張航，戰(zhàn)金雨，楊柳，張廷秀，楊成君

(東北林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

外部環(huán)境因子長期作用于植物的生長發(fā)育，從種子萌發(fā)到幼苗生長是受其影響最明顯的時(shí)期[1]，此時(shí)是衡量植物抗逆性強(qiáng)弱的重要時(shí)期[2-3]，也是最脆弱的時(shí)期[4-5]。逆境條件下種子萌發(fā)情況和幼苗生長狀況的優(yōu)劣會影響植物中后期的正常生長及群體建成和質(zhì)量[6-7]。干旱是一種常見的逆境條件，處于干旱環(huán)境下會導(dǎo)致種子在萌發(fā)過程中水分虧缺，植物細(xì)胞遭到破壞，體內(nèi)代謝發(fā)生紊亂，種子萌發(fā)受到抑制甚至不萌發(fā)。

聚乙二醇(PEG-6000)屬于高分子滲透劑，在試驗(yàn)上多用于模擬干旱脅迫[8]。Stoffela等[9]根據(jù)種子在高滲溶液或在不同滲透勢的土壤中的發(fā)芽勢、發(fā)芽率評價(jià)其耐旱性，并提出了種子萌發(fā)耐旱指數(shù)。Tobe等[10]為鑒定不同牧草的抗旱性，使用PEG溶液來模擬干旱脅迫條件。韓占江等[11]試驗(yàn)結(jié)果表明5種藜科(Chenopodiaceae)植物種子不僅對輕度干旱具有耐受性，甚至可以萌發(fā)得更好，此結(jié)論與前人的結(jié)果相似[12-13]。試驗(yàn)證明干旱脅迫也誘導(dǎo)黃瓜(Cucumissativus)種子的適應(yīng)性調(diào)節(jié)反應(yīng)，這與Zhang Hua等[14]的報(bào)道一致。

在此之前對榆樹(UlmuspumilaL.)抗旱性的研究主要集中在對其幼苗的生長及生理生化方面，試驗(yàn)方法多采用盆栽控水法。張偉[15]的研究表明隨著干旱程度增加，榆樹各個(gè)部分的生物量均有所降低；但輕度干旱脅迫下，其葉片生物量比例增加，中度干旱脅迫下，其根系生物量比例增加。白國華[16]的研究表明在輕度到中度干旱條件下，隨著干旱程度增加，幼苗葉片含水量逐漸降低，莖含水量先升后降，根系含水量上升，比根長和水分利用效率隨著干旱脅迫程度增加而增加。徐士印[17]研究發(fā)現(xiàn)隨著干旱程度增加白榆葉片葉綠素含量逐漸降低，可溶性蛋白含量和可溶性糖含量穩(wěn)步上升。本研究以榆樹種子為研究對象，利用聚乙二醇模擬干旱的方法探究干旱條件下榆樹種子的發(fā)芽特性。因此，根據(jù)對榆樹種子的耐旱程度的研究，其試驗(yàn)結(jié)果可以為抗旱品種早期選擇以及榆樹早期抗旱鑒定提供參考。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用榆樹種子為來自于東北林業(yè)大學(xué)校園內(nèi)的榆樹母樹成熟種子。

1.2 試驗(yàn)方法

配置不同濃度的PEG溶液，濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%，設(shè)置一個(gè)0%濃度作為對照。試驗(yàn)材料選取均勻飽滿無病蟲害的榆樹種子，用自來水將種子沖洗干凈，再用5%的次氯酸鈉溶液浸種消毒10 min后，用無菌水沖洗干凈，備用。

