芸豆种子萌发与生理特性对水分胁迫的响应

王明友，张 红，李士平

（德州学院 生态与园林建筑学院，山东 德州 253023）

芸豆种子萌发与生理特性对水分胁迫的响应

王明友，张 红，李士平

（德州学院 生态与园林建筑学院，山东 德州 253023）

为了探讨干旱胁迫对芸豆种子萌发的影响，采用浓度水平分别为5%、10%、15%、20%和25%的聚乙二醇(PEG-6000)溶液模拟进行干旱胁迫，研究胁迫对芸豆种子萌发和幼苗生理特性的影响。结果表明：同对照相比，种子的发芽进程、发芽率、发芽指数和活力指数在轻度胁迫时(5%)均无明显变化；但随着胁迫程度的加剧，萌发指标开始下降，且胁迫程度越大，降幅越大。同时，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性随着胁迫的增大而呈先上升后下降的趋势，SOD和CAT酶活性在15%浓度PEG处理时达最高值，而POD酶活性在10%浓度时最高；丙二醛含量的变化则呈逐渐递增趋势。

芸豆；水分胁迫；发芽指数；活力指数；保护酶；丙二醛

芸豆(Phaseolus vulgaris L.)属豆科菜豆属植物，在中国栽培历史悠久，分布非常广泛[1]。芸豆籽粒营养丰富，蛋白质含量可高达16.0%~30.8%；其荚壳、茎叶中的蛋白含量也较高，相比水稻和小麦等作物可高出1~15倍[2]，同时亦能提高人体的自身免疫力[3]。芸豆生育期短、适应性广，在优质高效型农业发展中具有举足轻重的作用[4]。环境胁迫是限制作物产量最重要的因素，其中干旱胁迫是一种主要的非生物胁迫，其引起的危害所导致的产量损失超过了其它胁迫的总和[5-6]。尤其在干旱、半干旱地区，由于干旱胁迫所造成的减产现象非常突出[7]。有研究表明，植物在干旱逆境条件下，体内组织细胞的代谢发生紊乱，活性氧大量积聚，膜系统受到损伤，生理代谢失调，而自由基的过量积累是造成伤害的重要原因之一[8]。种子萌发期是植物抗旱性研究的重要阶段，亦是种子植物整个生育期的关键时期[9]，这一时期既影响自身的播种质量，同时还影响下个阶段的良好生长与产量的最终形成。因此，对种子萌发期开展探索研究是植物耐旱性研究的一项重要课题。

聚乙二醇(PEG-6000)可作为一种胁迫剂模拟干旱胁迫环境，其本身分子不进入种子内，无毒性[10]，且容易调节控制，是一种较理想的试验材料。相关研究认为，在不同浓度的PEG-6000溶液条件下，随着PEG-6000浓度的增加，作物叶片的相对含水量下降，而细胞膜通透性增大，丙二醛(MDA)含量呈递增的趋势[11]，而超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化氢酶(CAT)与过氧化物酶(POD)活性都随 PEG-6000浓度的增加呈现出先上升后下降的变化趋势，且不同品种间差异明显[12]。也有研究发现，SOD活性会随PEG溶液浓度的增加而递减[13]。许多学者针对水稻、玉米、大豆、小麦等作物开展了萌发期指标的相应研究[14-17]，而关于芸豆种子萌发期的研究报道则较少。为此，本试验以德芸18为研究对象，利用不同浓度的 PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，通过测定种子的发芽进程、发芽率、发芽指数和活力指数等萌发指标及保护酶活性与MDA含量等生理生化指标，进而为芸豆耐旱机制的探讨与栽培及育种提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验设置在德州市九龙湾低碳生态农业循环经济产业园的温室大棚内(36°24′N、115°45′E)。试验所用聚乙二醇PEG-6000由北京键凯科技有限公司生产。

