NaCl和PEG胁迫对不同大小刺槐种子萌发和幼苗生长的影响*

林庆芝 朱祥元 毛培利 朱 琳 郭龙梅 李泽秀 曹帮华 郝迎东 谭海涛 洪丕征 卢小军

(1.山东农业大学林学院 黄河下游森林培育国家林业和草原局重点实验室 山东泰山森林生态系统国家定位观测研究站 泰安 271018； 2. 内蒙古自治区林业和草原保护总站 010020；3. 山东黄河三角洲国家级自然保护区 东营 257500； 4. 农业农村部腐植酸类肥料重点实验室 泰安 271600；5. 东营市胜景林业有限公司 东营 257516)

干旱胁迫对植物存活、生物量造成的影响超过其他环境胁迫的总和(杨斌， 2019)。土壤盐渍化已经成为当今世界除了干旱外的第二大生态环境问题。干旱胁迫、盐胁迫抑制植物生长和生物量积累，甚至导致植株死亡。幼苗是植物生活史中对土壤条件反应最为敏感的阶段，随着胁迫增强，幼苗株高、基径的生长受到抑制，生物量积累显著降低(姚小兰等， 2018； 牛素贞等， 2017； 杨伟等， 2018)。干旱胁迫与盐胁迫之间有着一定的相似性，但也有着明显的差别。干旱和盐胁迫下土壤中的水势通常会低于植物细胞，植物处于此环境下体内水分容易外渗，导致缺水，产生渗透胁迫。但对等渗水、盐胁迫下的研究发现，干旱胁迫的胁迫程度比盐胁迫严重得多(崔兴云等， 2018； 张桂玲， 2013； 薛建国等， 2008)。盐胁迫下盐离子打破了土壤中各离子间的动态平衡，导致植物对离子吸收不均衡，产生离子毒害(毛恋等， 2019)。但对于一些植物，土壤中较低的盐浓度会对其种子萌发和生长有一定的促进作用(王宝增， 2004)。因此，干旱和盐胁迫对植物种子萌发作用机制的差异仍需深入研究，这对阐明其适应性具有重要意义。

种子的传播、萌发，幼苗的存活、生长发育以及种群分布都与种子大小有着密切的联系(张金峰， 2020； 王秀丽等， 2019)。一般认为，同一物种内大种子萌发早，幼苗生长期较长利于生长(郭有燕等， 2016； Zhaoetal.， 2015； Venableetal.， 1988； Maoetal.， 2019； Hopperetal.， 1979)，但也有研究表明种子大小与萌发无关(王慧慧等， 2016)。种子大小与幼苗大小呈正相关关系，大种子比小种子能够形成较大个体的幼苗，其幼苗对资源竞争和环境适应能力更强； 但小种子具有更强的传播和散布优势(武高林等， 2008)。种子大小与环境因子共同影响植物种子萌发和幼苗早期生长。种子越大萌发和幼苗生长优势越明显(付锦雪等， 2020； 王秀丽等， 2019； Maoetal.， 2019)。但有研究表明，不同大小的侧柏(Platycladusorientalis)种子在不同胁迫方式下，大种子的生长优势也有差别(付锦雪， 2020)。因此，深入探讨种子大小对逆境下树木萌发的影响对阐明其适应机制具有重要意义。

刺槐(Robiniapseudoacacia)原产于北美洲，自20世纪初期引入我国，经过驯化后，目前被广泛栽植于全国各地，其适应能力强、用途广泛(李轲等， 2019)。刺槐主要集中分布在黄淮流域，因其能耐一定干旱且能在低于0.3%的盐碱地上正常生长，是困难立地和滨海盐碱地的重要造林树种(中国植物志， 1993)。研究表明，刺槐种子在含盐低于0.3%条件下能够正常萌发(崔竣岭， 2013； 宋丽华， 2008； 尹锴， 2019)； 干旱胁迫下渗透势高于-0.15 MPa下正常萌发(曹帮华， 2005； 王慧慧等， 2014)，但等渗透势的盐和干旱处理对刺槐种子萌发影响的差异还未见详细报道。种子质量与苗木质量密切相关(麦苗苗等， 2009)。鉴于此，本文系统研究刺槐不同大小种子在干旱胁迫、盐胁迫下的萌发与幼苗生长，比较在干旱和盐胁迫下种子萌发和幼苗生长的差异，探讨逆境和种子大小对其萌发和幼苗生长的影响，为逆境下优质苗木培育提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

