PEG模擬干旱脅迫對(duì)苘麻種子萌發(fā)的影響

關(guān) 正，王麗君，段 玲，周正霄，張粉果，王永吉

(1.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，太原 030000； 2.唐山植物園，河北 唐山 063000；3.山西省臨汾市堯都區(qū)氣象局，山西 臨汾 041004)

近年來(lái)，干旱問(wèn)題頻發(fā)已經(jīng)引起全球關(guān)注，而我國(guó)干旱半干旱地區(qū)占全國(guó)總面積的比重越來(lái)越大，高溫和干旱脅迫問(wèn)題日益突出，解決干旱對(duì)植物的影響便顯得尤為重要[1]。在植物的生活史中，最關(guān)鍵也是最脆弱的階段就是種子的萌發(fā)期[2]，逆境能夠影響種子生長(zhǎng)及生理活動(dòng)的進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使植物子代致死甚至滅絕[3]。與此同時(shí)水分作為種子生長(zhǎng)階段的重要條件之一，能夠在植物體內(nèi)形成水分活化酶，推動(dòng)種子新陳代謝[4]。因此，選擇品質(zhì)優(yōu)良的植物品種在加快干旱地區(qū)的植被生態(tài)建設(shè)、保護(hù)生態(tài)和農(nóng)業(yè)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展方面有著重大的實(shí)踐意義。

苘麻(AbutilontheophrastiMedicus)為錦葵科苘麻屬一年生亞灌木草本，我國(guó)各省市均可產(chǎn)出，可用作紡織工業(yè)原料和重要的藥材，全株皆可藥用[5]。PEG作為水分脅迫劑可以使植物處于干旱脅迫中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到農(nóng)作物等植物的抗旱研究中[6-8]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)苘麻種子的研究主要集中于從生理生化角度對(duì)苘麻種子的萌發(fā)特性[9]、耐鹽堿性[10]以及藥用價(jià)值方面進(jìn)行研究，許多學(xué)者研究玉米、小麥等經(jīng)濟(jì)作物的干旱脅迫[11-13]，但干旱脅迫對(duì)苘麻種子影響方面的報(bào)道甚少。本研究以苘麻種子為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)苘麻種子萌發(fā)過(guò)程中改變溫度、光照及PEG-6000濃度，分析苘麻種子在不同程度干旱脅迫下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)，進(jìn)而了解苘麻種子對(duì)干旱脅迫的抵抗能力，為植被生態(tài)恢復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試苘麻種子(千粒重約9.407 0 g)采自山西省臨汾市堯都區(qū)平水街路邊廢棄撂荒地(36°6′N,111°29′E)。采集后將種子在室溫下晾干并放入塑封袋中, 于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。?shí)驗(yàn)前選擇顆粒相對(duì)飽滿、質(zhì)地均勻的苘麻種子，用0.5% KMnO4溶液消毒15 min，然后用蒸餾水洗凈并晾干，備用。參照Burlyn E等[14]的方法，配置不同濃度的PEG-6000溶液模擬土壤干旱脅迫(-0.2 MPa、-0.4 MPa、-0.6 MPa、-0.8 MPa、-1.0 MPa),每個(gè)水勢(shì)下各配置100 mL。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1溫度和光照處理對(duì)苘麻種子萌發(fā)的影響

設(shè)置5組溫度梯度：15 ℃/5 ℃、20 ℃/10 ℃、25 ℃/15 ℃、30 ℃/20 ℃、35 ℃/25 ℃，設(shè)置2個(gè)光照條件：自然光照(12 h光照、12 h黑暗)和全黑暗。在不同的溫度梯度和光照條件下，共進(jìn)行10組處理，每組處理4次重復(fù)。選取1 000粒已經(jīng)消毒的苘麻種子，每個(gè)培養(yǎng)皿中均勻地放置25粒，并滴加蒸餾水，使濾紙?zhí)幱跐?rùn)濕狀態(tài)。

將需要自然光照處理的培養(yǎng)皿放入透明塑料袋，需要進(jìn)行全黑暗處理的培養(yǎng)皿放入遮光密封袋，標(biāo)記溫度和對(duì)應(yīng)序號(hào)，放入智能光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)。每天在固定時(shí)間觀察苘麻種子萌發(fā)情況并記錄數(shù)據(jù)，種子以胚根露白視為正常發(fā)芽，同時(shí)保證苘麻種子處于濕潤(rùn)環(huán)境下萌發(fā)，連續(xù)3 d不發(fā)芽，停止實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.2.2干旱脅迫處理對(duì)苘麻種子萌發(fā)的影響

