水分胁迫对豌豆种子萌发和幼苗生长发育的影响

郑敏娜，李荫藩，梁秀芝，薛龙飞，张小娟

（山西省农业科学院高寒区作物研究所，山西大同037008）

水资源短缺是影响农业可持续发展的主要限制因子[1]。目前，我国52.5%的豌豆生产区为山区或干旱、半干旱地区，干旱成为限制豌豆生产的主要因素[2]，并且有日益扩大的趋势。在农业生产中，农作物种子萌发和幼苗生长状况是由其内在遗传因素和外界环境条件共同决定的[3]。环境条件中，水分成为主要限制因素。山仑等[4]对旱地农业的研究表明，干旱造成的种子成苗困难及缺苗断垄现象，是影响农业生产的主要因素之一。

豌豆（Pisum sativum）是世界上第4大食用豆类作物[5]。近几年来，随着国内外市场的拉动，豌豆价格一路飙升，其种植面积日益扩大[6]。在我国，52.5%的豌豆生产区为山区或干旱、半干旱地区，水分成为限制豌豆生产、降低豌豆产量的主要因素[7]。众多学者从盐分、重金属、热胁迫、产量等角度对豌豆种子的萌发特性和能力进行了研究[8-11]，但豌豆种子萌发障碍问题至今仍未完整定论，从水分生理生态学角度开展的研究也相对较少，豌豆萌发对环境最低水分需求亦鲜有报道。

本试验利用PEG溶液模拟种子萌发环境，研究不同水分条件对豌豆种子萌发及幼苗生长发育的影响，旨在探讨豌豆出苗困难的生理生态机制以及豌豆的生态适应性和对干旱胁迫的忍耐能力，以期为快速合理地解决豌豆生产中成苗困难、耐旱品种选育及推广可行性等提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为协豌一号豌豆，由山西省农科院高寒区作物研究所提供。

1.2 试验处理

2011年6月6日开始采用纸上培养法，在种子萌发箱中进行种子发芽试验。选取大小一致的协豌一号种子，用75%乙醇溶液消毒2 min后摆放在铺有双层滤纸的培养皿中，每皿50粒。处理液是渗透势分别为-0.15，-0.30，-0.50 MPa的PEG-6000（聚乙二醇）溶液，每个处理3次重复，以蒸馏水培养为对照。准确量取各处理液10 mL，分别加入到直径均为150 mm、放有种子的培养皿内，然后在25℃恒温培养箱中暗处萌发，待到种子萌动后，转移至昼夜光/暗时间为16/8 h、室温25℃条件下继续培养8 d。每隔2 d更换1次滤纸，以减少水势变动。试验期间连续记录种子萌发数（以种子露白为标志），第8天统计发芽率，并于吸水后 0，8，24，36，48 h 取样测定种子含水量，试验结束时测定胚芽和胚根的长度及种苗鲜质量。

1.3 测定指标与方法

发芽率（GP）＝发芽天数内种子的发芽个数/供试种子数×100%；

种子含水量（WC）＝（种子鲜质量－种子干质量）/种子干质量×100%；

萌发指数（GI）＝∑（Gt/Dt）。其中，Gt为试验天数内种子萌发数，Dt为相对发芽天数；

活力指数（VI）＝∑（Gt/Dt）×Sx。其中，Sx为第8天的胚芽长度＋胚根长度；

根芽比（R/P）＝胚根长度/胚芽长度；

萌发胁迫指数（GSI）＝PIS/PIC。其中，PIS为水分胁迫下种子发芽指数；PIC为对照种子发芽指数。

种子发芽指数（PI）＝（1.00）nd2＋（0.75）nd4＋（0.50）nd6＋（0.25）nd8。其中，nd2，nd4，nd6，nd8分别为第 2，4，6，8 天的种子发芽率[12]；

