鹽、旱脅迫對霸王種子萌發的影響

王曉偉，陳 麗，邱愛軍，張 玲

（1.新疆大學生命科學與技術學院，新疆烏魯木齊830022；2.天水師范學院化學工程與技術學院，甘肅天水741000；3.新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護利用重點實驗室，新疆阿拉爾843300；4.塔里木大學生命科學學院，新疆阿拉爾832000）

種子萌發是種子植物生活史的重要階段［1］，脅迫條件下種子萌發特性的研究是了解脅迫因子對植物種子萌發的影響、物種的抗逆性及物種對環境適應性的基本內容。對于干旱荒漠區植物種子而言，鹽和干旱是其重要的影響因素［2-4］，尤其在種子萌發的關鍵時期。在限制水分條件下萌發緩慢、萌發率低的特性是干旱沙漠區植物保證幼苗存活的策略之一［5］；對鹽的適應是鹽生環境下植物生存的首要條件，亦是干旱區植物長期進化過程中需適應的重要因子。在極端嚴酷荒漠條件下，長期進化過程中形成了植物特殊的適應機制［6］，干旱和鹽會影響物種延續，也會制約種群大小，同時植物對干旱區生態平衡的維持、土壤改良等也有著重要貢獻［7］。

霸 王（Zygophyllum xanthoxylon（Bunge）Max?im.）隸屬于蒺藜科（Zygophyllaceae）霸王屬（Zy?gophyllumL.），灌木，復葉，小葉2；花白色，果實3室，具2～3寬翅，為不開裂的蒴果。霸王主要分布于我國西北荒漠半荒漠的沙礫質河階地、石質山坡地等干旱環境［8-10］，具有較強的適應性和生命力。霸王是典型的荒漠和草原化荒漠地帶的優勢種或建群種，亦是優良固沙植物，也可做草料等［11］。目前，對霸王研究集中在分類與比較解剖學［12-15］，花粉形態［16-17］，系統進化［18-19］、抗逆生理及分子［20-21］等方面。有關溫度、水分及光照［22-23］、休眠、儲藏、層積等對霸王種子萌發的影響［24-29］有報道，而關于霸王種子在等滲條件下干旱和鹽脅迫響應方面的研究報道相對較少。在NaCl和PEG 6000（以下簡稱PEG）脅迫下，對霸王種子萌發特性做初步探討，闡述萌發過程、萌發指標的變化特征和規律及萌發時期對鹽分和干旱程度的耐受性，揭示鹽和干旱對其萌發期的影響，為霸王的抗逆特性及生態恢復提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗供試霸王種子于2018年8月采自新疆阿克蘇市拜城縣天山南坡。采集時將收集到的成熟、無蟲害的果實帶回室內并剝去果皮，篩選籽粒飽滿、完整的種子存放入種子柜保存備用。2019年5至6月完成種子脅迫萌發試驗。

1.2 鹽、旱脅迫試驗方法

配制等滲PEG6000（以下稱PEG）和NaCl溶液，PEG的溶液滲透根據Michel和Kaufmann文獻中PEG溶液濃度與滲透勢的關系方程［30］，NaCl溶液滲透勢參照溶液滲透公式ψ=-iCRT，其中i為解離系數，C為體積摩爾濃度，R為常數，T為熱力學溫度（273+t℃），t為25℃，滲透勢設置依次為-0.2、-0.4、-0.6、-0.8和-1.0 MPa。

將種子用水浸泡12 h后用5%H2O2消毒2～3次，每次10 min。將處理好的種子置于培養皿中進行萌發，每皿40粒種子，重復3次。種子萌發試驗在RTOT系列人工智能氣候箱中進行，經預實驗后確定萌發條件為20℃/25℃、12 h光照/12 h黑暗。兩組試驗中分別滴入10ml脅迫溶液，以水培為對照試驗，試驗啟動后每隔24 h稱重補充脅迫溶液。種子萌發以胚芽突破種皮露白為標準，連續三天種子萌發數目不再增加，即種子不再萌發，可視為種子萌發完成。當種子萌發完成后，將未萌發的種子挑選出來并用蒸餾水清洗3～5次后，轉入新培養皿，加入10 ml蒸餾水，在20℃/25℃、12 h光照/12 h黑暗的培養箱內進行復水萌發試驗并完成每日統計工作。脅迫萌發試驗和復水試驗共進行20天。

1.3 數據統計和處理

根據統計結果計算不同處理條件下種子的逐日萌發率、最終萌發率、萌發速率、種子萌發指數、抗旱指數、相對鹽害率、恢復萌發率。公式如下：逐日萌發率=n/N；最終萌發率=∑n/N；萌發速率=∑100n/ND；抗旱指數=干旱脅迫下種子的萌發指數/對照種子萌發指數；種子萌發指數=（1.00）Rd2+（0.75）Rd4+（0.50）Rd6+（0.25）Rd8；相對鹽害率=（對照發芽率-處理發芽率）/對照發芽率×100%；恢復萌發率=〔（a-b）/（c-d）〕×100%；公式中N是供試種子數，D是從萌發開始的時間，n是在時間D的種子萌發數。Rd2，Rd4，Rd6，Rd8分別為第2、4、6、8天的種子萌發率。a為全部時間的發芽種子數，b為鹽、旱脅迫中的發芽種子數，c為供試種子數，d為復水前萌發的種子數。

