干旱胁迫及SA、GA浸种对砂培西藏野生垂穗披碱草种子萌发的影响

龙建廷, 王兖薇, 高国荣, 陈盈熹, 曹家宁,黄 超, 苏志刚, 苗彦军

(1.西藏农牧学院, 西藏 林芝 860000;2.内蒙古自治区牙克石乡村振兴促进中心, 内蒙古 呼伦贝尔 021000)

第五次全国荒漠化调查报告显示,西藏自治区沙化土地面积达到2 168.42万hm2,其中重度沙化区域超过90%[1-2]。水位骤然缩减使得河谷内泥沙暴露,在强日照与大风的作用下,雅鲁藏布江中游下段(米林县附近)植被退化严重,形成大面积沙区89片,其面积超过2 000 hm2[3]。沙化土地导致土壤保水能力下降、土壤养分流失、植被覆盖度降低,种子萌发率低、人工补种难度大[4-5]。

垂穗披碱草(Elymusnutans)是禾本科披碱草属多年生丛生草本植物,分布于中国西藏、河北、青海、四川、陕西、甘肃、新疆、内蒙古等省区,在土耳其、蒙古、印度、俄罗斯等国家也有分布。垂穗披碱草生长力强,粗蛋白和粗脂肪含量高、适口性好,在高寒退化草场的改良以及人工草地的建设中发挥着重要的作用,深受牧民喜爱[6-8]。经过长期的自然选择,垂穗披碱草逐渐形成了抗寒、抗旱、抗盐碱等特性。其不仅具有较高的饲用价值,而且在抗风沙害、保持水土等方面,也能起到重要作用[9-11]。

水杨酸(SA)是植物生理过程的调节剂,可有效提高植物对干旱等逆境的抗性,在植物响应非生物胁迫中发挥重要的作用[12]。它能降低逆境对植物的危害,具有促进种子萌发,促进植物逆境生长的酚类化合物[13]。目前国内关于SA对种子萌发的研究多用于玉米、小麦、大豆等农作物上。 马碧花等[14]研究表明,喷施SA可有效提高多年生黑麦草抗旱性。

赤霉素 (GA)是促进植物生长发育的植物激素,不仅可打破种子休眠,还可促进种子发芽[15]。GA可提高植物对干旱等理化逆境的抗性,促进干旱胁迫下植物种子萌发时根长、芽长的生长[16]。目前国内关于GA对种子萌发的研究已经应用于牧草上,单旭东等[17]研究表明,GA可促进干旱胁迫下多年生黑麦草的萌发。

本研究以西藏野生垂穗披碱草为材料,探究不同浓度SA、GA浸种处理对干旱胁迫下垂穗披碱草种子萌发的缓解作用,以期了解砂培垂穗披碱草种子萌发特性和SA、GA缓解干旱胁迫的最佳浓度,为西藏沙地区域植被恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为西藏野生垂穗披碱草种子,采于西藏自治区那曲市巴青县,平均海拔4 500 m,于2019年9月中旬收获,存放于4 ℃低温种子库内,初始发芽率约为85%。本试验于2022年5月在西藏农牧学院草业科学实验室完成,平均海拔3 000 m。试验用沙采集于西藏自治区林芝市米林县沙丘,pH值为7.5。

1.2 材料处理

挑选大小均匀、籽粒饱满且无霉变破损的西藏野生垂穗披碱草种子,用75%的乙醇溶液浸泡消毒1 min,后用蒸馏水反复冲洗,直至将乙醇溶液清洗干净。试验开始前将沙子用蒸馏水冲洗干净后烘干至恒重。

1.3 试验设计

将供试种子浸入SA(25、50、75、100 mg/L)[18]、GA (50、75、100、125 mg/L)[19]溶液中浸泡24 h,以蒸馏水浸泡作对照,浸种完成后开始试验。试验采用砂培及PEG-6000溶液作为干旱胁迫,设置4个PEG-6000浓度梯度(5%、10%、15%、20%),以蒸馏水作对照,各处理重复3次。每个发芽盒内铺有1 000 g干沙,均匀摆放50粒供试种子,再覆盖1 000 g的干沙,加入不同梯度的PEG-6000溶液200 mL[20],使用称重法,根据发芽盒内蒸发量每天早、中、晚3次补充蒸馏水,保证砂培中PEG-6000溶液含量在10%左右。将发芽盒置于25 ℃的人工气候培养箱内,以芽露出沙表面作为种子发芽标准,每天记录种子发芽情况。

1.4 测定指标与方法

种子萌发相关指标的测定和计算公式如下:

发芽率/%=(发芽终期15 d内正常发芽种子数/供试种子数)×100%;

发芽势/%=(发芽试验前7 d的正常发芽种子数/供试种子数)×100%;

