铝胁迫下荞麦萌发特性分析及评价

张鹤山，刘 洋，田 宏，熊军波，蔡 化

（湖北省农业科学院畜牧兽医研究所／动物胚胎规程及分子育种湖北省重点实验室，武汉430064）

铝是地壳中储量最大的金属元素之一，约占地壳元素总量的7%。通常，在中性的土壤中铝不会对植物造成影响，但在酸性环境中（p H值＜5），毒性较大的活性铝便会从土壤中析出，对植物造成危害。研究发现，酸性土壤中作物产量的下降和森林的毁灭都和铝毒害有直接关系［1］，铝毒害已成为酸性土壤植物生长的主要限制因素［24］。我国酸性土壤主要是红壤，分布在南方15个省区，总面积为2 030万hm2，占全国土地总面积的21%［5］。近年来，随着酸雨的频繁发生以及农业生产中酸性肥料的大量施用，使得土壤的酸度进一步增强［6］，造成土壤中铝毒害加剧。酸性土壤中的铝毒害已成为制约我国红壤区农业发展的主要因素之一。生产上也有通过在酸性土壤中施用石灰或其他碱性物质来治理铝毒害的措施，但生产成本太大，并且长期施用会破坏土壤理化结构，影响生态平衡。因此，从长远看，鉴定筛选耐铝作物种质材料，培育作物新品种是一种经济、有效的措施［78］。

荞麦（Fagopyrum.esculentumMoench）为蓼科荞麦属双子叶植物，是我国重要的粮食作物，也是很好的药用植物［9］。荞麦耐铝性强，常作为酸性土壤上的改良植物［1011］。研究表明，不同荞麦品种对铝毒害的反应各异，它们的耐铝性也有差异［12］。因此，通过耐铝性鉴定筛选强耐铝性的品种或种质资源，对于荞麦的推广利用和耐铝性新品种选育具有重要意义。本试验拟以40份荞麦材料为研究对象，通过铝胁迫处理，测定其发芽率、发芽指数、胚根长度和胚芽长度等指标，研究不同浓度铝胁迫对荞麦芽期萌发特性的影响，并对40份材料进行耐铝性综合评价，为荞麦的抗性评价及新品种培育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料来自湖北地区野外收集的荞麦种质，共40份（自Q 1至Q 40按顺序编号）。

1.2 试验方法

胁迫处理为不同Al3＋浓度溶液，p H值4.5。试验设 Al3＋浓度为0.01，0.1 mol／L和0.5 mol／L 3个浓度梯度，以HCl和NaOH调节溶液酸度维持p H值4.5。对照为不加铝溶液的去离子水。

将种子用0.1%HgCl2表面消毒5 min，蒸馏水冲洗干净，放在铺有2层滤纸的洁净培养皿中，每个处理4次重复，每重复50粒种子，分别加入15 m L处理溶液。于人工气候箱进行变温培养（25℃，16 h，光照／18℃，8 h，黑暗）。逐日（每天固定时间观测）观察记载发芽种子数，以胚根长度超过2 mm视为发芽，试验过程中不再加入其他任何溶液。