采用濾紙發(fā)芽法，把種子擺放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，分別加入相應(yīng)濃度的處理液10 mL，對照處理需要加入同樣體積的蒸餾水，試驗(yàn)期間隔天每個(gè)培養(yǎng)皿補(bǔ)充10 mL的處理液或蒸餾水。水平放置于溫度25 ℃、光照和黑暗交替(光照時(shí)間為16 h，黑暗時(shí)間為8 h)的人工恒溫氣候箱中進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)培養(yǎng)皿30粒種子，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)共進(jìn)行7 d。每天定時(shí)記錄發(fā)芽種子數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，每個(gè)培養(yǎng)皿隨機(jī)選取5粒種子，測量苗長。計(jì)算發(fā)芽勢和最終的發(fā)芽率。以胚根突破種皮1 mm作為種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)連續(xù)5 d不再有種子發(fā)芽時(shí)結(jié)束種子萌發(fā)試驗(yàn)。脅迫初期，種子萌發(fā)數(shù)達(dá)到高峰時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，第7 d統(tǒng)計(jì)其發(fā)芽率。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽數(shù)量，測量種子萌發(fā)苗的苗長，計(jì)算不同貯藏條件下的種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。計(jì)算公式如下[18]：

發(fā)芽勢(%)=種子萌發(fā)初期的高峰發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

相對發(fā)芽勢(%)=處理發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢×100%

發(fā)芽率(%)=種子最終發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

相對發(fā)芽率(%)=處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率×100%

平均發(fā)芽時(shí)間(d)=∑(Gt×t)/∑Gt

發(fā)芽指數(shù)(Gi)=∑(Gt/Dt)

活力指數(shù)(Vi)=S×∑(Gt/Dt)

胚根長(cm)=種子發(fā)芽后上胚根長+下胚軸長。

式中：Gt為在時(shí)間t的種子發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；S為幼苗的生長勢(以苗長表示)。

計(jì)算各處理的榆樹種子發(fā)芽指數(shù)，用每天的累計(jì)種子發(fā)芽數(shù)除以種子在培養(yǎng)皿中萌發(fā)放置的天數(shù)，待種子發(fā)芽結(jié)束后，將每天計(jì)算得到的數(shù)值相加，即為該種子的發(fā)芽指數(shù)。數(shù)據(jù)分析主要通過SSPS 19.0的計(jì)算程序完成，采用Anova方法比較均值差異，采用Duncan進(jìn)行多重比較，利用GraphPad Prism 5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG對榆樹種子發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)可以較敏感地反映出植物種子在脅迫環(huán)境下的反應(yīng)[19]。從各濃度處理下的榆樹種子的發(fā)芽指數(shù)來看，隨著PEG濃度的增加，榆樹種子的發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(圖1)，CK除與5%、10%無明顯差異外，與他處理相對比差異明顯。5% PEG濃度的發(fā)芽指數(shù)達(dá)到最高值約為8.76，較CK上升了3.41%。說明5%PEG濃度的干旱脅迫對于榆樹種子的發(fā)芽指數(shù)有一定的促進(jìn)作用，但其效果不明顯。PEG濃度達(dá)到10%，發(fā)芽指數(shù)較5%顯著下降了9.58%，其指數(shù)為CK的93.51%。當(dāng)干旱脅迫的濃度達(dá)到15%時(shí)，榆樹種子發(fā)芽指數(shù)較10%急劇下降了75.11%，其值為CK的23.28%。20% PEG濃度較15%又明顯下降80.85%，僅為CK值的4.46%。CK較5%、10%無顯著差異。試驗(yàn)結(jié)果證明，榆樹種子對中低濃度的PEG脅迫有一定的耐受力，且5%濃度的PEG溶液對榆樹種子萌發(fā)有一定促進(jìn)作用，但隨著PEG濃度的增加(即干旱程度加深)，高濃度PEG(干旱)脅迫顯著抑制榆樹種子萌發(fā)。

圖1 不同濃度PEG脅迫下榆樹種子的發(fā)芽指數(shù)

