全 文 :文章编号:1000-694X(2012)03-750-06
水盐胁迫对花花柴种子萌发的影响
收稿日期:2011-08-27;改回日期:2011-09-25
基金项目:国家自然科学基金项目(30960035);新疆生物资源基因工程重点实验室开放课题(XJDX0201-2010-01)资助
作者简介:王志才(1984—),男(汉族),在读硕士研究生,主要从事植物分子生物学研究。Email:wzcxjnu.5525@163.com
* 通讯作者:张富春(Email:zfc@xju.edu.cn)
王志才,牙库甫江·阿西木,王 艳,张富春*
(新疆大学 生命科学与技术学院 新疆生物资源基因工程重点实验室,新疆 乌鲁木齐830046)
摘 要:水盐胁迫直接影响盐生植物的种子萌发,本研究通过对盐生植物花花柴种子带冠毛与否及不同胁迫处理
下种子萌发率的比较分析,探讨花花柴种子萌发期的耐盐特性。对花花柴带冠毛和不带冠毛种子在蒸馏水中的对
比萌发结果表明,冠毛对花花柴种子的最终萌发率无影响,但明显延长种子的萌发时间,可能与阻碍种子吸水有
关。花花柴种子经过冷处理,成熟的种子没有出现生理休眠现象,有利于种子在条件适宜时迅速起始萌发。采用
不同浓度NaCl和等渗的PEG6000(聚乙二醇)处理花花柴种子,结果表明:①NaCl和PEG胁迫对花花柴种子的
萌发具有非常明显的抑制作用,主要表现为降低种子的萌发率,延长种子的萌发时间,抑制胚根和胚芽的生长;
②NaCl对花花柴种子萌发的抑制作用明显地大于等渗的PEG,说明离子胁迫是影响花花柴种子萌发的主要因素;
③花花柴种子萌发的耐盐临界值为213mM,极限值为340mM;④低浓度的NaCl溶液(50mM)不影响花花柴种子
的萌发和胚芽的生长,表明花花柴种子适宜在低盐条件下萌发;⑤盐胁迫下未萌发种子的复水实验结果表明,高盐
处理后未萌发的种子具有较高的复萌率,但各处理下种子最终萌发率没有显著差异,表明高盐能使种子休眠,但种
子的活力仍能保持,有利于种群的维持。
关键词:花花柴;盐胁迫;水分胁迫;种子萌发
中图分类号:Q945.78 文献标识码:A
花花柴(Karilinia caspica)隶属于菊科花花柴
属,是中国西部干旱荒漠盐渍化环境中的广布建群
种,为多年生草本植物,叶高度肉质化,对硫酸盐,苏
打和氯化物等盐类有较强的耐受力[1]。在长期的生
态适应过程中,花花柴能够积累较高水平的Na+和
Cl-,并能通过独特的泌盐机制将过多的盐分排出
体外。在盐碱地上种植花花柴,当年可使土壤全盐
含量降低52%~56%,次年能降低80%,从而使土
壤达到复耕水平[2]。植物要在盐碱地繁衍生息,首
先种子要具备足够的耐盐能力。在中国西北干旱荒
漠区,荒漠生态系统是典型而脆弱的生态系统。在
荒漠植物种群动态、植被分布及荒漠生态系统对环
境变化响应过程中,种子萌发是关键环节[3]。通过
发芽实验研究种子萌发时的耐盐能力是植物耐盐性
研究的重要内容[4]。因此,评价花花柴是否可以作
为一种有潜能的盐碱土壤改良植物,确定盐胁迫对其
种子萌发可能造成的影响就显得十分必要。此外,对
胁迫下花花柴种子萌发过程的研究,有助于探讨花花
柴的耐盐机理,也将有助于对花花柴的开发利用。
一些种子的附属结构(如种翼和花被)能够通过
抑制水分的吸收或阻碍胚根的露出而影响种子萌
发[5]。较小的种子在温度和土壤环境适宜的情况下
具有优先萌发的潜能,这可能是生长在干旱盐碱环
境中植物所采取的一种生存策略[6]。花花柴的种子
有附属的冠毛结构,种子的体积和质量都比较小,特
别是成熟的种子能够很容易地凭借白色冠毛随风传
播,响应环境条件的变化,从而提高这种生长于极端
荒漠环境下植物的存活率。种子萌发是许多逆境植
物生命周期开始的最关键环节,受到温度、光照、水
分、盐碱[7]和沙埋[8-9]等多种因素的影响。在准噶
尔盆地荒漠环境中,水和盐分成为影响植物生长的
主要限制因素。由于降雨的渗透和地表水的冲刷去
除或降低了表层土壤的盐分[10],从而为植物种子萌
发和幼苗发育提供了条件[11]。盐胁迫通过离子毒
害使种子失活,或通过渗透作用延缓或抑制种子的
萌发[12],而水分胁迫也是种子萌发的限制性因
素[13-14]。在盐碱胁迫下种子保持活力,当胁迫解除
或减轻时又能恢复萌发是盐生植物在恶劣环境下维
持其种群的生存策略[15]。
一般情况下,盐生植物的萌发率在无盐或低盐
