不同NaCl浓度对赤小豆和红豆发芽及幼苗生长的影响

(贵州大学生命科学学院/农业生物工程研究院，山地植物资源保护与保护种质创新教育部重点实验室，山地生态与农业生物工程协同创新中心， 贵阳 550025)

土壤盐渍化是影响世界农业生产重要的非生物因素之一[1]，目前，全球约有20%的耕地受到盐害威胁[2]。土壤盐渍化也是当前我国经济发展所面临的重大生态问题[3]，破坏土壤结构，对植物种子萌发及生长造成了极大的影响，严重限制农林业生产[4]、制约粮食产量和经济发展。

植物种子萌发和幼苗生长阶段是植物对环境盐碱胁迫最为敏感的阶段，该阶段是决定植物能否在盐碱环境条件下生长的关键时期[5]，植物种子在此时期的生长特征，可以在一定程度上反映该植物总体的耐盐碱能力[6-9]。杨柯等研究表明，高浓度盐胁迫显著抑制了豌豆种子的发芽率、发芽势及幼苗的鲜重、株高、胚根长，叶绿素含量也有了大量的下降[10]。胡生荣等研究发现，Na2SO4、NaCl和MgCl23种盐胁迫下，NaCl对植物种子萌发的抑制作用最大，2种无芒雀麦种子在NaCl胁迫下发芽率和发芽指数均有不同程度的降低，相对盐害率升高，种子开始发芽的时间推迟且其发芽过程延长[3]。因此，研究植物种子对盐碱环境的耐受机理，筛选耐盐碱环境的植物品种，对改良和充分利用盐碱化土地，提高农作物产量及生态效益具有重要意义。

赤小豆(Vignaumbellata)是豆科豇豆属一年生草本植物[11]，原产于亚热带地区，野生或栽培。赤小豆对土壤要求低，在微酸、微碱、微贫瘠中均能生长，我国各地均普遍栽培[11]。其种子可供食用、药用，有清热祛湿、排脓解毒之效[12]。红豆(Vignaangularis)又名赤豆、小豆、红小豆，属豆科一年生草本植物[13]，在我国广泛种植，其营养丰富，是一种高蛋白质、低脂肪、高碳水化合物食品[14]，且药用价值高，具有健脾止泻、利水消肿、解毒排脓、清热去湿、补脾补血、生津益气等功效[15]。目前，关于赤小豆的研究集中在其化学成分[16-17]、药用价值[18]、种子萌芽最佳抗敏天数[19]、种子萌发过程中抗氧化活性[20]及NaN3诱变对赤小豆种子萌发与幼苗抗氧化系统的影响[11]等方面。对红豆的研究仅有生物活性成分[21]及红豆淀粉-脂质复合物结构的研究[22]，迄今未见关于盐胁迫下赤小豆和红豆种子萌发特性及其幼苗生长的报道。为此，本研究设置不同NaCl浓度梯度，以探究不同盐浓度对赤小豆和红豆种子萌发及幼苗生长的影响，揭示赤小豆和红豆种子萌发对盐浓度响应的差异，以筛选和培育耐盐碱环境的植物种子，为盐碱地带植物种子萌发、种植及提高其产量和品质提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的赤小豆种子为贵州本地农家品种，红豆(渝红豆2号)种子于2018年10月10日购买自江苏景趣园艺有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1种子预处理

挑选外形大小一致、籽粒饱满的赤小豆与红豆种子用10%的双氧水消毒15 min，然后用蒸馏水多次冲洗。将洗净的种子放入35～45 ℃水中浸泡12 h后，再用于发芽试验。

1.2.2发芽实验

将处理过的赤小豆和红豆种子置于不同浓度(ck、20、40、60、80、100 mmol·L-1)的NaCl溶液中进行发芽试验。放置于铺有1层滤纸直径为9 cm的培养皿内，每皿40粒种子，分别加入4 mL不同浓度的NaCl溶液，重复3次。放置于28 ℃、湿度86%的GZ-250-GSⅡ型智能人工气候箱中培养。每隔2 d换1次NaCl溶液或蒸馏水，以防因水分蒸发而改变NaCl浓度或溶液体积。每天观察种子萌发状况并做好种子发芽记录。第4天统计不同浓度NaCl溶液处理下的发芽势，共处理9 d。第9天统计种子的发芽率、发芽指数、活力指数、种子萌发抑制率，并称量幼苗鲜重，测量幼苗株高和根长。计算公式如下[4,23]。

