大花白麻和羅布麻種子萌發(fā)對干旱脅迫的響應(yīng)

韓福貴，徐先英，馬全林，滿多清，鄭慶鐘，魏林源

(1.甘肅河西走廊森林生態(tài)系統(tǒng) 國家定位觀測研究站，甘肅 武威 733000；2.甘肅省治沙研究所 甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng) 國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 民勤 733300)

干旱是限制全球作物生產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害,不僅影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且對人們的社會生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有嚴(yán)重影響[1]，干旱脅迫是限制植物生長發(fā)育的主要非生物脅迫因素之一[2]。水分是限制植物種子萌發(fā)及生長的主要逆境因子[3]。在干旱脅迫條件下，植物種子在萌發(fā)和生長過程中不能獲得充足的水分，正常的生理代謝受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而導(dǎo)致種子萌發(fā)受到抑制[4]。大花白麻和羅布麻是一種潛水性的旱中生高大植物，它們能夠迅速增加水分的吸收面積來適應(yīng)干旱炎熱、長日照的暖溫帶荒漠氣候條件。分布區(qū)土壤多為鹽漬化的草甸土，甚至有鹽結(jié)皮的草甸土，有很強(qiáng)的抗干旱和抗鹽堿能力，因此鹽堿地治理與土壤改良選擇抗旱性強(qiáng)的植物是關(guān)鍵。

我國的羅布麻主要有3種，包括羅布麻(Apocynumvenetum)、大花白麻(Poacynumhendersonii)、白麻(P.pictum)。主要野生在鹽堿荒地、沙漠邊緣和河流兩岸沖積平原、水田和湖泊周圍及戈壁荒灘上,具有較強(qiáng)的耐旱性，可以改良土壤、改善小氣候環(huán)境，適應(yīng)引種栽培馴化，在國內(nèi)有較大面積的引種栽培[5-7]。羅布麻為夾竹桃羅布麻屬植物，我國主要分布在新疆、甘肅、青海、河北等地區(qū)，是西北生態(tài)兼經(jīng)濟(jì)植物[9]，羅布麻和大花白麻具有抗旱、耐寒、抗風(fēng)蝕、耐鹽堿、耐瘠薄等特點，是改良鹽堿地的理想植物種。羅布麻的莖皮是很好的纖維原料，享有“野生纖維之王”之美譽[8]。也是一種優(yōu)良的藥用植物。適應(yīng)干旱、炎熱、長日照的暖溫帶荒漠氣候,具有較強(qiáng)的抗旱、抗鹽堿、耐寒及耐高溫等抗逆性。集中生長在新疆塔里木盆地、甘肅河西走廊、內(nèi)蒙古西部、青海柴達(dá)木盆地等地。因此，在鹽堿地種植羅布麻和大花白麻具有十分重要的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價值。

羅布麻種子萌發(fā)期耐鹽性研究已有報道[10-11]，但水分脅迫對大花白麻種子萌發(fā)的影響研究尚未見報道。本研究選擇羅布麻和大花白麻種子為試驗材料，測定不同濃度PEG溶液脅迫下的種子萌發(fā)規(guī)律以及對幼苗胚芽、胚根的影響，深入了解種子萌發(fā)的耐鹽堿及抗旱性機(jī)理，為干旱地區(qū)羅布麻和大花白麻在鹽堿地上引種栽培馴化提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

大花白麻和羅布麻種子均采集于民勤沙生植物園，屬引種栽培種，有人工灌溉等管理措施。種子采收于2018年，種子采收凈種后置于干燥通風(fēng)的室內(nèi)貯藏。選擇無病蟲害、飽滿的種子進(jìn)行抗旱性試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子含水率和千粒重的測定 種子千粒重測定：隨機(jī)地抽取2種植物種子各100粒為1組，用萬分之一天平稱量，5個重復(fù)，計算種子千粒重。含水率測定：將測定千粒重的種子在85℃烘箱中烘干12 h，用萬分之一天平進(jìn)行稱量，5個重復(fù)，求出種子含水率。

