3种草本植物种子萌发及幼苗生长生理对干旱胁迫的响应

文竹梅, 冯玉超, 刘青青, 陈艳芳, 陈云龙, 刘 博,2, 王正宁,2

(1.福建农林大学林学院; 2.海峡两岸红壤区水土保持协同创新中心, 福建 福州 350002)

种子萌发和幼苗定居是植物对外界环境压力反应最为敏感的时期，是种群更新过程中的一个重要阶段[1].土壤水分、养分、凋落物、温度等环境因子都会影响植物种子的萌发以及幼苗的生长发育乃至存活.在诸多因子中，土壤水分是种子萌发和幼苗建成的必要条件.水分不仅影响种子和幼苗内部酶的活性，还影响其内部物质的转运以及种子的吸水和气体交换，这对种子的正常萌发是极其重要的[2].通常种子发芽率和发芽势在干旱条件下会明显降低[3].虽然适度干旱胁迫可以促进旱生植物胚根的生长[4]，但随着干旱胁迫的加剧，植物胚根的生长发育会受到明显抑制[5-6].同时，干旱延缓了种子胚根的生长，必然降低植物获取无机营养的能力，进而间接影响种子胚轴的生长，胚轴随干旱强度的增大而减小[3].因而持续高强度的干旱胁迫势必抑制幼苗生长[6].由于幼苗对环境胁迫的忍受能力弱，幼苗死亡率高成为绝大多数生态系统中种群更新的“瓶颈”[7-8].不同物种的生物生态学特性以及对外界环境因子的适应能力存在差异，所采取的生态对策也往往不同，进而影响种群更新动态和分布格局[1].

研究[9-10]表明，退化生境中缺乏持续有效的表层土壤水分，往往限制了种子萌发和幼苗存活.在气候变化及人类活动的扰动下，红壤花岗岩风化壳侵蚀退化土壤的水分普遍不足，土壤有效含水量往往侵蚀较轻，尤其表层土壤含水量更容易受到气候等随机因素的影响[11].降雨后裸地红壤水分含量响应提高慢、下降快，雨过天晴，在太阳辐射下表土很快呈现干旱现象，形成对植物生长发育不利的小气候环境[11].因此退化红壤区植被在更新恢复过程中，种子萌芽形成的植株在幼苗阶段95%以上会死亡[12].在退化的热带季雨林地区，由于土壤含水量常年低于乡土树种种子，干季地表温度高于种子的忍耐温度，土壤表层有机质难以供应种子萌发后所需的营养，导致乡土树种不可能越过上述土壤的阈值而成功定居[13].低丘红壤区季节性干旱和土壤物理性退化等造成土壤水环境问题[14]，严重影响着红壤退化植被的更新恢复进程[15].

聚乙二醇(PEG)是一种强亲水性大分子有机物，用PEG-6000溶液渗透方法模拟干旱胁迫具有操作简便、周期较短、重复性好等特点，常被用于植物抗旱性研究[3,16].研究[5,17]表明，外界胁迫下种子的萌发特性在种内或种间表现出一定的差异，通常高浓度PEG胁迫会强烈抑制种子和幼苗的生长.目前，在全球气候变化背景下，有关干旱胁迫对植物种子萌发及幼苗生长的研究多是针对干旱半干旱地区的植物，热带及亚热带地区的植物并未给予足够关注[17-18]，尤其植被退化区表层土壤水分不足对于草本植物的影响以及不同植物对于干旱的响应等方面研究不足.鉴于此，本研究以红壤退化区植被恢复初期3种常用草本植物宽叶雀稗(Paspalumwettsteinii)、香根草(Vetiveriazizanioides)和狗牙根(Cynodondactylon)为研究对象，通过设置不同浓度PEG-6000模拟干旱胁迫，探索不同植物种子和幼苗的生长特性与抗逆性，旨在揭示种子萌发与幼苗生长阶段对外界胁迫的响应，了解不同植物侵入和退出生态系统的机制，以及红壤退化区植物定植及植被恢复更新难的机制.