条件下较高,但不同种子的萌发对盐胁迫的响应又
有很大的区别。荒漠盐生植物的种子有些能够在高
第32卷 第3期
2012年05月
中 国 沙 漠
JOURNAL OF DESERT RESEARCH
Vol.32 No.3
May 2012
盐条件下萌发,有些种子的萌发能被低盐所促进,随
着盐分的增加种子萌发率降低,高盐时种子萌发则
完全受到抑制。如盐节木(Halocnemum strobilace-
um)在低盐处理下的种子萌发率随浓度升高表现为
先升高后下降,随着盐浓度的进一步增加,种子的萌
发率和萌发速率逐步下降[16-17]。
有关花花柴种子萌发对水盐胁迫的响应目前还
未见报道。本研究探讨花花柴冠毛对种子萌发的影
响,比较不同浓度NaCl和PEG胁迫下花花柴种子
的萌发和恢复萌发情况,目的在于探讨花花柴种子
萌发时对逆境条件的耐受特性。
1 材料和方法
1.1 花花柴种子采集与保存
新疆准噶尔盆地的年平均降雨量为100~250
mm,年蒸发量大于2 000mm;全年平均气温在5~9
℃,夏季最高气温为30~40℃,冬季最低气温为-30
~-40℃[18],是花花柴在新疆分布的主要地区之一。
花花柴(Karilinia caspica)种子于2009年10月在准
噶尔盆地南缘 (43°48′N,87°40′E)的荒漠盐渍化环
境采得,种子经干燥后置于纸袋内室温保存。
1.2 冠毛和冷处理
通过带冠毛的完整种子(对照)的萌发和去除冠
毛的种子的萌发两组实验来研究花花柴冠毛对种子
萌发的影响。将种子铺在垫有两层滤纸的培养皿(直
径90mm)中,加入5ml蒸馏水润湿滤纸,在25℃,
16h光照/8h黑暗(光照强度,56μmol·m
-2·s-1)
条件下萌发。为确定成熟的种子是否具有休眠现象,
以去除冠毛的种子为材料,进行4℃低温处理2d,然
后将种子置于以上实验相同条件下萌发,以未进行冷
处理的种子为对照,胚根露出种皮可视为种子已经萌
发。每天统计发芽种子数。实验设3个重复,每个重
复50粒种子。
1.3 NaCl和PEG6000处理
盐胁迫和水分胁迫对花花柴种子萌发的影响采
用不同的处理。将种子置于垫有两层滤纸的培养皿
中,加入5ml的蒸馏水(对照),或不同浓度的NaCl
(50,100,200,300,400,500mM和600mM)或与之等
渗的PEG6000(-0.2、-0.5、-0.9、-1.4、-1.8、
-2.2MPa和-2.7MPa),所有培养皿均在25℃,16
h光照/8h黑暗(光照强度,56μmol·m
-2·s-1)条
件下萌发。每2d换一次处理液,换液前先用相同
的处理液润洗两次滤纸。每天记录胚芽和萌发种子
数。萌发率(%)=B/C(B:处理10d后萌发的种子
数;C:种子总数)。分别测量萌发种子的胚根长度,
分析比较胁迫对植物地上还是地下部位的生长造成
的影响更大。
1.4 复水萌发
花花柴种子在各溶液处理10d后,将未萌发的
种子移到蒸馏水中进行恢复萌发(6d),每天记录萌
发种子数。恢复萌发率(%)=(A-B)/C×100(A:
胁迫处理下萌发的种子数+复水后的萌发种子数;
B:胁迫下的萌发种子数;C:种子总数)。终萌发率
=(A/C)×100%。
1.5 数据分析
所有数据均表示为平均值±标准差。在统计分
析之前我们对数据进行了均一化(反正弦)处理。采
用ANOVA 的方法比较了均值之间的差异,若差异显
著,则采用Turkey’s test进行多重比较(P=0.05)。
2 实验结果
2.1 冠毛和冷处理对花花柴种子萌发的影响
如图1所示,与对照相比,去除冠毛的种子较早
(第3天)结束萌发,同一天的种子萌发率也较高,但
终萌发率没有显著差异(P>0.05)。冷处理组与对
照相比,在萌发率和初始萌发时间等方面没有明显
区别(数据未显示)。
图1 有无冠毛对花花柴种子萌发的影响
Fig.1 Influence of presence or absence of pappus
on seed germination of K.caspica
2.2 NaCl和PEG6000对花花柴种子萌发的影响
随着NaCl和PEG浓度的升高,种子的萌发受
到抑制(图2)。种子在高于400mM NaCl胁迫下
157 第3期 王志才等:水盐胁迫对花花柴种子萌发的影响
不能萌发,却能在与600mM NaCl等渗的PEG胁
迫下萌发(萌发率为14%)。与对照相比,100mM
