干旱脅迫對喀斯特地區適生灌木種子萌發的影響

陳 瑩，李龍興，趙麗麗

（1.貴州大學 動物科學院，貴州 貴陽550025；2.貴州省草業研究所，貴州 貴陽550006；3.貴州省草地技術試驗推廣站，貴州 貴陽550025）

貴州處于長江流域和珠江流域的分水嶺，屬亞熱帶季風氣候區，是我國典型喀斯特地貌的主要分布區，巖溶地貌占全省土地面積的73%，具有受季風影響大，氣候多變，降水總量豐富，但是時空分布不均，季節性干旱嚴重等特點[1－2]。干旱對該區原本脆弱的喀斯特生態系統構成嚴重威脅與破壞，其生態環境問題直接關系到兩江下游的生態安全[3]。灌叢是西南喀斯特地區常見植被類型，灌叢中的優勢灌木具有適應性強、營養豐富等特點，不僅可為畜牧業生產提供優良的飼草飼料，而且在生態保護、草地恢復和重建中具有重要作用。喀斯特地區季節性干旱條件嚴重影響部分灌木植物群落的建立。因此，提高灌木的抗旱性，更好地發揮灌木的生態保護和飼用價值，是當前亟待探索的研究領域。而探尋灌木的抗旱機理是提高抗旱性的基礎。胡枝子（LespedezabicolorTurcz）、截葉鐵掃帚（LespedezacuneataG.Don）、白刺花（SophoradavidiiSkeels）和木豆（CajanuscajanMillsp）是貴州地區廣泛分布的優質灌木[4]，其營養價值較高，是貴州天然草地恢復的常用灌木種。

研究貴州喀斯特地區干旱脅迫對適生灌木種子萌發的影響，對促進該地區畜牧業發展有重要意義。楊景寧等[5]研究了PEG 模擬干旱脅迫對4種荒漠植物種子萌發的影響，馬海鴿等[6]研究了PEG 脅迫下野生甘草種子萌發和幼苗生長情況。PEG－6000是一種親水性很強的大分子有機物，溶于水后能產生強大的滲透壓，常作為植物耐旱性選擇劑或水分脅迫劑使用[7]。未見干旱脅迫對貴州喀斯特地區適生灌木種子萌發影響的研究報道。對此，筆者利用不同濃度PEG－6000模擬干旱脅迫，研究其對胡枝子、截葉鐵掃帚、白刺花和木豆種子萌發的影響，以期為巖溶石漠化地區的生態恢復與重建提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 種子 胡枝子、截葉鐵掃帚、白刺花、木豆4種灌木種子，均為貴州獨山縣野生種。

1.1.2 試劑 PEG－6000水分脅迫劑，進口科研專用試劑，其為親水性很強的大分子有機物，溶于水后能產生強大的滲透壓，常作為植物耐旱性選擇劑或水分脅迫劑使用。

1.2 種子處理

挑選籽粒飽滿，大小一致的各灌木種子，用0.1%高錳酸鉀消毒15 min，反復用蒸餾水清洗數遍，待洗凈后用蒸餾水浸種1h。

1.3 脅迫處理

干旱程度設對照、輕度、中度和重度4個處理。處理1（CK），正常供水，即不使用水分脅迫劑；處理2～4，PEG－6000濃度分別為5%、10%和20%。

溶液配制完成后倒入培養皿中，每個培養皿胡枝子、鐵掃帚選取100粒種子，白刺花選取60粒種子，木豆選取30粒種子，放入光照培養箱中22℃恒溫培養，每個處理3次重復，培養18d后測定其發芽率，并選取長勢一致的健康種苗測定生理指標。

1.4 發芽率測定

發芽率，萌發第18天后統計各灌木種子的發芽數，計算發芽率。

發芽率＝（發芽種子數／參試發芽的種子總數）×100%。

1.5 生理指標測定

超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑光還原法[8]，過氧化物酶（POD）的活性的測定以1min吸光度（D470nm）變化0.01為一個酶活力單位，過氧化氫酶（CAT）的活性以1min分解1μmol的過氧化氫為一個CAT 的活性單位，谷胱甘肽（GSH）含量按文獻[9]的方法測定，可溶性蛋白（SP）含量采用考馬斯亮藍G－250 染色法測定。以上指標均可用紫外分光光度計測定。

1.6 數據處理

采用SPSS19.0與Excel對數據進行方差分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 PEG－6000對不同灌木種子發芽率的影響

