作物杂志, 2019, 35(6): 187-194 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.030

种子科技

盐胁迫对膜荚黄芪种子萌发的影响

戈珍梅, 刘治国, 赵露, 张晓宇, 刘桂霞

河北大学生命科学学院,071002,河北保定

Effects of Salt Stress on Seeds Germination of Astragalus membranaceus

Ge Zhenmei, Liu Zhiguo, Zhao Lu, Zhang Xiaoyu, Liu Guixia

College of Life Science, Hebei University, Baoding 071002, Hebei, China

通讯作者: 刘桂霞,教授,主要从事草地生态、恢复生态学研究

收稿日期: 2019-06-13   修回日期: 2019-09-8   网络出版日期: 2019-12-15

基金资助: 河北省现代农业产业技术体系草业创新团队项目资助(HBCT2018160204)
坝上草原重要牧草种质资源筛选与创新技术研究(18227530D)
河北大学自然科学研究计划项目(2014-299)

Received: 2019-06-13   Revised: 2019-09-8   Online: 2019-12-15

作者简介 About authors

戈珍梅,本科生,主要从事草地生态学研究 。

摘要

为了保护并开发膜荚黄芪,同时改良盐碱地,研究了3种不同盐(中性盐NaCl、碱性盐Na2CO3和复盐)对膜荚黄芪种子发芽率、发芽势、抗氧化酶活性、丙二醛含量、可溶性蛋白质含量和相对电导率的影响。结果表明,不同盐胁迫对膜荚黄芪种子的影响不同,随着盐浓度的增加,黄芪种子的发芽率和发芽势逐渐降低;低浓度的NaCl和复盐可提高抗氧化酶活性,Na2CO3处理随着其浓度增加对抗氧化酶活性的抑制作用增强;各处理均增大了丙二醛含量和相对电导率;NaCl和复盐处理降低了膜荚黄芪种子可溶性蛋白含量,Na2CO3处理的可溶性蛋白含量随盐浓度增加而增加,综合各项指标可得同等盐浓度条件下胁迫作用由强到弱为Na2CO3>NaCl>复盐。

关键词: 膜荚黄芪 ; 盐胁迫 ; 种子萌发

Abstract

In order to protect and develop Astragalus membranaceus and improve saline-alkali land, the effects of 3 kinds of salt treatments (NaCl, Na2CO3 and compound salt), the germination rate, germination potential, antioxidant enzyme activity, malondialdehyde (MDA) content, soluble protein content and relative conductivity were analyzed. The results showed that, different salt stress on A. membranaceus seeds has different effects. With the increase of concentration of salt, the germination potential and germination rate of A.membranaceus seed decreased gradually. Low concentration of NaCl and compound salt promoted the activity of antioxidant enzymes, and the inhibition of Na2CO3 against oxidase activity increased with the increase of Na2CO3 concentration. MDA content and conductivity were increased in each treatment. NaCl and compound salt reduced the content of soluble protein in A. membranaceus seeds. The content of soluble protein in Na2CO3 treatment increased with the increase of Na2CO3 concentration. The results showed that the stress effect from strong to weak is Na2CO3 , NaCl, compound salt at the same concentration.

Keywords: Astragalus membranaceus ; Salt stress ; Seed germination

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本文引用格式

戈珍梅, 刘治国, 赵露, 张晓宇, 刘桂霞. 盐胁迫对膜荚黄芪种子萌发的影响[J]. 作物杂志, 2019, 35(6): 187-194 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.030

Ge Zhenmei, Liu Zhiguo, Zhao Lu, Zhang Xiaoyu, Liu Guixia. Effects of Salt Stress on Seeds Germination of Astragalus membranaceus[J]. Crops, 2019, 35(6): 187-194 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2019.06.030

土壤盐碱化是一个严重的生态问题,截止到2016年底全球约有9.6亿hm2的土地出现不同程度的盐碱化[1],并且每年还在不断增加。中国2016年约有9 913万hm2的盐碱化土地,占耕地面积的10%[2],其中北方盐碱地面积占总耕地面积15%,且北方盐碱地多为复合盐碱地,盐化与碱化并存,碱性盐相较于中性盐具有更大的生态破坏力[3]。为了应对这一问题,改善北方地区生态环境,政府出台一系列政策大力支持盐碱土地资源的开发利用和盐水灌溉土地的发展。相关研究包括盐碱地理化性质试验、土壤水盐运动[4,5,6]、盐碱地工程治理[7]、盐碱地植物改良[8]和盐碱化风险[9]等。综合分析前人的研究结果发现,常规的土壤改良方法耗资耗时且浪费水资源,植物修复改良是盐碱化土地恢复最经济有效的措施。

白洋淀是华北地区最大的淡水湖泊,位于河北省中部,拥有丰富的生物种类,对维护区域生态安全具有重要作用[10]。受自然环境因素的影响,白洋淀植物大都同时受到盐、碱两种侵害,且近几年来由于种植和养殖活动频繁[11],许多野生动植物资源遭到破坏,急需有效的措施来保护野生资源多样性,同时为从事种植和植物资源开发的人员提供理论参考,增加经济效益。因此,采取生物途径,深入了解盐碱害机理,提高作物耐盐、耐碱性,大幅度提高盐碱土作物产量,以利于可持续发展。

