干旱胁迫对千屈菜种子萌发和幼苗生长的影响

刘璐，武志博，李晓佳，海春兴，姜洪涛，郝思鸣，刘世英

（1. 内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特 010022；2. 阿拉善盟航空护林站，内蒙古 巴彦浩特 750306）

干旱被认为是我国最严重的自然灾害之一，危害农牧业生产，导致生态环境进一步恶化，加剧土地荒漠化［1］。在非生物胁迫中干旱是影响植物生长、发育的主要胁迫因子之一［2］，这是由于干旱造成种子成苗困难且水分是光合作用重要的参与因子，干旱会使幼苗的光合作用持续下降［3-4］。植物在干旱胁迫的条件下，体内的水分平衡被破环，新陈代谢发生紊乱，阻碍植物正常生长［5］。植物通过渗透调节及调节保护酶体系等方式减少干旱带来的不利影响［6］。种子萌发和幼苗生长作为植物生命周期的起始阶段，决定着植物能否顺利地完成整个生命周期［7］，且对干旱影响较为敏感。因此，研究干旱胁迫对种子萌发和幼苗生长的影响非常重要。

千屈菜（Lythrum salicaria）又名水芝锦、水柳，属于千屈菜科，是适应性强的多年生草本宿根花卉和北方常见的水生园林造景植物。目前，对千屈菜的研究主要集中在基因特征［8-9］、引种栽培［10-11］。其抗逆性研究以抗盐性［12-14］居多，对抗旱性研究较少，学者肖涵等［15］采用盆栽控水法研究千屈菜幼苗的生理生化指标，张歌等［16］采用同样的方法探讨千屈菜的水分适应性，学者们未将千屈菜种子的萌发和幼苗的生长综合研究，且采用盆栽法操作较复杂。聚乙二醇（Poly⁃ethylene glycol，PEG）模拟干旱胁迫，具有方法简单、易于操作、条件易控、试验周期短等特点，是一种可行性 较 高 的 渗 透 调 节 剂［17］。Kaufman 和Eckard［18］经 过多次研究，得出PEG⁃6000 诱导水分逆境所得效果与土壤逐步干旱是一样的。所以，越来越多的学者利用PEG⁃6000 模拟干旱环境，以研究植物对干旱的响应。此 方 法 已 在 农 作 物［19-21］、园 林 绿 化 植 物［22-23］、牧草［24-25］等植物中得到应用。因此，本试验采用PEG⁃6000 模拟不同干旱胁迫对千屈菜种子萌发及幼苗根长、株高、鲜重等生长指标，脯氨酸、可溶性蛋白质、可溶性糖和丙二醛含量，超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶活性等生理指标的影响，以及各指标之间的相关性，以揭示千屈菜种子及幼苗生长、生理抗旱特性，为北方园林绿化提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试千屈菜种子于2020年采购于甘肃省民勤县花果山农林工程有限公司，在室内常温条件下保存。种子千粒重为0.058 0 g。

1.2 试验方法

1.2.1 种子萌发试验 挑选大小均匀、颗粒饱满、种皮无破损的种子，在50 ℃的蒸馏水中浸泡15 min，取出种子用70%的酒精浸泡20 s，再用无菌水冲洗多次后，将种子均匀摆放在铺有两层已被无菌水润湿纱布的培养皿中，每皿30 粒，再覆盖一层纱布，每皿加5 mL 体积分数为0（CK）、5%、10%、15%、20%、25%的PEG-6000 溶液分别进行胁迫处理，每个梯度设置3个重复。培养皿用封口膜封口，以防止溶液蒸发；膜上留两个小孔，放置于人工气候箱（宁波东南仪器有限公司生产RDN⁃300D⁃5 型），恒温培养，设定温度为（25±0.5）℃，光照为8 h，湿度为65%，进行种子萌发试验。每天同一时间分别向发芽床加无菌水或各体积分数PEG⁃6000 溶液2 mL，并记录千屈菜种子的萌发状况，以连续两天无新种子萌发为标志结束胁迫并拍照记录。

