PEG渗透处理水曲柳种子影响其热休眠诱导及水分状态的关联性研究

崔程程 李明月 张 鹏

（东北林业大学林学院，森林生态系统可持续经营教育部重点实验室，哈尔滨 150040）

种子休眠是植物在长期系统进化过程中获得的一种适应环境变化的特性［1］。许多成熟种子在不利的环境条件下萌发会诱导进入次生休眠［2］，在自然条件下，次生休眠是广泛存在的，它给农林业生产造成很多问题，如导致播种出苗率低、造成减产等。为了能够在农林业生产中获得更大的经济效益，就需要充分地了解种子次生休眠的特性及其调控机制。

水曲柳（Fraxinus mandshurica）为木犀科（Oleaceae）梣属（Fraxinus）落叶大乔木，是东北林区珍贵的阔叶用材树种，主要以种子繁殖为主。由于其种子具有生理形态休眠，休眠程度较深，播种前需进行变温层积处理打破初生休眠［3］，解除初生休眠的水曲柳种子存在热休眠现象，种子在恒温（20℃）下培养3 d 以上会诱导进入热休眠，种子的发芽率大大降低［4］，采用PEG 渗透处理可以有效减弱种子热休眠诱导，提高其在高温条件下的萌发能力［5］，但PEG 渗透处理减弱种子热休眠的机制尚不清楚。据报道，高温（30℃）条件下，含水量是诱导大麦籽粒二次休眠的关键因素［6］，这预示着种子次生休眠的诱导不但和高温有关，也可能和高温条件下萌发过程中种子的水分状态有关，但以往对水曲柳种子热休眠的研究并没有注意这一问题。为了探究渗透处理减弱水曲柳种子热休眠诱导的效应是否与种子的水分状态有关，本文以解除休眠的水曲柳种子为试验材料，分别在预吸水和未预吸水两种情况，研究在高温（25℃）条件下，种子经不同浓度PEG 渗透处理后的含水量变化规律及其与种子发芽能力的关系，旨在验证在高温条件下：（1）PEG渗透处理是否对种子的水分状态产生影响，导致种子萌发过程中的水分状态产生差异；（2）PEG渗透引起种子水分状态产生差异的作用是否会受到浸种（预吸水）处理的影响，这种影响是否表现在种子萌发能力的变化上；（3）PEG 处理减弱种子热休眠的萌发表现是否与种子水分状态存在相关关系。研究结果为更广泛的研究种子热休眠调控机制提供参考，有利于更加全面地了解和掌握种子休眠和萌发的生理生态特性，为种子处理和播种育苗工作提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用种子采自吉林省露水河林业局水曲柳成年母树，种子经变温裸（无基质）层积处理（18℃/12 周+5℃/10 周，湿度60%）后解除种子初生休眠［7］，解除休眠的水曲柳种子在室温（20～23℃）条件下阴干（含水率7.9%），收集于密封塑封袋中，在-20℃条件下储存备用。

1.2 研究方法

1.2.1 浸种处理

取经过层积处理解除初生休眠的水曲柳种子，一部分在室温下用清水浸泡24 h（预吸水），同时以未经清水浸泡的另一部分种子（未预吸水）为对照，2 批种子均以0.5%高锰酸钾消毒30 min 后洗净备用。

1.2.2 PEG渗透处理

经过预吸水和未预吸水的2批种子，在25℃条件下经过如下渗透处理：因素一是PEG 浓度，共3个水平（0、25%、50%），因素二是渗透处理时间，共3 个水平（3 天PEG、3 天PEG+4 天H2O、7 天PEG），总共18种处理。

1.2.3 发芽试验

经不同PEG 渗透处理的种子用清水冲洗后置于底部铺有一层滤纸的9 cm 塑料培养皿中，在10℃条件下萌发，每个处理设置4 个重复，每个重复25粒种子，每天观察记录种子萌发情况，以胚根突出种皮2 mm 作为种子成功萌发的标志。在种子置床后的第30天计算最终的发芽率、发芽指数、平均发芽时间。计算公式为：

