鄭敏娜，李蔭藩，梁秀芝，薛龍飛，張小娟

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高寒區(qū)作物研究所，山西大同037008）

水資源短缺是影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要限制因子[1]。目前，我國52.5%的豌豆生產(chǎn)區(qū)為山區(qū)或干旱、半干旱地區(qū)，干旱成為限制豌豆生產(chǎn)的主要因素[2]，并且有日益擴(kuò)大的趨勢。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物種子萌發(fā)和幼苗生長狀況是由其內(nèi)在遺傳因素和外界環(huán)境條件共同決定的[3]。環(huán)境條件中，水分成為主要限制因素。山侖等[4]對旱地農(nóng)業(yè)的研究表明，干旱造成的種子成苗困難及缺苗斷壟現(xiàn)象，是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一。

豌豆（Pisum sativum）是世界上第4大食用豆類作物[5]。近幾年來，隨著國內(nèi)外市場的拉動，豌豆價格一路飆升，其種植面積日益擴(kuò)大[6]。在我國，52.5%的豌豆生產(chǎn)區(qū)為山區(qū)或干旱、半干旱地區(qū)，水分成為限制豌豆生產(chǎn)、降低豌豆產(chǎn)量的主要因素[7]。眾多學(xué)者從鹽分、重金屬、熱脅迫、產(chǎn)量等角度對豌豆種子的萌發(fā)特性和能力進(jìn)行了研究[8-11]，但豌豆種子萌發(fā)障礙問題至今仍未完整定論，從水分生理生態(tài)學(xué)角度開展的研究也相對較少，豌豆萌發(fā)對環(huán)境最低水分需求亦鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)利用PEG溶液模擬種子萌發(fā)環(huán)境，研究不同水分條件對豌豆種子萌發(fā)及幼苗生長發(fā)育的影響，旨在探討豌豆出苗困難的生理生態(tài)機(jī)制以及豌豆的生態(tài)適應(yīng)性和對干旱脅迫的忍耐能力，以期為快速合理地解決豌豆生產(chǎn)中成苗困難、耐旱品種選育及推廣可行性等提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為協(xié)豌一號豌豆，由山西省農(nóng)科院高寒區(qū)作物研究所提供。

1.2 試驗(yàn)處理

2011年6月6日開始采用紙上培養(yǎng)法，在種子萌發(fā)箱中進(jìn)行種子發(fā)芽試驗(yàn)。選取大小一致的協(xié)豌一號種子，用75%乙醇溶液消毒2 min后擺放在鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿50粒。處理液是滲透勢分別為-0.15，-0.30，-0.50 MPa的PEG-6000（聚乙二醇）溶液，每個處理3次重復(fù)，以蒸餾水培養(yǎng)為對照。準(zhǔn)確量取各處理液10 mL，分別加入到直徑均為150 mm、放有種子的培養(yǎng)皿內(nèi)，然后在25℃恒溫培養(yǎng)箱中暗處萌發(fā)，待到種子萌動后，轉(zhuǎn)移至?xí)円构?暗時間為16/8 h、室溫25℃條件下繼續(xù)培養(yǎng)8 d。每隔2 d更換1次濾紙，以減少水勢變動。試驗(yàn)期間連續(xù)記錄種子萌發(fā)數(shù)（以種子露白為標(biāo)志），第8天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，并于吸水后 0，8，24，36，48 h 取樣測定種子含水量，試驗(yàn)結(jié)束時測定胚芽和胚根的長度及種苗鮮質(zhì)量。

1.3 測定指標(biāo)與方法

發(fā)芽率（GP）＝發(fā)芽天數(shù)內(nèi)種子的發(fā)芽個數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

種子含水量（WC）＝（種子鮮質(zhì)量－種子干質(zhì)量）/種子干質(zhì)量×100%；

萌發(fā)指數(shù)（GI）＝∑（Gt/Dt）。其中，Gt為試驗(yàn)天數(shù)內(nèi)種子萌發(fā)數(shù)，Dt為相對發(fā)芽天數(shù)；

