呂青云，胡德活，鄧厚銀，晏 姝，韋如萍，王潤輝，鄭會全

(廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520)

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我國亞熱帶地區(qū)最重要的針葉用材樹種之一[1—2]，速生、材質(zhì)優(yōu)、用途廣，經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價值顯著。目前，有關(guān)杉木的研究主要集中在種質(zhì)資源的收集保存、優(yōu)良親本選擇、雜交育種、子代測定、多世代育種、生長材質(zhì)及開花結(jié)實(shí)性狀變異分析，以及無性系適應(yīng)性和抗逆性研究等方面[3—5]，研究內(nèi)容涉及表型觀察、生理生化指標(biāo)測定、分子生物學(xué)等多個層次[6—8]。

種子及幼苗對逆境脅迫較為敏感，是研究植物響應(yīng)干旱脅迫的理想材料[9—11]。但有關(guān)杉木種子及其幼苗耐旱性的研究相對較少，且以發(fā)芽率、發(fā)芽勢、萌發(fā)時間、生長量等方面的指標(biāo)為主[12]，對于種子及幼苗不同發(fā)育期的耐旱性形態(tài)特征變化方面資料缺乏。為此，本研究以廣東杉木第二代改良種子園種子為試材，利用聚乙二醇(PEG-6000)模擬不同程度干旱脅迫，監(jiān)測干旱脅迫下的種子萌發(fā)、幼苗子葉期和真葉期不同發(fā)育階段的形態(tài)變化，以期為杉木種子和幼苗生長發(fā)育過程中的耐旱特性研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

以廣東杉木第二代改良種子園種子及其不同發(fā)育時期幼苗為試材。

1.2 方法

1.2.1 不同干旱脅迫下種子萌發(fā)測定

利用聚乙二醇(PEG-6000)和蒸餾水配制不同濃度溶液(5%、10%、20%和40%)模擬不同程度(輕度、中度、較強(qiáng)、重度)干旱脅迫，以蒸餾水處理為對照。參試種子均由鐘鼎式分樣器抽取并在種子凈度分析臺上挑選獲得(籽粒飽滿的種子)，不同程度干旱脅迫處理參試種子各300粒，分3個重復(fù)，每個重復(fù)100粒種子并同放在鋪有濾紙(已吸收飽和各類型培養(yǎng)液)的培養(yǎng)皿(直徑90 mm)中，種子均勻鋪置。發(fā)芽試驗(yàn)在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，培養(yǎng)條件：25 ℃，光照培養(yǎng)11 h，暗培養(yǎng)13 h。每天觀測記錄種子發(fā)芽情況并計(jì)算發(fā)芽率，末次計(jì)數(shù)時間是第14 d。發(fā)芽率=(萌發(fā)種子數(shù)/100)×100%。

1.2.2 杉木幼苗干旱脅迫處理

利用聚乙二醇(PEG-6000)及 1/2Hoagland營養(yǎng)液配制不同濃度溶液(5%、10%、20%和 40%)模擬不同程度干旱脅迫，以1/2Hoagland營養(yǎng)液處理為對照。子葉前期或后期或真葉期幼苗不同程度干旱脅迫處理參試幼苗各 30株，分 3個重復(fù)，每個重復(fù)10株進(jìn)行水培處理。培養(yǎng)條件：25 ℃，光照培養(yǎng)11 h，暗培養(yǎng)13 h。對實(shí)驗(yàn)苗木連續(xù)觀測，處理48 h后，旱響應(yīng)特征穩(wěn)定，此時分別取樣分析。真葉期幼苗失水率=(鮮重-失水重)/鮮重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)初步整理、統(tǒng)計(jì)分析、圖表制作等。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱條件下杉木種子的萌芽特性