刺槐种子由山东省费县国有大青山林场刺槐良种基地提供。结实母树年龄为10年，树高9～12 m，胸径14～16 cm，人工采集后种子混在一起进行调制。该基地地理位置为35°23′N，118°11′E。年平均气温为13.8 ℃，年平均日照时间2 588 h，无霜期197天，年均降水量836.6 mm，属暖温带大陆性季风气候。

采用8目(孔径2.50 mm)和10目(孔径2.00 mm)土壤筛，将种子分为大粒(Ⅰ，2.50 mm≤种子最大宽)、中粒(Ⅱ，2.00 mm≤种子最大宽<2.50 mm)和小粒(Ⅲ，种子最大宽<2.00 mm)3个等级。每个等级种子分别选择20粒种子用游标卡尺测定最大长度、最大宽度，数据精确到0.01 mm； 利用百粒法测定每个等级种子的千粒质量(0.01 g)。

1.2 试验设计

1.2.1 种子的吸胀率 把不同大小等级的种子浸泡在烧杯中，去除杂质和坏的种子，之后将种子放在通风处晾干。每个等级种子取5份，每份100粒，将刺槐种子用初始温度75 ℃热水浸泡24 h，统计吸胀个数，计算吸胀率。

吸胀率(IR)=吸胀种子数/供试种子总数×100%。

1.2.2 盐和干旱胁迫下刺槐种子萌发 不同大小的刺槐种子用0.3%高锰酸钾溶液浸泡30 min消毒，消毒后种子用蒸馏水冲洗数次，直到水不再变色，用初始温度75 ℃热水浸泡24 h，备用。培养皿中放置海绵与滤纸，将培养皿和镊子放置在120 ℃的高压灭菌锅中消毒20 min。

采用聚乙二醇(PEG 6000)溶液模拟干旱胁迫，氯化钠(NaCl)溶液模拟盐胁迫，配制等渗NaCl与PEG溶液，渗透势分别为-0.05，-0.15，-0.30，-0.49 MPa，以去离子水为对照(CK)。PEG渗透势的计算采用Michel研究中的公式(Michel， 1973)，NaCl溶液的渗透势由公式Ψπ=-iCRT(i为溶液的等渗系数，C为体积摩尔浓度、R为常数、T为开尔文氏度)计算所得(邹邦基， 1982； 朱敏嘉等， 2017)。本试验不同种子等级大小与不同渗透势的NaCl、PEG溶液共30个处理，每处理设5次重复，每次重复摆放40粒吸胀种子。

将培养皿中放入75%酒精消毒后的光照培养箱中，温度设置为25 ℃，光照12 h，黑暗12 h，光照强度5级，培养11天。在种子萌发的过程中，每24 h观测1次。当胚根突破种皮时，即视为种子萌发，记录每天萌发的种子数量。为保持试验期间各处理浓度的相对稳定，采用称重法用去离子水补充每天损失的水分，保持滤纸和种子湿润。在观察过程中，如出现种子长霉被污染，将种子放在0.3%高锰酸钾中消毒3 s，再用蒸馏水将种子冲洗干净，并更换培养皿中的滤纸。试验结束后，每个处理选取5株长势适中的幼苗，用WinRHIZO STD 1600根系扫描仪(WinRHIZO，Regent Instruments，Canada)分析扫描图片获取根长(RL)、根系表面积(RSA)。每个重复选取10株幼苗分为地上部分和地下部分，用万分之一天平分别称取鲜质量。然后用烘箱(80 ℃)对地上部分和地下部分烘干至恒质量，称取干质量。

1.2.3 指标计算 发芽率(GR)=萌发种子数/供试种子数×100%。

平均发芽时间(MGT)=(∑种子置床起的天数×相应各日正常发芽粒数)/∑相应各日正常发芽粒数。

发芽指数(GI)=∑(各日净发芽数/相应发芽日)。

活力指数(VI)=幼苗干质量×发芽指数。

幼苗生物量(SB)=地上干质量+根干质量。

地上含水量(AWS)=(地上鲜质量-地上干质量)/地上鲜质量×100%。

根系含水量(UWS)=(地下鲜质量-地下干质量)/地下鲜质量×100%。

根冠比(RSR)=根干质量/地上干质量。

比根长(SRL)=根长/根干质量。

比根表面积(SRA)=根表面积/根干质量。

可塑性指数(PI)=(处理最大值-处理最小值)/处理最大值。

胁迫指数(SI)=胁迫处理值/对照处理值。

1.3 数据处理与分析

使用Excel 2010与SPSS 19.0软件对数据进行整理和统计分析。用SPSS 19.0对种子最大长、种子最大宽、吸胀率和千粒质量进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，对种子萌发指标、幼苗生物量与含水量指标、根系特征指标进行3因素方差分析(three-way ANOVA)。如果差异显著，再用最小显著差异法(LSD)进行多重比较，分析时显著性差异检验水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 种子大小特征与吸胀率

