PEG6000模擬干旱脅迫對2種沙冬青種子萌發(fā)的影響

姜生秀，嚴子柱，吳 昊

干旱是全球限制作物生產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害，中國是受干旱嚴重影響的農(nóng)業(yè)大國，據(jù)統(tǒng)計，世界干旱半干旱地區(qū)占陸地面積的1/3，我國干旱半干旱地區(qū)約占國土面積的50%，年降雨量僅在250～500 mm以下，且多集中在7－9月，土壤水分嚴重虧缺［1］。水分脅迫是地球上植物受到的最嚴重、最普遍的環(huán)境脅迫之一，研究植物的抗旱機理對植物抗旱理論研究和農(nóng)林業(yè)的發(fā)展具有重要意義［2］。研究表明，水分缺失引起陸生植物的滲透脅迫［3］，對植物的種子萌發(fā)和幼苗生長造成了一定的影響，最終導致作物產(chǎn)量的下降［3］。種子萌發(fā)是植物生活史中的重要階段，決定著植物能否成功在干旱、鹽漬環(huán)境中定居［5］，并且種子萌發(fā)時期的耐旱程度在一定程度上是其抗旱性研究的重要內(nèi)容［6］。聚乙二醇 (polyethylene glycol，簡稱 PEG)溶液培養(yǎng)，是人們在進行植物滲透脅迫研究中常用且較理想的模擬干旱脅迫系統(tǒng)［7］，在水稻、小麥等農(nóng)作物上被廣泛使用［8-9］。

沙冬青屬(Ammopiptanthus Cheng f.)隸屬豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionaceae)，是我國溫帶荒漠的唯一珍貴常綠灌木［10］，屬于國家二級保護植物［11］，是礫質(zhì)及沙礫質(zhì)荒漠化草原的建群物種，在亞洲中部的旱生植物區(qū)系中屬第三紀古亞熱帶常綠闊葉林的孑遺成分，具有古老的生長史和發(fā)展史［12］。沙冬青屬是寡種屬，僅新疆沙冬青(Ammopiptanthus nanus)和蒙古沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)2個種［9］，其根系發(fā)達，具有耐寒、抗旱等特點，是防風固沙的理想樹種，同時具有藥用、飼用和油料價值，又有園林綠化應(yīng)用價值［13］。關(guān)于沙冬青的耐旱性研究已有一些報道，最早見于對其形態(tài)解剖特征及理化性質(zhì)研究［14-15］，生理生態(tài)研究［16］，抗逆性及其機理研究［17］，干旱脅迫下種子萌發(fā)［18］等方面然而以上研究大都只是以某種沙冬青為主，而對于該屬2種沙冬青之間的比較研究較少，為進一步檢驗沙冬青耐旱潛力，有必要對2種沙冬青種子萌發(fā)過程中耐旱特性進行深入的比較研究。

民勤地處巴丹吉林沙漠東南緣，降雨量小，蒸發(fā)量大，氣候干燥［19］，因此研究該區(qū)域植物的耐旱性有助于理解其對荒漠環(huán)境相適應(yīng)的機制。本試驗采用PEG6000進行滲透脅迫，模擬土壤干旱，對2種沙冬青種子的萌發(fā)及幼苗生長情況進行比較研究，以揭示沙冬青早期生長的適宜條件及對逆境的反應(yīng)能力，為今后利用該類植物改善該區(qū)域惡劣的荒漠生境提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料蒙古沙冬青和新疆沙冬青種子采自民勤沙生植物園，于2016年9月采種，采種后存放于4℃的冷藏箱中。PEG6000(分子量6000)為分析純?nèi)芤?，由中國醫(yī)藥(集團)上?；瘜W試劑公司生產(chǎn)。

1.2 指標測定與方法

1.2.1 種子處理與培養(yǎng)方法 挑選大小一致飽滿無病害的2種沙冬青種子，用10%的雙氧水消毒10 min，蒸餾水反復沖洗3次，在鋪有2層吸水濾紙的培養(yǎng)皿上進行不同濃度的PEG6000脅迫培養(yǎng)試驗，PEG6000溶液共設(shè)7個濃度(0%、4%、8%、12%、16%、20%和24%)，分別為每皿30粒種子，每個處理重復3次。分別加入不同濃度PEG600溶液5 mL，于25℃培養(yǎng)箱進行萌發(fā)，濕度65%。此后，每隔1 d滴入2 mL相應(yīng)濃度的PEG6000溶液，防止濾紙干燥。

