干旱胁迫对山桐子种子萌发及幼苗生理特性的影响

石开明 吴强盛

(湖北民族学院林学园艺学院,湖北 恩施 445000) (长江大学园艺园林学院,湖北 荆州 434025)

山桐子(Idesiapolycarpa)又名水冬瓜、水冬桐、油葡萄等,属大风子科山桐子属[1，2]。山桐子是优质高产的木本油料树种,果实出油率高达40%,其中亚油酸含量占78.6%。山桐子在果实产量、出油率、亚油酸含量等方面,均明显高于其他目前已推广木本油料树种,开发应用前景好。山桐子对气候条件要求不严,适应性广,能耐低温高热(-14～40℃),年降水量800～2000mm的条件下都能正常生长。山桐子对土壤适应性强,耐旱、耐瘠薄,中性、微酸或微碱性土壤均适应,在我国华北、华中、西南、西北地区的丘陵和山地广有分布。从目前趋势来看,山桐子适宜在荒山荒坡推广发展,绿化山地,改善生态环境[3，4]。

在山地、坡地发展山桐子,通常会遇到水分不足的问题。荒山坡地土壤结构理化性质差,不能有效涵养保持水分,容易造成干旱胁迫,对山桐子生长发育有严重影响,这极大制约了山桐子的大面积推广和种植。干旱严重抑制植物的生长发育、光合作用、呼吸作用以及氮代谢等,植物在干旱环境下维持可利用水分是其存活的关键[5]。对于植物抗旱性研究的方法一般有土壤干旱和模拟渗透胁迫2种,但是因土壤系统构成复杂以及自身的胁迫与渗透效应难以区分,故对土壤干旱的研究造成了一定的困扰。聚乙二醇6000(PEG-6000,后简称PEG)是一种亲水性非常强的大分子聚合物,常作为渗透调节剂应用到模拟干旱胁迫中,模拟干旱逆境[6]。

本研究利用不同浓度PEG处理模拟不同程度干旱胁迫环境,通过测定种子萌发相关指数,了解干旱胁迫对山桐子种子萌发的总体影响,探讨其种子萌发抗旱适应性。另外,通过对幼苗根系呼吸途径及呼吸关键酶活性等指标测定分析,研究不同程度模拟干旱胁迫山桐子相关酶活性响应特征,为山桐子栽培的水分管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为3个山桐子品种,即‘鄂选1号’、‘鄂选2号’及‘川桐32号’,试验用种子由湖北省恩施市木本油料研究所提供。

1.2 试验方法

1.2.1 种子处理

参考文献[7]的方法。随机选取大小均匀、饱满、无病虫害的山桐子种子用75%浓度的酒精清洗1min,再用1.0%浓度的次氯酸钠浸泡消毒3～5min,用蒸馏水冲洗至无味后自然晾干备用。玻璃培养皿(120mm)和滤纸用高压灭菌锅进行消毒灭菌(121℃、20～30min)。

在灭菌消毒过的培养皿中铺2层滤纸,每个培养皿均匀放入50粒种子,分别向培养皿中加入蒸馏水0%(CK)，以及10%、15% 、20% 、25%浓度(A0～A4)的PEG溶液。放入25℃恒温光照培养箱中进行发芽,每个处理重复3次。

对PEG处理种子连续培养观察10d,记录种子的发芽数。发芽结束后,从每个重复中选取5株籽苗,测定发芽籽苗胚根长和下胚轴长,以其均值作为胚根、胚芽的长度,并测量籽苗鲜重。

1.2.2 幼苗处理

将正常发芽籽苗移栽至lkg蛭石的育盆中,每盆栽15株。培养40d后进行分组,选取两叶一心期生长状况一致、健康的山桐子植株进行干旱胁迫处理,即开始向蛭石中施加含不同浓度PEG的Hoagland营养液连续处理10d。PEG模拟干旱胁迫处理同样共设计了上述A0～A4等5个处理,每个处理水平重复3次。分别在施加处理的第1、3、5、7、10天后收获幼苗进行幼苗生长量、根系活力及根系呼吸速率指标测定。

