PEG6000模拟干旱胁迫对2种沙冬青种子萌发的影响

姜生秀，严子柱，吴 昊

干旱是全球限制作物生产的主要气象灾害，中国是受干旱严重影响的农业大国，据统计，世界干旱半干旱地区占陆地面积的1/3，我国干旱半干旱地区约占国土面积的50%，年降雨量仅在250～500 mm以下，且多集中在7－9月，土壤水分严重亏缺［1］。水分胁迫是地球上植物受到的最严重、最普遍的环境胁迫之一，研究植物的抗旱机理对植物抗旱理论研究和农林业的发展具有重要意义［2］。研究表明，水分缺失引起陆生植物的渗透胁迫［3］，对植物的种子萌发和幼苗生长造成了一定的影响，最终导致作物产量的下降［3］。种子萌发是植物生活史中的重要阶段，决定着植物能否成功在干旱、盐渍环境中定居［5］，并且种子萌发时期的耐旱程度在一定程度上是其抗旱性研究的重要内容［6］。聚乙二醇 (polyethylene glycol，简称 PEG)溶液培养，是人们在进行植物渗透胁迫研究中常用且较理想的模拟干旱胁迫系统［7］，在水稻、小麦等农作物上被广泛使用［8-9］。

沙冬青属(Ammopiptanthus Cheng f.)隶属豆科(Leguminosae)蝶形花亚科(Papilionaceae)，是我国温带荒漠的唯一珍贵常绿灌木［10］，属于国家二级保护植物［11］，是砾质及沙砾质荒漠化草原的建群物种，在亚洲中部的旱生植物区系中属第三纪古亚热带常绿阔叶林的孑遗成分，具有古老的生长史和发展史［12］。沙冬青属是寡种属，仅新疆沙冬青(Ammopiptanthus nanus)和蒙古沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)2个种［9］，其根系发达，具有耐寒、抗旱等特点，是防风固沙的理想树种，同时具有药用、饲用和油料价值，又有园林绿化应用价值［13］。关于沙冬青的耐旱性研究已有一些报道，最早见于对其形态解剖特征及理化性质研究［14-15］，生理生态研究［16］，抗逆性及其机理研究［17］，干旱胁迫下种子萌发［18］等方面然而以上研究大都只是以某种沙冬青为主，而对于该属2种沙冬青之间的比较研究较少，为进一步检验沙冬青耐旱潜力，有必要对2种沙冬青种子萌发过程中耐旱特性进行深入的比较研究。

民勤地处巴丹吉林沙漠东南缘，降雨量小，蒸发量大，气候干燥［19］，因此研究该区域植物的耐旱性有助于理解其对荒漠环境相适应的机制。本试验采用PEG6000进行渗透胁迫，模拟土壤干旱，对2种沙冬青种子的萌发及幼苗生长情况进行比较研究，以揭示沙冬青早期生长的适宜条件及对逆境的反应能力，为今后利用该类植物改善该区域恶劣的荒漠生境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料蒙古沙冬青和新疆沙冬青种子采自民勤沙生植物园，于2016年9月采种，采种后存放于4℃的冷藏箱中。PEG6000(分子量6000)为分析纯溶液，由中国医药(集团)上海化学试剂公司生产。

1.2 指标测定与方法

1.2.1 种子处理与培养方法 挑选大小一致饱满无病害的2种沙冬青种子，用10%的双氧水消毒10 min，蒸馏水反复冲洗3次，在铺有2层吸水滤纸的培养皿上进行不同浓度的PEG6000胁迫培养试验，PEG6000溶液共设7个浓度(0%、4%、8%、12%、16%、20%和24%)，分别为每皿30粒种子，每个处理重复3次。分别加入不同浓度PEG600溶液5 mL，于25℃培养箱进行萌发，湿度65%。此后，每隔1 d滴入2 mL相应浓度的PEG6000溶液，防止滤纸干燥。

1.2.2 发芽率、发芽势和日相对发芽率的测定 种子以胚根露出种皮1 mm视为萌发，将供试种子中第1粒种子萌发之日作为该处理萌发的开始期，以后每隔1 d定时记载萌发种子数，当连续4 d不再有种子萌发时作为萌发试验结束期，计算种子萌发率、发芽势及日相对萌发率。