1.2.2 發(fā)芽率、發(fā)芽勢和日相對發(fā)芽率的測定 種子以胚根露出種皮1 mm視為萌發(fā)，將供試種子中第1粒種子萌發(fā)之日作為該處理萌發(fā)的開始期，以后每隔1 d定時記載萌發(fā)種子數(shù)，當連續(xù)4 d不再有種子萌發(fā)時作為萌發(fā)試驗結(jié)束期，計算種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢及日相對萌發(fā)率。

種子萌發(fā)率:GR=SN1/SN0×100%

式中，GR為種子萌發(fā)率(%);SN1為供試種子萌發(fā)數(shù);SN0為供試種子總數(shù)［20］。

式中，GP為種子發(fā)芽勢(%);SNm為種子萌發(fā)達到最高峰時種子萌發(fā)粒數(shù)(一般以最初1/3天數(shù)內(nèi)萌發(fā)種子數(shù)計);SN0為供試種子總數(shù)［20］。

日相對萌發(fā)率:DGR=n/SN0×100%

式中，DGR為種子日相對萌發(fā)率(%);n為萌發(fā)相應(yīng)各日的正常萌發(fā)粒數(shù);SN0為供試種子總數(shù)［21］。

1.2.3 胚芽長、胚根長及萌發(fā)種子含水率的測定

發(fā)芽結(jié)束后，每個處理中各隨即挑選10株種苗，分別測定胚芽和胚根的長度，并分別稱取鮮重，放入60℃烘箱至恒重，稱取干重，按照下式計算萌發(fā)種子的含水率:

W=(W1－W2)/W1×100%

式中，W1為種苗的鮮重;W2為種苗的干重。

式中：V為稀釋提取液的體積（mL）；N為稀釋倍數(shù)；C為按標準曲線計算的溶液的總黃酮濃度（mg/mL）；m為樣品的質(zhì)量（mg）。

1.2.4 恢復萌發(fā)率的測定 發(fā)芽結(jié)束后，從16%、20%和24%PEG6000溶液處理后未萌發(fā)的種子中選取15粒，用蒸餾水沖洗后放入培養(yǎng)皿中，用蒸餾水潤濕濾紙，培養(yǎng)處理5 d。每天記錄萌發(fā)數(shù)并計算恢復萌發(fā)率。

恢復萌發(fā)率=(蒸餾水中萌發(fā)的種子數(shù)/蒸餾水中總種子數(shù))×100%

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和Prism5.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，均值顯著性檢驗采用單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG6000對2種沙冬青種子萌發(fā)率和發(fā)芽勢的影響

由圖1和圖2可以看出，蒙古沙冬青種子在4%PEG6000處理時的萌發(fā)率和對照非常接近，發(fā)芽勢小于對照，隨后隨著PEG6000濃度的增大萌發(fā)率和發(fā)芽勢都明顯減小。在4%～12%PEG6000濃度范圍內(nèi)，萌發(fā)率和發(fā)芽勢變化幅度較小，分別為3.33%～22.22%和 1.11% ～ 16.67%，16%時萌發(fā)率為 17.81%，與對照之間相差72.23%，與濃度為20%的萌發(fā)率相差不大，發(fā)芽勢接近于0，濃度為24%時的萌發(fā)率為2.22%。新疆沙冬青的種子萌發(fā)率和發(fā)芽勢和PEG6000濃度成反比，PEG6000濃度為4%時，萌發(fā)率比對照低 3.33%，濃度為 8%時，比對照低24.4%，濃度為12%時，比對照低

圖1 不同濃度PEG6000處理下種子萌發(fā)率Fig.1 The germination rate under different concentrations of PEG6000 treatment

圖2 不同濃度PEG6000處理下種子發(fā)芽勢Fig.2 The germination potential under different concentrations of PEG6000 treatment