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为宽叶雀稗、香根草和狗牙根种子，均购于厦门三水园林绿化工程有限公司.本试验共设置5个处理，即5%、10%、15%、20%、25%PEG-6000浓度；以蒸馏水为对照(CK).每个处理3个重复.首先精选出颗粒饱满、大小一致的种子，用0.5% KMnO4溶液消毒处理20 min，经纯水洗净放入装有蒸馏水的烧杯中浸种，浸种24 h后取出，用蒸馏水清洗3次，晾干后置床.在经过消毒处理的培养皿(d=9 cm)中铺设2层无菌滤纸作为种子发芽床，将随机取到的种子均匀地放置于滤纸上，每个培养皿加入适量不同浓度的PEG溶液，每个处理3个重复，每个重复50粒种子.胁迫处理后将培养皿放入人工气候箱中培养，温度20～25 ℃，湿度80%，每天光照处理12 h，黑暗处理12 h，光强统一设置为5 000 Lx.

同时选取颗粒饱满、无病虫害的宽叶雀稗、香根草和狗牙根种子，用0.5%KMnO4溶液消毒20 min，并用蒸馏水浸种24 h后清洗数次.采用温室盆栽育苗，基质为营养土.将种子均匀撒在土壤表面，覆土0.5 cm，在阳光充足的32孔穴塑料育苗盆内培养，常规管理.待种子生根，植物幼苗长至一定时间后，每组选取长势相同且健壮的植物幼苗，从土中取出用清水将根上泥土冲洗干净后，分别移入0%、5%、10%、15%、20%、25%的PEG-6000溶液中，光照12 h·d-1，其它培养条件不变.每个处理3次重复，将各植物幼苗置于培养箱中常温培养.分别于第0、 12、 24、 48和72小时各取样一次，测定干旱胁迫对植物幼苗影响的各项生理指标[18-20].

1.2 种子萌发和幼苗生长指标的测定

从种子着床之日起观察，以胚根突破种皮2 mm作为发芽标准，将3次重复中最早的1粒种子发芽之日作为该处理发芽的开始期，每天定时记录发芽种子数，以连续7 d不再有种子发芽作为发芽结束日期.计算发芽率、发芽指数、发芽势.发芽结束后继续培养15 d，之后从每个处理中随机选取10株幼苗，测定并记录幼苗的根长、苗高及鲜重.计算公式表示如下：

发芽率/%=(发芽种子数/供试种子数)×100

发芽势/%=(达到发芽高峰期的种子数/供试种子数)×100

发芽指数=Σ(Gt/Dt)

式中：Gt为发芽时间t内每日发芽数；Dt为相应的发芽天数.

活力指数=GI×S

式中：GI表示发芽指数；S为幼苗根的长度.

1.3 幼苗生理指标的测定

称取0.2 g叶片鲜样，洗净擦干后，放入冰浴研钵中，加入2 mL的磷酸缓冲液(0.05 mol·L-1, pH=7.8)快速研磨为匀浆，再加3 mL磷酸缓冲液将匀浆冲洗到离心管中，在4 ℃、10 000 r·min-1条件下冷冻离心20 min，取上清液放入4 ℃冰箱保存、待测.超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法测定；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定.每个处理均设3个重复.

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0软件对所有数据进行统计分析，处理间的差异采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差法(LSD)进行差异显著性检验(α=0.05)；采用双因素方差分析(two-way ANOVA)，将胁迫强度和物种作为影响因子，分析因子及其交互作用对种子萌发和幼苗生长的影响.利用Origin 2021软件作图.图表中数据为平均值±标准差.

2 结果与分析

2.1 PEG-6000模拟干旱胁迫对种子发芽的影响

2.1.1 对发芽率和发芽势的影响 高浓度PEG胁迫显著抑制了3种草本植物种子的发芽率，但3种植物种子对PEG胁迫的响应程度存在差异.与对照相比，低浓度(5%和10%)PEG胁迫种子发芽率并未显著下降或提高，3种植物种子均保持较高的发芽率.PEG胁迫浓度提高至15%时，香根草和狗牙根种子的发芽率受到显著抑制，但仍为82.0%和69.5%；而宽叶雀稗发芽率仍高达90.0%.20%PEG胁迫时宽叶雀稗和香根草发芽率仍高达85.0%和82.0%；25%高浓度PEG胁迫显著影响植物种子的发芽率，导致种子基本不能成功萌发.5%～20% PEG胁迫下3种草本植物的发芽率均表现为香根草>宽叶雀稗>狗牙根，香根草与宽叶雀稗的发芽率之间没有显著差异，且显著高于狗牙根发芽率.宽叶雀稗种子发芽势表现为先增加后下降的趋势，而香根草和狗牙根对照种子的发芽势最高.总体上，当PEG胁迫浓度增达到15%及以上时，各植物种子的发芽势均显著低于对照，当PEG浓度为25%时，各植物种子发芽势趋于0，各植物种子的萌发能力显著受限于水分胁迫强度.与发芽率不同，除10% PEG胁迫下3种植物发芽势不存在显著差异外，其余各处理3 种植物间均表现出一定的差异性.胁迫强度、物种及其交互作用对发芽率和发芽势有显著影响(表1).

