PEG模擬干旱脅迫對大麻種子萌發(fā)的影響

孔佳茜，趙銘森，孟曉康，高金虎，馮旭平，薛紅麗，康紅梅

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所，山西 汾陽 032200)

眾多非生物脅迫中，干旱作為最重要的逆境因子之一，嚴(yán)重制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國水資源匱乏且分布不均，特別是近年來連續(xù)遭受嚴(yán)重干旱，所以干旱已成為制約我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一[1]。

大麻(CannabissativaL.)為一年生草本植物，也被稱為漢麻，國際上把雌株花序中四氫大麻酚(THC)含量低于0.3%的大麻叫工業(yè)大麻。其花、葉、根、籽粒、韌皮纖維及稈芯均有較好的開發(fā)利用價值，是一種經(jīng)濟(jì)價值極高的作物[2]。大麻纖維可用于紡織、造紙，稈芯可以用于建筑材料；籽?？捎糜谡ビ?、加工食品等。大麻籽油可食用、制作化妝品或作為生物柴油[3]。除此之外，大麻還具有極高的藥用價值，在我國已有幾千年藥用歷史，大麻葉、花、皮、根及大麻仁等均可入藥[4]；研究發(fā)現(xiàn)，大麻中的大麻二酚(CBD)具有抗驚厥、抗焦慮、鎮(zhèn)痛等作用[5,6]，對帕金森綜合征、風(fēng)濕等疾病也有一定的治療作用，由此可見，工業(yè)大麻可作為功能食品及藥品的重要原料[7,8]。

近年來，我國耕地面積逐漸減少，為避免與糧食作物爭地，工業(yè)大麻只能在山坡旱地種植發(fā)展[9]，于是干旱逐漸成為限制其產(chǎn)量的主要因素之一。因此，研究大麻抗旱機(jī)制，提高大麻抗旱能力對提高山坡旱地大麻種植效益至關(guān)重要。種子萌發(fā)是植物生長周期的起始階段，關(guān)系著植物后期的營養(yǎng)生長和生殖生長，同時也是較易受干旱脅迫影響的時期[10]。所以，對植物種子萌發(fā)期進(jìn)行抗旱性研究具有重要意義[1]。本研究利用PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，對5個大麻品種進(jìn)行了種子發(fā)芽及幼苗生長期的干旱抗性試驗，初步探究了5個品種大麻種子在不同程度干旱脅迫下的萌發(fā)及幼苗生長情況，為山坡旱地選用適宜種植工業(yè)大麻品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試品種5個：4個選育品種(晉麻1號、汾麻3號、慶麻1號、火麻1號)，1個農(nóng)家品種(臨縣小麻)。晉麻1號、汾麻3號為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所選育。

1.2 PEG模擬干旱脅迫處理

本試驗采用聚乙二醇(PEG-6000)模擬干旱脅迫法[11-13]，設(shè)置PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、15%、20%和25%的6個濃度的PEG溶液，其中0為無菌水，作為對照。每個處理設(shè)3次重復(fù)。

每個品種選取籽粒飽滿、大小均勻的大麻種子540粒，用70%的酒精消毒，然后用無菌水沖洗4～5次(每次沖洗2～3 min)，蒸餾水浸泡過夜，然后放在濾紙上晾干。在直徑9 cm的培養(yǎng)皿(洗凈烘干、雙層濾紙做發(fā)芽床)中分別加入15 mL上述不同濃度的PEG溶液，待濾紙被充分浸潤后，每皿均勻擺放30粒種子，放在25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。

培養(yǎng)期間，每天以稱重法向培養(yǎng)皿中補(bǔ)充PEG溶液[12]，以保持培養(yǎng)皿內(nèi)適宜水分。

1.3 萌發(fā)指標(biāo)測定

培養(yǎng)期間連續(xù)觀察，每天定時統(tǒng)計種子萌發(fā)數(shù)(以胚根突破種皮長度超過種子本身長度作為種子萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn))，計算種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)。各項指標(biāo)計算公式如下：

發(fā)芽勢(%)=(G3/N)×100%；

發(fā)芽率(%)=(G7/N)×100%；

相對發(fā)芽勢(%)=(處理發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢)×100%；

相對發(fā)芽率(%)=(處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率)×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt；

活力指數(shù)=根長×∑Gt/Dt；

相對發(fā)芽指數(shù)(%)=(處理發(fā)芽指數(shù)/對照發(fā)芽指數(shù))×100%；

相對活力指數(shù)(%)=(處理活力指數(shù)/對照活力指數(shù))×100%；

式中：G3為第3天每皿發(fā)芽種子數(shù)；N為每皿種子數(shù)；G7為第7天每皿發(fā)芽種子數(shù)；Gt為第t天發(fā)芽種子數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.4 生長指標(biāo)測定

