干旱胁迫对窄叶鲜卑花种子萌发及幼苗生长的影响

陈 叶, 闫 芳, 马银山, 罗光宏

(1.河西学院 农业与生物技术学院, 甘肃 张掖 734000； 2.甘肃省河西走廊特色资源利用省级重点实验室, 甘肃 张掖 734000； 3.甘肃省微藻开发中心, 甘肃 张掖 734000)

植物从种子萌发到幼苗生长是其生活史中最敏感的时期，极易受到外界环境各种因子的影响[1]。干旱胁迫会推迟种子的萌发或降低发芽力，因此，它是种子种子发芽过程中的一个主要的限制性因素[2]。种子萌发对干旱胁迫的响应反映了其适应局部环境的生态机制[3]。窄叶鲜卑花(Sibiraeaangustata)为蔷薇科灌木，生于山坡灌木丛、山谷、砂石滩上，分布于甘肃，青海，四川，西藏藏族自治区等地，是青藏高原的特有种，尤以北纬31°以北和34°以南区域最为集中[4]。其树形美观，叶色翠绿，具有良好的观赏和生态价值。窄叶鲜卑花以叶和果穗药用[5-6]。目前，关于窄叶鲜卑花的研究多集中于化学成分测定[6-7]，药理作用[6-8]，但干旱胁迫对其种子萌发特性未见报道。本研究在祁连山区调查发现，窄叶鲜卑花虽结实量大，但在分布区常呈零星分布，成片分布较少，且实生苗密度小，植被再生能力较差，种群更新慢。目前，祁连山国家级自然保护区因生态问题突出，政府出台了系列整治措施，严禁滥采乱伐，而藏区牧民常采集其枝叶和果穗用于消除腹胀，用养矛盾突显。为使这一民族药用资源永续利用，在浅山区开展驯化栽培和种群恢复意义深远。为此，本实验以窄叶鲜卑花种子为材料，采用不同PEG-6000水溶液模拟干旱胁迫环境来研究窄叶鲜卑花种子的萌发特性，揭示窄叶鲜卑花种子萌发特性，为野生种驯化和种群恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 供试材料 窄叶鲜卑花蒴果于2016年10月采自祁连山区，经度101°15′，纬度38°26′；海拔2 902.23 m。蒴果风干后脱粒、清选，得95 g种子。选择籽粒饱满、色泽正常的种子，用75%酒精消毒10 s，捞出后再用蒸馏水反复清洗种子，沥去水分待用。

1.1.2 供试药剂 PEG-6000，购自天津市致远化学试剂有限公司。模拟干旱环境条件设0,5%,10%,15%,20%,25%,30%聚乙二醇(PEG)水溶液处理，用渗透仪测定渗透势分别为:0,-0.05,-0.14,-0.28,-0.45,-0.69,-0.99 MPa。

1.2 方 法

1.2.1 吸水实验 取12 cm×12 cm×5 cm的发芽盒，放入不同浓度PEG溶液润湿发芽纸，再选取处理后的窄叶鲜卑花种子100粒点播在发芽纸上，每个处理重复4次，置于25 ℃的恒温箱内培养。为减少蒸发和种子吸水引起培养皿内发芽纸水势的改变，3 h更换1次发芽纸和溶液。每3 h测定1次吸水量，48 h后结束吸水实验。测定时将培养皿内的种子全部取出，用滤纸吸去种子表面黏附的溶液，快速称重，并根据公式计算种子吸胀速率：

WZ=(WT-WO)/WO×100%

式中：WZ——种子重量的增加率；WT，WO——种子吸水后、前的重量[9]。

1.2.2 PEG对种子萌发和幼苗生长的实验 设0，5%，10%，15%，20%，25%，30%聚乙二醇(PEG)水溶液处理，以蒸馏水处理作对照(CK)，共7个处理，用标准发芽实验方法，每个处理点播100粒种子，重复4次，在25±1 ℃下进行发芽实验，待种子萌动后，置于25±1 ℃、光照/黑暗为14/10 h的条件下培养。发芽期间每天定时补水。从种子开始吸水始计时，将幼苗萌发可分为萌动、萌发、出苗3个阶段[10]，因其种子很小，其标准定为：50%的种子露白达0.3 cm为萌动；50%的种子子叶突破种皮，种苗长为0.3 cm为萌发；50%的种子子叶完全展开，种苗长为0.7 cm为出苗。

1.3 种子发芽指标测定

从播种的第2天开始，每天记录种子发芽情况，以胚根长度达种子长度相等为发芽标准，以连续3 d无种子萌发视为萌发结束。测定种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、平均发芽时间、萌发抗旱指数。

