PEG處理下3種耬斗菜屬植物萌發(fā)耐旱性評價

孟 緣,王馮熠,李家綺,白 云,周蘊薇,陳麗飛

(吉林農業(yè)大學園藝學院，吉林 長春 130118)

近年來東北地區(qū)年降水量、降水日數(shù)呈下降趨勢，降水分布不均，旱災發(fā)生概率明顯增加，導致干旱成為制約東北農業(yè)生產、景觀綠化發(fā)展的重要因素之一[1-2].同時東北播種時節(jié)正值春季，氣候干燥少雨，風沙較大，土壤表層易風干失水，導致土壤容重下降[3]，確定觀賞植物耐旱耐極限以及篩選抗性植物材料對改善東北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有重要意義.

PEG(聚乙二醇)是一類高分子滲透劑，本身不易自由通過植物細胞壁進入種子細胞內；PEG可調節(jié)種子細胞滲透壓，減緩種子萌發(fā)時水分進入種子的速度，防止種子在吸脹初始時期因吸水過快導致細胞膜受損，縮短種子的修復時間，以達到促進種子萌發(fā)的目的[4].PEG還可調節(jié)細胞代謝，具有條件可控、操作簡單、易重復等優(yōu)點[5].如經10%的PEG處理下3個大豆品種的發(fā)芽率和發(fā)芽勢顯著高于對照組[6]；15%～20%的PEG處理下朝天椒的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均升高[7]；賽菊芋種子在5%PEG處理下的發(fā)芽勢、活力指數(shù)和胚根長度均為各處理組中最高值[7].PEG水溶液常作為植物耐旱性選擇劑[8]，目前已廣泛用于經濟作物[9-10]、園藝植物[11-12]的耐旱性評價及篩選.

耬斗菜屬(AquilegiaL.)為多年生宿根草本植物，隸屬于毛茛科.原產地位于北美洲和歐洲，在北半球國家廣泛分布.耬斗菜屬植物株型優(yōu)美、花型奇特、野趣盎然，是庭院與城市景觀的優(yōu)秀觀賞花卉[13].目前對于耬斗菜屬植物逆境萌發(fā)的研究較少，僅限于黃鳳耬斗菜、白鷺耬斗菜[14]、耬斗菜矮重品種和矮化品種[15]的PEG脅迫研究，對北方地區(qū)常見的耬斗菜屬植物萌發(fā)抗旱性評價和篩選未見報道.本研究以北方地區(qū)常見的以播種繁殖為主要繁殖途徑的3種耬斗菜屬植物為研究對象，包括尖萼耬斗菜(A.oxysepala)、小花耬斗菜(A.parviflora)、耬斗菜(A.viridiflora)，經不同濃度的PEG-6000溶液，測定各項萌發(fā)指標，對萌發(fā)情況和耐旱能力進行評價，以期為耬斗菜屬植物在北方的推廣應用提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗于2018年12月在吉林農業(yè)大學園藝學院人工氣候培養(yǎng)箱內進行，供試材料小花耬斗菜、尖萼耬斗菜、耬斗菜種子購于江蘇省沭陽縣思途園林綠化苗木場.

1.2 試驗設計

選取顆粒飽滿的3種耬斗菜種子，用0.1% KMnO4溶液浸泡消毒5 min，消毒后用蒸餾水沖洗3～5次，直至無KMnO4殘留為止，室溫晾干備用.將PEG-6000設置6個濃度水平，分別為0%(CK)、5%、10%、15%、20%、25%.發(fā)芽試驗在9 cm的培養(yǎng)皿中進行，每個培養(yǎng)皿鋪2層濾紙，并加入5 mL的處理液.每個培養(yǎng)皿放置30粒種子，每品種每處理重復3次.

將人工氣候箱設置為12 h白天/12 h黑夜，20 ℃恒溫.每隔24 h統(tǒng)計一次出芽率，以胚根長度≥種子直徑的2倍作為發(fā)芽的標準計數(shù)，從游標卡尺測定子葉基部與根部分生處到根尖的長度為胚根長度(mm),各處理的種子發(fā)芽數(shù)量連續(xù)2 d無變化時視為試驗結束.每天用稱重法補充適量蒸餾水，以維持各梯度濃度穩(wěn)定[7].