膜荚黄芪(Astragalus membranaceus)学名黄耆,属豆科植物,性喜阳,适应性强,在白洋淀岸边和堤坝上有分布,具有相当高的药用价值,以根入药,主根肥厚,木质,常分支,灰白色,属补益药类。传统中医药理论认为,膜荚黄芪具有益气升阳、行气利水、 固表止汗等作用[12]。现代医学研究证实,膜荚黄芪具有增强机体免疫力、保肝、利尿、抗衰老、抗应激、降压和较广泛的抗菌作用[13]。膜荚黄芪以种子繁殖为主,种子质量的优劣直接影响中药材的产量和药用效果,且野生资源在大量采挖的情况下日渐稀少,急需进行人工栽培繁殖。已有在膜荚黄芪生长发育方面的研究[14,15],但用混合盐碱胁迫处理膜荚黄芪的研究较少,而此类胁迫最为常见。

本研究通过用不同种类、不同浓度的盐溶液处理膜荚黄芪种子,观察测定萌发阶段种子发芽率、萌发活力指数、抗氧化酶活性、丙二醛(MDA)含量等的变化,研究膜荚黄芪种子萌发对不同盐胁迫的适应能力,为膜荚黄芪在盐碱地上的栽培和开发利用提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

材料为野生膜荚黄芪种子,2017年7月采自临近白洋淀端村聚荷园岸边台。种子取回后清洗晒干,放于4℃冰箱中保存。试验前一天从冰箱中取出存放于黑暗处。试验前测定种子千粒重为4.16g,之后用80℃的水浸泡种子20min,软化种皮促进发芽,种子自然条件下发芽率在80%左右。

1.2 试验设计与方法

分别配制NaCl、Na2CO3以及复盐(主要成分为50% NaCl、30% Na2SO4、10% NaHCO3、10% Na2CO3)3种盐溶液,每种盐分均设4个浓度梯度:0、0.3%、0.6%、0.9%,每处理8次重复。在铺有双层灭菌滤纸的培养皿中放置50粒经消毒灭菌的种子和15mL不同浓度处理的盐溶液,在25±5℃人工气候光照培养箱中培养,隔天定时换液一次,以防止试验过程中水分蒸发使盐浓度发生变化。从第2天开始每天记录每个处理的种子发芽数量(以种子露白为发芽标准),直至第15天膜荚黄芪种子不再萌发为止,以蒸馏水处理作为对照(CK)。

1.3 各项指标的测定方法及计算公式

胚根长:每处理取10株用刻度尺测量胚根长度,求平均值;百粒鲜重:用电子天平称量种子及幼苗的质量。

采用氮蓝四唑光还原法[16]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈创木酚法[17]测定过氧化物酶(POD)活性;采用紫外吸收法(OD240[18]测定过氧化氢酶(CAT)活性;采用硫代巴比妥酸法[19]测定MDA含量;采用考马斯亮蓝染色法[20]测定可溶性蛋白含量。

质膜相对透性(采用电导仪法,用相对电导率表示):R1/R2×100%。(R1表示室温下放置3h后溶液的电导率;R2表示100℃煮沸20min后冷却到室温溶液的电导率)[21];

发芽指数Gi=∑(Gt/Dt)(Gt:每日发芽种子个数,Dt:相应的发芽天数)[22];

萌发活力指数Vi=S·Gi(S:百粒种子平均鲜重)[23]

相对叶绿素含量(SPAD):每种处理取10株由SPAD-502 Plus叶绿素测定仪测定SPAD值,并计算平均值。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0软件进行数据分析,采用MicrosoftExcel 2010软件对分析结果进行绘图。

2 结果与分析

2.1 发芽率

图1可知,除0.3%的NaCl溶液促进种子萌发外,其他处理与对照组相比,种子发芽率均降低。Na2CO3和复盐处理,随着盐溶液浓度的增加,发芽率显著降低(P<0.05);NaCl处理的种子发芽率随着盐浓度增加呈现先上升后下降的趋势,0.3%盐浓度条件下种子发芽率比对照组增加10%左右,随着盐浓度增加发芽率显著降低,且低于对照组。0.3%盐浓度条件下,种子萌发率由高到低为NaCl、复盐、Na2CO3处理,NaCl和其他2种盐处理之间差异显著;0.6%和0.9%盐浓度条件下,种子萌发率由高到低为复盐、NaCl、Na2CO3处理,差异显著(P<0.05);0.9%盐浓度条件下,Na2CO3处理种子发芽率最低,为37.3%,比对照组低51.8%。

图1

图1   盐胁迫对膜荚黄芪种子发芽率的影响

不同大写字母表示同一盐分不同浓度处理间有显著差异(P<0.05);不同小写字母表示同一盐浓度不同盐分胁迫条件下差异显著(P<0.05)。下同

Fig.1   Effects of salt stress on seed germination rate of A. membranaceus

Different capital letters indicate the significant difference among different concentration treatments of the same salinity (P<0.05). Different small letters indicate the significant difference among different salinity stress of the same salt concentration (P<0.05). The same below