贮藏物质运转率（TR）＝（芽干质量＋根干质量）/（芽干质量＋根干质量＋籽粒干质量）×100%。

1.4 数据处理

数据采用SPSS18.0统计软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对种子发芽过程的影响

试验结果表明，随着干旱胁迫的加剧，4种PEG溶液处理下的豌豆种子发芽率有所不同（图1）。对照在萌发试验的第2天就有大量种子萌发，第6天时达最大萌发数，以后则呈现平缓稳定。-0.15，-0.30 MPa处理在第3天开始萌发，二者的萌发趋势一致，在第8天时达到最大萌发数，二者之间差异不显著（P＞0.05）。当渗透势降至-0.50 MPa时，种子发芽率明显降低，第7天时，发芽率较对照低78%；在第8天时，萌发数迅速增大，使发芽率达到67%，但发芽势很弱，可能是此时种子吸收的水分才足以使其萌发，但水分胁迫改变了豌豆种子自身的发芽潜力，抑制了其快速发芽。同时试验结果还表明，水分胁迫对豌豆种子萌发速度存在剂量效应，表现为CK与-0.15，-0.30 MPa处理差异不显著（P＞0.05），与-0.50 MPa处理差异显著（P＜0.05）。

2.2 水分胁迫对种子水分吸收能力的影响

种子的含水量变化与种子的正常发育密切相关。种子含水量的高低决定了种子内原生质体的状态及生理活动，种子的吸水作用则会引起种子吸水量在短时间内迅速增加，有利于种子生理代谢活动的进行，同时也有助于后期种子萌发。试验结果表明，在整个吸水过程中，豌豆种子呈现先快速增长后趋于平稳的变化趋势。分析协豌一号种子含水量（WC）的变化（图2）可知，经PEG胁迫处理后，相同吸水时间内种子的含水量均明显低于对照，且随着萌发环境水势的降低，含水量亦表现为下降趋势。当渗透势降至-0.50 MPa时，其种子的含水量高于渗透势-0.30 MPa含水量，但未达到显著水平（P＞0.05）。结合2.1认为，PEG胁迫处理后，种子活力的降低主要源于水分亏缺带来的种子水分吸收能力的减弱。

2.3 水分胁迫对发芽率、萌发指数及萌发胁迫指数的影响

试验结果（表1）表明，PEG胁迫处理对豌豆种子的萌发具有一定的延缓作用，即水分胁迫可抑制种子萌发；且随着水分胁迫强度的增加，豌豆种子的发芽率（GP）降低。同时，豌豆种子GP的下降带来了萌发指数（GI）和萌发胁迫指数（GSI）的降低（表1）。GI在处理第8天，-0.15 MPa水势下，豌豆种子的GI比对照下降了17.66；－0.50 MPa水势下，则比对照下降了33.89；各处理之间表现为差异显著（P＜0.05）。与对照相比，环境水势从－0.15 MPa下降到－0.50 MPa，豌豆种子的GSI分别下降了0.93，1.13和1.80。可以说明，水分胁迫导致了豌豆种子萌发数量的减少、萌发速率的降低以及种子萌发活力的下降，且随着环境胁迫的加剧，种子萌发能力受到的影响程度逐渐加大。

表1 水分胁迫对豌豆种子发芽率、萌发指数和萌发胁迫指数的影响

2.4 水分胁迫对根芽比及活力指数的影响

试验结果（表2）表明，PEG胁迫对豌豆幼苗茎叶和根系生长发育的作用一致，表现为水分胁迫处理后豌豆幼苗茎长和根长均呈递减趋势，均显著低于对照（P＜0.05）；当渗透势为－0.15，-0.30 MPa时，豌豆幼苗茎长和根长差异均不显著（P＞0.05），但与渗透势 -0.50 MPa相比，差异显著（P＜0.05），可能-0.50 MPa是豌豆幼苗生存的临界渗透势。随着渗透势的逐渐降低，根芽比（R/P）显著提高，且随着胁迫强度的增加而根芽比不断增大（表2）。由于种子萌发数量随胁迫强度的增大而逐渐减少，活力指数（VI）表现为随胁迫强度的增大而下降（表2），均与对照间差异显著（P＜0.05）。豌豆种子活力对PEG的响应存在剂量效应，高浓度处理下的种子活力均明显低于中等浓度的处理。说明，随着水分胁迫强度的增加，种子萌发速率逐渐降低，从而限制了种子的萌发数量，并带来了种子萌发活力的下降。