发芽率(%)=(种子发芽总数/供试种子总数)×100%；

发芽势(%)=(培养4 d后供试种子的发芽数/供试种子总数)×100%；

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)，式中：Gt为发芽实验期内相应各日正常发芽的种粒数，Dt为相应的发芽天数；

活力指数=GI×S，式中：S为胚根长；

种子萌发抑制率(%)=[(对照发芽率-盐处理发芽率)/对照发芽率]×100%；

耐盐指数(%)=(处理组种子发芽率/对照组种子发芽率)×100%。

1.2.3数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2010软件和SPSS 19.0软件进行图表处理和双因素方差分析。运用LSD和Duncan法进行两两比较，对试验数据进行显著性检验(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆种子萌发的影响

2.1.1不同浓度NaCl对赤小豆和红豆发芽率的影响

试验结果表明，除20 mmol·L-1的NaCl处理下赤小豆和红豆发芽率与对照相比无显著差异外，其他浓度的NaCl处理对赤小豆和红豆种子发芽率均有不同程度的抑制作用。且等浓度NaCl处理对赤小豆和红豆种子发芽率产生了极显著影响(p<0.01)。如图1所示，40 mmol·L-1的NaCl处理下，与对照相比赤小豆的发芽率有了显著的下降趋势，下降了13.33%，而红豆的发芽率几乎不受影响。随NaCl浓度的增加，赤小豆和红豆发芽率受抑制程度显著增大。NaCl浓度增加到60，80，100 mmol·L-1时，赤小豆发芽率较对照分别下降了36.67%、58.33%、88.33%，红豆发芽率较对照分别下降了16.67%、46.67%、82.50%。综上分析可知，红豆的发芽率始终高于等浓度NaCl处理下赤小豆的发芽率，说明赤小豆种子萌发对盐胁迫更敏感，红豆种子的耐盐性更高。

注：大写字母表示赤小豆差异显著，小写字母表示红豆的差异显著，不同字母表示在0.05水平下各数值之间差异显著。下同。图1 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆发芽率的影响

2.1.2不同浓度NaCl对赤小豆和红豆发芽势的影响

由图2可知，赤小豆和红豆的发芽势随NaCl浓度的增加呈下降趋势，且当NaCl浓度为100 mmol·L-1时完全抑制了种子的萌发。等浓度NaCl处理下，赤小豆和红豆种子发芽势差异达到显著水平(表1)。如图2所示，20 mmol·L-1的NaCl处理下，赤小豆和红豆的发芽势与对照相比均无显著差异，最高发芽势分别为92.50%和95.00%。当NaCl浓度为40 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的发芽势显著降低，分别较对照下降了34.17%和23.33%。且随NaCl浓度的增加，种子发芽势受抑制的程度不断增大。当NaCl浓度增加到60 mmol·L-1和80 mmol·L-1时，赤小豆发芽势较对照分别下降了65.00%和84.17%，而红豆发芽势的下降速率较赤小豆慢，分别为56.67%和75.00%。说明红豆的发芽势始终高于等浓度NaCl处理下赤小豆的发芽势，红豆具有更高的耐盐性。

2.1.3不同浓度NaCl对赤小豆和红豆发芽指数的影响

由图3可知，在盐胁迫下，赤小豆和红豆的发芽指数变化趋势与发芽率和发芽势相似，即随着NaCl浓度增加，赤小豆和红豆发芽指数呈显著下降趋势。并且等浓度NaCl处理对赤小豆和红豆发芽指数有极显著的影响(如表1)。如图3所示，赤小豆和红豆的发芽指数在NaCl浓度为20 mmol·L-1时，与对照相比差异不显著。随着NaCl浓度增加，赤小豆和红豆发芽指数受抑制作用增强。NaCl浓度增加为40，60，80 mmol·L-1时，赤小豆发芽指数分别下降了3.42%、6.50%和8.42%，红豆的发芽指数分别下降了2.33%、5.67%、7.5%，赤小豆发芽指数下降速率较红豆快，受到的毒害作用更强。当NaCl浓度为100 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的发芽指数均降为0。由此可知，低浓度的盐胁迫对赤小豆和红豆发芽指数无显著影响，但高浓度的盐胁迫能够完全抑制种子萌发。

