關(guān) 正，王麗君，段 玲，周正霄，張粉果，王永吉

(1.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，太原 030000； 2.唐山植物園，河北 唐山 063000；3.山西省臨汾市堯都區(qū)氣象局，山西 臨汾 041004)

近年來，干旱問題頻發(fā)已經(jīng)引起全球關(guān)注，而我國干旱半干旱地區(qū)占全國總面積的比重越來越大，高溫和干旱脅迫問題日益突出，解決干旱對植物的影響便顯得尤為重要[1]。在植物的生活史中，最關(guān)鍵也是最脆弱的階段就是種子的萌發(fā)期[2]，逆境能夠影響種子生長及生理活動的進行，嚴(yán)重時會使植物子代致死甚至滅絕[3]。與此同時水分作為種子生長階段的重要條件之一，能夠在植物體內(nèi)形成水分活化酶，推動種子新陳代謝[4]。因此，選擇品質(zhì)優(yōu)良的植物品種在加快干旱地區(qū)的植被生態(tài)建設(shè)、保護生態(tài)和農(nóng)業(yè)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展方面有著重大的實踐意義。

苘麻(AbutilontheophrastiMedicus)為錦葵科苘麻屬一年生亞灌木草本，我國各省市均可產(chǎn)出，可用作紡織工業(yè)原料和重要的藥材，全株皆可藥用[5]。PEG作為水分脅迫劑可以使植物處于干旱脅迫中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到農(nóng)作物等植物的抗旱研究中[6-8]。目前，國內(nèi)外對苘麻種子的研究主要集中于從生理生化角度對苘麻種子的萌發(fā)特性[9]、耐鹽堿性[10]以及藥用價值方面進行研究，許多學(xué)者研究玉米、小麥等經(jīng)濟作物的干旱脅迫[11-13]，但干旱脅迫對苘麻種子影響方面的報道甚少。本研究以苘麻種子為試驗對象，通過苘麻種子萌發(fā)過程中改變溫度、光照及PEG-6000濃度，分析苘麻種子在不同程度干旱脅迫下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)，進而了解苘麻種子對干旱脅迫的抵抗能力，為植被生態(tài)恢復(fù)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試苘麻種子(千粒重約9.407 0 g)采自山西省臨汾市堯都區(qū)平水街路邊廢棄撂荒地(36°6′N,111°29′E)。采集后將種子在室溫下晾干并放入塑封袋中, 于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩嶒炃斑x擇顆粒相對飽滿、質(zhì)地均勻的苘麻種子，用0.5% KMnO4溶液消毒15 min，然后用蒸餾水洗凈并晾干，備用。參照Burlyn E等[14]的方法，配置不同濃度的PEG-6000溶液模擬土壤干旱脅迫(-0.2 MPa、-0.4 MPa、-0.6 MPa、-0.8 MPa、-1.0 MPa),每個水勢下各配置100 mL。

1.2 試驗方法

1.2.1溫度和光照處理對苘麻種子萌發(fā)的影響

設(shè)置5組溫度梯度：15 ℃/5 ℃、20 ℃/10 ℃、25 ℃/15 ℃、30 ℃/20 ℃、35 ℃/25 ℃，設(shè)置2個光照條件：自然光照(12 h光照、12 h黑暗)和全黑暗。在不同的溫度梯度和光照條件下，共進行10組處理，每組處理4次重復(fù)。選取1 000粒已經(jīng)消毒的苘麻種子，每個培養(yǎng)皿中均勻地放置25粒，并滴加蒸餾水，使濾紙?zhí)幱跐櫇駹顟B(tài)。

將需要自然光照處理的培養(yǎng)皿放入透明塑料袋，需要進行全黑暗處理的培養(yǎng)皿放入遮光密封袋，標(biāo)記溫度和對應(yīng)序號，放入智能光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)。每天在固定時間觀察苘麻種子萌發(fā)情況并記錄數(shù)據(jù)，種子以胚根露白視為正常發(fā)芽，同時保證苘麻種子處于濕潤環(huán)境下萌發(fā)，連續(xù)3 d不發(fā)芽，停止實驗，統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.2.2干旱脅迫處理對苘麻種子萌發(fā)的影響

