干旱胁迫对3 种石竹科植物种子萌发和幼苗生长的影响

王铭凡，尚金程，杨诗琪，戴思文，田荷婷

（东北林业大学园林学院，黑龙江哈尔滨 150036）

调查表明，中国是世界上最严重的土壤缺水地区之一，干旱面积占国土1/2 以上，年降雨量只有50～250mm，从而导致耕地土壤水分十分匮乏,严重影响了林业发展及生态环境[1]。干旱胁迫（drought stress）作为一种关键因素，时刻影响着植物种子的萌发，也是植物逆境胁迫最常见的一种形式[2]。干旱胁迫是指土壤缺水，植物处于干旱状态下正常生理活动会被打乱，其失水量会大于吸水量，大多数植物遭受干旱胁迫后都会受到不同程度的影响[3]。聚乙二醇（polyethylene glycol,PEG）是一种亲水性强的大分子有机物，采用PEG 溶液来做渗透液，进行模拟干旱胁迫的生物试验，操作简便易行，且周期较短，深受一些研究者的爱好，并被用于研究各种植物种子萌发期间的耐旱性[4]。近年来，有PEG-6000 模拟干旱胁迫应用于常夏石竹（Dianthus plumarius）[5]、北丝石竹（Gypsophila davurica Turcz.ex Fenzl）[6-7]、香石竹（Dianthus caryophyllus L.）[8]等报道。不同种子对干旱条件的适应和抵抗能力不同，因而对PEG 模拟干旱胁迫的响应也存在差异。

石竹科（Caryophyllaceae）是1 年生或多年生草本植物，约有80 属2000 种，分布于世界各地，其中一些种类是重要的园林绿化材料，具有叶形美观、花色艳美、馥郁芬芳、成坪速度快、形状匀称、耐旱、常绿、抗寒等多种特点，有很高的园林景观应用价值[9]。目前，石竹科植物的应用主要集中在景观和花卉边缘景观上，欧石竹‘初吻’（Carthusian pink）在拉萨地区适应性强，可应用于各种盆栽、花台、花坛及花境等园林景观，也可代替草坪草作为一种土壤覆盖材料[10]。本研究利用PEG-6000 溶液模拟干旱胁迫，对供试种子的发芽率、发芽势、萌发指数、幼苗胚根、胚轴等指标进行检测，初步探究了3 种石竹科种子在不同程度干旱胁迫下的萌发及幼苗生长情况，为生态环境修复选用适宜的抗旱性植物提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试种子包括：细梗丝石竹、狭叶剪秋罗、狭叶北丝石竹，颗粒饱满，完全成熟。

1.2 试验方法

挑取大小均匀、饱满的3 种石竹种子，分别进行种子消毒。先用75%酒精消毒30s，后蒸馏水漂洗3 次，每次1min；接着用2%NaClO 溶液消毒10min，再用蒸馏水漂洗5 次，每次1min。

以聚乙二醇6000（PEG-6000）模拟干旱环境，共设4 个浓度的PEG 处理水平：5%、10%、15%、20%的PEG 溶液，以蒸馏水为对照（CK）。将3 种石竹科的种子分别置于垫有2 层滤纸、直径90mm 的培养皿中，每个放入30 粒饱满种子，加入10mL 处理溶液。每48h定时称重，及时补充损耗的蒸馏水[11]。重复3 次。

1.3 种子发芽生长测定

试验过程中，每隔24h 查看并记录每个培养皿中种子的萌发状况，以胚根最终伸出种皮超过2mm 为萌发规范标准，至所有处理连续3d 均无新种子萌发，停止观察。按以下指标对记录的数据进行计算。

发芽率[9]（%）=（已经萌发的种子数／供试种子总数）×100

发芽势[4]（%）=（第4d 萌发的种子数／供试种子总数）×100

发芽指数[9]=∑Gt/Dt，式中，Gt 为发芽试验终期内每日的发芽数，Dt 为发芽日数。

1.4 幼苗发芽生长测定

在试验过程中，每隔24h 观察并记录所有培养皿中幼苗的萌发生长情况。当发芽结束后，从各处理及重复对照中随机取出10 株幼苗，用游标卡尺测定胚根长、胚芽长和总长，计算根冠比。

根冠比=胚根长/胚芽长。

1.5 数据处理

采用SPSS 25.0 软件对种子的3 项萌发指标（发芽率、发芽势、发芽指数）和幼苗生长指标（根长、芽长、总长和根冠比）进行数据分析、多重比较和显著性分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对3 种石竹种子萌发的影响