2.2 发芽势、发芽指数、萌发活力指数

表1可知,盐胁迫显著影响了膜荚黄芪的发芽势、发芽指数和萌发活力指数(P<0.05)。

表1   盐胁迫对膜荚黄芪种子萌发的影响

Table 1  Effects of salt stress on seed germination of A. membranaceus

盐分
Salinity
浓度(%)
Concentration
发芽势(%)
Germination potential
发芽指数
Germination index
萌发活力指数
Germination vitality index
CK72.0±1.15Ba28.0±1.46Aa35.5±2.33Aa
0.362.0±1.15Bb23.8±0.68Ba32.2±3.06Aa
Na2CO30.648.7±0.67Cc18.3±1.77Ca25.6±5.17ABa
0.937.3±2.40Db12.9±0.90Dc14.9±1.97Cb
0.381.3±1.76Aa26.0±0.70Aa35.1±1.00Aa
NaCl0.654.7±0.67Cb20.3±0.50Ba28.3±3.80Aa
0.944.0±1.15Da15.8±1.71Cb20.2±1.83Ba
0.365.3±1.33Bb24.6±0.82ABa34.3±0.39Aa
复盐Compound salt0.658.7±0.67Ca20.2±1.67BCa32.8±1.88Aa
0.946.7±1.33Da18.3±2.13Ca16.1±1.47Bb

Note: Different capital letters indicate the significant difference among different concentration treatments of the same salinity (P<0.05); Different small letters indicate the significant difference among different salinity stress of the same salt concentration (P<0.05). The same below

注:不同大写字母表示同一盐分不同浓度处理间差异显著(P<0.05);不同小写字母表示同一盐浓度不同盐分胁迫条件下差异显著(P<0.05)。下同

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0.3%的NaCl处理,种子发芽势高于对照组,其他处理的发芽势、发芽指数和萌发活力指数均低于对照组。同种盐处理,随着盐浓度的增加,发芽势、发芽指数以及萌发活力指数逐渐降低。0.3%盐浓度条件下,发芽势为NaCl>复盐>Na2CO3,Na2CO3和复盐之间差异不显著;0.6%和0.9%盐浓度条件下,发芽势由大到小为复盐>NaCl>Na2CO3,差异显著(P>0.05)。

发芽指数和萌发活力指数在相同盐浓度条件下均为Na2CO3处理最低,各处理间差异不显著。0.9%的Na2CO3处理发芽指数和萌发活力指数最低,分别为12.9和14.9。

2.3 耐盐性

耐盐指数和盐碱害指数可以综合反映出膜荚黄芪种子的耐盐性和受盐碱的危害程度。由表2可知,膜荚黄芪种子对低浓度的3种盐均有较高的耐受性,此条件下盐碱害指数较低。0.6%复盐处理膜荚黄芪种子依旧有较高的耐盐碱程度,而对中性盐和碱性盐的耐盐碱程度降低,盐碱害指数较0.3%盐浓度也相对增加。0.9%盐浓度处理,膜荚黄芪的耐盐碱程度由高到低分别为复盐、NaCl、Na2CO3,盐碱害指数正好相反。

表2   盐胁迫对膜荚黄芪种子的危害程度和其耐盐性

Table 2  Harmfulness and salt tolerance of A. membranaceus seeds under salt stress

盐分
Salinity
浓度(%)
Concentration
耐盐指数
Salt tolerance index
盐碱害指数(%)
Saline-alkali damage index
耐盐碱程度
Saline-alkali tolerance
耐盐碱等级
Saline-alkali tolerance grade
0.341.9714.00±0.02Ca高耐1
Na2CO30.632.8432.33±0.01Ba2
0.925.1448.33±0.03Aa中耐3
0.355.16-13.00±0.03Cb高耐1
NaCl0.637.1524.00±0.01Bb2
0.929.9139.00±0.02Ab2
0.344.379.33±0.02Ca高耐1
复盐Compound salt0.639.8318.33±0.01Bc高耐1
0.931.5835.00±0.02Ab2

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2.4 胚根长、百粒鲜重和相对叶绿素含量

2.4.1 胚根长 由表3可知,除0.3%浓度的NaCl和复盐外,其他处理组均与对照组有显著差异(P<0.05)。胚根长随着盐溶液浓度增加而降低。随着盐浓度增加,膜荚黄芪种子生长进度缓慢,不同盐分相同浓度时胚根长由大到小为NaCl、复盐、Na2CO3。随着Na2CO3浓度增加,胚根长缩短明显,0.3%浓度相对于对照组缩短26.9%;0.6%浓度相对于对照组缩短53.8%;0.9%浓度相对于对照组缩短69.2%,胚根长缩短为0.8cm。Na2CO3对根的毒害作用大,萌发后期基本停止生长。并且在试验过程中观察到,高盐分胚根根尖会变为褐色,0.9% Na2CO3处理变色最严重。

表3   盐胁迫对膜荚黄芪种子胚根长、鲜重和SPAD值的影响

Table 3  Effects of salt stress on seed radicle length, 100-grain fresh weight and SPAD value of A. membranaceus

