PEG-6000模擬干旱脅迫對常夏石竹種子萌發(fā)的影響

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010019；2.呼和浩特市環(huán)境監(jiān)測中心站，呼和浩特 010030；3.赤峰市紅山區(qū)棚戶區(qū)改造管理辦公室，赤峰 024000)

種子萌發(fā)是植物體生長發(fā)育整個過程的起始階段，同時也是種子對外界環(huán)境干擾響應(yīng)最敏感的時期[1]。水分是種子萌發(fā)過程中的關(guān)鍵影響因子，參與種子萌發(fā)的多個生理生化過程，通過足夠的水分活化相關(guān)酶，分解種子內(nèi)貯藏的有機物質(zhì)，進而促進新陳代謝過程，催動種子萌發(fā)[2]。聚乙二醇(PEG-6000)是一種合成的高分子溶劑，被廣大學(xué)者用于模擬干旱條件對種子萌發(fā)的影響研究。近年來，在種子萌發(fā)研究中，PEG-6000處理已經(jīng)成為評價種子抗旱能力的重要手段與方法，在禾本科[2-3]、豆科[4]、桔梗科[5]、石竹科[6-7]等方面有報道。不同種類萌發(fā)對PEG濃度的反應(yīng)不同，研究表明，15%濃度PEG處理后的蒲公英(Taraxacummongolicum)種子，其萌發(fā)能力就受到明顯的抑制[8]，但此濃度對文冠果(Xanthocerassorbifolia)種子萌發(fā)卻起促進作用[9]。賈蓉等對苜蓿種子的抗旱性研究發(fā)現(xiàn)，不同苜蓿品種在5%濃度PEG處理下的發(fā)芽率最高，20%和25%PEG則會抑制其萌發(fā)，導(dǎo)致發(fā)芽率降低[10]。劉佳月等對黃花苜蓿(Medicagofalcata)和紫花苜蓿(Medicagosativa)種子萌發(fā)的研究也得出一致的結(jié)論，高濃度的PEG脅迫會抑制苜蓿種子的萌發(fā)能力[11]。不同種子對干旱條件的適應(yīng)和抵抗能力不同，因此對PEG模擬脅迫的響應(yīng)也不同。

常夏石竹(Dianthusplumarius)為石竹科石竹屬植物，為多年生耐旱植物，是外來引進品種，對水的需求較小。本實驗將常夏石竹作為受試對象，采用PEG-6000模擬干旱，評價其在干旱條件下的萌發(fā)能力和抗旱能力，以期為園林綠化增添新的選擇植被，進而節(jié)省綠化成本。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗材料為常夏石竹種子，來自中國移動(呼和浩特)云計算中心。常夏石竹種子千粒重為1.147 g。

1.2 種子預(yù)處理

將常夏石竹種子參照《農(nóng)作物種子檢驗規(guī)程》(GB/T 3543.4-1995)進行處理，用蒸餾水反復(fù)沖洗3～4次后，再用2%濃度的NaClO溶液消毒8～10 min，然后放在盛有蒸餾水的燒杯中待用。

1.3 實驗設(shè)計

設(shè)1個對照(蒸餾水)和5個濃度梯度的PEG溶液模擬干旱脅迫處理，分別為0%(ck)、5%、10%、15%、20%和25%。每處理4次重復(fù)，每個重復(fù)100粒種子。將不同處理的種子置25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中萌發(fā)。從第2天起開始統(tǒng)計種子的發(fā)芽數(shù)，并且每天隨機選取10顆種子，用游標卡尺測量并記錄其胚軸和胚根的長度。在種子發(fā)芽高峰期統(tǒng)計發(fā)芽勢，在連續(xù)7 d內(nèi)種子不再萌發(fā)時計算種子的發(fā)芽率，并標志本次種子萌發(fā)實驗結(jié)束，實驗總時長為23 d。實驗在RTOP-800 B型培養(yǎng)箱中進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

將實驗過程中觀測并記錄的數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2013軟件進行初步整理，統(tǒng)計分析用R 3.3.2進行單因素方差分析和Duncan多重檢驗，作圖使用Sigmaplot 12.5軟件。測定指標如下：

1) 發(fā)芽率[12](%)=n/N×100%，n為連續(xù)7 d內(nèi)種子不再萌發(fā)的累積發(fā)芽數(shù)，N為供試種子總數(shù)；

2) 發(fā)芽勢[6](%)=(n/N)×100%，n為第3天累積發(fā)芽種子數(shù)，N為供試種子總數(shù)；

3) 發(fā)芽指數(shù)[12]=∑(Gt/Dt)，Gt為在t天內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；

