35个白榆优良家系种子萌发期耐盐碱性评价

朱建峰，张会龙，杨秀艳，武海雯，张华新

(1.国家林业和草原局盐碱地研究中心，北京 100091；2.中国林业科学研究院天津林业科学研究所，天津 300457)

白榆(Ulmuspumila)为高大乔木，耐盐碱性突出，自然分布恰好覆盖中国北方盐碱地分布区，生态防护功能和经济利用价值高，是中国北方少有的广域性分布耐盐碱乔木树种[1-3]。近年研究发现，中国盐碱地区多有成片或零星白榆资源分布，每年大量种子散落，但林下极少有幼苗成活，表明盐碱地白榆天然更新出现障碍[4]。天然更新是森林更新的重要方式，必须满足3个条件：充足且有生命力的种子；适合种子萌发成苗的条件；适合幼树生长的环境条件，其中任一环节出现问题，更新就会出现障碍[5]。白榆7a生大树平均株产1.7kg种子[6]，约有20多万粒，发芽率一般为65%～85%[7]，表明白榆可产生充足且有生命力的种子。白榆1a生苗可耐土壤盐含量为0.6%的胁迫强度[8]，表明白榆幼苗可在一定浓度盐胁迫下成活和生长。白榆种子在土壤含盐量0.2%或0.2%以上，萌发出苗率急剧下降，当土壤盐含量为0.4%时，出苗成活率仅为5%左右[4]，说明盐碱胁迫极大降低了白榆萌发成活率。由此可见，盐碱胁迫下种子萌发是盐碱地白榆天然更新的首要障碍因子。

种子萌发是植物生活史的关键阶段，也是植物抗逆性最弱的时期，决定着植物种群的繁衍、进化和农林业生产，具有重要的生物学和生产实践意义[9]。当前，白榆耐盐研究主要集中在成苗后生长时期，结果表明白榆具很强耐盐性及相应的耐盐机制[8,10-11]，但萌发期耐盐碱性弱[4]，严重限制了白榆种群繁衍和生态防护功能发挥。白榆分布广变异大，初步研究结果表明不同家系间耐盐性具有较大遗传差异[12]，但成规模的白榆品系间萌发期耐盐碱性评价研究尚未见报道。

自2008年，国家林业和草原局盐碱地研究中心系统收集了中国70年代以来选育的白榆良种资源，在天津滨海新区营建了白榆优良种质资源基因库[3]。本试验以来自白榆优良种质资源基因库(天津滨海新区)的35个白榆家系种子为试验材料，分别采用150mmol/L NaCl和50mmol/L NaHCO3对白榆种子萌发进行盐碱胁迫，观测分析发芽率、发芽指数、发芽势、根长、芽长和鲜质量6个萌发指标，研究不同白榆家系间耐盐碱性分化程度，鉴定萌发期耐盐性评价指标，应用隶属函数法对不同白榆家系进行耐盐碱性综合评价。进一步研究不同盐碱浓度对3个不同耐盐碱性白榆家系萌发的影响，并计算耐盐碱阈值，从而对隶属函数法评价白榆萌发期耐盐碱性所得结果进行验证。本研究结果可为萌发期高耐盐碱性白榆品系选育及在盐碱地区的推广应用提供理论依据和良种材料，筛选出的耐盐和盐敏感家系，也可为林木(白榆)种子萌发期耐盐碱机制研究提供理想试验材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为35个白榆优良家系种子，材料编号、名称和千粒质量详见表1，全部来自国家林业和草原局盐碱地研究中心白榆优良种质资源基因库(天津滨海新区)。

表1 参试材料Table 1 Experimental materials

1.2 试验方法

分别挑选各白榆家系饱满无病虫害、大小均一的种子，先用蒸馏水冲洗干净，再用吸水纸吸干种子表面水分备用。根据预试验结果，以150 mmol/L NaCl和50 mmol/L NaHCO3处理白榆种子，以蒸馏水为对照。每个家系取20粒种子均匀置于直径9 cm，铺有2层滤纸的培养皿内，每个处理设置3个重复。水平放置于温度为25 ℃的人工培养箱中黑暗培养，试验时间为7 d(预试验结果表明不同家系种子在对照及盐碱胁迫处理下最迟发芽时间为4 d)。试验开始时记录每个培养皿质量，试验过程中用称重法补充蒸发的水量，即每天定时用天平称量后补充蒸发水分，使盐浓度保持不变。验证试验中NaCl处理浓度为50 mmol/L、100 mmol/L、200 mmol/L和300 mmol/L，NaHCO3处理浓度为25 mmol/L、50 mmol/L、100 mmol/L和200 mmol/L，以蒸馏水为对照(CK)，其他试验条件同上。