图2 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆发芽势的影响

图3 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆发芽指数的影响

2.1.4不同浓度NaCl对赤小豆和红豆活力指数的影响

试验结果表明，不同浓度NaCl处理对赤小豆和红豆的活力指数均有不同程度的抑制作用，且随NaCl浓度增加，受抑制作用增大(图4)，当NaCl浓度增至100 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的活力指数下降为0。方差分析结果(表1)显示，等浓度NaCl对赤小豆和红豆种子活力指数的影响达极显著水平(p<0.01)。NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的活力指数分别下降了5.83%和7.68%。随着NaCl浓度进一步增加，活力指数下降增大。NaCl浓度为40 mmol·L-1和60 mmol·L-1时，赤小豆的活力指数分别下降了33.67%和37.38%，红豆的活力指数分别下降了28.48%和42.50%。NaCl浓度增加到80 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的活力指数分别下降到0.17和0.83。

表2 赤小豆和红豆在不同NaCl浓度下种子萌发抑制率

种子萌发抑制率/%浓度/(mmol·L-1)ck20406080100赤小豆0.00±0.00A4.23±0.02AB13.55±0.02B37.33±0.03C59.23±0.06D87.24±0.03E红豆0.00±0.00a0.00±0.00a3.33±0.02a16.82±0.01b47.05±0.03c83.18±0.04d

注：大写字母表示赤小豆差异显著，小写字母表示红豆的差异显著，同行数据后不同字母表示在0.05水平下各数值之间差异显著。下同。

表3 不同NaCl浓度对赤小豆和红豆根长、芽长、鲜重的影响

NaCl浓度/(mmol·L-1) 赤小豆 红豆 胚根长/cm胚芽长/cm鲜重/g胚根长/cm胚芽长/cm鲜重/gck4.1±0.06A14.55±0.0585.14±0.13A4.73±0.26a16.30±0.675.22±0.09a203.6±0.23B4.59±0.384.19±0.05B4.10±0.12b3.03±0.383.1±0.05b400.73±0.02C0.002.48±0.03C2.30±0.17c0.003.01±0.12c600.2±0.06D0.001.85±0.03D0.67±0.07d0.002.36±0.20d800.2±0.10D0.001.81±0.07D0.40±0.06d0.002.13±0.03de1000.2±0.06D0.001.87±0.11D0.23±0.03d0.001.86±0.06e

图4 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆活力指数的影响

表1 赤小豆和红豆在不同浓度NaCl处理下的交互作用

处理指标 发芽率 发芽势 发芽指数 活力指数 fpfpfpfp浓度×物种14.565**2.801*15.311**287.9**

注：“*”表示p<0.05差异显著，“**”表示p<0.01差异极显著。下同。

2.2 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆萌发抑制率的影响

由表2可知，赤小豆和红豆种子萌发抑制率随NaCl浓度增加而呈下降的趋势。方差分析结果(表4)显示，等浓度NaCl处理下，赤小豆和红豆的种子萌发抑制率有极显著差异(p<0.01)。如表2所示，在NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆受到了显著的抑制作用，萌发抑制率为4.23%，随着NaCl浓度的增加，赤小豆和红豆萌发抑制率均显著增大，但红豆受抑制程度较赤小豆低。在NaCl浓度为40 mmol·L-1时，赤小豆受到的萌发抑制率为13.55%，而红豆仅为3.33%。NaCl浓度增加到60，80，100 mmol·L-1时，赤小豆的萌发抑制率分别增加了37.33%、58.23%、87.24%，红豆的萌发抑制率分别增加了16.82%、47.05%、83.18%。综上所述，赤小豆受到的种子萌发抑制率更高，红豆受到的抑制率始终低于赤小豆。

2.3 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆幼苗耐盐指数的影响

由图5可知，随着NaCl浓度增加，赤小豆和红豆的耐盐指数呈下降趋势，且红豆的耐盐指数始终高于赤小豆的耐盐指数。方差分析结果(表4)显示，等浓度NaCl对赤小豆和红豆的耐盐指数的影响达到极显著水平(p<0.01)。图5中，当NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆的耐盐指数开始下降，而红豆的耐盐指数为100%。当NaCl浓度为40 mmol·L-1时，赤小豆耐盐指数较20 mmol·L-1时下降了9.32%，红豆的耐盐指数仅下降了3.33%。当NaCl浓度为60 mmol·L-1时，赤小豆与红豆的耐盐指数较20 mmol·L-1时分别下降了33.10%和16.82%。当NaCl浓度增至80 mmol·L-1和100 mmol·L-1时，赤小豆的耐盐指数较20 mmol·L-1时分别下降了55.00%和83.01%，红豆的耐盐指数分别下降了43.72%和79.85%。