2.1.1 干旱胁迫对3 种石竹种子发芽率的影响。由图1可知，随PEG-6000 浓度的升高，细梗丝石竹、狭叶剪秋罗和狭叶北丝石竹的发芽率均呈现先下降、后上升、再下降的趋势。细梗丝石竹种子CK 组处理时发芽率为71.1%，在10%～20%PEG-6000处理时发芽率均高于CK 组，其中15%PEG-6000 处理发芽率最高，较CK组高8.9%，5%PEG-6000胁迫处理下低于CK 组2.2%，但差异不显著。狭叶剪秋罗种子在10%PEG-6000处理时发芽率高于CK 组4.4%，其他浓度处理的发芽率都比CK 组要低，20%PEG-6000 处理时最终发芽率显著低于CK 组（p＜0.05），且和15%PEG 处理时的发芽率出现断崖式下降，20%PEG-6000 处理较CK 组显著降低37.8%。而随PEG-6000 浓度的增加，与CK 组相比，狭叶北丝石竹种子发芽率均降低，20%PEG-6000 处理的最终发芽率最低，较CK 组下降15.5%。

图1 PEG-6000 模拟干旱下3 种石竹种子发芽率

由图2 可知，通过对种子的累计发芽率统计，可直观感受到种子萌发期间不同浓度处理所表现出的差异性。其中，细梗丝石竹种子萌发期所表现的差异性最小，狭叶北丝石竹次之，狭叶剪秋罗差异性最大。

图2 PEG-6000 模拟干旱下3 种石竹种子随时间变化的累计发芽率

综上，在3 种石竹种子发芽率中，细梗丝石竹的萌发抗旱性最强，狭叶剪秋罗次之，但在干旱条件极为恶劣时（PEG-6000 浓度达到20%）表现最差，狭叶北丝石竹的萌发抗旱性最弱。

2.1.2 干旱胁迫对3 种石竹种子发芽势的影响。由图3可知，狭叶剪秋罗的发芽势随PEG浓度的上升整体呈现下降的趋向，其中20%PEG 处理过后的种子发芽势为0。狭叶北丝石竹和细梗丝石竹的发芽势随PEG 浓度的增加呈现先下降、后上升、再下降的趋势，且狭叶北丝石竹种子在所有浓度处理时发芽势都低于CK组，而细梗丝石竹则在10%PEG 处理时发芽势超过了CK 组，较CK 组高3.3%；细梗丝石竹的发芽势受干旱胁迫的影响及浮动程度较小，而狭叶北丝石竹20%PEG 处理后出现显著性变化（p＜0.05），较CK 组低36.7%，其余处理与CK 组的发芽势相比变化较小。从发芽势的角度来看，细梗丝石竹的耐旱程度最好。

图3 PEG-6000 模拟干旱下3 种石竹种子的发芽势

2.1.3 干旱胁迫对3 种石竹种子发芽指数的影响。细梗丝石竹种子和狭叶剪秋罗种子的发芽指数随PEG-6000 浓度的增加呈现先下降、后上升、再下降的趋势，且最大值都出现在CK 组，细梗丝石竹最大为41.9，狭叶剪秋罗最大为29.8，狭叶北丝石竹最大为39.5。但细梗丝石竹种子的发芽指数总体上差异性较小。狭叶北丝石竹的发芽势在20%PEG处理时与CK组相比出现显著性下降（p＜0.05），较CK 组下降17.7。狭叶剪秋罗的种子发芽指数随PEG 浓度的增加呈现整体下降的趋势，15% PEG 处理时种子发芽指数与CK 组相比出现显著差异（P＜0.05），较CK 组下降9.6，20%PEG 处理时种子发芽指数与CK 组相比出现极显著差异（p＜0.05），较CK 组下降24.6。说明狭叶剪秋罗对PEG 干旱胁迫最敏感，狭叶北丝石竹次之，细梗丝石竹最不敏感（图4）。

图4 PEG-6000 模拟干旱下3 种石竹种子的发芽指数

发芽指数是种子活力的一项指标，当发芽指数高时，活力就高。当以上3 种石竹种子不受干旱胁迫时，发芽指数表现为细梗丝石竹＞狭叶北丝石竹＞狭叶剪秋罗，当种子受到不同程度的干旱胁迫时，发芽指数仍表现为细梗丝石竹＞狭叶北丝石竹＞狭叶剪秋罗。

2.2 PEG-6000 干旱胁迫对3 种石竹种子幼苗生长的影响

2.2.1 PEG-6000 干旱胁迫对3 种石竹种子根长和芽长的影响。由表1 可见，细梗丝石竹、狭叶剪秋罗和狭叶北丝石竹种子幼苗的根长随PEG浓度的增加呈现先增加、后减少的趋势。且20%PEG 处理时，对3 种种子幼苗根的生长起到抑制作用，5%～15%PEG 处理时均表现为促进作用。但细梗丝石竹的根长最大值出现在15%PEG 处理时，狭叶剪秋罗和狭叶北丝石竹的根长最大值出现在10%PEG 处理时。

