模拟岩溶旱钙胁迫对宽叶雀稗种子萌发的影响

孙 杭， 王文娟， 王普昶， 赵丽丽,3

(1.贵州大学动物科学学院草业科学系， 贵阳 550025； 2.贵州省草业研究所， 贵阳 550006；3.国家喀斯特石漠化防治工程技术研究中心， 贵州 贵阳 550001)

种子萌发是植物新个体形成的关键时期，也是植物生长最为脆弱的阶段，对植物种群繁殖、扩展及植被恢复意义重大[1]。种子萌发受到自身因素和外界环境因素的共同影响[2]。西南岩溶山区分布着以石灰土为主的非地带性土壤，土层浅薄，且土壤具有高渗透性常常造成土壤干旱，加之特殊的气候条件，土壤中碳酸盐层受到溶蚀，致使土壤钙盐化[3]。因此，西南岩溶山区的植物种子萌发及生长常常受到干旱和钙盐的影响。长期生长在该地区的植物已经形成了各自的适应机制。如桂西北喀斯特地区青冈栎因低浓度外源CaCl2的存在，种子萌发期抵御干旱胁迫的能力提高[1]。岩溶山区白刺花生长过程中钙可以提高其幼苗的抗旱性，保证白刺花能在岩溶山区干旱、钙高富集土壤中良好生长[4]。

宽叶雀稗(Paspalumwettsteinii)为禾本科雀稗属多年生草本植物，以其分蘖能力强，生长速度快，产量高，耐旱、耐贫瘠、根系发达等优良性状在我国西南岩溶山区作为牧草或水土保持植物得到广泛的推广应用[5]。长期生长在岩溶逆境中，宽叶雀稗形成了特有的适应策略。目前，关于宽叶雀稗的逆境适应性的研究主要集中在氮素营养[8]、高温胁迫[6]、重金属胁迫[7]等方面，而关于干旱胁迫、钙盐胁迫等岩溶逆境方面的研究较少。鉴于此，本试验以宽叶雀稗为材料，室内模拟干旱、钙盐及旱钙胁迫，研究宽叶雀稗种子萌发期的适应性，旨在探讨适宜宽叶雀稗种子萌发的条件，揭示种子萌发期对外界生境的适应策略，以期为西南岩溶山区宽叶雀稗种植提供理论依据，并为进一步发掘其抗逆基因奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

宽叶雀稗种子由贵州省草业研究所提供，选择饱满的种子为材料。

1.2 试验方法

1.2.1干旱胁迫

以不同浓度的聚乙二醇6000(PEG-6000)溶液模拟-0.1 MPa、-0.3 MPa、-0.5 MPa的干旱胁迫(处理代码为P1、P3和P5)，以蒸馏水为对照组(ck)。将100粒宽叶雀稗种子置于垫有双层滤纸的培养皿中，向各培养皿中加入10 mL的PEG-6000溶液，每个处理3个重复，25 ℃恒温培养。每天记录种子发芽情况，直到14 d发芽结束。每个培养皿随机选择10个幼苗测量胚根、胚芽的长度和干重，并计算发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数。

发芽率(%)=(14 d种子发芽数/供试种子总数)×100%；

发芽势(%)=(前4 d种子发芽数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑Gt/Dt；

活力指数=GI×S；

式中，Gt为在第t天的发芽数，Dt为发芽天数，S为胚根的均长(cm)。

1.2.2钙盐胁迫

设置5 mmol·L-1、25 mmol·L-1、50 mmol·L-1的CaCl2溶液模拟钙盐胁迫(处理代码为C5、C25和C50)，以蒸馏水为对照组(ck)，每个处理3个重复。萌发方法及统计指标同干旱胁迫。

1.2.3旱钙胁迫

分别将以上3个浓度的PEG-6000溶液和3个浓度的CaCl2溶液等量搭配，对宽叶雀稗进行综合的胁迫处理，处理代码分别为P1C5、P1C25、P1C50、P3C5、P3C25、P3C50、P5C5、P5C25和P5C50。以蒸馏水为对照组(ck)。每个处理3个重复。萌发方法及统计指标同干旱胁迫。

1.3 数据的统计分析

利用Excel 2010软件整理数据和作图，采用SPSS 21.0软件进行方差分析，并用隶属函数法综合评价宽叶雀稗对旱、钙及综合胁迫的适应性。

隶属函数计算公式：

R(Xi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin)

式中：Xi为某个抗旱指标，Ximin为该抗旱指标中的最小值，Ximax为该抗旱指标中的最大值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对宽叶雀稗种子萌发的影响

