干旱脅迫下三種護坡植物種子萌發特性研究

干旱脅迫下三種護坡植物種子萌發特性研究

雷曉強，王競紅*，楊成武，劉素欣，江遠芳

(東北林業大學 園林學院，哈爾濱 150040)

摘要：采用PEG6000溶液分別對胡枝子(Lespedeza bicolor)、沙棘(Hippophae rhamnoides)和紫穗槐(Amorpha fruticosa)的種子進行干旱脅迫處理。設置PEG6000溶液6個濃度梯度：0%，5%，10%，15%，20%，25%。通過對發芽率、發芽勢、發芽指數、發芽速率、活力指數和萌發抗旱指數的測定，利用模糊函數隸屬法對3種植物種子的抗旱能力進行綜合分析。結果表明：隨著PEG6000溶液濃度的增大，3種植物種子的萌發受到不同程度的抑制作用，抗旱能力有很大的差異性。3種植物的隸屬函數值為：胡枝子為0.086、沙棘為0.149、紫穗槐為0.254 。由此可知PEG6000模擬干旱脅迫對種子發芽影響程度：胡枝子>沙棘>紫穗槐。

關鍵詞：胡枝子；沙棘；紫穗槐；種子萌發；干旱脅迫

中圖分類號：S 793.9

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2015)03-0007-05

Abstract：The PEG6000 solution was used for drought stress treatment to Lespedeza bicolor，Hippophae rhamnoides，and Amorpha fruticosa.Six PEG6000 solution concentration gradients were set up as follows：0%，5%，10%，15%，20%，and 25%.Based on the measurement of germination rate，germination potential，germination index，the speed of germination and vigor index，germination index of drought resistance，the method of fuzzy function was used to comprehensively analyze the drought-resistant ability of three kinds of plant seeds.The results showed that with the increase of PEG6000 solution concentration，the seed germination of the three plants under different degree of inhibition and there was significant difference in the drought-resistant ability.The membership function values of the three plants were：Lespedeza bicolor 0.086，Hippophae rhamnoides 0.149，and Amorpha fruticosa 0.186.Therefore，the order of the influence of PEG6000 on the seed germination ability of the three plants from strong or weak is：Lespedeza bicolor>Hippophae rhamnoides>Amorpha fruticosa.

Keywords：Lespedeza bicolor；Hippophae rhamnoides；Amorpha fruticosa；seed germination；drought stress

收稿日期：2014-12-31

基金項目：中央高校基本科研業務費專項資金項目(2572014CA27)；東北林業大學大學生創新訓練計劃項目(201210225101)

作者簡介：第一雷曉強，本科生。研究方向：園林。

通訊作者：`*王競紅，博士，副教授。研究方向： 園林植物應用。E-mail：jinglife26@126.com

Study on Drought Resistance of Three WoodyPlants During the Seed Germination

Lei Xiaoqiang，Wang Jinghong*，Yang Chengwu，Liu Suxin，Jiang Yuanfang

(College of Landscape Architecture，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

引文格式：雷曉強，王競紅，楊成武，等.干旱脅迫下三種護坡植物種子萌發特性研究[J].森林工程，2015，31(3)：7-11.

胡枝子、紫穗槐、沙棘這3種植物均具有較強的抗逆性、固氮和防風固沙的能力[1-3]。本文以這3種植物種子為材料，研究其種子萌發階段的抗旱能力。有研究表明，紫穗槐的種子萌發是植物生長的關鍵時期，也是研究植物抗旱性的重要階段[4]；在不同降水量的條件下，胡枝子根系的解剖結構有顯著變化，不同品種的胡枝子之間的抗旱能力不盡相同[5- 6]；沙棘在半干旱的黃土丘陵區可以通過葉片的生理機能調節適應和抵御干旱環境[7]，但沙棘種子存在抗性不強，自繁能力弱的缺點[8]。在人工模擬干旱脅迫條件下，通過PEG脅迫對胡枝子、紫穗槐和沙棘的研究多集中于種內不同施用濃度對其生理生長影響方面的測定[9-12]，對這3種植物種子萌發時期種間抗旱性的對比研究很少。本實驗通過對3種植物種子萌發期進行PEG6000的脅迫處理，綜合比較3種植物種子的抗旱能力，進而為公路綠化植物進行自我繁殖提供實驗數據及理論基礎。從播種初期預先做好邊坡頂部、中部和底部不同土壤濕度情況下植物的播種選擇工作。

