水引發(fā)對(duì)油松種子和幼苗的生理效應(yīng)及其作用機(jī)理

賀紅娟，管樺，張存莉

西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 楊凌 712100

水引發(fā)對(duì)油松種子和幼苗的生理效應(yīng)及其作用機(jī)理

賀紅娟，管 樺，張存莉*

西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 楊凌 712100

為了解決油松種子在直播造林中發(fā)芽率低、幼苗抗旱性差的問題，研究了油松種子水引發(fā)的方法及引發(fā)對(duì)其種子和幼苗的生理效應(yīng)，并對(duì)水引發(fā)后幼苗的抗旱機(jī)理進(jìn)行了探索。結(jié)果表明：油松種子水引發(fā)的最佳條件為10 ℃，閉光條件下分批給種子加水，加水總量為種子初始質(zhì)量的30%，引發(fā)10 d。水引發(fā)可顯著(P<0.05)降低種子的半數(shù)發(fā)芽天數(shù)和硬實(shí)率，顯著提高種子的發(fā)芽指數(shù)、最終發(fā)芽率和活力指數(shù)；水引發(fā)種子的可溶性糖及可溶性蛋白含量相比對(duì)照也得到提高。水引發(fā)可增加油松幼苗的莖粗、鮮重及根長，降低其相對(duì)苗高；并極顯著(P<0.01)提高了幼苗過氧化氫酶、過氧化物酶和根內(nèi)脫氫酶活性，降低了游離氨基酸含量。干旱脅迫下，引發(fā)種子的幼苗脯氨酸和可溶性糖含量分別高于對(duì)照39.6%、118.9%，丙二醛含量低于對(duì)照93.4%，均達(dá)極顯著水平。綜合分析認(rèn)為，水引發(fā)提高了種子可溶性糖及可溶性蛋白含量為種子萌發(fā)提供了保障，從而提高了種子發(fā)芽率，并通過增強(qiáng)幼苗抗氧化酶活性、降低丙二醛含量，進(jìn)而增強(qiáng)幼苗抗氧化系統(tǒng)的功能，最終明顯提高其抗旱性。

油松；水引發(fā)；生理效應(yīng)；種子萌發(fā)；干旱脅迫

種子引發(fā)是為種子萌發(fā)進(jìn)行生理準(zhǔn)備的一種播前種子處理技術(shù)[1]，其基本原理是通過水合方式對(duì)溫度、種子水分和萌發(fā)時(shí)間等進(jìn)行滲透調(diào)控，引發(fā)后的種子可回干儲(chǔ)存，也可直接播種。水引發(fā)是在控制給水條件下使種子定量吸水，達(dá)到促進(jìn)萌發(fā)且不引起吸漲傷害的浸種技術(shù)[2]。在引發(fā)過程中種子膜系統(tǒng)、遺傳物質(zhì)DNA被修復(fù)，打破休眠，同時(shí)RNA含量大大提高，促進(jìn)了蛋白質(zhì)的合成，使其處于準(zhǔn)備萌發(fā)狀態(tài)[3-4]。種子引發(fā)可改善種子發(fā)芽特性，增強(qiáng)種子的抗逆性，加快出苗速率，使出苗一致[5- 8]。引發(fā)處理對(duì)種子萌發(fā)及其幼苗抗逆性的研究，在大豆[9]、小麥[7,10]等作物種子中均有報(bào)道，而對(duì)林木種子的研究較少。

目前全球荒漠化面積日益擴(kuò)大，嚴(yán)重威脅著人類的生存和發(fā)展。直播造林速度快、省勞力、適用于人煙稀少、人工造林困難的邊遠(yuǎn)山區(qū)，已成為進(jìn)行荒漠化治理的重要途徑。油松(Pinustabulaeformis)抗干旱瘠薄，具有較高的生態(tài)穩(wěn)定性與生產(chǎn)力水平，是直播造林的重要樹種，但在荒漠環(huán)境下油松種子萌發(fā)率低且種苗抗干擾能力差，制約著直播造林的成效。為了解決這一問題，本論文對(duì)油松種子的水引發(fā)方法、引發(fā)前后種子和幼苗的生理效應(yīng)及引發(fā)后幼苗的抗旱機(jī)理進(jìn)行了研究，旨在為直播造林提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料及處理

