5種荒漠植物種子萌發與生長抗旱性比較

潘平新，馬彥軍，任小燕，杜雨，柳迪

(甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

干旱作為威脅人類生存與發展的最大環境壓力之一，已經越來越受到人們的重視.我國干旱半干旱區主要分布在西北地區，約占全國總土地面積的1/2[1].由于蒸發量大、降水量少，干旱成了影響植物生長、分布的主要因素之一[2-3].近年來研究發現，種植荒漠抗旱植物是改善生態環境、節約有限水資源和防沙治沙的一種有效途徑[4-5].

干旱脅迫會降低種子的萌發率、延緩種子的發芽高峰期、阻礙幼苗的生長發育，為了適應干旱脅迫，種子在萌發過程中需要與環境相互協調，通過自身的細胞代謝、增加保護酶和滲透調節物質等一系列反應來適應水分脅迫等逆境[6-7].通常采用PEG模擬干旱脅迫的方法，通過測定種子發芽率、發芽勢、活力指數、發芽指數等指標來評價荒漠植物的抗性[8-12].

本研究選擇甘肅省民勤縣戈壁灘的5種荒漠植物：沙打旺(Astragalusadsurgens)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)、光果甘草(Glycyrrhizauralensis)為材料.在氣候干旱的民勤戈壁灘，由于荒漠植物分布十分廣泛，它們是良好的固沙植物，因而對于抗旱性強的植物的選擇尤為重要[13-14].目前，國內學者對于荒漠植物種子萌發研究的報道較多.張勇等[15]研究表明，雨量大小、分布，降水次數及土壤濕度是決定荒漠植物種子萌發的重要生態因子；溫度影響種子的萌發，變溫促進萌發；部分荒漠植物種子的萌發需要光照，有些要在暗中萌發，有些則對光無特異的需求；沙埋深度可調節光照、土壤濕度和土壤溫度，從而調節種子萌發.楊景寧等[16]研究表明，在4種荒漠植物種子中，梭梭(Haloxylonammodendron)種子萌發的抗旱性最強，而堿蓬(Suaedaglauca)的抗旱性最弱.賀慧等[17]研究表明，5種荒漠植物種子在萌發過程中吸水量有顯著性的差異；荒漠錦雞兒(Caraganaroborovskyi)、多裂駱駝蓬(Peganummultisectum)等同種植物不同產地的種子的吸水量也存在顯著性差異；吸脹過程中5種植物種子的千粒質量與吸脹時間呈正相關，與吸水速率呈負相關.

由此可見，有關這5種荒漠植物種子萌發對干旱脅迫響應的綜合比較研究還比較少，而在同一研究水平下，比較這5種荒漠植物種子的抗旱性強弱研究則未見報道.本研究從生理生態學的角度系統比較了5種荒漠植物種子萌發對干旱脅迫(PEG)的響應，以期促進我國荒漠植物種子的抗逆性研究，為開發利用荒漠植物種質資源和進行植被的恢復與重建提供參考和借鑒.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

于2018年8月在甘肅省民勤縣西渠鎮戈壁灘(E 103°32′，N 38°54′，海拔1 309 m)收集沙打旺、脹果甘草、光果甘草、檸條錦雞兒和苦豆子這5種荒漠植物種子.千粒質量依次為1.43、10.63、6.32、40.55、20.74 g，其中檸條錦雞兒的千粒質量最大為40.55 g，沙打旺的千粒質量最小1.43 g；硬實率依次為2%、21%、56%、5%、78%，其中苦豆子的硬實率最大為78%，沙打旺的硬實率最小為2%.

1.2 試驗方法

1.2.1 種子處理 參照《國際種子檢驗規程》[18-19]，試驗前將種子先浸泡24 h，然后選擇吸脹飽滿的種子，再使用500 mg/L 84消毒液消毒30 min，之后用無菌水清洗3次，用濾紙吸干備用.