方差分析结果表明： 种子最大长和吸胀率都是大粒(Ⅰ)和中粒(Ⅱ)差异不显著，显著大于小粒(Ⅲ)，小粒种子吸胀程度最差； 种子最大宽和千粒质量则是大粒>中粒>小粒(表1)。

2.2 NaCl和PEG处理的种子萌发

随渗透势的降低，NaCl和PEG处理的发芽率和发芽指数均极显著降低，平均发芽时间极显著增加，活力指数在NaCl处理下先增加再降低，而PEG处理下逐渐降低(图1、表2)，以上指标的胁迫指数变化与之相似(表3)，这表明渗透势越低种子所受到的胁迫作用越强。胁迫方式之间，发芽率、平均发芽时间、发芽指数都是NaCl处理下显著高于PEG处理，但活力指数上差异不显著。种子大小对发芽率、发芽指数、活力指数影响极显著，但对平均发芽时间影响不显著。在发芽率、发芽指数、活力指数中，Ⅰ级与Ⅱ级种子显著优于Ⅲ级种子(P<0.05)，表明大粒种子其萌发能力强于小粒种子。在交互作用上，种子大小与胁迫方式、渗透势除在平均发芽时间上差异不显著外，与其他因素之间对种子萌发指标均有明显影响，表明种子萌发受到了上述因素的交互影响。

表1 刺槐不同大小的种子特征①

表2 盐、干旱胁迫对不同大小的刺槐种子萌发、幼苗生物量和根系特征指标的三因素方差分析①

2.3 NaCl和PEG处理的幼苗含水量

随渗透势的降低，NaCl和PEG处理的幼苗地上含水量显著降低，根系含水量变化不显著(图2、表2)。PEG处理的地上含水量胁迫指数逐渐降低，根系含水量先增加再降低。PEG处理下幼苗的地上和根系含水量均极显著低于NaCl处理，胁迫指数也是低于NaCl处理(表4)，说明PEG处理比NaCl处理更能抑制幼苗的水分吸收。种子大小极显著影响地上与根系含水量，Ⅰ级与Ⅱ级种子萌发幼苗的含水量差异不显著(P>0.05)，二者显著低于Ⅲ级种子(P<0.05)。在交互作用上，种子大小与胁迫方式、渗透势梯度及三者对含水量(除地上含水量)都有极显著影响，表明上述因素共同影响了幼苗体内的水分状况。

图1 盐和干旱胁迫对不同大小刺槐种子萌发的影响

表3 不同大小刺槐种子萌发的胁迫指数

图2 盐和干旱胁迫对不同大小刺槐种子萌发的幼苗含水量的影响

表4 不同大小刺槐种子萌发的幼苗含水量的胁迫指数

2.4 NaCl和PEG处理的幼苗生物量和根冠比

图3 盐和干旱胁迫下对不同大小刺槐种子萌发的幼苗生物量及其分配的影响

随渗透势的降低，NaCl处理的地上干质量和幼苗生物量均先增加再降低，根干质量和根冠比变化不显著。NaCl处理的幼苗生物量大于PEG处理，但幼苗根干质量和根冠比低于PEG处理(图3，表2)，表明适宜的NaCl浓度促进幼苗地上部分的生长，而PEG处理促进根系的生长。种子大小对上述4个指标均影响极显著，Ⅰ级和Ⅱ级种子萌发的幼苗生物量指标显著高于Ⅲ级(P<0.05)，根冠比则是Ⅲ级>Ⅱ级>Ⅰ级种子(P<0.05)。NaCl处理下Ⅱ级种子萌发的幼苗其生物量的胁迫指数大于Ⅰ、Ⅲ级而根冠比胁迫指数是Ⅲ级种子最大，PEG处理下Ⅲ级种子萌发的幼苗其生物量的胁迫指数大于Ⅰ、Ⅱ级，而在根冠比中是Ⅰ级种子的胁迫指数最大表5。交互作用上，种子大小×渗透势、渗透势×胁迫方式×种子大小对地上干质量和幼苗生物量均具有明显影响。Ⅰ、Ⅱ级种子萌发的幼苗比Ⅲ级的有着高的地上干质量和幼苗生物量，随着胁迫程度的增加三者生物量逐渐接近，表明大粒种子的优势体现在胁迫程度低的情况下。