发芽指数(GI)：GI=∑Gt/Dt

式中：Gt——逐日萌发数；Dt——相应发芽的天数。

活力指数(VI)：VI=GI·S

式中：GI——发芽指数；S——幼苗的长度。

平均发芽时间(MGT)： MGT =∑(Gt·Dt)/∑Gt

式中：Gt——第t天发芽的种子数；Dt——自播种后的第几天。

萌发抗旱指数(GDRI)： GDRI=PIS/PIC

式中：PIS——水分胁迫下种子萌发指数； PIC——对照种子萌发指数；其中，PI=1.00nd2+0.75nd4+0.50nd6+0.25nd8； nd2，nd4，nd6，nd8——第2,4,6,8 d的种子萌发率； 1.00,0.75,0.50,0.25——相应萌发天数的抗旱系数[11]。

1.4 幼苗生长指标的测定

将上述培养14 d的幼苗每培养皿随机数取30株，测定根长、苗长、称取苗鲜重、干重。

1.5 数据处理

数据应用计算机DPS程序统计分析实验数据，Duncan方法进行多重比较，Graphpad prism 5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对窄叶鲜卑花种子吸胀速率的影响

由图1可以看出，窄叶鲜卑花种子吸水过程表现出先升后降，其过程呈现3个阶段，即急速吸水期、缓慢上升期和吸水平稳期。置床后15 h内为急剧吸水期，吸水率由0上升38%～70.19%；置床后15～36 h后为稳定吸水期，吸水率从38%～70.19%上升到50%～89.15%；置床后36 h后为吸水平稳期，吸水率维持在46%～89.15%波动。在不同处理中，种子在CK,5%,10%PEG处理下36 h达最大吸水率，分别为89.15%,78.82%,75.49%；在15%,20%,25%PEG处理下，39 h达到最大吸水率，分别为76.22%,76.21%,67.81%；在30%PEG溶液处理下，48 h达到最大吸水率，为46.78%，各处理的吸胀速率均低于对照。总体而言，随PEG浓度的增加，吸胀速率表现出先急升，再缓慢上升，后平稳的趋势。

图1 PEG渗透胁迫下窄叶鲜卑花种子在25 ℃下的累积吸水率

2.2 干旱胁迫对窄叶鲜卑花种子萌芽的影响

由表1可以看出，PEG浓度从5%增加到25%

时，发芽率由对照的94%分别下降到86.00%,62.67%,45.33%,30.67%,20.27%；PEG浓度达30%时，种子芽率为0，种子完全被抑制，与对照相比，各处理均达到极显著水平(p<0.01)，表明窄叶鲜卑花种子的发芽率随PEG浓度的升高而呈明显的下降趋势。由表1看出，随着胁迫程度的加剧，发芽势呈下降趋势。在5%处理下，发芽势比对照下降19.21%；在10%处理下，发芽势比对照下降26.66%；在15%处理下，发芽势下降更快，比对照下降了64%；各处理与对照相比，差异均达到极显著水平(p<0.01)，15%与25%处理相比差异不显著(p>0.05)。说明随着胁迫的加剧，种子发芽的高峰期明显滞后。从表1看出，随着胁迫程度的加剧，种子的发芽指数和活力指数与胁迫程度呈负相关。从5%～25%与对照相比，发芽指数分别下降了20.34%,40.50%,76.10%,86.75%和89.53%，且处理间差异达极显著水平(p<0.01)。从5%～25%与对照相比，活力指数分别下降了42.90%,65.10%,87.93%,93.3%和64.86%，且差异达极显著(p<0.01)。浓度为30%时，种子完全被抑制。窄叶鲜卑花种子在0,5%及10%PEG浓度处理下(表1)，第3 d开始萌发；在15%PEG处理下，第5 d开始萌发；在20%及25%PEG处理下，第6 d开始萌发，而30%PEG处理一直未见萌发。说明随着胁迫强度增加，种子萌发时间明显滞后，种子萌发受抑制程度加重，在高强度处理下，种子萌发受到较大程度的抑制。平均发芽日数常用来表示发芽速率。日数越小，表示发芽速度越快。由表1可以看出，随PEG浓度的升高，各处理的平均发芽日数逐渐升高。PEG浓度为5%,10%时，与对照相比差异不显著，说明低浓度PEG对窄叶鲜卑花的发芽速率影响很小；当PEG浓度在15%以上时，与对照间差异达极显著水平(p<0.01)。说明高浓度PEG抑制了种子的萌发速率。总体来看，PEG在低浓度时对初始发芽时间和平均发芽日数影响较小，但对发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数影响较大。