以胚根突破种皮为发芽标准，第3 天计算发芽势，第5 天计算发芽率和发芽指数。

发芽势=（第3 天发芽的种子数/供试种子总数）×100%

发芽率=（第5 天发芽的种子数/供试种子总数）×100%

发芽指数=［（处理平均发芽率×处理平均根长）/（对照平均发芽率×对照平均根长）］×100［26］

1.2.2 幼苗生长、生理试验 在种子萌发试验基础上，根据预试验结果，选择体积分数为0（CK）、5%和25%的PEG⁃6000 溶液3 个梯度的胁迫处理，在种子发芽结束后，每个处理选取长势较一致的20 株种苗，测定幼苗根长、株高和鲜重。并在每个梯度设置3 个重复，测定幼苗各项生理指标。

脯氨酸含量采用酸性茚三酮显色法测定［27］；可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G⁃250 染色法测定［27］；可溶性糖含量采用硫酸苯酚法测定［27］；丙二醛（Malo⁃ndialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法测定［27］；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮蓝四唑显色法测定［28］；过氧化物酶（Per⁃oxidase，POD）活性采用愈创木酚法测定［28］；过氧化氢酶（Catalase，CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（Aseor⁃bateperoxidase，APX）活性采用紫外吸收法测定［28］。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 进行数据处理和表格绘制；运用SPSS 23.0 进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度PEG 对千屈菜种子萌发的影响

当PEG 为5%时，种子的发芽率、发芽势和发芽指数与CK 相比分别上升了19.64%、31.36%、28.37%，达到种子萌发的最大值。在25%时，发芽率、发芽势和发芽指数与CK 相比分别下降了55.35%、70.58%、65.12%，发芽率与发芽势达到抑制种子萌发的最大值且差异显著。而在0~20%时，对两者的影响不显著（P>0.05）（表1）。

表1 不同浓度PEG 处理下千屈菜种子萌发指标Table 1 Effects of different concentrations of PEG on seed germination ofLythrum salicaria

2.2 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗生长特性的影响

千屈菜幼苗的根长、株高和鲜重随PEG 浓度的增加都呈先升后降的趋势。PEG 5%时，幼苗的根长、株高和鲜重分别为0.52、0.20、0.68 mg/株，与CK 相比分别上升了8.33%、5.95%、5.67%。PEG 25% 时，分别为0.38、0.70、0.52 mg/株，与CK 相比分别下降了20.83%、11.39%、19.59%。幼苗根在PEG 25%时生长明显受到抑制，幼苗鲜重在PEG 5%和25%时均与对照差异显著（P<0.05）（图1）。

图1 不同浓度PEG 处理下千屈菜幼苗生长指标Fig.1 Effects of different concentrations of PEG on seedling growth ofLythrum salicaria

2.3 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗生理特性的影响

2.3.1 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗渗透调节物质的影响 随PEG 浓度的增加，脯氨酸和可溶性蛋白质的含量先减少后增加（图2⁃A，2⁃B）。当PEG 浓度为5%时，两者的含量均处于最低水平，25%时达到最高。脯氨酸含量PEG 5%处理与CK、25%处理差异显著（P<0.05）；可溶性蛋白质CK 与5%、25%处理之间差异不显著，而5%与25%处理之间差异显著（P<0.05）。随PEG 浓度的增加，可溶性糖的含量先增后减（图2⁃C），在PEG 5%时上升到最大值，约为CK 的9.4 倍，25%时约为CK 的7.1 倍。3 组处理彼此之间均差异显著（P<0.05）。

图2 不同浓度PEG 处理下千屈菜幼苗渗透调节物质含量Fig.2 Effects of different concentrations of PEG on osmotic contents in seeding ofLythrum salicaria

2.3.2 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗丙二醛含量的影响 随PEG 浓度的增加，丙二醛的含量呈上升趋势。PEG 5%时，丙二醛含量缓慢上升，仅比CK 含量上升了 0.1μmol/LFW；25% 时 上 升 到 最 大 值 2.27 μmol/LFW，比CK 上升了4.6 倍，且与CK 和5%处理组之间差异显著（P<0.05）（图3）。

图3 不同浓度PEG 处理下对千屈菜幼苗丙二醛含量Fig.3 Effects of different concentrations of PEG on malo⁃ndialdehyde content in seeding ofLythrum salicaria

