PEG 脅迫對光皮樺種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

丁強強，劉敏，萬志兵

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

光皮樺（Betula luminifera）為樺木科優(yōu)良速生闊葉樹種，具有適應性強、較耐干旱瘠薄，生長快且樹干通直圓滿，材質細致堅韌、紋理美觀、粘膠性能好，是家具、室內裝潢以及工業(yè)原料較理想的用材樹種[1]。由于其材性好、用途廣，又是速生豐產鄉(xiāng)土植物，現(xiàn)已成為我國南方山區(qū)珍優(yōu)闊葉樹種[2]。近年來對光皮樺的研究較多，多集中在遺傳改良[3]和育苗技術[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能夠在這些條件下生存的樹種。目前對光皮樺的非生物逆境抗響應鮮有報道，因此揭示光皮樺種子萌發(fā)期的耐旱特性對其旱地種植具有重要意義。實驗采取PEG 模擬干旱脅迫研究光皮樺種子萌發(fā)對干旱脅迫的響應，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 實驗材料

光皮樺種子采于安徽省績溪縣鎮(zhèn)頭林場光皮樺國家級良種基地，是第二代種子園生產的種子。

PEG6000 由國藥集團化學試劑有限公司生產，平均分子量為6 000。

1.2 處理方法

用蒸餾水分別配制質量分數(shù)為0% 、5%、10%、15%的PEG-6000 溶液，與之相對應的水勢分別為0、-0.58、-1.66、-3.25MPa[6]，共4 個處理，每處理3 次重復。挑選顆粒飽滿、大小、色澤一致，無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。定時觀察種子的萌發(fā)情況并統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)（發(fā)芽標準以胚突破種皮露出為發(fā)芽），14 d后測定其相應生長指標。

1.3 測量指標和方法

種子發(fā)芽能力的測定

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

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

發(fā)芽指數(shù)（GI）=∑（Gt/Dt）；Gt：在時間為t 天的發(fā)芽個數(shù)，Dt：發(fā)芽實驗的第t 天。萌發(fā)抗旱指數(shù)的測定[7]

種子萌發(fā)抗旱指數(shù)=滲透脅迫下萌發(fā)指數(shù)/對照萌發(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、下胚軸長度的測定

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

1.4 數(shù)據(jù)處理和方法

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

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對光皮樺種子發(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%，較對照增加了4%；在5%濃度處理下的種子發(fā)芽勢為51%，比對照組略高；在10%時，發(fā)芽勢為39.3%，較對照組下降了11.3%；在15%時較對照組下降了19%。因此，PEG 濃度大于5%時，隨著干旱脅迫的加劇，這兩項發(fā)芽指標變化相對平緩。這可能與種子對脅迫的忍耐程度較強有關系。

適當?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，發(fā)芽指數(shù)最高；PEG 濃度為10%時，發(fā)芽指數(shù)為54.81，較對照組下降了15%；15%時發(fā)芽指數(shù)為48.27，較對照組下降了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 對光皮樺種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)的方差均顯著（見圖1，圖2），表明隨著干旱脅迫的增強，光皮樺種子發(fā)芽性狀在各個處理間的差異均顯著。多重比較結果表明，發(fā)芽率性狀在5%的PEG 處理時與對照差異顯著，說明輕微脅迫有助于種子的萌發(fā)，而10%的PEG 和15%的PEG 處理與對照差異顯著，則表明過度的脅迫會抑制種子的萌發(fā)。發(fā)芽勢性狀在5%的PEG，10%的PEG 處理時與對照差異均不顯著，說明發(fā)芽勢性狀對PEG 脅迫反應不明顯。發(fā)芽指數(shù)性狀在10%處理時與對照差異顯著，表明較高的干旱脅迫能促進光皮樺種子的發(fā)芽指數(shù)。

