PEG胁迫对西伯利亚冰草种子萌发及幼苗生理特性的影响

， ，

(1.国家开放大学， 北京 100039； 2.中国林业科学研究院林业所， 北京 100091)

PEG胁迫对西伯利亚冰草种子萌发及幼苗生理特性的影响

赵利清1，2，彭向永2，孙振元2

(1.国家开放大学， 北京 100039； 2.中国林业科学研究院林业所， 北京 100091)

以PEG-6000模拟干旱胁迫，分析西伯利亚冰草种子发芽率、发芽势、胚根和胚芽长及三叶期幼苗相对电导率、丙二醛和游离脯氨酸含量的动态变化规律。结果表明: 1) 高渗透势PEG溶液(-0.2，-0.4 MPa)能够促进种子萌发，在-0.4 MPa时，发芽率和发芽势均达到峰值。2) 高渗透势PEG溶液(-0.2，-0.4，-0.6 MPa)对胚根伸长具有一定的促进作用，-0.4 MPa最大，但对胚芽表现出一定的抑制作用。3) 随着渗透势的降低，发芽率、发芽势、胚根长和胚芽长不断下降，胚根/胚芽的比值持续上升。4) 3叶期幼苗相对电导率、丙二醛和脯氨酸含量随胁迫强度的增加，胁迫时间的延长持续增加，相对电导率、丙二醛含量除了-0.4 MPa，1 d处理外，其他处理均极显著(plt;0.01)高于对照，脯氨酸含量各处理均极显著(plt;0.01)高于对照，相对电导率、丙二醛和脯氨酸这3个指标均可作为抗旱性评价指标。

西伯利亚冰草； 干旱胁迫； 种子萌发； 幼苗； 生理特性

干旱和半干旱地区面积占全球陆地面积的三分之一，我国干旱和半干旱地区的面积约占国土面积的二分之一[1-2]。干旱胁迫是干旱和半干旱地区限制植物生长、发育的主要环境因子，研究抗旱性的方法较多，大多数都是在人工控制干旱或人工模拟干旱的条件下进行的[3]，其主要方法有室外盆栽控制水分，苗期室内水培或砂培采用PEG渗透胁迫等[4]。PEG(聚乙二醇)是环氧乙烷的缩合物，一种高分子的渗透调节物质，对细胞毒性小，能使植物组织和细胞处于类似干旱的水分胁迫之中[5]。PEG-6000处理植物种子和幼苗，起到干旱胁迫的作用，已经广泛应用到牧草、蔬菜、花卉、林木、农作物等的抗旱研究上[6-10]。

西伯利亚冰草(Agropyronsibiricum(Willd.) Beauv.),禾本科(Gramineae)冰草属(Agropyron)多年生草本植物。原产于西伯利亚西部、亚洲中部丘陵区及波浪式的沙土和荒漠地带，广泛分布在俄罗斯，我国的内蒙古锡林郭勒盟也有分布。东北、西北和华北有引种栽培。该草须根系，无根茎，疏丛型，耐寒，耐瘠，耐旱，在我国高寒干旱地区建立人工草地，改良天然草地具有广泛的利用前景，同时也可用于改良和绿化沙漠及荒原[11-12]。

目前，我国对西伯利亚冰草的研究报道不多，主要集中在遗传多样性上[13-14]。鲜见利用PEG胁迫处理西伯利亚冰草的抗旱性研究。本试验以PEG-6000胁迫西伯利亚冰草的种子和幼苗，测定发芽率、发芽势、胚根、胚芽和相对电导率等指标，分析了这些指标的动态变化规律，旨在为进一步阐明西伯利亚冰草耐旱机理提供资料，同时为西伯利亚冰草的优质高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