2.1.1发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数

由图1可知，P1处理组的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数最高，分别达到73.33%、62.67%、34.67和111.06，显著高于对照(除发芽指数外)及其它干旱处理，说明-0.1 MPa的轻度干旱胁迫对宽叶雀稗的种子萌发速度和萌发率起到明显的促进作用。随干旱胁迫强度增加，宽叶雀稗各萌发指标均降低。P5处理组的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均降至最小值，且显著低于对照，分别较对照降低了29.56%、5.01%、70.06%和68.68%，说明重度干旱抑制了宽叶雀稗种子萌发，特别对发芽指数和活力指数抑制程度更大。

图1 干旱胁迫对宽叶雀稗种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数的影响

2.1.2胚根、胚芽

由图2可知，P1处理组的胚根长度和干重均达到了最大值，且明显高于对照组，差异显著，说明轻度的胁迫对胚根的生长有促进作用。随着干旱胁迫强度的增加，胚根的长度和干重均明显降低。胚芽的长度和胚芽干重均随着干旱胁迫强度的增加而显著降低，P5处理组各指标均降至最低，胚芽长度和干重分别为1.97 cm和0.28 mg，说明干旱胁迫抑制了宽叶雀稗胚芽的生长。

图2 干旱胁迫对宽叶雀稗胚根和胚芽生长的影响

2.2 钙盐胁迫对宽叶雀稗种子萌发的影响

2.2.1发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数

由图3可知，在C5处理组的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均最高，显著高于对照，说明轻度钙盐胁迫(5 mol·L-1)对宽叶雀稗的种子萌发速度和萌发率起到明显的促进作用。随钙盐胁迫强度增加，宽叶雀稗各萌发指标均降低。C50处理组的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数均降至最小值，特别是发芽指数和活力指数显著低于对照，说明重度钙盐胁迫抑制了宽叶雀稗种子的萌发。

图3 钙盐胁迫对宽叶雀稗种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数的影响

2.2.2 胚根、胚芽

由图4可知，在C5处理组胚根和胚芽的长度和干重均达到最大值，均显著高于对照组，说明轻度的钙盐胁迫对胚根和胚芽的生长有促进作用。而随着钙盐浓度的增加，在C25、C50处理组，与C5处理组相比，胚根和胚芽的长度和干重显著降低，C50处理组降至最低，显著低于对照，说明重度钙盐胁迫对胚根和胚芽的生长有抑制作用。

图4 钙盐胁迫对宽叶雀稗胚根和胚芽生长的影响

2.3 旱钙胁迫对宽叶雀稗种子萌发的影响

2.3.1发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数

如图5所示，P1C5和P1C25处理组，宽叶雀稗的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数较高，均显著高于对照(除P1C25处理组的发芽指数)。除P3C5处理组外，其他处理组的发芽率均显著低于对照。宽叶雀稗的发芽势在P1C5、P3C5、P1C25处理组较高，显著高于对照，而P5C25、P1C50、P3C50和P5C50处理组的发芽势显著低于对照。发芽指数和活力指数随旱钙胁迫浓度的增加，变化更明显。发芽指数和活力指数在P1C5处理组最高，显著高于对照组，发芽指数和活力指数在P1C25处理组较高，此时的活力指数显著高于对照组。随旱钙胁迫强度增加，发芽指数和活力指数显著降低。由此可知，轻度的旱钙，有利于促进种子萌发，提高萌发速度，而重度的旱钙抑制了种子萌发。

图5 旱钙胁迫对宽叶雀稗种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数的影响

2.3.2胚根、胚芽

如图6所示，P1C5处理组，宽叶雀稗的胚芽、胚根的长度和干重均为最大值，显著高于对照。其他处理组的胚芽长度均较对照显著降低。P5C5、P5C25、P3C50和P5C50处理组的胚根长度显著低于对照。除P3C5、P1C25和P1C50处理组外，其他处理组的胚芽干重均较对照显著降低。胚根干重仅在P5C25和P5C50处理组显著降低。由此可知，适宜的旱钙环境会促进宽叶雀稗种子胚芽和胚根的生长，有利于胚根的物质积累。

2.4 旱钙胁迫对宽叶雀稗种子萌发影响的综合评价

根据胁迫下宽叶雀稗8个萌发指标的隶属函数加权平均值，综合评价旱、钙及混合胁迫对宽叶雀稗种子萌发的影响，结果见表1。综合评价D值越大，表明宽叶雀稗在该胁迫下种子萌发和幼苗生长越好，反之则差。由表1可知，P1、C5、C25、P1C5、P1C25和P3C5处理组的D值较大，综合排名优于对照。说明-0.1 MPa干旱胁迫，5 mmol·L-1和25 mmol·L-1钙盐胁迫，及-0.1 MPa+5 mmol·L-1、-0.1 MPa+25 mmol·L-1、-0.3 MPa+5 mmol·L-1旱钙胁迫能促进宽叶雀稗种子萌发，而更高强度的旱钙胁迫则会抑制种子萌发。