利用IBM SPSS20統計分析軟件中的單因素方差分析（one-ANOVA）對霸王種子萌發的數據進行處理和差異顯著性分析，最后用Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 NaCl、PEG脅迫對霸王最終萌發率的影響

在NaCl、PEG脅迫條件下，霸王種子的最終萌發率隨滲透勢的降低而下降（圖1）。對照組的最終萌發率最高，為86.67%；NaCl處理組中滲透勢為-1.0 MPa時最終萌發率最低，為24.2%，而PEG處理組萌發率最高為67.7%，滲透勢為≤-0.8 MPa時，最終萌發率為0，即不萌發。滲透勢為-0.2 Mpa時，兩種脅迫均對最終萌發率沒有影響，與對照相比也沒有差異顯著性，而當滲透勢≤-0.4 MPa時處理組較對照組的最終萌發率有顯著降低，NaCl處理組降低了55%，PEG處理組則降低了21.67%，且PEG處理組最終萌發率降低幅度較大，與NaCl處理組相比有顯著差異性（P<0.05），即抑制作用明顯。在滲透勢≤-0.6 MPa和-0.4 MPa時抑制作用明顯，且干旱脅迫較鹽脅迫對種子萌發率的抑制作用更明顯。

圖1 NaCl和PEG脅迫對霸王種子最終萌發率的影響Fig.1 Effects of NaCl and PEGstress on the final germination rate of Z.xanthoxylon

對NaCl、PEG脅迫下未萌發的霸王種子進行復水萌發試驗，結果顯示種子均可在2～3 d內萌發，且恢復萌發率達80%～91.7%，即萌發率很高，說明在本試驗設置的NaCl、PEG脅迫溶液滲透勢范圍內對霸王種子活力的影響小。

2.2 NaCl、PEG脅迫對霸王種子逐日累積萌發率的影響

從種子萌發進程（圖2）來看，兩種脅迫處理下，隨著滲透勢的降低霸王種子逐日累積萌發率呈先升高后平緩的趨勢，并表現為隨滲透勢的降低而變化逐漸滯緩（圖2）。對照組的逐日累積萌發率前3天的累計萌發率上升最明顯，達到63.33%，在第13天達到最大累計萌發率，明顯均高于NaCl和PEG處理組。PEG處理組中滲透勢為-0.2 MPa時，在第12天達到最大萌發率76.67%；-0.4 MPa時，在第7天趨于30%，其余處理均小于10%；而-0.4和-0.6 MPa條件下則在第10天就達到最大萌發率而種子不再萌發。NaCl處理組的基本都在第12～13天達到最大累積萌發率，當滲透勢≤-0.6時，累積萌發率分別為44.17%、38.33%、24.17%。對NaCl、PEG處理相比較發現在等滲條件下，除-0.2 MPa外，其余梯度PEG對種子逐日萌發率的抑制程度較NaCl更明顯。

圖2 NaCl和PEG脅迫對霸王種子逐日萌發率的影響Fig.2 Effects of NaCl and PEGstress on daily germination rate of Z.xanthoxylon seeds

2.4 NaCl、PEG脅迫對霸王種子萌發速率的影響

在NaCl、PEG脅迫條件下，霸王種子的萌發速率隨滲透勢降低而減?。▓D3），對照組的萌發速率高于處理組的萌發速率。當滲透勢為-0.2 Mpa時，兩種脅迫與對照相比均無差異顯著性，即高滲透勢時不影響其萌發速率；當滲透勢≤-0.4 MPa時，NaCl和PEG處理的萌發速率與對照相比均有差異顯著性，且PEG組的萌發速率降低較NaCl組顯著（P<0.05）。NaCl處理下，滲透勢為-0.2至-1.0 Mpa時，其萌發速率分別為對照的96.9%降至5.16%；在PEG處理組，滲透勢為-0.2至-0.6 Mpa，其萌發速率為對照的83.98%降至7.9%；在≤-0.8 MPa時萌發速率為零，即霸王種子萌發的干旱脅迫臨界值。當滲透勢≤-0.4 MPa時，NaCl和PEG的抑制作用均明顯增強，而且PEG處理組的萌發速率均低于NaCl脅迫組，表明在等滲條件下，干旱脅迫比鹽脅迫對種子萌發速率的影響更明顯。

圖3 NaCl和PEG脅迫對霸王種子萌發速率的影響Fig.3 Effects of NaCl and PEGstress on germination rateof Z.xanthoxylon seeds

