水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子萌發及幼苗生長的影響

劉成鳳，曾加芹，王夢妍

（西藏農牧學院資源與環境學院，西藏 林芝 860000）

隨著人口的增加，工業、農業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，對自身的代謝產生影響，植物的正常生理活動受到干擾時的狀態。種子能否萌發受多個外界環境因素如水分、光照、溫度、氧氣、土壤酸堿度等的綜合影響。其中，水分是種子萌發最關鍵的因素之一［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，大分子貯藏養分分解利用，啟動和保證了胚的生長發育。但是水分過多或不足，都將對種子萌發產生不利影響。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，會抑制種子細胞內各種酶的活性，無法提供正常的新陳代謝，造成種子不能萌發或萌發后的幼苗畸形。因此，適宜的水分是種子萌發的關鍵因素［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，溶于水后能產生強大的滲透壓，但自身不能通過細胞壁進入細胞質，從而無法引起質壁分離，可通過人為方法控制水分進入種子內部的速率［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期的水分脅迫試劑來模擬干旱環境，對植物種子萌發進行抗旱性研究［4］。

青藏高原大部分屬于干旱、半干旱地區，但其植物種類繁多，植被類型復雜、植物資源豐富，并且呈現明顯的區域差異。幅員廣袤、生態環境復雜的青藏高原為眾多植物的生長發育提供了有力條件，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，均為西藏旱中生山地灌叢植被的優勢種。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，能祛風活血、舒筋、除濕利尿、止咳化痰。枝葉可供牲畜食用，是營養豐富的牲畜飼養糧，具有很高的飼用價值和開發價值。目前對錦雞兒較多的研究報道均表示該植物抗逆性強，有耐風蝕、不怕沙埋的特點，在防風固沙、改良土壤、綠化環境等方面發揮著極其重要的作用，對荒漠區的生態修復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、飼用與經濟等方面具有極大的開發利用價值。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、耐寒及耐風蝕等生態適應性，具有很好的防風固沙、保水保土、改善環境的生態功能［9，10］。鑒于兩者在西藏干旱寒冷山區灌木群落演替、防風固沙、改善環境、防止水土流失等方面的重要生態意義，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，為今后西藏生態環境恢復與改善水土流失狀況提供依據。

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月采于西藏自治區林芝市八一鎮境內，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沖洗3次，以便徹底打破種子休眠。

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

1.3 發芽測定指標及方法

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

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

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

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

1.4 數據統計分析

試驗數據采用SPSS22.0統計分析軟件進行單因素方差分析和多重比較（LSD法）。數據結果以“平均值±標準誤”表示，采用Microsoft Excel 2019軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發芽率的影響

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

圖1 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發芽率的影響

2.2 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子發芽勢的影響

不同濃度PEG處理對錦雞兒和砂生槐種子發芽勢影響存在差異（圖2）。由圖2可知，對照（CK）錦雞兒和砂生槐種子的發芽勢最大，分別為31.33%、8.67%。當PEG濃度為50 g/L時，錦雞兒和砂生槐種子發芽勢分別為21.33%、5.33%，與對照的發芽勢相比，差異不顯著（P＞0.05）；PEG濃度為100 g/L時，發芽勢分別降低至4%、1.33%，與對照相比均存在顯著差異（P＜0.05）；當PEG濃度≥150 g/L時，兩種植物種子的發芽勢均為0，表示種子已經失去生命力，無法萌發。由此可知，在對照（CK）處理下，2種植物種子的發芽勢最大，種子生命力最旺盛，隨著PEG脅迫的加劇，發芽勢逐漸降低，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芽指數的影響

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

2.4 PEG模擬水分脅迫對錦雞兒和砂生槐種子活力指數的影響

不同濃度PEG處理對錦雞兒和砂生槐種子活力指數的影響存在差異（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分別持續降至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分別降至16.26、8.48，與對照條件下的活力指數相比，均存在顯著差異（P＜0.05）；當PEG濃度≥150 g/L時，2種植物種子的活力指數均為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PEG濃度≥150 g/L時，2種植物種子均不萌發。經過不同濃度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PEG濃度≥150 g/L時，2種植物種子不萌發。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 小結與討論

種子萌發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，但干旱或半干旱環境條件是限制植物種子萌發及幼苗生長的重要因素［17，18］。種子萌發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。PEG模擬水分脅迫，是通過調節溶液的滲透壓來達到限制水分進入種子內部的目的。從某種意義上來說，PEG處理對種子萌發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］的研究結果表明，隨著干旱脅迫的加劇，3個柔枝松種源的萌發率、活力指數等都出現了不同程度的下降。陳坤浩等［20］研究發現，在水勢為0～-0.60 MPa的水分脅迫條件下，隨著水勢的下降，福建柏種子的發芽率、發芽指數、活力指數、芽長等都表現出明顯的下降趨勢。沙潔等［21］在水分脅迫對番茄種子萌發及幼根發育的影響中探索到，滲透勢越低，對種子發芽的脅迫程度越大。

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