1.3 测定项目及方法

参考牟雪姣等[13]的试验方法，每天统计发芽数，以胚根明显突破种皮为发芽标准，第7天测量根长、芽长和鲜质量，试验结束后计算发芽率、发芽指数和发芽势。

发芽率=发芽种子数/种子总数×100%

发芽指数=∑(Gt/Dt)(式中：Gt为第t天的发芽总数，Dt为相应的天数)

发芽势=日最高峰时种子发芽数/种子总数×100%

根长和芽长：胁迫7 d后，每个重复随机选取3株，在实验台上用直尺测量每一个发芽种子的根长和芽长，以3个重复的平均值作为根长和芽长。

鲜质量：胁迫7 d后，每个重复随机选取3株称量(包含根和芽)，以3个重复的平均值作为鲜质量。

1.4 数据统计与处理分析

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对白榆种子发芽率、发芽指数和发芽势的影响

发芽率是指在规定时间内萌发种子数占供试种子总数的百分率，代表种子的萌发能力。由表2可知，与对照相比35个白榆家系发芽率未发生显著变化，说明在时间充足的条件下，一定浓度的盐碱胁迫对白榆萌发抑制不显著。

发芽指数反映种子萌发期的综合活力，指数越大萌发速度越快、活力越高。盐胁迫34个家系种子发芽指数显著低于对照，只有家系097与对照相比未发生显著变化。碱胁迫条件下21个家系种子发芽指数显著低于对照，与对照相比14个家系未发生显著变化。结果表明，盐碱胁迫可显著推迟大多数白榆家系的萌发时间。

发芽势反映的是种子萌发的整齐度，数值越大萌发整齐度越高。盐胁迫下22个家系与对照相比未发生显著变化，12个家系发芽势显著低于对照，1个家系发芽势显著高于对照。碱胁迫下16个家系与对照相比未发生显著变化，18个家系发芽势显著低于对照，1个家系发芽势显著高于对照。结果表明，盐碱胁迫可显著降低部分白榆家系萌发整齐度，其中碱胁迫的抑制更为显著。

2.2 盐碱胁迫对白榆种子根长、芽长和鲜质量的影响

种子的根长、芽长和鲜质量可表示萌发期生长速率[15]，是萌发种子能否成活的关键指标。由表3可知，盐碱胁迫下30个家系种子根长显著低于对照，5个家系未发生显著变化。盐碱胁迫下35个家系种子芽长均显著低于对照。盐胁迫下35个家系种子鲜质量均显著低于对照；碱胁迫下25个家系种子鲜质量显著低于对照，10个家系未发生显著变化。结果表明，盐碱胁迫显著抑制大多数白榆家系萌发期生长速率，进而可大幅度降低萌发成活率。萌发期能忍耐盐碱胁迫快速生长的白榆家系，具有更强的耐盐碱性，往往能在盐碱条件下成活。因此，根长、芽长和鲜质量3个生长指标更适宜作为白榆萌发期耐盐碱性评价指标。

2.3 盐碱胁迫下白榆萌发指标隶属函数值及综合评价

隶属函数值能综合多个指标反映不同家系间受盐碱胁迫影响的程度，避免某几个或单一指标评价的片面性[16-17]，值越大代表盐碱胁迫的影响越小，耐盐碱性越强。由表2和表3可知，盐碱胁迫下白榆种子发芽率与对照相比未发生显著变化，而发芽指数、发芽势、根长、芽长和鲜质量多表现为显著降低。因此，选取发芽指数、发芽势、根长、芽长和鲜质量5个指标计算隶属函数值，对白榆萌发期耐盐碱性进行评价。耐盐碱等级评定参照张亚娟等[14]的定级标准。由表4可知，高耐盐、中耐盐、低耐盐、不耐盐家系分别为2个、8个、13个和12个，占家系总数的5.71%、 22.86%、 37.14%和34.28%。高耐碱、中耐碱、低耐碱、不耐碱家系分别为3个、9个、16个和7个，占家系总数的8.57%、25.71%、45.71%和 20.00%。结果表明，大多数白榆家系萌发期耐盐碱性差，甚至对盐碱胁迫敏感。

