侯 穎 ,謝 震

(1.商丘師范學院 生物與食品學院，河南 商丘 476000；2.商丘市國營民權農(nóng)場，河南 商丘 476800)

鹽脅迫是植物生長最重要的非生物脅迫因子之一(Shah Zamana et al.,2019),而我國鹽堿化土地分布廣泛,并且由于不合理的灌溉方式和施肥等原因,次生鹽堿化土壤面積還在繼續(xù)擴大.因此,研究鹽脅迫對植物的影響、植物對鹽脅迫的響應以及如何緩解鹽脅迫的危害對于提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、保障糧食安全具有重要的意義(孫君艷等,2017).

小麥是我國重要的糧食作物,關于鹽脅迫對小麥的影響前人已進行了大量的研究,研究表明,鹽脅迫對植物造成的危害主要是離子毒害、滲透脅迫和營養(yǎng)失衡(王志,等,2009；郭偉,2011；鈕力亞,等,2019),其影響最直觀的表現(xiàn)為抑制種子萌發(fā)、阻礙植株生長等,這已被多數(shù)研究所證實(朱志華,等,1996；郭曉麗,等,2008；孫君艷,等,2017).因此,如何緩解鹽脅迫對植物的負面影響成為眾多學者研究的熱點(劉麗云和王明友,2010).大量研究表明,應用外源物質(zhì)可以有效地減輕鹽堿危害,如鈣鹽,一方面,鈣作為植物生長發(fā)育必需的礦質(zhì)元素,施加適量的鈣,可以緩解因Ca2+不足引起的礦質(zhì)營養(yǎng)脅迫,另一方面可以增強質(zhì)膜的穩(wěn)定性和鈣信號系統(tǒng)的正常發(fā)生和傳遞,以維持細胞內(nèi)離子平衡(趙旭,等,2006).但是,外源鈣對鹽脅迫的緩解作用可能因鹽脅迫程度、植物本身抗性的不同而不同(王康君,2018),因此,研究不同作物品種或不同區(qū)域下外源鈣對植物鹽脅迫的緩解作用對作物的育種、田間管理工作會更具有針對性,尤其是新培育的優(yōu)質(zhì)品種.鄭麥369是河南省農(nóng)科院培育的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)強筋小麥新品種,2017年在河南鄲城晚播情況下產(chǎn)量可達到9000 kg/hm2(李平芳,等,2017),對于滿足國內(nèi)日益增加的優(yōu)質(zhì)專用小麥需求和農(nóng)業(yè)供給側結構改革都有著重要意義.因此,本文以鄭麥369為研究對象,通過實驗室內(nèi)水培試驗,研究小麥369對鹽害的耐受程度,在此基礎上進一步研究外源鈣對小麥種子萌發(fā)和幼苗生長鹽脅迫的緩解作用,旨在探究緩解小麥鹽脅迫的最佳濃度,為優(yōu)質(zhì)小麥高產(chǎn)種植和調(diào)控措施提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所采用的小麥品種為鄭麥369,為鄭麥366的換代品種,是河南省農(nóng)科院小麥研究所培育的一個優(yōu)質(zhì)強筋小麥良種,在抗倒伏、抗病性、耐倒春寒等方面表現(xiàn)突出,適合在黃淮冬麥區(qū)南片的河南省(除信陽市和南陽市南部部分地區(qū)以外的)平原灌區(qū)、陜西、江蘇和安徽省的部分地區(qū)種植(中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第18號,中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種子管理局,2018.5.4).供試小麥種子由河南省商丘市種子站提供.

1.2 實驗方法

1.2.1 預處理

隨機挑選無病害,無破損,大小一致且飽滿的小麥種子100粒,置于燒杯中,用無菌水小心地沖洗3遍,注意不要讓種子受到損傷,隨后讓種子在室溫下浸泡吸水8 h,然后分別放置于5%的紅墨水溶液中染色30 min,之后觀察種子的染色情況(活種子種胚不被染成紅色,死種子種胚被染成紅色)(張淑蘭,1999),隨后計算活種子所占比例,最后得出活種子所占比例為99%.

1.2.2 耐鹽性測定

實驗采用水培法,以不同濃度的NaCl溶液模擬鹽脅迫,共設7個處理：(1)CK: 對照(無菌水)；(2)T1：50 mmol/L NaCl溶液；(3)T2：100 mmol/L NaCl溶液；(4)T3：150 mmol/L NaCl溶液；(5)T4：200 mmol/L NaCl溶液；(6)T5：250 mmol/L NaCl溶液；(7)T6：300 mmol/L NaCl溶液.每個處理3個重復.在光照培養(yǎng)箱內(nèi)(白天25 ℃,晚上15 ℃,每天光照15 h)進行發(fā)芽實驗,7 d為一周期.每天用注射器抽取一定量的溶液予以補充,以保證培養(yǎng)皿內(nèi)濾紙濕潤和各處理的溶液濃度不變.

