栅藻对小麦种子萌发及初期幼苗生长的影响

谭梅娟,张 婷,李雅吉,王嘉姝,陈静玥,王 捷*

(太原师范学院 生物科学与技术学院,山西 晋中 030619)

农业生产过程中,大量化学肥料的滥用导致土壤质量下降,化肥利用率低下,农作物品质下降和农业污染等一系列问题[1-3].近年来,随着全球气候变暖及世界人口的激增,对粮食的需求也不断增加,必须在不影响环境的情况下解决粮食需求问题[4].2022年国家发布《科技支持碳达峰碳中和实施方案(2022-2030)》通知,提出要开发微藻肥技术、生物固氮增汇肥料技术,研究盐藻或蓝藻固碳增强等技术推动碳达峰及碳中和.在农业方面,为实现可持续消费和生产模式(第12个可持续发展目标),有必要选择天然或生物肥料来替代合成肥料的使用[5-6].在这种背景下,生物刺激剂,包括多糖、植物激素、维生素、氨基酸等作为能够促进植物生长的天然物质受到了广泛关注[7].近年来,微藻已成为农业中一种很有前途的生物肥料和生物刺激剂的来源,用于促进植物健康以提高作物产量[8].

淡水微藻含有高比例植物生长所需的大量及微量营养元素,且含有各种植物生长促进物质,如多糖、脂质、蛋白质和植物激素等[9],微藻细胞提取物处理过的种子表现出更高的萌发率[10,11],叶面和土壤施用提取物均可提高植物生长率,其可溶性糖、蛋白质和游离叶绿素含量也有升高趋势[12].栅藻是淡水中常见的浮游藻类,对有机污染物具有较强的耐性,是有机污水氧化塘中的优势藻种,且在水体净化有一定作用[13,14].栅藻是有机物的高效生产者,以栅藻的细胞提取物为研究对象,对种子引物、叶面喷雾剂和生物肥料的施用效果进行评价.当用量超过0.75 g/mL时,种子萌发提前两天,侧根发育更大.叶面喷施3.75 g/mL提取物可提高株高、花数和单株分枝数,并可促进早期果实发育[15].鉴于微藻含有高比例的微量营养素和植物生长所必需的营养素,并且是环境友好和高效的化肥替代品[16,17],因此微藻生物刺激剂作为生物肥料具有潜在的应用前景.

目前有关微藻生物刺激剂的研究主要集中在大型海藻和具有固氮能力的蓝藻上,而对其他藻类研究较少.绿藻门中的栅藻生长迅速,分布范围广,可做到全年生产,具有作为生物刺激剂的潜力.本研究选取我国重要粮食作物小麦(TriticumaestivumLinn.)(作为实验植物,对其施加栅藻生物刺激剂,旨在研究栅藻提取物(25 mg/L～800 mg/L)对小麦种子萌发的影响以及其提取物和微藻悬浮液对小麦幼苗生长的影响.细胞活性物质的提取,随后用于种子处理以提高种子的发芽率及发芽势,通过土壤施用提高植物生长.植物的生长参数是根据生物量、根茎长度来决定.同时,测定了收获后植物生物量的叶绿素、可溶性蛋白及可溶性总糖的含量.本结果为进一步研究栅藻生物刺激剂对小麦生长的应用提供参考,为探索栅藻源生物刺激剂最佳施用浓度,提高施用效益,降低施用成本提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦(TriticumaestivumLinn.)种(子购自农贸市场,常温储存;栅藻(Scenedesmussp.),(由太原师范学院生物科学与技术学院藻种库提供.该藻分离自山西省太原市晋阳湖景区.

1.2 试验设计

1.2.1 微藻肥的制备

取对数期生长的栅藻,离心10 min(4000 r/min),离心完毕后沉淀为藻泥,用蒸馏水冲洗藻泥并充分混合后再次离心,以排除小球藻肥料中培养基的影响,重复3次后得到纯净藻泥.向离心洗净后的一半藻泥加入适当体积的蒸馏水,得到所需浓度的微藻悬浮液(细胞密度为 7.8×1012个/mL).另外一半纯净藻泥于-40 ℃冷冻干燥机内冷冻干燥48 h制成藻粉.0.5 g藻粉放入100 mL烧杯内,加50 mL蒸馏水.放入超声波破碎仪超声处理,之后离心,离心后的上清液为提取物母液.其浓度为 0.01 g/mL,用蒸馏水稀释到不同浓度(25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L、800 mg/L),4 ℃保存备用.