2.5 NaCl 和PEG处理的幼苗根系特征

随渗透势的降低，NaCl和PEG处理的幼苗根长、根表面积、比根长、比根表面积均极显著降低(图4、表2)，各指标的胁迫指数变化也相似(表6)。胁迫方式上，PEG处理的根长、根表面积、比根长、比根表面积高于NaCl处理，但NaCl处理下各指标的胁迫指数高于PEG处理，表明其对幼苗根系生长的抑制弱于PEG处理。种子大小对根系各指标均影响极显著，Ⅱ、Ⅲ级种子萌发幼苗的根长、根表面积、比根长、比表面积显著优于Ⅰ级种子(P<0.05)。交互作用上，种子大小与胁迫方式对比根长和比根表面积影响极显著，渗透势×胁迫方式×种子大小对比根表面积有显著影响，表明各因素间的交互作用影响了幼苗根系的生长发育。

表5 不同大小刺槐种子萌发的幼苗生物量和根冠比的胁迫指数

表6 不同大小刺槐种子萌发的幼苗根系指标的胁迫指数

2.6 不同大小种子的可塑性指数

刺槐各级大小的种子在PEG胁迫中的萌发指标、幼苗含水量、根系特征指标的可塑性指数均高于NaCl胁迫处理，Ⅰ级与Ⅱ级种子在幼苗生物量指标的可塑性指数低于NaCl处理(表7)。刺槐种子在NaCl和PEG处理下的累计可塑性指数均是Ⅰ级和Ⅱ级种子可塑性指数接近，大于Ⅲ级种子，NaCl处理的种子累计可塑性指数低于PEG处理，说明种子越大其适应性越强且刺槐种子在PEG处理的适应能力高于NaCl处理。在各项指标中累计可塑性指数最大的是根长，其次是比根长、活力指数、比根表面积。

图4 盐和干旱胁迫下对不同大小刺槐种子萌发的幼苗根系特征的影响

表7 不同大小刺槐种子的可塑性指数

3 讨论

3.1 NaCl和PEG胁迫对刺槐种子萌发和幼苗生长的影响

本研究发现，NaCl和PEG胁迫对刺槐种子萌发和幼苗生长均具有明显的抑制作用。在种子萌发阶段，随渗透势不断降低，发芽率、发芽指数均显著降低，平均发芽时间显著增加，表明种子遭受胁迫的程度增加，与沈禹颖等(1999)对牧草种子、宋丽华等(2008)对刺槐种子的研究结果一致。在幼苗含水量上，地上含水量随渗透势的降低显著降低，但根系含水量变化不显著，表明水分运输受到明显抑制，根系受到的抑制程度低于地上部分，这与根系在胁迫下调整根系活力维持吸水能力有关(牛素贞等， 2017； 季杨等， 2013)。在生物量上，渗透势梯度对根干质量和根冠比影响不显著，表明渗透势对根系质量和分配的影响较小(张紫薇等， 2017； 杨海莉， 2019)。在根系特征上，刺槐幼苗各项指标均表现为随着渗透势的降低显著降低。柴媛媛等(2008)对甜高粱(Sorghumdochna)种子及宋丽华等(2008)对臭椿(Ailanthusaltissima)种子耐盐萌发研究中表明，随着盐胁迫的加剧，幼苗根长下降幅度增大； 牛素贞等(2017)对野生茶树幼苗在干旱胁迫下根系特征的研究表明，干旱程度越高幼苗的根长、根表面积下降越明显。因此，NaCl和PEG胁迫对刺槐种子萌发和幼苗生长的影响存在一定的相似性。

