盐胁迫对藜麦种子萌发的影响研究

张 娜， 罗于洋， 马迎梅， 包斯琴毕力格， 明 明

( 内蒙古农业大学 沙漠治理学院， 荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室， 呼和浩特 010011 )

由于中国水资源短缺，人均水资源稀少，城市水资源供需产生诸多矛盾(白保勋，2010)。良好地运用再生水资源为灌溉水源成为解决水资源短缺和水污染问题的关键途径。再生水是城市污水经过适当再生工艺处理后含有氮、磷、有机质等营养元素的水，可改善土壤环境，并为植物提供营养元素(胡廷飞等，2020)，然而研究认为，再生水中含有较多HCO、Cl、CO、Na、Mg、Ca离子(赵全勇等，2017)，灌溉后会增加土壤盐分，使土壤发生盐碱化，对植物产生盐胁迫。盐胁迫下，植物主要通过吸收无机盐离子进行渗透调解，防止细胞脱水(杨小菊等，2013)，但高盐环境导致Na涌入胞内，打破植物体内的离子动态平衡，使植物产生渗透胁迫和离子胁迫，改变植物细胞内部离子浓度和种类(丁俊男和迟德富，2014)，进而引起植物生理(朱金方等，2015)、内源激素(张敏等，2008)、酶系统(孙国荣等，2001)、形态(于畅等，2014)等发生改变，严重时可使植物萎蔫死亡。因此，研究了解植物对盐碱环境的适应性，筛选耐盐植物对利用再生水资源和城市节约用水具有重要意义。

藜麦()是藜科一年生植物，籽实含有丰富的蛋白质、维生素、氨基酸和矿物质等营养元素(Bhargava et al.，2007；Antonio et al.，2010)及其他植物所缺乏而人体必需的赖氨酸(王黎明等，2014)。因此，藜麦在食品领域中具有广阔的发展前景。藜麦不仅有食用价值，而且因其颜色多样的花序(白色、黄色、深红、紫色等)而具有较高的景观价值。若能将这些观赏价值高的藜麦经济作物用于城市绿化中，则可丰富园林绿化模式，形成城市绿化中独特的农作物景观。藜麦还具有一定的耐盐碱性，不同品种的耐受性阈值不同，但盐分浓度过高同样可导致藜麦的死亡。顾闽峰等(2017)发现当NaCl浓度为0.6%时可促进盐藜47号、48号种子的生长，当NaCl浓度为1.8%时盐藜47号、48号种子的根抑制率接近100%，严重抑制种子的生长。杨发荣等(2017)研究了3个藜麦品种在NaCl胁迫下的生理响应，发现陇藜1号在500 mmol ·L浓度下可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量等指标显著高于其他2个品种，表明该品种具有良好的耐盐性。因此，本文通过研究藜麦不同品种在盐胁迫下的萌发特性及不同类型藜麦品种对盐胁迫的响应，使用均方差决策法综合藜麦各发芽指标，筛选出具有多重耐盐性的藜麦品种，以期为藜麦品种的耐盐性筛选和园林绿化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试6个品种的藜麦种子(红藜麦、国红藜麦、台红藜麦、台紫红藜麦、黄藜麦、台黄红藜麦)由内蒙古益稷公司提供。

1.2 试验设计

采用滤纸皿床发芽试验，供试培养皿用蒸馏水清洗干净后在高温灭菌锅中灭菌晾干后备用。选取籽粒饱满，大小一致，无病虫害的藜麦种子，用0.5%的高锰酸钾消毒30 min，蒸馏水冲洗干净后待用。将100粒种子放入事先铺有2层滤纸的培养皿中，分别加入5 mL 200 mmol·L的NaCl、NaSO、NaHCO，以蒸馏水处理组作为对照(CK)，每个处理4次重复，将培养皿置于25 ℃的培养箱中进行培养，待6 h后，每隔3 h记录种子萌发数，测量胚根和胚芽的长度。

1.3 种子萌发指标计算

种子萌发指标按如下公式计算(黄振英等，2001；毛培春和王勇，2004；郜少敏等，2019)：

发芽率=/×100%

(1)

