PEG 脅迫對(duì)光皮樺種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

丁強(qiáng)強(qiáng)，劉敏，萬(wàn)志兵

（1.黃山學(xué)院生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，黃山 245041；2.南京林業(yè)大學(xué)）

光皮樺（Betula luminifera）為樺木科優(yōu)良速生闊葉樹種，具有適應(yīng)性強(qiáng)、較耐干旱瘠薄，生長(zhǎng)快且樹干通直圓滿，材質(zhì)細(xì)致堅(jiān)韌、紋理美觀、粘膠性能好，是家具、室內(nèi)裝潢以及工業(yè)原料較理想的用材樹種[1]。由于其材性好、用途廣，又是速生豐產(chǎn)鄉(xiāng)土植物，現(xiàn)已成為我國(guó)南方山區(qū)珍優(yōu)闊葉樹種[2]。近年來(lái)對(duì)光皮樺的研究較多，多集中在遺傳改良[3]和育苗技術(shù)[4-5]的研究，隨著目前環(huán)境的惡化，部分地區(qū)環(huán)境條件差、降雨量少、土壤貧瘠，很多樹種難以在這些條件下成活，因此迫切需要選擇一個(gè)能夠在這些條件下生存的樹種。目前對(duì)光皮樺的非生物逆境抗響應(yīng)鮮有報(bào)道，因此揭示光皮樺種子萌發(fā)期的耐旱特性對(duì)其旱地種植具有重要意義。實(shí)驗(yàn)采取PEG 模擬干旱脅迫研究光皮樺種子萌發(fā)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，擬為光皮樺種子在干旱立地條件下的種植栽培提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

光皮樺種子采于安徽省績(jī)溪縣鎮(zhèn)頭林場(chǎng)光皮樺國(guó)家級(jí)良種基地，是第二代種子園生產(chǎn)的種子。

PEG6000 由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，平均分子量為6 000。

1.2 處理方法

用蒸餾水分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0% 、5%、10%、15%的PEG-6000 溶液，與之相對(duì)應(yīng)的水勢(shì)分別為0、-0.58、-1.66、-3.25MPa[6]，共4 個(gè)處理，每處理3 次重復(fù)。挑選顆粒飽滿、大小、色澤一致，無(wú)病蟲害的光皮樺種子。用0.1% NaClO 消毒10 min，蒸餾水漂洗3 次。培養(yǎng)皿底部均勻覆蓋適量厚度的脫脂棉，再覆蓋一層濾紙作為發(fā)芽床，加入相應(yīng)的溶液，溶液浸透脫脂棉和濾紙，每培養(yǎng)皿放入100 粒處理好的種子，放入25 ℃人工智能培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，全光照處理12 h，黑暗處理12 h。定時(shí)觀察種子的萌發(fā)情況并統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)（發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)以胚突破種皮露出為發(fā)芽），14 d后測(cè)定其相應(yīng)生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)量指標(biāo)和方法

種子發(fā)芽能力的測(cè)定

發(fā)芽率（GR）=（發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100%

發(fā)芽勢(shì)（GP）=（發(fā)芽高峰期時(shí)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100%

發(fā)芽指數(shù)（GI）=∑（Gt/Dt）；Gt：在時(shí)間為t 天的發(fā)芽個(gè)數(shù)，Dt：發(fā)芽實(shí)驗(yàn)的第t 天。萌發(fā)抗旱指數(shù)的測(cè)定[7]

種子萌發(fā)抗旱指數(shù)=滲透脅迫下萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照萌發(fā)指數(shù)，其中，萌發(fā)指數(shù)=（1.00）nd2+（0.75）nd4+（0.5）nd6+（0.25）nd8，nd2、nd4、nd6、nd8 分別為第2、4、6、8 天的種子萌發(fā)率。上胚軸、下胚軸長(zhǎng)度的測(cè)定

發(fā)芽14 d 后，每培養(yǎng)皿隨機(jī)取10 株幼苗測(cè)定其上胚和下胚軸長(zhǎng)，以其均值作為上胚軸、下胚軸長(zhǎng)度的指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理和方法

利用Excel 2007 和spss19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)光皮樺種子發(fā)芽能力的影響

從圖1 中看出5%PEG 濃度下發(fā)芽率最高為73%，較對(duì)照增加了4%；在5%濃度處理下的種子發(fā)芽勢(shì)為51%，比對(duì)照組略高；在10%時(shí)，發(fā)芽勢(shì)為39.3%，較對(duì)照組下降了11.3%；在15%時(shí)較對(duì)照組下降了19%。因此，PEG 濃度大于5%時(shí)，隨著干旱脅迫的加劇，這兩項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)變化相對(duì)平緩。這可能與種子對(duì)脅迫的忍耐程度較強(qiáng)有關(guān)系。

