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Effects of Complex Salt and Alkali Conditions on Seed Germination and Seedling Chlorophyll Fluorescence Characteristics of Alfalfa

混合盐碱对紫花苜蓿种子萌发及幼苗期叶绿素荧光特性的影响



全 文 :第21卷 第3期
 Vol.21  No.3
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
     2013年 5月
  May 2013
doi:10.11733/j.issn.1007G0435.2013.03.014
混合盐碱对紫花苜蓿种子萌发及
幼苗期叶绿素荧光特性的影响
刘晓静,张晓磊,齐敏兴,刘艳楠
(甘肃农业大学草业学院 草业生态系统教育部重点实验室 中G美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃 兰州 730070)
摘要:采用2种中性盐NaCl和Na2SO4 及2种碱性盐NaHCO3 和Na2CO3 按不同比例混合成A,B,C,D,E共5个
组合,设25,50,100,150mmol􀅰L-1共4个浓度梯度,模拟出20种不同盐度和碱度的混合盐碱条件处理紫花苜蓿
(Medicagosativa)种子,测定其发芽率、发芽势和发芽进程,及沙培条件下混合盐碱胁迫对其幼苗叶绿素含量和叶
绿素荧光特性的影响,旨在探讨混合盐碱胁迫对紫花苜蓿种子萌发和幼苗光合特性的影响.结果表明:除A组外,
其他各组的发芽率、发芽势均随着盐浓度的升高而降低;同一浓度下随着碱性盐比例的增加种子萌发进程延缓越
明显;随着盐浓度的升高,叶绿素含量呈先增加后减少的趋势,荧光参数PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和PSⅡ的
潜在活性(Fv/Fo)均呈显著降低趋势(P<0.05),不同组合之间表现略有差异.
关键词:紫花苜蓿;混合盐碱胁迫;种子萌发;叶绿素;叶绿素荧光
中图分类号:Q945.78;Q945.11    文献标识码:A     文章编号:1007G0435(2013)03G0501G07
EffectsofComplexSaltandAlkaliConditionsonSeedGerminationand
SeedlingChlorophylFluorescenceCharacteristicsofAlfalfa
LIUXiaoGjing,ZHANGXiaoGlei,QIMinGxing,LIUYanGnan
(ColegeofGrasslandScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem
(GansuAgriculturalUniversity),MinistryofEducation/SinoGU.S.CentersforGrazingland
EcosystemSustaiability,Lanzhou,GansuProvince730070,China)
Abstract:Seedsandyoungseedlingsofalfalfa(Medicagosativa)werestressedwith20differentalkaliGsaG
lineconditionssimulatingsaltGalkalinizedsoilobtainedbymixingtwoneutralsalts(NaClandNa2SO4)and
twoalkalinesalts(NaHCO3andNa2CO3)invariousproportions.Undertheseconditions,thegermination
rate,germinationviability,germinationprocess,photochemicalefficiencyofPSⅡ (Fv/Fm),potentialacG
tivityofPSⅡ (Fv/Fo)andchlorophylcontentweredetermined.ResultsshowedthatexceptgroupA,
salthadanegativeeffectonthegerminationrateandgerminationviabilityofseeds.InthesamesaltconG
centrations,thegerminationprocesswaspostponedwithincreasedproportionsofalkalisalt.Asthestress
increased,thechlorophylcontentincreasedinitialythendecreased,Fv/Fm,Fv/Foweresignificantlydecreased.
