PEG脅迫對芒和荻種子萌發(fā)的影響

何 淼，趙保成，李 強，劉長樂

(1.東北林業(yè)大學園林學院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.黑龍江省林業(yè)科學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

芒、荻類植物是禾本科黍亞科多年生C4草本植物，包括芒屬(Miscanthus)和荻屬(Triarrhena)，原產(chǎn)于東亞，廣泛分布于東南亞到太平洋島嶼的熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)，其中中國是世界芒、荻類植物資源的分布中心[1-3]。因其適應性強、生物量高而被歐洲等國家選作最具有潛力的草本能源植物之一。早在20世紀60年代，丹麥首先把芒、荻類植物作為一種能源植物進行研究[4-5]，近年來西方國家在芒、荻類植物基因型的選擇與栽培管理技術的改良等方面做了較多的研究[6]，而我國對芒、荻類植物作為能源植物的研究較少。20世紀80年代，趙先南和蕭運峰[7]通過對五節(jié)芒(M.floridulus)長期引種栽培，對其生物學特性以及生產(chǎn)性狀進行了研究。此外，芒、荻類作為新興的觀賞草類，在城市園林綠化中發(fā)揮著越來越重要的作用。我國是一個淡水資源嚴重不足的國家，干旱已經(jīng)嚴重影響了農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[8]。然而對于作為重要能源植物和觀賞草類的芒、荻類植物干旱脅迫的研究尚未見報道。本試驗采用PEG-6000模擬干旱脅迫，研究芒、荻類植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和根冠比等，對其抗旱性進行初步評價，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市園林綠化篩選抗旱植物提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1試驗材料 本試驗以東北地區(qū)野生的中國芒(M.sinensis)和荻(T.sacchariflora)種子為材料。芒種子于2011年11月上旬采集于遼寧省本溪市阿家?guī)X(41°22.803′ N,121°21.410′ E)，荻種子于2011年10月下旬采集于黑龍江省哈爾濱市太陽島風景區(qū)(46°24.442′ N,124°35.031′ E)，試驗在東北林業(yè)大學園林學院苗木培育實驗室進行。

1.2試驗方法 選取籽粒飽滿、大小均一且無機械損傷的種子，用1%的次氯酸鈉溶液消毒處理15 min，置于以雙層濾紙為發(fā)芽床的9 cm的培養(yǎng)皿中，放入溫度為25 ℃、光照為5 000 lx、濕度為66%的人工光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。試驗設4個處理，分別為5%、10%、15%和20%的聚乙二醇溶液(PEG-6000)，以蒸餾水作為對照。每處理3次重復。每皿均勻置入50粒種子，分別加入3 mL的PEG-6000模擬干旱脅迫，對照組加入等量的蒸餾水。每天在培養(yǎng)皿中加入1 mL處理液，每兩天更換一次濾紙，連續(xù)培養(yǎng)10 d。從種子置床之日開始觀察[9]，以胚根長度為種長的1/2為種子發(fā)芽的標志，以連續(xù)3 d發(fā)芽種子的數(shù)量不足供試種子數(shù)量的1%視為試驗結束[10]，于每天10:00觀察并記錄種子的發(fā)芽情況。

1.3指標測定及方法

1.3.1種子活力指標的測定

活力指數(shù)(VI)=GI×S。

式中，n為正常發(fā)芽的種子數(shù)，N為供試種子總數(shù)，Gt為第t日種子的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應的天數(shù)[11-12]，S為胚根鮮質量。

1.3.2胚根、胚芽生長量的測定 萌發(fā)試驗結束后，每皿隨機選取10株幼苗，用刻度尺測量胚根、胚芽的長度。然后取出全部植物樣品，用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙吸干表面水分，測定全部胚根、胚芽的鮮質量，用萬分之一分析天平稱量。

1.3.3萌發(fā)抗旱指數(shù)及抗旱等級 參照王贊等[13]的方法進行計算，公式如下：

萌發(fā)抗旱指數(shù)(GDRI)=PEG處理下的萌發(fā)指數(shù)/對照組的萌發(fā)指數(shù)。

萌發(fā)指數(shù)=1.00×nd2+0.75×nd4+0.50×nd6+0.25×nd8。

式中，nd2、nd4、nd6、nd8分別為第2、4、6、8天的種子發(fā)芽率，1.00、0.75、0.50、0.25分別為相應發(fā)芽天數(shù)所賦予的抗旱系數(shù)。

抗旱指標的評定標準參照王贊等[13]的方法進行。1級為抗旱型,綜合評價值為0.8以上；2級為中間型,綜合評價值在0.5～0.8；3級為不抗旱型,綜合評價值在0.5以下。

1.4數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0進行統(tǒng)計學分析，利用Excel 2003作圖。