1.2.2 種子萌發(fā)處理 將洗干凈的培養(yǎng)皿放入120℃的干燥烘箱中進(jìn)行高溫消毒，然后在培養(yǎng)皿中鋪2層濾紙，再將種子均勻點播在濾紙上面，每個培養(yǎng)皿40粒種子，分別加入等量的5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%的PEG溶液作為干旱脅迫處理，對應(yīng)的滲透勢大約為-0.05、-0.15、-0.30、-0.49、-0.73、-1.03、-1.37 MPa[12]1個對照，置于25℃的SPX-GB光照培養(yǎng)箱內(nèi)全黑暗條件，培養(yǎng)箱內(nèi)相對濕度為50%，每個梯度重復(fù)3次。

1.2.3 種子萌發(fā)指標(biāo)測定 試驗期間，每天根據(jù)水分消耗情況及時補充因蒸散損失的水分，具體方法為，培養(yǎng)皿加溶液后進(jìn)行稱重，以后補水至初始重量即可。每天觀測1次種子發(fā)芽數(shù)，發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)為以胚根頂出種皮為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。第5天時，每個處理中隨機(jī)抽10株種苗，分別測定胚根和胚芽長度。萌發(fā)末期連續(xù)3 d發(fā)芽粒數(shù)不變，用蒸餾水稀釋PEG溶液濃度，再放入蒸餾水中每天定時測定種子恢復(fù)萌發(fā)粒數(shù)，種子萌發(fā)末期連續(xù)3 d粒數(shù)不變時結(jié)束試驗。每個處理隨機(jī)抽10株種苗，測定幼苗鮮重(不包括沒有脫落的種殼)，統(tǒng)計結(jié)果換算為100個幼苗的鮮重。

發(fā)芽率GR=SN1/SN0×100%，式中，SNl為供試種子發(fā)芽粒數(shù)，SN0為供試種子總粒數(shù)；相對發(fā)芽率(%)=最終發(fā)芽率/對照(CK)發(fā)芽率×100%。

發(fā)芽勢Gp=SNm/SN0×100%，式中，SNm為種子發(fā)芽達(dá)到高峰時種子發(fā)芽粒數(shù)[13]；相對發(fā)芽勢=3 d處理發(fā)芽率/對照(CK)發(fā)芽率×100%。

抗旱指數(shù)=干旱脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)/對照種子萌發(fā)指數(shù)

其中，種子萌發(fā)指數(shù)=(1.00)Rd2+(0.75)Rd4+(0.5)Rd6，Rd2、Rd4、Rd6分別為第2、4、6天的種子萌發(fā)率[14]。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel 2003繪制圖表。用SPSS21.0進(jìn)行均值比較，采用鄧肯檢驗法進(jìn)行差異性比較，當(dāng)P<0.05為差異顯著，當(dāng)P<0.01為差異極顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子含水率和千粒重的測定

大花白麻、羅布麻植物種子顏色及形狀基本接近；千粒重分別為0.56 g和0.40 g，差異顯著(P<0.05)；含水率分別為8.09%和6.07%，差異不顯著(P>0.05)(見表1)。

表1 2種植物種子的含水率和千粒重Table 1 Water content and 1000 grain weight of the seeds of Poacynum hendersonii and Apocynum venetum

2.2 干旱脅迫對2種植物種子逐日萌發(fā)率的影響

由圖1可見，隨著溶液濃度的不斷增加，逐日發(fā)芽率呈快速升高后又緩慢下降的趨勢，各發(fā)芽梯度均

圖1 PEG-6000對2種植物種子逐日萌發(fā)率的影響Fig.1 Influence of PEG-6000 on daily germination rate of the seeds of two plant species

2.3 干旱脅迫對2種植物種子相對發(fā)芽率與相對發(fā)芽勢的影響

不同濃度PEG溶液與CK相比，大花白麻和羅布麻種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都呈下降趨勢，2種植物種子萌發(fā)后幼苗對滲透勢的耐受閥值均為-1.37 MPa(35%)。由圖2可知，2種植物最適宜萌發(fā)的PEG濃度范圍分別為大花白麻0%～20%、羅布麻0%～25%。從相對發(fā)芽率來看，當(dāng)PEG濃度達(dá)到30%時大花白麻種子萌發(fā)率為57.67%，而羅布麻為85.59%；從相對發(fā)芽勢來看羅布麻種子萌發(fā)率為7.20%，而大花白麻種子為0，可見羅布麻種子抗旱性要強(qiáng)于大花白麻種子。