油松種子2008年10月采于山西呂梁市，清洗后選種，風(fēng)干后存于4 ℃冰箱，備用。種子初始含水量為9.05%，千粒重為48.78 g。

1.2 油松種子水引發(fā)單因素試驗(yàn)

1.2.1 引發(fā)光照條件的考察

隨機(jī)取種50粒，精確稱重后置于內(nèi)有2層濕潤濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)并加蓋。在室溫下，分別在每日光照12 h和暗培養(yǎng)條件下進(jìn)行吸水試驗(yàn)，4次重復(fù)。吸水期間，每隔16 h取種并吸干其表面水分稱重，分析光照對(duì)種子吸水和萌動(dòng)情況的影響。吸水率以吸水重占種子初始重量的百分率表示。

1.2.2 引發(fā)種子吸水量和加水時(shí)段的考察

經(jīng)過篩選同法培養(yǎng)種子，根據(jù)種子吸水曲線圖，確定種子引發(fā)的吸水總量和不同時(shí)段種子吸水量。

1.2.3 引發(fā)持續(xù)時(shí)間的考察

設(shè)定(5±1)、(10±1)、(15±1)、(20±1)℃ 4個(gè)溫度梯度，依照1.2.2試驗(yàn)獲得的不同時(shí)間段的吸水總量范圍，設(shè)置5個(gè)加水量梯度，將121 g油松種子裝入引發(fā)器(29.5 cm ×22 cm×4 cm)中。引發(fā)期間，依據(jù)1.2.2確定的種子不同時(shí)段的吸水量，將水分批加入引發(fā)器中，攪勻后用扎有小孔的塑料薄膜封口。每次加水之后，充分搖動(dòng)引發(fā)器，使種子均勻吸水；每天觀察種子，記錄不同條件下種子出現(xiàn)萌動(dòng)的時(shí)間。

1.3 種子引發(fā)的優(yōu)化試驗(yàn)

設(shè)定的(5±1)、(10±1)、(15±1)、(20±1)℃ 4個(gè)溫度梯度，與1.2確定的種子加水量、引發(fā)時(shí)間三因素隨機(jī)組合，進(jìn)行種子引發(fā)試驗(yàn)。將引發(fā)后的種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，以種子最終發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)為指標(biāo)，確定種子引發(fā)的最適溫度、水分和時(shí)間。

種子的發(fā)芽試驗(yàn)：引發(fā)結(jié)束后，選取大小一致的種子，采用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法[11]做萌發(fā)試驗(yàn)，水量為正好有層水膜包裹種子為宜，每皿50粒種子，設(shè)4個(gè)重復(fù)，置入于(25±1)℃恒溫培養(yǎng)間中，每天12 h光照，種子發(fā)芽過程中適量噴水，直到引發(fā)種子發(fā)芽率穩(wěn)定為止；以常規(guī)處理種子(始溫45 ℃的水，浸泡24 h)為對(duì)照，同法進(jìn)行發(fā)芽培養(yǎng)。

① 最終發(fā)芽率

GP=(最終發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))× 100%

②發(fā)芽指數(shù)

GI=∑(Gt/Dt)

式中,Gt為不同時(shí)間的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)發(fā)芽天數(shù)