2 結果與分析

2.1PEG脅迫對芒和荻種子萌發(fā)的影響 10%PEG脅迫下，芒和荻種子的發(fā)芽率與對照組差異不顯著(P>0.05)，但隨著PEG質量分數(shù)的不斷增加，芒(20% PEG)和荻(15% PEG)種子的發(fā)芽率相較于對照組及其它處理顯著下降(P<0.05)(圖1)。芒和荻種子的發(fā)芽指數(shù)差異明顯，在低質量分數(shù)PEG(5%)處理下，芒種子的發(fā)芽指數(shù)高于對照組，隨著處理質量分數(shù)的增加，芒種子的發(fā)芽指數(shù)逐漸下降，并在PEG質量分數(shù)為20%時與對照組及其它質量分數(shù)之間差異顯著(P<0.05)。而荻種子的發(fā)芽指數(shù)隨著PEG質量分數(shù)的升高逐漸下降，并在PEG質量分數(shù)為10%時與對照組差異顯著(P<0.05)。同質量分數(shù)的PEG處理下，芒種子的發(fā)芽率高于荻種子，并在15%的PEG處理時，芒和荻種子的發(fā)芽率差異性顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為芒>荻。由此可知，低質量分數(shù)PEG(10%)對芒和荻種子發(fā)芽影響較小，而高質量分數(shù)的PEG(>15%)嚴重抑制芒和荻種子的發(fā)芽，并且芒和荻之間差異明顯。

就芒和荻種子的活力指數(shù)來看(圖1)，隨著PEG質量分數(shù)的增加，芒種子的活力指數(shù)先升高后降低，而荻種子的活力指數(shù)逐漸降低，而同質量分數(shù)PEG處理下，芒種子的活力指數(shù)明顯高于荻種子的活力指數(shù)，這說明芒種子在不利環(huán)境條件出苗能力更強，種子活力更強，抗旱能力更強。

隨著PEG質量分數(shù)的增加，芒和荻種子的相對發(fā)芽率先升高再降低，荻種子的相對發(fā)芽率在15%PEG時明顯降低，而芒種子的相對發(fā)芽率在20%PEG時才明顯降低。從芒和荻的相對發(fā)芽率與對照組(CK)之間的百分比來看，荻種子的半致死質量分數(shù)(相對發(fā)芽率為對照組發(fā)芽率的50%時的質量分數(shù)[14])為15%，抗旱極限質量分數(shù)(相對發(fā)芽率為對照組發(fā)芽率的10%時的質量分數(shù)[14])為20%；而芒種子的半致死質量分數(shù)為20%。

發(fā)芽率是反映種子發(fā)芽能力的重要指標，發(fā)芽指數(shù)則反映了種子的發(fā)芽速度，而種子的發(fā)芽活力是種子活力的綜合表現(xiàn)，所以在結果中，各指標之間的反映并不完全一致 ，這也說明了植物抗旱性是各指標因素的綜合結果，并不是由某一指標單獨決定的。

2.2PEG脅迫對芒和荻胚芽、胚根生長的影響 在低質量分數(shù)PEG(10%)脅迫處理下，芒胚根較對照組顯著增長(P<0.05)。隨著PEG質量分數(shù)的增加，芒胚根和荻胚芽長度逐漸縮短，在PEG質量分數(shù)為15%時，荻胚芽與對照組差異顯著(P<0.05)，而芒胚芽和荻胚根隨著PEG質量分數(shù)的增加逐漸降低(圖2)。這說明，低質量分數(shù)的PEG脅迫促進了芒胚根及荻胚芽的生長，抑制了芒胚芽與荻胚根的生長，而高質量分數(shù)的PEG對芒和荻胚根和胚芽均有嚴重的抑制作用。

圖1 PEG脅迫對芒和荻種子發(fā)芽率、相對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Fig.1 Influence of osmotic stress on germination rate, relative germination rate, germination index and vigor index of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seeds

圖2 PEG脅迫對芒和荻種子胚根、胚芽的影響Fig.2 Influences of osmotic stress on radicle and plumule growth of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

芒胚根/胚芽呈先升高再降低再升高的趨勢，荻胚根/胚芽呈先降低后升高的趨勢，并且在10%PEG處理時芒和荻的胚根/胚芽值達到最低值(圖3)。由此可以得出，低質量分數(shù)的PEG 脅迫促進了芒胚根的生長，更有利于根系對水分的吸收，而對荻胚根有一定的抑制作用，說明芒較荻更抗旱。之后隨著質量分數(shù)的增加，芒和荻胚根/胚芽先降低后升高，這也正是植物體內生理機能抵抗外界不良環(huán)境的影響。

芒胚根的鮮質量先升高后下降(圖4)，這和胚根長度(圖2)的變化趨勢是一致的，但是芒胚根鮮質量在10%PEG處理時達到最大值，而芒胚根長度在5%PEG處理時達到最大值，這說明了低質量分數(shù)(5%)的PEG可促進胚根的伸長，10%～15%的PEG處理促進了胚根的橫向增粗，從而促進胚根生物量的增加。荻胚根鮮質量隨著PEG質量分數(shù)的增加呈逐漸下降的趨勢(圖4)，這和荻胚根的長度變化趨勢一致(圖2)。隨著PEG質量分數(shù)的升高，芒胚芽長度和鮮質量表現(xiàn)一致，呈逐漸下降趨勢，而荻在PEG質量分數(shù)小于10%時，胚芽長度增加，胚芽鮮質量反而下降，這說明了低質量分數(shù)PEG促進了獲胚芽的伸長但是抑制了其橫向加粗。