1.2 试验设计

挑选大小一致、完整无损的芸豆种子，先用10 g/L的HgCl2溶液进行消毒后，再用蒸馏水反复清洗3次，然后均匀铺放在体积分数为75%酒精消毒过的塑料培养盒(12 cm×12 cm×5 cm)中，分别加入10 mL浓度为5%、10%、15%、20%与25%的PEG-6000溶液于滤纸上模拟干旱，其中对照(CK)加入等量的蒸馏水，放于培养箱中光/暗分别12 h，温度25℃下发芽。通过前期研究表明，这相当于从轻度、中度到重度胁迫。每天向滤纸滴加数滴的PEG溶液，隔天换1次滤纸，以控制盒内 PEG浓度的稳定。每个处理重复5次，每重复6盒，每盒45粒。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 萌发指标的测定从种子置床日起开始观察，每天调查萌发数，计算累计发芽率，第7天结束试验，测胚根鲜质量，参照宋松泉[18]的方法来计算发芽指数、活力指数。具体计算公式如下：

（1）式中：M1为全部正常发芽粒数；M为供试种子总粒数。

种子发芽以胚根突破种皮为标准，发芽期间每天统计发芽数，共计7 d。

发芽指数(GI)：

（2）式中：Gt为t时间种子发芽数；Dt为相应发芽时间。

活力指数(VI)：

（3）式中：GI为发芽指数；S为胚根鲜质量。

1.3.2 生理指标的测定发芽结束时，取胚根，测定各项生理生化指标，其中CAT活性采用紫外吸收法测定，SOD活性采用愈创木酚法测定，POD活性采用愈创木酚法测定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[19]。

1.4 数据处理

采用 Excel 2013处理数据并制图，采用SAS软件进行方差分析和多重比较（LSD法，P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫与发芽进程

从图1可以看出，CK与5%浓度的PEG-6000处理在第2天均有发芽，而其它处理则在第3天仅有个别发芽，第4天才进入发芽期。CK、5%与10%处理在第4天进入发芽高峰期，其中发芽数分别占到总数的77.78%、73.33%与46.67%；15%与20%处理则在第5天进入高峰期，发芽数分别占到总数的37.78%、31.11%和26.67%，这表明15%和20%处理的种子活力较弱。通过对7 d后的总发芽数进行方差分析表明，5%处理与CK差异未达显著水平，而其它处理均明显低于CK。以上分析可知，在轻度干旱胁迫时，芸豆种子的发芽进程没有受到明显影响，但随着胁迫程度的增加，种子萌发所受抑制逐渐加重，发芽数显著减少。

2.2 水分胁迫与发芽率

从图2可以看出，随PEG浓度的逐渐增加，芸豆种子发芽率呈现出整体下降的变化趋势。方差分析可见，同CK相比，5%浓度处理的发芽率无显著性变化，而其它处理则显著降低。截止到发芽第7天时，10%、15%、20%与25%处理的总发芽率分别为CK的93.33%、86.67%、73.33%与55.56%。由此可知，随着干旱胁迫的增强，芸豆种子的发芽率所受的抑制程度越来越大，尤其在重度胁迫处理。

2.3 水分胁迫与发芽指数、活力指数

从图3、图4可以看出，在干旱胁迫下，随PEG溶液浓度的增加，芸豆种子的发芽指数、活力指数均呈递减的变化趋势。与CK相比，5%浓度处理变化较小，而其它处理则显著下降。数据分析可知，轻度胁迫条件下，芸豆种子的发芽指数与活力指数未受到明显抑制作用，但随着胁迫程度的增加，发芽指数与活力指数则显著下降。这表明芸豆种子对轻度干旱胁迫具有一定的耐受性，而过高的胁迫程度则对其产生明显抑制作用。

2.4 水分胁迫与保护酶活性

从图 5可以看出，随PEG-6000浓度的增大，保护酶活性均呈现出先上升后下降的变化趋势，即轻度干旱胁迫酶活性升高，而重度干旱胁迫酶活性则降低。这表明干旱胁迫程度的加重，使芸豆种子受到了一定的伤害。在10%浓度PEG处理时，POD酶活性达最大值；在15%浓度PEG时，SOD与CAT酶活性达最高值，此拐点可能是这个芸豆品种对PEG-6000的最大耐受浓度，也是该品种在干旱逆境胁迫下自身的最大调节能力。此后，SOD、CAT和POD酶活性均开始下降，究其原因可能是随干旱胁迫时间的延伸，引起活性氧的累积量超出了保护酶系统的清除上限，从而对抗氧化酶保护系统造成一定伤害，故导致酶活性的降低。方差分析显示，与CK相比，25%浓度PEG处理的SOD、CAT和POD酶活性无显著性变化，而其它处理则显著升高。