2.2 不同濃度PEG對榆樹種子活力指數(shù)的影響

活力指數(shù)代表種子發(fā)芽的潛力和種子質(zhì)量[20]。

如圖2所示，各處理間的活力指數(shù)均有明顯差異。榆樹種子在PEG脅迫下的活力指數(shù)呈先上升后下降的趨勢。5% PEG濃度下榆樹種子的活力指數(shù)達(dá)到最高值約為32.53，較CK顯著上升12.21%，為CK的112.21%。PEG濃度達(dá)到10%，種子的活力指數(shù)較5%急劇下降78.58%，下降為CK的24.03%。15% PEG濃度處理下的榆樹種子，其活力指數(shù)較10%又下降77.26%，為CK的5.47%。20% PEG濃度較15%明顯下降97.62%，僅為CK的0.13%。除5% PEG濃度下榆樹種子的活力指數(shù)顯著增加外，其余濃度處理的榆樹種子其活力指數(shù)均隨著鹽脅迫濃度的升高而逐漸下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，5% PEG溶液對于榆樹種子的活力指數(shù)有顯著的促進(jìn)作用，15%、20% PEG溶液對于榆樹種子的活力指數(shù)抑制明顯。

圖2 不同濃度PEG脅迫對榆樹種子的活力指數(shù)的影響

2.3 不同濃度PEG對榆樹種子發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽勢反映了在脅迫環(huán)境下，各處理種子萌發(fā)初期的高峰值的表現(xiàn)[21]。

如圖3所示，CK除與5%、10%PEG濃度無明顯差異外，與其他處理差異顯著，15% PEG濃度較20% PEG濃度榆樹種子的發(fā)芽勢差異顯著。隨著PEG溶液濃度的升高，榆樹種子發(fā)芽勢呈先上升后下降的趨勢，5% PEG濃度的榆樹種子發(fā)芽勢最高，均值為81.11%，較CK上升2.22%。PEG濃度達(dá)到10%，榆樹種子發(fā)芽勢降低，較5%下降15.56%。15% PEG濃度下的榆樹種子的發(fā)芽勢急劇下降48.89%。20% PEG溶液濃度處理下的種子發(fā)芽勢又下降12.22%。其中5%、10%、15%、20% PEG濃度與CK的相對發(fā)芽勢為102.99%、83.08%、21.17%、5.76%。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在干旱脅迫條件下，榆樹種子的萌發(fā)高峰期的發(fā)芽勢相互對比，5%較CK、15%差異不顯著，證明榆樹種子對中低程度的干旱脅迫有耐受力，且5%濃度的PEG溶液對榆樹種子萌發(fā)有促進(jìn)作用。隨著PEG濃度的上升，高濃度的干旱脅迫顯著抑制榆樹種子萌發(fā)。其中20%PEG濃度下的榆樹種子發(fā)芽勢最低，說明在20%濃度下的榆樹種子在萌發(fā)初期的種子發(fā)芽數(shù)極少，萌發(fā)能力低，對榆樹種子的發(fā)芽勢有嚴(yán)重的影響和抑制作用。

圖3 不同濃度PEG脅迫下榆樹種子的發(fā)芽勢

2.4 不同濃度PEG對榆樹種子發(fā)芽率的影響

發(fā)芽率體現(xiàn)了種子在整個(gè)發(fā)芽過程中的最終萌發(fā)結(jié)果[22]。如圖4所示，CK除與5%、10%PEG濃度無明顯差異外，較15%、20%PEG濃度均差異明顯，15%較20% PEG濃度的榆樹種子的發(fā)芽率差異顯著。隨著PEG溶液濃度的上升，種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢變化一致，呈先上升后下降的趨勢。5%PEG濃度處理的榆樹種子發(fā)芽率最高，均值為90%，較CK上升3.33%。10% PEG濃度，榆樹種子發(fā)芽率較5%PEG下降5.56%。當(dāng)PEG溶液上升到15%時(shí)，榆樹種子的發(fā)芽率較10%急劇下降54.44%。20% PEG濃度較15%又明顯下降23.33%。其中5%、10%、15%、20%濃度與CK的相對發(fā)芽率為103.85%、97.44%、34.62%、7.69%。隨著PEG溶液濃度的升高，5%、10%PEG濃度的榆樹種子發(fā)芽率雖下降，但CK、5%、10%PEG濃度三者間無明顯差異，證明榆樹種子對中低程度的PEG濃度(干旱)脅迫有一定的耐受力，且5%濃度的PEG溶液對榆樹種子萌發(fā)有促進(jìn)作用。其中15%、20%PEG濃度二者間差異明顯，證明隨著PEG濃度的上升，高濃度的PEG濃度(干旱)脅迫對榆樹種子的發(fā)芽率有不同程度的影響和顯著的抑制作用。