2.2 干旱脅迫對光皮樺幼苗生長的影響

由圖3 可以看出上胚軸長在5%濃度時最長，說明較低濃度的干旱脅迫對光皮樺的上胚軸生長有促進作用，當干旱脅迫大于5%時，上胚軸長隨著干旱脅迫的增加逐漸下降，說明隨著干旱脅迫的加劇，對上胚軸生長造成傷害。在15%濃度時脅迫下較對照組下降了13%，15%的PEG 處理與對照差異達顯著水平。下胚軸長隨著干旱脅迫的加劇，它的生長依次遞減，各處理間下胚軸長度差異不明顯（見圖3），說明隨著干旱脅迫的加劇，對幼苗下胚軸生長有抑制作用，但在PEG 濃度小于15%時的脅迫對其影響不大。

圖3 不同PEG 濃度下光皮樺幼苗生長情況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)是評價種子萌發(fā)期抗旱性的可靠指標[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PEG 脅迫大于5%時，種子的萌發(fā)抗旱指數(shù)有所下降，在PEG 為10%時為0.92，與PEG 為5%時差異顯著，表明10%的PEG脅迫，對光皮樺種子萌發(fā)抗旱指數(shù)影響比較明顯。在PEG 為15%時為0.84，與PEG 為10%時差異不明顯。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 討論與結論

3.1 PEG 處理對光皮樺種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)需要水分，不同的水溶液對種子萌發(fā)的影響是不同的[9-10]，但是急速吸水卻會損傷種子細胞，迫使種子活力下降。適宜濃度PEG 溶液具有降低水勢的作用，可使種子吸水速度變緩，種子慢慢啟動萌發(fā)，可減少細胞膜的機械損傷，利于膜損傷部位生理生化修復，促進了膜結構和生理功能的完善，減少營養(yǎng)物質滲漏，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、發(fā)芽指數(shù)、抗旱指數(shù)均在5%時最高，主要原因是增加滲透調節(jié)物質如可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸的含量，提高保護性酶超氧化物歧化酶（SOD），過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）的活性，降低丙二醛（MDA）含量，修復膜系統(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，這種隨著干旱脅迫的增加而各項指標都下降的趨勢，其他研究也有相似的結果[13-14]。光皮樺的種子小，營養(yǎng)物質少，含水多，在PEG 濃度小幅度增加時能促進種子萌發(fā)，隨著干旱脅迫的繼續(xù)增大，超過了光皮樺種子的耐受范圍，損傷了種子活力。隨著PEG 質量濃度的增大，種子的對過氧化氫酶（CAT）活性升高，因為高濃度的PEG 引起種子代謝紊亂、造成無氧呼吸上升、大量消耗貯藏物質，使得CAT 活性升高[12]。因此5%左右的PEG 溶液能夠促進光皮樺種子的萌發(fā)，但當PEG 濃度大于5%時，將抑制種子萌發(fā)。

3.2 PEG 處理對光皮樺幼苗生長的影響

洪法水等[15]曾報道PEG 處理可以促進小麥幼苗生長，在試驗中5%濃度下的PEG 也對光皮樺幼苗的上胚軸長具有促進作用，當脅迫濃度較高時，上胚軸的生長受到抑制，下胚軸的生長則隨著干旱脅迫的增加也會受到抑制，但與對照相比差異不顯著，這與胡卉芳等對扁蓿豆的研究結果有所差別[16-17]。分析認為這與幼苗體內的生理代謝有關，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，光皮樺幼苗體內產生保護酶，以清除干旱脅迫中產生的活性氧，減少其對膜的傷害，從而增強植物抵抗脅迫的能力，促進幼苗的生長，而當脅迫增加到一定程度時，酶的活性受到抑制，影響其表達，不能及時清除干旱脅迫中產生的活性氧，影響幼苗生長。而上胚軸的生長趨勢和下胚軸的生長趨勢的不同，可能是基因的選擇性表達和酶的分布有關，由于上胚軸的SOD 酶和POD 酶的表達基因較多，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的較少，從而不能顯現(xiàn)出其作用效果。結果表明PEG 濃度為5%左右時，能促進幼苗上胚軸長，大于此濃度時，則阻礙其生長。

