干旱和鹽堿脅迫對兩個品種番茄種子萌發的影響

文丹丹, 何浩浩, 王鑫超, 張晴晴, 王婷婷, 黃文娟,2,

(1.塔里木大學生命科學與技術學院, 新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木盆地生物資源保護利用省部共建國家重點實驗室, 新疆 阿拉爾 843300;3.塔里木大學農學院, 新疆 阿拉爾 843300; 4.塔里木大學園藝與林學學院, 新疆 阿拉爾 843300)

在自然界中存在著大量的逆境脅迫因素,這些因素會在一定程度上影響植物的生長,其中最常見的兩種因素是高鹽和干旱,高鹽脅迫和干旱脅迫不僅會影響作物的產量,而且過度的鹽脅迫和干旱脅迫會對植物造成不可逆的致死性傷害[1]。植物對高鹽和干旱環境的適應是一個很復雜的過程,研究植物種子對鹽脅迫和干旱脅迫的響應是探索這一復雜過程的基礎。

番茄(SolanumlycopersicumL.)是茄科(Solanaceae)番茄屬(SolanumL.)一年生草本植物,含有多種營養成分,有較豐富的維生素、無機鹽、碳水化合物、有機酸及少量蛋白質、脂肪。特別是所含的維生素C、維生素B2是蘋果的2倍,脂肪、維生素B1相當于蘋果的3倍,胡蘿卜素則高于蘋果4倍,煙酸含量為果菜之冠;鈣、磷、鐵、硼、錳、銅等含量豐富;此外還含有谷胱甘肽、番茄素、番茄堿和檸檬酸、蘋果酸等活性物質[2]。黃虎皮和綠羅成2個番茄品種在東北地區生長,具有糖分含量高、口感好、皮薄肉厚等優良性狀,是極佳的鮮食品種。南疆地區市場上的番茄以紅色品種為主,還有少量黃色品種。

南疆屬于干旱鹽堿地區,年平均溫度較低(10 ℃左右),空氣干燥,夏季4—6月多風。降雨量少,年僅60 mm左右。蒸發量大,年可達2 500 mm左右。年日照時數達2 800 h[3]。本研究通過室內發芽試驗的方法,設置不同濃度梯度的鹽堿和PEG-6000溶液模擬不同程度的鹽脅迫和干旱脅迫,在單因素下,對黃虎皮和綠羅成番茄的種子萌發規律進行比較,探究其對南疆地區干旱和鹽堿化土壤的適應性,為進一步在南疆種植該番茄品種提供前期參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗分別選用大小均勻、顆粒完整的黃虎皮和綠羅成番茄種子。野外采集鹽殼,溶于水后經過濾、烘干,研磨得到白色鹽堿粉末。

1.2 試驗方法

先用濃度3%的次氯酸鈉(NaClO)溶液浸泡種子5 min,進行消毒,之后用自來水清洗3遍,再用蒸餾水清洗3遍,隨后用蒸餾水浸種4～6 h,浸種結束撈出,分散放置于鋪有3層濾紙的培養皿中在恒溫培養箱進行培養[4]。每個培養皿40粒種子,分別滴加6 mL濃度為0(ck),5%,10%,15%,20%,25%的PEG溶液,0(ck),0.25%,0.5%,0.75%,1%,1.25%的鹽堿溶液潤濕濾紙[5]。每個濃度設置3個重復。處理后將培養皿放置在恒溫培養箱進行萌發。設置參數為:溫度 25 ℃/15 ℃(晝/夜),光照12 h/12 h(晝/夜),濕度為50%。從第2天開始每隔1d定時向每個培養皿加入蒸餾水補充蒸發掉的水分,每隔3 d換一次濾紙。每天定時觀察并記錄每個培養皿的種子發芽個數(以種子胚根長度達到種子長度1/2作為發芽標準),待發芽高峰期過后,如果連續3 d內無種子發芽視為萌發結束[6]。

1.3 測定指標

發芽率/%=(發芽種子的總數/供試種子總數)×100%[3];

發芽勢/%=(發芽高峰期發芽的種子數/供試種子總數)×100%[3];

平均發芽速度=∑(D×n)/∑n,D為種子置床之日起的天數,n為相應各日正常發芽粒數[3];