表1 PEG处理对窄叶鲜卑花种子发芽的影响

注：不同大小写字母表示差异在0.01,0.05水平显著性。下同。

2.3 干旱胁迫对窄叶鲜卑花幼苗生长的影响

由表2可以看出，随着PEG浓度的增加，窄叶鲜卑花根长、苗长呈下降趋势。PEG浓度从5%增加到25%时，与对照相比，根长分别下降22.1%,51.9%,64.5%,72.6%和78.6%，苗长分别下降28.3%,41.3%,49.5%,49.6%和50.9%，各处理与对照相比差异达极显著水平(p<0.01)。说明干旱胁迫程度与根长、苗长呈负相关，且从下降程度看，对根长的影响大于苗长。由表2可以看出，窄叶鲜卑花幼苗鲜重和干重都随着PEG梯度的增加呈逐渐降低的趋势。PEG浓度为5%时，与对照相比，株鲜重下降6.32%，差异达极显著水平(p<0.01)；而干重下降5.55%，与对照相比差异不显著(p>0.05)。当浓度为10%时，鲜重下降20.0%；干重下降22.22%，与对照相比差异达极显著水平(p<0.01)。表明轻度干旱，对干重影响较小，对鲜重影响较大。总体而言，干旱胁迫使窄叶鲜卑花幼苗的生物量积累明显下降，对鲜重的影响大于干重。实验中还发现在蒸馏水处理下，幼苗生长健壮，心叶顺利抽出，种皮脱离子叶；5%PEG处理下，幼苗生长健壮，心叶抽出，85%的种皮完全脱离子叶；10%PEG处理下，心叶小，50%种皮脱离子叶；15%～25%PEG处理下，幼苗弱小，萌发种子的种皮粘连子叶。

表2 PEG处理对窄叶鲜卑花幼苗生长的影响

2.4 干旱胁迫对窄叶鲜卑花种子抗旱萌发指数的影响

种子萌发抗旱指数是评价种子萌发期抗旱性的可靠指标。从图2可以看出，随PEG浓度增加，窄叶鲜卑花种子的萌发抗旱指数呈下降趋势。PEG浓度在0～10%时，萌发抗旱指数呈直线式的下降；在10%～15%之间，则呈断崖式下降，由0.633 7下降到0.076 6，PEG浓度在15%以上时，变化趋势趋于平缓，抗旱指数在0～0.076 6之间，浓度为30%时，萌芽被完全抑制，经回归分析，得回归方程为：y=0.927 3-3.702 2x(r=0.927 1)。说明PEG胁迫处理对种子萌发的延缓作用突出。

2.5 干旱胁迫下，种子萌动、萌发和出苗各阶段的需水阀值研究

采用Scott[12]的方法，在正常供水条件下，种子群体萌动、萌发和出苗达50%所需时间分别为53.33，

97.33和154.33 h，经0～30%PEG胁迫处理后，需要的时间比CK延长了6.26～579.43%，11.31～336.51%和12.60～308.27%(表3)。

图2 不同浓度PEG处理对窄叶鲜卑花种子萌发抗旱指数的影响

环境水势/MPa50%萌动时间/h+CK%50%萌发时间/h+CK%50%出苗时间/h+CK%053.33097.330154.330-0.0556.676.26108.3311.31173.6712.60-0.1472.3335.63153.0057.20289.00120.35-0.28123.00130.64217.00143.50453.67195.08-0.45209.00291.90353.67294.19527.33308.27-0.69362.34579.43424.86336.51——

注：+CK%=(处理达各个阶段所需时间-对照达到相应阶段所需时间)÷对照达到相应阶段所需时间×100%。

经拟合方程后，种子群体萌动、萌发和出苗达50%的环境临界水势分别为-0.715 4，-0.590 4和-0.561 9 MPa(表4)。由此表明种子在萌发过程中，对水分的需求呈增加趋势，即对干旱的反应程度在加大，其中出苗阶段对水分的要求最高。

表4 种子萌动、萌发、出苗时间与环境水势的关系及各阶段临界水势

注：w为水势。

3 讨 论

水分是影响农林业生产最主要的因素，干旱不仅制约植物的生长与产量，也会引起植物空间结构与功能的变化，对植物的伤害在所有非生物逆境胁迫中占首位[13]。而在种子萌发期的植物更容易受到水分胁迫等不利因素的影响，故死亡率较高，所以，种子的萌发特性以及幼苗阶段的生长常被用于评价植物的抗逆性[14]。