NaCl对种子的萌发没有明显影响;而50mM NaCl
可稍促进种子的萌发。类似地,种子的萌发不受与
300mM NaCl等渗的PEG处理的影响;而与600
mM NaCl等渗的PEG严重抑制了种子的萌发(萌
发率仅为对照的20%)。盐胁迫对花花柴种子萌发
的抑制作用大于水分胁迫(图3)。
图2 不同浓度NaCl和等渗的PEG胁迫对种子萌发的影响
Fig.2 Seed germination percentages of K.caspica under different NaCl and iso-osmotic PEG(polyethylene glycol)stress
图3 NaCl和PEG对花花柴种子萌发的影响的比较
Fig.3 Comparison of seed germination of K.caspica
under NaCl stress and PEG stress
在盐和水分胁迫下,种子于第2天开始萌发,并
且大多数种子的萌发集中在胁迫处理的前3天。在
高浓度 NaCl和PEG处理下种子的萌发率显著下
降(图4A,B)。线性回归分析表明,萌发指数与
NaCl浓度呈显著负相关(图5)。回归方程为:
Y =-0.3945 X+1.3403
式中:Y 为萌发指数;X 为NaCl浓度,R=0.99。为
进一步明确花花柴种子对盐胁迫的耐受能力,按照
王雷等[19]的方法计算了花花柴的耐盐临界值(Y=
50%)和极限值(Y=0%),分别为213mM 和340
mM。
图4 种子在不同浓度NaCl和与之等渗的PEG6000胁迫下的累积萌发率
Fig.4 Cumulative percentages of seed germination of K.caspica under different NaCl stress and iso-osmotic PEG stress
2.3 NaCl和PEG6000胁迫对花花柴胚根和胚芽
生长的影响
不同浓度的 NaCl和PEG胁迫处理花花柴种
子10d后,对已萌发种子的胚根和胚芽长度进行了
测量。结果显示,胚根和胚芽的生长随 NaCl浓度
的上升而受到抑制。50mM NaCl可略微促进胚芽
的生长,尽管与对照相比效果不显著;但300mM
NaCl严重抑制了胚芽的生长(图6A)。类似地,50
mM NaCl对胚根的生长无明显影响,而1 0 0mM
257 中 国 沙 漠 第32卷
图5 花花柴种子萌发指数与NaCl浓度之间的关系
Fig.5 Relationship between NaCl concentration and
seed germination index of K.caspica
图6 NaCl胁迫对花花柴萌发种子的胚芽长和胚根长的影响
Fig.6 Changes of germ length,radicle length and the
radicle/germ length ratio under NaCl stress
NaCl显著抑制了胚根的生长(图6B)。盐胁迫对花
花柴胚根生长的抑制作用大于对胚芽生长的抑制作
用,胚根长与胚芽长的比率(胚根/胚芽)随盐浓度的
升高而迅速下降(图6C)。PEG胁迫下花花柴萌发
种子的胚根和胚芽的生长都受到了不同程度的抑制
(数据未显示)。
2.4 花花柴种子复水
高浓度的 NaCl抑制了花花柴种子的萌发;当
未萌发的种子被转移到蒸馏水中进行恢复萌发时,
来自高浓度NaCl处理的未萌发种子具有较高的恢
复萌发率,但各处理的最终萌发率之间没有显著差
异(P>0.05)。PEG胁迫处理10d后的未萌发种
子移到蒸馏水中后没有或仅有少数种子能恢复萌发
(数据未显示)。
表1 不同浓度 NaCl胁迫处理10d后种子的
萌发率,恢复萌发率和终萌发率
Table 1 Seed germination percentage of K.caspica
pretreated at different concentrations of NaCl for
10days,germination recovery percentage of
ungerminated seeds transferred to distiled
water for 6days and final germination
percentage
NaCl
/mM
萌发率
/(%±s.e.)