發(fā)芽結(jié)束后，每個重復(fù)隨機(jī)選取10株幼苗測定其莖長、根長、莖重、根重。

1.5 抗旱性綜合評價

采用隸屬函數(shù)法[12,14]對5個大麻品種種子萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行綜合評價。利用公式計算每個品種在不同濃度PEG脅迫下的隸屬函數(shù)值：

Y(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

A=∑Y(μ)/n

式中：X為某一指標(biāo)的平均值；Xmin為該指標(biāo)的最小值；Xmax為該指標(biāo)的最大值，Y(μ)為某一品種某一指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，n為測定指標(biāo)數(shù)，A為某一品種的平均隸屬函數(shù)值。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007軟件和SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，顯著性檢驗采用Duncan法，用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG對5個大麻品種種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽率和發(fā)芽勢是評定種子發(fā)芽能力及種子質(zhì)量等級的重要指標(biāo)之一。在不同濃度PEG脅迫下，5個工業(yè)大麻品種的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均呈先增加后降低趨勢(表1)。晉麻1號、臨縣小麻在PEG濃度10%脅迫下，發(fā)芽率和發(fā)芽勢均達(dá)到最高，與ck相比，晉麻1號差異不顯著(p>0.05)，臨縣小麻差異顯著(p<0.05)；汾麻3號在PEG濃度為10%和15%脅迫下，發(fā)芽勢和發(fā)芽率分別達(dá)到最高，與ck相比，發(fā)芽勢差異不顯著(p>0.05)，發(fā)芽率差異顯著(p<0.05)；火麻1號在PEG濃度為5%和15%脅迫下，發(fā)芽勢和發(fā)芽率分別達(dá)到最高，與ck相比，差異均不顯著(p>0.05)；慶麻1號在PEG濃度為5%脅迫下，發(fā)芽率和發(fā)芽勢均達(dá)到最高，與ck相比差異不顯著(p>0.05)。5個品種在高濃度PEG脅迫下，均隨著PEG濃度的增加呈降低的趨勢，均在PEG濃度為25%脅迫下，發(fā)芽率和發(fā)芽勢達(dá)到最低，與ck相比差異顯著(p<0.05)。

表1 不同PEG濃度下大麻種子發(fā)芽率及發(fā)芽勢

相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢可以更加直觀地評定種子發(fā)芽能力及質(zhì)量。從圖1可以看出，5個品種在PEG濃度為5%和10%脅迫下，相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢均高于對照；在15%濃度脅迫下，晉麻1號的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢均低于對照，其余品種均高于對照，但差異不顯著(p>0.05)，說明低濃度的PEG對這5個大麻品種發(fā)芽率的影響不大，對種子萌發(fā)還有一定的促進(jìn)作用。而隨著PEG濃度的增加，5個品種種子的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢均呈降低趨勢，其中晉麻1號、火麻1號、臨縣小麻下降幅度較大，而且在25%濃度下5個品種的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢均最低，說明高濃度的PEG對大麻種子的萌發(fā)具有抑制作用，且抑制作用隨著PEG濃度的增加而增強(qiáng)。

圖1 不同PEG濃度下大麻品種的種子相對發(fā)芽率及相對發(fā)芽勢

2.2 不同濃度PEG對5個大麻品種種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

植物的發(fā)芽指數(shù)可以用來衡量該種植物的發(fā)芽能力及活力。如圖2 A所示，5個品種在PEG濃度為5%和10%脅迫下，相對發(fā)芽指數(shù)均高于對照；在15%濃度脅迫下，晉麻1號的相對發(fā)芽指數(shù)低于對照，其余品種均高于對照；但差異都不顯著(p>0.05)。隨著PEG濃度的增加，5個品種種子的相對發(fā)芽指數(shù)均呈降低趨勢，且在25%濃度下均達(dá)到最低值。由圖2 B可知，5個品種在PEG 5%脅迫下，相對活力指數(shù)均高于對照；隨著PEG濃度的增加，5個品種種子的相對活力指數(shù)均呈降低趨勢，且在25%濃度下均為最低值。說明低濃度PEG對種子萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用，高濃度PEG抑制種子的萌發(fā)。

圖2 不同PEG濃度下大麻品種的種子相對發(fā)芽指數(shù)及相對活力指數(shù)

2.3 不同濃度PEG對5個大麻品種種子萌發(fā)生長指標(biāo)的影響

如圖3 A、C所示，不同濃度PEG處理下，各品種的莖長、莖重均隨PEG濃度的增加呈降低趨勢，并且與ck相比差異顯著(除汾麻3號PEG 5%濃度外)(p<0.05)。汾麻3號在20%和25%處理間差異不顯著(p>0.05)，其余品種在15%濃度以上各處理間差異均不顯著(p>0.05)，說明PEG濃度達(dá)15%或20%時已嚴(yán)重抑制莖的生長。圖3 B、D所示，不同濃度PEG處理下，各品種根長在5%PEG脅迫下有所增加，之后隨PEG濃度增加呈降低趨勢，而各品種的根重均隨PEG濃度的增加呈降低趨勢，與根長相比，根重在PEG 10%濃度以上時已嚴(yán)重降低，這與檢測時直觀觀察PEG 10%及以上時根部纖細(xì)一致。與其他品種相比，晉麻1號的莖最長，慶麻1號根最長，汾麻3號莖最重，慶麻1號根最重。