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt),式中,Gt指第t天的发芽种子数,Dt指相对应的发芽天数;

活力指数(VI)=GI×S,式中,S为平均根长;

苗长和根长:发芽试验结束后,在各处理发芽盒中随机选取10株幼苗,用直尺(1 mm)测量幼苗苗长和根长。

利用隶属函数法对不同浓度浸种处理的抗旱性进行分析比较,指标计算公式为:X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),若该指标与抗旱性呈负相关,则公式为:X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

1.5 数据处理

用DPS 6.0统计分析软件对种子萌发的指标进行方差分析, 用Tukey’ HSD检验样本间的显著性,用Origin 2018软件制作图。

2 结果与分析

2.1 浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子发芽率的影响

由图1可知,随着PEG-6000浓度增加,砂培垂穗披碱草种子发芽率呈下降趋势,ck与5% PEG-6000胁迫处理的发芽率差异不显著,随着PEG-6000浓度增加至10%、15%、20%,发芽率显著下降(p<0.05)。低浓度SA浸种处理可提高砂培垂穗披碱草种子发芽率,浓度为50 mg/L的处理效果最佳,发芽率可达94%,浓度高于50 mg/L会抑制垂穗披碱草种子萌发;低浓度GA浸种处理同样可提高垂穗披碱草种子发芽率,浓度为75 mg/L处理效果最佳,发芽率可达90%,浓度高于75 mg/L同样抑制垂穗披碱草种子萌发;5%PEG-6000胁迫下,浓度为75 mg/L的GA处理效果最佳,发芽率可达82%;10%PEG-6000胁迫下,浓度为50 mg/L的GA处理效果最佳,发芽率可达78%;15%PEG-6000胁迫下,浓度为75 mg/L 的GA处理效果最佳,发芽率可达63%;20%PEG-6000胁迫下,浓度为50 mg/L、75 mg/L 的GA与50 mg/L的SA处理效果较好,发芽率可达50%左右。

注:不同小写字母表示各处理间差异显著(p<0.05)。下同。图1 SA、GA浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子发芽率的影响Fig.1 Effects of salicylic acid and gibberellin seed soaking treatments on the germination rate of Elymus nutans under PEG-6000 stress

2.2 浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子发芽势的影响

由图2可知,随着PEG-6000浓度增加,砂培垂穗披碱草种子发芽势呈下降趋势,ck和5% PEG-6000胁迫不显著,随着浓度增加至10%、15%、20%,种子发芽势显著下降(p<0.05)。SA浸种处理可提高砂培垂穗披碱草种子发芽势,浓度为50 mg/L处理效果最佳,发芽势可达82%;低浓度GA浸种处理同样可提高垂穗披碱草种子发芽势,浓度为75 mg/L的处理效果最佳,发芽势可达84%;浓度为75 mg/L的处理与各浓度PEG-6000胁迫发芽势呈显著性差异(p<0.05);浓度为50 mg/L、100 mg/L的SA处理与5% PEG-6000胁迫不影响发芽势,随着PEG-6000浓度增加至10%、15%、20%,发芽势呈显著降低趋势(p<0.05)。低浓度GA(50 mg/L、75 mg/L)浸种处理与各浓度PEG-6000胁迫发芽势呈显著性差异(p<0.05);高浓度GA(100 mg/L、125 mg/L)浸种处理会降低砂培垂穗披碱草发芽势。

图2 SA、GA浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子发芽势的影响Fig.2 Effects of salicylic acid and gibberellin seed soaking treatments on the germination potential of Elymus nutans under PEG-6000 stress

2.3 浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子根长的影响

由图3可知,随着PEG-6000浓度增加,砂培垂穗披碱草根长呈显著降低趋势(p<0.05)。低浓度SA浸种处理可促进砂培垂穗披碱草根长生长,浓度为50 mg/L的处理效果最佳,根长可达106.2 mm,浓度高于50 mg/L会抑制垂穗披碱草根长生长,且各浓度SA浸种处理,垂穗披碱草均会受到PEG-6000胁迫,根长呈显著降低趋势(p<0.05);与SA处理不同,各浓度GA浸种处理均会提高垂穗披碱草根长,处理浓度为125 mg/L时根长最长,为141.5 mm;随着PEG-6000浓度的增加,各GA处理的根长均显著下降(p<0.05)。

2.4 浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子芽长的影响

由图4可知,随着PEG-6000浓度增加,砂培垂穗披碱草芽长呈显著降低趋势(p<0.05)。各浓度SA浸种处理均可促进砂培垂穗披碱草芽长生长,浓度为75 mg/L的处理效果最佳,芽长可达89.9 mm,随着PEG-6000浓度增加,砂培垂穗披碱草芽长呈显著降低趋势(p<0.05);各浓度GA浸种处理可促进砂培垂穗披碱草芽长生长,浓度为125 mg/L的处理效果最佳,芽长可达134.75 mm,随着PEG-6000浓度增加,砂培垂穗披碱草芽长呈显著降低趋势(p<0.05)。