恢复萌发率
/(%±s.e.)
终萌发率
/(%±s.e.)
0 72.0±4.0a 0.0±0.0a 72.0±4.0a
50 76.0±7.2a 0.0±0.0a 76.0±7.2a
100 67.3±3.1a 7.3±2.3a 74.7±5.0a
200 32.0±11.1b 36.0±0.0b 68.0±11.1a
300 16.0±3.5b 48.7±5.0c 64.0±3.1a
400 0.0 0.0c 48.0 5.3c 48.0±5.3a
注:同列不同的小写字母表示差异显著 (P<0.05)。
3 讨论
已有的研究表明,荒漠盐生植物滨藜种子附属
的小苞片能够影响种子的萌发,滨藜种子的小苞片
还能借助水和风的作用帮助种子传播[20]。花花柴
种子附带的冠毛大而轻,种子很小,也能够借助风力
在母株周围四散传播。研究表明,附带冠毛的完整
种子比去除冠毛的种子萌发进程长,但终萌发率没
有显著差异。由于胚根在冠毛的另一端露出,因而
冠毛不会对胚根的露出造成机械性束缚,但冠毛可
能阻碍了种子对水分的吸收,进而延长了萌发时间。
由于在较短的时间内种子吸足水分仍可萌发,因而
终萌发率与去除冠毛组之间没有明显差异。植物种
子成熟后经过不同的方式散落到地面,有的遇到适
357 第3期 王志才等:水盐胁迫对花花柴种子萌发的影响
宜的条件便萌发,有的因遇到的条件不适宜便失去
活力,还有一些种子具有休眠的特性,可以在土壤中
保存,待条件适宜便萌发[21]。冷处理常被用来打破
种子的休眠[22]。对成熟的花花柴种子进行2d的4
℃冷处理,然后在正常条件下萌发,结果显示在初始
萌发时间和终萌发率等方面没有显著差异。因此,
表明成熟的花花柴种子没有生理休眠。
在盐胁迫下,许多植物的生长会受到明显抑制,
抑制程度不仅取决于盐胁迫水平,也取决于植物的
抗盐能力和盐胁迫时间[23]。花花柴种子的萌发受
到高盐胁迫的显著抑制,具体表现为萌发率降低,胚
根和胚芽的生长受到抑制,种子萌发的时间延长,这
与相关研究报道相符[24]。大多数荒漠盐生植物如
梭梭的种子在蒸馏水中具有很高的萌发率[25]。50
mM NaCl胁迫处理可略微促进花花柴种子的萌发,
100mM NaCl对花花柴种子的萌发没有影响,但当
NaCl浓度达到200mM 时,种子的萌发受到抑制。
这表明花花柴种子适宜在低盐条件下萌发。而晚春
或夏季冰雪融水和降雨除去或降低土壤中的盐分,
为花花柴种子萌发提供了必要条件。当胁迫处理下
未萌发的种子被转移到蒸馏水中恢复萌发,各处理
组间种子的终萌发率没有显著差异,表明高浓度的
NaCl胁迫抑制了种子萌发,但不会造成毒害使种子
丧失活力,复水后花花柴种子能够迅速恢复萌发活
性。这就很好地解释了野外盐渍化荒漠环境中的花
花柴种子在高盐的土壤中休眠;雨后,土壤中的盐分
浓度稀释,其种子便迅速起始萌发。
水分是影响种子萌发的重要因素。种子成熟后
期极度脱水,只有在水分条件满足的情况下经过吸
涨,种子才可启动萌发过程[26]。花花柴的种子在较
高渗透势的PEG(-2.7MP,与600mM NaCl等
渗)胁迫下也能萌发,表明花花柴具有在晚春或夏季
有可利用的冰雪融水时迅速萌发的潜能。和其他盐
生植物一样,盐胁迫后未萌发的花花柴种子移到蒸
馏水中以后也能恢复萌发,但高渗透势的PEG处理
下未萌发的种子移到蒸馏水中后几乎没有种子能够
恢复萌发。可能是高渗透势的PEG使得这部分种
子失去了萌发活力,这与Ungar[27]的报道相一致。
总之,高浓度的盐胁迫(600mM)对花花柴种子
萌发的抑制不会导致种子萌发活力的丧失,高渗透
势的PEG胁迫下只有部分活力较好的种子能萌发,
未萌发的种子会永久性地失去萌发活力。高盐胁迫
是制约花花柴种子萌发的重要因素,通过土壤盐度
的变化来调节种子的萌发是盐生植物花花柴适应逆
境胁迫的一种生理机制。
参考文献(References):
[1] 章英才,闫天珍.花花柴叶片解剖结构与生态环境关系的研究
[J].宁夏农学院学报,2003,24(1):30-33.
