干旱脅迫對(duì)3 種石竹科植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

王銘凡，尚金程，楊詩琪，戴思文，田荷婷

（東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150036）

調(diào)查表明，中國是世界上最嚴(yán)重的土壤缺水地區(qū)之一，干旱面積占國土1/2 以上，年降雨量只有50～250mm，從而導(dǎo)致耕地土壤水分十分匱乏,嚴(yán)重影響了林業(yè)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境[1]。干旱脅迫（drought stress）作為一種關(guān)鍵因素，時(shí)刻影響著植物種子的萌發(fā)，也是植物逆境脅迫最常見的一種形式[2]。干旱脅迫是指土壤缺水，植物處于干旱狀態(tài)下正常生理活動(dòng)會(huì)被打亂，其失水量會(huì)大于吸水量，大多數(shù)植物遭受干旱脅迫后都會(huì)受到不同程度的影響[3]。聚乙二醇（polyethylene glycol,PEG）是一種親水性強(qiáng)的大分子有機(jī)物，采用PEG 溶液來做滲透液，進(jìn)行模擬干旱脅迫的生物試驗(yàn)，操作簡便易行，且周期較短，深受一些研究者的愛好，并被用于研究各種植物種子萌發(fā)期間的耐旱性[4]。近年來，有PEG-6000 模擬干旱脅迫應(yīng)用于常夏石竹（Dianthus plumarius）[5]、北絲石竹（Gypsophila davurica Turcz.ex Fenzl）[6-7]、香石竹（Dianthus caryophyllus L.）[8]等報(bào)道。不同種子對(duì)干旱條件的適應(yīng)和抵抗能力不同，因而對(duì)PEG 模擬干旱脅迫的響應(yīng)也存在差異。

石竹科（Caryophyllaceae）是1 年生或多年生草本植物，約有80 屬2000 種，分布于世界各地，其中一些種類是重要的園林綠化材料，具有葉形美觀、花色艷美、馥郁芬芳、成坪速度快、形狀勻稱、耐旱、常綠、抗寒等多種特點(diǎn)，有很高的園林景觀應(yīng)用價(jià)值[9]。目前，石竹科植物的應(yīng)用主要集中在景觀和花卉邊緣景觀上，歐石竹‘初吻’（Carthusian pink）在拉薩地區(qū)適應(yīng)性強(qiáng)，可應(yīng)用于各種盆栽、花臺(tái)、花壇及花境等園林景觀，也可代替草坪草作為一種土壤覆蓋材料[10]。本研究利用PEG-6000 溶液模擬干旱脅迫，對(duì)供試種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、萌發(fā)指數(shù)、幼苗胚根、胚軸等指標(biāo)進(jìn)行檢測，初步探究了3 種石竹科種子在不同程度干旱脅迫下的萌發(fā)及幼苗生長情況，為生態(tài)環(huán)境修復(fù)選用適宜的抗旱性植物提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試種子包括：細(xì)梗絲石竹、狹葉剪秋羅、狹葉北絲石竹，顆粒飽滿，完全成熟。

1.2 試驗(yàn)方法

挑取大小均勻、飽滿的3 種石竹種子，分別進(jìn)行種子消毒。先用75%酒精消毒30s，后蒸餾水漂洗3 次，每次1min；接著用2%NaClO 溶液消毒10min，再用蒸餾水漂洗5 次，每次1min。

以聚乙二醇6000（PEG-6000）模擬干旱環(huán)境，共設(shè)4 個(gè)濃度的PEG 處理水平：5%、10%、15%、20%的PEG 溶液，以蒸餾水為對(duì)照（CK）。將3 種石竹科的種子分別置于墊有2 層濾紙、直徑90mm 的培養(yǎng)皿中，每個(gè)放入30 粒飽滿種子，加入10mL 處理溶液。每48h定時(shí)稱重，及時(shí)補(bǔ)充損耗的蒸餾水[11]。重復(fù)3 次。

1.3 種子發(fā)芽生長測定

試驗(yàn)過程中，每隔24h 查看并記錄每個(gè)培養(yǎng)皿中種子的萌發(fā)狀況，以胚根最終伸出種皮超過2mm 為萌發(fā)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，至所有處理連續(xù)3d 均無新種子萌發(fā)，停止觀察。按以下指標(biāo)對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

