水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

劉成鳳，曾加芹，王夢妍

（西藏農(nóng)牧學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，西藏 林芝 860000）

隨著人口的增加，工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他生活用水量不斷擴大等一系列問題，水資源缺乏已成為全球性問題。水分脅迫是指植物在缺水條件下，對自身的代謝產(chǎn)生影響，植物的正常生理活動受到干擾時的狀態(tài)。種子能否萌發(fā)受多個外界環(huán)境因素如水分、光照、溫度、氧氣、土壤酸堿度等的綜合影響。其中，水分是種子萌發(fā)最關(guān)鍵的因素之一［1］。種子吸水膨脹，呼吸作用加劇，種皮變軟，透氣性增加，酶活性增強，胚的代謝活動旺盛，大分子貯藏養(yǎng)分分解利用，啟動和保證了胚的生長發(fā)育。但是水分過多或不足，都將對種子萌發(fā)產(chǎn)生不利影響。水分過多，種子會因吸水過多造成腐爛，還使得種子進行無氧呼吸，產(chǎn)生酒精對種子造成毒害甚至死亡；而水分不足，會抑制種子細(xì)胞內(nèi)各種酶的活性，無法提供正常的新陳代謝，造成種子不能萌發(fā)或萌發(fā)后的幼苗畸形。因此，適宜的水分是種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素［1］。

聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）是一種具有良好水溶性的大分子有機物，無毒、無刺激性，溶于水后能產(chǎn)生強大的滲透壓，但自身不能通過細(xì)胞壁進入細(xì)胞質(zhì)，從而無法引起質(zhì)壁分離，可通過人為方法控制水分進入種子內(nèi)部的速率［2］，且其具有操作方便、周期短、效果顯著等特點［3］，因此被廣泛地用作植物種子萌發(fā)期的水分脅迫試劑來模擬干旱環(huán)境，對植物種子萌發(fā)進行抗旱性研究［4］。

青藏高原大部分屬于干旱、半干旱地區(qū)，但其植物種類繁多，植被類型復(fù)雜、植物資源豐富，并且呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異。幅員廣袤、生態(tài)環(huán)境復(fù)雜的青藏高原為眾多植物的生長發(fā)育提供了有力條件，其中不乏許多具有抗寒、耐旱潛力的沙生植物［5］。錦雞兒（Caragana sinica）、砂生槐（Sophora moorcroftiana）屬于豆科灌木植物，主要分布于中國干旱寒冷的西北部和西南部的青藏高原地區(qū)，均為西藏旱中生山地灌叢植被的優(yōu)勢種。錦雞兒主要存在于2 900～4 600 m的藏南高原及阿里地區(qū)的山麓洪沖積扇及山坡上。其造型多變，模樣雅致，具有極高的觀賞價值。根皮藥用，能祛風(fēng)活血、舒筋、除濕利尿、止咳化痰。枝葉可供牲畜食用，是營養(yǎng)豐富的牲畜飼養(yǎng)糧，具有很高的飼用價值和開發(fā)價值。目前對錦雞兒較多的研究報道均表示該植物抗逆性強，有耐風(fēng)蝕、不怕沙埋的特點，在防風(fēng)固沙、改良土壤、綠化環(huán)境等方面發(fā)揮著極其重要的作用，對荒漠區(qū)的生態(tài)修復(fù)與重建存在著重要意義［6-8］。砂生槐主要存在于2 800～4 400 m的雅魯藏布江中游谷地的山坡、洪積扇或沿江沙地上。其花期較長，既是良好的觀賞植物也是優(yōu)良的蜜源植物。果肉能入藥、種子可作飼料、花蕾可作染料等，在藥用、飼用與經(jīng)濟等方面具有極大的開發(fā)利用價值。前人對砂生槐特性有較多的研究，得出其有極強的抗旱、耐貧瘠、耐寒及耐風(fēng)蝕等生態(tài)適應(yīng)性，具有很好的防風(fēng)固沙、保水保土、改善環(huán)境的生態(tài)功能［9，10］。鑒于兩者在西藏干旱寒冷山區(qū)灌木群落演替、防風(fēng)固沙、改善環(huán)境、防止水土流失等方面的重要生態(tài)意義，該試驗通過模擬水分脅迫，分析了水分對兩種抗旱性植物種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，以期篩選出抗旱性更好的沙生植物，為今后西藏生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與改善水土流失狀況提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

錦雞兒和砂生槐種子于2019年10月采于西藏自治區(qū)林芝市八一鎮(zhèn)境內(nèi)，海拔約2 900 m。采種后首先手工脫粒，然后以水選法除去空粒、被昆蟲侵害過的種粒和其他夾雜物，曬干后冷藏保存。