Keywords:Alfalfa(Medicagosativa);Saltandalkalimixedstress;Seedgermination;Chlorophyl;ChloG
rophylfluorescence
  土壤盐碱化是一个世界性的生态环境问题,随
着生态环境的不断恶化以及人们不合理的开发利
用,导致土壤盐碱化的不断加深和扩大.目前全球
约有10%的耕地存在不同程度的盐渍化,盐碱地多
属于既含中性盐又含碱性盐的复合盐碱地,盐化与
碱化往往相伴发生,碱性盐不仅具有中性盐的胁迫
作用,而且由于土壤中 HCO3-和CO32-含量较高,
引起土壤pH值升高,严重影响农作物生长[1],还明
显降低矿质元素可利用性,因而较中性盐具有更大
生态破坏力[2].而且我国内陆盐碱地碱性盐土壤占
收稿日期:2012G11G28;修回日期:2013G01G05
基金项目:甘肃省自然基金项目“甘肃省秦王川灌区苜蓿草地施肥制度及其对环境的影响研究”(1010RJZA157);草业生态系统教育部重
点实验室(甘肃农业大学)项目“供氮水平及氮素形态对紫花苜蓿养分吸收及根瘤特性的影响研究”(CYZSG2011012);甘肃省财
政厅项目“外源氮素供应对紫花苜蓿产量和品质形成影响研究”资助
作者简介:刘晓静(1968G),女,甘肃酒泉人,博士,教授,研究方向为草坪及牧草营养与生理,EGmail:liuxj@gsau.edu.cn
草 地 学 报 第21卷
的比重也越来越大[3G4].我国大约有23%的盐土和
37%的碱土,我国西部草原碱化草场已达70%以
上[5],并且有9.2×107hm2 的耕地正在面临盐碱
化[6],因此盐渍化土地的开发以及防治次生盐渍化
问题十分迫切.
紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上栽培最
早,面积最大,利用最广泛和经济价值最高的优质牧
草,享有“牧草之王”的美誉[7].同时紫花苜蓿属于
中等耐盐碱豆科植物[8],并且具有调节土壤酸碱
性[9],提高土壤肥力,有效促进土壤团粒结构的形
成,改善土壤理化性质[10],因此,盐碱地种植苜蓿是
一种行之有效的生态改良措施.
植物的耐盐性随个体的发育阶段而变化,种子
萌发期往往是对盐胁迫十分敏感的时期,这一时期
的特性决定了该植物在某一地区是否能够成功建
苗[11].也正是由于这一特点,种子发芽期间的耐盐
性一直作为耐盐品种的选育与培育的关键时期.叶
绿素荧光是以光合作用理论为基础来探测和分析植
物光合功能的重要手段,它为研究光合作用过程中
光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配以及PSⅡ
(光系统Ⅱ)及其电子传递过程提供了丰富信息.因
此,叶绿素荧光动力学技术是研究植物光合生理状
况及植物与逆境胁迫关系的理想探针[12].目前对
于苜蓿盐碱胁迫下的叶绿素荧光特性主要集中在以
NaCl为主的单盐胁迫上[13],而在混合盐碱胁迫下紫
花苜蓿的荧光特性还鲜有报道.为此,本研究利用
2种中性盐(NaCl和Na2SO4)和2种碱性盐(NaHG
CO3和Na2CO3),模拟混合盐碱胁迫对苜蓿种子进
行发芽试验及幼苗期进行胁迫处理,旨在探讨紫花
苜蓿的萌发特性以及幼苗期的光合荧光特性对混合
盐碱胁迫的响应,以期为紫花苜蓿耐盐碱研究和耐
盐碱品种的选育提供科学依据.
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试品种为甘农三号紫花苜蓿(M.sativaL.
‘GannongNo.3’),供试根瘤菌菌株为中华根瘤菌
(12531),均由甘肃农业大学草业学院提供.
1.2 混合盐碱条件的模拟
将NaCl,Na2SO4,NaHCO3 和Na2CO3 按不同
比例混合,以碱性盐所占比例由小到大,依次标为
A,B,C,D,E.每组内又设5个浓度处理,其混合
盐总浓度依次为25,50,100,150mmol􀅰L-1,分
别以1,2,3,4标识,如A1,即表示A组中浓度为
25mmol􀅰L-1的处理,依次类推.因此,从A1~E5
共计模拟出20种盐度及碱度各不相同的盐碱条件,
各处理的盐分组成及相应pH值如表1所示.