1.3 测定指标

1）发芽率：从放入种子即日起至第7天终止，统计正常发芽种子粒数占供试种子总数的百分率。

即发芽率（%）＝N0／N×100%（式中，N0为发芽终期全部发芽的种子数；N为供试种子数）。

2）发芽指数（GI）＝∑Gt／Dt（式中，Gt为日发芽数；Dt为发芽天数）。

3）胚芽长度：随机取20个正常生长的幼苗，用直尺分别测幼苗长度（cm），取平均值作为胚芽长度。

4）胚根长度：随机取20个正常生长的幼苗，用直尺分别测幼苗的根长（cm），取平均值作为胚根长度。

2 结果与分析

2.1 Al3＋胁迫对发芽率和发芽指数的影响

在Al3＋胁迫下，不同荞麦种质表现出不同的发芽特性（表1）。在0.01～0.5 mol／L Al3＋浓度胁迫下，Q 8、Q 15、Q 21和Q 29等4份种质表现出较强的发芽能力，其发芽率相对于对照有所提高或保持不变；在0.01～0.1 mol／L Al3＋浓度下，Q 1、Q 3～Q 5、Q 7～Q 9、Q 11、Q 14～Q 16、Q 18、Q 22、Q 24、Q 25、Q 27、Q 29、Q 31、Q 33和Q 40等20份种质发芽率均为100%，而种质 Q 13、Q 17、Q 20、Q 21、Q 23、Q 28、Q 32、Q 35～Q 39更是表现出发芽率提高的现象，但在0.5 mol／L Al3＋浓度时所有这些种质的发芽率明显降低。从发芽率增减幅度看，在0.01 mol／L Al3＋浓度下，种质发芽率增减幅度为－5.4%～44.7%，其中种质Q 38发芽率提高44.7%，而种质Q 10发芽率降低5.4%；在0.1 mol／L Al3＋浓度下，种质发芽率增减幅度为－5.0%～26.9%，其中种质 Q 38发芽率提高26.9%，而种质 Q 39发芽率降低5.0%；在0.5 mol／L Al3＋浓度下，种质发芽率显著降低，其增减幅度为－52.5%～0.9%，其中种质 Q 12发芽率提高0.9%，而种质Q 39发芽率降低52.5%。由此可见，在试验设计Al3＋浓度下，多数荞麦种质仍表现出较强的耐受铝胁迫能力，具有较高发芽率。进一步的方差分析结果（表2）表明，在0.01 mol／L和0.1 mol／L Al3＋浓度下，发芽率与对照不存在显著差异，但在0.5 mol／L浓度下，发芽率显著下降，并且与对照和其他2个处理差异达极显著水平（p＜0.01）。

表1 不同Al3＋浓度胁迫下各指标测定结果

发芽指数是表示种子萌发特性的又一重要指标，反映了种子发芽速度、发芽整齐度和幼苗健壮的潜势。本研究结果（表1）表明，多数参试材料发芽指数随Al3＋浓度的增加呈下降趋势，但种质 Q 15、Q 20、Q 21、Q 28、Q 35、Q 37、Q 38和Q 39随Al3＋浓度的增加呈先升后降的变化趋势。在不同Al3＋浓度胁迫下，种质所受影响程度亦不同。相比于对照处理，在0.01 mol／L Al3＋浓度下，种质发芽指数增减幅度为－14.5%～45.5%，在0.1 mol／L Al3＋浓度和0.5 mol／L Al3＋浓度下其增减幅度分别为－24.4%～23.4%和－78.9%～－50.5%。可 见，当 Al3＋浓度达到 0.5 mol／L时，种质的发芽指数出现显著下降。方差分析（表2）表明，在0～0.1 mol／L Al3＋浓度范围内，不同处理间发芽指数没有显著差异，但0.5 mol／L Al3＋浓度处理显著降低了种质发芽指数，且差异达极显著水平（p＜0.01）。

2.2 不同Al3＋浓度对胚根长度和胚芽长度的影响

不同Al3＋浓度胁迫下，各荞麦种质胚根长度和胚芽长度见表1。相对于发芽率对Al3＋胁迫的强耐受性，胚根的生长发育对Al3＋胁迫更为敏感。在0.01 mol／L Al3＋浓度处理下，所有种质的胚根长度显著减小，长度仅为对照处理的2.5%～38.0%，在0.5 mol／L Al3＋浓度时所有种质的胚根生长受到严重抑制，胚根无法生长。Al3＋胁迫可显著抑制荞麦胚根的生长发育，随着Al3＋浓度的增加这种胁迫更加明显。0.01 mol／L Al3＋浓度处理下所有材料平均胚根长度为0.76 cm，仅为对照的10.4%，且与对照差异达极显著水平（p＜0.01）；0.1 mol／L Al3＋浓度处理下胚根平均长度为0.34 cm，为对照的4.7%，与对照差异达极显著水平（p＜0.01），但与0.01 mol／L Al3＋浓度处理差异不显著（表2）。