1.2 試驗方法

1.2.1 溶液配制 試驗共設(shè)置7個脅迫梯度，分別為0（CK，去離子水處理）、50、100、150、200、250、300 g/L的PEG水溶液進行水分脅迫，與之相對應(yīng)的溶液水勢約為0、-0.10、-0.20、-0.40、-0.60、-0.86和-1.20 MPa［9］。溶液水勢的計算公式為：

式中，Ψs為溶液的水勢，MPa；C為PFG的含量，g/L；T為溶液溫度，℃。

1.2.2 種子處理 試驗開始前，挑選大小均一、顆粒飽滿的錦雞兒和砂生槐種子，用自來水沖洗干凈，在室溫下置于5%高錳酸鉀溶液中消毒30 min，然后用去離子水連續(xù)沖洗3次，以便徹底打破種子休眠。

1.2.3 試驗設(shè)計 采取7個不同濃度梯度的PEG溶液進行處理，每處理3次重復(fù)。在培養(yǎng)皿中鋪上一層濾紙作為種子的發(fā)芽床，用去離子水以及50、100、150、200、250、300 g/L的PEG溶液潤濕所對應(yīng)的發(fā)芽床，每個培養(yǎng)皿中放置50粒種子，再分別加入對應(yīng)濃度的PEG溶液（以浸沒種子一半為宜）。將不同處理的培養(yǎng)皿置于25℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，在晝夜恒溫光照條件下進行萌發(fā)試驗。自培養(yǎng)之日起，每天定時定量加入不同濃度的PEG溶液，并保證每2 d更換1次濾紙，以使培養(yǎng)皿內(nèi)的溶液水勢保持恒定狀態(tài)。種子的萌發(fā)以胚根長到種子長度的1/2為標(biāo)志［11，12］，將3個重復(fù)中最早有一粒種子發(fā)芽之日作為該處理發(fā)芽的開始期，每24 h記錄1次發(fā)芽情況，當(dāng)5 d不再有種子發(fā)芽時為發(fā)芽結(jié)束期。發(fā)芽試驗結(jié)束后，在每個處理的3次重復(fù)中，挑選培養(yǎng)皿中所有正常生長的發(fā)芽種子平鋪于白紙上，用游標(biāo)卡尺測定2種植物種子幼苗的胚根和胚芽長度。

1.3 發(fā)芽測定指標(biāo)及方法

1.3.1 發(fā)芽率 發(fā)芽率是指測試種子發(fā)芽數(shù)與測試種子總數(shù)的百分比，計算公式為：GP=n/N×100%，式中，GP為種子發(fā)芽率，n為累計發(fā)芽種子數(shù)，N為供驗種子總數(shù)。

1.3.2 發(fā)芽勢 發(fā)芽勢是指發(fā)芽過程中日發(fā)芽種子數(shù)達到最高峰時，發(fā)芽的種子數(shù)占供測種子總數(shù)的百分率，計算公式為：發(fā)芽勢=發(fā)芽達到高峰期的種子發(fā)芽數(shù)/供測種子總數(shù)×100%。

1.3.3 發(fā)芽指數(shù) 發(fā)芽指數(shù)是反映種子活力大小、發(fā)芽數(shù)量、發(fā)芽速度、整齊程度的重要指標(biāo)之一，其計算公式為：GI=∑（Gt/Dt），式中，Gt為在時間t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)［13］。

1.3.4 活力指數(shù)VI=S×GI，式中，S為幼苗生長勢，用萌發(fā)結(jié)束后以幼苗平均長度表示，幼苗平均長度=胚根+胚芽［14］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS22.0統(tǒng)計分析軟件進行單因素方差分析和多重比較（LSD法）。數(shù)據(jù)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，采用Microsoft Excel 2019軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽率的影響

不同濃度PEG處理后，種子處于發(fā)芽階段時，在干旱環(huán)境條件下的適應(yīng)能力可以作為鑒定種子抗旱能力的重要指標(biāo)［15］。不同PEG濃度處理對錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽率影響存在差異（圖1）。從圖1可以看出，對照（CK）錦雞兒和砂生槐種子的發(fā)芽率最高，分別為45.33%、12.67%。當(dāng)PEG濃度增大到50 g/L時，錦雞兒種子發(fā)芽率持續(xù)降至26%，與對照相比有大幅度降低；砂生槐種子發(fā)芽率則降至11.33%，與對照條件下的發(fā)芽率無顯著差異（P＞0.05）；當(dāng)PEG濃度為100 g/L時，錦雞兒、砂生槐種子發(fā)芽率分別降低至4%、1.33%，與對照條件下的發(fā)芽率相比，均存在顯著差異（P＜0.05）；當(dāng)PEG濃度≥150 g/L時，2種植物種子的發(fā)芽率均為0，即種子發(fā)芽完全被抑制。從整體來看，隨著PEG模擬水分脅迫的加劇，兩種植物種子的發(fā)芽率均呈逐漸下降的趨勢，但是錦雞兒在PEG濃度為0（CK）、50、100 g/L下的發(fā)芽率均明顯高于砂生槐，所以，錦雞兒在水分要求上來說優(yōu)于砂生槐，更適合在干旱環(huán)境下生長。