种子萌发率:GR=SN1/SN0×100%

式中，GR为种子萌发率(%);SN1为供试种子萌发数;SN0为供试种子总数［20］。

式中，GP为种子发芽势(%);SNm为种子萌发达到最高峰时种子萌发粒数(一般以最初1/3天数内萌发种子数计);SN0为供试种子总数［20］。

日相对萌发率:DGR=n/SN0×100%

式中，DGR为种子日相对萌发率(%);n为萌发相应各日的正常萌发粒数;SN0为供试种子总数［21］。

1.2.3 胚芽长、胚根长及萌发种子含水率的测定

发芽结束后，每个处理中各随即挑选10株种苗，分别测定胚芽和胚根的长度，并分别称取鲜重，放入60℃烘箱至恒重，称取干重，按照下式计算萌发种子的含水率:

W=(W1－W2)/W1×100%

式中，W1为种苗的鲜重;W2为种苗的干重。

式中：V为稀释提取液的体积（mL）；N为稀释倍数；C为按标准曲线计算的溶液的总黄酮浓度（mg/mL）；m为样品的质量（mg）。

1.2.4 恢复萌发率的测定 发芽结束后，从16%、20%和24%PEG6000溶液处理后未萌发的种子中选取15粒，用蒸馏水冲洗后放入培养皿中，用蒸馏水润湿滤纸，培养处理5 d。每天记录萌发数并计算恢复萌发率。

恢复萌发率=(蒸馏水中萌发的种子数/蒸馏水中总种子数)×100%

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和Prism5.0软件进行数据统计与分析，均值显著性检验采用单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度PEG6000对2种沙冬青种子萌发率和发芽势的影响

由图1和图2可以看出，蒙古沙冬青种子在4%PEG6000处理时的萌发率和对照非常接近，发芽势小于对照，随后随着PEG6000浓度的增大萌发率和发芽势都明显减小。在4%～12%PEG6000浓度范围内，萌发率和发芽势变化幅度较小，分别为3.33%～22.22%和 1.11% ～ 16.67%，16%时萌发率为 17.81%，与对照之间相差72.23%，与浓度为20%的萌发率相差不大，发芽势接近于0，浓度为24%时的萌发率为2.22%。新疆沙冬青的种子萌发率和发芽势和PEG6000浓度成反比，PEG6000浓度为4%时，萌发率比对照低 3.33%，浓度为 8%时，比对照低24.4%，浓度为12%时，比对照低

图1 不同浓度PEG6000处理下种子萌发率Fig.1 The germination rate under different concentrations of PEG6000 treatment

图2 不同浓度PEG6000处理下种子发芽势Fig.2 The germination potential under different concentrations of PEG6000 treatment

71.1 %，浓度为16%和20%时，萌发率接近于0，在浓度为24%时，没有种子萌发。在0～12%浓度范围内，发芽势变化范围较大，为 5.56%～51.11%，浓度在20%和24%时发芽势为0。

2种沙冬青种子萌发率和发芽势曲线基本相同，但在不同PEG6000浓度处理下，蒙古沙冬青的种子萌发率和发芽势均高于新疆沙冬青，尤其是浓度为12%时的相差值最高，达48.89%和31.11%，由此可以看出，蒙古沙冬青的抗旱性高于新疆沙冬青。

2.2 不同浓度PEG6000对2种沙冬青种子萌发率的影响

由图3和图4可以看出，2种沙冬青种子在蒸馏水中萌发迅速，处理2 d时萌发率分别达到51.11%和40%，经不同浓度的PEG6000处理后，萌发率开始降低并延迟。处理2 d后，蒙古沙冬青在浓度低于16%时均有萌发，新疆沙冬青在浓度低于12%时均有萌发，浓度为16%的PEG6000处理新疆沙冬青4 d后才有萌发，并且萌发率不高。浓度20%和24%的PEG6000分别处理4 d和7 d后，蒙古沙冬青开始萌发，新疆沙冬青在20%的PEG6000处理5 d后萌发，在浓度24%处理下没有萌发。除浓度20%外，蒙古沙冬青在蒸馏水和PEG6000处理下第9 d后萌发率趋于稳定，新疆沙冬青除8%外，其他处理9 d后也不再有萌发。处理9后，蒙古沙冬青在蒸馏水和4%、8%PEG6000溶液中萌发率最高，为 90%、92.22%和 88.89%，新疆沙冬青在蒸馏水和4%PEG6000溶液中萌发率最高，为92.22%和88.89%。由此表明，浓度＜8%的PEG6000溶液对蒙古沙冬青种子萌发没有明显的影响，＞8%的PEG6000溶液抑制了其萌发，浓度＞4%的PEG6000溶液抑制了新疆沙冬青的萌发。