同样，胚芽的生长也受Al3＋胁迫的影响（表1），但在同一Al3＋浓度下其所受抑制程度较胚根被抑制程度轻。在0.01 mol／L时，Al3＋胁迫反而促进了 Q 20、Q 21、Q 22和Q 28等种质胚芽的生长，其长度分别比对照增加2.4%、19.9%、18.6%和0.8%；在0.1 mol／L时所有种质胚芽生长受到抑制，其长度为对照的24.6%～100.0%；在0.5 mol／L 时，所有种质不能发芽。方差分析（表2）表明，0.01 mol／L Al3＋处理和0.1 mol／L Al3＋处理下胚芽长度分别为2.89 cm 和1.87 cm，分别为对照的74.7%和48.2%，且与对照差异达极显著水平（p＜0.01）。

表2 不同Al3＋浓度胁迫对荞麦各指标的影响

2.3 耐铝性综合评价

2.3.1 级别值确立

本研究采用5级评价法，对各指标值进行分级，使每一指标具有对应的级别值，这样各性状因数值大小和变化幅度的不同而产生的差异即可消除，其换算公式如下：

式中，X jmax为第j个指标测定的最大值；X jmin为第j个指标测定的最小值；X ij为第i份材料第j项指标测定的实测值；λ为得分极差（每得1分之差）；Z ij为第i份材料第j项指标的级别值。

2.3.2 权重系数建立

为了减少因种质材料本身品质差异所造成的误差，本研究利用每一测定指标的相对值进行评价，其相对值计算公式为：

由于荞麦各指标对不同铝胁迫的耐受性不同，为了更好地体现不同种质间的差异，研究利用每个指标中变异系数最大的处理作为本评价方法的原始评价数据。经统计，发芽率和发芽指数在0.5 mol／L浓度处理时具有更大的变异系数，分别为15.2%和16.8%；而胚根长度和胚芽长度在0.1 mol／L浓度处理时具有最大变异系数，分别为98.9%和28.9%。由公式（3）可计算出发芽率、发芽指数、胚根长度、胚芽长度4个指标参与综合评价的权重系数分别为0.096、0.105、0.617和0.182。

式中，W j为第j项指标的权重系数；δj为第j项指标的变异系数。

2.3.3 综合评价值

综合评价值的大小反映了种质间的耐铝性差异，其计算公式为：

式中：V i为每一份材料的综合评价值，Z ij为各测定值的级别值，W j为对应指标的权重系数。

利用公式（4）得出，各种质耐铝性综合评价值（见表3）。由表3可知，在0～5分的范围内，有34份种质综合评分在1～3分之间，说明多数荞麦种质耐铝性处于中等水平；但种质Q 24的评价分值明显高于其他种质，为4.36，属于强抗逆型。得分低于1分的种质有Q 34、Q 35、Q 36、Q 38和Q 39，它们对铝胁迫耐受性较差，其中种质Q 39的综合评价值仅为0.49。

3 讨论与结论

1）发芽率是体现种子萌发特性的重要指标。荞麦是比较耐铝胁迫的植物［13］，低浓度铝胁迫对其发芽率影响较低，在一定范围内（10 mg／L和100 mg／L）还可提高荞麦发芽率［14］；南益丽发现，低于2 000 mg／L浓度的铝胁迫可以促进荞麦种子萌发［15］。本研究结果表明，不同荞麦种质对铝胁迫的反应不同，试验中有24份种质在低浓度（0.01 mol／L）Al3＋胁迫下发芽率有提高趋势，但也有16份种质随Al3＋浓度增加发芽率增减降低。由此可见，尽管荞麦具有较强的耐铝能力，但不同荞麦种质对铝胁迫表现出不一样的萌发特性，这一特性有助于筛选优异耐铝荞麦种质，为荞麦抗逆性育种提供基础材料。

2）胚根和胚芽的生长发育是体现种子萌发的又一重要指标。许多研究表明，铝胁迫对荞麦根系的影响最大，在100 mg／L铝胁迫下根系即受到显著抑制，与对照差异显著［14］。本研究也发现，0.01 mol／L Al3＋浓度即可严重抑制荞麦根系生长，其胚根长度仅为对照的2.5%～38.0%，说明荞麦根系对铝胁迫比较敏感，是评价筛选耐铝性荞麦种质材料的重要指标。同样，胚芽的生长发育也受铝胁迫的影响，但在不同Al3＋浓度下，不同的种质表现也不同，低浓度（0.01 mol／L）的Al3＋胁迫可以促进部分荞麦胚芽生长，但高浓度（＞0.1 mol／L）处理显著抑制荞麦胚芽生长。由此可见，相对于胚芽生长，荞麦根系对Al3＋胁迫更为敏感。