盐分Salinity浓度Concentration (%)胚根长Radicle length (cm)百粒鲜重100-grain fresh weight (g)SPAD值SPAD value
CK2.6±0.05Aa1.42±0.11Aa27.94±1.91Aa
0.31.9±0.07Bb1.24±0.08ABa21.19±3.24Ba
Na2CO30.61.2±0.17Cc1.22±0.02ABa13.24±1.54Ca
0.90.8±0.08Cd1.02±0.10Bb8.12±0.96Db
0.32.9±0.05Aa1.35±0.07Aa21.66±1.67Ba
NaCl0.62.1±0.10Ba1.27±0.01Aa18.15±2.92BCa
0.91.7±0.05Ca1.24±0.05Aa15.19±1.64Ca
0.32.4±0.05Ab1.37±0.04ABa23.55±1.53Aa
复盐Compound salt0.62.2±0.09Ba1.26±0.04ABa16.85±1.41Ba
0.91.4±0.04Cb1.18±0.04Bab10.58±1.32Cb

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2.4.2 种子百粒鲜重 由表3可知,同种盐分处理,随盐浓度增加,种子百粒鲜重逐渐降低;相同盐浓度,NaCl和复盐对种子百粒鲜重的抑制效果相近,均低于Na2CO3对种子的抑制作用。Na2CO3处理百粒鲜重最低,0.9%浓度降低到1.02g,Na2CO3对膜荚黄芪种子毒害率最高,随盐浓度升高,盐胁迫抑制效果增加。

2.4.3 相对叶绿素含量(SPAD值) 由表3可知,除0.3%浓度的复盐处理外,相对叶绿素含量均显著低于对照组(P<0.05)。同种盐溶液处理随着盐浓度增加,相对叶绿素含量显著降低(P<0.05),0.9%浓度的Na2CO3处理SPAD值达到最低值为8.12。0.6%盐浓度条件下,SPAD值由高到低为NaCl、复盐、Na2CO3处理。

2.5 抗氧化酶活性和质膜相对透性

2.5.1 超氧化物歧化酶(SOD)的活性 盐碱胁迫下膜荚黄芪种子SOD活性由图2所示。NaCl和复盐处理组SOD活性均高于对照组,其中0.3%的复盐处理差异最显著,随着复盐浓度的增加,SOD活性呈下降趋势(P<0.05)。NaCl处理,随着盐浓度的增加,SOD活性逐渐升高。Na2CO3处理组随着盐浓度的增加,SOD活性逐渐降低。同一盐浓度时3种不同处理的SOD活性差异明显,0.3%盐浓度复盐处理SOD活性最高,0.9%盐浓度时NaCl处理SOD活性最高。

图2

图2   盐胁迫对膜荚黄芪种子SOD活性的影响

Fig.2   Effects of salt stress on the SOD activity of A. membranaceus seeds


总体上,NaCl和复盐处理可以诱导SOD活性升高,复盐处理以0.3%盐浓度升高最明显;Na2CO3处理随其浓度增加SOD活性降低(P<0.05),相同盐浓度时,SOD活性均显著低于其他2种盐处理。

2.5.2 过氧化物酶(POD)的活性 盐胁迫对膜荚黄芪种子的POD活性影响显著(P<0.05),如图3所示。Na2CO3和复盐处理POD活性均低于对照组,NaCl处理POD活性高于对照组,且随着盐浓度增加,差异显著,0.6% NaCl处理POD活性最高。0.6%的Na2CO3处理POD活性达到最低值。复盐处理随盐浓度增加活性降低显著。相同浓度条件下POD活性为NaCl>复盐>Na2CO3处理,0.3%和0.6%浓度时,不同盐分处理之间均有显著差异(P<0.05),0.9%浓度时,NaCl处理显著高于其他2种盐处理POD活性,但Na2CO3和复盐处理间的POD活性差异不显著。

图3

图3   盐胁迫对膜荚黄芪种子POD活性的影响

Fig.3   Effects of salt stress on the POD activity of A. membranaceus seeds


总体上,NaCl可以诱导POD活性升高,以0.6%NaCl处理升高最明显,POD高达19.1U/mg。复盐和Na2CO3处理POD活性降低,尤其以Na2CO3处理降低最显著,0.6% Na2CO3处理时低达3.2U/mg。

2.5.3 过氧化氢酶(CAT)的活性 盐碱胁迫下膜荚黄芪种子中CAT活性如图4所示。NaCl和复盐处理CAT活性均高于对照组,Na2CO3处理CAT活性低于对照组,随着盐浓度增加逐渐降低且差异显著。0.3%的复盐处理CAT活性最高,随着盐浓度增加CAT活性降低。NaCl处理CAT活性随着盐浓度增加为先上升后下降的趋势。0.3%盐浓度处理,复盐组的CAT活性最高为45.06U/mg。其他2种盐浓度时均为NaCl处理组最高,与SOD类似,NaCl和复盐增加CAT活性,Na2CO3对CAT活性有抑制作用。

图4

图4   盐胁迫对膜荚黄芪种子CAT活性的影响

Fig.4   Effects of salt stress on the CAT activity of A. membranaceus seeds


2.5.4 丙二醛(MDA)含量 如图5所示,相较于对照组各种盐处理胁迫下MDA含量均有上升,其中Na2CO3处理上升最为显著,且随着盐浓度增加而增加,当盐浓度从0.6%上升到0.9%时,MDA含量急剧上升,最高值高达3.35μmol/g FW,与其他处理差异显著(P<0.05)。NaCl处理除0.3%盐浓度时比对照组显著增加外,其他2个盐浓度均与对照组无显著差异。复盐处理随盐浓度增加而增加。相同盐浓度时不同盐处理以0.9%盐浓度时差异最为显著,MDA含量由大到小分别为Na2CO3>复盐>NaCl处理。