1材料與方法

1.1　實驗材料

供試種子來源：胡枝子、沙棘于2013年在赤峰林草種苗協會處購買，紫穗槐種子于2013年在哈爾濱和平綠化有限公司購買，貯存于-4℃的種子保存箱中。 因種子的生物學特性與其播種量和幼苗生長有著密切的關系，對3種植物種子的種子大小、千粒重及種子吸水率這些直接反應出種子的吸漲能力生物學指標進行測定，見表1。

表1　3種植物的生物學特性 Tab.1 The biological characteristics of three kinds of plants

1.2　試驗方法

采用培養皿紙上發芽法(TP)[13]，將兩層濾紙浸透處理液后平鋪于90 mm的玻璃平皿內，放置于25℃的人工氣候培養箱，依據預實驗測定范圍，分別采用5%、10%、15%、20%、25%的PEG6000溶液進行干旱脅迫，每日檢查種子的萌發狀況，并采用稱重法每日補充一定的蒸餾水以保證培養皿內的水勢恒定不變 。以蒸餾水為對照組(CK)，每個梯度3次重復，每次重復50粒。以胚芽長度2 mm作為種子發芽的標準，每天記錄種子的萌發情況，直至種子萌發實驗結束(種子連續3 d的發芽粒數少于供試種子總數的1%)。

1.3　測定指標

發芽率：是指種子發芽數占供試種子數的百分比。

發芽速率：GR=[(∑DGS)/N]×GP×10。

式中：DGS是日累積萌發數除以相應的萌發天數所得的商；N為從萌發開始到結束的天數；GP為最終萌發率。

發芽勢：是指在發芽過程中日發芽種子數達到最高峰時，發芽種子數占供測種子數的百分比。

發芽指數：是指種子每天的發芽數與天數比值的總和。Gi=∑(Gt/Dt)。

活力指數：Vi=Gi×S。

式中:S指種子發芽結束后的苗長。

幼苗期平均根長：種子萌發實驗結束后，用游標卡尺分別測量3種植物種子的根的長度，求平均值。

萌發抗旱指數：GDRI(%)=(滲透脅迫下的萌發指數×100)/對照萌發指數。

1.4　3種植物種子萌發期抗旱性綜合評價

采用模糊隸屬函數法對3種植物種子萌發期的抗旱性進行綜合評價，計算公式為：Xi=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，其中X為各供試植物種子的某一測定指標，Xmax、Xmin為該指標的最大、最小值。若該指標與抗旱性呈負相關，則采用公式：Xi=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。最后將各項指標所得的隸屬函數值取平均值，根據平均值的大小確定3種植物種子的抗旱能力的強弱。平均值越大，抗旱能力越強。

2結果與分析

2.1　不同濃度PEG6000溶液處理對發芽率的影響

由圖1可以看出，不同程度的干旱脅迫對3種植物種子的發芽率影響不同：胡枝子種子發芽率受PEG6000溶液的脅迫最敏感，隨著PEG6000溶液濃度的升高，發芽率明顯下降；而對紫穗槐種子的影響較小，整體的發芽率變化不大，只有在PEG6000濃度為5%時發芽率略有下降，發芽率保持在90%左右；沙棘種子發芽率在濃度為20%達到最大值，而后下降，說明，在高濃度脅迫下能促進沙棘種子的發芽。3種植物在相同濃度PEG6000溶液脅迫下發芽率由高至低得變化趨勢是：紫穗槐>沙棘>胡枝子。

圖1　不同濃度PEG6000溶液對發芽率的影響 Fig.1 The influence of different concentration PEG6000 solution on germination rate

2.2　不同濃度PEG6000溶液處理對發芽速率的影響

種子的發芽速率有效反映了種子的活力，由圖2可知，在低濃度PEG6000溶液下，胡枝子和沙棘的發芽速率略高于紫穗槐。

圖2　不同濃度PEG6000溶液對發芽速率的影響 Fig.2 The influence of different concentration PEG6000 solution on the speed of germination