1.2.3 CaCl2緩解作用測定

根據(jù)前期耐鹽性測定,確定鄭麥369發(fā)芽的半致死鹽脅迫濃度,在此基礎上,施用CaCl2處理,共設6個處理：(1)CK: 對照(無菌水)；(2)S1：NaCl半致死脅迫濃度；(3)S2：NaCl半致死脅迫濃度+3 mmol/L CaCl2；(4)S3：NaCl半致死脅迫濃度+6 mmol/L CaCl2(5)S4：半致死脅迫濃度+9 mmol/L CaCl2；(6)S5：半致死脅迫濃度+12 mmol/L CaCl2,每個處理3個重復,培養(yǎng)方法同上.

1.3 測定指標及計算方法

培養(yǎng)開始后,每天統(tǒng)計發(fā)芽情況,在種子發(fā)芽3 d后,計算發(fā)芽勢；7 d后,計算發(fā)芽率；然后測量發(fā)芽種子的幼苗長、主根長以及根數(shù),最后再用刀片切掉發(fā)芽的種子的芽,用吸水紙吸光表面所攜帶的水,稱重,以此來測芽的鮮重.

計算發(fā)芽指數(shù)(Gi)和活力指數(shù)(Vi)：

Gi=ΣGt/Dt

Vi=S*ΣGt/Dt

Gt為在t日的發(fā)芽數(shù),Dt為相應的發(fā)芽日數(shù),S為幼苗生長勢(等同于幼苗的平均長度).Gi越大,表明發(fā)芽速度越快；Vi越大,表明發(fā)芽快,長勢好.

實驗數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010和SPSS20.0軟件進行統(tǒng)計分析.

2 結果與分析

2.1 不同濃度鹽溶液對小麥萌發(fā)的影響

由表1可以看出,鹽脅迫可以降低小麥種子的相對發(fā)芽勢,且當鹽溶液濃度逐漸升高時,鄭麥369的發(fā)芽勢逐漸降低.處理為CK、T1、T2、T3、T4、T5和T6時,鄭麥369的相對發(fā)芽勢分別為100.00%、76.67%、56.67%、43.33%、28.33%、6.67%和2.31%.方差分析結果表明,除T1外,各濃度處理均與對照存在著極顯著差異.250 mmol/L NaCl溶液(T4處理)時,小麥的發(fā)芽受到的抑制作用明顯,在300 mmol/L NaCl溶液(T6處理)時,相對發(fā)芽勢降幾乎降為0%.

由表1可以看出,隨著鹽溶液濃度的升高,鄭麥369的發(fā)芽率受到抑制作用,呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢.當處理為CK、T1、T2、T3、T4、T5和T6時,小麥的相對發(fā)芽率分別為100.00%、91.67%、83.33%、66.67%、48.33%、25.00%和1.08%.方差分析結果表明,除低濃度處理T1外,各濃度處理均與對照存在著極顯著差異.當處理為200 mmol/L NaCl溶液(T3處理)時,鄭麥369的相對發(fā)芽率降為對照的一半,在250 mmol/L NaCl溶液(T4處理)下,相對發(fā)芽率下降極顯著,而在300 mmol/L時,小麥種子幾乎不發(fā)芽.因此,可以將200 mmol/L NaCl溶液作為鄭麥369的半致死臨界濃度,而300 mmol/L NaCl溶液(T4處理)作為小麥369發(fā)芽能力的致死臨界鹽脅迫濃度.

表1 不同濃度NaCl溶液對小麥369相對發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響/(%)

2.2 鹽脅迫下CaCl2處理對小麥萌發(fā)的影響

2.2.1 CaCl2處理對鹽脅迫小麥相對發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響

表2表明,在鹽脅迫下施用CaCl2處理3 d后,小麥種子的相對發(fā)芽勢仍顯著低于對照(CK),但鹽脅迫作用顯著得到緩解,且隨CaCl2濃度升高,小麥種子的相對發(fā)芽勢呈現(xiàn)出一種先升高后降低的規(guī)律,表明CaCl2處理只能在一定程度上對鹽脅迫起到緩解作用.方差分析表明,與對照(S1)相比,各處理均達到極顯著差異,這表明從3 mmol/L至12 mmol/L CaCl2溶液處理間(即S2至S5處理間),小麥369受到的鹽脅迫抑制作用都得到了一定緩解,其中在6 mmol/L CaCl2溶液處理(S3處理)下,相對發(fā)芽勢達到了最高水平,為55.00%,但隨著CaCl2溶液濃度的進一步提高,相對發(fā)芽勢降低,表明高濃度的CaCl2溶液對鹽脅迫的緩解作用反而降低.