活力指數(shù)（VI）＝∑（Gt/Dt）×Sx。其中，Sx為第8天的胚芽長度＋胚根長度；

根芽比（R/P）＝胚根長度/胚芽長度；

萌發(fā)脅迫指數(shù)（GSI）＝PIS/PIC。其中，PIS為水分脅迫下種子發(fā)芽指數(shù)；PIC為對照種子發(fā)芽指數(shù)。

種子發(fā)芽指數(shù)（PI）＝（1.00）nd2＋（0.75）nd4＋（0.50）nd6＋（0.25）nd8。其中，nd2，nd4，nd6，nd8分別為第 2，4，6，8 天的種子發(fā)芽率[12]；

貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率（TR）＝（芽干質(zhì)量＋根干質(zhì)量）/（芽干質(zhì)量＋根干質(zhì)量＋籽粒干質(zhì)量）×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對種子發(fā)芽過程的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著干旱脅迫的加劇，4種PEG溶液處理下的豌豆種子發(fā)芽率有所不同（圖1）。對照在萌發(fā)試驗(yàn)的第2天就有大量種子萌發(fā)，第6天時達(dá)最大萌發(fā)數(shù)，以后則呈現(xiàn)平緩穩(wěn)定。-0.15，-0.30 MPa處理在第3天開始萌發(fā)，二者的萌發(fā)趨勢一致，在第8天時達(dá)到最大萌發(fā)數(shù)，二者之間差異不顯著（P＞0.05）。當(dāng)滲透勢降至-0.50 MPa時，種子發(fā)芽率明顯降低，第7天時，發(fā)芽率較對照低78%；在第8天時，萌發(fā)數(shù)迅速增大，使發(fā)芽率達(dá)到67%，但發(fā)芽勢很弱，可能是此時種子吸收的水分才足以使其萌發(fā)，但水分脅迫改變了豌豆種子自身的發(fā)芽潛力，抑制了其快速發(fā)芽。同時試驗(yàn)結(jié)果還表明，水分脅迫對豌豆種子萌發(fā)速度存在劑量效應(yīng)，表現(xiàn)為CK與-0.15，-0.30 MPa處理差異不顯著（P＞0.05），與-0.50 MPa處理差異顯著（P＜0.05）。

2.2 水分脅迫對種子水分吸收能力的影響

種子的含水量變化與種子的正常發(fā)育密切相關(guān)。種子含水量的高低決定了種子內(nèi)原生質(zhì)體的狀態(tài)及生理活動，種子的吸水作用則會引起種子吸水量在短時間內(nèi)迅速增加，有利于種子生理代謝活動的進(jìn)行，同時也有助于后期種子萌發(fā)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在整個吸水過程中，豌豆種子呈現(xiàn)先快速增長后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。分析協(xié)豌一號種子含水量（WC）的變化（圖2）可知，經(jīng)PEG脅迫處理后，相同吸水時間內(nèi)種子的含水量均明顯低于對照，且隨著萌發(fā)環(huán)境水勢的降低，含水量亦表現(xiàn)為下降趨勢。當(dāng)滲透勢降至-0.50 MPa時，其種子的含水量高于滲透勢-0.30 MPa含水量，但未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。結(jié)合2.1認(rèn)為，PEG脅迫處理后，種子活力的降低主要源于水分虧缺帶來的種子水分吸收能力的減弱。

2.3 水分脅迫對發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)及萌發(fā)脅迫指數(shù)的影響