圖1 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽率的影響

2.2 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽勢的影響

不同濃度PEG處理對錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽勢影響存在差異（圖2）。由圖2可知，對照（CK）錦雞兒和砂生槐種子的發(fā)芽勢最大，分別為31.33%、8.67%。當(dāng)PEG濃度為50 g/L時，錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽勢分別為21.33%、5.33%，與對照的發(fā)芽勢相比，差異不顯著（P＞0.05）；PEG濃度為100 g/L時，發(fā)芽勢分別降低至4%、1.33%，與對照相比均存在顯著差異（P＜0.05）；當(dāng)PEG濃度≥150 g/L時，兩種植物種子的發(fā)芽勢均為0，表示種子已經(jīng)失去生命力，無法萌發(fā)。由此可知，在對照（CK）處理下，2種植物種子的發(fā)芽勢最大，種子生命力最旺盛，隨著PEG脅迫的加劇，發(fā)芽勢逐漸降低，即種子的生命活力逐漸喪失。從整體來看，PEG水分脅迫下錦雞兒的發(fā)芽勢明顯高于砂生槐，即在水分脅迫處理下，錦雞兒種子的生命力更旺盛，耐旱能力強于砂生槐種子。

圖2 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽勢的影響

2.3 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽指數(shù)的影響

不同濃度PEG處理后，種子的發(fā)芽指數(shù)具有明顯變化，一定程度上反映了該植物種子的發(fā)芽能力和活力大小［16］。由圖3可知，錦雞兒種子的發(fā)芽指數(shù)隨水分脅迫程度的加劇呈逐漸下降的趨勢，對照（CK）發(fā)芽指數(shù)為5.27，達到最大，這與其發(fā)芽率、發(fā)芽勢的變化趨勢一致。隨著PEG濃度的增大，砂生槐種子的發(fā)芽指數(shù)經(jīng)歷了一個先升后降的過程，PEG濃度為50 g/L時，發(fā)芽指數(shù)最高達到3.52，明顯高于對照。當(dāng)PEG濃度為100 g/L時，錦雞兒、砂生槐種子的發(fā)芽指數(shù)分別降低至2、1.5，與對照的發(fā)芽指數(shù)相比，差異不顯著（P＞0.05）；PEG濃度≥150 g/L時，2種植物種子的發(fā)芽指數(shù)均為0。由此可知，PEG濃度越高，水分脅迫程度越大，對種子發(fā)芽能力的抑制作用越明顯。從整體趨勢看，錦雞兒種子的發(fā)芽指數(shù)總體明顯高于砂生槐種子，說明錦雞兒種子在萌發(fā)時期對于水分脅迫的適應(yīng)性強于砂生槐種子，抗干旱能力更強。

圖3 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發(fā)芽指數(shù)的影響

2.4 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子活力指數(shù)的影響

不同濃度PEG處理對錦雞兒和砂生槐種子活力指數(shù)的影響存在差異（圖4）。從圖4可以看出，對照錦雞兒和砂生槐種子的活力指數(shù)分別為99.66、63.02，為最大值。PEG濃度為50 g/L時，錦雞兒、砂生槐種子的活力指數(shù)分別持續(xù)降至43.01、28.48，與對照相比有大幅度降低；PEG濃度為100 g/L時，錦雞兒、砂生槐種子的活力指數(shù)分別降至16.26、8.48，與對照條件下的活力指數(shù)相比，均存在顯著差異（P＜0.05）；當(dāng)PEG濃度≥150 g/L時，2種植物種子的活力指數(shù)均為0。從整體趨勢看，PEG的水分脅迫對2種植物種子活力指數(shù)的影響呈逐漸下降趨勢，且高濃度PEG脅迫會抑制種子的活力，甚至致死。在相同濃度PEG脅迫下，錦雞兒種子的活力指數(shù)明顯高于砂生槐種子，即在相同水分脅迫條件下，錦雞兒種子的抗旱能力強于砂生槐種子。