由表2可知,在鹽脅迫下用CaCl2處理7 d后,小麥種子的相對發(fā)芽率仍顯著低于對照(CK),但鹽脅迫作用顯著得到緩解,且隨CaCl2濃度升高,小麥種子的相對發(fā)芽率呈現(xiàn)出一種先升高后降低的規(guī)律,表明CaCl2處理只能在一定程度上對鹽脅迫起到緩解作用.方差分析表明,S2、S5與對照S1無顯著差異,表明較低濃度和較高濃度的CaCl2溶液對小麥種子的相對發(fā)芽率的緩解作用不明顯,而S3、S4與對照S1差異顯著,表明在6 mmol/L 和9 mmol/L CaCl2溶液處理下,相對發(fā)芽率達到了最高水平,其值分別為為63.33%和60.00%.

表2 鹽脅迫下CaCl2處理對小麥種子相對發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響(%)

2.2.2 CaCl2處理對鹽脅迫小麥發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)在一定程度上可以表明一個小麥品種發(fā)芽速度或發(fā)芽的整齊度.由表3可知,鹽脅迫顯著地降低了小麥的發(fā)芽指數(shù),但施用外源CaCl2可以緩解這種脅迫作用.在鹽脅迫下,隨著CaCl2溶液濃度升高,小麥的發(fā)芽指數(shù)先升高后降低,從S1到S5,其值分別為37.73%、59.64%、74.00%、60.69%和59.55% ,且與S1相比,S2、S3、S4和S5均達到顯著差異,但只有S3處理時下,差異達到極顯著差異,說明6 mmol/L的CaCl2是緩解作用的最佳濃度,高濃度的CaCl2溶液反而降低了對鹽脅迫的緩解作用.

活力指數(shù)越大,表明小麥的出芽速率越快和長勢越旺.由表3可以看出,鹽脅迫極顯著地降低了小麥的萌發(fā)活力指數(shù),但施用外源CaCl2可以緩解這種脅迫作用.在鹽脅迫下,隨著CaCl2溶液濃度升高,萌發(fā)活力指數(shù)先升高后降低,從S1到S5,其值分別為75.46%、178.92%、266.40%、188.14%和166.74% ,且與S1相比,S2、S3、S4和S5均達極顯著差異,其中,S3處理(6 mmol/L CaCl2)時,萌發(fā)活力指數(shù)最大,說明其對鹽脅迫的緩解效果最好,過高或過低的CaCl2溶液反而降低了對鹽脅迫的緩解作用.

表3 鹽脅迫下氯化鈣處理對小麥發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

2.2.3 對小麥幼苗生長的影響

由圖1(A、B、C、D)可知,鹽脅迫對小麥幼苗的生長有顯著影響,與對照(CK)相比,鹽脅迫極顯著地降低了幼苗的鮮重、根數(shù)、苗長和和根長.外源CaCl2處理可緩解鹽脅迫作用,且對各個部位的作用趨勢基本一致,即,隨著CaCl2溶液濃度升高,各指標表現(xiàn)為先升高后降低的規(guī)律,均是在6 mmol/L CaCl2處理(S3)時表現(xiàn)最好,表明6 mmol/L CaCl2處理(S3)對小麥鹽脅迫的緩解作用最顯著.但對不同部位的緩解作用不同,與S1相比,中等濃度的CaCl2濃度處理(S3、S4)均顯著(P<0.05)提高了小麥幼苗的根數(shù)和根長(圖1A、B),苗長只有在S3處理下與S1相比差異顯著(圖1C),而所有濃度的CaCl2處理對鹽脅迫下小麥的鮮重均無顯著緩解作用(圖1D).