2.5 水分胁迫与MDA含量

PEG干旱胁迫对芸豆种子MDA含量的影响图6所示，可以看出，随干旱胁迫程度的加大，芸豆种子的MDA含量呈逐渐递增的变化趋势。同CK相比，5%浓度PEG处理的变化未达差异显著水平，而其它处理显著升高，且10%~25%浓度PEG处理之间的差异亦达显著水平。MDA含量越高，说明膜损伤越严重，抗旱性则越弱。数据分析显示，随干旱胁迫程度的增大，芸豆种子的膜脂过氧化作用加强，膜受到的损害程度加大。

3 讨论与结论

水分是作物生长发育关键的环境因子之一，适宜的水分条件能促进植株的生长，相反水分过少则对生长有抑制作用[6-7]。作物的耐旱性受到多种因素的综合调控，干旱胁迫对作物的不同生长发育阶段均能产生影响[20]。种子萌发期的生长情况既会影响出苗的质量，还能影响到植株的正常生长与发育。种子萌发期是探讨作物耐旱性的重要阶段，干旱胁迫能引起种子内一系列生理生化反应的滞后与破坏，进而影响种子的萌发，主要体现在发芽率、发芽指数和活力指数等方面[9]。本试验研究认为，当处于轻度干旱胁迫时，芸豆种子的萌发指标没有受到明显影响；而在中度特别是重度干旱胁迫时，萌发指标则受到了不同程度的抑制作用；随干旱胁迫程度的增大，芸豆种子受抑制的程度也在加大。当作物处在干旱逆境环境下会导致植物细胞内积聚大量的活性氧[8]。活性氧能损伤细胞膜，而作物能够通过增加或激活抗氧化保护酶来防御或减轻活性氧物质对细胞造成的伤害[16]。本试验发现，随着干旱胁迫程度的加大，SOD、CAT和POD活性呈先升后降的变化趋势。表明轻度胁迫激发了芸豆种子体内保护酶系统来做出保护性反应；但随胁迫程度的增加，保护酶活性在达到最高值后开始下降，可能是因为过多的活性氧或H2O2的累积，超过了保护酶系的上限，使原来的动态平衡被打破[8]。此外，本研究还表明，随着干旱强度的增加，芸豆种子的MDA含量表现出逐渐升高的趋势，其中在5%浓度PEG处理时，MDA含量的上升幅度较小，而在10%~25%浓度处理时，MDA含量的上升幅度较大，表明中度和重度胁迫对芸豆种子的细胞膜伤害较大，已经超出它的耐受阈值，引起作物代谢紊乱并发生了膜脂过氧化，大量离子外渗，故导致MDA累积较多。此外，本试验还发现，在干旱胁迫逆境下，单个指标之间的变化趋势不尽相同，比如保护酶活性和MDA含量的变化规律不完全一致，MDA含量呈单向升高的趋势，而保护酶活性的变化则为先上升后下降。由此可见，在试验研究中应采用多个指标进行综合评估作物的耐旱性能，减少单个指标引起的偏差，从而使得出的结论更为准确。

[1]曾玲玲,崔秀辉,李清泉,等.氮磷钾配施对芸豆产量的效应研究[J].黑龙江农业科学,2013(2):39-43.

[2]井大炜,王明友,张红,等.鸡粪对芸豆土壤有机碳氧化稳定性与碳库管理指数的影响[J].农业机械学报,2016,47(8): 192-200.

[3]贾德新,李士平,王风丹,等.蚯蚓粪对豇豆根际土壤生物学特征及微生物活性的影响[J].浙江农业学报,2016,28(2): 318-323.

[4]韩彦龙,晋凡生,郑普山,等.红芸豆养分限制因子及养分吸收、积累和分配特征研究[J].中国生态农业学报,2016, 24(7):902-909.

[5]井大炜,邢尚军,刘方春,等.保水剂施用方式对侧柏根际微生态环境的影响[J].农业机械学报,2016,47(5):146-154.

[6]刘方春,邢尚军,马海林,等.干旱生境中接种根际促生细菌对核桃根际土壤生物学特征的影响[J].应用生态学报, 2014,25(5):1475-1482.