图3 蒙古沙冬青种子萌发率Fig.3 The germination of Ammopiptanthus mongolicus

随着PEG6000浓度的增大，2种沙冬青种子萌发率均降低，在0和4%PEG6000溶液中，2种沙冬青种子萌发率之间无显著性差异(P＜0.05)，在8%～20%PEG6000溶液中，蒙古沙冬青萌发率显著高于新疆沙冬青(P＞0.05)，在12%PEG6000处理下，蒙古沙冬青种子萌发率达70%，新疆沙冬青为21.11%，在24%PEG6000溶液中，新疆沙冬青萌发率为0，而蒙古沙冬青萌发率为 2.22%，表明 24%PEG6000溶液严重抑制了新疆沙冬青种子萌发，对蒙古沙冬青的抑制作用相对较小，蒙古沙冬青对干旱的耐受能力高于新疆沙冬青(图5)。

图4 新疆沙冬青种子萌发率Fig.4 The germination of Ammopiptanthus nanus

图5 不同PEG 6000浓度对2种沙冬青种子最终萌发率的影响Fig.5 Effects of PEG 6000 concentrations on the final germination rate of the two Ammopiptanthus

2.3 不同浓度PEG6000对2种沙冬青种子日相对萌发率的影响

由图6和图7可以看出，不同浓度的PEG6000溶液处理下2种沙冬青种子萌发率明显低于对照，并且在0、4%、8%、12%PEG6000溶液中萌发的高峰期均出现在第2天，浓度16%处理下蒙古沙冬青萌发在第5天，新疆沙冬青在第7天。这说明随着干旱胁迫的增强，种子萌发进程减缓，且胁迫程度越大，减缓程度越明显，另外，同水平的干旱胁迫对2种沙冬青种子萌发影响不同。

2.4 不同浓度PEG6000对2种沙冬青种子胚芽和胚根的影响

从不同浓度PEG6000胁迫下2种沙冬青种苗生长情况(表1)可以看出，在4%和8%PEG6000胁迫处理下，蒙古沙冬青的胚芽长、胚根长及含水量均与对照之间无显著性差异(P＞0.05)，当浓度大于8%时，胚芽、胚根和含水量开始急剧下降，均显著小于对照(P＜0.05)，胚芽长在浓度12%和16%处理之间无显著性差异，却显著高于20%和24%(P＜0.05)，20%和 24%之间也无显著性差异(P＞0.05)，胚根长的变化与此一致，浓度12%时的含水量显著高于16%、20%及24%。新疆沙冬青胚芽胚根长及含水量的变化呈现不同的趋势，浓度＜8%时，胚芽长和对照之间无显著性差异(P＞0.05)，浓度＜4%时，胚根长和含水量与对照之间无显著性差异。这表明，干旱胁迫对2种沙冬青种苗生长都有抑制作用，且随着干旱胁迫的加重，受抑制作用越明显，胚芽和胚根受到的抑制作用相近。种苗含水量也随着PEG6000浓度的增加逐渐下降，说明干旱胁迫对种苗水分的吸收有明显抑制作用。另外，除了浓度12%处理外，新疆沙冬青的含水量高于蒙古沙冬青，在其他浓度下，蒙古沙冬青均高于新疆沙冬青，这说明蒙古沙冬青耐旱能力高于新疆沙冬青。

图6 蒙古沙冬青种子日相对萌发率Fig.6 The relative daily germination rate of A.mongolicus

图7 新疆沙冬青种子日相对萌发率Fig.7 The relative daily germination rate of A.nanus

2.5 不同浓度PEG6000处理下2种沙冬青种子萌发恢复率的变化

将16%、20%和24%PEG6000处理中未萌发的两种沙冬青种子进行复水5 d后，蒙古沙冬青的萌发率分别为 73.33%、48.89%和 43.89%，新疆沙冬青的萌发率分别为44.44%、33.33%和 33.33%。16%、20%PEG6000处理后复水，蒙古沙冬青种子萌发恢复率显著高于新疆沙冬青(P＜0.05)，而 24%PEG6000处理后复水，两者之间无显著性差异(P＞0.05)(图8)。虽然高浓度的PEG6000对沙冬青种子萌发具有较高的抑制作用，但复水后各浓度PEG6000处理的种子仍具有较高的恢复萌发率，且蒙古沙冬青种子恢复萌发的能力高于新疆沙冬青。新疆沙冬青在24%PEG6000处理下无种子萌发，而当复水后萌发率较高，表明PEG6000溶液并没有使新疆沙冬青种子永久丧失萌发能力，只是暂时抑制了种子萌发，种子仍然保持较高的萌发潜力，当解除干旱胁迫时，种子就能迅速萌发。

