不变后将培养皿置于培养室中保持温度22℃,8h光照/16h黑暗,光照强度4000Lx,相对湿度80%的环境下进行萌发试验[16]1.2.3发芽指标测定以种子露白为标准[16]对3和7d内发芽种子数进行统计发芽率=(7d内种子发芽数/总种子数)×100%发芽势=(3d内种子发芽数/总种子数)×100%1.2.4株高扫描将生长7d的盐生草幼苗,以每盘培养皿为单位从中随机选取4株幼苗采用WinRHIZO图像扫描仪(EpsonLongBeach,CA,USA)进行株高扫描,以平均值作为株高指标1.2.5生物量测定生长7d后,由于盐生草幼苗只有细小幼根和刚展开的2片子叶,单株生物量无法测量,故以每盘培养皿为一个单位,测定各不同胁迫浓度对单位幼苗生物量的影响,用蒸馏水冲洗盐生草幼苗数次,待冲洗干净后用滤纸吸干表面水分。
用电子分析天平称其鲜重(freshweight,FW)然后装入信封袋中放置30～40℃烘箱,烘3～4d至恒重,取出用电子分析天平称其干重(dryweight,DW)1.2.6根系活力测定将生长了7d的盐生草幼苗称取0.20g,采用2,3,5,-三苯基4唑氯化物(2,3,5-triphenyl-2H-tetrazoliumchloride,TTC)还原测定法测定其根系活力[17]1.3数据处理采用MicrosoftExcel2010进行数据处理和图表绘制,运用SPSS20.0软件(SPSSInc.,Chicago,USA)进行单因素方差分析(ANOVA),主成分分析和聚类分析所有结果由平均值±标准误(means±standarderror)表示,4次生物学重复2、结果与分析2.1PEG-6000胁迫对盐生草种子萌发特性的影响2.1.1PEG-6000胁迫对盐生草种子萌发指标的影响由表2可知,随着PEG-6000浓度的升高,盐生草种子的发芽率和发芽势均呈下降的趋势,且差异显著(P<0.05)当PEG-6000浓度为6%时,发芽率和发芽势分别为62.00%,11.33%,与对照相比下降了31.30%,86.35%。
当PEG-6000浓度为20%时,发芽率和发芽势分别为14.50%,2.67%,与对照相比下降了83.93%,96.78%,且差异显著(P<0.05)表明随着PEG-6000浓度的升高,盐生草的种子活力会明显降低在一定的PEG-6000浓度范围下,盐生草种子可以萌发,但其萌发明显受到抑制2.1.2PEG-6000胁迫对盐生草幼苗鲜重和干重的影响如图1所示,对PEG-6000胁迫处理7d的盐生草幼苗测定鲜重、干重,发现随着PEG-6000浓度的升高,鲜重、干重均呈现先上升后下降的趋势,当PEG-6000浓度为4%时均达到最大,为0.17和0.012g,与对照相比差异不显著(P>0.05)当PEG-6000的浓度为20%时,鲜重和干重分别为0.03和0.007g,与对照相比下降了75.00%,36.36%,且差异显著(P<0.05)因此,在高浓度PEG-6000胁迫下,盐生草幼苗的生长明显受到了抑制图1盐生草幼苗鲜重和干重在PEG-6000处理下的变化2.1.3PEG-6000胁迫对盐生草幼苗株高和根系活力的影响如图2所示,株高的变化趋势与根系活力相近,均呈现随着PEG-6000浓度的升高而先上升后下降的趋势。
PEG-6000浓度为4%时均达到最大,株高为6.34cm,与对照相比上升了1.28%,但差异不显著(P>0.05),根系活力为107.51%,与对照相比上升了7.51%,且差异显著(P<0.05)当PEG浓度为20%时,株高为3.82cm,与对照相比下降了38.98%,根系活力为75.40%,与对照相比显著下降了24.60%图2盐生草幼苗株高和根系活力在PEG-6000处理下的变化2.1.4综合聚类分析及主成分分析为进一步研究PEG-6000胁迫对盐生草幼苗生长的抑制程度,对PEG-6000胁迫处理下的种子萌发和幼苗生长指标进行聚类分析(图3),以欧式距离15为界,将PEG-6000处理的8个浓度梯度聚为了两类,其中以浓度为0～6%为第Ⅰ类,8%～20%为第Ⅱ类得出PEG-6000胁迫盐生草萌发生长的临界耐受浓度为6%,对6%胁迫处理下6个性状指标进行主成分分析(表3),提取了2个主成分,主成分1的特征值为4.27,贡献率为70.27%,主成分2的特征值为1.78,贡献率29.73%累计贡献率达100.00%,其中主成分1在鲜重和干重上具有最高载荷(1.00),主成分2在发芽势上具有最高载荷(0.87),主成分1的贡献率约为主成分2的2倍。