在前期若干次預(yù)實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)果基礎(chǔ)上，本研究選擇溫度為30℃，自然光照條件下進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)Michel的公式[14]配置不同濃度的PEG-6000溶液模擬土壤干旱脅迫(0 MPa、-0.2 MPa、-0.4 MPa、-0.6 MPa、-0.8 MPa、-1.0 MPa):

ψS=-(1.18×10-2)×C-(1.18×10-4)×C2+ (2.67×10-4)×C×T+(8.39×10-7)×C2×T，

其中：ψS表示溶液水勢(shì) (bar)；C表示PEG-6000濃度(g/kg)，T表示溫度(℃)。

以蒸餾水作為對(duì)照(ck)，在不同的水勢(shì)下開展試驗(yàn)。選取500粒已經(jīng)消毒的苘麻種子，每個(gè)培養(yǎng)皿中放置25粒，滴加相對(duì)應(yīng)的PEG-6000溶液，將濾紙潤(rùn)濕，每組處理4次重復(fù)。將標(biāo)記好的密封袋放入智能光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，在固定時(shí)間觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)保證苘麻種子的萌發(fā)處于相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。當(dāng)重復(fù)組開始出現(xiàn)種子萌發(fā)，視為萌發(fā)初始期，每天定時(shí)對(duì)苘麻種子萌發(fā)數(shù)進(jìn)行記錄，如果持續(xù)3 d無(wú)新種子萌發(fā)，記為種子萌發(fā)終止。統(tǒng)計(jì)苘麻種子的發(fā)芽率，出現(xiàn)萌發(fā)高峰期時(shí)對(duì)發(fā)芽勢(shì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)計(jì)算發(fā)芽指數(shù)。根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)分析不同干旱脅迫對(duì)苘麻種子萌發(fā)的影響，從而探究苘麻種子的抗旱能力。

1.2.3測(cè)定指標(biāo)

日相對(duì)萌發(fā)率(%)=(每日正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽率(%)=(連續(xù)3 d內(nèi)種子不再萌發(fā)的累積發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽勢(shì)(%)=[發(fā)芽高峰期發(fā)芽的種子數(shù)(以第4天萌發(fā)種子數(shù)計(jì))/供試種子數(shù)]×100%;

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，Gt表示第t天的種子萌發(fā)數(shù)，Dt表示相對(duì)應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)[15]。

采用Origin 2019軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度和光照處理對(duì)苘麻種子萌發(fā)的影響

苘麻種子的發(fā)芽率會(huì)隨溫度的上升而增大。當(dāng)溫度為35 ℃/25 ℃時(shí)，苘麻種子的發(fā)芽率達(dá)到51%左右，與30 ℃/20 ℃條件下的發(fā)芽率差異顯著(p<0.05)，25 ℃/15 ℃和30 ℃/20 ℃的發(fā)芽率次之，分別為26%和29%，差異不顯著(p>0.05)，而15 ℃/5 ℃和20 ℃/10 ℃條件下的發(fā)芽率均較低，分別為8%和13%，且差異不顯著(p>0.05)(圖1)，因此，最適合苘麻種子萌發(fā)的溫度為35 ℃/25 ℃；通過(guò)比較，5個(gè)溫度梯度的兩種光照條件下發(fā)芽率可以看出，自然光照下苘麻種子發(fā)芽率均高于全黑暗，所以苘麻種子最適宜在自然光照的條件下萌發(fā)。

注：A為自然光照處理；B為全黑暗處理；不同大小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。圖1 不同溫度和光照條件對(duì)苘麻種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effects of different temperature and light conditions on seed germination rate of Abutilon theophrasti Medicus