[2] 贾磊,安黎哲.花花柴脱盐能力及脱盐结构研究[J].西北植物
学报,2004,24(3):510-515.
[3] 路宁娜,崔现亮,王桔红,等.不同贮藏条件和光照对5种蒺藜
科植物种子萌发的影响[J].中国沙漠,2008,28(6):1130-
1135.
[4] 李得禄,王继和,李爱德,等.3种驼绒藜属植物种子萌发期耐
盐性试验研究[J].中国沙漠,2006,26(6):1009-1014.
[5] Wei Y,Dong M,Huang Z Y,et al.Factors influencing seed
germination of Salsola affinis(Chenopodiaceae),a dominant
annual halophyte inhabiting the deserts of Xinjiang,China[J].
Flora,2008,203:134-140.
[6] Wei Y,Liu P W,An S Z.Study on Fruit Polymorphism and
Germination Measures of Atriplex aucheri Moq.Seeds[J].
Arid Zone Research,2007,24(6):835-839.
[7] 林年丰,汤洁.松嫩平原环境演变与土地盐碱化、荒漠化的成
因分析[J].第四纪研究,2005,25(4):474-483.
[8] 苏延桂,李新荣,贾荣亮,等.沙埋对六种沙生植物种子萌发和
幼苗生长的影响[J].中国沙漠,2007,27(6):968-971.
[9] 高天鹏,王春燕,张勇,等.播种深度和土壤水分对黄花补血草
种子萌发的影响[J].中国沙漠,2009,29(3):529-535.
[10] Khan M A,Ungar I A.Influence of salinity and temperature
on the germination of Haloxylon recurvum Bunge ex Boiss
[J].Annals of Botany,1996,78:547-551.
[11] Khan M A,Ungar I A.Effects of thermoperiod on recovery of
seed germination of halophytes from saline conditions[J].
American Journal of Botany,1997,84:279-283.
[12] Welbaum G E,Tissaoui T,Bradford K J.Water relations of
seed development and germination in muskmelon (Cucumis
melo L.)Sensitivity of germination to water potential and ab-
scisic acid during development[J].Plant Physiology,1990,92:
1029-1037.
[13] 曾幼玲,蔡忠贞,马纪.盐分和水分胁迫对两种盐生植物盐爪
爪和盐穗木种子萌发的影响[J].生态学杂志,2006,25(9):
1014-1018.
[14] 龙利群,李新荣.微生物结皮对两种一年生植物种子萌发和出
苗的影响[J].中国沙漠,2002,22(6):581-585.
[15] Keiffer C W,Ungar I A.Germination responses of halophyte
seeds exposed to prolonged hypersaline conditions[M]//Khan
M A,Ungar I A.Biology of Salt Tolerant Plants.Karachi,Pa-
kistan:Department of Botany,University of Karachi,1995:43
-50.