不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05);不同大写字母表示相同处理不同草本植物之间差异显著 (P<0.05).图1 不同浓度PEG胁迫下3种草本植物种子发芽率和发芽势Fig.1 Seed germination rate and germination potential of 3 herb species under different levels of PEG stress

表1 PEG胁迫、物种及其交互作用对萌发、生长特征影响的双因素方差分析Table 1 ANOVA analysis on effects of PEG stress, species and their interactions on germination and growth performance

2.1.2 对种子活力和发芽指数的影响 PEG胁迫对3种植物种子发芽指数和活力指数有显著影响.总体上随PEG胁迫强度的增大，发芽指数和活力指数基本表现出下降趋势，且PEG浓度提高至15%后，发芽指数和活力指数较低浓度胁迫降幅明显增大.其中宽叶雀稗发芽指数和活力指数均显著低于对照，各处理间发芽指数和活力指数均存在显著差异；而香根草发芽指数和狗芽根种子活力指数在5%PEG时最大，且显著高于其余处理.各处理香根草种子活力指数和发芽指数显著高于其余两种植物.胁迫强度、物种及其交互作用对活力指数和发芽指数有显著影响(表1).

2.2 PEG-6000模拟干旱胁迫对幼苗生长特性的影响

PEG胁迫处理下，3种草本植物的根长、苗高和鲜重均受到显著影响.总体上随着胁迫程度增加，中高浓度胁迫阶段，除宽叶雀稗苗高外，3种植物的根长、苗高和鲜重趋于下降且各项指标均显著低于对照，3种植物生长及生物量积累受到明显抑制.在5%低浓度处理下狗牙根根长和苗高显著高于对照，低浓度处理对狗牙根植株生长表现出一定的促进作用.在中低浓度PEG胁迫下，香根草幼苗的根长、苗高和鲜重均高于宽叶雀稗和狗牙根幼苗，且均显著高于宽叶雀稗幼苗；而高浓度PEG胁迫下，3种植物的根长、苗高和鲜重差异不显著.3种植物幼苗根长、茎高和鲜重受到胁迫强度、物种及其交互作用的显著影响(表1).

图2 不同浓度PEG胁迫下3种草本植物种子的活力指数和发芽指数Fig.2 Seed vigor index and germination index of 3 herb species under different levels of PEG stress

图3 不同浓度PEG胁迫下3种草本植物幼苗的根长、苗高和鲜重Fig.3 Root length, seedling height and fresh weight of 3 herb species under different levels of PEG stress

2.3 PEG-6000模拟干旱胁迫对幼苗保护酶活性的影响

SOD、POD和CAT是植物膜脂过氧化防御系统的3种主要保护酶.宽叶雀稗和狗牙根的SOD活性在各处理组基本呈现出随胁迫时间增加而下降的趋势，而香根草SOD活性表现为随胁迫时间增加先上升后下降的趋势.不同胁迫强度下POD活性的变化趋势不同.低浓度(5%、10%)胁迫下，随着胁迫时间的增加，在胁迫后期POD活性趋于增大，均在72 h后达到峰值，并显著高于其他处理(P<0.05).随胁迫浓度的增大，3种植物的CAT活性峰值时间趋于提前，但不同植物峰值时间点不同.如宽叶雀稗在5%PEG下CAT浓度持续下降，10%PEG下CAT浓度持续上升；在15%、25%和20% PEG胁迫下其峰值分别出现在第24和36小时，且峰值显著高于其他时段.