表2 盐碱胁迫下白榆种子发芽率、发芽指数和发芽势的变化情况Table 2 Variation of germination rate, germination index and germination energy of Ulmus pumila seeds under saline-alkali stress

表3 盐碱胁迫下白榆种子根长、芽长和鲜质量的变化情况Table 3 Variation of root length, shoot length and fresh mass of Ulmus pumila seeds under saline-alkali stress

表4 盐碱胁迫下白榆萌发指标隶属函数值Table 4 Subordinate function values of germination indexes of Ulmus pumila under saline-alkali stress

2.4 盐碱胁迫下白榆种子萌发指标隶属函数值与平均隶属函数值相关性分析

为分析白榆种子萌发指标隶属函数值与平均隶属函数值间的关系，对萌发指标隶属函数值与平均隶属函数值进行相关性分析[18]。由表5可知，盐胁迫下5个指标与平均隶属函数均呈极显著正相关，说明其能较好的表征白榆萌发期耐盐程度，可用于综合评价白榆种子萌发期的耐盐性。碱胁迫下除发芽指数外，其余4个指标与平均隶属函数均呈极显著正相关，说明这4个指标能较好的表征白榆萌发期耐碱程度，可用于综合评价白榆种子萌发期的耐碱性。盐碱胁迫条件下，根长和芽长2个指标与平均隶属函数值的相关性均为最高，表明这2个指标最能表征白榆萌发期耐盐碱程度。

表5 盐碱胁迫下白榆种子萌发指标隶属函数值与平均隶属函数值的相关性分析Table 5 Correlation analysis between subordinate function value and the average subordinate function value of germination index of Ulmus pumila under saline-alkali stress

2.5 不同盐碱浓度胁迫对不同耐盐碱性白榆家系萌发指标的影响

为进一步研究盐碱胁迫对白榆萌发的影响，测定了不同盐碱浓度胁迫下中高耐盐碱家系087、低耐盐碱家系064和不耐盐碱家系0132的萌发期指标。由图1可知，除高盐(NaCl 300 mmol/L)碱(NaHCO3100 mmol/L和200 mmol/L)浓度外，白榆种子萌发对盐碱胁迫并不敏感，且与家系087相比家系064和0132发芽率随盐碱浓度升高降低幅度反而更小。随NaCl浓度升高，家系087发芽指数表现出先升高后降低的趋势，家系064和0132发芽指数呈逐渐降低的趋势；随着NaHCO3浓度升高，家系087、064和0132发芽指数均呈降低趋势。随NaCl浓度升高，家系087发芽势表现出先升高后降低的趋势，家系064和0132呈逐渐降低的趋势；随NaHCO3浓度升高，家系087发芽势未发生显著变化，家系064和0132发芽势呈降低趋势。家系087根长随NaCl浓度升高表现出先升高后降低的趋势，随NaHCO3浓度的升高未发生显著性降低；家系064和0132随NaCl 和NaHCO3浓度升高呈逐渐降低的趋势。家系087芽长随NaCl浓度升高表现出先升高后降低的趋势，随NaHCO3浓度的升高呈逐渐降低的趋势；家系064和0132随NaCl 和NaHCO3浓度升高呈逐渐降低的趋势。随NaCl浓度升高，家系087和064鲜质量表现出先升高后降低的趋势，家系0132鲜质量均呈逐渐降低的趋势；随NaHCO3浓度的升高，家系087鲜质量未发生显著性降低，家系064和0132鲜质量均呈逐渐降低的趋势。可见，盐碱胁迫下3个白榆家系发芽率与对照相比大多未发生显著变化，但发芽指数、发芽势、根长、芽长和鲜质量多表现为显著性降低或升高，其中根长、芽长和鲜质量最为显著。因此发芽指数、发芽势、根长、芽长和鲜质量适宜作为衡量白榆种子萌发期耐盐碱性指标，与表2、表3、表5的研究结果也较为一致。