適當(dāng)?shù)拿{迫能夠提高光皮樺種子萌發(fā)率，使種子的發(fā)芽高峰期提前，由圖2 看出發(fā)芽指數(shù)隨著干旱脅迫的增加逐漸降低，PEG 濃度為5%時(shí)，發(fā)芽指數(shù)最高；PEG 濃度為10%時(shí)，發(fā)芽指數(shù)為54.81，較對(duì)照組下降了15%；15%時(shí)發(fā)芽指數(shù)為48.27，較對(duì)照組下降了31%。

圖1 PEG 脅迫下光皮樺種子萌發(fā)情況Fig.1 Effects of PEG stress on seed germination rate and germination potential of Betula luminifera

圖2 不同濃度的PEG 對(duì)發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.2 The germination index of Betula luminifera under PEG Stres

不同濃度下的PEG 對(duì)光皮樺種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)的方差均顯著（見(jiàn)圖1，圖2），表明隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，光皮樺種子發(fā)芽性狀在各個(gè)處理間的差異均顯著。多重比較結(jié)果表明，發(fā)芽率性狀在5%的PEG 處理時(shí)與對(duì)照差異顯著，說(shuō)明輕微脅迫有助于種子的萌發(fā)，而10%的PEG 和15%的PEG 處理與對(duì)照差異顯著，則表明過(guò)度的脅迫會(huì)抑制種子的萌發(fā)。發(fā)芽勢(shì)性狀在5%的PEG，10%的PEG 處理時(shí)與對(duì)照差異均不顯著，說(shuō)明發(fā)芽勢(shì)性狀對(duì)PEG 脅迫反應(yīng)不明顯。發(fā)芽指數(shù)性狀在10%處理時(shí)與對(duì)照差異顯著，表明較高的干旱脅迫能促進(jìn)光皮樺種子的發(fā)芽指數(shù)。

2.2 干旱脅迫對(duì)光皮樺幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖3 可以看出上胚軸長(zhǎng)在5%濃度時(shí)最長(zhǎng)，說(shuō)明較低濃度的干旱脅迫對(duì)光皮樺的上胚軸生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，當(dāng)干旱脅迫大于5%時(shí)，上胚軸長(zhǎng)隨著干旱脅迫的增加逐漸下降，說(shuō)明隨著干旱脅迫的加劇，對(duì)上胚軸生長(zhǎng)造成傷害。在15%濃度時(shí)脅迫下較對(duì)照組下降了13%，15%的PEG 處理與對(duì)照差異達(dá)顯著水平。下胚軸長(zhǎng)隨著干旱脅迫的加劇，它的生長(zhǎng)依次遞減，各處理間下胚軸長(zhǎng)度差異不明顯（見(jiàn)圖3），說(shuō)明隨著干旱脅迫的加劇，對(duì)幼苗下胚軸生長(zhǎng)有抑制作用，但在PEG 濃度小于15%時(shí)的脅迫對(duì)其影響不大。

圖3 不同PEG 濃度下光皮樺幼苗生長(zhǎng)情況Fig.3 Effects of PEG stress on seedling growth of Betula luminifera

圖4 PEG 脅迫下光皮樺種子萌發(fā)抗旱指數(shù)的變化Fig.4 The drought resistant index of Betula luminifera under PEG Stress

2.3 干旱脅迫對(duì)光皮樺種子萌發(fā)抗旱指數(shù)的影響

種子萌發(fā)抗旱指數(shù)是評(píng)價(jià)種子萌發(fā)期抗旱性的可靠指標(biāo)[8]。在5%的干旱脅迫下，光皮樺種子的萌發(fā)抗旱指數(shù)最高（圖4），為1.02。當(dāng)PEG 脅迫大于5%時(shí)，種子的萌發(fā)抗旱指數(shù)有所下降，在PEG 為10%時(shí)為0.92，與PEG 為5%時(shí)差異顯著，表明10%的PEG脅迫，對(duì)光皮樺種子萌發(fā)抗旱指數(shù)影響比較明顯。在PEG 為15%時(shí)為0.84，與PEG 為10%時(shí)差異不明顯。以上分析表明，光皮樺種子在萌發(fā)期具有一定的抗旱能力，但是隨著干旱脅迫的加劇種子萌發(fā)抗旱指數(shù)下降。