2.2 PEG處理對(duì)苘麻種子日相對(duì)萌發(fā)率的影響

由圖2可以看出，對(duì)照組苘麻種子的萌發(fā)高峰期出現(xiàn)在第3天，日相對(duì)萌發(fā)率達(dá)到14%；水勢(shì)為-0.2 MPa和-0.4 MPa時(shí)，苘麻種子均在第4天達(dá)到萌發(fā)高峰期，日相對(duì)萌發(fā)率為15%和9%；水勢(shì)為-0.6 MPa，苘麻種子的萌發(fā)高峰期為第6天，日相對(duì)萌發(fā)率降為4%；水勢(shì)達(dá)到-0.8 MPa時(shí)，在第7天達(dá)到種子的萌發(fā)高峰期，日相對(duì)萌發(fā)率僅為2%；水勢(shì)達(dá)到-1.0 MPa時(shí)，苘麻種子的萌發(fā)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。整體看，PEG濃度的增加會(huì)導(dǎo)致苘麻種子的萌發(fā)時(shí)間都會(huì)有所延長(zhǎng)。

圖2 PEG-6000處理下苘麻種子的萌發(fā)進(jìn)程Fig.2 Germination process of seeds of Abutilon theophrasti Medicus under PEG-6000 treatments

2.3 PEG處理對(duì)苘麻種子累積發(fā)芽率的影響

對(duì)照組的苘麻種子最終累積發(fā)芽率為51 %，隨著PEG濃度的升高，苘麻種子的發(fā)芽率逐漸降低，但水勢(shì)為-0.2 MPa時(shí)，苘麻種子的最終累積發(fā)芽率高達(dá)53%，明顯高于對(duì)照組，說(shuō)明輕度的干旱脅迫對(duì)苘麻種子的萌發(fā)影響不顯著，反而會(huì)促進(jìn)苘麻種子的萌發(fā)；而當(dāng)水勢(shì)為-0.4 MPa、-0.6 MPa、-0.8 MPa、-1.0 MPa時(shí)，苘麻種子的最終累積發(fā)芽率低于對(duì)照組(圖3)，表明干旱脅迫的加劇會(huì)抑制苘麻種子的萌發(fā)。水勢(shì)為-1.0 MPa時(shí)，苘麻種子的累積發(fā)芽率降為0，表明此時(shí)苘麻種子已經(jīng)被完全抑制。

圖3 PEG-6000處理對(duì)苘麻種子累積發(fā)芽率的影響Fig.3 Effects of PEG-6000 treatments on cumulative germination rate of Abutilon theophrasti Medicus seeds

2.4 PEG處理對(duì)苘麻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)的影響

苘麻種子的發(fā)芽勢(shì)隨干旱脅迫的加劇而降低。對(duì)照組的發(fā)芽勢(shì)為42%，而在水勢(shì)為-0.2 MPa時(shí)，苘麻種子發(fā)芽勢(shì)下降了18%，顯著低于對(duì)照組(p<0.05)，當(dāng)水勢(shì)為-0.4 MPa，苘麻種子發(fā)芽勢(shì)下降了26%，在水勢(shì)為-0.6 MPa、-0.8 MPa和-1.0 MPa時(shí)，苘麻種子的發(fā)芽率分別下降41%、42%和42%，說(shuō)明在高濃度脅迫下，苘麻種子的萌發(fā)受到了限制(表1)。同時(shí)，苘麻種子的發(fā)芽指數(shù)與PEG濃度成反比，在水勢(shì)為-0.2 MPa、-0.4 MPa和-0.6 MPa條件下，苘麻種子的發(fā)芽指數(shù)分別是對(duì)照組的55.58%、37.13%和9.94%，且均差異顯著(p<0.05)，而在水勢(shì)為-0.6 MPa和-0.8 MPa條件下,苘麻種子的發(fā)芽指數(shù)差異不顯著(p>0.05),在水勢(shì)為-1.0 MPa條件下苘麻種子發(fā)芽指數(shù)降到0，表明發(fā)芽已被完全抑制。

圖4 水勢(shì)梯度與苘麻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)的回歸分析Fig.4 Regression analysis of PEG concentration on seed germination potential and germination index of Abutilon theophrasti Medicus

表1 PEG-6000處理對(duì)苘麻種子發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)的影響Table 1 Effects of PEG-6000 treatments on seed germination potential and germination index of Abutilon theophrasti Medicus

2.5 水勢(shì)梯度與苘麻種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)的回歸分析

將PEG濃度與苘麻種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行二次函數(shù)回歸分析，得到PEG濃度與苘麻種子發(fā)芽勢(shì)的擬合方程：y=24.335x2+45.422x+21.073，R2=0.992 1)，與苘麻種子發(fā)芽指數(shù)的擬合方程為：y=52.679x2+95.107x+42.071，R2=0.984 2，表明PEG-6000濃度與苘麻種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