發(fā)芽率[9]（%）=（已經(jīng)萌發(fā)的種子數(shù)／供試種子總數(shù)）×100

發(fā)芽勢[4]（%）=（第4d 萌發(fā)的種子數(shù)／供試種子總數(shù)）×100

發(fā)芽指數(shù)[9]=∑Gt/Dt，式中，Gt 為發(fā)芽試驗(yàn)終期內(nèi)每日的發(fā)芽數(shù)，Dt 為發(fā)芽日數(shù)。

1.4 幼苗發(fā)芽生長測定

在試驗(yàn)過程中，每隔24h 觀察并記錄所有培養(yǎng)皿中幼苗的萌發(fā)生長情況。當(dāng)發(fā)芽結(jié)束后，從各處理及重復(fù)對(duì)照中隨機(jī)取出10 株幼苗，用游標(biāo)卡尺測定胚根長、胚芽長和總長，計(jì)算根冠比。

根冠比=胚根長/胚芽長。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 25.0 軟件對(duì)種子的3 項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)（發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)）和幼苗生長指標(biāo)（根長、芽長、總長和根冠比）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、多重比較和顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)3 種石竹種子萌發(fā)的影響

2.1.1 干旱脅迫對(duì)3 種石竹種子發(fā)芽率的影響。由圖1可知，隨PEG-6000 濃度的升高，細(xì)梗絲石竹、狹葉剪秋羅和狹葉北絲石竹的發(fā)芽率均呈現(xiàn)先下降、后上升、再下降的趨勢。細(xì)梗絲石竹種子CK 組處理時(shí)發(fā)芽率為71.1%，在10%～20%PEG-6000處理時(shí)發(fā)芽率均高于CK 組，其中15%PEG-6000 處理發(fā)芽率最高，較CK組高8.9%，5%PEG-6000脅迫處理下低于CK 組2.2%，但差異不顯著。狹葉剪秋羅種子在10%PEG-6000處理時(shí)發(fā)芽率高于CK 組4.4%，其他濃度處理的發(fā)芽率都比CK 組要低，20%PEG-6000 處理時(shí)最終發(fā)芽率顯著低于CK 組（p＜0.05），且和15%PEG 處理時(shí)的發(fā)芽率出現(xiàn)斷崖式下降，20%PEG-6000 處理較CK 組顯著降低37.8%。而隨PEG-6000 濃度的增加，與CK 組相比，狹葉北絲石竹種子發(fā)芽率均降低，20%PEG-6000 處理的最終發(fā)芽率最低，較CK 組下降15.5%。

圖1 PEG-6000 模擬干旱下3 種石竹種子發(fā)芽率

由圖2 可知，通過對(duì)種子的累計(jì)發(fā)芽率統(tǒng)計(jì)，可直觀感受到種子萌發(fā)期間不同濃度處理所表現(xiàn)出的差異性。其中，細(xì)梗絲石竹種子萌發(fā)期所表現(xiàn)的差異性最小，狹葉北絲石竹次之，狹葉剪秋羅差異性最大。

圖2 PEG-6000 模擬干旱下3 種石竹種子隨時(shí)間變化的累計(jì)發(fā)芽率

綜上，在3 種石竹種子發(fā)芽率中，細(xì)梗絲石竹的萌發(fā)抗旱性最強(qiáng)，狹葉剪秋羅次之，但在干旱條件極為惡劣時(shí)（PEG-6000 濃度達(dá)到20%）表現(xiàn)最差，狹葉北絲石竹的萌發(fā)抗旱性最弱。

2.1.2 干旱脅迫對(duì)3 種石竹種子發(fā)芽勢的影響。由圖3可知，狹葉剪秋羅的發(fā)芽勢隨PEG濃度的上升整體呈現(xiàn)下降的趨向，其中20%PEG 處理過后的種子發(fā)芽勢為0。狹葉北絲石竹和細(xì)梗絲石竹的發(fā)芽勢隨PEG 濃度的增加呈現(xiàn)先下降、后上升、再下降的趨勢，且狹葉北絲石竹種子在所有濃度處理時(shí)發(fā)芽勢都低于CK組，而細(xì)梗絲石竹則在10%PEG 處理時(shí)發(fā)芽勢超過了CK 組，較CK 組高3.3%；細(xì)梗絲石竹的發(fā)芽勢受干旱脅迫的影響及浮動(dòng)程度較小，而狹葉北絲石竹20%PEG 處理后出現(xiàn)顯著性變化（p＜0.05），較CK 組低36.7%，其余處理與CK 組的發(fā)芽勢相比變化較小。從發(fā)芽勢的角度來看，細(xì)梗絲石竹的耐旱程度最好。