1.3 指標計算方法和抗旱能力綜合評價

1.3.1 指標計算 日相對發(fā)芽率/%=單日正常萌發(fā)種子個數(shù)/供試種子數(shù)量×100；最終發(fā)芽率/%=試驗結束時萌發(fā)的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100；發(fā)芽勢/%=(種子發(fā)芽數(shù)達到高峰時的發(fā)芽數(shù)量/供試種子數(shù))×100；發(fā)芽指數(shù)(Gi)=Σ(Gt/Dt)×100，Gt位第t天發(fā)芽的種子數(shù)，Dt為相應的發(fā)芽天數(shù)；種子活力指數(shù)(Vi)=Gi×S，S為胚根長度.

1.3.2 耐旱臨界濃度和耐旱極限濃度 對種子發(fā)芽率和PEG濃度進行回歸分析，根據(jù)回歸方程計算出最終發(fā)芽率是對照處理50%和0%時的PEG濃度，即相應的耐旱臨界濃度和耐旱極限濃度[8].

1.3.3 抗旱性綜合評價 采用模糊數(shù)學中隸屬函數(shù)[18]的方法，對3種耬斗菜種子萌發(fā)時的抗旱性進行綜合評價，計算方法為：

Yij=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

Yij=1-(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(2)

式中：Xij為i種j的指標值；Xjmin，試驗種類中j指標中的最小值；Xjmax為試驗種類品種中j指標中的最大值；Yij為i種類j指標的抗性隸屬值.當測定指標與抗旱性成正比時使用公式(1)，當測定指標與抗旱性呈反比時使用公式(2).

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 20進行統(tǒng)計分析，方差分析采用單因素方差分析法和最小顯著差異法，顯著性水平設定為P<0.05.采用Excel 2010制圖.

2 結果與分析

2.1 PEG處理對3種耬斗菜種子萌發(fā)進程的影響

由圖1可知，不同濃度PEG處理下，3種耬斗菜種子的萌發(fā)進程均受到不同程度的影響.3種耬斗菜種子最終發(fā)芽率下降，耬斗菜與小花耬斗菜的萌發(fā)起始時間延遲.由圖2可知，耬斗菜種子各對照組的萌發(fā)起始時間為第11天；尖萼耬斗菜、小花耬斗菜、耬斗菜的萌發(fā)高峰分別在第12、15、13天；在5%～15%PEG處理下，小花耬斗菜、耬斗菜種子的萌發(fā)高峰延遲；當PEG濃度達到20%時，尖萼耬斗菜、小花耬斗菜和耬斗菜的萌發(fā)高峰時間分別為第19、18、18天，比對照組延遲了7、3和5 d；當PEG濃度為25%時，3種耬斗菜種子均無法正常萌發(fā).

圖1 不同濃度PEG處理對3種耬斗菜種子萌發(fā)進程的影響Fig.1 Effects of PEG treatments on the germination process of 3 Aquilegia species

圖2 不同濃度PEG處理對3種耬斗菜種子日相對發(fā)芽率的影響Fig.2 Effects of PEG treatments on relative daily germination rate of 3 Aquilegia species

2.2 PEG處理對3種耬斗菜種子最終發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

由表1可知，PEG處理下3種耬斗菜最終發(fā)芽率均受到不同程度的抑制.各種類對照組最終發(fā)芽率均最高，種間無顯著差異.當PEG濃度為5%時，相比對照組，降幅從大到小依次為小花耬斗菜>耬斗菜>尖萼耬斗菜，分別下降了41.52%、36.96%和29.78%.方差分析表明，3種耬斗菜最終發(fā)芽率均顯著下降，種間差異不顯著.當PEG濃度為10%時，3種耬斗菜最終發(fā)芽率均下降，耬斗菜最終發(fā)芽率顯著低于尖萼耬斗菜，與小花耬斗菜差異不顯著；當PEG濃度為15%～20%時，3種耬斗菜的發(fā)芽率均大幅下降，各處理組種間差異不顯著；當PEG濃度為25%時，3種耬斗菜最終發(fā)芽率均為0.