1.2.2 种子萌发试验

选取大小一致饱满的小麦种子,将种子在20 mL 0.5% NaClO溶液中浸泡30 min消毒,无菌水冲洗 3 次.于25 ℃黑暗条件下,将种子放于蒸馏水中浸泡后,然后分配到90 mm培养皿中,于25 ℃、相对湿度为60%、光周期为12 h∶12 h条件下培养,添加不同浓度栅藻提取液处理(T1∶25 mg/L、T2∶50 mg/L、T3∶100 mg/L、T4∶200 mg/L、T5∶400 mg/L、T6∶800 mg/L).蒸馏水处理作为对照(CK),每个处理重复 3 次.之后定期灌溉以替换损失的水.每日观察、记录发芽粒数.测定的萌发参数为:发芽率(GP)、发芽势(GS)、发芽指数(GI).

1.2.3 盆栽试验

选取大小一致饱满的小麦种子,用 0.5% NaClO浸泡30 min消毒,无菌水冲洗3次.25 ℃黑暗条件下种子于蒸馏水浸泡后,于培养皿中孵育2 d,选取长势一致的种子放入含有基质(蛭石和泥炭混合物,1∶1 v/v)的萌发盘,小麦种子均匀放于萌发孔中间,种子种植深度约1 cm.于25 ℃,相对湿度为60 %,光周期为12 h∶12 h条件下培养.加入不同浓度微藻提取液和微藻悬浮液处理(T1∶25 mg/L、T2∶50mg/L、T3∶100 mg/L、T4∶200 mg/L、T5∶400 mg/L、T6∶800 mg/L、T7∶栅藻悬浮液),蒸馏水处理作为对照(CK),每个处理重复3次.每天补充流失的水分.两周后实验结束,所有植株的器官都被收获.

1.3 测定项目与方法

种子萌发实验根据标准种子分析师协会(AOSA 2005)的方法测定各处理组小麦种子的发芽率、发芽势和发芽指数.盆栽实验用直尺测定以及测量株高、根长,用电子天平测量茎叶和根的鲜重及干重(以10株记).幼苗叶片中叶绿素含量的测定采用乙醇提取分光光度计法测定、可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定、可溶性糖含量测定采用蒽酮法测定[18].

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2010进行整理,计算数据的平均值和标准误差,用SPSS 21.0软件进行方差分析,用Origin Pro 8.5软件制图.

2 结果

2.1 微藻提取液对种子萌发的影响

由图1可知,与对照组相比,不同浓度藻提取液处理的小麦种子的发芽率、发芽势及发芽指数均有所提高.其中T4处理的影响最显著,发芽率、发芽势、发芽指数分别为90.47%、73.01%和23(P<0.05).T1、T2、T3、T4、T5处理组对小麦种子发芽率分别显著增加了17%、22%、24%、7%、4%(P<0.05);对发芽势分别增加了21%、29%、35%、3%、3%;对发芽指数分别增加了20%、21%、28%、4%、3%.T6高浓度处理对小麦种子的萌发影响不显著.

图1 不同浓度栅藻提取物对小麦种子发芽率、发芽势和发芽指数的影响

2.2 微藻提取液对幼苗生长的影响

由图2可知,与对照幼苗相比,添加低浓度栅藻提取物显著刺激了营养生长参数.与其他处理方法相比,用T3处理幼苗茎长最高,为 15.07±1.080 cm,T4处理的根长最长为15.22±1.86 cm.与对照组相比,T1、T2、T3、T4、T5处理组茎高显著增加23%、29%、38%、21%、20%(P<0.05).T7处理组对茎高提高了4%.T3处理后的植株生物量的积累最高,茎叶鲜重和干重分别为1.5575±0.12 g 和 0.1548±0.01 g,根的鲜重和干重分别为0.7854±0.064 g 和 0.0787±0.0051 g,未处理的植株产量最低.其中T2、T3、T4、T7处理组对茎叶鲜重显著提高了18%、24%、21%、25%(P<0.05),T1、T5分别提高了9%和7%.其中T2、T3、T4、处理组对根鲜重显著提高了27%、27%、26%、(P<0.05).T1、T5、T6、T7 分别提高了18%、13%、4%、13%.T2、T3、T4、T7处理组对茎叶干重显著提高了24%、29%、35%、31%(P<0.05).T1、T5分别提高了13%、16%.栅藻提取液及悬浮液对小麦根干重的影响不显著.

图2 不同浓度栅藻提取物及悬浮液对小麦幼苗茎叶及根的长度、鲜重和干重的影响

2.3 小麦幼苗中叶绿素含量的变化

由图3可知,处理组的叶绿素含量均高于对照组,T3处理组对叶绿素a的含量显著提高了35%(P<0.05),T1、T2、T4、T5、T6、T7分别提高了14%、24%、13%、6%、8%和12%.T1-T7处理组中叶绿素b含量分别提高了29%、47%、14%、13%、3%、1%和27%.

图3 不同浓度栅藻提取物及悬浮液对小麦叶片叶绿素含量的影响

2.4 小麦幼苗中蛋白质含量的变化

由图4可知,各处理组较对照组相比均提高了小麦幼苗中可溶性蛋白质的含量,其中T3、T7明显增加,显著提高了可溶性蛋白质含量19%和12%(P<0.05).T1、T2、T4、T5、T6促进作用不明显.