③水引發(fā)臨界闡值

SV=(GP+GI)/2

式中，SV是種子GP和種子GI的綜合評(píng)價(jià)值。SV值越大，表明引發(fā)效果越好。

1.4 種子的生理指標(biāo)測(cè)定

根據(jù)1.3篩選的條件引發(fā)油松種子后，測(cè)定種子的生理指標(biāo)，試驗(yàn)設(shè)4次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)測(cè)3組。可溶性糖采用蒽酮比色法測(cè)定，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定，游離脯氨酸采用茚三酮顯色法測(cè)定，可溶性蛋白質(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定[12-13]。比色均采用UV-1700型可見紫外分光光度計(jì)測(cè)定。

1.5 萌發(fā)試驗(yàn)

取引發(fā)和對(duì)照種子與1.3同法進(jìn)行紙床發(fā)芽，10次重復(fù)，逐日統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，計(jì)算最終發(fā)芽率，發(fā)芽指數(shù)，硬實(shí)率，活力指數(shù)，并統(tǒng)計(jì)半數(shù)發(fā)芽天數(shù):

硬實(shí)率=(硬粒數(shù)/供試種子數(shù))× 100%

活力指數(shù)=發(fā)芽率 ×苗鮮重

半數(shù)發(fā)芽天數(shù)(the 50% seeds germination days，T50)：種子達(dá)最終發(fā)芽率50%所需要的時(shí)間。

1.6 引發(fā)后幼苗形態(tài)和生理效應(yīng)

紙床發(fā)芽培養(yǎng)7d后，選擇發(fā)芽良好的油松種子移入營養(yǎng)缽(口徑×高：13 cm×15 cm)中培養(yǎng)，每缽12粒，4次重復(fù)，營養(yǎng)缽中土壤為深層土與營養(yǎng)基質(zhì)(購于西北農(nóng)林科技大學(xué)新天地設(shè)施農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，有機(jī)質(zhì)≥50%、腐殖酸≥20%、pH值=5.5—6.5)按2∶1配比而成。繼續(xù)培養(yǎng)14 d，待幼苗生長穩(wěn)定后，每個(gè)重復(fù)選10株，游標(biāo)卡尺測(cè)量其地徑、苗木高度和根長，電子天平(精確度0.0001 g)測(cè)定苗鮮重，計(jì)算相對(duì)苗高值(相對(duì)苗高為苗木高度與苗木地徑之比)。并測(cè)定幼苗過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、根系脫氫酶活性和游離氨基酸含量[12]，每個(gè)重復(fù)測(cè)3組。

1.7 引發(fā)后幼苗的抗旱效應(yīng)

將上述培養(yǎng)14 d的幼苗，進(jìn)行水分干旱脅迫。采用分子量為6000的聚乙二醇(PEG)溶液控制形成特定的水勢(shì)梯度，以模擬水分脅迫條件。PEG溶液濃度與水勢(shì)之間的換算關(guān)系按Michel和Kaufmann的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和配制[14]，即:

Ψs=-(1.18 × 10-2)C-(1.18 × 10-4)C2+(2.67 × 10-4)CT+(8.39 × 10-7)C2T

式中,Ψs為水勢(shì)(bar)，C為濃度(%)，T為實(shí)驗(yàn)溫度(℃)。

本試驗(yàn)設(shè)置-1.0 Mpa的脅迫，其水勢(shì)為-10 bar。第一次澆灌PEG溶液時(shí)要使其充分濕潤土壤，為保持水勢(shì)恒定，每天澆灌-1.0 MPa PEG溶液，脅迫8 d后測(cè)定幼苗的脯氨酸、可溶性糖及丙二醛含量。對(duì)照為常規(guī)處理后受水分脅迫的油松幼苗，方法同上。

1.8 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 錄入數(shù)據(jù)、作圖，進(jìn)行t-檢驗(yàn)；采用SPSS 13.0 進(jìn)行指標(biāo)間相關(guān)性回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子引發(fā)的光照條件