隨著PEG濃度的上升，3種耬斗菜的發(fā)芽勢總體受到抑制(表1).對照組小花耬斗菜的發(fā)芽勢顯著高于其他兩個種類.尖萼耬斗菜的發(fā)芽勢隨PEG濃度呈先上升后降低趨勢，而小花耬斗菜、耬斗菜的發(fā)芽勢則持續(xù)下降；當PEG濃度為10%時，相比對照組，尖萼耬斗菜發(fā)芽勢增加了27.29%，小花耬斗菜、耬斗菜的發(fā)芽勢分別下降了48.65%和44.14%.方差分析表明，各處理組之間只有小花耬斗菜的發(fā)芽勢與對照差異顯著，各物種之間尖萼耬斗菜的發(fā)芽勢顯著高于耬斗菜.當PEG濃度為15%～20%時，3種耬斗菜種子的發(fā)芽勢持續(xù)下降，各處理組種間差異不顯著.當PEG濃度為25%時，3種耬斗菜種子的發(fā)芽勢均為0.

表1 PEG處理對3種耬斗菜種子萌發(fā)指標的影響1)Table 1 Effects of PEG treatments on the germination indexes of 3 Aquilegia species

2.3 PEG處理對3種耬斗菜種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

由表1可知，3種耬斗菜的發(fā)芽指數(shù)隨著PEG濃度的升高而降低.對照組各種類發(fā)芽指數(shù)均為所有處理最大值，種間無顯著差異.當PEG濃度為5%時，相比對照組，3種耬斗菜的發(fā)芽指數(shù)降幅從大到小依次為：小花耬斗菜>尖萼耬斗菜>耬斗菜，分別下降了40.17%、39.29%和38.24%，方差分析表明，3種耬斗菜的發(fā)芽指數(shù)與對照相比均顯著下降，種間差異不顯著.當PEG濃度為10%～20%時，3種耬斗菜發(fā)芽指數(shù)持續(xù)下降，各處理組種間差異不顯著；當PEG濃度為25%時，3種耬斗菜發(fā)芽指數(shù)均為0.

隨著PEG濃度的升高，3種耬斗菜種子活力指數(shù)均降低(表1)，不同種類降低程度不同.對照組3種耬斗菜的活力指數(shù)均為所有處理的最大值，其中耬斗菜的活力指數(shù)顯著低于其他兩個種類.當PEG濃度為5%時，相比對照組，3種耬斗菜活力指數(shù)降幅從大到小依次為：尖萼耬斗菜>小花耬斗菜>耬斗菜，分別下降了53.88%、48.67%和35.28%，方差分析表明，只有耬斗菜的活力指數(shù)與對照組相比差異不顯著，種間無顯著差異.當PEG濃度為10%～20%時，3種耬斗菜活力指數(shù)均進一步受到抑制，各處理組種間無顯著差異；當PEG濃度為25%時，3種耬斗菜活力指數(shù)均為0.

2.4 PEG處理對3種耬斗菜種子胚根長度的影響

由表1、圖3可知，隨著PEG濃度的上升，3種耬斗菜種子的胚根長度均受到不同程度的抑制.對照組尖萼耬斗菜胚根長度顯著高于其他兩個種類.當PEG濃度為5%時，相比對照組，尖萼耬斗菜與小花耬斗菜的胚根長度分別下降了24.73%和11.74%，耬斗菜的胚根長度增加了5.29%，方差分析表明，只有尖萼耬斗菜的胚根長度與對照相比差異顯著，種間無顯著差異.當PEG濃度為10%～20%時，3種耬斗菜的胚根長度持續(xù)下降，各處理組種間差異不顯著；當PEG濃度為25%時，3種耬斗菜的胚根長度均為0.

2.5 3種耬斗菜種子的PEG耐旱臨界濃度和極限濃度

以PEG濃度(%)為自變量x，種子最終發(fā)芽率為因變量y作回歸分析，回歸方程、PEG耐旱臨界濃度和耐旱極限濃度如表2所示.3種耬斗菜最終發(fā)芽率與PEG濃度回歸方程R2均>0.8，擬合度高.3種耬斗菜種子PEG臨界濃度從大到小為：尖萼耬斗菜>小花耬斗菜>耬斗菜，分別是11.98%、10.36%和10.21%；PEG極限濃度從大到小為：尖萼耬斗菜>小花耬斗菜>耬斗菜，分別是24.33%、23.43%和23.36%，其中尖萼耬斗菜的PEG耐旱臨界濃度、極限濃度均最高，而耬斗菜的PEG耐旱臨界濃度和極限濃度均最低.