式中：为萌发种子数；为培养皿中种子数。

发芽指数=∑()

(2)

式中：为日萌发数；为相应的萌发天数。

活力指数=×

(3)

生长速率=/∑ [×(-+0.5)]

(4)

根伸长抑制率=(对照胚根长-处理胚根长)/对照胚根长×100%

(5)

芽伸长抑制率=(对照胚芽长-处理胚芽长)/对照胚芽长×100%

(6)

式中：为每一培养皿全部萌发种子胚根长度的总和；为胚根长度加胚轴长，单位cm；为第天萌发的种子数；为实验持续的天数；为第天。

1.4 数据分析

1.4.1 评价指标标准化 采用极差变换法(易鹏涛等，2018)将数据进行无量纲标准化处理，经过标准化处理后所有指标都会满足 [0,1]的范围，并且最终所有指标都会转化为正向指标，优化后最优结果趋近于1，最差结果趋近于0。具体计算公式如下：

(7)

(8)

式中：为指标标准化后的值；为第项指标的测定值；为该指标中的最大值；为该指标中的最小值。

1.4.2 基于均方差决策法的萌发指标综合评价 采用均方差决策法对3种盐胁迫下6种藜麦萌发指标进行综合评价。用标准化后的值作为各评价指标随机变量的取值，计算出随机变量的均值、均方差，将这些均方差归一化，获得各指标的权重系数，最后使用权重系数和各发芽指标标准化后的值计算不同盐胁迫下6种藜麦的综合得分(易鹏涛等，2018)。具体计算步骤如下：

(1)计算随机变量的均值()：

(9)

(2)计算指标集的均方差

(10)

(3)计算指标集的权重系数：

(11)

(4)多指标决策与排序

(12)

1.4.3 单因素方差分析 用Microsoft Excel 2018软件进行数据整理，用SPSS Statistics 20软件进行单因素方差(ANOVA)分析，采用 LSD 法和DUNCAN法进行多重比较和显著性检验(<0.05)。用Origin 2018软件绘图。

2 结果与分析

2.1 3种盐胁迫对藜麦发芽率的影响

经盐溶液处理的藜麦发芽率18 h后普遍高于对照，直至试验结束(图1)。不同盐胁迫对种子萌发率的抑制作用差别较大，NaSO对6个藜麦品种的抑制作用比较明显，其发芽率随着时间推移而小范围浮动，且发芽率相对较低，一直在5%以下，在国红藜麦30 h 时达到最高，为4.75%(图1：B)。经NaHCO处理的红藜麦、台红藜麦、台紫红藜麦、台黄红藜麦在发芽中期发芽率得到显著提升(图1：A、C、D、E)，在台紫红藜麦18 h时发芽率最高，为14.5%，是同时期NaCl、NaSO的3.87、6.44倍(图1：D)。

A. 红藜麦; B. 国红藜麦; C. 台红藜麦; D. 台紫红藜麦; E. 黄藜麦; F. 台黄红藜麦。下同。不同小写字母表示不同盐溶液对该藜麦品种影响差异显著(P<0.05)。A. Red quinoa； B. China-red quinoa； C. Tai-red quinoa； D. Tai puple-red quinoa； E. Yellow quinoa； F. Tai yellow-red quinoa. The same below. Different lowercase letters indicate that the effects of different salt types on Chenopodium quinoa species are significantly different (P<0.05).图 1 不同盐溶液对藜麦种子发芽率的影响(平均值±标准误差)。Fig. 1 Effects of different salt types on the germination rates of Chenopodium quinoa seeds

2.2 3种盐胁迫对藜麦发芽指数的影响

经NaSO处理的6个藜麦品种发芽指数均为最低(图2)，台红藜麦33 h时最低，为3.83，低于NaCl 51.03%和NaHCO75.23%(图2：C)。经NaHCO处理的藜麦发芽指数均为最高(对照除外)，其中黄藜麦在33 h时达到最大值，为16.2，分别高于NaCl 13.45%和NaSO34.70%(图2：E)。6个品种中， 台红、 台紫红、 台黄红藜麦在发芽前12 h，经NaSO处理的种子发芽指数高于NaHCO的发芽指数；12 h之后NaHCO发芽指数高于NaSO(图2：C、D、F)；国红藜麦在18 h时才发生上述变化(图2：B)。