干燥成熟的西伯利亚冰草种子由内蒙古农业大学提供，千粒重为2.4 g。

1.2 PEG的配制方法

模拟干旱胁迫条件由聚乙二醇(PEG-6000)溶液产生，PEG-6000配置按照Michael和Kaufaman(1973)[15]方法进行，计算公式如下：Ψs=-(1.18×10-2)C-(1.18×10-4)C2+(2.67×10-4)CT+(8.39×10-7)C2T，式中，Ψs为溶液的渗透势(bar)，C为PEG-6000溶液的浓度(g/kg H2O)，T为溶液的温度(℃)，1 bar=0.1 MPa，溶液的渗透势设置0(ck蒸馏水)，-0.2，-0.4，-0.6，-0.8 MPa和-1.0 MPa 共6个水平。

1.3 种子萌发及处理

1.4 丙二醛、脯氨酸和相对电导率的测定

采用温室盆栽育苗，基质为营养土，将种子均匀撒在土壤表面，覆土0.5 cm，常规管理。待植株长到3叶期时，取出，用清水冲洗干净根系，叶片用湿毛巾擦净，植株根系浸在自来水中过渡24 h。放入0，-0.4，-0.8 MPa的Hoagland’s营养液中胁迫处理。分别于1，3 d和5 d进行取样测定生理指标，采样在早晨08：00时左右进行，试样均取自植株的同位叶片，每处理5株，重复3次。参考侯福林[17]的方法，用酸性茚三酮法测定游离脯氨酸含量、硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量，电导法测定细胞质膜透性。

1.5 数据处理

采用 Excel 2007软件进行数据处理，百分率数据分析之前先进行反正弦转换，应用SPSS 20.0对所有数据进行单因素方差分析 (One-way ANOVA)，采用 LSD 法检验其差异显著性。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对西伯利亚冰草种子发芽率、发芽势的影响

从表1可看出，发芽率和发芽势随着渗透势的降低呈现先增加后降低的趋势。发芽率在-0.2 MPa和-0.4 MPa渗透势条件下达到最高，比对照提高了6.42%，差异达到极显著(plt;0.01)。随后逐渐降低，在-0.6，-0.8 MPa和-1.0 MPa时分别低于对照13.25%、66.67%和73.13%，与对照差异极显著(plt;0.01)。发芽势在-0.4 MPa时达到最高，比对照提高了19.46%，随后随着渗透势的逐渐降低，发芽势逐渐下降，在-0.8 MPa和-1.0 MPa时，发芽势分别比对照降低了49.56%、69.92%，与对照差异极显著(plt;0.01)。

表1 干旱胁迫对发芽率和发芽势的影响

处理(MPa)发芽率(%)发芽势(%)083．00±3．61B37．67±4．51B-0．288．33±0．58A42．00±3．61AB-0．488．33±2．08A45．00±1．00A-0．672．00±1．73C36．00±1．73B-0．827．67±1．53D19．00±1．73C-1．022．30±1．15D11．33±1．53D

注:同列不同的大写字母表示存在极显著差异(plt;0.01)。下同。

2.2 干旱胁迫对西伯利亚冰草种子胚根、胚芽和胚根/胚芽的影响

下面以绵阳某220 kV变电站为例进行介绍，其他站点分析类似。该变电站的用户为某研究院，系统变电站的线路中包含1个220 kV变电站和2个110 kV站。其中，各边电压暂降监测点部署方案为系统侧安装数量为1台，用户侧安装数量为3台，无线模块数量为2个。

如表2所示，西伯利亚冰草种子的胚根长度随着渗透势降低呈先增加后减少的趋势，在-0.4 MPa渗透势条件下最长，达6.77 cm，比对照增加了37.88%，差异极显著(plt;0.01)。随后逐渐减少，在-0.8 MPa时，胚根长度开始比对照减少。在-1.0 MPa时，胚根长为4.33 cm，比对照减少了11.81%，差异极显著(plt;0.01)。胚芽长度随着渗透势降低持续减少，在0～-1.0 MPa期间，胚芽的长度是在7.77～1.31 cm范围内变化，在-1.0 MPa时，比对照减少83.14%。胚芽长度不断减少说明胚芽的伸长与干旱程度呈负相关，即干旱胁迫强度越大，胚芽长度越小。胚根/胚芽值随渗透势降低逐渐增大，在-1.0 MPa时，胚根/胚芽值为3.31，是对照的5.24倍，经方差分析，各处理胚根/胚芽值均显著高于对照(plt;0.01)，这表明PEG对胚芽的抑制明显大于对胚根的抑制。