圖3 PEG-6000 模擬干旱下3 種石竹種子的發(fā)芽勢

2.1.3 干旱脅迫對(duì)3 種石竹種子發(fā)芽指數(shù)的影響。細(xì)梗絲石竹種子和狹葉剪秋羅種子的發(fā)芽指數(shù)隨PEG-6000 濃度的增加呈現(xiàn)先下降、后上升、再下降的趨勢，且最大值都出現(xiàn)在CK 組，細(xì)梗絲石竹最大為41.9，狹葉剪秋羅最大為29.8，狹葉北絲石竹最大為39.5。但細(xì)梗絲石竹種子的發(fā)芽指數(shù)總體上差異性較小。狹葉北絲石竹的發(fā)芽勢在20%PEG處理時(shí)與CK組相比出現(xiàn)顯著性下降（p＜0.05），較CK 組下降17.7。狹葉剪秋羅的種子發(fā)芽指數(shù)隨PEG 濃度的增加呈現(xiàn)整體下降的趨勢，15% PEG 處理時(shí)種子發(fā)芽指數(shù)與CK 組相比出現(xiàn)顯著差異（P＜0.05），較CK 組下降9.6，20%PEG 處理時(shí)種子發(fā)芽指數(shù)與CK 組相比出現(xiàn)極顯著差異（p＜0.05），較CK 組下降24.6。說明狹葉剪秋羅對(duì)PEG 干旱脅迫最敏感，狹葉北絲石竹次之，細(xì)梗絲石竹最不敏感（圖4）。

圖4 PEG-6000 模擬干旱下3 種石竹種子的發(fā)芽指數(shù)

發(fā)芽指數(shù)是種子活力的一項(xiàng)指標(biāo)，當(dāng)發(fā)芽指數(shù)高時(shí)，活力就高。當(dāng)以上3 種石竹種子不受干旱脅迫時(shí)，發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)為細(xì)梗絲石竹＞狹葉北絲石竹＞狹葉剪秋羅，當(dāng)種子受到不同程度的干旱脅迫時(shí)，發(fā)芽指數(shù)仍表現(xiàn)為細(xì)梗絲石竹＞狹葉北絲石竹＞狹葉剪秋羅。

2.2 PEG-6000 干旱脅迫對(duì)3 種石竹種子幼苗生長的影響

2.2.1 PEG-6000 干旱脅迫對(duì)3 種石竹種子根長和芽長的影響。由表1 可見，細(xì)梗絲石竹、狹葉剪秋羅和狹葉北絲石竹種子幼苗的根長隨PEG濃度的增加呈現(xiàn)先增加、后減少的趨勢。且20%PEG 處理時(shí)，對(duì)3 種種子幼苗根的生長起到抑制作用，5%～15%PEG 處理時(shí)均表現(xiàn)為促進(jìn)作用。但細(xì)梗絲石竹的根長最大值出現(xiàn)在15%PEG 處理時(shí)，狹葉剪秋羅和狹葉北絲石竹的根長最大值出現(xiàn)在10%PEG 處理時(shí)。

隨PEG 濃度的增加，細(xì)梗絲石竹種子幼苗的芽長呈現(xiàn)先增加、后減少的趨勢，狹葉剪秋羅種子幼苗的芽長呈現(xiàn)先增加、后減少、再增加的趨勢，狹葉北絲石竹種子幼苗的芽長呈現(xiàn)先減少、后增加、再減少的趨勢。細(xì)梗絲石竹和狹葉北絲石竹種子幼苗芽長的最大值和最小值分別在10%PEG、20%PEG 處理時(shí)，而狹葉剪秋羅種子幼苗芽長的最大值和最小值分別在20%PEG、CK 處理時(shí)（表1）。

總之，干旱對(duì)3 種種子根長要大于芽長變化的影響，且不同種子對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)程度不同。

2.2.2 PEG-6000 干旱脅迫對(duì)3 種石竹種子根冠比的影響。細(xì)梗絲石竹、狹葉剪秋羅和狹葉北絲石竹種子幼苗的根冠比隨PEG 濃度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。細(xì)梗絲石竹種子幼苗的根冠比的最大值和最小值出現(xiàn)在15%PEG、20%PEG 處理時(shí)，狹葉剪秋羅種子幼苗的根冠比的最大值和最小值出現(xiàn)在10%PEG、20%PEG 處理時(shí)，狹葉北絲石竹種子幼苗的根冠比的最大值和最小值出現(xiàn)在10%PEG、CK 處理時(shí)（表1）。