1.2.2 試驗方法 本試驗利用不同體積分數的PEG溶液對5種荒漠植物做處理，即0(CK)、5%、10%、15%、20%，每種植物設5個不同處理，每個處理設3次重復，每次重復30粒種子，發芽期為7 d.將3次重復中有第1粒種子萌發作為該處理發芽的開始，連續3 d無種子發芽作為發芽的結束[18].事先將蛭石清洗干凈，用高壓滅菌鍋滅菌，然后在干燥箱烘干，平鋪在發芽盒內，厚3 cm.用等量的不同體積分數的PEG溶液將蛭石澆透作為苗床，以蒸餾水處理的蛭石苗床為對照(CK).將種子均勻地條播在發芽盒里，覆蛭石0.5 cm.然后放入25 ℃，濕度75%，光照/黑夜時間為12 h/12 h的人工氣候箱中培養發芽.每天定時觀察并記錄種子的發芽情況.

1.3 測定指標

測量并計算種子的發芽率(Germination rate，GR)、發芽勢(Germination energy，GE)、發芽指數(Germination index，GI)、活力指數(Vitality index，VI)、根莖比(Root-Stem ratio，RSR)、根長、莖長(直尺測量)、鮮質量(用萬分之一電子天平稱質量)、干質量(采用烘干稱質量法[20])、含水量(GW)10個指標.

發芽率(%)=發芽種子數/供試種子數×100%[21]

發芽勢=前3天種子萌發數/種子總數×100%

發芽指數=∑Gt/Dt

(∑Gt指t時間內的發芽總數，Dt指發芽天數)

活力指數 =GI×S(GI為發芽指數，S為幼苗鮮質量)

根莖比=根長/莖長[22]

含水量=(鮮質量-干質量)/鮮質量×100%

1.4 抗旱性綜合評價方法

采用隸屬函數法對5種荒漠植物的抗旱性進行綜合評價.隸屬函數值X(u)如下式：

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：X為所有荒漠植物某一指標測定值的均值，Xmin、Xmax為所有荒漠植物某一指標均值的最小值和最大值.如果某一指標與抗性指標呈負相關，則可通過反隸屬函數計算其抗旱性隸屬函數值X(v)：

X(v)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

最后，再將每種荒漠植物各個指標的隸屬值累加求其平均值.根據平均隸屬函數值大小確定抗旱性強弱并進行排序，平均值越大，抗旱性越強[23].

1.5 數據分析

2 結果與分析

2.1 PEG脅迫對種子發芽率、發芽勢的影響

由圖1可知，PEG模擬干旱脅迫對不同荒漠植物種子發芽率、發芽勢的影響不同，隨著脅迫程度的加劇，種子的發芽速率受到影響，發芽率、發芽勢受到嚴重抑制，尤其15%和20% PEG處理下，5種荒漠植物的發芽率、發芽勢均與CK相比差異顯著(P<0.05).在5% PEG處理時，5種荒漠植物的發芽率、發芽勢達最大，且與CK相比差異不顯著(P>0.05).超過5%PEG處理后，發芽率、發芽勢開始呈下降趨勢，這可能是低體積分數的PEG促進種子萌發，高體積分數PEG抑制種子萌發.在20%PEG處理下，沙打旺、脹果甘草、光果甘草、檸條錦雞兒、苦豆子5種荒漠植物的發芽率、發芽勢與其在5%處理下相比分別下降了76.46%、16.67%、40.00%、40.61%、74.99%；71.23%、31.03%、43.33%、51.40%、83.13%；隨著PEG體積分數的增大，脹果甘草、光果甘草的發芽率、發芽勢均在60%以上，明顯高于其他幾種荒漠植物的發芽率、發芽勢.從發芽率、發芽勢角度來看，脹果甘草、光果甘草的種子都具有較高的萌發力，說明脹果甘草、光果甘草的耐旱程度最好.

同一指標不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05).