當濃度大于5%時，胡枝子發芽速率直線下降，沙棘發芽率下降并有起伏，而紫穗槐發芽率略有下降且線型平穩。3種植物種子的發芽速率隨脅迫濃度的遞增而呈下降趨勢，其下降幅度由強至弱的次序為：胡枝子>沙棘>紫穗槐。這說明，在人工模擬干旱脅迫條件下，紫穗槐種子的發芽速率受到脅迫濃度的影響較小。

2.3　不同濃度PEG6000溶液處理對發芽勢和發芽指數影響

前面的測試結果表明不同濃度的PEG6000溶液對于3種植物種子發芽率具有一定的抑制作用，而發芽勢和發芽指數能夠更好的反映模擬脅迫下種子的活力的變化，見表2，胡枝子對PEG脅迫表現比較敏感，對照組與20%和25%濃度下的發芽勢及發芽指數差異顯著，與5%濃度下的發芽指數差異極顯著；沙棘對照組與濃度為5%PEG6000處理下的種子發芽指數差異不顯著，但隨著PEG溶液濃度的提高，干旱脅迫的加劇，發芽指數與濃度為10%的差異極顯著；紫穗槐對照組的發芽勢及發芽指數與其他濃度相比均差異不顯著。說明PEG6000溶液脅迫對紫穗槐種子活力的影響小于沙棘小于胡枝子。

表2　不同濃度PEG6000溶液對發芽勢和發芽指數的影響 Tab.2 The influence of different concentration PEG6000 solution on the germination potential and germination index

2.4　不同濃度PEG6000溶液處理對活力指數的影響

由圖3可知，PEG6000溶液對3種植物的種子活力有明顯的抑制作用。種子的活力指數與PEG6000溶液濃度呈負相關。胡枝子活力指數在濃度為5%時達到最大值，隨后隨著濃度的增大而變小；沙棘活力指數在受到脅迫后就直線下降，在濃度為10%時達到最小值。紫穗槐活力指數的下降分兩個階段，在濃度10%到15%時有個急劇下降的過程。

圖3　不同濃度PEG6000溶液對活力指數的影響 Fig.3 The influence of different concentration PEG6000 solution on the length of root

2.5　不同濃度PEG6000溶液處理對幼苗期平均根長的影響

種子吸水膨脹后，歷經生物化學反應和形態變化促使胚發育成幼苗。由圖4可知，PEG6000溶液對3種植物幼苗的根具有一定的抑制作用。胡枝子和沙棘幼苗的根對脅迫反應非常敏感，當PEG6000溶液濃度大于15%時，根長變化很小，趨于平穩，抑制作用達到最大值。PEG6000溶液對紫穗槐的根有抑制作用，但是影響不大。因此，不同濃度PEG6000溶液對幼苗平均根長影響的強弱為：胡枝子>沙棘>紫穗槐。

圖4　不同濃度PEG6000溶液對根長的影響 Fig.4 The influence of different concentration PEG6000 solution on the relative vigor index

2.6　不同濃度PEG6000溶液處理對萌發期抗旱指數的影響

由圖5可知，3種植物在沒有受到脅迫時，抗旱指數均為1。紫穗槐種子在中低濃度脅迫時，其抗旱指數呈上升趨勢，說明在中低濃度脅迫條件下，紫穗槐種子具有一定的抗旱能力，隨著濃度的增加，破壞了紫穗槐種子的內部結構，抗旱能力隨之下降。胡枝子和沙棘種子受到脅迫后，萌發抗旱指數呈急劇下降趨勢。

圖5　不同濃度PEG6000溶液處理下3種植物的抗旱指數 Fig.5 The drought resistant index of the three kinds of plants with different concentration PEG6000 solution

2.7　3種植物種子抗旱性綜合評價

利用模糊函數隸屬法對胡枝子、沙棘及紫穗槐的種子在萌發期的相對指標進行綜合分析，得到胡枝子、沙棘、紫穗槐種子隸屬函數平均值分別為：0.086、0.149、0.254 。這說明3種植物種子的抗旱能力都很強，其中紫穗槐種子的耐干旱能力最強，其次是沙棘種子，胡枝子種子的耐旱能力相對較弱。見表3。

