水分脅迫對豌豆種子萌發和幼苗生長發育的影響

鄭敏娜，李蔭藩，梁秀芝，薛龍飛，張小娟

（山西省農業科學院高寒區作物研究所，山西大同037008）

水資源短缺是影響農業可持續發展的主要限制因子[1]。目前，我國52.5%的豌豆生產區為山區或干旱、半干旱地區，干旱成為限制豌豆生產的主要因素[2]，并且有日益擴大的趨勢。在農業生產中，農作物種子萌發和幼苗生長狀況是由其內在遺傳因素和外界環境條件共同決定的[3]。環境條件中，水分成為主要限制因素。山侖等[4]對旱地農業的研究表明，干旱造成的種子成苗困難及缺苗斷壟現象，是影響農業生產的主要因素之一。

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

本試驗利用PEG溶液模擬種子萌發環境，研究不同水分條件對豌豆種子萌發及幼苗生長發育的影響，旨在探討豌豆出苗困難的生理生態機制以及豌豆的生態適應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中成苗困難、耐旱品種選育及推廣可行性等提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為協豌一號豌豆，由山西省農科院高寒區作物研究所提供。

1.2 試驗處理

2011年6月6日開始采用紙上培養法，在種子萌發箱中進行種子發芽試驗。選取大小一致的協豌一號種子，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，以蒸餾水培養為對照。準確量取各處理液10 mL，分別加入到直徑均為150 mm、放有種子的培養皿內，然后在25℃恒溫培養箱中暗處萌發，待到種子萌動后，轉移至晝夜光/暗時間為16/8 h、室溫25℃條件下繼續培養8 d。每隔2 d更換1次濾紙，以減少水勢變動。試驗期間連續記錄種子萌發數（以種子露白為標志），第8天統計發芽率，并于吸水后 0，8，24，36，48 h 取樣測定種子含水量，試驗結束時測定胚芽和胚根的長度及種苗鮮質量。

1.3 測定指標與方法

發芽率（GP）＝發芽天數內種子的發芽個數/供試種子數×100%；

種子含水量（WC）＝（種子鮮質量－種子干質量）/種子干質量×100%；

萌發指數（GI）＝∑（Gt/Dt）。其中，Gt為試驗天數內種子萌發數，Dt為相對發芽天數；

活力指數（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；

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

種子發芽指數（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 天的種子發芽率[12]；

貯藏物質運轉率（TR）＝（芽干質量＋根干質量）/（芽干質量＋根干質量＋籽粒干質量）×100%。

1.4 數據處理

數據采用SPSS18.0統計軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對種子發芽過程的影響

試驗結果表明，隨著干旱脅迫的加劇，4種PEG溶液處理下的豌豆種子發芽率有所不同（圖1）。對照在萌發試驗的第2天就有大量種子萌發，第6天時達最大萌發數，以后則呈現平緩穩定。-0.15，-0.30 MPa處理在第3天開始萌發，二者的萌發趨勢一致，在第8天時達到最大萌發數，二者之間差異不顯著（P＞0.05）。當滲透勢降至-0.50 MPa時，種子發芽率明顯降低，第7天時，發芽率較對照低78%；在第8天時，萌發數迅速增大，使發芽率達到67%，但發芽勢很弱，可能是此時種子吸收的水分才足以使其萌發，但水分脅迫改變了豌豆種子自身的發芽潛力，抑制了其快速發芽。同時試驗結果還表明，水分脅迫對豌豆種子萌發速度存在劑量效應，表現為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育密切相關。種子含水量的高低決定了種子內原生質體的狀態及生理活動，種子的吸水作用則會引起種子吸水量在短時間內迅速增加，有利于種子生理代謝活動的進行，同時也有助于后期種子萌發。試驗結果表明，在整個吸水過程中，豌豆種子呈現先快速增長后趨于平穩的變化趨勢。分析協豌一號種子含水量（WC）的變化（圖2）可知，經PEG脅迫處理后，相同吸水時間內種子的含水量均明顯低于對照，且隨著萌發環境水勢的降低，含水量亦表現為下降趨勢。當滲透勢降至-0.50 MPa時，其種子的含水量高于滲透勢-0.30 MPa含水量，但未達到顯著水平（P＞0.05）。結合2.1認為，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 水分脅迫對發芽率、萌發指數及萌發脅迫指數的影響