注：不同字母表示同指標(biāo)不同PEG濃度間0.05水平上差異顯著。下同。圖2 PEG-6000對2種植物種子相對發(fā)芽率及相對發(fā)芽勢的影響Fig.2 Influence of PEG-6000 on relative germination rate and relative germination potential

2.4 干旱脅迫對種子萌發(fā)恢復(fù)率及抗旱指數(shù)的影響

由圖3得知，大花白麻和羅布麻種子對照在蒸餾水中種子發(fā)芽未受到影響(100%),大花白麻復(fù)水后萌發(fā)恢復(fù)率在5%～35%時分別占了總發(fā)芽率的3.39%、1.69%、4.24%、9.17%、20.18%、25.27%、51.69%，羅布麻復(fù)水后萌發(fā)恢復(fù)率在5%～35%時分別占了總發(fā)芽率的0.84%、3.36%、2.52%、6.03%、5.00%、5.66%、58.59%，當(dāng)濃度>30%時，萌發(fā)恢復(fù)率呈“V”型增加，35%時種子恢復(fù)萌發(fā)率達(dá)到最大值，大花白麻為38.33%，羅布麻為48.33%，表明當(dāng)干旱脅迫得到緩解或解除后種子還有很高的恢復(fù)發(fā)芽率。

圖3 PEG-6000對2種植物種子萌發(fā)恢復(fù)率及抗旱指數(shù)的影響Fig.3 Effects of PEG-6000 on seed germination recovery rate and drought resistance index

大花白麻和羅布麻抗旱指數(shù)5%～15%間與CK相比差異不顯著(P>0.05)，與20%～35%間差異極顯著(P<0.01)，當(dāng)PEG溶液濃度在10%時，大花白麻和羅布麻抗旱指數(shù)相近，均為0.993～0.959；大于該濃度時，植物的抗旱性隨著生育期的變化而變化，在35%時抗旱指數(shù)下降為0.081～0.076，經(jīng)方差分析，羅布麻抗旱耐性指數(shù)大于大花白麻，但差異不顯著(P<0.01)。

2.5 干旱脅迫對種子胚芽和胚根及幼苗鮮重的影響

從表2可以看出，干旱脅迫影響了植物幼苗胚根和胚芽的生長發(fā)育。在5% PEG濃度處理下，大花白麻胚芽、胚根長與對照之間差異顯著(P<0.05)當(dāng)濃度>5%時，胚芽、胚根長開始逐漸下降，均顯著<對照(P>0.05)，PEG濃度在10%和15%時，胚芽長之間無顯著差異(P>0.05)，卻顯著高于20%和25%(P<0.05)，30%和35%也無顯著差異(P>0.05)，胚根長在濃度10%和15%處理間無顯著性差異，20%、25%和30%之間差異顯著(P<0.05)，在35%時種子萌發(fā)只有0.077 cm。羅布麻種子胚芽、胚根長在0%～5%濃度間差異顯著(P<0.05)，胚芽長在濃度10%～15%、20%～25%、30%～35%均無顯著差異(P>0.05)，與其他之間差異顯著(P<0.05)，胚根長在濃度10%～15%間差異顯著，20%～25%間差異顯著(P<0.05)，30%～35%間無顯著差異(P>0.05)。大花白麻0%～15%時胚根長>胚芽長、在20%～35%時胚芽長>胚根長，羅布麻0%～10%胚根長>胚芽長、15%～35%時胚芽長>胚根長，大花白麻和羅布麻胚芽、胚根長的變化規(guī)律基本一致。因此，在干旱脅迫下不同植物種子萌發(fā)后幼苗長度隨干旱程度的加劇表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，干旱脅迫對羅布麻胚芽和胚根影響最小，對大花白麻影響較大。

大花白麻的鮮重與對照相比，當(dāng)濃度達(dá)到35%時幼苗的鮮重降低了66.66%。羅布麻的鮮重與對照相比，隨著濃度的增加鮮重下降較快，當(dāng)濃度達(dá)到35%時幼苗的鮮重達(dá)到最低值，比對照降了72.08%，這就說明了PEG脅迫對羅布麻種子鮮重的影響更大(表2)。