表1 不同PEG6000处理下种苗生长情况Table 1 The seedling growth of the two Ammopiptanthus under PEG6000 stress

图8 不同浓度PEG6000对2种沙冬青种子萌发恢复率的影响Fig.8 Effects of PEG6000 concentrations on the germination recovery of the two Ammopiptanthus

3 结论与讨论

种子萌发是植物生活史的关键环节，种子萌发策略对荒漠地区植物的种群更新及植被恢复都具有重要意义［22］，水分是影响种子萌发的关键生态因子［23］，也是制约植物生长和植被分布的重要因素，其对干旱荒漠植物的影响尤为重要［24］。在4%的PEG6000胁迫处理下，2种沙冬青的种子萌发率，胚芽胚根长均和对照接近，而浓度＞4%时受到抑制，且浓度越大，受抑制程度越大，说明轻度干旱胁迫对种子萌发及幼苗生长无明显影响，重度干旱胁迫下受抑制程度较大，这与相关文献报道一致。杨景宁［25］等的研究发现随PEG渗透势的下降，梭梭、红砂、驼绒藜和碱蓬种子的萌发和初生根生长均受到不同程度的抑制，而且随PEG渗透势的降低其抑制作用越明显。薛盼盼［26］等报道了随着干旱胁迫的增强酸枣种子萌发率、萌发指数和活力指数等均呈下降趋势，但李志萍［27］等对栓皮栎的研究表明，低浓度的PEG溶液对其种子具有促进作用，史锋厚［28］等发现PEG提高了油松种子的发芽率和发芽指数，这表明低浓度的PEG溶液对种子的萌发及生长是否具有促进作用，可能与植物的种类、胁迫梯度的设置以及胁迫时间的长短有关。

干旱胁迫下，2种沙冬青萌发率开始降低并延迟，高浓度PEG6000胁迫下，蒙古沙冬青比新疆沙冬青早开始萌发，甚至浓度为24%时蒙古沙冬青仍有2.22%的萌发率，而新疆沙冬青的萌发率为0，总体来看，蒙古沙冬青萌发率，发芽势，胚芽胚根长大于新疆沙冬青，表明蒙古沙冬青不仅抗旱能力高于新疆沙冬青，而且其出苗更整齐，速度更快。王烨［16］等的研究发现，蒙古沙冬青的耐盐性较新疆沙冬青强，且在不同的盐渍度中，蒙古沙冬青平均出苗日数波动范围小，新疆沙冬青平均出苗日数随浓度增大呈延长趋势，这与本研究的结果相近。由此可见，2种虽为近缘种，但对逆境的适应能力有差别，这可能与其物种本身的遗传特性及种源生活的环境有关。

在干旱环境下，种子能否保持活力及幼苗能否继续生长是植物存活的关键［29］。当解除干旱胁迫后，种子可以恢复萌发，从本研究的结果来看，将在高浓度的PEG6000溶液中未萌发的种子复水后，恢复萌发，且萌发整齐。新疆沙冬青在24%PEG6000处理下无种子萌发，而当复水后萌发率较高(图8)，这与罗光宏［30］等发现对唐古特白刺种子在高浓度PEG处理下不萌发而复水后快速萌发的研究结果一致，这说明PEG对种子萌发的抑制作用可能仅仅是由渗透胁迫引起的。16%、20%PEG6000处理后复水，蒙古沙冬青种子萌发恢复率显著高于新疆沙冬青(P＜0.05)，而 24%PEG6000 处理后复水，两者之间无显著性差异(P＞0.05)(图 8)，说明 16%、20%PEG6000浸种对蒙古沙冬青种子的伤害较小，其恢复性也较强，而对新疆沙冬青种子的伤害则较深。

荒漠植物种子的萌发是一个复杂的生理生化过程，每一种荒漠植物在长期的进化历程中都演化出了与严酷生境相适应的萌发对策。因此，要综合评价沙冬青的抗旱性，应该以多个指标为依据综合考虑。本研究从种子萌发、幼苗生长及种子恢复萌发方面鉴定出蒙古沙冬青较新疆沙冬青抗旱性强，但在苗期乃至全生育期是否也具有较强的抗旱性还有待进一步的研究。