2.24种钠盐胁迫对盐生草种子萌发特性的影响图3PEG-6000处理下不同浓度的聚类分析2.2.14种钠盐胁迫对盐生草种子萌发指标的影响如表4可知,4种钠盐胁迫处理对盐生草种子萌发指标的影响有所不同,随着Na2SO4浓度的升高,盐生草种子的发芽率和发芽势呈现先升高后下降的趋势在Na2SO4浓度为25.00mmol·L-1发芽率和发芽势均达到最大值,发芽率为93.00%,较对照升高4.49%发芽势为81.50%,较对照相比升高2.52%当Na2SO4达到最大处理浓度150.00mmol·L-1时,发芽率为9.00%,较对照降低了89.89%发芽势为4.67%,较对照降低了94.13%表明低浓度Na2SO4胁迫对植物生长具有一定的促进作用,但超过一定的浓度后表现为抑制随着Na2CO3,NaHCO3,NaCl浓度的升高,盐生草种子的发芽率和发芽势总体呈现下降的趋势当NaCl达到最大处理浓度300.00mmol·L-1时,发芽率较对照降低了96.26%;发芽势较对照降低了97.48%当NaHCO3达到最大处理浓度300.00mmol·L-1时,发芽率较对照降低了97.75%发芽势较对照降低了97.48%。
当Na2CO3达到最大处理浓度150.00mmol·L-1时盐生草种子不发芽表明高浓度盐处理均对种子的萌发具有严重抑制作用4种钠盐溶液相比,除了具有相同的Na+外,NaHCO3和Na2CO3具有较高的pH值当4种盐处理在Na+相同的情况下,100.00mmol·L-1NaCl,100.00mmol·L-1NaHCO3,50.00mmol·L-1Na2CO3,50.00mmol·L-1Na2SO4相比,对盐生草种子萌发的毒害作用为Na2CO3>NaHCO3>NaCl>Na2SO4与对照相比差异显著(P<0.05)2.2.24种钠盐胁迫对盐生草幼苗株高的影响如图4所示,盐生草幼苗株高的变化趋势与发芽势和发芽率相接近,均随着Na2CO3,NaHCO3,NaCl,Na2SO4浓度的增加,呈现下降的趋势,且各浓度处理的盐生草幼苗株高均低于对照,Na2SO4处理在浓度低于37.50mmol·L-1时与对照差异不显著(P>0.05),Na2CO3,NaHCO3,NaCl各浓度处理均与对照差异显著(P<0.05)且当Na2CO3,NaHCO3,NaCl,Na2SO4的浓度分别为25.00,50.00,200.00,150.00mmol·L-1时,盐生草幼苗株高降为2.24,2.18,2.00,1.99cm,与对照相比了均下降到对照的50.00%以下。
Na2CO3,NaHCO3在浓度为75.00～125.00mmol·L-1,125.00～300.00mmol·L-1之间盐生草幼苗株高趋于稳定在Na+浓度相同的处理条件下,即Na2CO3,NaHCO3,NaCl,Na2SO4的浓度为50.00,100.00,100.00,50.00mmol·L-1时,4种盐处理下的盐生草幼苗株高为1.06,1.17,3.10,3.66cm,说明4种盐处理对盐生草幼苗株高的抑制作用大小为Na2CO3>NaHCO3>NaCl>Na2SO42.2.34种钠盐胁迫对盐生草幼苗根系活力的影响由图5可知,根系活力的变化趋势与株高相近,随着Na2CO3,NaHCO3,NaCl,Na2SO4浓度的增加,各盐处理中盐生草幼苗根系活力均呈现下降的趋势,且各处理组与对照差异显著(P<0.05)NaCl,Na2SO4处理浓度分别达到最大300.00mmol·L-1,150.00mmol·L-1时,盐生草幼苗根系活力分别为50.76%和51.70%当Na2CO3,NaHCO3浓度分别为87.50,175.00mmol·L-1时,根系活力均低于对照50.00%说明盐胁迫对盐生草幼苗的根系活力有抑制作用。
且在Na+浓度相同的处理条件下,Na2CO3对盐生草幼苗根系活力抑制作用最大,Na2SO4对其抑制作用最小这说明碱性盐胁迫下对植株幼苗根系的毒害作用大于中性盐胁迫。