表2 干旱胁迫对种子胚根、胚芽和胚根/胚芽的影响

处理(MPa)胚根长(cm)胚芽(cm)胚根/胚芽｀04．91±0．11C7．77±0．16A0．63±0．16F-0．25．97±0．14B7．23±0．14B0．83±0．14E-0．46．77±0．08A7．01±0．12C0．97±0．11D-0．65．92±0．14B5．67±0．15D1．04±0．28C-0．84．74±0．12E2．75±0．59E1．72±0．30B-1．04．33±0．16D1．31±0．67F3．31±0．21A

2.3 干旱胁迫对西伯利亚冰草幼苗叶片相对电导率的影响

在干旱胁迫下，原生质膜植物细胞由于脱水伤害引起质膜相对透性增大，细胞内部分电介质外渗，导致电导率增大[18]。表3显示，在1 d时，-0.4 MPa胁迫电导率变化不大，只比对照增加了0.07%，差异不显著,-0.8 MPa胁迫，电导率比对照增加了70.37%，差异极显著(plt;0.01)；胁迫3 d和5 d时，电导率均随着渗透势的降低而增加，与对照间形成极显著差异(plt;0.01)。分别用-0.4，-0.8 MPa PEG溶液胁迫1，3 d和5 d，含量随胁迫时间延长而增加，在胁迫5 d时，分别达到了45.29和71.80，相互间形成极显著差异(plt;0.01)。

表3 干旱胁迫对幼苗叶片相对电导率的影响(%)

处理(MPa)1d3d5d014．41±0．53aB14．41±0．27aC14．42±0．50aC-0．414．42±0．34cB26．09±2．07bB45．29±0．37aB-0．824．55±0．49cA50．84±1．62bA71．80±3．60aA

注:同行不同小写字母表示差异显著(plt;0.05)；同列不同大写字母表示差异极显著(plt;0.01)。下同。

2.4 干旱胁迫对西伯利亚冰草幼苗叶片丙二醛含量的影响

丙二醛含量的变化趋势与相对电导率的变化规律相似。由表4可知，在1 d时， -0.4 MPa胁迫丙二醛含量变化不大，与对照差异不显著，-0.8 MPa胁迫，含量达到12.35，是对照的1.63倍，差异极显著(plt;0.01)。胁迫3 d和5 d时，各处理丙二醛含量均显著增加，尤其是-0.8 MPa胁迫5 d时，丙二醛含量达到16.45，是对照的2.18倍。在-0.4 MPa和-0.8 MPa胁迫下，丙二醛含量随着胁迫时间的延长而增加，在胁迫3 d和5 d 时，比1 d时均有所增加，且与1 d形成极显著差异(plt;0.01)，3 d和5 d间也形成极显著差异(plt;0.01)。

表4 干旱胁迫对幼苗叶片丙二醛含量的影响[μmol/g(FW)]

处理(MPa)1d3d5d07．54±0．14aB7．55±0．03aC7．54±0．13aC-0．47．67±0．19cB11．45±0．13bB14．45±0．09aB-0．812．35±0．22cA14．40±0．85bA16．45±0．45aA

2.5 干旱胁迫对西伯利亚冰草幼苗叶片脯氨酸含量的影响

逆境条件下植物体内会积累大量游离脯氨酸[19]。如表5所示, 随着渗透势的降低和胁迫时间的延长, 脯氨酸含量呈现增加的趋势。在胁迫1 d时，-0.4 MPa和-0.8 MPa分别比对照增加了20.44%和248.27%。胁迫3 d时，增幅加大，分别比对照增加237.19%和506.94%。胁迫5 d时，含量急剧增加，比对照增加365.62%和579.96%，各处理与对照相比均达到差异极显著(plt;0.01)。在2种胁迫强度下，胁迫1,3 d和5 d时，相互间脯氨酸含量存在极显著差异(plt;0.01) 。