71.1 %，濃度為16%和20%時，萌發(fā)率接近于0，在濃度為24%時，沒有種子萌發(fā)。在0～12%濃度范圍內(nèi)，發(fā)芽勢變化范圍較大，為 5.56%～51.11%，濃度在20%和24%時發(fā)芽勢為0。

2種沙冬青種子萌發(fā)率和發(fā)芽勢曲線基本相同，但在不同PEG6000濃度處理下，蒙古沙冬青的種子萌發(fā)率和發(fā)芽勢均高于新疆沙冬青，尤其是濃度為12%時的相差值最高，達48.89%和31.11%，由此可以看出，蒙古沙冬青的抗旱性高于新疆沙冬青。

2.2 不同濃度PEG6000對2種沙冬青種子萌發(fā)率的影響

由圖3和圖4可以看出，2種沙冬青種子在蒸餾水中萌發(fā)迅速，處理2 d時萌發(fā)率分別達到51.11%和40%，經(jīng)不同濃度的PEG6000處理后，萌發(fā)率開始降低并延遲。處理2 d后，蒙古沙冬青在濃度低于16%時均有萌發(fā)，新疆沙冬青在濃度低于12%時均有萌發(fā)，濃度為16%的PEG6000處理新疆沙冬青4 d后才有萌發(fā)，并且萌發(fā)率不高。濃度20%和24%的PEG6000分別處理4 d和7 d后，蒙古沙冬青開始萌發(fā)，新疆沙冬青在20%的PEG6000處理5 d后萌發(fā)，在濃度24%處理下沒有萌發(fā)。除濃度20%外，蒙古沙冬青在蒸餾水和PEG6000處理下第9 d后萌發(fā)率趨于穩(wěn)定，新疆沙冬青除8%外，其他處理9 d后也不再有萌發(fā)。處理9后，蒙古沙冬青在蒸餾水和4%、8%PEG6000溶液中萌發(fā)率最高，為 90%、92.22%和 88.89%，新疆沙冬青在蒸餾水和4%PEG6000溶液中萌發(fā)率最高，為92.22%和88.89%。由此表明，濃度＜8%的PEG6000溶液對蒙古沙冬青種子萌發(fā)沒有明顯的影響，＞8%的PEG6000溶液抑制了其萌發(fā)，濃度＞4%的PEG6000溶液抑制了新疆沙冬青的萌發(fā)。

圖3 蒙古沙冬青種子萌發(fā)率Fig.3 The germination of Ammopiptanthus mongolicus

隨著PEG6000濃度的增大，2種沙冬青種子萌發(fā)率均降低，在0和4%PEG6000溶液中，2種沙冬青種子萌發(fā)率之間無顯著性差異(P＜0.05)，在8%～20%PEG6000溶液中，蒙古沙冬青萌發(fā)率顯著高于新疆沙冬青(P＞0.05)，在12%PEG6000處理下，蒙古沙冬青種子萌發(fā)率達70%，新疆沙冬青為21.11%，在24%PEG6000溶液中，新疆沙冬青萌發(fā)率為0，而蒙古沙冬青萌發(fā)率為 2.22%，表明 24%PEG6000溶液嚴重抑制了新疆沙冬青種子萌發(fā)，對蒙古沙冬青的抑制作用相對較小，蒙古沙冬青對干旱的耐受能力高于新疆沙冬青(圖5)。

圖4 新疆沙冬青種子萌發(fā)率Fig.4 The germination of Ammopiptanthus nanus

圖5 不同PEG 6000濃度對2種沙冬青種子最終萌發(fā)率的影響Fig.5 Effects of PEG 6000 concentrations on the final germination rate of the two Ammopiptanthus

2.3 不同濃度PEG6000對2種沙冬青種子日相對萌發(fā)率的影響

由圖6和圖7可以看出，不同濃度的PEG6000溶液處理下2種沙冬青種子萌發(fā)率明顯低于對照，并且在0、4%、8%、12%PEG6000溶液中萌發(fā)的高峰期均出現(xiàn)在第2天，濃度16%處理下蒙古沙冬青萌發(fā)在第5天，新疆沙冬青在第7天。這說明隨著干旱脅迫的增強，種子萌發(fā)進程減緩，且脅迫程度越大，減緩程度越明顯，另外，同水平的干旱脅迫對2種沙冬青種子萌發(fā)影響不同。