圖4 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子活力指數(shù)的影響

2.5 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐幼苗胚根長度的影響

從圖5可知，隨著PEG濃度的增大，錦雞兒幼苗胚根長度變化不明顯。對照（CK）處理下，錦雞兒幼苗胚根長度為最大值5.57 mm，之后幼苗胚根長度隨PEG濃度的升高逐漸減小，當(dāng)PEG濃度≥150 g/L時，2種植物種子均不萌發(fā)。經(jīng)過不同濃度PEG脅迫處理后，錦雞兒幼苗胚根長度無顯著差異。對照（CK）處理下，砂生槐幼苗胚根長度為最大值20.38 mm。PEG濃度為50 g/L時，砂生槐幼苗胚根長度驟然降至4.81 mm，與對照相比有大幅度的降低。PEG濃度為100 g/L時，砂生槐幼苗胚根長度達到最小值3.75 mm，與對照幼苗胚根長度存在顯著差異（P＜0.05）。從整體來看，水分脅迫對2種植物幼苗的胚根生長均存在抑制作用，但是砂生槐胚根生長的抑制作用更顯著，即水分脅迫處理對砂生槐幼苗胚根生長的傷害程度更大。

圖5 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子胚根長度的影響

2.6 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐幼苗胚芽長度的影響

不同濃度PEG處理對錦雞兒和砂生槐幼苗胚芽長度影響存在差異（圖6）。由圖6可知，對照（CK）錦雞兒和砂生槐幼苗胚芽長度為最大值，分別是13.35、15.04 mm。PEG濃度為50 g/L時，錦雞兒、砂生槐幼苗胚芽長度分別持續(xù)降至7.98、3.28 mm，與對照相比有大幅度降低，且存在顯著差異（P＜0.05）；PEG濃度為100 g/L時，錦雞兒、砂生槐幼苗胚芽長度分別降低至3.89、1.9 mm，與對照的胚芽長度相比，均存在顯著差異（P＜0.05）；當(dāng)PEG濃度≥150 g/L時，2種植物種子不萌發(fā)。從整體來看，不同濃度PEG脅迫對2種植物幼苗胚芽長度的影響呈逐漸下降趨勢，但是砂生槐的下降趨勢更為明顯，在50 g/L時驟然降低，因此，不同濃度PEG脅迫對砂生槐幼苗胚芽的傷害程度更大。

圖6 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子胚芽長度的影響

3 小結(jié)與討論

種子萌發(fā)是整個植物生長期間的開始階段，其生長狀況反映植物的抗逆性強弱，但干旱或半干旱環(huán)境條件是限制植物種子萌發(fā)及幼苗生長的重要因素［17，18］。種子萌發(fā)受水分影響效果顯著，隨著水分脅迫的加劇，種子的生長狀況受到抑制，甚至失去活性，無法萌發(fā)。PEG模擬水分脅迫，是通過調(diào)節(jié)溶液的滲透壓來達到限制水分進入種子內(nèi)部的目的。從某種意義上來說，PEG處理對種子萌發(fā)及幼苗生長起到了水分脅迫的作用［16］。目前，利用PEG模擬水分脅迫來研究植物抗旱機制的報道有很多。尚國亮等［19］的研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫的加劇，3個柔枝松種源的萌發(fā)率、活力指數(shù)等都出現(xiàn)了不同程度的下降。陳坤浩等［20］研究發(fā)現(xiàn)，在水勢為0～-0.60 MPa的水分脅迫條件下，隨著水勢的下降，福建柏種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、芽長等都表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。沙潔等［21］在水分脅迫對番茄種子萌發(fā)及幼根發(fā)育的影響中探索到，滲透勢越低，對種子發(fā)芽的脅迫程度越大。

該試驗在實驗室利用PEG溶液模擬不同水勢并通過測定發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、萌發(fā)幼苗胚根和胚芽長度等幾個指標(biāo)來研究水分脅迫對錦雞兒和砂生槐的種子萌發(fā)及幼苗生長的影響。結(jié)果表明，水分脅迫對錦雞兒和砂生槐的種子萌發(fā)及幼苗生長存在明顯的抑制作用。這一結(jié)果與王怡丹［22］在蒙古冰草、扁穗冰草和濱麥抗旱性研究中一致。綜合結(jié)果分析表明，PEG濃度在0～100 g/L范圍內(nèi)，錦雞兒和砂生槐種子具有發(fā)芽能力，其種子萌發(fā)及幼苗生長隨濃度的增加而降低，當(dāng)PEG濃度≥150 g/L時，種子均不萌發(fā)。總體來看，2種植物種子萌發(fā)期耐旱性鑒定的致死濃度應(yīng)小于150 g/L，這與裴成成等［23］對不同番茄品種種子萌發(fā)的研究結(jié)果一致。在受到0～100 g/L PEG脅迫時，隨著濃度的增加，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、萌發(fā)幼苗胚根和胚芽長度均總體呈現(xiàn)下降趨勢，且砂生槐在持續(xù)水分脅迫條件下的生理響應(yīng)表現(xiàn)得更為強烈，抑制作用更加明顯，說明水分脅迫對砂生槐的影響作用更大，即錦雞兒的抗旱能力強于砂生槐，更適于在干旱環(huán)境中生長。