式中：tg表示发芽后经历g天；ng为发芽后第g天种子发芽粒数。

1.2.4 种子水分的测定

种子含水量变化以含水率来衡量，于PEG 高温（25℃）处理（渗透处理第0 天、第3 天、结束时）和萌发过程（10℃萌发第3天）中取样测定，每个处理4 个重复，20 粒种子，含水率测定以烘干法（105℃，24 h）进行，计算公式为：

1.3 数据统计分析

使用Excel 2007软件整理数据；使用SPSS19.0软件对试验数据进行方差分析（对百分数进行平方根反正弦转换后再进行方差分析），当方差分析结果为显著时，采用Duncan 法进行多重比较；使用Sigmaplot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 经PEG 渗透处理后水曲柳种子含水率的变化情况

经预吸水的水曲柳种子，含水率由初始含水率7.9%上升至50.25%。经PEG 处理3 d（0～3 d），种子含水率均明显降低，但经25%PEG 处理后种子含水率（48.62%）降低幅度小于50%PEG 处理后种子含水率（44.87%），二者均显著低于对照（PEG/0）的种子含水率（53.35%）；在10℃下（3～6 d），50%PEG 处理的种子含水率升高（49.17%），显著低于对照（52.93%），与25%PEG 处理的种子含水率（51.27%）差异不显著（见图1A）。经PEG 3 d+H2O 4 d处理，种子含水率0～3 d的变化规律与PEG处理3 d 的图1A 的规律相同；而移除PEG 胁迫后（3～7 d），各处理（PEG：0%、25%、50%）含水率显著升高，且对照处理的种子含水率（58.49%）显著高于经过PEG（25%、50%）处理的种子含水率（53.73%、53.02%）；在10℃下（7～10 d），对照处理的种子含水率（56.93%）降低，25%PEG 处理的种子含水率（53.91%）基本不变，而50%PEG 处理的种子含水率（54.18%）继续缓慢升高（见图1B）。经PEG 持续处理7 d，25%PEG 处理下种子含水率先缓慢降低后缓慢升高，在处理3 d 时含水率降至最低（48.62%）；50%PEG 处理下种子含水率直线下降，在处理7 d 时含水率将至最低（39.23%），显著低于25%PEG 处理（48.93%）与对照处理（56.09%）；在10℃下（7～10 d），各处理种子含水率均明显升高，对照处理的种子含水率（56.27%）显著高于经过PEG（25%、50%）处理的种子含水率（50.95%、49.85%）（见图1C）。

未预吸水的水曲柳种子在PEG 渗透处理与萌发过程中，各处理种子含水率均呈现持续升高的趋势，但各处理最终种子含水率值处于相近水平。经PEG 处理3 d 的种子含水率为对照（53.28%）＞25%PEG（48.56%）＞50%PEG（39.36%）；处理6 d 时种子含水率为对照（51.92%）＞25%PEG（49.17%）＞50%PEG（45.99%），且各处理间差异显著（见图1a）。经PEG 3 d+H2O 4 d处理的种子；7 d时种子含水率为对 照（56.98%）＞25%PEG（56.15%）＞50%PEG（54.72%），各处理的种子含水率均高于3 d时的种子含水率，但差异不显著；处理10 d 时种子含水率为25%PEG（59.71%）＞对照（56.85%）＞50%PEG（54.37%），且25%PEG 处理种子含水率显著高于对照和50%PEG 处理（见图1b）。经PEG 持续处理7 d 时 种 子 含 水 率 为 对 照（57.04%）＞25%PEG（48.72%）＞50%PEG（40.76%），相较于处理3 d 时升高缓慢；处理10 d 时种子含水率为对照（57.87%）＞25%PEG（52.91%）＞50%PEG（50.10%），各处理间差异显著（见图1c）。