图5

图5   盐胁迫对膜荚黄芪种子MDA含量的影响

Fig.5   Effects of salt stress on the MDA content of A. membranaceus seeds


2.5.5 可溶性蛋白含量 如图6所示,不同盐处理膜荚黄芪种子可溶性蛋白含量变化趋势不一致,Na2CO3处理整体呈上升趋势,其他2种盐处理可溶性蛋白含量均低于对照组。Na2CO3处理可溶性蛋白含量高于其他2种盐处理,0.9% Na2CO3处理可溶性蛋白含量为对照组的2.1倍。结果表明,膜荚黄芪种子在不同盐分胁迫下可溶性蛋白的表达机制不同。

图6

图6   盐胁迫对膜荚黄芪种子可溶性蛋白含量的影响

Fig.6   Effects of salt stress on soluble protein content of A. membranaceus seeds


2.5.6 质膜相对透性 如图7所示,经3种盐胁迫后,相对电导率均有不同程度提高,具有盐浓度依赖性。相对电导率均显著高于对照组(P<0.05)。同种盐处理,相对电导率随盐浓度增加呈上升趋势。相同盐浓度时,相对电导率由大到小依次为Na2CO3>NaCl>复盐处理。本试验中0.9%的Na2CO3处理相对电导率达到最大值,近似于对照组的2倍。对种子的胁迫强度依次为Na2CO3>NaCl>复盐处理,盐浓度越高胁迫效果越明显。

图7

图7   盐胁迫对膜荚黄芪种子相对电导率的影响

Fig.7   Effects of salt stress on relative conductivity of A. membranaceus seeds


3 讨论

3.1 盐胁迫对种子萌发的影响

本研究通过萌发试验得出,同种盐分不同浓度处理时,膜荚黄芪种子发芽率均随处理梯度增加总体呈下降趋势。相同盐浓度不同盐分处理,发芽率不同,可以观察到,在0.9%盐浓度时,发芽率显著低于其他盐浓度处理。3种盐胁迫中,Na2CO3对膜荚黄芪种子抑制作用最强,且随盐浓度增加,抑制作用逐渐增强,高盐浓度时的NaCl抑制作用增强且大于同浓度的复盐处理。发芽率反映种子发芽的潜在能力,膜荚黄芪的发芽指数数据表明,0.3%的NaCl处理对种子萌发有促进作用,这与多数耐盐植物的研究结果相符[24,25],分析原因可能是低浓度NaCl溶液提供了适宜浓度的离子从而激活部分酶活性。萌发活力指数均随各盐浓度增加总体呈减小趋势,即高浓度盐碱显著降低了种子萌发速率、活力和出苗整齐度。本试验中同种盐浓度不同盐分处理组内,发芽势总体上排序为复盐>NaCl>Na2CO3处理,即碱性盐处理对种子萌发毒害显著大于中性盐处理或混合盐碱的共同处理,尤其在高浓度盐分胁迫时对种子活力和生长潜力影响明显。

3.2 对胚生长的影响

试验结果表明,种子胚根长、百粒鲜重和相对叶绿素含量均与盐浓度呈负相关,随着盐浓度的增加均呈减小趋势,严重阻碍了种子胚的正常生长发育。不同盐分相同浓度时胚根长排序总体均为NaCl>复盐>Na2CO3处理。NaCl胁迫对膜荚黄芪种子胚生长指标影响最小,Na2CO3胁迫的影响最大,即膜荚黄芪种子萌发受碱性盐抑制大于中性盐、混合盐碱抑制效果。并且观察发现,高盐分处理根尖部分变为褐色,0.9% Na2CO3处理变色最严重,可能是碱性盐对植物造成直接烧伤,产生毒害作用,从而影响胚根正常生长。

3.3 对种子抗氧化酶活性的影响

Na2CO3处理种子SOD活性均低于对照组,说明此时可能已经超过膜荚黄芪种子保护酶的耐受范围,种子的生理生化机制被严重破坏,Na2CO3浓度越高破坏程度越大。0.3%盐浓度时,复盐的SOD活性显著高于其他组,表明此浓度时膜荚黄芪种子对复盐反应敏感。0.9%浓度时,复盐处理的SOD活性显著低于NaCl处理,说明种子对复盐的耐受性随盐浓度升高而降低,但是对NaCl有较强的耐受性。

盐胁迫下POD活性随NaCl升高呈现先升高后下降的趋势,说明低浓度的NaCl处理对膜荚黄芪种子有一定的保护作用,并且在0.6% NaCl处理时POD活性达最大值,说明POD在NaCl中等浓度时可能起关键保护作用。复盐处理POD活性随盐浓度增加而降低,且均低于对照组,说明膜荚黄芪种子对复盐的耐受性下降。Na2CO3处理种子POD活性急剧下降,表明Na2CO3破坏了细胞的基础代谢,打破了生化平衡,对种子萌发危害极大。