3 討論與結(jié)論

3.1 溫度、光照處理對(duì)苘麻種子萌發(fā)的影響

適宜的溫度能夠促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗更好地生長(zhǎng)，溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于植物生長(zhǎng)發(fā)育。王金淑[9]的研究結(jié)果表明，苘麻種子在自然光照下萌發(fā)最好，在黑暗下可能處于休眠狀態(tài)；最適合苘麻種子萌發(fā)的溫度為15～30 ℃。本研究表明，苘麻種子萌發(fā)的最適溫度為35 ℃/25 ℃，最適光照條件是自然光照(12 h光照、12 h黑暗)，這與王金淑[9]的研究結(jié)果基本一致。

3.2 干旱脅迫處理對(duì)苘麻種子萌發(fā)的影響

近年來(lái)，對(duì)植物抗旱性的研究多為通過(guò)人工控制來(lái)模擬干旱脅迫。本試驗(yàn)通過(guò)施加不同濃度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，探究水分對(duì)苘麻種子萌發(fā)的影響。水分作為限制植物種子萌發(fā)的主要因素之一，因此植物的抗逆性可以通過(guò)種子的萌發(fā)能力來(lái)衡量[16]。陳葉等[17]研究表明，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致種子的萌發(fā)期延長(zhǎng)。本試驗(yàn)得出的結(jié)論與陳葉等[17]的研究結(jié)果較吻合，表明水勢(shì)對(duì)于苘麻種子萌發(fā)的重要性，當(dāng)水分充足時(shí)，種子會(huì)通過(guò)“積極回應(yīng)”策略來(lái)促進(jìn)自身萌發(fā)，相反種子會(huì)通過(guò)“規(guī)避”策略來(lái)推遲自身萌發(fā)。

不同植物對(duì)干旱脅迫的反應(yīng)機(jī)制不同，一些植物會(huì)由于干旱脅迫導(dǎo)致其種子的萌發(fā)指標(biāo)呈下降的趨勢(shì)，而有一些植物自身對(duì)干旱存在一定的適應(yīng)性[18]。朱慧等[19]研究結(jié)果表明，五爪金龍種子會(huì)由于不同程度的脅迫而表現(xiàn)出嚴(yán)重的抑制效應(yīng)，但種子能通過(guò)改變自身的反應(yīng)機(jī)制去主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境。郭晉梅等[20]通過(guò)對(duì)白羊草種子萌發(fā)過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)，白羊草種子在低濃度的干旱脅迫下能夠萌發(fā)得更好，但在嚴(yán)重缺水的條件下其種子的萌發(fā)會(huì)被抑制。本試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水勢(shì)為-0.2 MPa時(shí)，苘麻種子的最終發(fā)芽率高于對(duì)照組的種子發(fā)芽率，而在水勢(shì)為-0.4 MPa、-0.6 MPa、-0.8 MPa和-1.0 MPa時(shí)，苘麻種子的最終發(fā)芽率均低于對(duì)照組的種子發(fā)芽率，表明苘麻種子在低濃度脅迫下具有抵抗干旱的能力，在高濃度脅迫下，苘麻種子的萌發(fā)會(huì)受到抑制。

結(jié)果表明，苘麻種子在35 ℃/25 ℃、自然光照(12 h光照、12 h黑暗)的條件下最適宜萌發(fā)，隨著干旱脅迫程度的不斷加深，苘麻種子初始萌發(fā)期與萌發(fā)高峰期都會(huì)出現(xiàn)延遲。與此同時(shí)，苘麻種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)都呈降低的趨勢(shì)，但水勢(shì)為-0.2 MPa時(shí)，苘麻種子的發(fā)芽率高于對(duì)照組，表明苘麻種子在低濃度的脅迫下具有一定抗旱能力，但在高濃度的脅迫下，苘麻種子的萌發(fā)會(huì)被抑制，甚至完全抑制，無(wú)法正常萌發(fā)。本試驗(yàn)通過(guò)研究不同溫度、光照及PEG脅迫對(duì)苘麻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)的影響，評(píng)價(jià)了苘麻種子的萌發(fā)能力和抗旱能力，但是對(duì)苘麻幼苗生長(zhǎng)期的抗旱性有待進(jìn)一步研究。