表2 不同濃度PEG-6000處理條件下對2種植物幼苗長度及鮮重的影響Table 2 Effects of different concentrations of PEG-6000 on seedling length

3 結(jié)論與討論

一定濃度的PEG能夠模擬自然干旱條件，讓植物的組織和細(xì)胞處于干旱脅迫中，是研究植物種子萌發(fā)期抗旱性的有效方法[15-16]。從結(jié)果分析得出，隨著PEG脅迫濃度的增加，種子相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、萌發(fā)恢復(fù)率、萌發(fā)抗旱指數(shù)和幼苗長度呈降低趨勢，而在PEG脅迫濃度5%～15%時，各值與CK相比差異不大，發(fā)芽高峰期出現(xiàn)在第2～3天，對種子萌發(fā)有明顯的促進(jìn)作用，但是其機(jī)理尚不清楚，可能是一定濃度的干旱脅迫能夠激發(fā)種子體內(nèi)的某些保護(hù)機(jī)制，降低了種子吸脹對種子膜系統(tǒng)的傷害，促進(jìn)了膜的自我修復(fù)，從而減小了對膜的破壞，進(jìn)而提高了種子萌發(fā)率。也可能是干旱脅迫促進(jìn)了種子內(nèi)酶活性的提高，對種子內(nèi)核酸產(chǎn)生有力的作用，或者加速新陳代謝作用等[17]。大花白麻和羅布麻種子萌發(fā)最低閾值為-1.37 MPa(35%)。在不同濃度條件下，大花白麻萌發(fā)率>羅布麻，最適宜萌發(fā)的濃度范圍大花白麻為0%～20%，羅布麻為0%～25%。以上多項指標(biāo)分析得出，在同等干旱脅迫條件下，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)遞減，對大花白麻和羅布麻萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用，而且隨著PEG滲透勢的降低其抑制作用越明顯，與楊景寧等[18]研究結(jié)果一致。大花白麻和羅布麻在蒸餾水中種子萌發(fā)率最高，當(dāng)干旱脅迫得到緩解或解除時，在PEG溶液浸種處理的種子復(fù)水后仍具有較高的恢復(fù)萌發(fā)能力，這與劉克彪等[19]、韋小麗等[20]、周玲玲等[21]研究結(jié)果相似。

植物的抗旱性是一個復(fù)雜的過程，僅靠某種抗旱指標(biāo)很難反映其機(jī)理機(jī)制，采用多指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。才能準(zhǔn)確客觀反映植物種子的抗旱性[22]。不同濃度PEG模擬干旱脅迫，大花白麻和羅布麻種子的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢受到不同程度的抑制，在5% PEG濃度處理下，大花白麻和羅布麻種子胚根長和胚芽長與對照之間差異顯著(P<0.05)，其他濃度與對照之間無顯著差異(P>0.05)，而濃度>10%時受到一定抑制，PEG脅迫濃度越大，受抑制程度越大。羅布麻的胚芽/胚根抗旱性比值大于大花白麻。程保成等[23]研究發(fā)現(xiàn)抗旱性強(qiáng)的植物其胚芽/胚根的比值要高于正常條件下，而抗旱性弱的植物其胚芽/胚根的比值雖有增加，但增加幅度有限。因此，對種子萌發(fā)特性及植物的抗旱機(jī)理的理論研究具有重要的生態(tài)學(xué)意義[24]。

在水分脅迫下，大花白麻和羅布麻種子萌發(fā)規(guī)律基本一致。植物種子萌發(fā)長期處于高溫、光照、干旱等條件下，通過自我調(diào)節(jié)產(chǎn)生適應(yīng)沙漠惡劣環(huán)境的響應(yīng)機(jī)制。而有關(guān)植物種子、根系的分布結(jié)構(gòu)及生長狀況、根、莖、葉生物量等，在應(yīng)對高溫、干旱和鹽堿惡劣環(huán)境以及不同生育時期、不同生理過程的影響有待于進(jìn)一步深入研究。