發芽指數=∑(Gt/Dt),Gt代表第t天發芽的種子數,Dt代表相應的發芽天數[3];

活力指數=發芽指數(GI)×胚根長[8];

平均發芽速率=(∑D×n)/∑n,D為種子置床之日起的天數,n為相應各日正常發芽粒數[8];

含水率/%=[(Wf-Wd)/Wd]×100%,Wf為鮮重(g);Wd為干重(g)[1](種子發芽培養結束后)。

1.4 數據處理

使用SPSS軟件對數據進行標準誤和方差分析;用Excel2016和Origin軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子萌發的影響

在植物學研究中,發芽勢、發芽率、發芽指數是反映種子質量優劣的主要指標[9]。發芽勢高的種子播種后出苗快速、整齊,發芽率和發芽指數高,表示種子生活力強。

2.1.1不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子發芽率的影響

由圖1可知,隨PEG-6000濃度的升高,綠羅成和黃虎皮發芽率均呈下降趨勢。5%,10%,15%三個濃度處理的綠羅成種子發芽率較對照組分別下降19.17%,39.17%和60%;黃虎皮發芽率較對照組發芽率分別下降12.5%,20.83%,48.33%。20%和25%的PEG-6000濃度處理時,綠羅成和黃虎皮發芽率較對照組都出現斷崖式下降。其中綠羅成分別下降61.67%,62.5%,黃虎皮分別下降90.83%,93.33%。

圖1 不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子發芽率的影響

當PEG濃度為25%時,2個品種番茄種子皆不發芽,這說明對兩品種番茄種子萌發產生顯著抑制(p<0.05)。當PEG濃度>15%時,黃虎皮發芽率低于50%。從對照組來看,綠羅成發芽率較黃虎皮發芽率低30.83%。說明,當PEG濃度達到15%,會對黃虎皮發芽率產生顯著性抑制。而綠羅成整體發芽率比黃虎皮低,說明綠羅成種子生命活力差,耐干旱能力弱。

2.1.2不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子發芽勢的影響

由圖2可知,當PEG濃度≥15%時,2個番茄品種發芽勢出現顯著變化,皆在整體發芽高峰期后才進行萌發,發芽勢均為0。綠羅成的發芽勢隨PEG濃度的上升整體呈下降趨勢,黃虎皮發芽勢隨PEG濃度的增加呈先上升后下降的趨勢。綠羅成5% PEG處理后,較對照組低24.17%;10% PEG處理后,較對照組低30.84%。黃虎皮10% PEG處理組較對照組降低25.83%,較5%處理組顯著下降35%(p<0.05)。5% PEG處理時發芽勢較對照組高9.17%。綠羅成對照組發芽指數低于黃虎皮發芽勢10%。從發芽勢來看,黃虎皮的耐旱程度比綠羅成好。

圖2 不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子發芽勢的影響

圖3 不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子發芽指數的影響

2.1.3不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子發芽指數的影響

整體上來看,黃虎皮和綠羅成的發芽指數隨PEG-6000濃度的增加而遞減。發芽指數的最大值都出現在對照組,且綠羅成較黃虎皮低2.75。隨PEG濃度升高,與對照相比,黃虎皮發芽指數分別下降0.81,2.38,4.21,而綠羅成分別下降1.67,2.84,3.87。黃虎皮在20% PEG處理時,種子發芽指數顯著下降(p<0.05),較對照組下降6.63。綠羅成20% PEG處理時,種子發芽指數顯著下降(p<0.05),較對照組下降3.95。當PEG濃度為25%時,綠羅成和黃虎皮發芽指數均為0。說明,綠羅成對PEG干旱脅迫敏感性強于黃虎皮。

2.1.4不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子發芽時間與平均發芽速率的影響

由表1可知,當PEG濃度增加時,與對照組相比,綠羅成種子的萌發起始時間有所延遲,其中5% PEG處理與對照組差異極微。PEG濃度≥10%,綠羅成種子萌發起始時間延遲1～3 d,同時萌發高峰期會推遲1～2 d;黃虎皮種子的萌發初期與對照組相比往后推延1～5 d,而萌發高峰期后延0～3 d。