图5 赤小豆和红豆在不同浓度NaCl下种子耐盐指数

2.4 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆幼苗生长的影响

由表3可知，赤小豆和红豆幼苗的胚根长、胚芽长以及鲜重随NaCl浓度的增加均呈显著下降趋势，且NaCl浓度越高，幼苗受抑制的程度越大。与对照相比，NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的胚根长均受到显著的抑制作用，分别下降了0.5%和0.63%。随着NaCl浓度进一步增加，胚根长受到的抑制作用增大。NaCl浓度为40 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的胚根长分别下降3.37%和2.43%。当NaCl浓度增加到100 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的胚根长仅有0.2 cm和0.23 cm。赤小豆和红豆的胚芽长随NaCl浓度增加，均表现出明显的毒害响应。当NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的胚芽长较对照分别下降了9.96%和13.27%。当NaCl浓度增加到40 mmol·L-1时，已无法测定幼苗的芽长，说明此浓度的NaCl溶液已超出了赤小豆和红豆发芽的最大耐受限度。NaCl溶液对赤小豆和红豆的鲜重也表现出不同程度的抑制作用。当NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的鲜重分别下降了0.95%和1.81%。当NaCl浓度增加到40，60，80，100 mmol·L-1时，赤小豆的鲜重分别下降了2.67%、3.29%、3.33%、3.27%。红豆的鲜重分别下降了8.87%、11.45%、12.38%和13.46%。

表4 赤小豆和红豆在不同浓度NaCl下的交互作用

处理指标萌发抑制率耐盐指数 鲜重 根长 fpfpfpfp浓度×物种13.806**284.645**68.347**10.092**

3 讨 论

3.1 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆种子萌发的影响

植物种子萌发和幼苗生长阶段是植物对环境胁迫较为敏感的时期。种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数是衡量和评价种子发芽水平的常用指标[4]。发芽率可衡量种子质量好坏，显示种子胚的活性[24]。本试验中，赤小豆和红豆的发芽率随NaCl浓度增加而下降，但其下降的速率却不同，说明受到的抑制程度不同，种子胚活性不同。与对照相比，NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的发芽率下降不显著，这可能是因为低浓度的NaCl溶液能促进细胞膜的渗透调节作用，渗透调节能力越高，从NaCl环境中吸水能力越强。所以，在NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆和红豆各指标差异不显著。增加到40 mmol·L-1时，赤小豆的发芽率下降了13.33%，而红豆的发芽率仍不受影响，且在整个发芽过程中，红豆的发芽率始终高于赤小豆。因此，红豆种子胚的活性较赤小豆高，种子质量更好，更能在盐胁迫的环境下生长。

此外，发芽势和发芽指数反映了种子发芽的快慢和整齐度，其数值越高表明种子发芽速度越快、出苗越整齐[25]，在种子发芽率差异不显著时，发芽势和发芽指数高的种子，说明其生命力更强[24]。而活力指数是种子萌发质量的指标，综合了种子发芽指数和胚根生长量，因此能更好的表征NaCl胁迫对种子萌发的影响[9]。本研究中，NaCl浓度为20 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的发芽势、发芽指数差异不显著，活力指数均有不同程度的降低，但红豆的活力指数始终较赤小豆高，说明赤小豆较红豆对NaCl更敏感。随NaCl浓度增加，发芽势、发芽指数和活力指数受到了不同程度的抑制作用，且在赤小豆和红豆发芽的整个过程中，红豆的发芽势、发芽指数和活力指数均较赤小豆高，说明红豆的发芽速度更快、生命力更强，对盐胁迫的耐受性更高。林静等研究沙枣种子萌发特性时发现，种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均随NaCl浓度的增加而降低[25]。高占军等在研究白三叶种子萌发时发现，NaCl浓度为0.40%时，其发芽率和发芽势都呈显著的下降趋势[26]。贾永正等在研究盐胁迫对紫薇种子萌发特性的影响也发现，随着盐浓度的增加，植物种子的发芽率、发芽指数、种子活力指数等指标值均降低[4]。王勤礼等在研究不同浓度NaCl胁迫对辣椒种子萌发及其耐盐性评价时也发现，随着盐浓度的增加辣椒种子萌发受到的抑制作用增强[27]。彭云玲等[28]、胡生荣等[3]、江绪文等[29]在试验中也得到了与前人一致的结果。本试验中，赤小豆和红豆种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均随NaCl浓度的增加而下降，这与上述研究结果一致。