在前期若干次預(yù)實驗的最優(yōu)結(jié)果基礎(chǔ)上，本研究選擇溫度為30℃，自然光照條件下進行試驗，根據(jù)Michel的公式[14]配置不同濃度的PEG-6000溶液模擬土壤干旱脅迫(0 MPa、-0.2 MPa、-0.4 MPa、-0.6 MPa、-0.8 MPa、-1.0 MPa):

ψS=-(1.18×10-2)×C-(1.18×10-4)×C2+ (2.67×10-4)×C×T+(8.39×10-7)×C2×T，

其中：ψS表示溶液水勢 (bar)；C表示PEG-6000濃度(g/kg)，T表示溫度(℃)。

以蒸餾水作為對照(ck)，在不同的水勢下開展試驗。選取500粒已經(jīng)消毒的苘麻種子，每個培養(yǎng)皿中放置25粒，滴加相對應(yīng)的PEG-6000溶液，將濾紙潤濕，每組處理4次重復(fù)。將標(biāo)記好的密封袋放入智能光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，在固定時間觀測記錄數(shù)據(jù)，同時保證苘麻種子的萌發(fā)處于相對穩(wěn)定的環(huán)境。當(dāng)重復(fù)組開始出現(xiàn)種子萌發(fā)，視為萌發(fā)初始期，每天定時對苘麻種子萌發(fā)數(shù)進行記錄，如果持續(xù)3 d無新種子萌發(fā)，記為種子萌發(fā)終止。統(tǒng)計苘麻種子的發(fā)芽率，出現(xiàn)萌發(fā)高峰期時對發(fā)芽勢進行統(tǒng)計，同時計算發(fā)芽指數(shù)。根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)分析不同干旱脅迫對苘麻種子萌發(fā)的影響，從而探究苘麻種子的抗旱能力。

1.2.3測定指標(biāo)

日相對萌發(fā)率(%)=(每日正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽率(%)=(連續(xù)3 d內(nèi)種子不再萌發(fā)的累積發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù))×100%;

發(fā)芽勢(%)=[發(fā)芽高峰期發(fā)芽的種子數(shù)(以第4天萌發(fā)種子數(shù)計)/供試種子數(shù)]×100%;

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，Gt表示第t天的種子萌發(fā)數(shù)，Dt表示相對應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)[15]。

采用Origin 2019軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并采用SPSS 24.0軟件進行單因素方差分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度和光照處理對苘麻種子萌發(fā)的影響

苘麻種子的發(fā)芽率會隨溫度的上升而增大。當(dāng)溫度為35 ℃/25 ℃時，苘麻種子的發(fā)芽率達到51%左右，與30 ℃/20 ℃條件下的發(fā)芽率差異顯著(p<0.05)，25 ℃/15 ℃和30 ℃/20 ℃的發(fā)芽率次之，分別為26%和29%，差異不顯著(p>0.05)，而15 ℃/5 ℃和20 ℃/10 ℃條件下的發(fā)芽率均較低，分別為8%和13%，且差異不顯著(p>0.05)(圖1)，因此，最適合苘麻種子萌發(fā)的溫度為35 ℃/25 ℃；通過比較，5個溫度梯度的兩種光照條件下發(fā)芽率可以看出，自然光照下苘麻種子發(fā)芽率均高于全黑暗，所以苘麻種子最適宜在自然光照的條件下萌發(fā)。

注：A為自然光照處理；B為全黑暗處理；不同大小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。圖1 不同溫度和光照條件對苘麻種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effects of different temperature and light conditions on seed germination rate of Abutilon theophrasti Medicus