室溫條件下，在0—48 h，光培養(yǎng)與暗培養(yǎng)種子的萌動(dòng)趨勢(shì)相近，萌動(dòng)率基本相同；48 h后，光培養(yǎng)種子萌動(dòng)率迅速上升，而暗培養(yǎng)種子的萌動(dòng)率小幅度上升后進(jìn)入滯緩期(圖1)。光培養(yǎng)種子的萌動(dòng)變化快，進(jìn)入萌發(fā)滯緩期時(shí)間過長，不利于種子引發(fā)條件的控制和引發(fā)種子的貯藏，因此油松種子引發(fā)適宜暗培養(yǎng)。

2.2 種子引發(fā)吸水總量及不同時(shí)段吸水率

在25 ℃，暗培養(yǎng)條件下，種子吸水率和萌動(dòng)率見圖2。由圖可知，16 h為油松種子初始萌動(dòng)時(shí)間，吸水率為26.3%；當(dāng)萌動(dòng)率大幅增加至26%時(shí)，吸水總量大約是種子初始質(zhì)量的39%。0—16 h為種子的快速吸漲期，其吸水量約占吸水總量的68%；16—104 h為種子吸水滯緩期，吸水量占種子吸水總量的32%。故水引發(fā)加水量應(yīng)為種子初始質(zhì)量的26%—39%。考慮到種子呼吸，在引發(fā)器上留有縫隙時(shí)水分的蒸發(fā)損失，設(shè)定引發(fā)過程中加水量應(yīng)為種子初始質(zhì)量的30%—60%。

圖1 暗培養(yǎng)及光照培養(yǎng)條件下油松種子萌動(dòng)變化 Fig.1 Changes of germination in the dark and light cultivation for Pinus tabulaeformis seed

圖2 油松種子的吸水率及萌動(dòng)率變化 Fig.2 Changes of water absorption and germination for Pinus tabulaeformis seed

2.3 種子引發(fā)的時(shí)間范圍

不同溫度和加水量引發(fā)種子的初始萌動(dòng)時(shí)間見表1，在(5±1)℃培養(yǎng)下，在不同加水量條件下，10 d內(nèi)種子均已萌發(fā)；(10±1)℃培養(yǎng)下，加水總量為油松種子初始質(zhì)量的30%和35%時(shí)，未觀測(cè)到萌發(fā)的種子；當(dāng)處理溫度為(15±1)、(20±1)℃時(shí)，加水總量為30%條件下，種子未萌發(fā)，但出現(xiàn)了一定數(shù)量的霉變種子。在不同溫度和加水量組合處理中的各個(gè)萌動(dòng)組，種子初始萌發(fā)的時(shí)間有差異，時(shí)間介于4—10 d。由溫度為(10±1)、(15±1)、(20±1)℃，加水量為30%，種子未萌發(fā)的試驗(yàn)組分析得出，油松種子水引發(fā)的初始時(shí)間為6 d左右。

表1 不同處理下種子萌動(dòng)天數(shù) (種子露白時(shí)間)/dTable 1 seeds buding days for different treatments seeds germination time:day/d)

“—”: 種子的萌動(dòng)時(shí)間超過10 d

2.4 種子引發(fā)的優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)2.2確定的種子吸水量為種子初始質(zhì)量的30%—60%，設(shè)定加水量分別為種子初始質(zhì)量的30%、35%、40%、50%、60% 5個(gè)梯度；根據(jù)2.3確定的種子引發(fā)初始時(shí)間，逐天設(shè)定時(shí)間梯度，并分別與設(shè)定的(5±1)、(10±1)、(15±1)和(20±1)℃ 4個(gè)溫度梯度組合，共設(shè)計(jì)74個(gè)處理，依據(jù)2.2確定加水時(shí)段，0—16 h加入吸水總量的的68%；16—104 h加入吸水量總量的32%，暗培養(yǎng)情況下進(jìn)行種子引發(fā)，引發(fā)效果見表2。

表2 不同條件下引發(fā)油松種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)及綜合評(píng)價(jià)Table 2 Germination percentage, germination index in different conditions of water priming of primed Pinus tabulaeformis seeds and comprehensive assessment