圖3 不同PEG濃度下大麻品種的種子萌發(fā)生長指標(biāo)

2.4 抗旱性綜合評價

種子萌發(fā)期的抗旱性是多種因素共同影響的結(jié)果，用單一指標(biāo)來評價不同品種的抗旱能力存在一定的片面性[15]。本研究利用隸屬函數(shù)法對5個大麻品種種子萌發(fā)期相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、莖長、根長、莖重、根重8個指標(biāo)進(jìn)行抗旱性綜合評價。由表2可知，5個大麻品種種子萌發(fā)期抗旱性表現(xiàn)依次為：汾麻3號>晉麻1號=慶麻1號>臨縣小麻>火麻1號，并且根據(jù)抗旱隸屬函數(shù)平均值的分級標(biāo)準(zhǔn)[16]，火麻1號、臨縣小麻屬于中抗旱型，汾麻3號、晉麻1號和慶麻1號屬于抗旱型。

表2 大麻種子萌發(fā)期抗旱性的綜合評價

3 結(jié)論與討論

聚乙二醇(Polyethyleneglycol，PEG)是一種高分子聚合物，親水性好，加入水中可降低溶液水勢，對植株造成干旱脅迫。PEG-6000分子較大，不能通過植物細(xì)胞壁而進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，且對細(xì)胞無毒害。因此，PEG-6000模擬干旱脅迫已成為植物種子萌發(fā)期抗旱性研究的重要方法，在水稻[16]、小麥[17]、玉米[18,19]、花生[20,21]、向日葵[1]等多種作物種子的抗旱性研究中得到廣泛應(yīng)用。本研究設(shè)置6個不同濃度PEG溶液來模擬干旱脅迫，對5個大麻品種種子的萌發(fā)特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在PEG濃度較低時，大麻的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及根長均有一定程度的增加，表明低濃度PEG溶液有對大麻種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用，這可能與PEG能夠作為滲透調(diào)節(jié)劑來調(diào)控細(xì)胞吸水的程度和狀態(tài)，能使種子的吸水趨于穩(wěn)定和同步化，進(jìn)而提高種子萌發(fā)率和整齊率有關(guān)[1]。這與錢森和等[22]、劉新星等[23]、杜光輝等[13]、楊旭東等[1]的研究結(jié)果一致。本研究結(jié)果還表明，隨著PEG濃度的增加，各品種種子的上述指標(biāo)均有降低趨勢，表明高濃度的PEG溶液會對大麻種子的萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用。且PEG對種子萌發(fā)的影響還因種質(zhì)材料的不同而有所差異，反映不同品種本身抗旱性具有差異性。

種子萌發(fā)后，植物的根、莖生長量是表征植物應(yīng)答干旱脅迫能力的指標(biāo)之一[24]。本研究中，隨著PEG濃度的提高，5個品種幼苗的莖長、莖重、根重明顯降低，這與耿廣東等[25]、王俊娟等[26]的研究結(jié)果一致。隨著PEG濃度的提高，5個品種幼苗的根長先增加后降低，這與閆春娟等[27]的研究結(jié)果一致。PEG對根、莖生長的影響也因品種的不同而異。

植物種子萌發(fā)期的抗旱性受多種因素影響，不同植物品種對某一具體指標(biāo)的抗旱反應(yīng)能力均不相同，所以采用單一指標(biāo)對不同品種的抗旱能力進(jìn)行評價具有一定的片面性[12,28]。隸屬函數(shù)法可以消除個別指標(biāo)的片面性，且隸屬函數(shù)值是一個0和1之間的數(shù)字，使品種間的比較變得簡單[29]，越來越多的學(xué)者采用隸屬函數(shù)法對植物的抗旱性進(jìn)行綜合評價[19,30,12]。本試驗利用8個指標(biāo)(相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、莖長、根長、莖重、根重)結(jié)合隸屬函數(shù)法，對5個大麻品種的抗旱性進(jìn)行評價，結(jié)果5個大麻品種種子在萌發(fā)期的抗旱性表現(xiàn)依次為：汾麻3號>晉麻1號=慶麻1號>臨縣小麻>火麻1號，并且根據(jù)抗旱隸屬函數(shù)平均值的分級標(biāo)準(zhǔn)[16]，火麻1號、臨縣小麻屬于中抗旱型，汾麻3號、晉麻1號和慶麻1號屬于抗旱型。