試驗(yàn)結(jié)果（表1）表明，PEG脅迫處理對豌豆種子的萌發(fā)具有一定的延緩作用，即水分脅迫可抑制種子萌發(fā)；且隨著水分脅迫強(qiáng)度的增加，豌豆種子的發(fā)芽率（GP）降低。同時，豌豆種子GP的下降帶來了萌發(fā)指數(shù)（GI）和萌發(fā)脅迫指數(shù)（GSI）的降低（表1）。GI在處理第8天，-0.15 MPa水勢下，豌豆種子的GI比對照下降了17.66；－0.50 MPa水勢下，則比對照下降了33.89；各處理之間表現(xiàn)為差異顯著（P＜0.05）。與對照相比，環(huán)境水勢從－0.15 MPa下降到－0.50 MPa，豌豆種子的GSI分別下降了0.93，1.13和1.80?？梢哉f明，水分脅迫導(dǎo)致了豌豆種子萌發(fā)數(shù)量的減少、萌發(fā)速率的降低以及種子萌發(fā)活力的下降，且隨著環(huán)境脅迫的加劇，種子萌發(fā)能力受到的影響程度逐漸加大。

表1 水分脅迫對豌豆種子發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)和萌發(fā)脅迫指數(shù)的影響

2.4 水分脅迫對根芽比及活力指數(shù)的影響

試驗(yàn)結(jié)果（表2）表明，PEG脅迫對豌豆幼苗莖葉和根系生長發(fā)育的作用一致，表現(xiàn)為水分脅迫處理后豌豆幼苗莖長和根長均呈遞減趨勢，均顯著低于對照（P＜0.05）；當(dāng)滲透勢為－0.15，-0.30 MPa時，豌豆幼苗莖長和根長差異均不顯著（P＞0.05），但與滲透勢 -0.50 MPa相比，差異顯著（P＜0.05），可能-0.50 MPa是豌豆幼苗生存的臨界滲透勢。隨著滲透勢的逐漸降低，根芽比（R/P）顯著提高，且隨著脅迫強(qiáng)度的增加而根芽比不斷增大（表2）。由于種子萌發(fā)數(shù)量隨脅迫強(qiáng)度的增大而逐漸減少，活力指數(shù)（VI）表現(xiàn)為隨脅迫強(qiáng)度的增大而下降（表2），均與對照間差異顯著（P＜0.05）。豌豆種子活力對PEG的響應(yīng)存在劑量效應(yīng)，高濃度處理下的種子活力均明顯低于中等濃度的處理。說明，隨著水分脅迫強(qiáng)度的增加，種子萌發(fā)速率逐漸降低，從而限制了種子的萌發(fā)數(shù)量，并帶來了種子萌發(fā)活力的下降。

表2 水分脅迫對豌豆種苗根芽比和活力指數(shù)的影響（P＜0.05）

2.5 水分脅迫對幼苗鮮質(zhì)量及貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率的影響

PEG脅迫對豌豆幼苗生物量的積累有明顯抑制作用，表現(xiàn)為PEG脅迫處理后的豌豆幼苗生物量顯著小于對照（P＜0.05）（表3），當(dāng)滲透勢從-0.15 MPa降至-0.50 MPa時，幼苗鮮質(zhì)量與對照相比，分別降低25.0%，14.7%和19.1%，說明水分脅迫降低了豌豆幼苗初級生產(chǎn)力，但在這個梯度范圍內(nèi)不存在濃度劑量效應(yīng)，表現(xiàn)為各個PEG處理之間的豌豆幼苗鮮質(zhì)量間無明顯差異。

貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率可以反映出種子對貯藏物質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。從表3可以看出，脅迫處理后貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率明顯下降，且各個處理間差異顯著（P＜0.05），在滲透勢為-0.50 MPa時，下降最多，達(dá)到48.49%。綜上可知，芽勢弱、發(fā)芽慢、胚芽胚根的生長受到抑制，是水分脅迫影響種子萌發(fā)出苗的直觀表現(xiàn)；貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)效率降低，是水分脅迫影響萌芽期幼苗生長的主要原因。