A：尖萼耬斗菜；B：小花耬斗菜；C：耬斗菜；a～f分別表示CK、5%、10%、15%、20%、25%PEG處理組.圖3 不同濃度PEG處理20 d時3種耬斗菜胚根萌發(fā)情況Fig.3 Radicle germination of 3 Aquilegia species under different concentrations of PEG for 20 d

種類回歸方程R2PEG臨界濃度/%PEG極限濃度/%尖萼耬斗菜y=-2.114x+51.4330.91911.9824.33小花耬斗菜y=-2.254x+52.8030.88810.3623.43耬斗菜 y=-1.943x+45.3950.81410.2123.36

2.6 雙因素差異比較與抗旱性綜合評價

不同濃度PEG與不同種類雙因素方差分析結果如表3所示.PEG處理對3種耬斗菜的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根長度影響極顯著(P<0.01)，不同種類對發(fā)芽勢和胚根長度影響顯著(P<0.05)，而PEG濃度與不同種類間的交互作用對萌發(fā)的各項指標影響不顯著.

表3 PEG濃度、種類和兩者交互對3種耬斗菜萌發(fā)影響的雙因素分析Table 3 Two-factor analysis of variance on PEG concentration and species on the germination of 3 species of Aquilegia

3種耬斗菜種子在不同濃度PEG處理下各項萌發(fā)指標隸屬函數(shù)處理如表4.尖萼耬斗菜、小花耬斗菜和耬斗菜的平均隸屬函數(shù)值分別為0.394、0.389和0.292，因此3種耬斗菜種子的抗旱性由強到弱依次為：尖萼耬斗菜>小花耬斗菜>耬斗菜.

表4 PEG處理下3種耬斗菜種子萌發(fā)指標的隸屬函數(shù)值Table 4 The membership function values of seed germination index in 3 Aquilegia species under PEG treatment

3 討論

研究表明，一定濃度的PEG可通過啟動種子體內的保護機制，避免種子吸脹過快導致細胞膜損傷，促進種子萌發(fā)[4-6].本試驗中，尖萼耬斗菜的發(fā)芽勢在5%～10%的PEG處理下有所升高，耬斗菜的胚根長度在5%處理下相比對照組稍有增加，但與對照差異均不顯著；其余指標(最終發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù))大幅下降，PEG處理下3種耬斗菜萌發(fā)總體受到抑制，與對黃鳳耬斗菜、白鷺耬斗菜[5]、耬斗菜矮重矮化品種[6]以及葛縷子[15]的研究結果一致.可能是這3種耬斗菜對PEG脅迫較敏感，PEG對其萌發(fā)無刺激效應，或者在本試驗所設定的濃度未對3種耬斗菜種子在吸脹初始時期產生有效的保護作用.

不同基因型植物對PEG脅迫的響應程度不盡相同，如在對58種豇豆的研究中，'C28'和'C48'在-0.075 MPa處理下，發(fā)芽率比對照組下降了約47%，而'C45'的發(fā)芽率提高了60%[20].在對10種埃及大麥栽培種的研究中，耐旱性較強的品種'Giza134'在5%PEG處理下發(fā)芽率僅降低了10%，相對不耐旱品種'Giza 124'發(fā)芽率降幅達48.11%[21].在對5種苜蓿的研究中，25%PEG處理下耐旱性較弱的品種發(fā)芽率降幅達98.7%，而耐旱性較強品種甘農三號的降幅為60.8%[22].在本試驗中，3種耬斗菜的萌發(fā)均受到PEG處理的抑制，尖萼耬斗菜、小花耬斗菜和耬斗菜的耐旱極限濃度分別為24.33%、23.43%和23.36%.鑒于這3種耬斗菜萌發(fā)期對干旱條件較為敏感，在東北地區(qū)春季播種后應確保足夠的水分供應.

基于PEG濃度和種類的雙因素分析，PEG濃度對3種耬斗菜的萌發(fā)影響最顯著，不同種類對3種耬斗菜發(fā)芽勢和胚根長度影響顯著.單用某一種指標往往難以全面有效地評價種間的抗旱性，綜合評價可以更全面客觀地反映植物抗性；隸屬函數(shù)法是對植物抗性進行綜合評價的有效方法之一，在對菊科植物[18]、白三葉[23]和花?；ɑ躘24]的研究中均采用這方法來評價植物抗性.本研究采用隸屬函數(shù)對3種耬斗菜萌發(fā)耐旱性進行評價，得出3種耬斗菜種子的抗旱性由強到弱依次為：尖萼耬斗菜>小花耬斗菜>耬斗菜.