1.3 指标测定与计算

1.3.1 种子萌发指标

各项指标测定参考文献[8,9]的方法,具体如下：

种子发芽率=(种子发芽数/供试种子数)×100%(10d,测试种子发芽数占测试种子总数的比例)。

种子发芽指数GI=∑(Gt/Dt)(式中：Gt为在第t天的种子发芽数,Dt为相对应的种子发芽天数)。

种子活力指数VI=∑(Gt/Dt)×S(其中：S为第10天芽的平均长度)。

1.3.2 幼苗生理指标

1)株高 以植株茎最高部位距土面的高度为准,用直尺测量。

2)生物量 挖取整个植株并洗干净,分为地上和地下2个部分,置于105℃的烘箱中杀青1h后转于55℃恒温下烘干48h,待冷却后称其重量。

3)根系活力及呼吸速率指标测定 根系活力测定采用TTC 法。呼吸速率测定参照文献[10，11]的方法。取直径基本一致的褐色木质根,迅速称取0.1g左右,用双面刀将根切成2mm左右根段(下同),放入反应杯,加盖并启动测量程序。反应杯中液体温度用恒温浴控制在25℃,仪器采用英国HANSATECH公司生产的液相Oxy-Lab氧电极。

1 .4 数据处理

使用Excel软件和SPSS 17.0软件进行数据的统计与分析。

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫处理对山桐子种子发芽率的影响

图1 不同浓度PEG模拟干旱胁迫下的山桐子种子发芽率

种子发芽率高表示有生命活力种子多,播种后出苗数则多[12]。由图1可知,3个山桐子品种材料在不同PEG浓度处理模拟干旱胁迫下种子发芽率均低于对照,表明各品种发芽率受PEG胁迫影响。在0%～10%的PEG胁迫下,各品种种子发芽率下降趋势虽明显,但幅度平缓,下降趋势较为缓慢,表明低浓度的PEG模拟干旱胁迫对山桐子种子发芽率有轻微影响。当PEG浓度高于10%时,各品种种子发芽率下降趋势较为显著,在25%PEG胁迫下,除‘鄂选1号’外,其他2种山桐子种子发芽率均低于20%,说明随着PEG处理浓度增加,山桐子种子发芽率受到明显抑制。

在没有胁迫条件下,3个品种的种子发芽率均超过90%,差异并不明显,发芽率从高到低依次为‘川桐32’>‘鄂选1号’>‘鄂选2号’。另外,从图1也可以看出,在采用10%～25%PEG处理时,‘鄂选1号’表现出的萌芽率水平最高,明显高出‘鄂选2号’和‘川桐32号’,表明‘鄂选1号’种子对PEG模拟干旱的耐受性要好于‘鄂选2号’和‘川桐32号’。‘鄂选2号’和‘川桐32号’在各PEG浓度梯度处理下的种子发芽率差异不明显,说明二者对PEG模拟干旱耐受性相似,抗旱能力相对较弱。

2.2 PEG胁迫处理对山桐子种子发芽指数和活力指数的影响

发芽指数比单纯的发芽率更能全面地反映种子在实际条件下的萌发速度和整齐度[13，14]。活力指数代表种子迅速整齐萌发的发芽潜势、生长和生产潜力,在干旱胁迫下,活力指数越大,则表示抗旱性越强[15]。

不同浓度PEG胁迫对3种山桐子种子发芽指数及活力指数的影响试验结果如图2所示。从图2可以看出,随着PEG浓度递增,3种山桐子种子发芽指数及活力指数呈明显下降趋势,当浓度达到25%时,各指数达到最低,这表明PEG高浓度处理对种子萌发活性有较强抑制性。