2.3芒和荻種子的萌發(fā)抗旱指數(shù)和抗干旱等級 隨著PEG質量分數(shù)的升高，芒和荻的萌發(fā)抗旱指數(shù)逐漸下降(芒在5%PEG時除外)，芒在20%PEG處理時才表現(xiàn)出不抗旱現(xiàn)象，而荻在10%PEG處理時表現(xiàn)為中間型，15%處理時表現(xiàn)為不抗旱，這說明了芒耐中度(20%)的干旱脅迫，荻只耐低質量分數(shù)(<10%)的干旱脅迫，由此可見芒比荻更耐旱(表1)。

圖3 PEG脅迫對芒和荻種子胚根/胚芽的影響Fig.3 Influence of osmotic stress on radicle length/plumule length of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

圖4 PEG脅迫對芒和荻種子胚根、胚芽鮮質量的影響Fig.4 Influence of osmotic stress on fresh weight of radicle and plumule of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

表1 芒和荻種子的萌發(fā)抗旱指數(shù)和抗旱等級Table 1 Drought resistance sprouting indexes and levels of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seeds

3 討論

在影響植物生長的因素中，水分因素已經(jīng)成為制約植物生長發(fā)育的最重要的因素，尤其是在種子萌發(fā)及幼苗生長階段，所以我們用種子萌發(fā)及幼苗生長對水分的需求狀況來評價其抗逆性[15]。近年來，PEG-6000作為一種滲透調節(jié)劑常被用作模擬土壤干旱脅迫的最佳物質，因其是生物大分子不易滲透到植物細胞內，不會對種子造成影響，并且能減緩萌發(fā)初期水分進出種子的速率，減少種子吸脹過程中膜系統(tǒng)的損傷[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，低質量分數(shù)PEG(10%)脅迫下，芒和荻種子的發(fā)芽率與對照組相比無顯著差異，且芒種子發(fā)芽指數(shù)先升高后降低，而荻逐漸下降，這說明低質量分數(shù)PEG脅迫能縮短芒種子的萌發(fā)時間，而延長荻種子的萌發(fā)時間。但也有其它的研究結果表明，5%PEG脅迫可以提高多種牧草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)[17]，且PEG脅迫僅提高種子的早期發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，而對最終的發(fā)芽率無顯著影響[18]。PEG脅迫對種子萌發(fā)的促進和抑制作用因植物種類和脅迫因素不同而異，不能一概而論，這方面還有待進一步的研究。不同水平PEG脅迫條件下，芒種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都明顯高于荻種子，發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在15%PEG時差異顯著(P<0.05)，活力指數(shù)在5%PEG時差異顯著(P<0.05)，這也從種子的活力指標上說明了芒種子與荻種子的差異，芒的抗干旱能力比荻更強，分布范圍更廣。

從胚根、胚芽的長度以及胚根、胚芽的鮮質量比較可以看出，隨著PEG質量分數(shù)的升高，芒胚根長和胚根鮮質量都是先升高后降低，胚根長在PEG為5%時最大，說明5%的PEG能最大程度的促進芒胚根的伸長，這與PEG干旱脅迫對狼尾草(Pennisetumalopecuroides)種子和冷季型草坪種子的研究結果相一致[14]。也有結果表明，隨著PEG質量分數(shù)的逐漸升高，胚根與胚芽的長度逐漸減小[16]。同時在5%PEG時胚根長最大，而胚根鮮質量在10%時最大，這說明低質量分數(shù)(5%)促進了芒胚根的伸長而抑制其橫向加粗，隨著PEG質量分數(shù)的升高(10%)，芒胚根的伸長受到抑制，而橫向加粗被促進。

4 結論

低質量分數(shù)(10%)的PEG脅迫對芒和荻種子的發(fā)芽率無明顯影響，但隨著PEG質量分數(shù)的升高，表現(xiàn)為明顯的抑制作用；隨著PEG質量分數(shù)的增加，芒種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都是先升高后降低，而荻種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)則是逐漸下降；低質量分數(shù)PEG脅迫對芒種子的胚根以及荻種子的胚芽長度有明顯的促進作用，而高質量分數(shù)的PEG脅迫對芒和荻的胚根及胚芽長都有明顯的抑制作用。

荻種子的半致死PEG質量分數(shù)為15%，致死質量分數(shù)為20%，而芒種子的半致死質量分數(shù)為20%，致死質量分數(shù)更高；從芒和荻萌發(fā)抗旱指數(shù)來看，芒能耐20%以上高質量分數(shù)的干旱脅迫，而荻只能耐一定質量分數(shù)的(10%)的干旱脅迫，表現(xiàn)為芒比荻更耐干旱。

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