從種子的發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率及綜合評(píng)價(jià)指數(shù)來看，種子引發(fā)的最佳條件為T10+W30+D10。因此確定油松種子水引發(fā)最佳條件為：暗培養(yǎng)，引發(fā)溫度為10 ℃，引發(fā)時(shí)間為10 d，加水量為種子初始質(zhì)量的30%，分批加水，在引發(fā)0、8、16、40、64 h和88 h時(shí)分別加入總水量的53.6%、14.5%、14.5%、8.3%、5.7%、3.4%。

2.5 引發(fā)后油松種子和幼苗的形態(tài)及生理變化

水引發(fā)油松種子及引發(fā)種子的幼苗各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果見表3，引發(fā)后種子可溶性糖及可溶性蛋白含量分別比對(duì)照提高了25.2%，18.0%，差異極顯著；種子脯氨酸和丙二醛含量與對(duì)照無統(tǒng)計(jì)差異。水引發(fā)油松種子相比對(duì)照，T50和硬實(shí)率分別極顯著降低了37.5%，48.8%，活力指數(shù)顯著提高了16.8%，發(fā)芽指數(shù)及發(fā)芽率分別極顯著提高了42.8%，18.2%。引發(fā)后幼苗相對(duì)苗高比對(duì)照降低了34.7%，莖粗和苗鮮重分別比對(duì)照提高了30.9%和105.4%，差異均極顯著；植株CAT和根系脫氫酶的活性比對(duì)照分別增長了31.2%和70.6%，POD比對(duì)照活性增加了9.4倍，游離氨基酸(100克樣品中氨基態(tài)氮)含量比對(duì)照下降了41.67%，差異均極顯著。

2.6 引發(fā)幼苗的抗旱效應(yīng)

干旱脅迫下引發(fā)后油松幼苗脯氨酸含量為0.016%，可溶性糖含量為0.57%，與對(duì)照(0.0097%、0.11%)相比，分別提高了39.6%和118.9%，差異均極顯著；引發(fā)后幼苗丙二醛含量為0.17 μmol/g，與對(duì)照(2.58 μmol/g)相比，降低了93.4%，差異極顯著。

表3 水引發(fā)后油松種子及其培養(yǎng)21天的幼苗各項(xiàng)生理形態(tài)指標(biāo)Table 3 Physiological and morphological indicators of Pinus tabulaeformis seeds of water priming and seedlings cultivated 21 days

表中數(shù)據(jù)均為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，生理指標(biāo)n=12，發(fā)芽指標(biāo)n=10，形態(tài)指標(biāo)n=40，**表示處理組與對(duì)照組差異極顯著(P<0.01)，*表示處理組與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)

2.7 相關(guān)性分析結(jié)果

將引發(fā)后油松種子和幼苗及干旱脅迫下幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表4。由表可知，種子的脯氨酸含量與幼苗CAT活性呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，但種子MDA含量與其顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)；種子可溶性糖含量與幼苗CAT顯著正相關(guān)、與POD和脫氫酶活性呈極顯著正相關(guān)、與游離氨基酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；種子可溶性蛋白質(zhì)含量則與幼苗POD活性呈顯著正相關(guān)，與游離氨基酸含量呈顯著負(fù)相關(guān)。種子可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量與脅迫幼苗脯氨酸含量呈極顯著正相關(guān)，分別與幼苗MDA含量呈極顯著、顯著負(fù)相關(guān)；種子可溶性糖含量與脅迫幼苗可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)。

將水引發(fā)后的幼苗與其干旱脅迫后幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表5。由表可知，幼苗POD和脫氫酶活性與脅迫后幼苗植株內(nèi)的脯氨酸和可溶性糖含量均呈極顯著正相關(guān)，與MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；幼苗游離氨基酸含量與脅迫下幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與MDA含量呈極顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