2.2 PEG渗透处理后水曲柳种子萌发情况

预吸水的水曲柳种子经PEG 不同浓度处理3 d，结果显示PEG 浓度为25%、50%2 种处理的种子发芽率（84.00%、78.00%）显著高于对照（44.00%）；种子经PEG 3 d+H2O 4 d 处理，25%、50%PEG 处理的种子发芽率（41.00%、60.00%）显著高于对照（16.00%）；种子经PEG 处理7 d，25%、50%PEG 处理种子的发芽率（83.00%、92.00%）也显著高于对照（30.00%）；经过PEG 处理3、7 d的种子发芽率显著高于经PEG 3 d+H2O 4 d处理的种子发芽率，其中，在相同渗透处理条件下，25%PEG处理种子发芽率与50%PEG 处理种子发芽率差异均不显著。种子经PEG 处理3 d，25%PEG 处理种子的发芽指数最高（1.48），显著高于对照（0.74），但与50%PEG 处理种子的发芽指数（1.23）差异不显著；种子经PEG 3 d+H2O 4 d 处理，50%PEG 处理种子的发芽指数较高（0.88），与25%PEG 处理种子的发芽指数（0.58）及对照（0.51）差异均不显著；种子经PEG 处理7 d，25%PEG 处理种子的发芽指数（1.20）与50%PEG 处理种子的发芽指数（1.30）显著增大，两者差异不显著但均显著高于对照（0.60）。种子经PEG 3 d、7 d 处理，各处理种子的发芽时间与对照差异均不显著；种子经PEG 3 d+H2O 4 d 处理，25%、50%PEG 处理种子的发芽时间接近（19.78 d、19.55 d），发芽时间明显延长，且均显著高于对照（13.20 d）（见表1）。

表1 水曲柳种子经不同浓度PEG处理不同时间后的萌发情况Table 1 germination of seeds of F.mandshurica treated with different concentrations of PEG for different times

未预吸水的水曲柳种子经PEG 处理3 d，50%PEG 处理种子的发芽率最高（96.00%），显著高于对照（84.00%），但与25%PEG 处理种子的发芽率（92.00%）差异不显著；种子经PEG3 d+H2O 4 d 处理，50%PEG 处理种子的发芽率也最高（67.00%），显著高于对照（31.00%），也与25%PEG处理种子的发芽率（47.00%）差异不显著；种子经PEG 处理7 d，25%、50%PEG 处理种子的发芽率（81.00%、81.00%）均显著高于对照（20.00%）；经PEG 处理3 d、7 d 的种子发芽率显著高于经PEG 3 d+H2O 4 d处理的种子发芽率。种子经PEG 处理3 d，25%PEG 处理种子的发芽指数较高（1.55），与其他处理差异不显著；种子经PEG 3 d+H2O 4 d 处理，50%PEG 处理种子的发芽指数较高（0.98），与25%PEG 处理种子的发芽指数（0.84）及对照（0.58）差异显著；种子经PEG 处理7 d，25%PEG 处理种子的发芽指数（1.21）与50%PEG 处理种子的发芽指数（1.28）显著增大，均显著高于对照（0.49）。种子经25%PEG 处理3 d，种子的发芽时间最短（15.15 d）；经PEG 处理7 d，对照处理的种子发芽时间最长（19.58 d），二者差异显著，但与其他处理差异均不显著（见表1）。

2.3 PEG 调控水曲柳种子热休眠诱导过程中种子含水率与萌发率的相关性

对PEG 调控水曲柳种子热休眠诱导过程中种子含水率与种子的发芽率做回归分析发现，无论种子是否预吸水，随着种子含水率升高，种子发芽率降低。以模拟的线性方程y=-3.933x+256.551和y=-3.020x+212.746 可知，种子含水率与种子发芽率成反比，种子含水率与种子发芽率呈极显著负相关关系（P＜0.001）（见图2）。由此，在PEG 阻止水曲柳种子进入热休眠，提高种子萌发率的过程中，种子含水率是重要影响因子之一。