4) 日相對萌發(fā)率[8]=(Wt+1-Wt)/N，Wt+1為第t+1天的種子萌發(fā)數(shù)，Wt為第t天的種子萌發(fā)數(shù)，N為種子萌發(fā)總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG-6000對常夏石竹種子萌發(fā)進程的影響

不同濃度的PEG-6000對常夏石竹種子的萌發(fā)進程有明顯影響(圖 1)。對照處理常夏石竹種子的萌發(fā)總時間為3 d，在第2天達到萌發(fā)高峰期，日相對萌發(fā)率為85%。5%濃度PEG-6000處理后的種子在第2天達到萌發(fā)高峰期，日相對萌發(fā)率為69%，總萌發(fā)時間為6 d。10%濃度PEG-6000處理后的種子在第2天和第3天均為萌發(fā)高峰期，日相對萌發(fā)率分別為38.25%和36.25%，萌發(fā)總時長為10 d。15%濃度PEG-6000處理后的種子在第3天為萌發(fā)高峰期，日相對萌發(fā)率高達56.25%，萌發(fā)總時長為20 d。與對照處理相比，不同濃度PEG-6000處理后的常夏石竹種子萌發(fā)高峰期出現(xiàn)的時間未發(fā)生改變，在第2天或第3天達到萌發(fā)高峰期。但顯著影響了萌發(fā)總時長，與對照相比，5%、10%、15%濃度PEG-6000處理后的常夏石竹種子萌發(fā)時間分別被延長3、7、17 d，20%和25%濃度PEG-6000處理后的常夏石竹種子萌發(fā)被完全抑制，無法正常萌發(fā)。

2.2 不同濃度PEG-6000對常夏石竹種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

分析不同濃度PEG-6000模擬干旱條件下常夏石竹的種子發(fā)芽情況(圖2)，發(fā)芽率和發(fā)芽勢作為評價種子萌發(fā)的常規(guī)指標，可以反映種子的優(yōu)劣。隨著PEG-6000濃度的逐漸增加，種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。種子發(fā)芽率在對照和5%～15%濃度的PEG處理下無顯著差異(p>0.05)。與對照相比，5%和10%濃度的PEG-6000處理下的種子發(fā)芽勢差異不顯著(p>0.05)，但15%濃度PEG-6000處理后的種子發(fā)芽勢顯著低于對照(p<0.05)。

圖1 不同濃度PEG-6000下的日相對萌發(fā)率

注：不同字母代表不同濃度PEG處理之間同一指標差異性顯著(p<0.05)。下同。圖2 不同濃度PEG-6000下的發(fā)芽率和發(fā)芽勢

2.3 不同濃度PEG-6000對常夏石竹種子發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)是種子萌發(fā)的綜合評價指標。隨著PEG-6000濃度的不斷增加，種子發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)指數(shù)呈逐漸減小的趨勢(圖3)。與對照相比，不同PEG-6000濃度處理下的種子發(fā)芽指數(shù)均顯著降低(p<0.05)，10%與15%濃度PEG-6000處理下種子發(fā)芽指數(shù)差異顯著。

圖3 不同濃度PEG-6000下的發(fā)芽指數(shù)

2.4 不同濃度PEG-6000對常夏石竹幼苗的影響

不同濃度PEG-6000對常夏石竹胚軸和胚根均有顯著的抑制作用，PEG-6000濃度越高，抑制作用也表現(xiàn)得越強(圖4)。隨著PEG-6000濃度的增加，常夏石竹胚軸呈逐漸變短的趨勢。與對照相比，PEG-6000濃度處理下的胚軸均顯著變短(p<0.05)，5%和10%濃度PEG-6000處理下的差異不顯著(p>0.05)。與胚軸的變化趨勢相似，常夏石竹胚根隨著PEG-6000濃度的增加而逐漸變短。與對照相比，10%和15%濃度PEG-6000處理下的種子胚根均顯著變短(p<0.05)，5%濃度PEG處理下差異不顯著(p>0.05)。胚軸/胚根值在5%濃度的PEG-6000處理下最小，顯著低于10%和15%濃度的PEG-6000處理(p<0.05)。

圖4 常夏石竹種子在不同濃度PEG-6000下的胚軸和胚根長度

2.5 20%和25%濃度PEG-6000處理后常夏石竹種子的恢復(fù)萌發(fā)

20%和25%濃度PEG-6000處理后的種子無法萌發(fā)，萌發(fā)過程被完全抑制。用蒸餾水將被處理過的種子反復(fù)沖洗浸泡，進行恢復(fù)萌發(fā)實驗。結(jié)果表明，當(dāng)干旱脅迫被解除后，常夏石竹種子均能正常萌發(fā)。20%濃度PEG-6000處理的種子在第1天就出現(xiàn)萌發(fā)峰值，為38.25%，隨之逐漸降低，在第7天時萌發(fā)截止，發(fā)芽率高達93.5%。25%濃度PEG-6000處理的種子在第2天出現(xiàn)萌發(fā)峰值，為32.5%，隨之逐漸降低，也在第7天停止萌發(fā)，發(fā)芽率為86.5%。