表3 水分脅迫對豌豆種苗貯藏物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率的影響（P＜0.05）

3 討論

作物產(chǎn)量的形成過程受多種環(huán)境因素的制約，尤其是在幼苗階段，環(huán)境因素對其影響的作用更加顯著。剛萌發(fā)的幼苗不像成年個體那樣能夠經(jīng)受各種不利的環(huán)境因子，因此，幼苗階段的生長發(fā)育、存活、分布和生長動態(tài)更容易受到水分和光照等諸多生態(tài)因素及其相互作用的影響[13]，比成年個體對環(huán)境因子更敏感，是作物生活史中最為敏感的時期。

PEG是一種高分子滲透劑，其最大特點(diǎn)是本身不能穿越細(xì)胞壁進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，因而不會引起質(zhì)壁分離，使植物組織和細(xì)胞處于類似于干旱的水分脅迫之中[14]。大量研究表明，利用PEG-6000模擬干旱水分脅迫來鑒定不同植物的抗旱性是一種比較可靠的方法[15-18]。本研究利用PEG-6000模擬干旱脅迫對豌豆種子萌發(fā)的差異性來反映它們的耐旱限度。結(jié)果表明，豌豆種子總萌發(fā)率、幼苗鮮質(zhì)量、抗旱指數(shù)基本上都是隨著脅迫程度的加劇，呈現(xiàn)下降趨勢。豌豆種子在0～-0.30 MPa滲透勢范圍內(nèi)的干旱脅迫下均可萌發(fā)，當(dāng)滲透勢降至-0.50 MPa時，發(fā)芽率為67.33%，較對照降低32.67百分點(diǎn)（表1），且生長勢（發(fā)芽進(jìn)程）明顯減弱。

種子萌發(fā)試驗(yàn)受種子自身的生物特征影響很大。成熟干燥的種子含水量很低，原生質(zhì)呈凝膠狀態(tài)，種子內(nèi)的生理活動極為微弱，因此，種子含水量越大，越有利于種子在水分匱乏的環(huán)境下順利萌發(fā)生長[17]。特別是在干旱的黃土高原，由于此地區(qū)土壤水分含量很低，較高的種子含水量可以確保自身相對于其他植物而言更早萌發(fā)，從而提高競爭適應(yīng)能力。此外，種子的萌發(fā)是從吸水開始的，種子吸脹吸水的速率以及種子吸水量的大小可以反映種子的萌發(fā)能力[19]。

種子萌發(fā)后幼苗的胚根和胚芽的生長、幼苗鮮質(zhì)量主要受種子質(zhì)量大小的影響。種子越大，其對應(yīng)的種子內(nèi)胚乳豐富，內(nèi)含物多，有助于植物體的生長。而胚根越長，越有利于幼苗在干旱的環(huán)境下吸收水分。郭彥軍等[20]研究指出，當(dāng)PEG濃度達(dá)到15%時（環(huán)境水勢約-0.30 MPa[21]），苜蓿發(fā)芽率已經(jīng)受到了抑制，這與本試驗(yàn)結(jié)果基本一致，分析認(rèn)為，水分脅迫通過限制苜蓿種子吸水而抑制了種子內(nèi)萌發(fā)活性物質(zhì)的生成、轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸（如淀粉水解生成可溶性糖）等，繼而嚴(yán)重影響了苜蓿種子的萌發(fā)活力，并最終導(dǎo)致萌發(fā)速率和數(shù)量的下降。本試驗(yàn)結(jié)果同時還表明，R/P在經(jīng)過PEG處理后顯著提高，這與郭彥軍等[20]的報(bào)道剛好相反，可能是PEG處理對不同品種的限制程度不同，即不同品種的耐旱能力及種子萌發(fā)所需水分條件不同的緣故。

綜上所述，豌豆種子萌發(fā)時要求較高的需水量，水分脅迫通過限制豌豆種子有效水分的吸收而在一定程度上抑制其萌發(fā)，并使得其萌發(fā)能力隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加而下降，出苗過程對環(huán)境水分脅迫最為敏感，成苗階段的耐旱能力最差。

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