3.1 油松種子水引發(fā)方法

引發(fā)時(shí)間因引發(fā)劑、溶液滲透勢(shì)、溫度、或物種的不同而異，可在2—21 d之間變化[15]，這與本試驗(yàn)引發(fā)10 d的結(jié)果相符。引發(fā)溫度一般在15—20 ℃[15]，有的在較低溫度(5 ℃)引發(fā)效果較好[16-17]，這與本研究的10 ℃有差異，這種差異可能是由物種的生物學(xué)特性決定的。種子吸水速率也是影響引發(fā)效果的一個(gè)重要因素[18]。本試驗(yàn)通過定時(shí)、定量加水控制種子吸水速度和吸水量，防止種子因吸水過快或過多而造成的吸漲傷害，從而保護(hù)了種子細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，避免了內(nèi)溶物的流失。本試驗(yàn)首次研究了油松水引發(fā)過程是否需要光照，試驗(yàn)表明油松水引發(fā)適宜在暗培養(yǎng)下進(jìn)行，這可能與油松的生物學(xué)特性有關(guān)。

表4 油松種子與幼苗及干旱脅迫后幼苗各項(xiàng)生理指標(biāo)的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis of tested indicators of Pinus tabulaeformis seeds and seedlings and seedlings under water stress

表5 幼苗與干旱脅迫后幼苗各項(xiàng)生理指標(biāo)間的相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis of tested indicators of seedlings and seedlings under drought stress

本研究表明油松種子水引發(fā)的最適條件：10 ℃條件下暗培養(yǎng)，引發(fā)10 d，加水量為種子初始質(zhì)量的30%，分批加水。

3.2 水引發(fā)提高油松種子活力的機(jī)制

可溶性糖是調(diào)節(jié)滲透脅迫的小分子物質(zhì)，又是植物代謝的基礎(chǔ)物質(zhì)[19]，水引發(fā)油松種子可溶性糖含量極顯著提高了25.2%，為其種子萌發(fā)提供了能量基礎(chǔ)。水引發(fā)種子的可溶性蛋白含量較對(duì)照極顯著提高了18.0%，通過對(duì)水稻種子在谷粒充盈過程中蛋白質(zhì)的表達(dá)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)持續(xù)上調(diào)的蛋白質(zhì)主要參與淀粉合成[20]，而種子響應(yīng)水分處理的差異表達(dá)蛋白質(zhì)主要參與能量代謝和蛋白質(zhì)定位[21]。可見種子內(nèi)部可溶性蛋白質(zhì)在種子萌發(fā)中主要參與能量代謝和物質(zhì)的合成，促進(jìn)細(xì)胞生長。水引發(fā)可提高油松種子的發(fā)芽指數(shù)、最終發(fā)芽率和活力指數(shù)，降低種子的T50，T50越小說明種子萌發(fā)時(shí)間越集中、發(fā)芽一致性越好。水引發(fā)可顯著降低油松種子的硬實(shí)率，表明水引發(fā)可以破除油松種子的硬實(shí)。水引發(fā)啟動(dòng)油松種子的萌發(fā)機(jī)制可能是：水引發(fā)處理提高了種子內(nèi)部可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)的積累量，促進(jìn)物質(zhì)的合成和細(xì)胞生長，并且調(diào)動(dòng)能量代謝，為種子內(nèi)部代謝活動(dòng)提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.3 水引發(fā)提高油松幼苗活力的機(jī)制