表1 各处理液的盐分组成、摩尔比及pH值
Table1 Saltcomposition,molarratioandpHofsolutionsinmixedsalttreatment
处理组
Treatments
盐分组成及摩尔比Saltcompositionandmolarratio 不同浓度处理的pH值pHvaluescorrespondingsalinitytreatment
NaCl Na2SO4 NaHCO3 Na2CO3 25mmol􀅰L-1 50mmol􀅰L-1 100mmol􀅰L-1 150mmol􀅰L-1
A 1 1 0 0 7.11 7.15 7.22 7.28
B 1 0 1 0 8.27 8.32 8.36 8.49
C 1 1 1 1 9.26 9.31 9.44 9.51
D 0 1 0 1 10.13 10.19 10.23 10.34
E 0 0 1 1 11.09 11.21 11.27 11.36
1.3 种子发芽和幼苗培养
1.3.1 种子发芽 挑选饱满均匀的种子,用0.1%
HgCl2 杀毒2min,然后用蒸馏水反复冲洗5遍,晾
干备用.在直径95mm的培养皿内发芽,采用纸上
发芽床法,在洁净的培养皿中放入双层滤纸,整齐摆
入100粒种子,分别加入不同处理液直到滤纸饱和
为止(以倾斜45°无明水为准)[14],加盖,以蒸馏水处
理为对照,每处理4次重复.在(20±2)℃恒温培养
箱中避光培养,每天用处理盐溶液少量多次冲洗种
子,然后吸出盐处理液,以保持相应的离子浓度和
pH值的稳定.按«GB/T2930.4G2001牧草种子检
验规程»[15]规定紫花苜蓿发芽天数为10d.
1.3.2 幼苗培养 随机挑选表面杀毒过的紫花苜
蓿种子15粒,播入直径7cm,高8.5cm,容积350
mL,装入250g干燥河沙的塑料花盆中,覆盖30g
干沙,置入盛有完全 Hoagland[16]营养液的水培盒
中,使营养液自盆底向上缓慢渗透至沙表面.营养
液采用7d一换,每日补水的方式进行浇灌.真叶
期后培养5周,挑选长势相对均匀的盆栽进行混合
盐碱胁迫处理,每盆浇灌5mL,每5d处理一次,共
205
第3期 刘晓静等:混合盐碱对紫花苜蓿种子萌发及幼苗期叶绿素荧光特性的影响
处理3次.
1.4 测定指标
1.4.1 发芽指标的测定 从种子置床开始,每天观
察记录,按国家标准GB/T2930.4G2001规定第4d
统计发芽势(%),第10d统计发芽率(%),分别计
算种子的发芽势(Ge)、发芽率(Gr).公式[17]如下:
发芽势(Ge)=(第4d正常发芽的粒数/培养皿
中苜蓿种子总数)×100%;
发芽率(Gr)=(第10d全部正常发芽的粒数/
培养皿中苜蓿种子的总数)×100%.
1.4.2 苗期指标的测定 叶绿素含量的测定采用
丙酮G乙醇浸提法[18],浸提液为丙酮和无水乙醇以1
∶1等量混合,再将剪碎的倒三叶0.1g加到20mL
浸提液中,加塞置于暗处,于室温下进行浸提.48h
后,待材料完全变白,利用分光光度计测定645nm
及663nm的吸光度值,采用Arnon[19]的公式,计算
出叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量的含量.
叶绿素荧光动力学参数的测定:第1次胁迫处
理后15d,选取具有代表性的各处理,暗适应30
min后,采用超便携式调制叶绿素荧光分析仪MING
IGIMAGINGGPAM (德国,WALZ公司)测定初始荧
光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ的最大光化学效率
(Fv/Fm),并计算PSⅡ潜在光化学效率(Fv/Fo),测
定过程中得到的叶片饱和光脉冲激发调制的叶绿素
荧光参数均为相对值,每处理3次重复.
1.5 数据分析
采用Excel2003和SPSS16.0统计分析软件
进行数据分析,以LSR法进行差异显著性检验.