圖5 20%、25%濃度PEG處理后常夏石竹種子的恢復(fù)萌發(fā)

3 討 論

水分是限制植物生長與分布的主要因素之一，同時也是限制種子萌發(fā)的主要生態(tài)因子。種子在萌發(fā)時期極易受到水分的影響，如果水分條件差，將會導(dǎo)致種子死亡率上升，因此種子的萌發(fā)能力及幼苗期的生長被用于衡量植物的抗逆性強弱[13]。陳葉等研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會影響種子開始萌發(fā)和到達萌發(fā)高峰期的時間，干旱脅迫導(dǎo)致種子萌發(fā)的初始時間被延遲，且種子達到萌發(fā)高峰期的時間也被推遲，萌發(fā)總時間被延長[14]。本實驗得出的結(jié)論與陳葉等的研究結(jié)果相一致，這說明常夏石竹種子萌發(fā)對水勢具有一定的需求，在水分充足的條件下，種子采取“順勢”策略加速萌發(fā)，而缺水時，種子則采取“躲避”策略延遲萌發(fā)。

植物是否能夠正常生長取決于種子萌發(fā)和成苗這2個關(guān)鍵階段，種子萌發(fā)與成苗2個階段能否順利進行，取決于環(huán)境因子、自身條件和激素水平等[15]。在干旱與半干旱地區(qū)，水分是調(diào)控與影響植物生長發(fā)育的關(guān)鍵因素[16]。發(fā)芽率、發(fā)芽勢以及胚軸、胚根的長度均作為評價種子抗旱能力的主要指標[6,17]。因此，本實驗用PEG-6000模擬不同等級的干旱脅迫，對常夏石竹種子的抗旱能力進行綜合分析與評價。實驗結(jié)果表明：不同濃度PEG-6000對常夏石竹種子均有明顯的抑制作用，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、萌發(fā)率以及胚軸和胚根的長度等指標均伴隨著PEG-6000濃度的增加呈下降趨勢，這與相關(guān)研究結(jié)果相一致[6-8]。岳樺等[6]、劉佳等[7]分別對石竹科的北絲石竹、常夏石竹進行了研究，結(jié)果表明，隨著PEG-6000濃度增加，發(fā)芽率、發(fā)芽勢均逐漸減小。劉佳等[7]對常夏石竹的研究還發(fā)現(xiàn)，20%和25%濃度的PEG-6000完全抑制了其萌發(fā)。

本實驗研究結(jié)果也表明，當(dāng)PEG-6000濃度高達20%和25%時，常夏石竹種子的萌發(fā)被完全抑制，但隨著干旱脅迫被解除后，種子則會迅速萌發(fā)，達到萌發(fā)高峰，仍有86.5%～93.5%的種子具有萌發(fā)能力，這與趙淑文等[8]、劉佳等[7]的研究結(jié)果相一致。高濃度的PEG完全抑制了常夏石竹種子的萌發(fā)，但種子內(nèi)部的生理特性并未發(fā)生改變，沒有破壞種子的生理結(jié)構(gòu)，種子自身儲存的營養(yǎng)物質(zhì)保存得完好無損，所以隨著干旱脅迫的解除，常夏石竹種子依然能萌發(fā)，且具有較高的發(fā)芽率。本研究表明，常夏石竹的抗旱能力較強，其種子對干旱環(huán)境有良好的適應(yīng)能力。在干旱條件下常夏石竹種子不會失活、喪失萌發(fā)能力，當(dāng)土壤環(huán)境中的水分滿足其萌發(fā)條件時，便會迅速萌發(fā)。因此，常夏石竹在干旱區(qū)具有良好的生存能力與競爭能力。本次實驗評價了常夏石竹種子的萌發(fā)能力及其抗旱能力，對其幼苗生長階段的抗旱性尚不明確，需進一步開展實驗進行探討。

4 結(jié) 論

1) PEG濃度的增加，導(dǎo)致常夏石竹萌發(fā)被延遲，且萌發(fā)時間變長。

2) 常夏石竹種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)隨PEG濃度的增加均呈減小的趨勢。

3) 濃度為20%和25%PEG處理的常夏石竹種子，其萌發(fā)被完全抑制，但種子的生理特性未受到影響，隨著PEG脅迫的解除，其種子可以快速萌發(fā)。