2.2 PEG處理對苘麻種子日相對萌發(fā)率的影響

由圖2可以看出，對照組苘麻種子的萌發(fā)高峰期出現(xiàn)在第3天，日相對萌發(fā)率達到14%；水勢為-0.2 MPa和-0.4 MPa時，苘麻種子均在第4天達到萌發(fā)高峰期，日相對萌發(fā)率為15%和9%；水勢為-0.6 MPa，苘麻種子的萌發(fā)高峰期為第6天，日相對萌發(fā)率降為4%；水勢達到-0.8 MPa時，在第7天達到種子的萌發(fā)高峰期，日相對萌發(fā)率僅為2%；水勢達到-1.0 MPa時，苘麻種子的萌發(fā)無法繼續(xù)進行。整體看，PEG濃度的增加會導(dǎo)致苘麻種子的萌發(fā)時間都會有所延長。

圖2 PEG-6000處理下苘麻種子的萌發(fā)進程Fig.2 Germination process of seeds of Abutilon theophrasti Medicus under PEG-6000 treatments

2.3 PEG處理對苘麻種子累積發(fā)芽率的影響

對照組的苘麻種子最終累積發(fā)芽率為51 %，隨著PEG濃度的升高，苘麻種子的發(fā)芽率逐漸降低，但水勢為-0.2 MPa時，苘麻種子的最終累積發(fā)芽率高達53%，明顯高于對照組，說明輕度的干旱脅迫對苘麻種子的萌發(fā)影響不顯著，反而會促進苘麻種子的萌發(fā)；而當(dāng)水勢為-0.4 MPa、-0.6 MPa、-0.8 MPa、-1.0 MPa時，苘麻種子的最終累積發(fā)芽率低于對照組(圖3)，表明干旱脅迫的加劇會抑制苘麻種子的萌發(fā)。水勢為-1.0 MPa時，苘麻種子的累積發(fā)芽率降為0，表明此時苘麻種子已經(jīng)被完全抑制。

圖3 PEG-6000處理對苘麻種子累積發(fā)芽率的影響Fig.3 Effects of PEG-6000 treatments on cumulative germination rate of Abutilon theophrasti Medicus seeds

2.4 PEG處理對苘麻種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響

苘麻種子的發(fā)芽勢隨干旱脅迫的加劇而降低。對照組的發(fā)芽勢為42%，而在水勢為-0.2 MPa時，苘麻種子發(fā)芽勢下降了18%，顯著低于對照組(p<0.05)，當(dāng)水勢為-0.4 MPa，苘麻種子發(fā)芽勢下降了26%，在水勢為-0.6 MPa、-0.8 MPa和-1.0 MPa時，苘麻種子的發(fā)芽率分別下降41%、42%和42%，說明在高濃度脅迫下，苘麻種子的萌發(fā)受到了限制(表1)。同時，苘麻種子的發(fā)芽指數(shù)與PEG濃度成反比，在水勢為-0.2 MPa、-0.4 MPa和-0.6 MPa條件下，苘麻種子的發(fā)芽指數(shù)分別是對照組的55.58%、37.13%和9.94%，且均差異顯著(p<0.05)，而在水勢為-0.6 MPa和-0.8 MPa條件下,苘麻種子的發(fā)芽指數(shù)差異不顯著(p>0.05),在水勢為-1.0 MPa條件下苘麻種子發(fā)芽指數(shù)降到0，表明發(fā)芽已被完全抑制。

圖4 水勢梯度與苘麻種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的回歸分析Fig.4 Regression analysis of PEG concentration on seed germination potential and germination index of Abutilon theophrasti Medicus

表1 PEG-6000處理對苘麻種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響Table 1 Effects of PEG-6000 treatments on seed germination potential and germination index of Abutilon theophrasti Medicus

2.5 水勢梯度與苘麻種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的回歸分析

將PEG濃度與苘麻種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)進行二次函數(shù)回歸分析，得到PEG濃度與苘麻種子發(fā)芽勢的擬合方程：y=24.335x2+45.422x+21.073，R2=0.992 1)，與苘麻種子發(fā)芽指數(shù)的擬合方程為：y=52.679x2+95.107x+42.071，R2=0.984 2，表明PEG-6000濃度與苘麻種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈極顯著相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。