圖4 不同濃度PEG脅迫對榆樹種子的發(fā)芽率的影響

2.5 不同濃度PEG對榆樹萌發(fā)后胚根長的影響

胚根長反映了萌發(fā)過程中脅迫環(huán)境對種子萌發(fā)后胚根、胚軸的影響[23]。如圖5所示，各處理間的榆樹種子發(fā)芽后的胚根長差異明顯。隨著PEG溶液濃度的升高，榆樹萌發(fā)種子的胚根長呈先上升后下降的趨勢。5% PEG處理的胚根長最長，均值為3.42 cm。5% PEG濃度的榆樹萌發(fā)胚根長較CK略上升15.19%，可達(dá)CK的115.19%。PEG濃度達(dá)到10%，榆樹萌發(fā)后胚根長下降，較5%下降72.95%，為CK的31.16%。15% PEG溶液處理下的榆樹種子，胚根長較10%下降了25.63%，為CK的23.17%。20% PEG濃度較15%又下降87.39%，為CK的2.92%。除了5%濃度下的胚根長有所上升外，隨著干旱脅迫濃度的上升，其他處理的胚根長逐漸下降。20%濃度干旱脅迫下的胚根長最短，約為0.1 cm，說明在此濃度下榆樹種子雖有萌發(fā)，但其苗已無法正常生長。

圖5 不同濃度PEG脅迫下榆樹種子的胚根長

2.6 不同濃度PEG對榆樹種子平均發(fā)芽時(shí)間的影響

平均發(fā)芽時(shí)間代表了脅迫環(huán)境對種子平均萌發(fā)速度的影響，其值大小，表現(xiàn)了種子萌發(fā)速度的快慢，時(shí)間的延長與縮短[24]。

如圖6所示，CK、5%、10%PEG濃度三者相比差異不顯著，其他處理的種子平均發(fā)芽時(shí)間差異顯著。隨著PEG溶液濃度的升高，榆樹種子的平均發(fā)芽時(shí)間呈明顯的上升趨勢。5% PEG濃度的較CK的平均發(fā)芽時(shí)間延長了0.06 d，為CK的101.85%。10% PEG濃度的榆樹種子平均發(fā)芽時(shí)間較5%延長0.17 d，為CK的105.61%。隨著PEG溶液濃度的上升，榆樹種子的平均發(fā)芽時(shí)間繼續(xù)延長，15% PEG濃度較10%的平均發(fā)芽時(shí)間顯著延長1.63 d，其值為CK的152.77 %；20% PEG濃度較15%又明顯延長2.19 d，為CK的170.89%。試驗(yàn)結(jié)果表明，中低度的干旱脅迫對榆樹種子的平均發(fā)芽時(shí)間影響不明顯外，重度的干旱脅迫對榆樹種子的平均發(fā)芽時(shí)間有顯著的延長作用。

圖6 不同濃度PEG脅迫對榆樹種子的平均發(fā)芽時(shí)間的影響

2.7 各指標(biāo)與PEG溶液濃度的回歸分析

根據(jù)各指標(biāo)與干旱濃度進(jìn)行回歸分析，得出各指標(biāo)的回歸方程及榆樹種子耐旱適宜范圍、種子耐旱半致死濃度、種子耐旱極限濃度。由表1中相關(guān)系數(shù)最高的相對發(fā)芽勢，根據(jù)其回歸方程得出榆樹種子耐旱適宜范圍、種子耐旱半致死濃度、種子耐旱極限濃度對應(yīng)的PEG濃度分別為7.71%、12.33%、19.73%。