3 討論與結(jié)論

3.1 PEG 處理對(duì)光皮樺種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)需要水分，不同的水溶液對(duì)種子萌發(fā)的影響是不同的[9-10]，但是急速吸水卻會(huì)損傷種子細(xì)胞，迫使種子活力下降。適宜濃度PEG 溶液具有降低水勢(shì)的作用，可使種子吸水速度變緩，種子慢慢啟動(dòng)萌發(fā)，可減少細(xì)胞膜的機(jī)械損傷，利于膜損傷部位生理生化修復(fù)，促進(jìn)了膜結(jié)構(gòu)和生理功能的完善，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滲漏，提高種子萌發(fā)率[11]。研究中光皮樺種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、抗旱指數(shù)均在5%時(shí)最高，主要原因是增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸的含量，提高保護(hù)性酶超氧化物歧化酶（SOD），過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）的活性，降低丙二醛（MDA）含量，修復(fù)膜系統(tǒng)損傷[12]。在5%PEG 濃度以后再隨著干旱脅迫的加劇呈下降趨勢(shì)，這種隨著干旱脅迫的增加而各項(xiàng)指標(biāo)都下降的趨勢(shì)，其他研究也有相似的結(jié)果[13-14]。光皮樺的種子小，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)少，含水多，在PEG 濃度小幅度增加時(shí)能促進(jìn)種子萌發(fā)，隨著干旱脅迫的繼續(xù)增大，超過(guò)了光皮樺種子的耐受范圍，損傷了種子活力。隨著PEG 質(zhì)量濃度的增大，種子的對(duì)過(guò)氧化氫酶（CAT）活性升高，因?yàn)楦邼舛鹊腜EG 引起種子代謝紊亂、造成無(wú)氧呼吸上升、大量消耗貯藏物質(zhì)，使得CAT 活性升高[12]。因此5%左右的PEG 溶液能夠促進(jìn)光皮樺種子的萌發(fā)，但當(dāng)PEG 濃度大于5%時(shí)，將抑制種子萌發(fā)。

3.2 PEG 處理對(duì)光皮樺幼苗生長(zhǎng)的影響

洪法水等[15]曾報(bào)道PEG 處理可以促進(jìn)小麥幼苗生長(zhǎng)，在試驗(yàn)中5%濃度下的PEG 也對(duì)光皮樺幼苗的上胚軸長(zhǎng)具有促進(jìn)作用，當(dāng)脅迫濃度較高時(shí)，上胚軸的生長(zhǎng)受到抑制，下胚軸的生長(zhǎng)則隨著干旱脅迫的增加也會(huì)受到抑制，但與對(duì)照相比差異不顯著，這與胡卉芳等對(duì)扁蓿豆的研究結(jié)果有所差別[16-17]。分析認(rèn)為這與幼苗體內(nèi)的生理代謝有關(guān)，適宜的干旱脅迫能夠增加SOD 酶和POD 酶活性[18]，隨著干旱脅迫的逐漸增強(qiáng)，光皮樺幼苗體內(nèi)產(chǎn)生保護(hù)酶，以清除干旱脅迫中產(chǎn)生的活性氧，減少其對(duì)膜的傷害，從而增強(qiáng)植物抵抗脅迫的能力，促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)，而當(dāng)脅迫增加到一定程度時(shí)，酶的活性受到抑制，影響其表達(dá)，不能及時(shí)清除干旱脅迫中產(chǎn)生的活性氧，影響幼苗生長(zhǎng)。而上胚軸的生長(zhǎng)趨勢(shì)和下胚軸的生長(zhǎng)趨勢(shì)的不同，可能是基因的選擇性表達(dá)和酶的分布有關(guān)，由于上胚軸的SOD 酶和POD 酶的表達(dá)基因較多，所以分泌的酶較多，而下胚軸中的較少，所以在干旱的刺激下表達(dá)的較少，從而不能顯現(xiàn)出其作用效果。結(jié)果表明PEG 濃度為5%左右時(shí)，能促進(jìn)幼苗上胚軸長(zhǎng)，大于此濃度時(shí)，則阻礙其生長(zhǎng)。

木本植物幼苗的更新是森林群落演替、植被生態(tài)恢復(fù)等過(guò)程中非常關(guān)鍵的一步。剛萌發(fā)的幼苗不能夠經(jīng)受各種不利的環(huán)境因子，因此幼苗階段的生長(zhǎng)發(fā)育、存活、分布和種群動(dòng)態(tài)更容易受到水分和光照等諸多生態(tài)因素及其相互作用的影響[19]，比成年個(gè)體對(duì)環(huán)境因子更敏感，是植物生活史中最為敏感的時(shí)期。研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)母珊得{迫能夠促進(jìn)光皮樺種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。綜合考慮PEG 滲透溶液對(duì)光皮樺種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)等指標(biāo)的影響，參考PEG 溶液濃度和水勢(shì)換算結(jié)果，光皮樺種子萌發(fā)及其幼苗可忍受5%的PEG 脅迫，即水勢(shì)-0.58 MPa 的土壤干旱脅迫。

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