表1 不同濃度PEG溶液處理下2個品種番茄種子發芽時間與平均發芽速度

當PEG溶液濃度≤10%時,綠羅成種子發芽平均速度隨著PEG濃度的增加而增加。黃虎皮隨著PEG濃度升高,平均發芽速度數值增大,說明種子的出芽速度減慢,即種子的發芽能力受到抑制。當PEG溶液濃度≥15%,平均速度為7.00 d,相比對照組,二者增加明顯,說明種子出芽被抑制。當PEG濃度為20%時,當PEG濃度為25%時,二者皆不發芽,說明種子萌發被完全抑制。整體上來看黃虎皮比綠羅成先發芽,發芽速度較快。

2.1.5不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子萌發的毒害作用

在15%,20%,25% PEG處理組連續3 d發芽總數為0后,在實驗第11天為驗證PEG對該番茄種子萌發是否存在毒性,進行復水實驗,以蒸餾水培養。隨著PEG濃度的上升,綠羅成發芽率復水后相比復水前分別增加13.33%,30.83%,36.67%,37.5%,26.67%,49.17%,其中25%PEG濃度復水前后增長最大。黃虎皮發芽率復水后比復水前分別增加3.33%,9.17%,15%,48.33%,91.67%,92.5%,可明顯看出,當PEG濃度≥20%時,復水后發芽率爆發式增長。從圖4、圖5可直觀看出,在同等14 d的時間內,黃虎皮幾乎全部發芽,綠羅成發芽總數低于黃虎皮,說明黃虎皮整體發芽率優于綠羅成,PEG溶液對綠羅成和黃虎皮種子的生長只存在抑制,幾乎無毒害作用。

圖4 不同PEG濃度處理對綠羅成種子的毒害作用

圖5 不同PEG濃度處理對黃虎皮種子毒性的影響

2.1.6不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子發芽進程的影響

圖6反映的是不同濃度PEG處理下,綠羅成種子的發芽進程 。試驗前3 d,所有種子未發芽。在3 d之后,對照組發芽總數持續上升,明顯優于其他處理組。在試驗第5天,綠羅成種子0.5%的PEG濃度處理下,出現萌發高峰期,10%,15%的PEG濃度處理下,種子萌發高峰期推遲至第6天,20%的PEG濃度處理下,種子萌發高峰期推遲至第7天,說明隨著PEG濃度的增大,綠羅成種子萌發隨之延遲。15%,20%的PEG濃度處理下萌發數極低,25%的PEG濃度處理下,種子未發芽,說明當濃度高于15%會極大抑制種子發芽。

圖6 不同PEG濃度處理下綠羅成種子發芽進程

圖7可見,試驗前2 d,所有處理均未發芽。在實驗第3天開始,隨著PEG濃度的升高,發芽總數逐漸降低,說明高濃度對黃虎皮種子發芽有抑制作用。在實驗第5天,黃虎皮種子達到萌發高峰期,而5%和10%的PEG濃度處理下,萌發高峰期與對照組無差異。15%和20%的PEG濃度處理下,黃虎皮種子萌發高峰期分別推延至第7天和第8天。而在第4天,PEG濃度為5%的處理組發芽總數略高于對照組,并且PEG為5%的濃度下,黃虎皮種子與對照組發芽情況相差不大,說明黃虎皮種子可能耐輕微干旱。PEG為25%的濃度處理下,種子整個過程未發芽。

圖7 不同PEG濃度處理下黃虎皮種子發芽進程

2.1.7不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子含水率的影響

由圖8可看出,隨PEG濃度升高,綠羅成和黃虎皮種子含水率隨之下降。與對照組相比,當PEG濃度為5%時,含水率基本無差別。整體上黃虎皮下降趨勢較綠羅成更為明顯。當PEG濃度≥15%時,黃虎皮含水率出現明顯下降,分別下降12.56%,14.76%,15.50%。當PEG濃度≥10%時,綠羅成含水率出現明顯下降,分別下降1.06%,1.45%,2.38%,5.36%。黃虎皮對照組含水率高于綠羅成對照組含水率1.49%,當PEG濃度≥15%時,黃虎皮和綠羅成出現顯著差異。黃虎皮含水率分別高于綠羅成12.59%,13.87%,11.63%。