從圖1看出，不同PEG－6000濃度下，白刺花與截葉鐵掃帚種子發芽率低于胡枝子和木豆，干旱脅迫下降低了4種灌木種子發芽率。隨著PEG－6000濃度的增加，不同灌木種子發芽率均呈顯著下降趨勢（p＜0.05）。其中，正常供水（不加入PEG－6000）與輕度干旱（PEG－6000濃度為5%）脅迫時，截葉鐵掃帚和白刺花種子發芽率差異不顯著（p＞0.05）。重度干旱（20% PEG－6000）脅迫與對照組相比，胡枝子、截葉鐵掃帚、白刺花和木豆種子發芽率分別降低52.7%、52.7%、64.4%和72.6%。

2.2 PEG－6000對不同灌木種子萌發期SOD／POD／CAT活性的影響

從圖2 可知，PEG 濃度為0%～20%時，胡枝子、截葉鐵掃帚、白刺花和木豆4種灌木種子萌發期的SOD／POD／CAT 活性呈不同的變化趨勢。

1）SOD。4種灌木種子萌發期的SOD 活性呈先升后降的趨勢，差異顯著（p＜0.05），而白刺花和木豆種子萌發期SOD 活性高于（p＞0.05）或顯著（p＜0.05）高于對照。PEG－6000濃度為5%時，胡枝子和截葉鐵掃帚種子的SOD 活性最高，分別達276.12U／mL 和233.46U／mL；PEG 濃度為20%時，白刺花和木豆種子的SOD 活性最高，分別達557.46U／mL和125.13U／mL。

圖2 干旱脅迫4種灌木種子萌發期的SOD／POD／CAT活性Fig.2 SOD／POD／CAT activity of four species of shrubs in germinating period under drought stress

圖3 干旱脅迫4種灌木種子萌發期的GSH／SP含量變化Fig.3 GSH／SP content of four species of shrubs in germinating period under drought stress

2）POD。隨著PEG 濃度的增加，4 種灌木種子萌發期的POD 活性均呈下降趨勢。其中，木豆種子萌發期的POD 活性下降低幅度較小，差異不明顯（p＞0.05）；白刺花種子萌發期的POD 活性顯著下降（p＜0.05）；PEG－6000濃度為5%時，胡枝子種子萌發期的POD 活性顯著下降（p＜0.05）；PEG－6000濃度為10%時，截葉鐵掃帚種子萌發期的POD 活性顯著下降（p＜0.05）。

3）CAT。隨著PEG 濃度的增加，4 種灌木種子萌發期的CAT 活性呈先上升后降低的趨勢。PEG－6000濃度為5%時，4 種灌木種子萌發期的CAT 活性最高，分別為340.50U／mL、322.28U／mL、356.14U／mL 和330.64U／mL，均呈顯著上升趨勢（p＜0.05）；PEG－6000濃度為10%時，CAT 活性逐漸降低。

2.3 PEG－6000對不同灌木種子萌發期GSH／SP含量的影響

從圖3 看出，PEG－6000濃度為0%～20%時，胡枝子、截葉鐵掃帚、白刺花和木豆4種灌木種子萌發期的GSH／SP含量呈先上升后降低的趨勢。

1）GSH。隨著PEG－6000濃度的增加，4種灌木種子萌發期的GSH 含量呈先上升后降低的趨勢，PEG－6000濃度為5%時，GSH 含量顯著上升（p＜0.05），均達最高，分別為3.04 mg／g FW、5.76mg／g FW、3.55mg／g FW 和3.21mg／g FW；隨著PEG－6000濃度的增加，GSH 含量逐漸顯著降低（p＜0.05）。當PEG－6000濃度增加到20%時，與對照組相比，胡枝子、截葉鐵掃帚、白刺花和木豆種子GSH 含量分別降低27.0%、64.3%、30.9%和20.7%。

2）SP。隨著PEG－6000濃度的增加，胡枝子、鐵掃帚與木豆種子萌發期的SP 含量均呈顯著上升后降低的趨勢（p＜0.05），白刺花卻逐漸顯著的上升趨勢（p＜0.05）。PEG－6000濃度為5%時，胡枝子與木豆種子萌發期的SP 含量最高，分別達7.96mg／g和10.73mg／g；PEG 濃度為10%時，鐵掃帚種子萌發期的SP 含量最高，達6.74 mg／g；PEG－6000濃度為20%時，白刺花種子萌發期的SP含量最高，達8.70mg／g。