图4 不同浓度PEG胁迫下3种草本植物幼苗的SOD、POD和CAT活性Fig.4 SOD, POD and CAT activities of seedlings of 3 herb species under different levels of PEG stress

3 讨论与结论

种子萌发是植物生活史周期的关键阶段，对环境变化高度敏感[21].在此阶段植物种子正常萌发需要适宜的水分条件，不同植物种子萌发所需的水分条件不同.本研究发现，干旱胁迫、物种及其交互作用显著影响宽叶雀稗、香根草和狗牙根种子的萌发.本试验中3种植物种子的萌发率均较高，随着干旱胁迫程度的加大，萌发率下降，低浓度(5%、10%)PEG胁迫下3种植物种子的发芽率下降不显著，表明轻度干旱胁迫并不显著抑制种子萌发.研究[16，22]也发现，轻度干旱胁迫不能显著影响植物种子的发芽率；而轻度干旱胁迫对几种荒漠植物种子萌发有促进作用[6,23].但高强度的干旱胁迫会显著降低种子活力、发芽率以及发芽势；高浓度PEG胁迫下3种植物种子发芽率显著下降，种子萌发受到明显抑制，这与前人研究结果[22,24，25，34]相吻合.种子发芽势、发芽指数、活力指数均显著下降，中高浓度处理种子发芽势下降幅度明显大于发芽率变化幅度，这可能是由于发芽势对干旱胁迫更敏感[26].

研究[27]表明，轻度干旱胁迫可促进胚根生长，而高强度干旱则会显著抑制胚根生长；不同植物幼苗生长对干旱胁迫往往具有不同的响应，表现出不同的干旱适应能力[17,28].本研究中轻度干旱胁迫下，宽叶雀稗和狗牙根幼苗的根长和苗高均大于对照，且狗牙根幼苗根长和苗高显著高于对照，表明轻度胁迫对宽叶雀稗和狗牙根幼苗生长有一定的促进作用；而香根草幼苗无论根长、苗高还是鲜重均随干旱程度的增大而显著下降，表明干旱胁迫显著抑制了香根草幼苗根系的生长，导致在干旱环境下其幼根无法从深层土壤中获取水分等营养资源，难以支撑植物体生长，从而失去萌发、存活以及生殖机会.而宽叶雀稗和狗牙根虽然在低浓度胁迫下根长和苗高增加，但鲜重显著下降，幼苗表现出“细高”的形态特征；其生长势受到影响，导致其难以应对持续干旱或强降雨气候.在PEG浓度为25%时 出现“无发芽”、“无根苗”和“芽苗短小”的现象，说明植物幼苗抗旱能力达到极限，高浓度干旱胁迫使植物种子萌发失败，即使萌发成功，胚根、胚芽进一步生长发育受阻，导致幼苗死亡.

当植物处于逆境，植物细胞内自由基的产生和消除平衡会受到破坏，出现自由基积累，由此引发或加剧细胞膜脂过氧化[19].在干旱条件下，保护酶活性的变化因物种、胁迫方式、胁迫强度和时间的变化而不同，保护酶系统的防御能力变化是这几种酶彼此协调的综合结果[29].随着胁迫时间增加，3种植物幼苗的SOD活性下降，短时间内清除自由基能力下降，说明干旱胁迫下SOD保护酶活性并不能持续维持在一个较高的水平，自由基得不到有效清除，膜脂过氧化水平升高，从而导致膜系统受到伤害.同时植物所受的胁迫程度越高，其POD和CAT活性越早到达峰值，干旱胁迫越严重，植物幼苗的POD和SOD活性也越低.低浓度胁迫下，植物可通过提升POD和CAT活性来抵御较长时间的干旱环境.野外环境下，干旱时间越长，环境干旱程度也会越加严重，植物3种酶活性会快速下降，植物抵御干旱能力下降.

本研究结果表明，在中度干旱胁迫下，植物种子仍然维持较高的发芽率，尤其是宽叶雀稗和香根草，在20%PEG胁迫下其发芽率仍高达80%以上.然而在轻度干旱胁迫下，种子萌发后的幼苗根长、茎高以及鲜重等生长指标已经受到显著抑制.研究区地表高温及干旱导致根系吸水效率降低，从而造成幼苗死亡[30]，进而导致其建植率下降.