圖1 鹽脅迫下氯化鈣處理對小麥幼苗生長的影響

3 結論與討論

鹽脅迫是目前制約小麥產(chǎn)量的主要逆境因素之一,國內(nèi)外學者對鹽脅迫下小麥育種、栽培和生理等方面開展了大量研究(張敏,等,2008；Bai R Q et al.,2011；朱永興，等,2017).前人研究表明,在鹽脅迫條件下,小麥種子的萌發(fā)受到抑制作用,且鹽濃度越高,其抑制作用越強(喬佩，等,2013).本試驗也得出與前人一致的結果,即不同濃度NaCl溶液對小麥種子的萌發(fā)抑制作用不同,隨著NaCl溶液濃度升高,小麥種子的相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率受到的抑制作用逐漸增強.本試驗結果還表明,250 mmol/L 的NaCl溶液為鄭麥369的發(fā)芽臨界濃度,比喬佩,等(2013)和賈娜爾·阿汗,等(2010)對春小麥“高原602”和小冰麥種子的研究結果值低,其NaCl發(fā)芽臨界濃度為300 mmol/L左右,但與河南高產(chǎn)小麥“新麥9”的發(fā)芽臨界值相似,表明不同小麥品種或不同區(qū)域下的品種對鹽的敏感性不同,其原因在于其親本長期適應當?shù)氐耐寥罈l件而形成的遺傳基礎造成的.因此,開展小麥對鹽脅迫的抗性機理及適應機理研究必須注意不同區(qū)域或不同立地條件的影響作用.

應對日益擴大的鹽堿化土地,緩解鹽堿對小麥的脅迫作用是保障小麥安全生產(chǎn)的重要舉措之一.因此,應用外源物質(zhì)減輕鹽害成為抗鹽研究的熱點(劉麗云和王明友,2010).研究表明,適當濃度的CaCl2處理對小麥的鹽脅迫具有緩解作用,但緩解作用受鹽濃度的影響.王志強,等(2009)對小麥的研究表明,低鹽脅迫(150 mmol/L)下,Ca2+明顯促進了鮮重的增加,表現(xiàn)出對鹽脅迫一定的緩解效應,而高鹽脅迫(300 mmol/L)下,這種效應表現(xiàn)不明顯,說明外源Ca2+對緩解低鹽脅迫更有效.本文研究表明,200 mmol/L NaCl溶液處理下,適當?shù)腃aCl2溶液處理有顯著的緩解作用,綜合來看,外源Ca2+對中低濃度的鹽脅迫均有緩解作用,這與張雪微,等(2017)的研究結果一致.

CaCl2溶液對鹽脅迫的緩解作用還受其本身的濃度影響,濃度過低或過高對鹽脅迫作用的緩解作用不明顯或者加重鹽害作用(趙旭,等,2006；任珺,2019).本文研究中,雖然低、中、高濃度的CaCl2溶液對小麥的鹽脅迫均有緩解作用,但中等濃度的CaCl2溶液(6mmol/L)作用最顯著,隨著Ca2+濃度的進一步升高(12 mmol/L),緩解作用變?nèi)?如果再進一步加大Ca2+濃度,可能會出現(xiàn)抑制作用,這有待進一步研究.本試驗中12 mmol/L CaCl2溶液對小麥的萌發(fā)僅是緩解作用減弱,但趙旭，等(2006)的試驗中,12mmol/L 的CaCl2溶液對鹽脅迫下陜229小麥的萌發(fā)卻加重了鹽害作用,這也說明鄭麥369抗鹽性較強.因此,外源鈣對小麥鹽脅迫的緩解作用,不但與脅迫鹽濃度、外源鈣離子濃度有關,還與植物本身的抗性有關.

研究認為外源鈣通過提高a-淀粉酶的活性而緩解NaCl對種子萌發(fā)的抑制效應,因此鹽脅迫條件下使用CaCl2處理能促進小麥種子萌發(fā)(韓多紅，等,2014),本文研究結果與此一致,經(jīng)不同濃度CaCl2處理后,鹽脅迫下鄭麥369的相對發(fā)芽勢、發(fā)芽率,發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均顯著提高；CaCl2處理對鹽脅迫下幼苗生長也具有一定的緩解作用(王亞英，等,2010),本試驗研究表明,鹽脅迫下隨著CaCl2溶液濃度升高,小麥幼苗的鮮重、苗長、根長和根數(shù)均表現(xiàn)為先升高后降低的規(guī)律,均是在6mmol/L CaCl2溶液處理時對鹽脅迫的緩解作用最顯著.同時,本試驗研究進一步表明,外源鈣對小麥幼苗不同器官生長的緩解作用不同,其對根數(shù)和根長的緩解程度大于鮮重和苗長,可能原因是CaCl2處理有助于胚根的伸長(王亞英，等,2010),另一方面,也可能與不良環(huán)境下植物的適應策略(如,物質(zhì)分配、形態(tài)結構)有關,有待進一步研究.