[7]井大炜,邢尚军,刘方春,等.保水剂-尿素凝胶对侧柏裸根苗细根生长和氮素利用率的影响[J].应用生态学报,2016, 27(4):1046-1052.

[8]井大炜,邢尚军,杜振宇,等.干旱胁迫对杨树幼苗生长光合特性及活性氧代谢的影响[J].应用生态学报,2013,24(7): 1809-1816.

[9]王景伟,金喜军,杜文言,等.干旱胁迫对芸豆种子萌发及生理特性的影响[J].干旱区研究,2014,31(4):734-738.

[10]Mehra V,Tripathi J,Powell A A.Aerated hydration treatment improves the response of Brassica juncea and Brassica campestris seeds to stress during germination[J].Seed Science and Technology,2003,31:57-70.

[11]李永生,方永丰,李玥,等.外源硫化氢对PEG模拟干旱胁迫下玉米种子萌发及幼苗生长的影响[J].核农学报,2016, 30(4):813-821.

[12]丁国华,马殿荣,杨光,等.耐旱杂草稻幼苗光合系统对干旱胁迫的响应[J].生态学报,2016,36(1):226-234.

[13]陈征,许嘉阳,范艺宽,等.不同烤烟品种幼苗形态结构及光合参数对干旱胁迫响应机制的差异[J].中国生态农业学报,2016,24(11):1508-1520.

[14]丁国华,马殿荣,杨光,等.耐旱杂草稻幼苗光合系统对干旱胁迫的响应[J].生态学报,2016,36(1):226-234．

[15]熊炳霖,王鑫月,陈道钳,等.苗期玉米叶片碳氮平衡与干旱诱导的叶片衰老之关系[J].西北植物学报,2016,36(3): 534-541.

[16]高鑫宇,刘丽君,刘博,等.PEG模拟干旱对大豆抗氧化酶活性及抗氧化能力的影响[J].大豆科学,2016,35(4): 616-619.

[17]孟健男,于晶,苍晶,等.PEG胁迫对两种冬小麦苗期抗旱生理特性的影响[J].东北农业大学学报,2011,42(1):40-44.

[18]宋松泉.种子生物学研究指南[M].北京:科学出版社,2005:57.

[19]李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:高等教育出版社,2000.

[20]刘方春,邢尚军,马海林,等.根际促生细菌(PGPR)对冬枣根际土壤微生物数量及细菌多样性影响[J].林业科学, 2013,49(8):75-80.

Response of Germination and Physiological Characteristics of Phaseolus vulgaris Seeds to Water Stress

WANG Ming-you,ZHANG Hong,LI Shi-ping

(School of Ecology and Garden Architecture,Dezhou College,Dezhou,Shandong 253023,China)

In order to explore the effects of drought stress on the germination of Phaseolus vulgaris seeds, a simulation experiment on drought stress by using 5%，10%，15%，20%and 25%polyethylene glycol solutions (PEG-6000)was carried out to determine the effects of drought stress on the germination and physiological indices of Phaseolus vulgaris seeds.The results indicated that the effects of light drought stress(5%)on the germination process,germination rate，germination index and vigor index of Phaseolus vulgaris seeds were not significant in comparison with the control,while these seed germination indexes were decreased along with the increase in drought stress,and the higher the drought stress,the most significant the decrease would be．At the same time,the activities of SOD,CAT and POD presented a variance tendency of increasing at first and then decreasing with the increase in the drought stress,and the maximum values of SOD and CAT activities occurred at 15%PEG,as well as that of POD at 10%PEG.Additionally,the MDA content appeared a trend of increasing gradually.

Phaseolus vulgaris;water stress;germination index;vigor index;protective enzyme;MDA

Q948.112+.3

A

2095-3704（2017）01-0066-05

10.3969/j.issn.2095-3704.2017.01.015

王明友,张红,李士平.芸豆种子萌发与生理特性对水分胁迫的响应[J].生物灾害科学,2017,40(1):66-70.

2016-12-02

山东省农业良种工程项目“德州特色豆类蔬菜品种资源的整理筛选与创新利用”（鲁科字（2013）207号）

王明友，教授，主要从事蔬菜高产生理生态方面的教学与研究工作，nwmy_sddz@163.com。