2 结果与分析
2.1 混合盐碱对紫花苜蓿种子萌发的影响
2.1.1 对发芽率与发芽势的影响 由图1可知,随
着盐浓度的升高,各处理下的苜蓿发芽率和发芽势基
本上呈现下降趋势,其中E组的降幅最大,在100
mmol􀅰L-1时发芽率与发芽势分别为7%和3%.由
于A组处理均为中性盐,发芽率有增高趋势,但是差
异不显著,其余4组处理中当盐浓度高于150
mmol􀅰L-1时发芽率与发芽势均接近于0.当盐浓度
达到100mmol􀅰L-1时,B,C,D,E处理组的发芽率
与对照相比分别下降了60.0%,62􀆰9%,66.0%和
96􀆰9%(P<0.05),与 A 处理组相比分别下降了
54􀆰0%,58.0%,61.3%和96.8%(P<0.05).
图1 盐浓度对紫花苜蓿种子发芽率和发芽势的影响
Fig.1 Effectsofsalinityonthegerminationrateandgerminationviabilityofalfalfa
2.1.2 对种子萌发进程的影响 发芽率反映了种
子成为幼苗的能力,同时也在一定程度上决定植物
立苗成苗情况.如图2所示,随着盐浓度的增加以
及pH的升高,种子的累积萌发率不同程度的降低,
萌发进程不同程度的延后.A组处理均为中性盐,
当盐浓度达到150mmol􀅰L-1、pH 为7.28时,发
芽率与对照相比稍有降低,但差异不显著,随着盐浓
度的增高,达到最大累积萌发率的发芽日数延后.
当盐浓度达到100mmol􀅰L-1时,A,B,C,D,E
组达到最大累积萌发率的发芽日数均延后,而且随
着pH的升高最大累积萌发率也降低.当盐浓度达
到150mmol􀅰L-1时,只有A组萌发,B,C,D,E
305
草 地 学 报 第21卷
组的萌发率均趋近于0,说明碱性盐对种子的萌发 抑制作用强于中性盐.
图2 不同混合盐碱胁迫对苜蓿种子累积萌发率的影响
Fig.2 Effectsofdifferentsaltstressoncumulativegerminationrateofalfalfa
2.2 混合盐碱胁迫对叶绿素及其荧光特性的影响
2.2.1 对叶绿素含量的影响 叶绿素是重要的光
合作用物质,叶绿素含量的多少直接影响植物光合
作用的强弱,从而影响植物光合产物的积累.由图
3可知,随着盐浓度的增加,叶绿素含量基本上呈现
先增大后减小的趋势.A处理的叶绿素含量在100
mmol􀅰L-1时达到最大,与对照差异显著(P<0.05);
在盐浓度低于100mmol􀅰L-1时叶绿素含量变化差
异不显著;在浓度达到150mmol􀅰L-1时又急剧降低
且与对照差异显著,说明在150mmol􀅰L-1时受到严
重胁迫使得光合色素分解.E处理在盐浓度为25
mmol􀅰L-1时叶绿素含量达到最大值,当盐浓度高
于50mmol􀅰L-1时叶绿素含量呈直线下降的趋势
而且显著低于对照.说明碱性盐相比中性盐对叶绿
405
第3期 刘晓静等:混合盐碱对紫花苜蓿种子萌发及幼苗期叶绿素荧光特性的影响
素具有更强的破坏性.
图3 混合盐碱对苜蓿叶绿素含量的影响
Fig.3 EffectofsalineGalkalistressonthe
chlorophylcontentofalfalfa
2.2.2 对Fv/Fo和Fv/Fm 的影响 Fv/Fm 和Fv/
Fo值用于度量植物叶片PSⅡ原初光能转化效率和
PSⅡ潜在活性,是表明光化学反应状况的2个重要
参数[20].由图4可知,PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)和PS
Ⅱ原初光能转化效率(Fv/Fm)均随着盐胁迫的加剧
而迅速降低,且各处理的Fv/Fm 值均显著低于对照
值 (P<0.05).在盐浓度达到25mmol􀅰L-1时,A
组与D组的Fv/Fo值差异不显著,其余均显著低于
对照(P<0.05),B组值最低,为对照的83.3%.E
组处理中,当盐浓度达到150mmol􀅰L-1、pH值为
11.36时,Fv/Fm 和Fv/Fo 均显著降低(P<0.05),
分别为对照处理的82.5%和48.8%,说明在受到高
盐、高pH胁迫时PSⅡ活性受到破坏,从而影响对
光能的吸收与利用.