表2 水分胁迫对豌豆种苗根芽比和活力指数的影响（P＜0.05）

2.5 水分胁迫对幼苗鲜质量及贮藏物质运转率的影响

PEG胁迫对豌豆幼苗生物量的积累有明显抑制作用，表现为PEG胁迫处理后的豌豆幼苗生物量显著小于对照（P＜0.05）（表3），当渗透势从-0.15 MPa降至-0.50 MPa时，幼苗鲜质量与对照相比，分别降低25.0%，14.7%和19.1%，说明水分胁迫降低了豌豆幼苗初级生产力，但在这个梯度范围内不存在浓度剂量效应，表现为各个PEG处理之间的豌豆幼苗鲜质量间无明显差异。

贮藏物质运转率可以反映出种子对贮藏物质的运转效率。从表3可以看出，胁迫处理后贮藏物质运转率明显下降，且各个处理间差异显著（P＜0.05），在渗透势为-0.50 MPa时，下降最多，达到48.49%。综上可知，芽势弱、发芽慢、胚芽胚根的生长受到抑制，是水分胁迫影响种子萌发出苗的直观表现；贮藏物质运转效率降低，是水分胁迫影响萌芽期幼苗生长的主要原因。

表3 水分胁迫对豌豆种苗贮藏物质运转率的影响（P＜0.05）

3 讨论

作物产量的形成过程受多种环境因素的制约，尤其是在幼苗阶段，环境因素对其影响的作用更加显著。刚萌发的幼苗不像成年个体那样能够经受各种不利的环境因子，因此，幼苗阶段的生长发育、存活、分布和生长动态更容易受到水分和光照等诸多生态因素及其相互作用的影响[13]，比成年个体对环境因子更敏感，是作物生活史中最为敏感的时期。

PEG是一种高分子渗透剂，其最大特点是本身不能穿越细胞壁进入细胞质，因而不会引起质壁分离，使植物组织和细胞处于类似于干旱的水分胁迫之中[14]。大量研究表明，利用PEG-6000模拟干旱水分胁迫来鉴定不同植物的抗旱性是一种比较可靠的方法[15-18]。本研究利用PEG-6000模拟干旱胁迫对豌豆种子萌发的差异性来反映它们的耐旱限度。结果表明，豌豆种子总萌发率、幼苗鲜质量、抗旱指数基本上都是随着胁迫程度的加剧，呈现下降趋势。豌豆种子在0～-0.30 MPa渗透势范围内的干旱胁迫下均可萌发，当渗透势降至-0.50 MPa时，发芽率为67.33%，较对照降低32.67百分点（表1），且生长势（发芽进程）明显减弱。

种子萌发试验受种子自身的生物特征影响很大。成熟干燥的种子含水量很低，原生质呈凝胶状态，种子内的生理活动极为微弱，因此，种子含水量越大，越有利于种子在水分匮乏的环境下顺利萌发生长[17]。特别是在干旱的黄土高原，由于此地区土壤水分含量很低，较高的种子含水量可以确保自身相对于其他植物而言更早萌发，从而提高竞争适应能力。此外，种子的萌发是从吸水开始的，种子吸胀吸水的速率以及种子吸水量的大小可以反映种子的萌发能力[19]。

种子萌发后幼苗的胚根和胚芽的生长、幼苗鲜质量主要受种子质量大小的影响。种子越大，其对应的种子内胚乳丰富，内含物多，有助于植物体的生长。而胚根越长，越有利于幼苗在干旱的环境下吸收水分。郭彦军等[20]研究指出，当PEG浓度达到15%时（环境水势约-0.30 MPa[21]），苜蓿发芽率已经受到了抑制，这与本试验结果基本一致，分析认为，水分胁迫通过限制苜蓿种子吸水而抑制了种子内萌发活性物质的生成、转化和运输（如淀粉水解生成可溶性糖）等，继而严重影响了苜蓿种子的萌发活力，并最终导致萌发速率和数量的下降。本试验结果同时还表明，R/P在经过PEG处理后显著提高，这与郭彦军等[20]的报道刚好相反，可能是PEG处理对不同品种的限制程度不同，即不同品种的耐旱能力及种子萌发所需水分条件不同的缘故。