2.2 PEG脅迫對種子發芽指數、活力指數的影響

由表1可知，在5%PEG處理下，除脹果甘草、光果甘草的活力指數與CK差異顯著(P<0.05)外，沙打旺、脹果甘草、光果甘草、檸條錦雞兒的發芽指數、活力指數與CK差異不顯著(P>0.05).在未脅迫的情況下，光果甘草發芽指數、活力指數分別為0.98、12.27，種子質量最好，其次是脹果甘草，發芽指數、活力指數分別為0.97、8.80，種子質量最差的是苦豆子，其發芽指數、活力指數分別為0.23、1.53；當5% PEG處理時，檸條錦雞兒、苦豆子的發芽指數、活力指數與CK相比呈現出上升的趨勢；在PEG體積分數超過5%后，隨著干旱脅迫的加重，5種荒漠植物的發芽指數、活力指數均呈現出下降的趨勢；沙打旺的發芽指數、活力指數在20%PEG處理時下降為0.00、0.50，較CK下降了100%、65.99%，表明沙打旺的發芽能力和活力與其他荒漠植物相比較差.

表1 PEG脅迫對5種荒漠植物種子發芽指數、活力指數的影響

2.3 PEG脅迫對幼苗根長、莖長和根莖比的影響

由表2可知，5種荒漠植物各處理之間根長、莖長以及根莖比呈現出不同的差異性.在5% PEG處理時，除檸條錦雞兒的莖長，苦豆子的根長、莖長與CK差異顯著(P<0.05)外，其余均與CK差異不顯著(P>0.05).在CK和5%PEG處理下，苦豆子和檸條錦雞兒的根長、莖長生長最好，分別為15.57、18.07 cm；10.10、10.23 cm；14.27、12.30 cm；8.37、6.60 cm；其余幾種荒漠植物在干旱脅迫剛開始時(5%)根長、莖長高于CK，說明低體積分數的PEG溶液可以促進這些荒漠植物根長、莖長的生長.當15% PEG處理時，大多數荒漠植物的根長、莖長以及根莖比與各自的CK相比都有下降，而當20% PEG處理時，苦豆子、光果甘草根長、莖長明顯高于各自15%PEG處理下的根長、莖長，表現出較強的抗旱性.

表2 PEG脅迫對5種荒漠植物幼苗根長、莖長和根莖比的影響

2.4 PEG脅迫對幼苗鮮質量、干質量和含水量的影響

由表3可知，隨著PEG脅迫加劇，沙打旺、脹果甘草、光果甘草、檸條錦雞兒、苦豆子的鮮質量、干質量呈下降趨勢，而含水量呈先上升后下降的趨勢.當5%PEG處理時，5種荒漠植物的含水量達到最大，由大到小依次為沙打旺(86.37%)、脹果甘草(85.46%)、光果甘草(84.07%)、檸條錦雞兒(62.15%)、苦豆子(74.65%)；沙打旺的鮮質量，光果甘草、苦豆子的鮮質量、干質量與CK相比差異顯著(P<0.05)；脹果甘草、檸條錦雞兒的鮮質量、干質量、含水量與CK差異不顯著(P>0.05).在PEG體積分數為20%時，苦豆子的鮮質量、含水量分別為52.64 mg，66.61%，較15% PEG處理干質量、含水量高8.75 mg,1.25%.說明在較高體積分數PEG下，苦豆子幼苗對其干旱環境具有較強的適應能力.

表3 PEG脅迫對5種荒漠植物幼苗鮮質量、干質量和含水量的影響

2.5 5種荒漠植物抗旱性綜合評價

利用隸屬函數對5種荒漠植物的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、根長、莖長、根莖比、鮮質量、干質量以及含水量進行綜合評價，得到5種荒漠植物的抗旱性見表4.根據隸屬函數的平均值進行排序，得出5種荒漠植物的抗旱性強弱依次為脹果甘草>光果甘草>沙打旺>苦豆子>檸條錦雞兒.