NaCl处理CAT活性随盐浓度梯度增加呈先上升后下降趋势,均高于对照组,表明在中等浓度的NaCl处理时,膜荚黄芪种子提高了CAT活性,从而保护细胞膜,但是在高浓度盐胁迫时,不良环境破坏了自由基的动态平衡,CAT活性下降。复盐处理在浓度为0.3%时CAT活性达到最高,之后逐渐下降,说明膜荚黄芪种子对复盐胁迫CAT活性在0.3%盐浓度下最小。Na2CO3处理CAT活性均低于对照组,说明CAT活性受盐碱胁迫导致种子受毒害最大。

植物膜系统对维持细胞稳定代谢具有至关重要的作用,过高的盐浓度会破坏膜系统[26]。在盐碱胁迫下,许多参与抗逆境的蛋白质表达量发生变化[27]。SOD、CAT和POD作为植物体内活性氧的清除剂,能够减少不利因素对膜结构和功能的破坏[28]。盐碱胁迫使抗氧化酶活性提高的研究结果在小麦、水稻、洋姜、苜蓿[29]等作物上都得到了验证。

3.4 对MDA、相对电导率和可溶性蛋白的影响

研究发现,MDA含量与细胞膜透性之间有很强的相关性[30],MDA含量升高,膜透性增大。植物MDA含量、相对电导率、可溶性蛋白含量在一定程度上可以反映出植物耐盐性的强弱,且一般与耐盐性成反比,可以作为鉴定膜荚黄芪耐盐性的生理指标。

本试验研究结果显示,NaCl、复盐胁迫可溶性蛋白含量变化不显著,而Na2CO3处理升幅明显,表明短期NaCl、复盐胁迫对种子可溶性蛋白含量无显著影响,Na2CO3胁迫时可能种子主要靠增加新抗性蛋白合成提高蛋白含量改变胞内渗透势,体现出短期盐碱处理时膜荚黄芪种子抗盐性。

同种盐分处理下随浓度增加,MDA、相对电导率均增加,具有浓度依赖性。而相同浓度下总体由大到小依次为Na2CO3>NaCl>复盐处理,但低浓度时NaCl和复盐组内差异不显著。本试验结果和于爽等[31]对番茄、孟鹏等[32]对樟子松、李明等[33]对甘草的研究结果相似。本研究表明盐胁迫诱导了膜荚黄芪种子膜脂过氧化和质膜通透性增大,与抗性成反比。同时表明3种盐处理,膜荚黄芪可通过自身保护酶系统减少种子膜脂过氧化、细胞膜受损程度,尤其是复盐对种子伤害最小,Na2CO3对之伤害最大,这与萌发结果具有一致性。

4 结论

随着3种盐处理浓度的增加,膜荚黄芪种子的发芽率逐渐降低,受抑制程度随着盐处理浓度的增加而增加,各处理的各个指标均与对照有显著差异,碱性盐的胁迫作用大于中性盐胁迫。3种盐分的毒害作用由强到弱为Na2CO3>NaCl>复盐处理,膜荚黄芪在NaCl 0.3%~0.6%、Na2CO3 0.3%、复盐0.3%~0.6%胁迫条件下有较好的抗性。

根据萌发期抗氧化酶测定结果可得,SOD在NaCl 0.3%~0.9%、复盐0.3%~0.9%浓度胁迫中对种子起保护作用;POD在NaCl 0.3%~0.9%、复盐0.3%浓度胁迫中对种子起保护作用;CAT在NaCl 0.3%~0.9%、复盐0.3%~0.9%、Na2CO3 0.3%浓度胁迫中对种子起保护作用。

MDA、可溶性蛋白含量在不同盐分胁迫时变化趋势不同体现了不同的反应机制。相对电导率具有盐浓度依赖性,相同盐浓度下总体为Na2CO3>NaCl>复盐处理,所以Na2CO3的抑制作用最强,NaCl次之,复盐最弱。

综合以上结果说明,膜荚黄芪种子具有一定的耐盐性,对中性盐和复合盐的耐受性强于对碱性盐。因此,要尽量避免在碱性土壤中种植膜荚黄芪,可以在中低浓度的中性盐或复合盐条件下种植。

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东北苏打盐碱地生态治理关键技术研发与集成示范项目(2016YFC0501200)由国家重点研发计划提供资助。项目主要针对东北土壤盐碱导致的生态环境恶化、限制区域生态恢复和经济发展的问题,综合考虑东北盐碱地区气候条件、盐碱程度和土地利用方式等差异,研究东北苏打盐碱地形成机理及障碍消减机制,研发适用于苏打盐碱地治理的微生物、植物种植与修复关键技术,研制盐碱地治理工程装备和产品,建立苏打盐碱地综合治理和生态产业模式,在东北苏打盐碱地典型分布区开展县域示范,为苏打盐碱地长效治理提供范式,实现生态、经济、社会效益共赢的盐碱地治理良性循环。