表1 PEG溶液濃度和各指標(biāo)的回歸分析結(jié)果

3 結(jié)論與討論

改善干旱地區(qū)植被一直以來都是全球急需解決的問題，選育合適樹木，既保持其良好生長又合理節(jié)約水資源的問題需要關(guān)注，而榆樹作為較速生的抗旱樹種，是改善西北干旱環(huán)境的首選樹種。目前，國內(nèi)對榆樹在干旱脅迫下生長及生理方面的研究較少，本試驗(yàn)研究了CK、5%、10%、15%、20%濃度的PEG溶液處理對榆樹種子萌發(fā)的影響，結(jié)果表明：5%濃度的干旱脅迫對于榆樹種子的萌發(fā)促進(jìn)作用明顯，榆樹種子可耐5%～10%PEG濃度的干旱脅迫，而15%濃度的干旱脅迫可以顯著抑制榆樹種子萌發(fā)，20%PEG濃度的干旱脅迫則對其種子有嚴(yán)重抑制作用。根據(jù)各指標(biāo)與PEG濃度回歸分析，得出榆樹種子耐旱適宜范圍、種子耐旱半致死濃度、種子耐旱極限濃度對應(yīng)的PEG濃度分別為7.71%、12.33%、19.73%。

干旱脅迫對植物的影響體現(xiàn)在植物的整個(gè)生長發(fā)育過程中，引起植物體內(nèi)水分缺失，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部所需水分含量不足，細(xì)胞器及脂膜受損，種子無法正常進(jìn)行萌發(fā)。不同植物對PEG干旱脅迫的耐受閾值不同，種子能否在干旱環(huán)境下保持活力，正常萌發(fā)及幼苗能否繼續(xù)生長是植物存活的關(guān)鍵。有研究表明，干旱脅迫顯著抑制黃瓜種子[25]的萌發(fā)，并導(dǎo)致質(zhì)膜損傷，類似的結(jié)果在苦瓜(Momordicacharantia)[26]、胡蘿卜(Daucuscarotavar.sativaHoffm)[27]和水稻(Oryzasativa)[28]中均有報(bào)道。石開明[29]等發(fā)現(xiàn)低濃度、高濃度的PEG處理均對山桐子(Idesiapolycarpa)種子的萌發(fā)顯著抑制。Bouslama 等[30]研究結(jié)果表明，輕度干旱對大豆(Glycinemax)種子萌發(fā)影響較小，中度干旱顯著延長大豆種子的萌發(fā)時(shí)間。綜上所述，干旱脅迫對植物種子萌發(fā)的影響，與種子本身的特性有關(guān)，而不同種子對PEG模擬干旱脅迫的反應(yīng)也有所不同。宋鑫玲等[31]發(fā)現(xiàn)亞麻(Linumusitatissimum)種子在25% 和30%的PEG濃度下，種子不萌發(fā)。李志萍等[32]發(fā)現(xiàn)，5%PEG對栓皮櫟(Quercusvariabilis)種子萌發(fā)有明顯的促進(jìn)作用，表現(xiàn)為發(fā)芽率提高、發(fā)芽整齊度增加，而高濃度(20%PEG)則有抑制作用。而汪磊[33]等在研究胡麻(Sesamumindicum)時(shí)，發(fā)現(xiàn)25%和30%濃度下其種子仍有40%的發(fā)芽率。江瑞濤等[34]試驗(yàn)表明PEG-6000溶液并未完全抑制沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)種子的萌發(fā)生長，只是延長了沙冬青種子的萌發(fā)時(shí)間，并且沙冬青幼苗生長在高濃度PEG脅迫下抑制不顯著。由前人的試驗(yàn)結(jié)果可知，榆樹種子的耐旱性，同亞麻種子、栓皮櫟種子相似，可耐中低度的干旱脅迫。但耐旱性不如胡麻、沙冬青等。本研究主要探究了榆樹種子在不同干旱條件下的發(fā)芽特性，并找出了榆樹對干旱的極限耐受閾值，但對其萌發(fā)期間的內(nèi)源物質(zhì)的含量變化及抗旱機(jī)理尚不明確，有待進(jìn)一步研究。本試驗(yàn)結(jié)論可為了解不同濃度的干旱脅迫對榆樹種子萌發(fā)的影響，對榆樹種子的耐旱能力做出評價(jià)，并為榆樹種子的播種條件、干旱地抗性樹種的選擇提供指導(dǎo)意見。