表1 PEG-6000 模擬干旱下3 種石竹種子根長、芽長和根冠比的變化

3 討論與結(jié)論

大量試驗(yàn)表明，水分一直是限制種子萌發(fā)和幼苗生長的重要生態(tài)因子，同時(shí)也影響著植物的分布，通過對(duì)種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚根和下胚軸等種子活力評(píng)價(jià)指標(biāo)的測定與分析[13]，篩選出抗旱性強(qiáng)的種子，以修復(fù)干旱的生態(tài)環(huán)境。相對(duì)發(fā)芽率可較客觀地反映種子萌發(fā)期的抗旱性,相對(duì)發(fā)芽率越大，則表明其抗旱性越強(qiáng)；根系發(fā)達(dá)是植物抗旱的主要標(biāo)志之一,表征了植物的抗旱能力[14]。在本研究中，細(xì)梗絲石竹的發(fā)芽率在15%PEG 達(dá)到最大,發(fā)芽勢在10%PEG 達(dá)到最大，即輕度干旱有利于細(xì)梗絲石竹種子的發(fā)芽。然而，在高濃度PEG 脅迫下，由于滲透勢降低，種子很難抵御這種極端的干旱，從而抑制了正常的種子萌發(fā)，細(xì)梗絲石竹在濃度20%PEG 時(shí)，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)與CK 組相比減小，這與大多數(shù)種子在干旱脅迫下萌發(fā)規(guī)律一致[15-16]。在5%～20%PEG 脅迫下，狹葉剪秋羅的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和狹葉北絲石竹的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均比CK 組減少，狹葉剪秋羅只在10%PEG下發(fā)芽率才有增加，但不顯著，說明不同濃度PEG-6000 對(duì)狹葉剪秋羅和狹葉北絲石竹種子均有抑制作用，這與楊永志等[5]、劉佳等[17]對(duì)常夏石竹的研究一致。

胚根、胚軸的長度也是植物抗旱性的重要指標(biāo)，通常認(rèn)為胚根的長度與植物的抗旱性正相關(guān)[18]；李誠等[19]發(fā)現(xiàn)在PEG-6000 溶液模擬的干旱脅迫下，瞿麥幼苗的胚根生長受到了一定程度的抑制，并且隨PEG-6000 溶液濃度的不斷增加，胚根的長度均呈下降趨勢，干旱對(duì)瞿麥的生長起到了抑制作用。本研究發(fā)現(xiàn)3 種石竹種子在5%～15%濃度的PEG 處理下，胚根的長度較CK 組提高，細(xì)梗絲石竹在15%PEG 下胚根達(dá)到最大，狹葉剪秋羅和狹葉北絲石竹的胚根在10%PEG 達(dá)到最大，進(jìn)一步驗(yàn)證了一定的干旱對(duì)這3種石竹科植物幼根生長具有促進(jìn)作用，與孔佳茜等[20]、塔伊爾·買買提江等[21]的研究結(jié)果吻合。當(dāng)土壤的干旱程度增加時(shí)，植物通過使生物量優(yōu)先分配到根部來促進(jìn)根系生長，以擴(kuò)大水分吸收范圍,這是幼苗應(yīng)對(duì)水分消耗、避免和忍耐水分虧缺的適應(yīng)策略[22]。不同濃度的PEG 溶液脅迫下，大多數(shù)種子的胚芽和根芽比均呈現(xiàn)先增大、后減小的趨勢，而高濃度PEG 干旱脅迫抑制整個(gè)發(fā)芽時(shí)期的胚根、胚芽的生長，這與楊振亞等[23]的研究一致，20%PEG 干旱脅迫使植物的抗氧化酶系統(tǒng)發(fā)生紊亂,并對(duì)組織膜系統(tǒng)造成顯著傷害。

綜上所述，參考細(xì)梗絲石竹、狹葉剪秋羅和狹葉北絲石竹在不同濃度PEG-6000 脅迫下種子萌發(fā)和幼苗生長的生理指標(biāo)變化，可知在種子萌發(fā)階段，對(duì)干旱的適應(yīng)性，細(xì)梗絲石竹＞狹葉北絲石竹＞狹葉剪秋羅。