[16] 高瑞如,赵瑞华,张双风,等.盐分和温度对盐节木种子萌发的
影响[J].西北植物学报,2007,27(11):2281-2285.
[17]Pujol J A,Calvo J F,Ramírez-Díaz L.Seed germination,
growth,and osmotic adjustment in response to NaCl in a rare
succulent halophyte from Southeastern Spain[J].Wetlands,
2001,21(2):256-264.
457 中 国 沙 漠 第32卷
[18] 中国科学院.新疆植被及其利用[M].北京:科学出版社,
1978:23-98.
[19] 王雷,田长彦,张道远,等.光照、温度和盐分对囊果碱蓬种子
萌发的影响[J].干旱区地理,2005,28(5):670-674.
[20] Redondo-Gómez S,Mateos-Naranjo E,Wharmby C,et al.
Bracteoles affect germination and seedling establishment in a
Mediterranean population of Atriplex portulacoides[J].A-
quatic Botany,2007,86:93-96.
[21] 苏延桂,李新荣,张景光,等.生物土壤结皮对土壤种子库的影
响[J].中国沙漠,2006,26(6):997-1001.
[22] Mandák B,Pyek P.The effects of light quality,nitrate con-
centration and presence of bracteoles on germination of differ-
ent fruit types in the heterocarpous Atriplex sagittata[J].
Journal of Ecology,2001,89:149-158.
[23] 陈年来,马国军,张玉鑫,等.甜瓜种子萌发和幼苗生长对
NaCl胁迫的响应[J].中国沙漠,2006,26(5):814-819.
[24] 沈禹颖,王锁民,陈亚明.盐胁迫对牧草种子的萌发及其恢复
的影响[J].草业学报,1999,8(3):54-60.
[25] Huang Z Y,Zhang X S,Zheng G H,et al.Influence of light,
temperature,salinity and storage on seed germination of
Haloxylon ammodendron[J].Journal of Arid Environments,
2003,55:453-464.
[26] 张勇,薛林贵,高天鹏,等.荒漠植物种子萌发研究进展[J].中
国沙漠,2005,25(1):106-112.
[27] Ungar I A.Seed germination and seed-bank ecology of halo-
phytes[J].Wetlands Ecology and Management,2001,9:499-
510.
Effects of Salt and Water Stresses on Seed Germination of Karilinia caspica
WANG Zhi-cai,Yakupjan Aximu,WANG Yan,ZHANG Fu-chun
(Xinjiang Key Laboratory of Biological Resources and Genetic Engineering,College of Life Science and Technology,
Xinjiang University,Urumqi 830046,China)
Abstract:Salt and water stresses have direct influences on seed germination.The present study explored
the salt-tolerance characteristics of Karilinia caspicaseeds with or without pappus after treated with NaCl
of different concentrations.Seeds with or without pappus showed no significant difference in the final germi-
nation percentage,but the germination time of seed with pappus was prolonged due to pappus's hindrance to
seed water absorption.No distinct seed dormancy was observed when seeds were treated by cold stratifica-
tion,which suggested K.caspicaseeds could germinate quickly once environmental conditions were favora-
ble.The effects of NaCl stress and iso-osmotic PEG6000(polyethylene glycol)stress on K.caspica seed
germination were checked.Results showed that:(1)both NaCl and iso-osmotic PEG greatly inhibited the
seeds germination by reducing germination rate,prolonging germination time,and shortening germ and
radicle;(2)the influence of NaCl on K.caspicaseed germination was obviously greater than that of iso-os-
motic PEG,which suggested that ion stress was the main factor that inhibits seeds germination of K.caspi-
ca;(3)the critical and the extreme concentrations of NaCl for K.caspicaseeds germination were 213 mM
and 340 mM respectively;(4)low concentration of NaCl(50 mM)had little influence on K.caspicaseeds
germination as wel as the growth of germ,indicating that K.caspica seeds can germinate normaly under
low salt condition;(5)high concentration salt stressed ungerminated K.caspicaseeds showed high reger-
mination rate under rewatering treatment,though the final germination rates of the seeds treated with dif-
ferent NaCl concentrations were not significantly different,indicating that high NaCl stress drove the seeds
into dormancy but no damage to seed viability.
Keywords:Karilinia caspica;salt stress;water stress;seed germination
557 第3期 王志才等:水盐胁迫对花花柴种子萌发的影响