2.3.3 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗保护性酶的影响 随PEG 胁迫增强，SOD 和CAT 活性先降后升（图4⁃A，4⁃C），PEG 5%时两种酶活性达到最小值，随后活性增强，但仍低于CK。SOD 的活性在3 组处理之间无显著性差异，CAT 的CK 与5%处理组差异显著（P<0.05）。随PEG 胁迫增强，POD 活性先迅速升高后缓慢降低（图4⁃B），PEG 5%达到最大值318.63 U/（g·min），CK 的POD 活性最低且与5%和25%处理之间差异显著（P<0.05）。随PEG 胁迫的增强，APX 活性逐渐增加（图4⁃D），PEG 25%时，APX 活性增加到最大值20.67 μmol AsA/g，与CK 相比增加了47.85%，3 组处理之间无显著差异。表明，在无干旱胁迫时，SOD 活性和CAT 活性较高，在低浓度PEG胁迫处理时，SOD 和CAT 活性受到抑制，POD 和APX 活性升高来适应干旱，且活性维持在高水平，保护性酶通过清除活性氧以达到降低干旱对幼苗带来的不利影响。

图4 不同浓度PEG 处理下千屈菜幼苗保护性酶活性Fig.4 Effects of different concentrations of PEG on protective enzymeactivities in seeding ofLythrum salicaria

2.4 各指标之间的相关性分析

PEG 浓度与种子萌发和幼苗生长的各指标呈负相关关系，与幼苗生理指标，除SOD、CAT 活性外，与其余指标均呈正相关关系，且与APX 活性呈极显著的正相关（P<0.01）。种子萌发和幼苗生长各指标彼此之间都呈较高的正相关关系，发芽指数与发芽率、发芽势呈极显著的正相关（P<0.01），与根长、株高呈显著正相关（P<0.05）；发芽率与发芽势、根长、鲜重呈显著正相关（P<0.05）。种子萌发与幼苗生长各指标及幼苗生理指标之间，除与可溶性糖呈极低的正相关外，其余都呈负相关关系，且可溶性蛋白含量与发芽势、发芽指数、株高、根长呈显著负相关（P<0.05）。幼苗生理指标之间无显著的相关性，各指标之间的相关性以正相关为主，相关性变化不一。

3 讨论

3.1 不同浓度PEG 对千屈菜种子萌发的影响

水在植物的生命活动中起着至关重要的作用，是影响植物正常代谢和生长发育的主要限制因子。种子成苗是植物完成整个生命过程的前提，也是对水分较为敏感的时期。干旱胁迫会引发植物体内失水，导致细胞含水量不足，从而损伤细胞器和脂膜，使种子无法正常萌发。种子的发芽率、发芽势、发芽指数是反应种子萌发的重要指标，也反映植物种子发芽能力强弱和发芽时间长短。本研究发现，当PEG 浓度为5%时，千屈菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数增幅最大，但均不显著，表明5%PEG 缩短了种子的发芽时间。随PEG 浓度的增加，千屈菜种子的发芽率、发芽势和发芽指数均呈下降趋势，PEG25%时，三者均达到最小值。表明高浓度的PEG 溶液降低种子的发芽能力，延长种子的发芽时间。这与王亚楠等［29］研究甘草（Glycyrrhiza uralensis）、沙 蒿（Artemisia deserto⁃rum）种子在干旱胁迫下的萌发情况基本一致。有研究表明，无论低浓度还是高浓度的PEG 处理均显著抑制山桐子（Idesia polycarpa）种子萌发［30］；张航等［31］发现榆树（Ulmus pumila）种子在PEG 胁迫下出现明显的低促高抑的现象。综上，干旱胁迫对种子萌发的影响，与其自身的特性有关，而不同种子对PEG 模拟干旱胁迫的反应也有所不同。

表2 各指标之间的相关性Table 2 The correlation between the indicators

3.2 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗生长特性的影响

幼苗的根长、株高、鲜重指标可以综合反映幼苗的生长特点。植物幼苗通过伸长根部的方式吸取土壤中更深土层的水分，以便供给植株，增加株高和鲜重，增加其生命力。也可通过根长的增加，使植物根系更牢固的扎根在土壤中。在本研究中，千屈菜幼苗根长、株高、鲜重在5% PEG 浓度处理时大于CK，表明低浓度的干旱胁迫促进幼苗生长。这与刘艳等［32］对甘草幼苗的研究结果类似，根系是植物吸收水分和营养物质的主要器官，水分不足会刺激根系生长，根长增大。这表明轻度干旱胁迫下千屈菜幼苗会通过增加根长来提高株高和增加鲜重以维持植株生存。因此，可以适当对千屈菜幼苗进行干旱胁迫，提高幼苗的根长、株高和鲜重。