3 讨论与结论

干旱和土壤富钙是影响岩溶山区植物种子萌发的关键因素，主要体现在发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及胚根、胚芽生长等方面[8]。对芡欧鼠尾草[9]、盐节木[10]、青冈栎[1]、二色胡枝子[8]、藜麦[11]等植物种子萌发期抗旱性的研究表明，轻度干旱胁迫能促进种子萌发，随干旱胁迫程度增加，种子萌发逐渐受到抑制。本研究中，宽叶雀稗种子在-0.1 MPa轻度干旱胁迫下发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均显著高于对照组，在-0.5 MPa干旱处理组，萌发指标则显著降低。这种干旱胁迫下对宽叶雀稗种子萌发存在的低促高抑的现象与前人研究结果相似。不同的植物受到干旱胁迫后胚根胚芽受到损伤的情况不同。射干种子萌发期受到干旱胁迫后胚根受到抑制的程度强于胚芽[12]。宽叶雀稗受到干旱胁迫后，胚芽的生长受到抑制，而胚根的生长在-0.1 MPa和-0.3 MPa干旱胁迫下则显著提高，说明干旱胁迫下的宽叶雀稗通过提高胚根的生长来适应干旱。

表1 旱钙胁迫下宽叶雀稗种子萌发指标的隶属函数值及排序

处理隶属函数值发芽势发芽率发芽指数活力指数胚根长度胚芽长度胚根干重胚芽干重D值排序ck0.700.730.800.510.340.840.150.700.607P10.871.000.820.900.910.780.430.480.774P30.460.590.340.320.540.750.360.270.4510P50.000.590.070.090.290.350.000.160.1914C50.870.921.000.970.741.000.620.860.872C250.760.890.980.650.330.830.300.780.695C500.460.590.510.230.040.500.040.270.3313P1C51.001.000.941.001.000.941.000.580.931P3C50.820.760.560.350.540.750.700.450.626P5C50.720.690.180.140.250.350.490.160.3711P1C250.870.890.820.940.780.750.810.480.793P3C250.680.570.530.220.300.650.530.380.489P5C250.030.270.050.050.030.250.320.020.1315P1C500.580.720.530.440.480.570.620.430.548P3C500.350.320.510.220.030.490.470.330.3412P5C500.000.000.000.000.000.000.190.000.0216

图6 旱钙胁迫对宽叶雀稗胚根和胚芽生长的影响

钙是植物种子萌发过程中不可缺少的元素，可以影响植物的出苗速度和成苗率。适宜的钙盐可以促进种子萌发和幼苗生长，而过高的钙盐则造成种子细胞外的水势降低，种子细胞失水且吸水困难，不利于种子萌发和幼苗生长[13]。本研究中，宽叶雀稗在5、25 mmol·L-1CaCl2处理时各项萌发指标均较对照明显提高，在50 mmol·L-1CaCl2处理时各项萌发指标均较对照明显降低，表明5、25 mmol·L-1CaCl2处理能促进宽叶雀稗种子萌发及胚根胚芽生长，50 mmol·L-1CaCl2处理则会阻碍种子萌发，降低种子活力，抑制胚根胚芽生长。

岩溶山区的植物生长过程可能受到干旱、钙盐等非生物因素的综合影响。赵丽丽等[8]对旱钙胁迫下二色胡枝子的研究，邓平等[1]对旱钙胁迫下青冈栎的研究，任永霞等[14]对旱钙胁迫下紫花苜蓿的研究均指出，干旱和钙盐2个因素对植物种子萌发的影响不完全是叠加的抑制效应。本研究中干旱和钙盐混合胁迫对宽叶雀稗种子萌发的影响也不是叠加的抑制效应。轻度干旱(-0.1 MPa)和低浓度钙盐胁迫(5、25 mmol·L-1CaCl2)可以促进宽叶雀稗种子萌发，但在重度干旱和高浓度钙盐胁迫下，宽叶雀稗种子萌发受到抑制的程度较单一胁迫更大。

隶属函数法可以消除评价指标间的量纲差异，是综合评价分析中常用的方法[15]。利用隶属函数评价宽叶雀稗种子萌发期对各种胁迫的适应性，结果表明，-0.1 MPa干旱胁迫，5 mmol·L-1和25 mmol·L-1钙盐胁迫，及-0.1 MPa+5 mmol·L-1、-0.1 MPa+25 mmol·L-1、-0.3 MPa+5 mmol·L-1旱钙胁迫能促进宽叶雀稗种子萌发。