表5 干旱胁迫对幼苗叶片脯氨酸含量的影响[μg/g(FW)]

处理(MPa)1d3d5d097．18±0．56aC97．93±2．02aC97．37±1．71aC-0．4117．04±6．46cB330．21±4．67bB453．37±3．40aB-0．8338．45±1．11cA594．38±3．80bA662．08±3．28aA

3 讨论与结论

本研究中采用6个不同渗透势的PEG溶液对西伯利亚冰草的种子进行了处理，从结果看出，高渗透势PEG溶液可以促进西伯利亚冰草种子萌发，如-0.2 MPa和-0.4 MPa PEG溶液不同程度地提高了发芽率和发芽势，这可能是高渗透的PEG溶液对种子萌发起到了引发作用。关于引发作用在其他冰草上也有类似的报道，王莹等研究发现，-0.3 MPa PEG胁迫能够明显促进蒙古冰草和蒙农杂种冰草种子萌发[20]。关于引发作用的机理可能是一定的干旱胁迫能够启动种子体内一系列保护机制，减少种子吸胀过程中膜系统的损伤，有利于膜系统的修复，从而提高种子发芽率，促进幼苗的生长[5]。当渗透势继续降低， 被引发的西伯利亚种子的萌发也受到了抑制，这说明渗透势的降低使得它对种子的作用已由引发转为抑制，这与低渗透势的PEG溶液能够抑制牧草种子萌发的结论一致[21-22]。本研究中，在-1.0 MPa 渗透势条件下，西伯利亚冰草种子的发芽率为22.30%，这表明了西伯利亚冰草萌发的临界渗透势应小于-1.0 MPa。

从研究的结果来看，高渗透势的PEG(-0.2，-0.4 MPa和-0.6 MPa)对西伯利亚冰草胚根伸长具有促进作用，而对胚芽伸长没有表现出促进作用，这是由于在轻度的干旱胁迫下，植物根系最先感受到土壤水分的减少，当根系感受到环境胁迫的刺激时便会产生信号物质并向地上部分运输[23]，植物会调整同化物在根冠间的分配，增大根冠比，以便存活[24]。但当胁迫超过一定强度时，胚根的生长也受到抑制，且胚根/胚芽随PEG胁迫强度的增加而增大。这与胡晓艳等[25]在马蹄金与结缕草上的研究结果一致。

细胞膜系统通常被认为是干旱伤害的最敏感和关键部位。干旱胁迫下植物细胞膜受到大量自由基和活性氧的破坏，从而引发植物细胞膜脂过氧化，最终丙二醛与细胞膜上的蛋白质和酶发生反应，破坏膜结构，导致细胞内物质外渗。外渗率(相对电导率)和丙二醛含量的高低可以反映植物质膜的受伤程度[26-27]。本研究中，用-0.4 MPa PEG溶液胁迫1 d时， 相对电导率和丙二醛含量与对照差异不显著，但无论是增加胁迫强度，还是延长胁迫时间，相对电导率和丙二醛含量均与对照差异极显著。这表明了-0.4 MPa，1 d是西伯利亚冰草的原生质膜的耐受极限。此外，用-0.8 MPa PEG溶液胁迫5 d时，相对电导率和丙二醛含量急剧升高，说明胁迫时间越长，胁迫强度越大，原生质膜受到的伤害就越严重。

干旱胁迫下，游离脯氨酸的累积途径有很多，脯氨酸的累积既可能是对逆境的抵抗，又可能是细胞结构和功能受损伤的表现[28]，因此，植物体内脯氨酸的积累与植物抗旱性的关系颇有争论，一些研究认为与植物抗旱性有关[29]。但也有的持相反结论，认为脯氨酸累积与抗旱性无关，它只是植物在干旱胁迫下的一种受害反应特征。如宋海鹏等发现，5 种景天属植物叶片游离脯氨酸含量随干旱胁迫程度的增大而增大，但是增加幅度越大的植物，其抗旱能力却越小[30]。在本研究中，脯氨酸积累量在不同渗透势PEG的胁迫下均随时间延长呈上升趋势，重度胁迫下上升幅度更大，这是西伯利亚冰草幼苗的抗旱性还是幼苗对干旱胁迫表现出的一种受害反应，结果分析认为，将叶部游离脯氨酸含量的变化作为干旱胁迫下的一种抗旱性较为合理。