表3 各材料级别值及耐铝性综合评价值

3）评价植物的耐铝性有多种方法，包括量取根的伸长、测定根尖铝含量以及评价生物量等［1618］，由于铝对植物毒害作用最明显的特征就是抑制根伸长，因此常被用来衡量植物受到铝毒害程度的参数［19］。本研究以铝胁迫下的荞麦的发芽率、发芽指数、胚根长度和胚芽长度作为综合评价指标，可以较为全面地反映不同荞麦种质的萌发特性，对于耐铝性荞麦种质的筛选具有重要意义。结果表明，参试的40份荞麦种质多数属于中等耐铝水平，1份属于强耐铝水平，属于弱耐铝的材料有5份。尽管如此，荞麦种质资源的耐铝性鉴定涉及指标多，过程复杂，寻找更简单有效的评价方法是研究者下一步的工作重点。

［1］Von Uexkull H R，Mutert E.Global extent development and economic of acid soils［J］.Plant Soil，1995（1）：115.

［2］Delhaize E，Ryan P R.Aluminum toxicity and tolerance in plants［J］.Plant Physiology，1995，107：315321.

［3］Kochian L V.Cellular mechanisms of aluminum toxicity and resistance in plants［J］.Annual Review Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1995，46：237260.

［4］Foy C D，Chaney R L，White M S.The physiology of metal of toxicity in plants［J］.Plant Physiol，1978，29：511566.

［5］刘强，郑绍建，林咸永.植物适应铝毒胁迫的生理及分子生物学机理［J］.应用生态学报，2004，15（9）：1 6411 649.

［6］翁建华，黄连芬，刘晓茹.土壤酸化及天然土壤中铝的形态［J］.中国环境科学，2000，20（6）：501505.

［7］王芳，刘鹏，徐根娣，等.铝对荞麦生理影响的研究［J］.农业环境科学学报，2005，24（4）：678681.

［8］王芳，刘鹏，徐根娣，等.铝对荞麦根系的影响［J］.广西植物，2006，26（3）：321324.

［9］赵钢，唐宇，王安虎，等.中国的荞麦资源及其药用价值［J］.中国野生植物资源，2001，5（2）：3639.

［10］Ma J F，Zhang S J，Matsumoto H.Detoxifying aluminum with buckwheat［J］.Nature，1997，390：569570.

［11］林咸永，章永松，陶勤南.铝胁迫下不同小麦基因型根际p H的变化、和吸收及还原与其耐铝性的关系［J］.植物营养与肥料学报，2002，8（3）：330334.

［12］Peng X X，Yu L，Yang C，et al.Genotypic difference in aluminum resistance and oxalate exudation of buckwheat［J］.Journal of Plant Nutrition，2003，26：1 7671 777.

［13］Pineros M A，Magalhaes J V，Carvalho A V M，et al.The physiology and biophysics of an aluminum tolerance mechanism based on root citrate exudation in maize［J］.PlantPhysiology，2002，129：1 1941 206.

［14］李朝苏，刘鹏，徐根娣，等.酸铝浸种对荞麦种子萌发的影响［J］.种子，2004，23（12）：911.

［15］南益丽，陈利，刘鹏，等.铝对荞麦种子萌发的影响［J］.安徽农业科学，2006，34（22）：5 7885 789，5 827.

［16］Samac D A，Tesfaye M.Plant improvement for tolerance to aluminum in acid soilsa review［J］.Plant Cell Tiss.Org.Cult.，2003，75：189207.

［17］林咸永，章永松，罗安程.不同小麦基因型耐铝性的差异及筛选方法的研究［J］.植物营养与肥料学报，2001，7（1）：6470.

［18］万延慧，年海，严小龙.大豆种质耐低磷与耐铝毒部分指标及其相互关系的研究［J］.植物营养与肥料学报，2001，7（2）：199204.

［19］Kochian L V，Pineros M A，Hoekenga O A.The physiology，genetics and molecular biology of plant aluminum resistance and toxicity［J］.Plant Soil，2005，46：237260.