3.2 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆种子萌发抑制作用

土壤盐碱化是影响植物种子萌发的重要因素[30]，对植物幼苗的生长和繁殖都有着严重的抑制作用[31]。王玉芳等在做盐胁迫对红花大金元种子萌发的影响试验中发现，随着NaCl浓度的增加，红花大金元种子萌发抑制率增加[32]。胡生荣等在研究盐胁迫对无芒雀麦种子萌发的影响试验中也发现，随着盐胁迫程度的增加，种子受到的相对盐害率增加，种子开始发芽的时间推迟[3]。在本试验中，赤小豆和红豆的种子萌发抑制率均随NaCl浓度的增加而增加，与前人研究结果一致。但在不同浓度的NaCl处理下，赤小豆和红豆受到的抑制表现出一定的差异。在NaCl浓度为20 mmol·L-1处理下，赤小豆种子萌发抑制率为4.23%，而红豆在此浓度下的萌发抑制率为0%，所以，与对照相比赤小豆对盐胁迫更敏感。NaCl浓度增加到40，60，80，100 mmol·L-1时，赤小豆受到的萌发抑制率分别增加了13.55%、37.33%、59.23%、87.24%，红豆的萌发抑制率分别增加了3.33%、16.82%、47.05%、83.18%。然而，耐盐指数的变化趋势随NaCl浓度的增加呈负相关，随着NaCl浓度的增加，种子受到的毒害作用增大，耐盐的能力下降。当NaCl浓度为20 mmol·L-1时，与对照相比赤小豆的耐盐指数下降了4.23%，而红豆的耐盐指数依然很高，说明红豆受到的影响不显著。随NaCl浓度的增加，赤小豆和红豆的耐盐指数均下降。当NaCl浓度增加到100 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的耐盐指数分别降到了12.76%和16.82%。但是，在等浓度NaCl溶液处理下，红豆受到的抑制率始终低于赤小豆，而耐盐指数始终高于赤小豆。结合以上分析，进一步说明了红豆的耐盐能力较赤小豆强，能更好的在盐胁迫环境下萌芽、生长。

3.3 不同浓度NaCl对赤小豆和红豆幼苗生长的影响

在种子萌发后，幼苗生长早期对盐浓度的适应能力是决定物种分布和群落组成的重要因素[33]，也是决定植物能否在盐碱环境下定植的关键。马红媛等在研究NaCl胁迫对4种禾本科牧草种子萌发的影响中发现，4种牧草幼苗的根长、芽长及根/冠比均随NaCl的增加呈下降趋势，且NaCl胁迫对羊草芽长的抑制作用大于根长[34]。李志萍等探究种子萌发期对盐碱胁迫的耐受性研究发现，不同浓度的NaCl处理时，幼苗胚根鲜重、胚根长度均随NaCl浓度的增而下降[35]。本试验中，幼苗胚根长、胚芽长、以及鲜重均随NaCl浓度的增加而呈下降趋势，与马红媛等[34]，李志萍等[35]结果一致。但等浓度NaCl处理下赤小豆和红豆的胚根长、胚芽长及鲜重表现出不同的下降速率。与对照相比，NaCl浓度为40 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的胚根长和胚芽长均显著降低，胚根长分别降低3.37%和2.43%，胚芽长在此浓度下均为0 cm，说明胚芽受抑制程度高于胚根，胚根更耐盐，这可能是因为胚根提前萌发，能更早的适应其生长的盐胁迫环境。随着NaCl浓度增加，胚根受到的抑制增强。NaCl浓度增加到100 mmol·L-1时，赤小豆和红豆的胚根长分别降到0.2 cm和0.23 cm。赤小豆和红豆幼苗鲜重随受胁迫程度增加而下降，但是红豆鲜重的下降速率始终低于赤小豆。综合种子萌发、种子耐盐性和幼苗生长各指标可知，赤小豆和红豆均有一定的耐盐能力，但红豆较赤小豆的耐受性更强，因此，能更好的适应盐胁迫环境。