碱性盐胁迫对3个国外引进工业大麻品种萌发特性的影响及评价

张晓艳， 王晓楠， 曹 焜， 赵 越， 边 境， 韩承伟， 姜 颖， 孙宇峰

(黑龙江省科学院大庆分院， 黑龙江 大庆 163319)

大麻(CannabissativaL.)是木兰纲、荨麻目、大麻科、大麻属、大麻种一年生草本植物[1]，通常为雌雄异株，偶尔有雌雄同株，是最早种植的经济作物之一，几千年来一直是纤维、食品和医药的重要来源[2]。工业大麻是指致幻成分四氢大麻酚(THC)含量<0.3%无毒品利用价值的一个品种类型[1]，其根、茎、叶、花、韧皮、籽粒等均具有较好的开发和利用价值[3-5]。

土壤盐碱化已成为全球性的环境问题和限制农业生产力的重要因素。特别是东北大庆地区，盐渍化土壤主要是苏打盐碱土，其主要特点是pH值大于8，NaHCO3、Na2CO3含量高，毒性较大，严重抑制了农业生产的发展[6]。郑丽娜等[7]研究表明，经氯化钠和碳酸氢钠处理后，芸豆种子的萌发时间延迟，发芽率、发芽指数、活力指数下降，严重抑制了上胚轴和胚根长的长势。在许多研究报告中已清楚的表明碱胁迫比盐胁迫严重[8-11]。当盐渍土含有HCO3-或CO32-时，土壤pH值升高，植物会受到盐碱胁迫的损害。已证实碱胁迫比盐胁迫更具破坏性，在盐胁迫条件下，随着盐分的增加，出苗时间推迟，出苗率和幼苗成活率降低。然而在碱胁迫条件下，幼苗成活率急剧下降，但出苗时间和出苗率没有变化。此外，碱胁迫对植物生长和光合作用的破坏作用比盐胁迫更严重[12]。工业大麻因其生长适应性和抗逆性较强而成为盐碱地区推广的作物之一，然而关于碱性盐胁迫对工业大麻萌发的影响，目前仅云南大学做过相关研究，严重影响了工业大麻在苏打盐碱地区的推广种植。本试验主要研究了碱性盐胁迫下国外引进工业大麻品种的萌发及幼苗生长量的变化，并对其进行评价。此研究不仅丰富了工业大麻的种质资源，而且对苏打盐碱地区推广工业大麻种植具有实际指导意义。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料是黑龙江省科学院大庆分院从乌克兰引进的工业大麻品种格列西亚(V 1)、金刀15(V 2)、格里昂(V 3)。

1.2 试验设计

试验于2018年3月在黑龙江省科学院大庆分院栽培生理实验室进行。选择籽粒饱满、清选后的工业大麻种子，经消毒、清洗及吸干种子表面水分后，放置于铺有3层滤纸的发芽盒内(12 cm×12 cm×5 cm)，每盒50粒，3次重复。通过近几年测定大庆地区农田轻、中、重度苏打盐碱土pH值的规律，采用100 mmol·L-1的Na2CO3、NaHCO3及浓盐酸配置碱性盐溶液，模拟大田苏打盐碱土的pH值，设定4个浓度梯度(如表1)，分别为对照(pH值7.0)、轻度碱性盐胁迫(pH值7.89)、中度碱性盐胁迫(pH值8.91)、重度碱性盐胁迫(pH值9.44)，向发芽盒添加相应的碱性盐溶液(或蒸馏水)，保持溶液的加入量一致，以滤纸充分湿润为宜。将发芽盒置于25 ℃的人工气候箱，光照强度和湿度分别为50 μmol·(m2·s)-1和75%，每天光照、黑暗各12 h。每天观察工业大麻发芽的种子数，发芽的标准为胚芽长度达到工业大麻种子直径的1/2，发芽后第7天测定胚芽长度、胚根长度和鲜重，最后计算种子发芽率、发芽指数和活力指数等萌发特性[13]。萌发期间每个发芽盒按处理补充相同量的蒸馏水和碱性盐溶液，保持湿润。

表1 碱性盐成分及用量Table 1 Composition and dosage of alkaline salt

1.3 测定项目及方法

发芽率(%)=(发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽势(%)=(第3天发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑(Gt/Dt)；

活力指数=S×GI，

式中：Dt为发芽日数；Gt为第t天的发芽数；S为胚根鲜重，GI为发芽指数；

相对盐害率(%)=[(对照发芽率-处理发芽率)/对照发芽率]×100%。

1.4 数据分析

试验数据用Excel 2016软件处理后，采用SPSS 20.0软件进行方差、相关及主成分分析。并采用隶属函数法进行耐碱性盐的综合评价，其计算方法如下：

隶属函数值计算公式：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

反隶属函数值计算公式：

R(Xi)=1-(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，Xi为各指标测定值；Xmin、Xmax为各测定指标的最小值和最大值。当某一指标与工业大麻的耐碱