2.4 不同濃度PEG6000對2種沙冬青種子胚芽和胚根的影響

從不同濃度PEG6000脅迫下2種沙冬青種苗生長情況(表1)可以看出，在4%和8%PEG6000脅迫處理下，蒙古沙冬青的胚芽長、胚根長及含水量均與對照之間無顯著性差異(P＞0.05)，當濃度大于8%時，胚芽、胚根和含水量開始急劇下降，均顯著小于對照(P＜0.05)，胚芽長在濃度12%和16%處理之間無顯著性差異，卻顯著高于20%和24%(P＜0.05)，20%和 24%之間也無顯著性差異(P＞0.05)，胚根長的變化與此一致，濃度12%時的含水量顯著高于16%、20%及24%。新疆沙冬青胚芽胚根長及含水量的變化呈現(xiàn)不同的趨勢，濃度＜8%時，胚芽長和對照之間無顯著性差異(P＞0.05)，濃度＜4%時，胚根長和含水量與對照之間無顯著性差異。這表明，干旱脅迫對2種沙冬青種苗生長都有抑制作用，且隨著干旱脅迫的加重，受抑制作用越明顯，胚芽和胚根受到的抑制作用相近。種苗含水量也隨著PEG6000濃度的增加逐漸下降，說明干旱脅迫對種苗水分的吸收有明顯抑制作用。另外，除了濃度12%處理外，新疆沙冬青的含水量高于蒙古沙冬青，在其他濃度下，蒙古沙冬青均高于新疆沙冬青，這說明蒙古沙冬青耐旱能力高于新疆沙冬青。

圖6 蒙古沙冬青種子日相對萌發(fā)率Fig.6 The relative daily germination rate of A.mongolicus

圖7 新疆沙冬青種子日相對萌發(fā)率Fig.7 The relative daily germination rate of A.nanus

2.5 不同濃度PEG6000處理下2種沙冬青種子萌發(fā)恢復率的變化

將16%、20%和24%PEG6000處理中未萌發(fā)的兩種沙冬青種子進行復水5 d后，蒙古沙冬青的萌發(fā)率分別為 73.33%、48.89%和 43.89%，新疆沙冬青的萌發(fā)率分別為44.44%、33.33%和 33.33%。16%、20%PEG6000處理后復水，蒙古沙冬青種子萌發(fā)恢復率顯著高于新疆沙冬青(P＜0.05)，而 24%PEG6000處理后復水，兩者之間無顯著性差異(P＞0.05)(圖8)。雖然高濃度的PEG6000對沙冬青種子萌發(fā)具有較高的抑制作用，但復水后各濃度PEG6000處理的種子仍具有較高的恢復萌發(fā)率，且蒙古沙冬青種子恢復萌發(fā)的能力高于新疆沙冬青。新疆沙冬青在24%PEG6000處理下無種子萌發(fā)，而當復水后萌發(fā)率較高，表明PEG6000溶液并沒有使新疆沙冬青種子永久喪失萌發(fā)能力，只是暫時抑制了種子萌發(fā)，種子仍然保持較高的萌發(fā)潛力，當解除干旱脅迫時，種子就能迅速萌發(fā)。

表1 不同PEG6000處理下種苗生長情況Table 1 The seedling growth of the two Ammopiptanthus under PEG6000 stress

圖8 不同濃度PEG6000對2種沙冬青種子萌發(fā)恢復率的影響Fig.8 Effects of PEG6000 concentrations on the germination recovery of the two Ammopiptanthus