3 讨论

有研究表明高浓度PEG 处理可以使小麦［8］、红三叶［9］、苦荞［10］不同品种的含水量降低。本研究发现，在高温（25℃）条件下，种子经PEG 处理，种子含水率：对照＞25%PEG＞50%PEG，即PEG 的浓度越高，种子含水率越低。说明水曲柳种子也同样受到高浓度PEG 影响，从而表现出种子含水率降低的情况，这预示着种子次生休眠的诱导可能和高温条件下萌发过程中种子的水分状态有关。由此可以回答本文引言部分要验证的第一个问题，高浓度PEG 渗透处理可以降低水曲柳种子含水率，从而引起种子萌发过程中的水分状态不同。

在种子萌发的关键时期，用PEG 对莴苣、芹菜、欧芹、洋葱、大豆、豌豆和甜玉米等种子进行渗透处理，可以有效地缩短种子发芽所需的时间［11］。在调节过程中，在PEG 溶液中加入种子保护剂和生长调节剂，有助于进一步提高种子的萌发性能。渗透处理可以有效减弱种子热休眠［12～14］。本研究发现，在25℃下，高浓度PEG 长时间渗透处理对种子热休眠诱导的减弱作用更明显，这与李明月［5］的研究结论相吻合，同时，还发现持续的渗透处理对种子热休眠诱导减弱作用效果更好。经预吸水处理的水曲柳种子：50%PEG 处理7 d 的种子发芽率最高（92%）、种子含水率呈下降趋势，而移除PEG胁迫（水环境）后种子含水率升高。而未预吸水的种子：50%PEG 处理3 d的发芽率最高（96%），各处理种子含水率逐渐升高。PEG 浓度越高，水曲柳种子含水率越低，种子吸水速率越慢。由此可以回答本研究提出的第二个问题，浸种与否和PEG处理引起种子水分状态产生差异的作用有关，而且萌发表现也有显著差异。

有研究表明，种子休眠与水分含量有关。向日葵种子在自身含水量为6%～7%时，经过20 d 后就可发芽，即该含水量能够解除休眠状态，含水量在低于5.5%和高于7.5%时种子均进入休眠［15～16］。山芹菜种子含水量达到61.845%时，种子一些主要物理参数与含水量之间存在极显著的相关关系，种子存在生理休眠现象［17］。含水量在22%左右，45℃恒温烘干14 h 左右“武香粳2401”早熟晚粳水稻种子使进入次生休眠［18～19］。冬小麦、玉米、高粱种子远在成熟之前就拥有了发芽能力［20～22］，充分干燥的未熟小麦种子可以发芽，而未熟鲜种子不能萌发，显然干燥可促使种子萌发，不同成熟度种子都遵循“干燥失水发芽率提高”的规律，水分含量与发芽率显著负相关；各成熟度种子充分干燥后发芽率均可达到最大值［23］。本研究发现，在25℃下，经过PEG 处理的水曲柳种子，PEG 浓度越大，水曲柳种子含水率越低，种子的发芽率越高，即经PEG 处理的水曲柳种子含水率与种子发芽率成反比例关系。种子的含水率与发芽率呈极显著负相关，即降低含水量可以有效减弱水曲柳种子的热休眠。由此可以回答本研究提出的第三个问题，水曲柳种子的水分状态对种子的休眠状态有影响。

综上所述，在25℃条件下，PEG 渗透处理可以降低种子的含水率，且持续的渗透处理对种子热休眠诱导减弱作用效果更好，预吸水与否均影响种子含水率变化规律和种子萌发情况，种子含水率与种子发芽率呈负相关关系。由此，PEG 渗透处理减弱水曲柳种子热休眠诱导的作用与种子水分状态有关。