性盐呈正相关时，用公式(1)；当某一指标与工业大麻耐碱性盐呈负相关时，则用公式(2)[14]。

2 结 果

2.1 萌 发

随着碱性盐胁迫浓度的增加工业大麻种子的发芽率和发芽势呈逐渐降低的趋势，轻度、中度和重度碱性盐胁迫的发芽率和发芽势分别比对照降低了2.00%～40.67%、21.33%～66.00%。方差分析表明，对照与重度碱性盐胁迫差异显著，说明碱性盐胁迫对工业大麻种子的萌发具有明显的抑制作用。不同碱性盐胁迫下3个工业大麻品种间的发芽率及发芽势差异显著，轻度碱性盐胁迫V 1的发芽率及发芽势比V 2和V 3增加了16.66%和10.66%，中度碱性盐胁迫V 1的发芽率及发芽势比V 2和V 3增加了20.67%和12.67%，重度碱性盐胁迫V 1的发芽率及发芽势比V 2和V 3增加了10.67%和6.00%(表2)，表明V 1品种的抗盐碱性最好，V 2最差。

如表2所示，不同工业大麻品种的发芽指数和活力指数均随着碱性盐浓度的升高呈降低的趋势，且对照与重度碱性盐胁迫差异显著，重度碱性盐胁迫下，V 1的发芽指数比V 2和V 3增加了2.27和0.13，V 1的抗碱性盐能力最强，V 2最差。

表2 碱性盐胁迫对萌发特性的影响Table 2 Effects of alkaline salt stress on germination characteristics

2.2 幼苗生长量

由图1可知，碱性盐胁迫均在一定程度上抑制了工业大麻幼苗生长量， 3个工业大麻品种的胚芽长、胚根长及胚芽+胚根鲜重均随着碱性盐浓度的升高呈降低的变化规律，中度碱性盐胁迫的胚芽长、胚根长及胚芽+胚根鲜重明显低于轻度碱性盐胁迫和对照。不同碱性盐胁迫下3个工业大麻品种间的胚芽长、胚根长及胚芽+胚根鲜重差异显著，轻度碱性盐胁迫V 1的胚芽长、胚根长及胚芽+胚根鲜重比V 2和V 3分别提高了30.88%、26.93%、59.03%、41.92%、30.85%、11.33%；中度碱性盐胁迫V 1胚芽长、胚根长及胚芽+胚根鲜重明显高于V 2和V 3。由以上分析可知，V 1的抗碱性盐能力最好，V 2最差。当碱性盐胁迫浓度的pH值达9.44时，萌发到后期，胚根和胚芽变黄腐烂，活力指数为0。

图1 碱性盐胁迫对工业大麻幼苗生长量的影响Fig.1 Effects of alkaline salt stress on the growth of industrial hemp seedlings

2.3 碱性盐盐害指数

从图2可以看出，不同工业大麻品种的耐碱性盐程度差异显著，随着胁迫浓度增加碱性盐盐害指数逐渐增加，各处理之间差异显著，V 2的碱性盐盐害指数比V 1和V 3高出5.87%～22.02%。由此可以看出，碱性盐胁迫对V 2的损害程度最强，其次是V 3。

图2 碱性盐盐害指数的变化Fig.2 Changes of salt stress index of alkaline salts

“*”和“**”分别表示在p<0.05和p<0.01水平显著。

2.4 耐盐碱特性综合评价

2.4.1相关性分析

各萌发指标之间的相关性均达到显著或极显著水平，除耐碱性盐指数与其他萌发指标呈负相关外，其余均呈正相关。整体来看，工业大麻种子的萌发指标之间具有明显的相关性，如果只用某一萌发指标进行耐碱性盐分析，其结果具有不确定性，所以需对工业大麻所有萌发指标进行评价(表3)。

表3 各指标的相关性分析Table 3 Correlation analysis of each index

2.4.2主成分分析

不同碱性盐胁迫处理下对3个工业大麻品种的8个萌发特性相关指标(发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚根长、胚芽长、胚根+胚芽鲜重、碱性盐盐害指数)进行主成分分析，确定几个具有代表性的因子来综合评价其耐碱性盐胁迫能力。按照累计贡献率大于85%、特征值大于1来确定主成分个数。结果表明，1个主成分累计贡献率为87.913%，而损失量仅为12.087%；主成分特征值为7.033，方差贡献率为87.913%；8个萌发指标均与主成分密切相关，并且这8个萌发指标的得分系数差别不大，除碱性盐盐害指数得分系数为负值外，其他7个得分系数均为正值，且与碱性盐胁迫浓度差异达极显著水平(见表4)。由此说明，主成分值越大，这8个萌发指标的得分系数绝对值越大，其耐碱性盐胁迫能力越强。因此，可将种子萌发时的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚芽长、胚根长、胚芽+胚根鲜重及耐碱性盐盐害指数作为工业大麻耐碱性盐胁迫评价的特征因子。