2.5 NaCl、PEG脅迫對霸王種子萌發指數的影響

隨著NaCl、PEG溶液滲透勢的降低，霸王種子萌發指數逐漸減?。▓D4），對照組萌發指數為1.56，高于處理組的萌發指數。在兩種脅迫處理下，滲透勢為-0.2 MPa時，與對照相比無差異顯著性，即對其萌發指數沒有影響。在PEG處理下，-0.2至-0.6 Mpa處理組的萌發指數較對照下降了68%至95.4%；當滲透勢≤-0.8 MPa時萌發指數為零。而NaCl處理組的萌發指數較對照下降了74.3%至96.4%。在等滲條件下，滲透勢低于-0.4 MPa時抑制作用均明顯增加，萌發指數急劇下降；且PEG處理組其萌發指數下降幅度明顯大于NaCl處理組，表明PEG對種子萌發指數影響更明顯。

圖4 NaCl和PEG脅迫下霸王種子萌發指數的變化Fig.4 Effects of NaCl and PEGstresson germination index of Z.xanthoxylon seeds

2.5 霸王種子耐鹽、旱檢測

相對鹽害率和抗旱指數可反映種子的耐鹽性和抗旱性。隨著NaCl、PEG滲透勢降低，霸王種子的相對鹽害率逐漸增加而抗旱指數逐漸降低（圖5）。在NaCl脅迫時，滲透勢為≤-0.2 MPa時，NaCl對霸王種子的沒有鹽害，后隨滲透勢降低，種子的相對鹽害率呈逐漸上升趨勢，種子的鹽害率與對照相比有顯著性差異（P<0.05）。在PEG處理組，當滲透勢≤-0.2 MPa時霸王的抗旱指數驟然下降為88.33%，當滲透勢為≤-0.4 MPa時，種子的抗旱指數與對照相比出現顯著性差異（P<0.05），說明在該滲透勢的干旱脅迫明顯抑制了種子萌發能力，當滲透勢≤-0.8 MPa時霸王的抗旱指數均為零，種子失去萌發能力。

圖5 霸王種子的相對鹽害率和抗旱指數Fig.5 Rate of salt injury and index of drought resistance on seed of Z.xanthoxylon

3 討論

種子萌發階段是進行植物抗性研究的重要時期，也是植物生活史的敏感階段，而種子的耐鹽、旱能力直接影響到種子萌發率［31］。通過NaCl和PEG溶液脅迫霸王種子萌發，發現鹽和干旱條件對霸王種子萌發均有一定抑制作用，且隨著滲透勢降低其抑制作用更劇烈。在等滲條件下，干旱脅迫下種子萌發率和萌發速率，萌發指數等均低于鹽脅迫，即PEG比NaCl對霸王種子萌發的抑制作用更明顯，因此干旱是影響霸王種子萌發的主要脅迫因子，其次是鹽。霸王種子的復萌率均較高，說明種子在脅迫條件下仍保持活力。

在NaCl脅迫時，霸王種子的萌發率、萌發速率，萌發指數等隨滲透勢的降低而下降，在高滲透勢時鹽溶液對種子萌發的影響較小。這與濱藜屬［32］、裸果木［33］所報道的結果一致，而低滲透勢時則明顯抑制了霸王種子萌發，短毛檉柳［34］、鈴鐺刺和疏葉駱駝刺［35］亦是如此，其中疏葉駱駝刺的萌發率呈現先增加后下降的趨勢而與霸王不同，即低鹽高滲透勢時促進植物種子萌發。在PEG脅迫下，霸王種子的萌發率、萌發指數、抗旱指數隨PEG滲透勢的降低而下降，干旱脅迫的臨界值為-0.8 MPa。對霸王種子的萌發抑制作用隨干旱脅迫的加劇而增強。輕度干旱脅迫能促進紅砂、駝絨藜和堿蓬［36］、脹果甘草［37］種子的萌發，而對霸王并沒有起到促進作用，這與鹽生草［38］、蒙古黃芪和扁莖黃芪［39］、醉馬草［40］的結果一致。鹽、旱脅迫的研究中，霸王，鹽穗木［41］，紫葉小檗［42］，沙地云杉和青海云杉［43］等都認為干旱脅迫比鹽脅迫抑制作用更明顯。霸王種子的復水萌發率高說明霸王在萌發階段對鹽、旱有較好的適應性，這與花花柴［44］、無葉假木賊［45］的研究結果一致。鹽穗木的鹽復水試驗發現最終萌發率隨PEG濃度的增加而降低，而本試驗中霸王種子均獲得較高復水萌發率，說明霸王種子的耐旱性比鹽穗木強。植物在相同環境下植物對鹽脅迫的耐受程度不同，萌發期對鹽的適應策略不同，對于干旱地區的土著物種，對鹽、干旱有著不同的適應性也是長期進化和適應的結果。

綜上所述，鹽旱是影響霸王種子的重要限制性生態環境因子，等滲NaCl和PEG溶液脅迫下，霸王種子具有良好的適應性，對鹽，旱一定的抗性，且干旱是制約霸王種子萌發的重要因素之一。根據野外觀察霸王結實率和結實量均比較高，而實生苗卻非常少見，水分可能是制約霸王種群數量和更替的一個重要因素，這仍有待進一步研究。