3 討論與結(jié)論

3.1 溫度、光照處理對苘麻種子萌發(fā)的影響

適宜的溫度能夠促進種子萌發(fā)和幼苗更好地生長，溫度過高或過低均不利于植物生長發(fā)育。王金淑[9]的研究結(jié)果表明，苘麻種子在自然光照下萌發(fā)最好，在黑暗下可能處于休眠狀態(tài)；最適合苘麻種子萌發(fā)的溫度為15～30 ℃。本研究表明，苘麻種子萌發(fā)的最適溫度為35 ℃/25 ℃，最適光照條件是自然光照(12 h光照、12 h黑暗)，這與王金淑[9]的研究結(jié)果基本一致。

3.2 干旱脅迫處理對苘麻種子萌發(fā)的影響

近年來，對植物抗旱性的研究多為通過人工控制來模擬干旱脅迫。本試驗通過施加不同濃度的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，探究水分對苘麻種子萌發(fā)的影響。水分作為限制植物種子萌發(fā)的主要因素之一，因此植物的抗逆性可以通過種子的萌發(fā)能力來衡量[16]。陳葉等[17]研究表明，干旱脅迫會導(dǎo)致種子的萌發(fā)期延長。本試驗得出的結(jié)論與陳葉等[17]的研究結(jié)果較吻合，表明水勢對于苘麻種子萌發(fā)的重要性，當(dāng)水分充足時，種子會通過“積極回應(yīng)”策略來促進自身萌發(fā)，相反種子會通過“規(guī)避”策略來推遲自身萌發(fā)。

不同植物對干旱脅迫的反應(yīng)機制不同，一些植物會由于干旱脅迫導(dǎo)致其種子的萌發(fā)指標(biāo)呈下降的趨勢，而有一些植物自身對干旱存在一定的適應(yīng)性[18]。朱慧等[19]研究結(jié)果表明，五爪金龍種子會由于不同程度的脅迫而表現(xiàn)出嚴(yán)重的抑制效應(yīng)，但種子能通過改變自身的反應(yīng)機制去主動適應(yīng)環(huán)境。郭晉梅等[20]通過對白羊草種子萌發(fā)過程的研究發(fā)現(xiàn)，白羊草種子在低濃度的干旱脅迫下能夠萌發(fā)得更好，但在嚴(yán)重缺水的條件下其種子的萌發(fā)會被抑制。本試驗結(jié)果表明，當(dāng)水勢為-0.2 MPa時，苘麻種子的最終發(fā)芽率高于對照組的種子發(fā)芽率，而在水勢為-0.4 MPa、-0.6 MPa、-0.8 MPa和-1.0 MPa時，苘麻種子的最終發(fā)芽率均低于對照組的種子發(fā)芽率，表明苘麻種子在低濃度脅迫下具有抵抗干旱的能力，在高濃度脅迫下，苘麻種子的萌發(fā)會受到抑制。

結(jié)果表明，苘麻種子在35 ℃/25 ℃、自然光照(12 h光照、12 h黑暗)的條件下最適宜萌發(fā)，隨著干旱脅迫程度的不斷加深，苘麻種子初始萌發(fā)期與萌發(fā)高峰期都會出現(xiàn)延遲。與此同時，苘麻種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)都呈降低的趨勢，但水勢為-0.2 MPa時，苘麻種子的發(fā)芽率高于對照組，表明苘麻種子在低濃度的脅迫下具有一定抗旱能力，但在高濃度的脅迫下，苘麻種子的萌發(fā)會被抑制，甚至完全抑制，無法正常萌發(fā)。本試驗通過研究不同溫度、光照及PEG脅迫對苘麻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響，評價了苘麻種子的萌發(fā)能力和抗旱能力，但是對苘麻幼苗生長期的抗旱性有待進一步研究。