表3　3種植物種子抗旱性綜合評價 Tab.3 Comprehensive evaluation of drought resistance of the three kinds of plant seeds

3結論和討論

3.1　結　論

PEG6000是一種滲透調節劑，在調節礦質元素激素變化、蛋白質代謝和影響信號傳導方面起著重要的作用[14]，其主要功能是減緩萌發初期水分進出種子的速率[15]。而水分是影響種子萌發的關鍵生態因子[16]。隨著PEG6000濃度的增大，滲透勢降低，3種植物種子萌發的測定指標均受到抑制，但是，各項指標種間的差異又顯示出3種植物種子對抗干旱脅迫的不同能力。

3.1.13種植物種子均能抵抗低濃度短時間PEG6000脅迫的影響

雖然干旱脅迫在一定程度上抑制了種子的萌發，但適當的脅迫也會提高植物種子的某些指標，在本實驗中PEG6000濃度為20%時，沙棘種子的發芽率和發芽速率值最高，這可能是種子為了提高自身抗逆性，適應環境，促進了其某些萌發進程， 與前人研究的適當逆境脅迫可能會提高種子發芽率和活力具有相似之處[17-18]。當PEG6000溶液濃度為5%時，3種植物的發芽率和發芽速率；發芽勢和發芽指數均未有顯著變化[19]。胡枝子種子的活力指數在PEG6000溶液濃度為5%時反而出現了上升的趨勢，說明在胡枝子種子萌發期，適當的干旱脅迫不會影響幼苗的生長。

3.1.23種植物中紫穗槐和沙棘種子的抗旱適應性較強

植物種子的抗旱性受多因素的共同影響。本實驗選取了種子發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、發芽速率和萌發抗旱指數等指標，利用隸屬函數平均值法對其綜合評價，得出3種植物相對準確的抗旱能力差異。利用這種方法避免了單一因素評定抗旱性的片面性，由于隸屬函數平均值是在[0，1]區間之內的純數字，所以3種植物之間具有一定的可比性。綜合分析，紫穗槐種子萌發過程中，發芽率、發芽速率和幼苗期的平均根長受到不同濃度PEG6000溶液脅迫變化幅度較小，沙棘的發芽勢和發芽指數變化幅度最小，但是，活力指數顯示，紫穗槐明顯高于沙棘。通過不同指標的測定可知，紫穗槐種子萌發受干旱脅迫的影響最小；胡枝子種子萌發對干旱脅迫的抵抗力最弱，，胡枝子幼根的平均根長較短且根長變化隨PEG6000溶液脅迫變化幅度較小，說明胡枝子的生苗根的生長具有一定的抗旱適應性[10]；沙棘種子萌發的抗旱性強于胡枝子，但沙棘種子的抗旱性不穩定。利用模糊函數隸屬法得到胡枝子、沙棘、紫穗槐的隸屬值分別為0.086、0.149、0.254。可見，在種子萌發階段，紫穗槐和沙棘的種子均表現出較好的抗干旱脅迫能力。

3.2　討　論

3種植物均是優良的公路邊坡綠化植物，在我國東北地區邊坡防護過程中，季節性凍融現象直接影響了坡體的穩定性。在秋季大氣降水補給和冬季寒冷氣候作用下，容易造成土質邊坡淺層坡面凍脹；在春融期，受干旱少雨和氣溫回升迅速等綜合因素的影響，凍結在邊坡坡面和坡體淺層的冰核迅速融化、蒸發，又造成邊坡頂部和底部土壤含水量的差異，根據對3種植物中干旱模擬條件下種子萌發指標的測定可進行不同坡段的選擇性播種嘗試，可優先考慮播種紫穗槐和沙棘；紫穗槐的幼苗平均根長變化受干旱模擬脅迫最小，也說明紫穗槐的生根能力明顯優于沙棘和胡枝子。所以，針對紫穗槐根系在干旱脅迫下的生理和形態變化將成為后續研究的重點內容。

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[責任編輯：劉美爽]