随PEG 浓度的增加，细梗丝石竹种子幼苗的芽长呈现先增加、后减少的趋势，狭叶剪秋罗种子幼苗的芽长呈现先增加、后减少、再增加的趋势，狭叶北丝石竹种子幼苗的芽长呈现先减少、后增加、再减少的趋势。细梗丝石竹和狭叶北丝石竹种子幼苗芽长的最大值和最小值分别在10%PEG、20%PEG 处理时，而狭叶剪秋罗种子幼苗芽长的最大值和最小值分别在20%PEG、CK 处理时（表1）。

总之，干旱对3 种种子根长要大于芽长变化的影响，且不同种子对干旱胁迫的响应程度不同。

2.2.2 PEG-6000 干旱胁迫对3 种石竹种子根冠比的影响。细梗丝石竹、狭叶剪秋罗和狭叶北丝石竹种子幼苗的根冠比随PEG 浓度的增加呈现先增加后减少的趋势。细梗丝石竹种子幼苗的根冠比的最大值和最小值出现在15%PEG、20%PEG 处理时，狭叶剪秋罗种子幼苗的根冠比的最大值和最小值出现在10%PEG、20%PEG 处理时，狭叶北丝石竹种子幼苗的根冠比的最大值和最小值出现在10%PEG、CK 处理时（表1）。

表1 PEG-6000 模拟干旱下3 种石竹种子根长、芽长和根冠比的变化

3 讨论与结论

大量试验表明，水分一直是限制种子萌发和幼苗生长的重要生态因子，同时也影响着植物的分布，通过对种子的发芽率、发芽势、发芽指数、胚根和下胚轴等种子活力评价指标的测定与分析[13]，筛选出抗旱性强的种子，以修复干旱的生态环境。相对发芽率可较客观地反映种子萌发期的抗旱性,相对发芽率越大，则表明其抗旱性越强；根系发达是植物抗旱的主要标志之一,表征了植物的抗旱能力[14]。在本研究中，细梗丝石竹的发芽率在15%PEG 达到最大,发芽势在10%PEG 达到最大，即轻度干旱有利于细梗丝石竹种子的发芽。然而，在高浓度PEG 胁迫下，由于渗透势降低，种子很难抵御这种极端的干旱，从而抑制了正常的种子萌发，细梗丝石竹在浓度20%PEG 时，发芽势和发芽指数与CK 组相比减小，这与大多数种子在干旱胁迫下萌发规律一致[15-16]。在5%～20%PEG 胁迫下，狭叶剪秋罗的发芽势、发芽指数和狭叶北丝石竹的发芽率、发芽势、发芽指数均比CK 组减少，狭叶剪秋罗只在10%PEG下发芽率才有增加，但不显著，说明不同浓度PEG-6000 对狭叶剪秋罗和狭叶北丝石竹种子均有抑制作用，这与杨永志等[5]、刘佳等[17]对常夏石竹的研究一致。

胚根、胚轴的长度也是植物抗旱性的重要指标，通常认为胚根的长度与植物的抗旱性正相关[18]；李诚等[19]发现在PEG-6000 溶液模拟的干旱胁迫下，瞿麦幼苗的胚根生长受到了一定程度的抑制，并且随PEG-6000 溶液浓度的不断增加，胚根的长度均呈下降趋势，干旱对瞿麦的生长起到了抑制作用。本研究发现3 种石竹种子在5%～15%浓度的PEG 处理下，胚根的长度较CK 组提高，细梗丝石竹在15%PEG 下胚根达到最大，狭叶剪秋罗和狭叶北丝石竹的胚根在10%PEG 达到最大，进一步验证了一定的干旱对这3种石竹科植物幼根生长具有促进作用，与孔佳茜等[20]、塔伊尔·买买提江等[21]的研究结果吻合。当土壤的干旱程度增加时，植物通过使生物量优先分配到根部来促进根系生长，以扩大水分吸收范围,这是幼苗应对水分消耗、避免和忍耐水分亏缺的适应策略[22]。不同浓度的PEG 溶液胁迫下，大多数种子的胚芽和根芽比均呈现先增大、后减小的趋势，而高浓度PEG 干旱胁迫抑制整个发芽时期的胚根、胚芽的生长，这与杨振亚等[23]的研究一致，20%PEG 干旱胁迫使植物的抗氧化酶系统发生紊乱,并对组织膜系统造成显著伤害。

综上所述，参考细梗丝石竹、狭叶剪秋罗和狭叶北丝石竹在不同浓度PEG-6000 胁迫下种子萌发和幼苗生长的生理指标变化，可知在种子萌发阶段，对干旱的适应性，细梗丝石竹＞狭叶北丝石竹＞狭叶剪秋罗。