不同的植物种子，在吸胀和萌发时对水势的要求不同，萌发期间吸水的速度也不同。本实验结果表明，随PEG浓度的增加，窄叶鲜卑花种子吸胀速率表现出先急升后平稳的趋势，吸胀速率可划分为3个阶段，15 h内为急速吸水期，15～36 h为缓慢上升期，36 h后为吸水平稳期。种子在CK,5%,10%PEG处理下36 h达最大吸水率，在15%,20%,25%PEG处理下，39 h达到最大吸水率，在30%PEG溶液处理下，48 h达到最大吸水率，各处理的吸胀速率均低于对照，说明种子在较高水势下快速吸水，在低水势下缓慢吸水。由此也说明窄叶鲜卑花种子萌发对干旱有特殊的适应策略，水势较高时，种子加速吸水，促进萌发，在低水势下，种子通过贮藏物控制水分，延缓或阻止种子萌发，种子的萌发对水势有较强的依赖性，这可能是窄叶鲜卑花在干旱胁迫环境中繁育的主要途经之一。因此，种植时必须保证较高的水势，满足种子吸胀生理，保证良好的田间出苗率。

水分是植物生长和植被分布重要的制约因素，也是种子萌发的关键生态因子。徐建新等[15]的研究认为，轻度干旱胁迫，对种子的萌发有促进作用，胁迫强度增加，抑制作用增强。本研究表明，干旱胁迫推迟了种子萌发的高峰期，导致种子发芽率、发芽势、活力指数、发芽指数和种子抗旱萌发指数均与PEG浓度呈负相关，且对发芽势的影响重于发芽率。这一结论与徐建新等的研究结果有差异，而与喻泽莉等[16]和郝楠等[17]的研究结果一致。说明窄叶鲜卑花种子的萌发对水势的要求较高，在较高水势的环境中，种子采取了“顺应”策略，而逆境时，种子采取“躲避”的策略。实验也发现，随着胁迫的加剧，发芽高峰期明显滞后，且发芽势比发芽率敏感，这与孙霞等[18]在木蓝上的研究一致，说明随干旱强度的增加，导致种子内部伤害严重，抑制了活性酶和激素代谢的变化。

关于幼苗生长对干旱胁迫对的响应，王进[9]认为，干旱对苦豆子(Sophoraalopecuroides)根长和苗高有抑制作用，但对幼苗根干重有促进作用；而杨旭东[19]通过向日葵(Helianthusannuus)实验认为，幼苗根长、苗长、鲜重、干重随PEG浓度的增加均呈下降趋势。本实验研究结果与杨旭东的研究相近，在苗干重上与王进的研究结论不同，这可能与种子特性及生境有关。由此说明，随着胁迫加剧，导致幼苗生长缓慢，不利于幼苗的生物量积累。从干旱对根长的影响大于苗长的结果看，说明幼苗对干旱有特殊适应机制，主要是通过控制地下部分来缓解轻度干旱对其幼苗的伤害。

吸水是种子萌发的先决条件，充足的水分供应是种子吸胀萌发的保征。本实验结果表明，在水分充足的条件下，种子3 d就开始发芽，但随胁迫的加重，种子的发芽初始时间明显推迟2～3 d(或更多)，平均发芽日数延长1～5 d。说明种子萌发是通过渗透调节来适应干旱生境，PEG浓度越高越不利于窄叶鲜卑花种子的吸水和萌芽，也说明了窄叶鲜卑花虽株种子量巨大，呈明显的“种子雨”特征，且在适宜条件下芽率达94%，但种子萌发表现出典型的“机会主义”倾向，部分种子虽萌发，但种子瘦小，若供给不足，常又自生自灭，这较好地解释了窄叶鲜卑花分布区常呈零星分布，实生苗稀少，而湿度大、降水多的阴坡却呈片状分布的特点。

4 结 论

随着胁迫程度的加剧，窄叶鲜卑花种子的吸水过程表现出急速吸水期、缓慢上升期和吸水平稳期3个阶段；其发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数和种子抗旱萌发指数及苗高、根长，苗重与胁迫强度均呈负相关关系。当PEG浓度达30%时，种子萌发完全被抑制。种子群体萌动、萌发和出苗达50%的环境临界水势分别为-0.715 4,-0.590 4和-0.561 9 MPa。由此说明，干旱胁迫显著抑制了窄叶鲜卑花种子的萌发和幼苗生长，也说明水分是窄叶鲜卑花种子萌发和幼苗形成的主导因素之一，在较干旱地区种植需要考虑水分的供给。