综上所述， 高渗透势PEG溶液能促进种子萌发和胚根伸长，低渗透势PEG溶液能抑制种子萌发和胚根伸长, 但无论是高还是低渗透势PEG溶液胁迫都能够抑制胚芽伸长。-0.4 MPa和-0.8 MPa PEG溶液胁迫下质膜透性增大、脯氨酸和丙二醛含量上升，且这3个指标都可作为抗旱性评价指标。

[1]周久亚,刘建秀.草坪草抗旱性研究概述[J].草业科学,2002,19(5):61-66.

[2]高悦,朱永铸,杨志民,等.干旱胁迫和复水对冰草相关抗性生理指标的影响[J].草地学报,2012,20(2):336-341.

[3]何学青,呼天明,许岳飞,等.PEG-6000模拟水分胁迫对柳枝稷种子萌发及幼苗生长的影响[J].草地学报,2014,22(3):556-563.

[4]杨春杰,张学昆,邹崇顺,等.PEG-6000模拟干旱胁迫对不同甘蓝型油菜品种萌发和幼苗生长的影响[J].中国油料作物学报,2007,29(4):425-430.

[5]许耀照,曾秀存,王勤礼,等.PEG模拟干旱胁迫对不同黄瓜品种种子萌发的影响[J].中国蔬菜,2010(14):54-59.

[6]于军,焦培培.聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫抑制矮沙冬青种子的萌发[J].基因组学与应用生物学,2010,29(2):355-360.

[7]Turkan I.,Bor M.,Ozdemir F.,et al.Differential responses of lipid peroxidation and antioxidants in the leaves of drought-tolerant P.acutifolius Gray and drought-sensitiveP.vulgarisL.subjected to polyethylene glycol mediated water stress.[J].Plant Science,2005,168(1):223-231.

[8]杨景宁,王彦荣.PEG模拟干旱胁迫对四种荒漠植物种子萌发的影响[J].草业学报,2012,21(6):23-29.

[9]张盼盼,冯佰利,王鹏科,等.PEG胁迫下糜子苗期抗旱指标鉴选研究[J].中国农业大学学报,2012,17(1):53-59.

[10]张凤银,陈禅友,胡志辉.PEG-6000胁迫对宿根天人菊种子萌发及幼苗生理特性的影响[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2014,42(1):132-136.

[11]中国饲用植物志委员会.中国饲用植物志(第二卷)[M].北京:农业出版社,1989:4-6.

[12]韩建国.牧草种子学[M].北京:中国农业大学出版社,2000:95-97.

[13]曾亮,袁庆华,王方,等.冰草属植物种质资源遗传多样性的ISSR分析[J].草业学报,2013,22(1):260-267.

[14]车永和,李立会,何蓓如.冰草属(Agropyron Gaertn.)植物遗传多样性取样策略基于醇溶蛋白的研究[J].植物遗传资源学报,2004,5(3):216-221.

[15]Michel B E,Kaufmann M R.The osmotic potential of polyethylene glycol 6000.[J].Plant Physiology,1973,51(5):914-916.

[16]孙启忠.水分胁迫下四种冰草种子萌发特性及其与幼苗抗旱性的关系[J].中国草地学报,1990(4):10-12.

[17]侯福林.植物生理学实验教程(第二版)[M].北京:科学出版社,2010:95-98.

[18]俞乐,刘拥海,周丽萍,等.干旱胁迫下结缕草叶片抗坏血酸与相关生理指标变化的品种差异研究[J].草业学报,2013,22(4):106-115.

[19]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.