不同小写字母表示在0.05水平上差异显著

2.6 白榆不同耐盐碱性家系萌发期耐盐碱阈值

为进一步验证隶属函数法评价白榆萌发期耐盐碱性的准确性，以相对长度生长量(根长和芽长之和)降为对照50%时所对应的盐碱浓度(C50)为耐盐碱阈值[19]。以NaCl和NaHCO3浓度为自变量(x)，以不同盐碱浓度胁迫下3个不同耐盐碱性白榆家系萌发期相对生长量作为因变量(y)建立回归方程(表 6)，发现白榆3个家系的耐盐和耐碱性强弱顺序均为：家系087>家系064>家系0132，耐盐阈值为76.28～161.60 mmol/L，耐碱阈值为31.20～66.17 mmol/L。3个家系的耐盐碱性排序与通过隶属函数法所得耐盐碱性排序一致(表4)。结果表明，选取发芽指数、发芽势、根长、芽长和鲜质量5个指标，应用隶属函数法评价白榆萌发期耐盐碱性可靠性高，且不同白榆家系间耐盐碱性遗传差异大。

3 讨 论

种子萌发是植物成功建植的第一步，是种胚从生命活动相对静止恢复到生理活跃状态的生长发育过程，也是植物生活周期中抗逆性最弱的阶段[9,20]，耐盐碱性最弱的时期。例如，狼尾草苗期半致死盐浓度是其种子萌发期的2.7倍[21]；高盐度可抑制大多数盐生植物种子萌发，直至有淡水补充胁迫减轻时才能萌发[22]。白榆种子在土壤含盐量0.2%及以上时萌发出苗率便急剧下降[4]，但1 a生白榆家系苗多可耐土壤盐碱含量为0.6%的胁迫强度[8]，说明萌发期也是白榆耐盐碱性最弱的阶段，但成苗后其耐盐碱性普遍增强。隶属函数法可综合多个指标反映植物抗逆性，避免某几个或单一指标评价的片面性[16-17]。例如，利用隶属函数法综合多指标对10个不同甘蓝型油菜品种萌发期抗旱性进行排序[23]，对14个紫花苜蓿品种萌发期抗旱耐盐性进行综合分析[24]。在白榆耐盐性研究中，利用隶属函数法对12个白榆无性系耐盐性进行评价，筛选出3个耐盐性强的无性系[25]；对3个1 a生白榆品系进行耐盐性评价，筛选出综合耐盐性较高的白榆品系Y65[26]。但当前应用隶属函数法研究不同白榆家系萌发期耐盐碱性的工作尚未见报道。因此，应用隶属函数法对白榆家系萌发期耐盐碱性进行综合评价，筛选萌发期高耐盐碱性白榆种质即可行又具有重要的现实意义，可为解决盐碱地白榆天然更新受阻难题，实现盐碱地低成本规模化的生物修复提供优良新品种。

表6 不同白榆家系萌发期临界NaCl和NaHCO3浓度Table 6 Critical NaCl and NaHCO3 concentrations in different Ulmus pumila family at germination stage

种子从萌发到成苗(发芽种子长出真叶)一般以自养为主，主要靠储藏物质水解供给生长，期间一般只需从外界吸收水分和氧气[9,27]。因此，本试验采用蒸馏水处理为对照，与其他研究植物萌发期抗逆性的试验方法相一致。例如，以蒸馏水处理为对照，研究干旱和盐碱胁迫对碱蓬和盐地碱蓬种子萌发的影响[28]、干旱胁迫对酸枣种子萌发的影响[29]。种子大小决定着储藏物质的多少，可能影响盐胁迫下种子萌发和生长。但本研究中发现盐碱胁迫下各白榆家系种子千粒质量隶属函数值与相对根长、芽长、鲜质量和平均隶属函数值之间并无显著相关性，说明白榆种子大小与萌发期耐盐碱性并不相关，这与在架豆角种子中的研究结论相似[30]。随NaCl浓度升高，家系087根长、芽长和鲜质量表现出先升高后降低的趋势，而家系0132根长、芽长和鲜质量均呈逐渐降低的趋势，说明中高耐盐碱白榆家系可能是通过提高生长速率，尤其是根系生长速度，加速吸水，降低体内盐浓度；同时高生长速率可使种子快速渡过萌发期，成苗后随着植株的生长耐盐碱性逐渐增强，从而抵御外界盐碱胁迫提高萌发成活率。这与盐胁迫对红心萝卜种子[31]、燕麦种子[32]萌发和生长影响的研究结果基本一致。