图2 不同浓度PEG模拟干旱胁迫下的山桐子种子发芽指数和种子活力指数

在每一相同处理浓度下,‘鄂选1号’山桐子的种子发芽指数及活力指数均明显高于‘鄂选2号’和‘川桐32号’,而‘鄂选2号’和‘川桐32号’差异较小,这表明‘鄂选1号’在逆境下种子萌发抗旱适应性要强于‘鄂选2号’及‘川桐32号’。

2.3 PEG胁迫处理对山桐子籽苗胚根、胚芽及鲜重的影响

由表1结果可以看出,当PEG胁迫处理浓度为10%时,鄂选1号的胚根长度、胚芽长度及籽苗鲜重均比对照略有上升,而‘鄂选2号’和‘川桐32号’的胚根长、胚芽长及籽苗鲜重则比对照低,但差异并不明显。当PEG浓度从10%开始递增时,3个品种的胚根、胚芽及籽苗鲜重测定指标均下降趋势明显,当浓度高达25%时,‘鄂选2号’及‘川桐32号’死苗严重,无法完成统计分析。总体结果表明,低浓度的PEG处理可在一定程度上促进‘鄂选1号’山桐子籽苗胚根、胚芽生长及籽苗增重,而高浓度的PEG胁迫对籽苗胚的生长抑制作用显著。

表1 不同浓度PEG模拟干旱胁迫下的山桐子籽苗胚根、胚芽及鲜重

注：同列数据后不同字母者表示差异显著(P<0.05),表2、表3同。

2.4 PEG胁迫处理对山桐子幼苗生物质量的影响

用不同浓度PEG连续处理盆栽幼苗时发现,连续干旱胁迫的幼苗从第3天开始出现生理萎蔫,当胁迫至第7天时,部分幼苗叶片开始焦黑变枯,至第10天时,幼苗濒临死亡状态。通过测定PEG胁迫山桐子幼苗第7天时的地上和地下干物质含量、根冠比及死苗率,研究PEG胁迫对山桐子幼苗生长特性的影响。从表2结果可以看出,随着PEG浓度升高,3个品种的茎叶及根系干物质含量明显呈下降趋势,在同一PEG浓度处理下,茎叶干物质含量从高到低顺序为‘鄂选1号’>‘鄂选2号’>‘川桐32号’,根系干物质含量从高到低依次为鄂选1号>川桐32号>鄂选2号,其中‘鄂选1号’优势较为突出,‘鄂选2号’与‘川桐32’号差异不显著。从根冠比数据比较来看,‘鄂选1号’以PEG浓度为15%处理时最高达1.32,鄂选2号以PEG浓度为20%处理时最高达1.59,‘川桐32号’以PEG浓度为20%处理时最高达1.67。当PEG浓度高于20%时,3品种根冠比则明显下降。连续PEG处理3品种山桐子幼苗,死苗率随PEG浓度增加而提高,当PEG浓度处理提升至25%时,鄂选2号及‘川桐32号’死苗率均超过90%,而‘鄂选1号’死苗率则为83.69%。综合来看,连续的PEG模拟干旱胁迫处理山桐子幼苗,对各品种幼苗的生长量指标有明显的抑制作用,从3品种的测定指标来看,‘鄂选1号’幼苗抵抗PEG胁迫的能力要明显强于其他2个品种。

表2 不同浓度PEG模拟干旱胁迫下的山桐子幼苗生长情况

2.5 PEG胁迫处理对山桐子幼苗根系活力及呼吸速率的影响

根系活力大小反映了根系代谢的能力强弱,直接影响植株生长和抗逆性。表3为干旱处理第7天时幼苗根系活力及根系呼吸速率的测定结果。从表3可以看出,根系活力随着PEG浓度处理提高,各品种均呈直线下降趋势,其中‘鄂选2号’根系活力测定指标在各处理内对比均为最高,在PEG浓度为15%模拟干旱胁迫处理时,3个品种之间根系活力测定指标有明显差异,其他处理时均反映‘鄂选2号’根系活力指标较高,而其余2个品种测定指标差异不明显。