圖8 不同PEG濃度處理對2個品種番茄種子含水率的影響

2.2 不同鹽堿溶液對2個品種番茄種子萌發的影響

2.2.1不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子發芽率的影響

由圖9可知,隨著鹽堿濃度的升高,綠羅成發芽率呈現ck>0.5%>0.25%>0.75%。說明低濃度(0.5%)的鹽堿對綠羅成發芽率起促進作用。而當鹽堿濃度>1%時,綠羅成發芽率與對照組相比差異顯著(p<0.05),說明種子發芽被抑制。相比對照組,0.25%,0.5%,0.75%,1%的鹽堿濃度處理下,黃虎皮發芽率在90%以上,在1.25%的鹽堿濃度處理下,發芽率低于90%,說明實驗中最高濃度對黃虎皮發芽率有輕微抑制作用。整體上黃虎皮發芽率優于綠羅成種子發芽率,也更耐鹽堿。

圖9 不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子發芽率的影響

2.2.2不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子發芽勢的影響

2個品種番茄發芽勢均隨鹽堿濃度升高而呈現下降趨勢(圖10)。與對照組相比,0.25%的鹽堿濃度處理下,綠羅成發芽勢下降14%,黃虎皮則差異不顯著;0.5%的鹽堿濃度處理下,綠羅成發芽勢下降15%,黃虎皮下降51.67%;當鹽堿濃度≥0.75%時,與對照組相比綠羅成發芽勢下降43%～47%,黃虎皮發芽勢下降48.33%～64.17%,二者差異顯著(p<0.05)。由此可見,當鹽堿濃度≥0.5%時,會對綠羅成和黃虎皮種子的生活力產生明顯的抑制作用。當鹽堿濃度<0.5%時,黃虎皮發芽勢明顯優于綠羅成。鹽堿濃度為1.25%時,二者發芽勢均為0,說明高濃度會抑制2個品種種子發芽。而0.75%的鹽堿處理下,黃虎皮發芽勢高于0.5%和1%處理,可能因為后期處理時,水分控制有誤差。

圖10 不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子發芽勢的影響

2.2.3不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子發芽指數的影響

由圖11可知,隨著鹽堿濃度的增加,2個品種的發芽指數總體呈現下降趨勢。與對照組相比,鹽堿濃度為0.25%與0.5%的處理下,綠羅成發芽指數分別下降0.83,0.91;黃虎皮0.25%處理差異不明顯,0.5%處理下降51.67%。黃虎皮在鹽堿濃度>0.5%時,開始出現明顯差異。綠羅成在鹽堿濃度>0.75%時,出現明顯差異。但在同等濃度下,黃虎皮發芽指數分別高于綠羅成發芽指數4.76,5.21,2.75,4.14,3.60,2.67。

圖11 不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子發芽指數的影響

2.2.4不同鹽堿濃度處理下對2個番茄種子發芽時間與平均發芽速度的影響

由表2可知,在對照組上,黃虎皮比綠羅成提前1 d發芽。在5%的鹽堿濃度處理下,二者與對照組差異極微。隨著鹽堿溶液濃度的提高,與ck相比,綠羅成種子的起始發芽時間向后推延0～6 d,發芽高峰期向后推延0～4 d;黃虎皮種子的起始發芽時間向后推延1～6 d,發芽高峰期后延0～7 d。從平均發芽速度來看,隨著鹽堿溶液濃度的升高,發芽速度逐漸趨于緩慢。黃虎皮的平均發芽速度比綠羅成快0.2～3.98 d。隨著鹽堿溶液濃度的升高,其差異也逐漸減小。說明,當鹽堿溶液濃度>0.75%會對番茄種子產生抑制。從整體來看,黃虎皮更耐鹽堿。

表2 不同鹽堿濃度處理下2個品種番茄種子發芽時間與平均發芽速度

2.2.5不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子含水率的影響

由圖12可知,黃虎皮含水率大于綠羅成含水率。并且隨鹽堿濃度升高,種子整體含水率隨之下降。與對照組相比,當鹽堿濃度為0.25%時,2種番茄含水率下降差異均不明顯;當鹽堿濃度為0.5%時,綠羅成下降7.71%,黃虎皮下降1.88%;鹽堿濃度為0.75%時,綠羅成下降13.25%,黃虎皮下降3.16%;鹽堿濃度為1%時,綠羅成下降13.25%,黃虎皮下降9.30%;當鹽堿濃度為1.25%時,含水率下降17.20%,出現顯著性差異(p<0.05)。