試驗結果（表1）表明，PEG脅迫處理對豌豆種子的萌發具有一定的延緩作用，即水分脅迫可抑制種子萌發；且隨著水分脅迫強度的增加，豌豆種子的發芽率（GP）降低。同時，豌豆種子GP的下降帶來了萌發指數（GI）和萌發脅迫指數（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；各處理之間表現為差異顯著（P＜0.05）。與對照相比，環境水勢從－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。可以說明，水分脅迫導致了豌豆種子萌發數量的減少、萌發速率的降低以及種子萌發活力的下降，且隨著環境脅迫的加劇，種子萌發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芽率、萌發指數和萌發脅迫指數的影響

2.4 水分脅迫對根芽比及活力指數的影響

試驗結果（表2）表明，PEG脅迫對豌豆幼苗莖葉和根系生長發育的作用一致，表現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，且隨著脅迫強度的增加而根芽比不斷增大（表2）。由于種子萌發數量隨脅迫強度的增大而逐漸減少，活力指數（VI）表現為隨脅迫強度的增大而下降（表2），均與對照間差異顯著（P＜0.05）。豌豆種子活力對PEG的響應存在劑量效應，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，隨著水分脅迫強度的增加，種子萌發速率逐漸降低，從而限制了種子的萌發數量，并帶來了種子萌發活力的下降。

表2 水分脅迫對豌豆種苗根芽比和活力指數的影響（P＜0.05）

2.5 水分脅迫對幼苗鮮質量及貯藏物質運轉率的影響

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），當滲透勢從-0.15 MPa降至-0.50 MPa時，幼苗鮮質量與對照相比，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力，但在這個梯度范圍內不存在濃度劑量效應，表現為各個PEG處理之間的豌豆幼苗鮮質量間無明顯差異。

貯藏物質運轉率可以反映出種子對貯藏物質的運轉效率。從表3可以看出，脅迫處理后貯藏物質運轉率明顯下降，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，達到48.49%。綜上可知，芽勢弱、發芽慢、胚芽胚根的生長受到抑制，是水分脅迫影響種子萌發出苗的直觀表現；貯藏物質運轉效率降低，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運轉率的影響（P＜0.05）

3 討論

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

PEG是一種高分子滲透劑，其最大特點是本身不能穿越細胞壁進入細胞質，因而不會引起質壁分離，使植物組織和細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的差異性來反映它們的耐旱限度。結果表明，豌豆種子總萌發率、幼苗鮮質量、抗旱指數基本上都是隨著脅迫程度的加劇，呈現下降趨勢。豌豆種子在0～-0.30 MPa滲透勢范圍內的干旱脅迫下均可萌發，當滲透勢降至-0.50 MPa時，發芽率為67.33%，較對照降低32.67百分點（表1），且生長勢（發芽進程）明顯減弱。

種子萌發試驗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，原生質呈凝膠狀態，種子內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境下順利萌發生長[17]。特別是在干旱的黃土高原，由于此地區土壤水分含量很低，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，從而提高競爭適應能力。此外，種子的萌發是從吸水開始的，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能力[19]。

種子萌發后幼苗的胚根和胚芽的生長、幼苗鮮質量主要受種子質量大小的影響。種子越大，其對應的種子內胚乳豐富，內含物多，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境下吸收水分。郭彥軍等[20]研究指出，當PEG濃度達到15%時（環境水勢約-0.30 MPa[21]），苜蓿發芽率已經受到了抑制，這與本試驗結果基本一致，分析認為，水分脅迫通過限制苜蓿種子吸水而抑制了種子內萌發活性物質的生成、轉化和運輸（如淀粉水解生成可溶性糖）等，繼而嚴重影響了苜蓿種子的萌發活力，并最終導致萌發速率和數量的下降。本試驗結果同時還表明，R/P在經過PEG處理后顯著提高，這與郭彥軍等[20]的報道剛好相反，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所需水分條件不同的緣故。

綜上所述，豌豆種子萌發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，并使得其萌發能力隨干旱脅迫強度的增加而下降，出苗過程對環境水分脅迫最為敏感，成苗階段的耐旱能力最差。

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