[20]王莹,许冬梅.PEG胁迫下五种禾本科牧草种子萌发期抗旱性研究[J].北方园艺,2015(12):54-58.

[21]刘贵河,郭郁频,任永霞,等.PEG胁迫下5种牧草饲料作物种子萌发期的抗旱性研究[J].种子,2013,32(1):15-19.

[22]焦树英,李永强,沙依拉·沙尔合提,等.干旱胁迫对3种狼尾草种子萌发和幼苗生长的影响[J].西北植物学报,2009,29(2):308-313.

[23]安玉艳,梁宗锁.植物应对干旱胁迫的阶段性策略[J].应用生态学报,2012,23(10):2 907-2 915.

[24]孙艳茹,石屹,陈国军,等.PEG模拟干旱胁迫下8种绿肥作物萌发特性与抗旱性评价[J].草业学报,2015,24(3):89-98.

[25]胡晓艳,呼天明,李红星.草坪草马蹄金与结缕草种子萌发期抗旱性比较[J].草业科学,2006,23(1):89-92.

[26]杨鑫光,傅华,李晓东.干旱胁迫对霸王水分生理特征及细胞膜透性的影响[J].西北植物学报,2009,29(10):2 076-2 083.

[27]姚晓华,吴昆仑.PEG预处理对青稞种子萌发、幼苗生长和抗旱性的影响[J].中国农业大学学报,2013,18(6):80-87.

[28]穆怀彬,伏兵哲,德英.PEG-6000胁迫下10个苜蓿品种幼苗期抗旱性比较[J].草业科学,2011,28(10):1 809-1 814.

[29]杨顺强,任广鑫,杨改河,等.水分胁迫对引进牧草渗透调节物质及叶绿素荧光参数的影响[J].西北植物学报,2007,27(9):1 826-1 832.

[30]宋海鹏,刘君,李秀玲,等.干旱胁迫对5种景天属植物生理指标的影响[J].草业科学,2010,27(1):11-15.

Effects of Drought Stress Simulated by PEG on Seed Germination and Seedling Physiological Indexes ofAgropyronsibiricum

ZHAOLiqing1,2,PENGXiangyong2,SUNZhenyuan2

(1.The Open University of China,Beijing 100039,China;2.Rganesearch Institute of Forestry,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,China)

The dynamic variation rules ofAgropyronsibiricumseed germination rate,germination potential,radicle length,embryonic bud length and the relative electric conductivity,content of malondialdehyde and free proline for seedling at trefoil stage were analyzed under drought stress simulated by PEG in this experiment.The results showed that:1) PEG solution with high osmotic potential (-0.2 and -0.4 MPa) could promote the seed germination while the germination rate and germination potential peak at -0.4 MPa. 2) PEG solution with high osmotic potential (-0.2,-0.4 and -0.6 MPa)had a certain promoting effect on radicle elongation,with the maximum promoting effect at -0.4 MPa,but showed a certain inhibitory effect on the embryonic bud elongation.3) With the decrease of osmotic potential,the germination rate,germination potential,radicle length and embryonic bud length decreased constantly while the ratio of radicle to embryonic bud increased continuously. 4) The relative electric conductivity,content of malondialdehyde and proline of seedling at trefoil stage increased continuously with the increase of stress intensity and its time lengthening.The relative electric conductivity and the malondialdehyde content were significantly higher than those of the control group(plt;0.01) except for the treatment at -0.4 MPa,1 d.The proline content of all treatment was extremely higher than that of the control group (plt;0.01).In conclusion,the relative electric conductivity,malondialdehyde and proline could all be used as drought resistance evaluation indexes.

Agropyronsibiricum; drought stress； seed germination; seedling; physiological indexes

2017-01-13

国家“863”计划项目(2011 AA 100209)。

赵利清(1976—)，女，内蒙古呼和浩特人；在读博士研究生，讲师，主要从事园林植物逆境生理与分子生物学；E-mail:195432830@qq.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.06.026

S 688.4

A

1001-4705(2017)06-0026-05