表4 5種荒漠植物耐旱指標隸屬函數值及耐旱性綜合評價

3 討論

種子萌發主要由植物自身因素和外界環境所決定，在干旱環境中植物能否生存，最重要取決于種子的發芽能力和活力大小[24].而發芽率代表種子的發芽力，發芽勢、發芽指數代表種子的活力，是種子在萌發和幼苗時期活性強度的綜合評價[25].有研究表明，低濃度的 PEG 溶液可以促進種子萌發，如劉長利、馬海鴿等[26-27]研究發現，低濃度的 PEG脅迫可促進甘草種子的萌發；王彥榮以及孫建華等[28-29]研究發現，較高滲透勢的 PEG可以提高沙打旺種子的萌發；曾怡[30]在對禾本科的垂穗披堿草(Elymusnutans)和老芒麥(Elymussibiricus)研究發現，5%的 PEG 溶液對二者的主根長均有不同程度的促進作用；梁國玲等[31]在對禾本科羊茅屬和肖亮等[32]對禾本科芒草的研究中均發現5% PEG可以促進材料胚根生長；孫清洋[33]研究了9個來自不同地區的禾本科老芒麥，發現其中有4種老芒麥的胚根長在低濃度 PEG下呈現出增加的趨勢，其余5種老芒麥的胚根長則隨著PEG 濃度升高呈現下降趨勢.本研究發現，5%的PEG 溶液對于草本植物種子的萌發具有一定的促進作用，尤其是對于脹果甘草、光果甘草的發芽率、發芽勢，苦豆子根長、莖長的生長具有明顯的促進作用，這些結果與上述研究者的結果基本一致，這表明低體積分數的PEG溶液對上述種子有較好的引發作用，可以增強種子的活性.當然，低體積分數的PEG溶液是否對種子萌發具有促進作用，也可能與植物種類或植物受干旱脅迫的敏感性有關[34].

植物抗旱性受多種外界因素的影響，不同植物種子對同一指標的抗旱性反應也不一定相同[35].而對于抗旱性評價的指標也有很多種，根據不同的研究目的可以選擇合適的研究指標，關于荒漠植物萌發期抗旱指標選擇，前人已做了大量研究，而本試驗選擇的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數、根長、莖長等多個指標，均有研究者做了相應研究[33,36]，這些指標與出苗率、成苗率都有密切聯系，而成苗率是反映幼苗期抗旱能力的主要指標.5種荒漠植物在不同指標下的抗旱性強弱并不完全一致，因為種子的抗旱性受多個因素的共同作用，僅用單一的指標難以準確地反映抗旱性的強弱，所以必須運用多個指標進行綜合性評價[37-38]，因此隸屬函數法被廣泛應用于抗旱性評價[39-43].本研究發現5種荒漠植物在萌發期脹果甘草的抗旱性最強，其次是光果甘草，而檸條錦雞兒的抗旱性最弱.司馬義·巴拉提等[44]在對甘草、苦豆子等8種牧草萌發期抗旱性研究中發現，甘草的抗旱性強于苦豆子，這與本研究中荒漠植物的抗旱性順序一致.王亞楠等[45]在PEG-6000模擬干旱脅迫下10種草本植物萌發期抗旱性比較發現，苦豆子的抗旱性強于沙打旺，這與本試驗結果中荒漠植物的抗旱性順序有所不同，這可能是因為種子萌發期的抗旱性與種子本身的特性與生理狀況有關，因此脹果甘草、光果甘草是否在苗期乃至全生育期也具有較強的抗旱性還需進一步的研究.

4 結論

本研究利用隸屬函數對5種不同的荒漠植物進行綜合評價，其萌發期抗旱性表現為脹果甘草>光果甘草>沙打旺>苦豆子>檸條錦雞兒.但是植物在萌發期的抗旱性與其后期生長表現的抗旱性可能并不完全一致，因此在萌發期表現出抗旱性強的豆科植物，是否在后期的生長發育中表現出強的抗旱性，還需進一步研究.