3 讨论与结论
国内外众多研究表明,紫花苜蓿在发芽期、苗期
对盐较敏感,生长后期相对耐盐[21G23],因此,对于紫
花苜蓿的耐盐性鉴定及品种选育工作也主要集中在
发芽期与幼苗期.种子耐盐性及其机制是植物耐盐
性早期鉴定及耐盐个体与品种早期选择的基础.
图4 混合盐碱对Fv/Fm 和Fv/Fo的影响
Fig.4 EffectsofsaltGalkalistressonFv/FmandFv/Fo
3.1 盐浓度是混合盐碱抑制种子萌发的主要因素
盐碱胁迫抑制种子萌发的现象非常普遍.盐分
抑制种子萌发的原因主要有2个方面[24]:一是形成
渗透势以阻止水分吸收所造成的渗透胁迫;二是离子
毒害作用.离子毒害引发的膜损伤、代谢途径改变、
营养缺乏以及有毒物质的积累等都可以抑制种子的
萌发.本研究中,紫花苜蓿种子在混合盐碱条件下也
表现为发芽率和发芽势的降低,发芽进程受到不同程
度的延迟.在低盐浓度条件下(≤50mmol􀅰L-1)并
未表现出明显的抑制作用,该浓度下的种子发芽率
与对照相差不大,在低浓度盐碱条件下也存在着高
pH,所以pH并不是抑制种子萌发的主要因素,而
是由于高浓度的盐分造成种子的萌发抑制现象.A
组在高盐浓度下(≥100mmol􀅰L-1)也并未表现出
明显的抑制效应,说明在高浓度的混合盐碱中对种
子的萌发抑制效应是由高盐浓度和高pH共同作用
的结果.复萌试验中未萌发的种子并没有再次萌
发,而是表现为酶解变坏,在发芽过程中高浓度的混
合盐中(B~E组),种子表现为吸胀、萌动,部分种子
有“露白”现象,但后期并未萌发,说明在盐碱条件下
505
草 地 学 报 第21卷
对种子的原初效应并不是渗透胁迫,而是在种子吸
胀后由于离子毒害以及高pH值造成的种子代谢紊
乱,生成分解酶等,使种子分解,无法进行营养物质
的再分配,由此表现为高盐条件下的低萌发现象.
种子的萌发进程是影响种子发芽整齐度的关键
因素,决定着大田耕作的补苗时机,进而影响了作物
的收获时机以及产量状况.本研究发现,随着盐浓度
的升高以及强碱性盐比例的增加萌发进程受到不同
程度的延迟.在同种盐分组合中随着盐浓度的升高
发芽进程被逐渐推迟,首日发芽率依次降低;相同浓
度不同组合条件下,随着强碱性盐比例的增加发芽进
程显著推迟,出现这种现象的原因可能是由于碱性盐
的比例增加,导致环境pH值的升高,种子萌发相关
的酶活性受到抑制,从而造成营养状况的失衡,影响
矿质元素的吸收与分配,最终导致萌发困难.也有
研究表明[25],造成这种现象的原因是由于苜蓿种子
萌发过程中对不同盐碱的抗性可能不同,对NaHCO3
的抗性可能较大,而对Na2CO3 的抗性较弱;另一方
面,不同盐碱影响苜蓿萌发种子呼吸代谢的机制可能
不同.具体机制尚待进一步研究.