图 2 不同盐溶液对藜麦种子发芽指数的影响(平均值±标准误差)Fig. 2 Effects of different salt types on the germination indexes of Chenopodium quinoa seeds

2.3 3种盐胁迫对藜麦活力指数的影响

活力指数代表种子迅速整齐萌发的发芽潜势、生长和生产潜力。在逆境条件下，种子活力指数越高，代表种子抗逆性越好(吴彦等，2004)。NaCl对藜麦的抑制作用较其他两种盐低。6个品种中，国红藜麦对NaCl抗性较高，其活力指数明显高于其他5个品种，在33 h时，国红藜麦活力指数分别比红、台红、台紫红、黄、台黄红藜麦高47.66%(图3：A)、73.31%(图3：C)、63.85%(图3：D)、59.90%(图3：E)、75.68%(图3：F)。红藜麦、国红藜麦、台红藜麦、台紫红藜麦对NaSO抗性较小，其活力指数均为0(图3：A-D)。

图中小图代表无对照情况下3种盐胁迫作用的变化趋势。Small figures in big fifures indicate the changes without three types of salt stresses.图 3 不同盐溶液对藜麦种子活力指数的影响(平均值±标准误差)Fig. 3 Effects of different salt types on the vigor indexes of Chenopodium quinoa seeds

2.4 3种盐胁迫对藜麦生长速率的影响

3种盐溶液对藜麦胚根生长速率的影响不同，试验初期，NaCl处理的红藜麦生长速率高于对照，随时间推移，NaCl处理的红藜麦生长速率不断下降，最终在12 h时生长速率低于对照，最低为0.14(30 h时)(图1：A)。NaCl处理的国红藜麦胚根生长速率高于对照，在9 h时达到最高，是对照的5.71倍，但在NaSO影响下生长速率为0(图1：B)。NaHCO处理的台紫红藜麦在6 h时生长速率为0.78，分别为同时期对照和NaSO的2.05倍和9.15倍，随后大幅下降，到33 h时接近于0(图4：D)。NaCl对藜麦胚根生长速率影响不明显，对于国红藜麦和台黄红藜麦起到促进作用(图4：B、F)，但NaSO抑制了胚根生长，除黄藜麦和台黄红藜麦之外，其他4个品种的生长速率均为0(图4：A-D)。

图 4 不同盐溶液对藜麦种子胚根生长速率的影响(平均值±标准误差)Fig. 4 Effects of different salt types on the radicle growth rates of Chenopodium quinoa seeds

2.5 3种盐胁迫对藜麦胚根抑制率的影响

随时间推移，NaCl对红藜麦的胚根抑制率不断增加，从初始12.47%增加到30 h时85.02%，NaHCO抑制率也从84.85%增加到98.24%(图5：A)。NaCl对国红藜麦胚根一直处于较低抑制状态且抑制作用随时间的增加而减弱。6 h时抑制率为42.92%，30 h时为12.11%，在9 h时和21 h时为-28.32%和-37.57%，说明NaCl促进了胚根的生长(图5：B)。盐溶液对其余4种藜麦也均有影响，且时间越长，抑制率越高，其中NaSO对胚根抑制作用较大，除黄藜麦和台黄红藜麦外，其他胚根抑制率为100%(图5：A-D)。盐溶液对胚根抑制的影响大小顺序为NaSO>NaHCO>NaCl。

图 5 不同盐溶液对藜麦种子胚根伸长抑制率的影响(平均值±标准误差)Fig. 5 Effects of different salt types on the inhibition rates of radical elongation in Chenopodium quinoa seeds