未經(jīng)脅迫(對照)的杉木種子3 d后開始萌發(fā)，但在干旱條件下(5%、10%、20%、40% PEG-6000處理)，種子萌發(fā)進(jìn)程明顯延滯，且隨干旱程度的加劇，起始萌發(fā)時間不斷后延(圖1: A)。尤其是，干旱處理顯著降低杉木種子的發(fā)芽率。如第9天時，未經(jīng)脅迫的杉木種子發(fā)芽率達(dá)47%，但遭輕度干旱脅迫的種子(5% PEG-6000處理)發(fā)芽率僅為18%，中度脅迫(10% PEG-6000處理)種子發(fā)芽率進(jìn)一步下降(6%)，較強(qiáng)脅迫(20% PEG-6000處理)和重度脅迫(40%PEG-6000處理)下種子甚至未有發(fā)芽跡象。連續(xù)觀測結(jié)果顯示，直至14 d時，未經(jīng)脅迫的杉木種子已充分發(fā)芽(發(fā)芽率 64%)，此時輕度脅迫的種子發(fā)芽率可達(dá)44%，但芽苗發(fā)育進(jìn)程明顯滯后；中度脅迫的種子發(fā)芽率(40%)略低于輕度脅迫，芽苗發(fā)育進(jìn)程也略緩(圖1: A、B)。值得注意的是，較強(qiáng)脅迫和重度脅迫顯著抑制杉木種子發(fā)芽率，重度脅迫下種子發(fā)芽率甚至為 0。顯微觀測結(jié)果進(jìn)一步顯示，較強(qiáng)脅迫顯著抑制胚的生長，并迫使胚根膨脹、胚芽頂端發(fā)卷，至重度脅迫時，胚發(fā)育嚴(yán)重受阻，甚至壞死(圖1: C)。而中度脅迫則使胚發(fā)育速度明顯減緩，輕度脅迫顯然也對胚發(fā)育產(chǎn)生重要的影響，如胚軸出現(xiàn)泛紅并稍有膨大等癥狀。以上結(jié)果表明，杉木種子萌發(fā)初期對水分尤為敏感，耐旱性不強(qiáng)。

2.2 杉木幼苗子葉期耐旱性分析

對杉木幼苗子葉期兩階段(子葉前期和后期)進(jìn)行干旱脅迫處理，至48 h時，處于子葉前期的幼苗對輕度(5% PEG-6000)和中度(10% PEG-6000)干旱脅迫具有較強(qiáng)的耐受性，但干旱程度升至較強(qiáng)以上(20% PEG-6000、40% PEG-6000)水平時，幼苗整株脫水嚴(yán)重，耐受性差(圖2)。與子葉前期相比，子葉后期的幼苗耐旱性有所提高，干旱處理48 h后，幼苗對較強(qiáng)的干旱脅迫具有一定的耐受性，而重度脅迫下的幼苗耐旱性明顯好于子葉前期，葉片不發(fā)生明顯卷曲、胚軸處較飽滿。不可忽略的是，處于子葉后期的杉木幼苗經(jīng)48 h培養(yǎng)后可初露較明顯的針葉(對照)，但干旱脅迫使這一進(jìn)程有所減緩(圖2)。

圖1 不同濃度PEG-6000模擬干旱脅迫下杉木種子萌發(fā)情況Fig. 1 Germination of the Chinese fir seeds under different drought stresses simulated by PEG-6000

圖2 杉木幼苗子葉期對不同PEG-6000濃度模擬干旱水平的耐受性表現(xiàn)(處理48 h后)Fig. 2 Tolerance of Chinese fir seedlings to different drought stresses simulated by PEG-6000 at cotyledon phase (after 48 h with treatment)

2.3 杉木幼苗真葉期耐旱性分析

對杉木真葉期幼苗進(jìn)行干旱脅迫處理，結(jié)果顯示，48 h后，杉木幼苗對輕度(5% PEG-6000)和中度(10% PEG-6000)脅迫依然具有較強(qiáng)的耐受性，當(dāng)干旱升至較強(qiáng)程度(20% PEG-6000)時，幼苗根部有脫水特征，但地上部分組織(葉和莖)表現(xiàn)較正常；至重度干旱(40% PEG-6000)時，幼苗根部嚴(yán)重脫水，葉片發(fā)生萎蔫(圖3: A)。幼苗水分含量測定表明，輕度、中度、較強(qiáng)干旱脅迫均使真葉期幼苗發(fā)生脫水現(xiàn)象，但失水率僅為2.4%～2.5%，至重度脅迫時，失水率達(dá) 4.4%(圖 3: B)。

圖3 杉木幼苗真葉期對不同PEG-6000濃度模擬干旱水平的耐受性表現(xiàn)(處理48 h后)Fig. 3 Tolerance of Chinese fir seedlings to different drought stresses simulated by PEG-6000 at true leaf phase (after 48 h with treatment)