图4 不同浓度栅藻提取物及悬浮液对小麦叶片可溶性蛋白含量的影响

2.5 小麦幼苗中可溶性糖含量的变化

由图5可知,各处理组可溶性总糖质量分数均高于对照组,T1、T2处理组与对照相比对小麦幼苗中可溶性总糖质量分数显著提高了56%和65%(P<0.05).其余处理组效果不显著.

图5 不同浓度栅藻提取物及悬浮液对小麦叶片可溶性总糖含量的影响

3 讨论

3.1 栅藻提取物对种子萌发的影响

种子在不同环境条件下均匀快速发芽的能力是包括小麦在内的大多数植物所需要的基本特征.发芽势体现在种子的生活能力,发芽是否整齐,出苗是否一致等方面.发芽率体现出了每次处理中发芽的种子数的存活率.本实验结果表明小麦种子在不同浓度栅藻提取液的处理下,发芽指标均有所提高,说明小麦种子受到栅藻提取物内活性化合物的影响,促进了小麦种子的萌发.在种子处理过程中吸收的代谢物或生物活性化合物,将作为生化途径的前体,帮助胚根的早期突出.已研究表明从藻类生物量中提取的碳水化合物、蛋白质和其他微量和宏观元素能被种子被皮吸收,从而增加了吸胀速率,并提供了影响萌发过程中胚根的生化途径加快突出的前体[19].研究报道海藻粗提物(10 mL/L)使牛角瓜发芽率提高了42%[20].与上述类似的研究也报道了海藻提取物处理番茄种子,其发芽率增加了6%～37%.用富含植物激素和植物生长促进剂的微藻提取物处理种子,可以减少种子休眠,促进有效萌发[21].

3.2 栅藻提取物及悬浮液对小麦幼苗生长的影响

当小麦幼苗受到栅藻提取液及悬浮液影响时,小麦体内的主要生理过程也会因此受到影响,主要体现在小麦植株茎叶长、根长及生物量的变化.本研究表明,添加栅藻提取物和悬浮液提高了植物生长参数,其中添加低浓度的栅藻提取物后,根、茎叶的长度、鲜重和干重均显著增加.可能是栅藻提取物中所含的活性物质诱导了小麦的生理反应,促进了生物量的积累,结果与Blanca 等人对栅藻处理幼苗的研究结果一致[22].研究表明,藻类提取物及其纯化的化合物可以诱导植物产生强烈的生理反应,并增加地上部和根的重量[23-25].

3.3 栅藻提取物及悬浮液对小麦幼苗生理的影响

可溶性蛋白和可溶性总糖是植物生长发育的重要营养物质,叶绿素是存在于植物中的绿色色素,参与光合作用的进行,因此叶绿素含量是植物整体生长的一种衡量指标[26].叶绿素含量越高,植物的光合作用和生长速率就越高.从而促进幼苗体内营养物质的积累.实验结果说明,栅藻提取物和悬浮液提高了小麦叶片中叶绿素的含量,同时也促进了可溶性糖和蛋白的积累.结果与Mutale-Joan等人对多种藻类提取物处理番茄植株能促进叶绿素含量增加的结果一致[27].不同浓度栅藻提取物对小麦叶绿素、可溶性蛋白及总糖的含量的促进效果呈现先升高后降低的状态,施用微藻提取物的浓度越低或浓度越大,促进作用均不明显,只有在最适浓度下促进生长最佳.其原因可能是当浓度过小时,具有刺激生长作用的成分含量太少,无法起作用,而当浓度过大时,影响植物细胞吸收水分,导致促进效果减弱.何锐和Silambarasan等研究也显示出适当浓度时促进效果最佳,浓度过低或过高均会减弱其促进效果[28,29].

4 结论

栅藻提取物处理对种子萌发和栅藻提取物及悬浮液土壤浇灌对植物生长速率均有积极的影响.研究结果表明,100 mg/L栅藻提取物处理种子显示最大促进效果,发芽率、发芽势及发芽指数分别为90.47±0.047(%)、73.01±0.055(%)和23±1.24.效果最佳的藻类提取物浓度为 100 mg/L,株高为15.07±1.08 cm,根长14.29±0.79 cm,茎叶鲜重和干重分别为1.5575±0.12 g和0.1548±0.01 g,根的干重和鲜重分别为0.7854±0.064 g和0.0787±0.0051 g,总叶绿素含量5.6315±0.5700 mg/g,可溶性蛋白含量为20.8309±1.771 mg/g.本研究结果确定了栅藻源生物刺激剂对小麦的最佳施用浓度,为其在农业和化工业的应用提供理论依据,栅藻提取物作为生物刺激剂具有潜在的应用前景.