2.6 3种盐胁迫对藜麦胚芽抑制率的影响

盐胁迫6 h时，3种盐对国红藜麦抑制率达到100%(图6：B)，而对其他5个品种的抑制率均为0%(图6：A、C、D、E、F)。从9 h起，盐溶液开始抑制胚芽伸长，且NaSO的抑制率为100%(图6：A-E)。NaCl处理的国红藜麦在15 h时抑制率低于0%，在21 h时抑制率最低，为-81.25%(图6：B)。NaSO处理的台黄红藜麦，其胚芽伸长抑制率<100%，且随时间推移，胚芽抑制率呈下降趋势，从6 h的97.47%到33 h的77.49%，下降了20.50%，说明台黄红藜麦抵抗盐胁迫的能力较高(图6：F)。

图 6 不同盐溶液对藜麦种子胚芽伸长抑制率的影响(平均值±标准误差)Fig. 6 Effects of different salt types on the inhibition rates of germ elongation in Chenopodium quinoa seeds

2.7 藜麦种子萌发综合评价

使用均方差决策法综合各萌发指标，对3种盐分下各藜麦萌发进行评价，各指标得分值及排序见表1-3。通过均方差决策法对不同盐胁迫下各藜麦的萌发指标的评价能够综合筛选出耐盐性最好的藜麦品种。均方差决策法显示，NaCl处理下国红藜麦萌发情况最好，而台红藜麦萌发情况最差；NaSO处理下黄藜麦萌发情况最好，而台红藜麦藜麦萌发情况最差；NaHCO处理下国红藜麦萌发情况最好，而台红藜麦藜麦萌发情况最差。

表 1 NaCl处理下藜麦各评价指标Di(W)值及得分情况Table 1 Di (W) values and scores of quinoa under NaCl treatment

表 2 Na2SO4处理下藜麦各评价指标Di(W)值及得分情况Table 2 Di (W) values and scores of quinoa under Na2SO4 treatment

表 3 NaHCO3处理下藜麦各评价指标Di(W)值及得分情况Table 3 Di (W) values and scores of quinoa under NaHCO3 treatment

3 讨论

种子萌发是植物生命的开始，是植物整个生长过程中最为重要，也是最脆弱的阶段，因其极易受到外界环境的影响，其中盐碱胁迫对种子萌发影响较大(李亚萍等，2019)，因而在种子萌发阶段进行植物品种耐盐性筛选是一种常用的育种方式。种子发芽率、发芽指数、活力指数、生长速率是衡量种子萌发情况的常用指标，可综合反映盐胁迫对种子的影响(杨永义等，2019；陈雅昕等，2019)。本研究中，6个藜麦品种在3种盐溶液影响下发芽率、发芽指数、活力指数、生长速率总体呈现出相对一致的规律：发芽率、生长速率先升高后降低，发芽指数、活力指数随着时间缓慢升高。由此可看出，盐胁迫对藜麦种子萌发阶段影响较小。在种子萌发过程中，感受到盐胁迫的“刺激”，藜麦开启渗透调节作用，加快种子生长速率，保证种子可正常萌发，但胁迫时间过长会导致体内离子积累过多，产生离子胁迫， 这时渗透胁迫与离子胁迫共同作用导致种子无法正常萌发，最终导致发芽率下降。研究发现，盐胁迫对燕麦(罗志娜等，2012)、白榆种子(朱建峰等，2020)萌发具有相似的影响。盐胁迫对种子的萌发、形态、细胞、生理、分子等水平产生影响，当胁迫严重时，会抑制植物的生长(李亚萍等，2019；陈雅昕等，2019)。赵颖等(2019)研究混合盐碱胁迫对藜麦种子萌发的影响，发现中性盐NaCl与NaSO对藜麦抑制作用较低。然而，在本研究中，NaSO和碱性盐NaHCO对胚根、胚芽的抑制作用较大，除黄藜麦外，NaSO对其余5个藜麦品种的抑制率均达到100%。NaCl对藜麦胚根和胚芽抑制程度最小，并可促进胚根胚芽的生长。这与潘平新等(2021)、王晓航等(2020)得出的结论一致，而李珍等(2019)、卫红萍和王静(2020)研究也发现NaCl抑制植物的生长。NaCl胁迫对不同植物种子的抑制效果各不相同，这是因为不同植物对不同盐的耐受能力各不相同，不同种子生理代谢也存在一定差异(李善家等，2016)，对于不同品种亦如此。碱胁迫与盐胁迫对植物的抑制机理不同，盐胁迫主要通过渗透作用与离子毒害抑制植物生长，而碱胁迫在此基础上还包括了较高的pH值，这种作用可能会使种子发生离子失衡，从而增加碱胁迫对植物的伤害(张通颖等，2019)。这与国内很多植物耐盐碱性的研究结果相似：颜宏等(2005)对羊草()和向日葵()进行盐胁迫和碱胁迫处理时，碱胁迫对植物的损伤远大于盐胁迫；低浓度中性盐对栓皮栎种子起到促进作用，而碱性盐则抑制栓皮栎种子萌发(李志萍等，2015)；盐、碱胁迫对芸豆()种子萌发也有同样的影响(郑丽娜等，2018)。再生水经过处理后仍含有一定量的离子，会对植物生长产生一定的抑制作用，因此，再生水灌溉应以耐盐植物为主。本研究发现，盐胁迫对藜麦种子萌发及生长具有抑制作用，3种盐中，中性盐NaCl对藜麦的影响最小并对个别品种起到促进作用，碱性盐则完全抑制藜麦的生长，因此若在种植藜麦的地区使用再生水资源进行灌溉时应注意尽量去除水中的碱性离子，以保证植物的正常生长。