圖12 不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子含水率的影響

2.2.6不同鹽堿濃度處理對2個品種番茄種子發芽進程的影響

由圖13和圖14可知,隨著鹽堿濃度的升高,黃虎皮種子的生長趨勢為0.5%>0.75%>1%>1.25%,同時最終發芽數都趨于試驗總數,只在發芽初始期和高峰期隨濃度升高相應延遲。綠羅成鹽堿濃度為0.25%和0.5%的處理組,萌發初始時期相差1 d,而萌發總數幾乎無差異。鹽堿濃度為1%的處理下,在第9天開始快速萌發;鹽堿濃度為1%和1.25%的處理下,在第12天開始萌發。

圖13 不同鹽堿濃度處理下綠羅成種子發芽進程

圖14 不同鹽堿濃度處理下黃虎皮種子發芽進程

在相同試驗天數內,黃虎皮在第11天低濃度發芽總數為0,趨近于應試總數,綠羅成則生長緩慢。黃虎皮后期每天的出芽總數基本重疊。說明鹽堿溶液對發芽率影響較低,對發芽時間有著明顯的抑制作用。而綠羅成1.25%組,在12 d才發芽,說明高濃度鹽堿對綠羅成種子發芽時間有顯著抑制作用。綜上所述,黃虎皮的抗鹽堿能力強于綠羅成。

3 討論與結論

隨著PEG溶液濃度的上升,黃虎皮和綠羅成的發芽率、發芽勢、發芽指數、含水率均逐漸下降。這與高昆和張明陽[10]在干旱對番茄萌發的研究中的結論一致。從整體來看,與對照相比,當PEG濃度較低時,抑制作用不明顯;當PEG濃度越高時,抑制作用越明顯,種子萌發受到的抑制越強烈。綠羅成在低濃度處理下,也遠不如黃虎皮種子具有活力,對照組綠羅成在各指標上也低于黃虎皮。在未進行復水實驗時,黃虎皮發芽率高于綠羅成,在進行復水實驗后,黃虎皮發芽率在90%以上。黃虎皮從發芽速度,首次發芽天數,種子活力來看都優于綠羅成,其中5%濃度處理的發芽勢優于其他實驗組,說明低濃度處理可能促進黃虎皮生長,其也更具有耐旱的品質。趙國驥等[11]對藥用PEG的毒性展開了研究,發現其PEG-4000和PEG-6000在短期和長期藥用上并無毒性,張云貴和謝永紅[12]在PEG研究綜述中提到,PEG-6000誘導水分逆境所得的效果與將土壤逐步干旱是一樣的,唯有PEG-4000具有毒副作用。本試驗在復水后,種子發芽率迅速增長,在高濃度處理下黃虎皮出現爆發式增長。說明PEG對于植物的毒害作用幾乎不存在。這與趙國驥等[11]和張云貴等[12]的研究結論一致。

0～0.25%的鹽堿濃度對番茄種子生長影響不大,這與戴偉民等[13]在對番茄抗鹽堿的研究中提出小于0～0.2%的鹽堿濃度其種子萌發和幼苗生長影響不大的濃度相差微小。

從整體來看,隨著PEG濃度和鹽堿溶液濃度上升,黃虎皮和綠羅成各項指標對比對照組隨之下降。發芽率、發芽勢、發芽指數、含水率、平均發芽速率、發芽時間等指標黃虎皮都遠優于綠羅成。不同濃度的PEG和鹽堿溶液對黃虎皮的發芽率差異不顯著。但2個品種番茄其發芽勢和發芽指數在>0.25%濃度后逐漸下降,差異顯著。在同等時間內,黃虎皮對照組發芽總數優先達到應試種子數,而綠羅成發芽總數較低。說明該番茄具有一定的耐鹽堿、耐旱能力,其中黃虎皮耐鹽堿和耐旱能力強于綠羅成。

綜上所述,黃虎皮對干旱和鹽堿都具有較強的抗逆性,更適宜在南疆種植。本次種子萌發的測試僅在實驗室進行,關于黃虎皮和綠羅成在田間種植的生長生理指標的測定目前還沒有明確的研究。