引發(fā)可以提高幼苗CAT、POD等保護(hù)酶活性，使其抵抗逆境的能力提高[22-23]，比如用丁二胺引發(fā)煙草種子能夠增加寒冷脅迫下煙草幼苗中抗氧化酶的活性[24]。CAT普遍存在于植物組織中，是重要的保護(hù)酶之一，微體中產(chǎn)生的H2O2可通過其得到清除[25]。而根系脫氫酶活力是植物根系活力的一種量度，代表了根細(xì)胞的活力，是植物健康生長的標(biāo)志，酶活性越高，說明植株生長越健壯[26]。水引發(fā)后的油松幼苗CAT、POD及根系脫氫酶活性均有極顯著提高，與文獻(xiàn)結(jié)果一致[24]，說明水引發(fā)提高了幼苗抗氧化系統(tǒng)的功能，增強(qiáng)了幼苗根系生長活力。水引發(fā)后油松幼苗的莖粗和苗鮮重均極顯著提高，根長也有所增加，相對(duì)苗高值則有所下降，表明水引發(fā)可增強(qiáng)幼苗的健壯度。胚根突破種皮后，胚生長時(shí)優(yōu)先利用的物質(zhì)便是自身的脂肪酸、還原糖、氨基酸等[27-28]。本試驗(yàn)引發(fā)處理的幼苗可能先行大量動(dòng)用了自身的游離氨基酸來完成其他蛋白質(zhì)的合成和轉(zhuǎn)化，因此水引發(fā)幼苗植株內(nèi)的游離氨基酸含量顯著低于對(duì)照。

將水引發(fā)后油松種子和幼苗各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)的結(jié)果表明引發(fā)種子高可溶性糖含量可以提高幼苗CAT、POD和根系脫氫酶活性；引發(fā)種子高可溶性蛋白含量可以提高幼苗POD活性。因此，水引發(fā)提高油松幼苗活力的機(jī)制可能是：水引發(fā)加速了油松種子內(nèi)部可溶性糖的積累和代謝，提高了可溶性蛋白質(zhì)水平，進(jìn)而提高幼苗CAT、POD、脫氫酶活性，并加速游離氨基酸分解利用，完成酶的合成和轉(zhuǎn)化，使幼苗的莖粗、相對(duì)苗高和苗鮮重等形態(tài)指標(biāo)得到增強(qiáng)。

3.4 水引發(fā)提高油松幼苗抗旱性的機(jī)制

MDA是過氧化的最終產(chǎn)物，又是一種高活性的脂質(zhì)過氧化物，能交聯(lián)脂類、核酸、糖類及蛋白質(zhì)，從而進(jìn)一步對(duì)質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能造成不良的影響，使其電解質(zhì)泄漏量增加，影響細(xì)胞膜的流動(dòng)性及其與酶的結(jié)合力[29]。在水分脅迫下，水引發(fā)處理的油松幼苗丙二醛含量極顯著低于對(duì)照93.4%，表明水引發(fā)幼苗的膜系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，有利于增強(qiáng)幼苗活力，進(jìn)而提高幼苗的抗旱性；引發(fā)幼苗的脯氨酸和可溶性糖含量分別高于對(duì)照39.6%、118.9%，表明水引發(fā)可提高油松幼苗在干旱脅迫下的基礎(chǔ)代謝物質(zhì)。

將水引發(fā)油松種子與其干旱脅迫后幼苗的生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)的結(jié)果表明種子內(nèi)部高可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)水平，有利于提高脅迫后幼苗的脯氨酸含量，降低MDA含量，并對(duì)脅迫時(shí)幼苗內(nèi)部可溶性糖的積累有一定作用，從而減輕了幼苗膜脂過氧化作用的能力，提高苗株的抗旱性和持水性。通過對(duì)向日葵種子進(jìn)行水引發(fā)，發(fā)現(xiàn)引發(fā)能夠促進(jìn)干旱脅迫下種子的萌發(fā)及幼苗的生長[30]，與本試驗(yàn)結(jié)果相符。將水引發(fā)后的油松幼苗與干旱脅迫后幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)的結(jié)果表明在幼苗生長初期，高水平的POD和根系脫氫酶活性、低游離氨基酸水平是干旱脅迫下提高幼苗脯氨酸和可溶性糖含量，降低MDA含量的前提。由此推測(cè)，水引發(fā)提高油松幼苗抗旱性的生理調(diào)節(jié)機(jī)制可能是：水引發(fā)可促進(jìn)種子內(nèi)部可溶性糖的積累和利用，提高可溶性蛋白質(zhì)含量，增強(qiáng)幼苗POD和根系脫氫酶活性，加速游離氨基酸的利用，并使幼苗在干旱脅迫后植株內(nèi)可溶性糖含量穩(wěn)定提高，調(diào)節(jié)其脯氨酸的累積速率，增加細(xì)胞原生質(zhì)濃度，降低了MDA對(duì)幼苗的傷害，提高苗株的抗旱性和持水性，從而更好的應(yīng)對(duì)不良環(huán)境。