植物的耐盐性是由多种因素相互作用而构成一个较为复杂的综合性状，选择不同的耐盐指标可能得出不同的结果(李珍等，2019)，这时就需要对各项指标进行综合评价，这时常用到隶属函数法，该方法应用得较早，各方面也比较成熟，但该方法客观性较差，具有较强的主观性。均方差决策法常用于城镇化水平和集约度的评价(任彩凤等，2019；朱靖等，2020)，也有文章使用该方法对不同培育措施的草地进行评价，通过对相关的指标进行计算处理，客观赋以权重(董云龙等，2015)。本文通过均方差决策法对种子萌发各项指标进行客观的综合评价，发现NaCl通过限制种子胚根生长从而抑制种子生长，在该处理下台红、红、黄藜麦的胚根抑制率为最高，国红藜麦萌发情况最好，其生长速率最快，而对胚根、胚芽抑制效果最不明显。NaSO对种子抑制效果最明显，其主要影响种子活力指数、生长速率、根伸长抑制率和芽伸长抑制率，6种藜麦中黄藜麦表现最好，发芽率、活力指数、发芽指数均高于其他品种。NaHCO对胚芽抑制率影响较大，其中国红藜麦在该处理下生长最好，其发芽率、发芽指数较低，但活力指数、生长速率均高于其他品种，而胚根、胚芽抑制率低于其他品种。盐胁迫下，植物根系最早感受到逆境胁迫信号，并产生相应的生理反应(卢艳敏，2012)。张利霞等(2015)研究盐碱胁迫对夏枯草()种子萌发的影响，发现幼根对盐分胁迫更加敏感。本研究发现，当种子正常萌发后，胚根直接接触盐溶液，从而使更多盐离子进入植物体内，进一步加剧体内离子紊乱，最终使已正常萌发的种子死亡。台黄红藜麦在3种盐胁迫下均可萌发和生长，并且在生长环境较为严苛的NaSO环境下有较为良好的发育空间，说明台黄红藜麦对复合盐环境有较强的适应力，具有较强的推广应用价值。

4 结论

3种不同盐胁迫处理下，不同藜麦品种种子的发芽率、生长速率、活力指数及根长与对照相比差异较显著。6个藜麦品种经NaCl处理的综合排序为国红>红>黄>台紫红>台黄红>台红，经NaSO处理的排序为黄>台黄红>红>国红>台紫红>台红，经NaHCO处理的排序为国红>台黄红>黄>台紫红>红>台红。综合三种盐胁迫对6个藜麦品种的抑制程度排序为NaSO>NaHCO>NaCl。

结合本文试验结果，6个藜麦品种中，国红藜麦适合生长在NaCl、NaHCO严重的盐碱化的地区；黄藜麦适合生长在NaSO严重的盐碱化地区；台黄红藜麦适合生长在复合盐碱化地区。