本研究中，与NaCl处理相比，刺槐种子在PEG处理下发芽率、发芽指数、幼苗含水量和幼苗生物量均较低，表明PEG胁迫下种子萌发和幼苗生长受到的抑制更严重。多项研究表明，在盐和干旱的等渗处理中，干旱胁迫下种子的萌发水平低于盐胁迫处理(崔兴云等， 2019； 张桂玲等， 2013； 於丽华等， 2008)。对甜菜(Betavulgaris)幼苗研究发现，等渗透势处理下PEG的幼苗生物量低于盐胁迫处理(於丽华和耿贵， 2008)。种子在NaCl胁迫下能从溶液中吸收无机离子增加细胞溶液浓度进行渗透调节，而无法吸收PEG(张桂玲等， 2013)。NaCl处理的根干质量、根冠比和根系指标均低于PEG处理高的根冠比有利于植物从土壤中获取更多的水分(Guoetal.， 2007； 李冬琴等， 2016)。因此，PEG胁迫下刺槐幼苗更依赖于通过调整根系生物量投入和形态提高吸收水分的能力。高盐胁迫下刺槐种子萌发和幼苗生长受到抑制可能是渗透胁迫与离子毒害共同作用的结果(朱敏嘉等， 2017； Inzeetal.， 1995)。

3.2 种子大小对刺槐种子萌发和幼苗生长的影响

本研究发现，种子大小对种子萌发和幼苗生长过程均存在显著影响。在种子萌发阶段，刺槐Ⅰ、Ⅱ级种子的发芽率、发芽指数、活力指数均显著高于Ⅲ级种子，这与侧柏(付锦雪等， 2020)、文冠果(Xanthocerassorbifolium)(郭有燕等， 2016)的研究结果一致。本研究中，Ⅰ、Ⅱ级种子的吸胀率、千粒质量明显优于Ⅲ级种子，这是刺槐大种子萌发优于小种子的重要原因。闫兴富等(2020)对不同大小辽东栎(Quercuswutaishansea)种子的研究表明，种子越大其萌发的幼苗生物量越大，本研究也得出相似结论。因此，刺槐大种子在种子萌发和幼苗生物量上比小种子存在明显的优势，与Mao等(2019)、高志刚(2015)的研究结果基本一致。刺槐Ⅲ级种子形成幼苗的根冠比、根长、根表面积、比根长、比根表面积显著大于Ⅰ、Ⅱ级种子，吸收水分的能力强，这是其幼苗含水量高的重要原因。郭有燕等(2016)对文冠果的研究也发现了类似的结果。在指标的总可塑性上，Ⅰ、Ⅱ级种子大于Ⅲ级种子。有研究表明，可塑性越大，适应能力越强(王俊杰等， 2019； 杨贺雨等， 2016)。因此，刺槐大种子要比小种子有着明显的适应优势。

刺槐种子大小与胁迫方式存在显著的交互作用。种子大小与胁迫方式对发芽率和发芽指数有着极显著影响。NaCl处理的Ⅰ、Ⅱ级种子的发芽率和发芽指数显著高于Ⅲ级种子，但在PEG处理下数值接近。在各指标的胁迫指数中，NaCl处理的Ⅰ、Ⅱ级种子高于Ⅲ级种子，但在PEG处理下两者均低于Ⅲ级种子。因此，种子大小在NaCl和PEG胁迫下的作用存在差别。种子大小与胁迫程度在发芽率、发芽指数、地上干质量、幼苗生物量上均存在显著的影响，在活力指数和含水量上有着极显著影响，随着胁迫程度的增加大种子的优势减小，说明大种子的优势随胁迫程度的增加而降低。因此，大种子的优势受到环境条件和胁迫强度的影响，与王方琳等(2020)对沙埋处理不同大小沙蒿(Artemisiadesertorum)种子、闫兴富等(2020)对干旱胁迫处理不同大小辽东栎种子的研究结论一致。

4 结论

NaCl和PEG胁迫对刺槐种子的萌发和幼苗生长的影响有着一定的相似性，2种胁迫下随着胁迫程度增加种子萌发、幼苗生长和根系构建受到的抑制作用均显著增强，但与NaCl胁迫相比，PEG胁迫的抑制作用更明显。适宜的NaCl浓度促进了刺槐的种子萌发和幼苗生长，PEG则促进了根系的生长发育。相较于小粒种子，大粒与中粒种子在发芽能力、幼苗生物量和可塑性更具优势，形成的幼苗适应能力更强，但二者的优势均体现在胁迫程度较轻的情况下。因此，建议刺槐大田播种育苗时选择大粒与中粒种子，在干旱地区土壤水势不低于-0.15 MPa，在盐碱地区土壤含盐量不高于0.3%。