盐碱胁迫下白榆发芽率与对照相比未发生显著性变化，但发芽指数、发芽势、根长、芽长和鲜质量多表现为显著性降低或升高，其中根长、芽长和鲜质量最为显著。验证试验中也发现，白榆萌发对盐碱胁迫多不敏感，但较高盐碱浓度下萌发的种子胚根和胚芽生长缓慢，多不能成活，表明发芽率不适宜表征白榆萌发期耐盐碱性。盐生植物红砂萌发期耐盐性研究发现，随着盐浓度升高发芽率显著降低，但萌发的种子多能成活[33]，表明发芽率可表征红砂萌发期耐盐碱性。根据现有研究结果，推测非盐生植物萌发对盐碱胁迫不敏感，水分温度等条件适宜时，种子便开始萌发，但萌发后生长对外界盐碱胁迫敏感，当盐碱胁迫较高时多生长缓慢不能成活。盐生植物萌发可感知外界盐碱胁迫，当盐碱胁迫浓度低或可以忍受时开始萌发，萌发后可忍耐外界的盐碱胁迫浓度，生长迅速最终成活；外界盐碱胁迫浓度过高时，种子停止萌发，待条件适宜时再萌发，可能是盐生植物逆境条件下的一种“保活”机制。例如，盐碱浓度越大盐生植物灰绿藜种子复水后萌发恢复率越高[34]。因此，不同类型植物萌发期耐盐碱性评价，适宜的指标往往也不相同，推测非盐生植物适宜选取根长、芽长等生长指标，盐生植物适宜选取发芽率、发芽指数等萌发指标。

本试验筛选出的中高耐盐家系10个，中高耐碱家系12个，其中8个家系0102、037、07、080、087、094、54和82003同属中高耐盐和耐碱家系，占中高耐盐家系的80%，中高耐碱家系的67%。不耐盐家系12个，不耐碱家系7个，其中3个家系0120、047和0132同属不耐盐和不耐碱家系，占不耐盐家系的25%，不耐碱家系的43%。结果表明白榆萌发期耐盐和耐碱具有一定的相关性，往往耐盐家系也耐碱，近期在玉米中的研究也发现其对盐和碱的耐性高度相关[35]；而不耐盐和不耐碱家系相关性较差。

白榆是一个生境大分布广而复杂的树种，内部遗传变异大[3]，笔者前期及本研究结果均表明白榆不同家系间萌发期耐盐性遗传差异较大[12]，李庆贱等[8]对9个白榆家系1 a生苗耐盐性进行了研究，发现成苗后白榆家系间耐盐性遗传差异也较大，但白榆萌发期与成苗后耐盐性之间有无关联的研究尚未见报道。田又升等[36]将水稻萌发期抗旱性鉴定结果与大田产量的抗旱系数进行相关性分析，结果显示不存在显著相关性，说明萌发期抗旱性不能代表水稻成苗后的抗旱水平；而张金霞等[37]对3个大豆品种萌发期和苗期的耐盐性进行了研究，发现冀豆12萌发及苗期耐盐性均高于另外2 个品种，说明对大豆来说，萌发期的耐盐性也可能代表了成苗后的耐盐性，这可能与植物种类和胁迫类型不同有关。因此，白榆萌发期与成苗后耐盐性之间是否相关？这将是今后白榆耐盐性研究的一个重要方面。

4 结 论

本研究通过对35个白榆家系萌发期耐盐碱指标的综合评价，发现发芽指数、发芽势、根长、芽长和鲜质量适宜表征白榆萌发期耐盐性，发芽势、根长、芽长和鲜质量适宜表征白榆萌发期耐碱性，其中根长和芽长是表征耐盐和耐碱性效果最好的指标。白榆萌发期高耐盐2个家系087和094，不耐盐12个家系0120、0132、0133、047、75027、7807、8504、古20、陵3、天优、钻天和029；高耐碱3个家系080、82003和0102，不耐碱7个家系001、0120、013、0132、043、047和61。综合比较发现白榆萌发期中高耐盐碱8个家系0102、037、07、080、087、094、54和82003，不耐盐碱3个家系0120、0132和047。

35个白榆家系中筛选出萌发期高耐盐家系2个，不耐盐家系12个，平均隶属函数值为0.14～0.86；高耐碱家系3个，不耐碱家系7个，平均隶属函数值为0.14～0.81。验证试验中发现萌发期中高耐盐碱家系087，耐盐碱阈值分别为 161.60和66.17 mmol/L；不耐盐碱家系0132，耐盐碱阈值分别为76.28和31.20 mmol/L。可见，白榆家系间萌发期耐盐碱性遗传差异大，具有耐盐碱良种选育潜力，也说明隶属函数法评价白榆家系间萌发期耐盐碱性可靠性高。