木本植物幼苗的更新是森林群落演替、植被生態(tài)恢復等過程中非常關鍵的一步。剛萌發(fā)的幼苗不能夠經受各種不利的環(huán)境因子，因此幼苗階段的生長發(fā)育、存活、分布和種群動態(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]，比成年個體對環(huán)境因子更敏感，是植物生活史中最為敏感的時期。研究結果表明，適當?shù)母珊得{迫能夠促進光皮樺種子的萌發(fā)和幼苗生長。綜合考慮PEG 滲透溶液對光皮樺種子發(fā)芽和幼苗生長等指標的影響，參考PEG 溶液濃度和水勢換算結果，光皮樺種子萌發(fā)及其幼苗可忍受5%的PEG 脅迫，即水勢-0.58 MPa 的土壤干旱脅迫。

［1］ 周家駿，高林. 優(yōu)良闊葉樹種造林技術［M］. 杭州：浙江科學技術出版社，1985.

［2］ 鐘建軍，方水強，吳友軍. 光皮樺的綜合利用價值及育苗造林技術［J］.安徽農學通報，2009，15（20）：104-105.

［3］ 張俊紅，黃華宏，童再康，等. 光皮樺6 個南方天然群體的遺傳多樣性［J］.生物多樣性，2010，18（3）：233-240.

［4］ 劉光金，王小寧，李武志. 光皮樺優(yōu)良家系育苗試驗初報［J］.湖北農業(yè)科學，2011，16（11）：3338-3341.

［5］ 馮建民，何貴平，駱文堅，等. 光皮樺采種育苗技術［J］.浙江林業(yè)科技，2006，26（6）：59-61.

［6］ 王乃江，侯慶春，張文輝，等. 黃土高原鄉(xiāng)土樹種光合作用及抗旱研究［J］.西北林學院學報，2006，21（3）：26-29.

［7］ 王贊，李源. PEG 滲透脅迫下鴨茅種子萌發(fā)特性及抗旱性鑒定［J］.中國草地學報，2008，30（1）：50-54.

［8］ 王艷樹，李鳳山，張玉霞，等. PEG 脅迫對蓖麻種子吸脹萌發(fā)的影響［J］. 內蒙古民族大學學報：自然科學版，2007，22（3）：302-306.

［9］ 曲善民，劉艾，杜廣明，等.雪水對苜蓿幼苗的影響［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2012，24（1）：32-34.

［10］ 梁喜龍，方淑梅，劉暢，等.CuSO4與H3BO3對黃芪幼苗建成及部分生理生化指標的影響［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2012，24（3）：1-4.

［11］ 史鋒厚，朱燦燦，沈永寶，等.PEG6000 滲透處理對油松種子發(fā)芽的影響［J］. 浙江林學院學報，2008，25（3）：289-292.

［12］ 麥苗苗，石大興，王米力，等.PEG 處理對連香樹種子萌發(fā)與芽苗生長的影響［J］.林業(yè)科學，2009，45（10）：94-99.

［13］ 宋軍生，王芳，魚小軍，等. PEG 脅迫對板藍根種子萌發(fā)和幼苗生長的影響［J］.種子，2011，11（30）：11-14.

［14］ McLarenl K P，McDonald M A.The effects of moisture and shade on seed germination and seedling survival in a tropical dry forest in Jamaica ［J］.Forest Ecology and Management，2003，183（1）：61-75.

［15］ 洪法水，馬成倉，王旭明，等. 聚乙烯醇預處理小麥種子對萌發(fā)代謝及生長的影響［J］.作物學報，1997，23（2）：247-252.

［16］ 胡卉芳，王照蘭，杜建材，等.PEG 脅迫下不同品系扁蓿豆種子的萌發(fā)特性［J］.草原與草坪，2010，33（3）：74-77.

［17］ 梁佳勇，陳平，劉永霞，等.鹽脅迫對木豆種子萌發(fā)與幼苗生長的影響［J］.農業(yè)與技術，2003，23（6）：71-75.

［18］ 高亞梅，韓毅強，杜吉到，等.干旱脅迫對大豆酶活性的影響［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2007，19（4）：13-16.

［19］ Sack L，Grubb P J，Maranón T. The functional morphology of juvenile plants tolerant of strong summer drought in shaded forest under stories in southern Spain［J］.Plant Ecology，2003，168（1）：139-163.