综上所述，豌豆种子萌发时要求较高的需水量，水分胁迫通过限制豌豆种子有效水分的吸收而在一定程度上抑制其萌发，并使得其萌发能力随干旱胁迫强度的增加而下降，出苗过程对环境水分胁迫最为敏感，成苗阶段的耐旱能力最差。

[1]姚启伦，陈秘.干旱胁迫对玉米地方品种苗期植株形态的影响[J].河南农业科学，2010（2）：20-23.

[2]施积炎，袁小凤，丁贵杰.作物水分亏缺补偿与超补偿效应的研究现状[J].山地农业学报，2000，19（3）：226-233.

[3]Jevgenija N，Gederts I.Interacting influence of colds tratification treatment and osmotic potential on seed germination of Triglochin maritima L[J].Acta Universitatis Latviensis（Biology），2007，723：115-122.

[4]山仑，郭礼坤.逆境成苗生态生理研究I.春播禾谷类作物成苗期间的抗旱性及需水条件[J].作物学报，1984，10（4）：257.

[5]Rice E L.Allelopathy[M].2nd ed.NewYork：Aca Demic Press，1984：1-50，309-315.

[6]申建波，张福锁.根系分泌物的生态效应[J].中国农业科技导报，1999，2（4）：21-27.

[7]王延鹏.植物间他感作用研究概况 [J].山东林业科技，2008（3）：84-88.

[8]刘新星，罗俊杰.豌豆幼苗在盐胁迫下的生理生态响应[J].草业科学，2010，27（7）：88-93.

[9]杜兰芳，王立新，张艳，等.镧对镉胁迫下豌豆幼苗生长状况和生理特性的影响 [J].安徽农业科学，2007，35（22）：6716-6718.

[10]田学军，陶宏征，罗晶，等.热胁迫对豌豆下胚轴生理的一些影响[J].云南植物研究，2009，31（4）：363-368.

[11]席玲玲，闫志利，牛俊义，等.干旱胁迫对豌豆籽粒灌浆特征及产量的影响 [J].甘肃农业大学学报，2010，2（1）：31-36.

[12]李文娆，张岁岐，山仑.水分胁迫下紫花苜蓿和高粱种子萌发 特 性 及 幼 苗 耐 旱 性 [J].生 态 学 报 ，2009，29（6）：3066-3074.

[13]Sack L，Grubb P J，Maranón T.The functional morphology of juvenile plants tolerant of strong summer drought in shaded forest under stories in southern Spain [J].Plant Ecology，2003，168（1）：139-163.

[14]Atress S M，Foeke L C.Embryogeny of gymnosperms：advances in synthetic seed technology of conifers：Plant cell[J].Tissue and Organ Culture，1993，35（1）：1-35.

[15]刘杰，刘公社，齐冬梅，等.聚乙二醇处理对羊草种子萌发及活性氧代谢的影响[J].草业学报，2002，11（1）：59-64.

[16]余玲，王彦荣，孙建华.环境胁迫对布顿大麦种子萌发及种苗生长发育的影响[J].草业学报，2002，11（2）：79-84.

[17]杨鑫光，傅华，牛得草.干旱胁迫下幼苗期霸王的生理响应[J].草业学报，2007，16（5）：107-112.

[18]杨鹏辉，李贵全，郭丽，等.干旱胁迫对不同抗旱大豆品种质膜透性的影响[J].山西农业科学，2003，31（3）：23-26.

[19]秦文静，梁宗锁.四种豆科牧草萌发期对干旱胁迫的响应及抗旱性评价[J].草业学报，2010，19（4）：61-70.

[20]郭彦军，倪郁，吕俊，等.豆科牧草种子萌发特性与其抗旱性差异的研究[J].中国草地，2003，25（3）：25-28.

[21]Michel B E，Kaufmann M R.The osmotic potential of polyethyleneglycol 6000[J].Plant Physiology，1973，51：914-916.