3 討論

水分是限制植物生長發(fā)育的重要因子之一。本研究發(fā)現(xiàn)，杉木種子萌發(fā)初期對水分尤為敏感，耐旱性不強(qiáng)，尤其是隨干旱程度加劇，種子起始萌發(fā)時間不斷后延且發(fā)芽率顯著降低。值得注意的是，處于子葉后期的杉木幼苗較子葉前期耐旱，處于真葉期的幼苗對輕度(5% PEG-6000)和中度(10%PEG-6000)脅迫具有較強(qiáng)的耐受性(處理48 h后)。

種子萌發(fā)常常被看作是植物生命周期的開始，種子的萌發(fā)時間和萌發(fā)率易受環(huán)境影響，其中水分是很重要的因素之一[13]。PEG-6000因分子量大，不易進(jìn)入植株內(nèi)等特性，被廣泛用于植物抗旱研究[14]。PEG-6000濃度會影響溶液滲透勢，溶液滲透勢決定著種子細(xì)胞從外界吸收水分的能力，隨著滲透勢的降低，種子細(xì)胞吸水越少，當(dāng)溶液滲透勢降低到一定水平，植物開始出現(xiàn)失水，從而影響種子萌發(fā)[15]。方祿明[12]探究了 PEG脅迫對杉木種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，發(fā)現(xiàn)濃度不小于5% PEG溶液會顯著延遲種子起始萌發(fā)時間和降低發(fā)芽率，20% PEG溶液是杉木種子萌發(fā)極限濃度，即大于此濃度時杉木種子完全不萌發(fā)。王飛等[16]探究了沙地云杉(Picea mongolica)和青海云杉(P. crassifolia)種子萌發(fā)和幼苗生長對干旱鹽堿脅迫的響應(yīng)，其結(jié)果表明干旱脅迫對沙地云杉和青海云杉種子萌發(fā)具有顯著的抑制作用，降低種子發(fā)芽率，推遲種子初始萌發(fā)時間、延長種子的萌發(fā)時間等，其抑制程度隨著滲透壓的增大而增大，說明溶液的低水勢阻礙了種子萌發(fā)。本研究使用4個濃度梯度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫對杉木種子萌發(fā)的影響，經(jīng) 5%和 10%PEG-6000處理的杉木種子具有中等水平的發(fā)芽率，但經(jīng)20%和40% PEG-6000處理的種子發(fā)芽率極低，甚至在40% PEG下種子發(fā)芽率為0，表明輕度和中度干旱脅迫的杉木種子具有一定耐旱性。值得注意的是，隨干旱程度的加劇，杉木種子起始萌發(fā)時間延滯，發(fā)芽率降低。與方祿明[12]的研究有所不同的是，本研究影響杉木種子萌發(fā)的 PEG極限濃度為40%，這可能與杉木種子來源有關(guān)。

干旱脅迫不僅對種子發(fā)育有影響，對幼苗水分平衡也產(chǎn)生重要作用，但作用程度因植物種類、組織類型、發(fā)育期而異[17]。本研究發(fā)現(xiàn)，輕度、中度、較強(qiáng)干旱脅迫均使杉木真葉期幼苗發(fā)生脫水現(xiàn)象，但失水率僅為2.4%～2.5%，至重度脅迫時，失水率也只有 4.4%，表明真葉期幼苗在短期(48 h)脅迫下失水量有限。但從表型監(jiān)測圖像看(圖3: A)，這種影響不可忽略，尤其對重度干旱脅迫的幼苗，其根部業(yè)已嚴(yán)重脫水。另外，與子葉后期相比，真葉期幼苗根部在較強(qiáng)和重度干旱脅迫下更易脫水，這可能與根部同時承受滲透壓及地上部分針葉蒸騰作用較強(qiáng)有關(guān)。

本研究從杉木種子發(fā)芽率、萌發(fā)狀態(tài)、胚發(fā)育表型特征及幼苗形態(tài)、幼苗失水率等指標(biāo)對不同發(fā)育時期的杉木種子和幼苗的耐旱性進(jìn)行初步分析，為杉木種子育苗的栽培管理提供參考。