图4 SA、GA浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子芽长影响Fig.4 Effects of salicylic acid and gibberellin seed soaking treatments on bud growth of Elymus nutans under PEG-6000 stress

2.5 浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子发芽指数的影响

由图5可知,随着PEG-6000浓度增加,砂培垂穗披碱草发芽指数呈显著降低趋势(p<0.05)。浓度为50 mg/L的SA浸种处理可提高砂培垂穗披碱草发芽指数,达50.6;低浓度GA(50 mg/L、75 mg/L)处理可提高砂培垂穗披碱草种子发芽指数,其中75 mg/L浓度最佳,发芽指数为63.2。

图5 SA、GA浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子发芽指数影响Fig.5 Effects of salicylic acid and gibberellin soaking treatments on the germination index of Elymus nutans under PEG-6000 stress

图6 SA、GA浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子活力指数影响Fig.6 Effects of salicylic acid and gibberellin soaking on the vigor index of Elymus nutans under PEG-6000 stress

表1 隶属函数值及排序Table 1 Membership function values and ordering

2.6 浸种处理对PEG-6000胁迫下砂培垂穗披碱草种子活力指数的影响

由图6可知,随着PEG-6000浓度增加,砂培垂穗披碱草种子活力指数呈显著降低趋势(p<0.05)。浓度为50 mg/L的SA浸种处理可提高砂培垂穗披碱草活力指数,达538.2;低浓度GA(50 mg/L、75 mg/L)处理可提高砂培垂穗披碱草活力指数,其中75 mg/L浓度最佳,发芽指数为724.96。

2.7 隶属函数分析

由表1可知,经隶属函数分析砂培条件播种垂穗披碱草,在未采用PEG-6000胁迫与5%、10%、15%的PEG-6000胁迫时, 75 mg/L GA处理表现最佳;20%PEG-6000胁迫时,50 mg/L GA处理表现最佳。

3 讨 论

低浓度的SA、GA浸种处理均可有效提高砂培西藏野生垂穗披碱草种子发芽率、发芽势,但高浓度处理较低浓度处理则会抑制种子萌发。低浓度SA浸种处理可促进砂培垂穗披碱草根长生长,但随着PEG-6000浓度升高,根长呈显著降低趋势(p<0.05),这可能与PEG-6000溶液使试验用沙出现板结的情况有关,PEG-6000浓度升高板结情况越严重;与根长生长情况相同,低浓度SA 浸种处理,可以促进砂培垂穗披碱草芽长生长。各浓度GA浸种处理可有效促进砂培垂穗披碱草根长生长,随着GA溶液浓度的升高,垂穗披碱草根长越长;与根长生长情况相同,GA浸种处理可有效促进砂培垂穗披碱草芽长生长,GA溶液浓度的升高,垂穗披碱草芽长越长。通过隶属函数分析,沙地播种垂穗披碱草前,可根据当地沙土含水量情况,选用适宜浓度的 GA 浸种处理。

本试验中砂培种子萌发率低于培养皿试验[21],其主要原因可能是浇水时间间隔过长,沙中含水量较长时间低于10%,影响种子萌发。由于沙土保水能力较差,因此沙中含水量变化符合沙地实际情况,具有一定实际意义。目前,国内关于砂培用PEG-6000胁迫的研究较少,其主要原因可能是砂培蒸发量较大,若补充PEG-6000溶液,则会导致沙中PEG-6000含量不断升高,本试验采取称重法,以补充蒸馏水的形式保证砂培中溶液浓度。

4 结 论

砂培降低了西藏野生垂穗披碱草的发芽率及发芽势,且砂培试验中PEG-6000的胁迫显著降低垂穗披碱草发芽率(p<0.05)。SA 50 mg/L、GA 75 mg/L 浸种处理可显著提高垂穗披碱草种子发芽率,两种溶液浓度过高则会抑制垂穗披碱草种子萌发。并且50 mg/L SA与所有浓度的GA浸种处理均可促进垂穗披碱草根、芽的生长。因此在需要牧草播种快速生根的沙区,可选择较高浓度的GA溶液浸种处理。通过隶属函数分析,本试验中可缓解中度及轻度干旱胁迫对砂培垂穗披碱草抑制作用,促进垂穗披碱草种子萌发、根长、芽长生长的最适宜浓度与溶液为75 mg/L GA;重度干旱胁迫(15%、20% PEG-6000)最适宜浓度与溶液分别为125 mg/L GA、50 mg/L GA。