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现阶段新疆干旱区高强度水土资源开发,致使传统灌排水盐平衡模式难于维继;高效节水灌溉技术应用改变农田土壤水盐运移规律,需要创新调控理论与技术体系;传统盐碱地农业开发利用模式资源效率低、维持成本高,需要以生物修复技术为核心构建盐碱地高效率资源化利用模式。针对上述问题,在国家重点研发计划(2016YFC0501400)的资助下,通过机理研究、关键技术研发、产品研制、县域集成示范实现:(1)建立新疆干旱区现代水盐平衡调控理论,(2)创新干旱区盐碱地生态治理模式,(3)建成盐碱地产业化集成示范区,形成全产业链的盐碱地生态治理技术服务体系,(4)稳定一支以新疆相关单位为主体,国内优势单位参与的根植新疆的盐碱地生态治理队伍。

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在内蒙古河套灌区通过微区试验,研究了秸秆深埋(S)、上盖秸秆下埋秸秆(简称上秸下秸,S+S)、上盖地膜下埋秸秆(简称上膜下秸,P+S)和地膜覆盖(对照,CK)4种耕作措施对0-40 cm土层水盐运移及食葵光合特性的影响。结果表明:(1)不同措施对土壤水盐调控的效果与作用时期差异较大。P+S在整个生育期内土壤盐分含量和盐溶质浓度较低,控盐效果显著;S+S仅在苗期能保墒控盐,但控盐效果比P+S差,后期出现水减盐增现象,保墒控盐效果也不佳;S在整个生育期内土壤盐分含量和盐溶质浓度最高,控盐效果最差;CK在整个生育期内土壤水分含量变化不大,而盐分含量较高,控盐效果也不明显。(2)不同措施对土壤水盐运移调控程度的差异,导致食葵光合特性也有明显变化。与CK、S、S+S相比,P+S由于其较低的盐溶质浓度环境,明显改善了其光合特性,在苗期、蕾期和花期能提高净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr),增加气孔导度(Gs),降低胞间CO2浓度(Ci),从而使其作物长势和干物质积累明显高于其它措施。综合试验结果,P+S是内蒙古河套灌区盐碱地改良中优选的控抑盐耕作措施。

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干旱区不同灌溉量下后备耕地土壤水盐动态变化规律研究

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为促进后备耕地改良技术的优化和水资源的高效利用, 在新疆奇台县对不同灌溉量下盐碱地土壤水盐在时间序列上的变化规律进行对比研究。试验设8 个处理, 对应的灌溉定额分别为:6 800 m3/hm2、5 200 m3/hm2、4 400 m3/hm2、3 600 m3/hm2、2 800 m3/hm2、2 000 m3/hm2、1 200 m3/hm2和0 m3/hm2。结果表明:灌后1~8 d, 剖面土壤处于洗盐期, 土壤洗盐率与灌溉量成正比;灌溉8 d 后, 剖面进入积盐期, 浅层土壤积盐率与灌溉量呈指数关系, 而深层土壤积盐率与灌溉量呈线性关系。灌后1~18 d, 各处理土壤碱化现象明显, 碱化程度与灌溉量呈正比。灌溉18 d 后, 土壤碱化现象均减弱。综合考虑高效用水、高效洗盐和低碱化的目标, 研究区在灌溉高峰期(7~8 月)每次灌溉的合理灌溉量应为3 600~4 400 m3/hm2

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土地盐碱化是限制土地资源利用的一个主要障碍,在耕地面积逐渐减少的今天,改良利用盐碱地早已提上了科学日程。在天津滨海盐碱地区,通过田间完全随机区组实验设计,对比分析了4种土壤盐分隔离措施(对照-不设隔盐处理,CK;沸石隔盐处理,FS;陶粒隔盐处理,TL;河沙隔盐处理,HS)对0-80 cm土层水盐运移及刺槐(Robinia pseudoacacia)光合特性的影响,目的是通过评估不同隔盐材料的控盐改土效果,为滨海地区盐渍土改良和沿海防护林营造等林业生态工程建设提供理论依据。研究结果表明:(1) FS和TL可以显著提高土壤相对水分含量,为刺槐生长创造更加适宜的水分环境。FS导致0-80 cm土体内盐分含量和土壤盐溶质浓度显著降低,控盐效果显著。TL仅在40 cm以下土层有显著降盐效果,控盐效果仅次于FS。与对照相比,HS对0-80 cm土体内盐分含量和土壤盐溶质浓度无显著影响,降盐效果最差。(2) FS处理能显著提高刺槐的净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)及叶片水分利用效率(LWUE),降低胞间CO2浓度(Ci)。TL可显著提高刺槐叶片的PnTr,但改善效果不及FS,并且其对GsCi和LWUE没有显著影响。与对照相比,HS虽然能显著增加刺槐叶片PnTr,但却导致LWUE显著降低。综上所述,在滨海地区采用沸石作为隔盐材料比采用传统材料河沙更能有效保水降盐,促进植物光合及生长,可以作为滨海盐碱地区隔盐材料的优先选择。

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为了查明盐碱地排水沟蓄水条件下农田与排水沟之间的水盐交换,基于两年现场观测试验数据,分析了农田与排水沟的水位响应以及电导率变化规律。结果发现:研究区排水沟蓄水条件下,相邻排水沟水位与农田地下水位变化基本一致,作物生长期较为强烈的蒸发蒸腾作用进一步降低了田间地下水位;排水沟水位变化可以直接或间接地影响周围农田的地下水位和水质状况,在无外界来水干扰的情况下,农田地下水和排水沟水样的电导率变化趋势一致,当排水沟受到外来淡水补给时,沟内浓缩的盐分得到稀释,电导率明显低于农田地下水。研究结果可为类似地区盐碱地治理和生态环境保护提供参考依据。