3.2 混合盐碱对叶绿素含量以及光合荧光的影响
光合作用是植物最基本的生命活动,是植物获
取能量和合成有机物质的根本源泉.叶绿素是植物
吸收与转化光能的重要光合物质,叶绿素的含量在
一定程度上决定了植物的光合作用强弱,而叶绿体
是对盐胁迫最敏感的细胞器[26],同时叶绿体是光合
作用的重要场所.叶绿素代谢也是一个动态平衡过
程.光合作用中,Fv/Fm 反映的是PSⅡ反应中心内
的光能转化效率,非环境胁迫条件下叶片的荧光参
数Fv/Fm 极少变化,不受物种和生长条件的影响,
而遭受光抑制的叶片这一参数变化明显,Fv/Fo 则
反映了PSⅡ的潜在活性,它们是表明光化学反应状
况的2个重要参数[27],叶绿素荧光信号能快速灵敏
地反映植物生理状态,可间接或直接了解光合作用
过程[28].近年来有关盐胁迫对于PSⅡ光化学活性
影响的研究结果不尽相同,一些研究表明盐胁迫可
以抑制PSⅡ的功能,另一些研究表明盐胁迫对PS
Ⅱ的活性没有影响[20].
本试验研究中发现,随着盐浓度的升高,Fv/Fm
和Fv/Fo均表现出下降趋势,不同混合盐表现又不
完全一致,这可能是因为不同混合盐作用机制不一
样.由图3可知,叶绿素含量随着盐浓度的升高呈
现先升后降的趋势,说明由于盐碱胁迫使叶片中的
离子平衡及细胞结构遭到破坏,叶绿素活性和光合
酶活性下降.低浓度盐碱胁迫时,叶绿素含量升高
其原因可能是由于盐碱胁迫促使细胞积累脯氨酸而
有利于叶绿素的合成[29];或破坏了细胞膜的透性,
使叶绿素分子大量渗漏[30],同时Fv/Fm 和Fv/Fo
的下降,说明光合系统是一个动态平衡系统,植物通
过提高自身叶绿素含量来提高光合效率以维持植物
生长.当盐浓度升高,超过植物最大耐受程度时,植
物吸收不到足够的水分和矿质营养,造成营养不良,
致使叶绿素含量低,同时叶绿体的膜系统受到伤害,
叶绿体老化加快,片层逐渐解体,外形轮廓发生变
化,内部片层排列方向发生改变,并发生轻微膨胀,
基粒数目减少,内部结构趋向简单,以至瓦解[31].
盐胁迫下植物体内细胞色素系统遭到破坏叶绿素酶
活性增强,促进了叶绿素的降解,植株叶片的叶绿素
含量降低,因此叶绿素含量变化在一定程度上体现
了植物所受盐害的大小[32].叶绿素酶活性增强而
促进了叶绿素分解,或者是由于盐胁迫下植物叶片
细胞中叶绿素与叶绿体蛋白间结合变得松弛,使更
多的叶绿素遭到破坏[33].同时,PSⅡ潜在活性中心
受损,抑制了光合作用的原初反应,光合电子传递过
程受到影响,光合机构受到损害,不利于其叶片把所
捕获的光能转变为化学能.色素蛋白复合体的损
伤,不仅影响能量的吸收,还会使叶绿体中基粒的数
量和质量下降,从而影响光合性能.
综上所述,在混合盐碱条件下,盐浓度是抑制紫
花苜蓿种子萌发的主要因素,随着混和盐浓度的升
高,紫花苜蓿种子发芽率、发芽势都受到不同程度的
抑制,发芽进程延迟,可能由于苜蓿种子对不同盐的
抗性机制不同,混合中性盐条件下仍表现出较高的
发芽率与发芽势.幼苗期,在混合盐碱胁迫下,随着
盐浓度的升高,叶绿素含量呈现先增加后减少的趋
势,荧光参数Fv/Fm 和Fv/Fo 显著下降,表明在低
浓度胁迫下植物光合系统存在一个伤害与修复的动
态平衡,在高浓度胁迫下动态平衡被打破,光合系统
受到破坏,光合物质合成减少,光合产物净积累量减
少,植物的生长受到抑制.
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(责任编辑 李美娟)
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