3.3 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗渗透调节物质的影响

渗透调节是植物适应逆境的一种自我调节方式。干旱胁迫时植物体内主动积累各种有机和无机物质来提高细胞液浓度，降低渗透势，提高细胞保水力，从而适应干旱胁迫环境。脯氨酸、可溶性蛋白质、可溶性糖是植物体内重要的渗透调节物质。脯氨酸是植物蛋白质组成成分之一，以游离的状态广泛的存在于植物体中，对细胞的渗透调节起重要作用，是植物体的防脱水剂，在一定程度上反应植物体内的脱水情况。本试验中，千屈菜幼苗的脯氨酸含量呈先减少后增加的情况，这可能是因为轻度干旱时控制脯氨酸降解的关键酶的表达或者数量多于合成脯氨酸酶。同样，可溶性蛋白质的含量变化情况与脯氨酸含量一致，含量先下降可能是干旱胁迫使蛋白质合成酶钝化或能源（ATP）减少，之后开始上升以提高体内渗透势，抵抗干旱［33］。可溶性糖含量在胁迫开始时迅速增加，后缓慢减少，但均高于CK。与脯氨酸、可溶性蛋白质形成互补，前期因脯氨酸、可溶性蛋白质含量下降，可溶性糖含量迅速增加以降低干旱胁迫带来的危害，后期3 种物质同时发挥作用降低渗透势。由此可见，在PEG 胁迫下，千屈菜幼苗自身可以启动渗透调节机制以适应干旱。

3.4 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗丙二醛含量的影响

植物在干旱胁迫下受到伤害，往往会发生膜脂过氧化作用。丙二醛是膜脂过氧化的最终分解产物，对细胞具有很强的毒性，所以MDA 的积累可能对膜和细胞造成一定的伤害，常用于膜脂过氧化指标。其含量可反映植物遭受干旱伤害的程度。在模拟干旱处理千屈菜幼苗的过程中，丙二醛的含量随着胁迫强度的增加而上升。表明外界干旱胁迫会持续导致千屈菜生物膜脂过氧化不断加剧，植物受伤害程度在不断增加。这与前人在芸豆（Phaseolus coccineus）、玉带草（Phalaris arundinacea）、野 生 苣 荬 菜（Sonchus brachyotus）［20，23⁃34］等方面的研究的结果一致。

3.5 不同浓度PEG 对千屈菜幼苗保护性酶的影响

当植物受到干旱胁迫时，细胞结构的稳定性紊乱，打破了活性氧产生和清除的动态平衡，导致活性氧在细胞中过量积累，危害细胞的存活。保护性酶是植物在遇到干旱胁迫时重要的防护屏障，主要包括SOD、POD、CAT、APX 等。SOD 能以O2-为基质进行歧化反应；POD 也可清除细胞内有害自由基并能催化有毒物质；CAT 可分解H2O2；APX 可使O2-产生速率下降。本试验中，千屈菜幼苗干旱胁迫下CAT 活性都比对照组低，一方面可能是由于H2O2的积累使其失活，另一方面可能是发生了光失活［35］，SOD 的活性变化与CTA 变化一致。而POD 和APX 快速增加，活性值均高于对照组。几种酶协调配合，共同增强防御干旱的能力。几种酶活性变化情况不一致可能是由于植物调动其他的活性氧清除系统［35］。可见，在PEG 胁迫下，保护酶系统整体发挥作用，并非单一的酶起作用。

4 结论

PEG 模拟干旱胁迫下，千屈菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数，幼苗的根长、株高和鲜重在PEG 5%处理时，均达最大值；PEG 25%时达到最小值，且低于CK。幼苗的各项生理指标随干旱胁迫的增加，变化规律不相同。PEG 浓度与种子萌发和幼苗生长各指标呈负相关。