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开展河套平原盐碱地的生态治理对提升该区生态系统稳定性、土地生产力和资源利用效率具有重要战略与现实意义。为此,科技部通过“典型脆弱生态修复与保护研究”专项立项了重点研发计划项目“河套平原盐碱地生态治理关键技术研究与集成示范(2016YFC0501300)”。介绍了该项目的背景与意义、主要思路与研究内容、整体目标,并对项目研究进行了展望。该项目采用“基础理论+核心技术+新型装备+产业技术+模式示范”一体化思路,旨在揭示河套平原土地盐碱化形成规律与盐碱障碍生态消减原理,研发生物适应型与生态导向型盐碱地治理修复关键技术,研制大型排盐控盐工程设备与复合型生态调理制剂产品,创建盐碱地综合治理技术体系和特色生态产业发展模式。

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为改善灌区中低产地的产量、提高其田间管理及粮食综合生产能力、防止土壤盐碱化灾害的扩展,在土壤盐碱化灾害学研究的基础上,建立了土壤盐碱化灾害风险评价指标体系。选用基于熵权的灰色关联评价方法来构建土壤盐碱化灾害风险评价模型,根据标准自然灾害风险原理,建立土壤盐碱化灾害风险指数计算模型。在松原灌区土壤盐碱化灾害风险评价中的应用表明,灌区各灌片盐碱灾害风险值为0.10~0.36,属于中度风险和重度风险区,风险值由小到大排序为:前郭片、安字片、有字片、龙海片、水字片、大布苏片、潜字片、套浩太片、戎字片、红星片、洪字片。该模型与灌区实情符合较好,客观性较强,表明所建模型可用于土壤盐碱化灾害风险评价。

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通过盆栽控水试验,对4年生彰武松、樟子松苗木在不同水分梯度下形态指标和叶片内丙二醛(MDA)、过氧化氢酶(CAT)、叶绿素(Chl)、脯氨酸(Pro)含量和叶片含水率(LWC)5项抗旱生理指标进行测定。结果表明: 彰武松总干质量、根干质量、茎干质量和根茎比等4个指标都显著高于樟子松,而单片针叶面积显著小于樟子松,针叶厚度略大。在不同水分梯度下,彰武松的MDA含量都小于樟子松,CAT活性、Pro含量都高于樟子松。轻度干旱区〔(40%田间持水量(FMC)〕樟子松叶片中MDA,CAT和Pro含量较对照区(100%FMC)均呈现上升趋势,在中度干旱区(30%FMC)这3个指标继续明显升高,在重度干旱区(20%FMC)它们达到最大值; 而轻度干旱区中彰武松叶片的这3个生理指标反而低于对照区,在中度干旱区它们才开始增大,尤其是CAT含量较对照区显著增加,这些指标也在重度干旱区中达到了最大值。这表明彰武松幼苗在更低的土壤含水率下才表现出胁迫伤害,并且在开始受到胁迫伤害时就迅速提高保护酶(CAT)活性,增加渗透调节物质含量(Pro),实现对干旱胁迫较强的忍耐性和较好的适应性。在不同水分梯度下,彰武松Chl含量和LWC均大于樟子松,这2个指标在同一树种中的变化趋势也相同,大小排序均为: 对照区>轻度干旱区>中度干旱区>重度干旱区。

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甘草 ( Glycyrrhiza uralensis Fisch.)幼苗用 PEG6 0 0 0 ( -2 .5 Mpa,-1 .5 Mpa)模拟干旱处理 ,测定了 4 d中叶的 MDA含量、膜相对透性及几种保护酶 ( SOD、POD、ASP、CAT)活性变化情况。结果表明 :-2 .5 Mpa胁迫下 ,MDA含量总体呈上升趋势 ;-1 .5 Mpa胁迫下 ,前两天略有降低 ,至第 4天时 ,上升到与处理前基本持平的水平。细胞膜透性在处理前期下降 ,后期升高 ,低渗透胁迫较高渗透胁迫变化平缓。几种保护酶活性在干旱处理期间都有变化 :POD除第 1天降低外 ,其余几天均呈上升趋势 ;在处理前期 ,SOD活性升高 ,CAT活性下降 ,而在后期其变化为 SOD活性降低 ,CAT活性升高 ;ASP活性变化波动较大 ,-2 .5 Mpa胁迫下 ,第 1、第 3天有两次上升峰 ,第 4天较处理前下降了 1 0 4 .3%。在 -1 .5 Mpa胁迫下的几种保护酶活性变化幅度较小。表明了高渗透胁迫能使膜脂过氧化而引起膜的损伤 ,低渗透胁迫程度对细胞膜脂过氧化及膜的透性影响较小 ,且可能对膜脂过氧化起到一定的防御作用。植物在干旱胁迫下保护酶系统的作用,可能是通过它们之间相互协调且保持一个稳定的平衡态而进行的。

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