綜上所述，油松種子通過水引發(fā)，使種子的發(fā)芽率和幼苗的抗旱性得到大幅度提高，為在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)綠化造林、解決荒漠化問題提出了一條有效途徑，值得深入研究。

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Physiological effects and mechanisms ofPinustabulaeformisseeds and seedlings by hydro-priming

HE Hongjuan,GUAN Hua, ZHANG Cunli*

CollegeofLifeSciences,NorthwestAgricultureandForestryUniversity,Yangling712100,China

The hydro-priming technique was adopted forPinustabulaeformisseeds to solve the poor emergence and drought resistance of direct seeding in the present study. The effect of hydro-priming on the seed, seedling, and the drought resistance mechanism of the primed seedling were also explored. The results showed that the optimal condition for hydro-priming was at 10 °C for 10 days under dark condition, and in the presence of 30% additional water to the original seed mass. Specifically, a succession of total water percentages (53.6%, 14.5%, 14.5%, 8.3%, 5.7%, and 3.4%)was added at 0 h, 8 h, 16 h, 40 h, 64 h, and 88 h after starting priming, respectively. The effects of hydro-priming onP.tabulaeformisseeds were documented in comparison to the control. First, the 50% seed germination days and hard seed rate of primed seeds were significantly reduced by 37.5% and 48.8%, respectively. The germination index, the final germination percentage, and seed vitality index were also improved by 42.8%, 18.2%, and 16.8%, respectively. Soluble sugar and soluble protein content of primed seeds increased by 25.2% and 18.0%, respectively. These results demonstrated that the hydro-priming technique improved the performance ofP.tabulaeformisseeds. Second, the relative plant height of hydro-primed seedlings decreased by 34.7%. Stem diameter, fresh seedling weight, and root length increased by 30.9%, 105.4%, and 3.9%, respectively. Third, catalase and peroxidase activity in seedlings and the dehydrogenation enzyme in the root increased by 31.2%, 9.4 times, and 70.6%, respectively. Free amino acid content declined by 41.4%. These results show that the physiological indexes of hydro-primed seedlings were considerably different to those of non-primed, with hydro-priming strengtheningP.tabulaeformisseedlings. Finally, under drought stress, proline and soluble sugar content in seedlings from primed seeds were significantly enhanced by 39.6% and 118.9%, respectively. In contrast, malondialdehyde content significantly decreased by 93.4%. The results indicate that the increased soluble sugar and soluble protein content in hydro-primed seeds greatly enhances seed germination and seed germination rates. On the other hand, the function of the seedling antioxidant system requires further improvement by increasing seedling antioxidase activity and decreasing malondialdehyde content, which significantly enhance seedling drought resistance.

Pinustabulaeformis; hydro-priming; physiological effect; seed germination; drought resistance

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(30970003)

2014- 01- 20;

日期:2015- 04- 14

10.5846/stxb201401200147

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangcunli529@163.com

賀紅娟，管樺，張存莉.水引發(fā)對(duì)油松種子和幼苗的生理效應(yīng)及其作用機(jī)理.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(21):7033- 7042.

He H J,Guan H, Zhang C L.Physiological effects and mechanisms ofPinustabulaeformisseeds and seedlings by hydro-priming.Acta Ecologica Sinica,2015,35(21):7033- 7042.