3 結(jié)論與討論

種子萌發(fā)是植物生活史的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，種子萌發(fā)策略對荒漠地區(qū)植物的種群更新及植被恢復都具有重要意義［22］，水分是影響種子萌發(fā)的關(guān)鍵生態(tài)因子［23］，也是制約植物生長和植被分布的重要因素，其對干旱荒漠植物的影響尤為重要［24］。在4%的PEG6000脅迫處理下，2種沙冬青的種子萌發(fā)率，胚芽胚根長均和對照接近，而濃度＞4%時受到抑制，且濃度越大，受抑制程度越大，說明輕度干旱脅迫對種子萌發(fā)及幼苗生長無明顯影響，重度干旱脅迫下受抑制程度較大，這與相關(guān)文獻報道一致。楊景寧［25］等的研究發(fā)現(xiàn)隨PEG滲透勢的下降，梭梭、紅砂、駝絨藜和堿蓬種子的萌發(fā)和初生根生長均受到不同程度的抑制，而且隨PEG滲透勢的降低其抑制作用越明顯。薛盼盼［26］等報道了隨著干旱脅迫的增強酸棗種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)等均呈下降趨勢，但李志萍［27］等對栓皮櫟的研究表明，低濃度的PEG溶液對其種子具有促進作用，史鋒厚［28］等發(fā)現(xiàn)PEG提高了油松種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，這表明低濃度的PEG溶液對種子的萌發(fā)及生長是否具有促進作用，可能與植物的種類、脅迫梯度的設(shè)置以及脅迫時間的長短有關(guān)。

干旱脅迫下，2種沙冬青萌發(fā)率開始降低并延遲，高濃度PEG6000脅迫下，蒙古沙冬青比新疆沙冬青早開始萌發(fā)，甚至濃度為24%時蒙古沙冬青仍有2.22%的萌發(fā)率，而新疆沙冬青的萌發(fā)率為0，總體來看，蒙古沙冬青萌發(fā)率，發(fā)芽勢，胚芽胚根長大于新疆沙冬青，表明蒙古沙冬青不僅抗旱能力高于新疆沙冬青，而且其出苗更整齊，速度更快。王燁［16］等的研究發(fā)現(xiàn)，蒙古沙冬青的耐鹽性較新疆沙冬青強，且在不同的鹽漬度中，蒙古沙冬青平均出苗日數(shù)波動范圍小，新疆沙冬青平均出苗日數(shù)隨濃度增大呈延長趨勢，這與本研究的結(jié)果相近。由此可見，2種雖為近緣種，但對逆境的適應(yīng)能力有差別，這可能與其物種本身的遺傳特性及種源生活的環(huán)境有關(guān)。

在干旱環(huán)境下，種子能否保持活力及幼苗能否繼續(xù)生長是植物存活的關(guān)鍵［29］。當解除干旱脅迫后，種子可以恢復萌發(fā)，從本研究的結(jié)果來看，將在高濃度的PEG6000溶液中未萌發(fā)的種子復水后，恢復萌發(fā)，且萌發(fā)整齊。新疆沙冬青在24%PEG6000處理下無種子萌發(fā)，而當復水后萌發(fā)率較高(圖8)，這與羅光宏［30］等發(fā)現(xiàn)對唐古特白刺種子在高濃度PEG處理下不萌發(fā)而復水后快速萌發(fā)的研究結(jié)果一致，這說明PEG對種子萌發(fā)的抑制作用可能僅僅是由滲透脅迫引起的。16%、20%PEG6000處理后復水，蒙古沙冬青種子萌發(fā)恢復率顯著高于新疆沙冬青(P＜0.05)，而 24%PEG6000 處理后復水，兩者之間無顯著性差異(P＞0.05)(圖 8)，說明 16%、20%PEG6000浸種對蒙古沙冬青種子的傷害較小，其恢復性也較強，而對新疆沙冬青種子的傷害則較深。

荒漠植物種子的萌發(fā)是一個復雜的生理生化過程，每一種荒漠植物在長期的進化歷程中都演化出了與嚴酷生境相適應(yīng)的萌發(fā)對策。因此，要綜合評價沙冬青的抗旱性，應(yīng)該以多個指標為依據(jù)綜合考慮。本研究從種子萌發(fā)、幼苗生長及種子恢復萌發(fā)方面鑒定出蒙古沙冬青較新疆沙冬青抗旱性強，但在苗期乃至全生育期是否也具有較強的抗旱性還有待進一步的研究。