表3 不同浓度PEG模拟干旱胁下的山桐子幼苗根系活力及呼吸速率

根系呼吸速率是根系代谢的重要指征,反映了根系吸收及更新等活动状态。从表3结果来看,3个参试品种根系呼吸速率均随PEG处理浓度提高而下降,在各PEG处理中,‘鄂选1号’测定的呼吸速率为最高,‘鄂选2号’和‘川桐32号’依次降低。当PEG胁迫浓度提高到25%时,3个品种的根系呼吸速率极微弱,其中‘川桐32号’为0.06μmol/(min·g),根系呼吸临近于停止活动状态。

3 讨论

干旱是抑制植物光合作用的最主要环境因子之一[16],干旱引起植物水分胁迫,从而对植物的生长、光合作用、呼吸作用、营养代谢等产生不良影响[17]。

本研究中采用5个不同浓度的PEG模拟干旱胁迫对3个山桐子品种种子进行了处理,从种子发芽率、种子发芽指数及种子活力指数来看,无论低浓度处理还是高浓度处理,PEG各浓度处理均对种子萌发活动有明显的抑制作用,结果与杨旭东等[18]研究PEG模拟干旱胁迫对向日葵种子萌发活动影响结果一致。而姚晓华等[19]在研究栓皮栎种子在PEG模拟干旱胁迫过程中发现,在5%和10%PEG较低浓度胁迫下,栓皮栎种子的发芽率、发芽指数和活力指数均高于对照,而在20%和30%PEG较高浓度胁迫下才低于对照,这与麦苗苗等[20]对连香树种子的研究结果一致。另外,也有研究表明,PEG在较低浓度范围处理促进种子萌发,提高种子活力,对幼苗抗逆性有一定作用[21，22]。不同学者研究种子萌发在低浓度的PEG胁迫下的反应不同,这可能跟不同植物种子对干旱胁迫的反应敏感程度有差异所致。本研究结果反映出山桐子种子的干旱胁迫耐受能力较弱。总体来看,超过15%以上的PEG模拟干旱胁迫,对所有不同类型研究的种子萌发均有明显抑制作用。从本研究结果也可以看出,3个不同品种的山桐子种子萌发在低浓度PEG(0%～10%)的胁迫下,种子萌发活力参数下降趋势较平缓,当超过15%时,下降趋势较为急剧。单从种子萌发活力参数来看,‘鄂选1号’种子萌发的抗旱特征要明显高于‘鄂选2号’和‘川桐32号’,而山桐子在自然状态下萌发比较困难,这对今后在相对干旱地区山桐子选种播种育苗有参考意义。

根系是植物吸收水分、养分及合成多种生理活性物质的重要器官,根系遇到干旱胁迫,会导致植物生长受到明显影响。本研究结果表明,山桐子种子胚萌发后,籽苗胚根、胚芽长度受PEG胁迫明显,随着PEG处理浓度提高,胚轴生长受到抑制程度加重,在25%PEG处理时,‘鄂选2号’和‘川桐32’号胚芽和胚根无法生长。从籽苗鲜重测定数据来看,也同样反映出这一趋势。盆栽幼苗经过PEG干旱处理后,茎叶干物质含量明显下降,在PEG处理提高到25%时,鄂选1号死苗率超过83%,‘鄂选2号’和‘川桐32号’死苗率均超过90%,表明持续的PEG干旱处理对幼苗生长的不利影响持续加剧。

传统观点认为,一定程度的水分胁迫会使植物的呼吸作用增强[23,24]。本研究结果表明,各类型山桐子根系活力及根系呼吸速率在PEG模拟干旱胁迫下,随着PEG浓度的提高,均呈明显下降趋势。这说明干旱逆境刺激山桐子激呼吸代谢增强的适应范围可能较窄,或在PEG浓度小于5%,或者更小程度对应的轻微胁迫才会出现应激的呼吸代谢增强作用。上述结果进一步说明,山桐子可能比许多植物种类对干旱胁迫更为敏感。

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