表4 主成分因子的载荷矩阵和得分系数矩阵Table 4 Load matrix and score coefficient matrix of principal component factor

2.4.3隶属函数分析

以上结果表明，不同工业大麻品种各萌发指标对碱性盐胁迫的响应程度差别较大，很难用某一萌发指标评价其抗碱性盐的强弱。因此，根据主成分分析对8个萌发指标(发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚芽长、胚根长、胚芽+胚根鲜重及耐碱性盐盐害指数)，求其平均值并进行隶属函数分析，对3个国外引进工业大麻品种耐碱性盐进行综合评价，其结果表明，3个国外引进工业大麻品种耐碱性盐能力依次为V 1>V 3>V 2(表5)。

表5 碱性盐胁迫条件下工业大麻的隶属函数值Table 5 Membership function values of industrial hemp under alkaline salt stress

3 讨 论

植物种子萌发是生命的开始，是生长的第一个阶段，而种子能够在盐碱等逆境环境下萌发出苗，是植株生长发育的基础[15-16]。并且盐碱胁迫直接抑制植物组织器官的生长及形态变化，而萌发指标被认为是最直接、最广泛、最直观的鉴定植物抗盐碱能力指标[17-18]。碱性盐胁迫主要由NaHCO3和Na2CO3等引起，与一般的盐胁迫相比，碱性盐胁迫不仅造成了渗透胁迫和离子毒害，而且还有高pH值胁迫[19]。贾娜尔阿汗等[20]、盛彦敏等[21]研究表明，NaHCO3和Na2CO3等碱性盐的碱胁迫对植物的破坏作用明显大于由NaCl、Na2SO4等中性盐所造成的盐胁迫。在高浓度Na2CO3胁迫下，大麻种子不萌发或幼苗死亡，但经不同浓度NaCl、Na2SO4处理后，大麻种子具有一定的萌发能力和幼苗生长量，所以对植物生长发育的抑制作用，相同浓度碱性盐比中性盐更明显[22]。刘源等[23]研究也表明，植物种子的萌发、幼苗根长、茎长等均受到盐胁迫和pH值的影响，而高pH值的碱性盐胁迫对种子萌发特性的抑制作明显高于中pH值的碱性盐胁迫。

本研究表明，碱性盐对工业大麻种子的萌发和幼苗生长量具有明显的抑制作用；在碱性盐胁迫下，随着pH值的升高，各品种的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚根长、胚芽长及胚芽+胚根鲜重呈逐渐降低的趋势，而盐害指数呈逐渐增加的趋势，3个工业大麻品种耐碱性盐强弱差异明显，这与前人关于萌发期抗盐碱的研究结果相似[24-28]；在高碱性盐(pH值9.44)胁迫下，工业大麻种子虽萌发，但在萌发后期，胚根和胚芽开始变黄腐烂，其活力指数为0。可见，工业大麻种子萌发后，高浓度碱性盐对胚根胚芽等新器官会造成致死性的危害，这与戴凌燕等[29]的研究结果一致。

种子萌发期既是植物生长发育的重要阶段，也是产量形成的决定因素。景宇鹏等[14]运用主成分分析和模糊数学隶属函数值法对玉米苗萌发期和苗期的9个指标进行综合性评价，得出6个玉米品种的耐盐性强弱顺序。孙东雷等[30]采用主成分分析、隶属函数法及聚类分析方法，对花生萌发期耐盐性进行综合评价及筛选，得出萌发期的耐盐性强弱受多个指标的影响。刘永惠等[31]研究表明，发芽率、发芽势、发芽指数等综合评价花生耐盐碱性强弱更可靠。

本研究通过主成分和隶属函数分析工业大麻种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚根长、胚芽长及胚芽+胚根鲜重及盐害指数，得出各工业大麻品种对碱性盐胁迫的耐受性大小顺序为V 1>V 3>V 2；该研究对黑龙江省大庆地区苏打盐碱区耐盐碱工业大麻选择与应用具有一定的指导意义。

4 结 论

碱性盐对工业大麻种子的萌发和幼苗生长量具有明显的抑制作用。在碱性盐胁迫下，随着pH值的升高，各品种萌发期的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、胚根长、胚芽长及胚芽+胚根鲜重呈逐渐降低的趋势，而碱性盐盐害指数呈逐渐增加的趋势，不同品种对盐胁迫的反应程度不同。高浓度碱性盐(pH值9.44)胁迫下，工业大麻种子在萌发后期，胚根和胚芽开始变黄腐烂。通过主成分和隶属函数分析，对3个工业大麻品种耐碱性盐强弱进行综合性评价，得出其耐碱性盐顺序为V 1>V 3>V 2。该研究对黑龙江省苏打盐碱地区工业大麻的选择与应用具有一定的指导意义。