3 結論與討論

1）植物生長發育過程中，種子萌發期和幼苗生長階段對逆境脅迫最為敏感，所以常用種子萌發及幼苗的生長狀況來評價植物的抗逆性。PEG－6000作為一種常見的高分子滲透調節劑或水分脅迫劑，可降低水勢，能夠模擬干旱土壤環境對植物正常生長產 生的 影 響[10]。 曾 彥 軍 等[11－14]均 有 相 似 的 研 究結果，隨著模擬干旱脅迫的加劇，種子發芽率均呈下降趨勢。本試驗結果表明，PEG－6000滲透溶液對4種灌木種子發芽率及萌發期的生理生化指標均產生不同程度的影響。干旱脅迫下4種灌木種子發芽率顯著降低，因為隨著PEG－6000濃度的增加，溶液滲透勢逐漸降低，灌木種子吸水困難，導致其發芽率逐漸下降。而不同灌木種子之間也存在差異，在重度干旱脅迫（20%PEG－6000）時，4種灌木種子對干旱脅迫的適應性依次為胡枝子＞木豆＞鐵掃帚＞白刺花。可能與種子自身結構及環境因素有關，種子萌發是各種生態因子相互作用的結果[5]，因為白刺花與鐵掃帚種子具有不同程度的硬實特性，這也是在逆境條件下植物種子的一種自我保護作用。

2）植物在受到干旱脅迫下，其體內會產生過量的活性氧，如果這類物質長期積累，將會造成氧化脅迫，引起膜脂過氧化，導致膜系統受到破壞[15]。而植物自身形成了一套活性氧的清除體系，主要由SOD、POD 和CAT 等保護酶構成[16]。這些保護酶可以清除氧自由基、過氧化氫和過氧化物等有害物質，從而達到保護細胞膜免受傷害的目的[17]。本試驗結果表明，隨著干旱脅迫的增強，胡枝子和截葉鐵掃帚種子萌發期SOD 活性呈先升后降的趨勢，4種灌木CAT 活性也呈現相同的變化趨勢。說明，輕度干旱脅迫可誘導灌木種子萌發期葉片SOD／CAT活性的提高，減輕膜脂過氧化對植物造成的傷害。當干旱脅迫增加時，葉片酶活性受到抑制進而使其活性降低。4種灌木種子幼苗葉片POD 活性均呈下降趨勢，可能是POD 活性對干旱脅迫比較敏感，在輕度干旱脅迫下活性即受到抑制。喻澤莉等[18]認為，SOD、CAT 和POD 這3種抗氧化酶活性變化的不一致，反映了不同植物在遭受干旱脅迫時各種酶之間復雜的內在關系和協同作用。

3）GSH 是植物中重要的抗氧化劑和還原緩沖劑，參與活性氧的鈍化代謝過程[19]。植物在受到脅迫過程中，主動或被動地產生GSH 來清除植物體內的自由基，從而減緩和抵抗細胞的傷害。植物體內GSH 水平的提高不僅與植物對環境脅迫的忍耐有關，而且GSH 合成提高可能是植物對環境脅迫的內在響 應之一[20]。本研究中隨著PEG－6000 濃度的增加，4種灌木種子萌發期GSH 含量呈現先上升后降低的趨勢。灌木種子萌發期受到干旱脅迫時，谷胱甘肽還原酶活性升高，GSH 含量增加，植物通過提高自身的防御能力來應對干旱脅迫。但是干旱脅迫增強到一定程度時，酶的活性降低，GSH 的合成受到抑制，GSH 含量降低，導致植物防御能力減弱。說明，植物抵御干旱脅迫的能力強弱與抗氧化系統水平具有相關性。

4）SP是植物細胞質中重要的滲透調節物質之一，與調節植物細胞的滲透勢有關，SP含量高，植物細胞保持較低滲透勢來抵抗干旱脅迫帶來的傷害[21]。胡枝子、鐵掃帚與木豆種子隨著干旱脅迫的增強均呈現先顯著上升后降低的趨勢，白刺花卻呈逐漸上升高趨勢。干旱脅迫使植物細胞中蛋白質的合成代謝增強，蛋白質含量增加，細胞的滲透勢降低，以此來提高植物的抗旱能力。類似的研究報道，隨著鹽脅迫的增加，SP 含量呈先升高后降低的趨勢[22]。在干旱條件下，植物體內可能產生更多的蛋白質或者細胞內一些不溶性蛋白轉變為SP[23]。不同灌木之間SP 含量呈不同的變化趨勢，這可能與不同植物本身的抗旱性強弱有關，抗旱性強的植物在受到干旱脅迫時能夠誘導新的蛋白質合成，抗旱性弱的植物在干旱脅迫下蛋白質合成受抑，因而當干旱脅迫增強到一定程度時，SP含量降低。

5）研究結果表明，干旱脅迫對發芽率有明顯影響，隨著PEG－6000濃度的增加，灌木種子發芽率顯著降低。從SOD、POD、CAT 酶活性以及GSH、SP含量變化趨勢初步發現，這4種灌木處于重度干旱脅迫（20% PEG－6000）時，白刺花對干旱脅迫適應能力最強，其次是鐵掃帚與胡枝子，木豆最差。其不同的變化趨勢也反映出不同灌木種子萌發對干旱脅迫的生理響應。但是植物種子的萌發不僅與自身結構有關，而且環境因素也有著重要影響。因此，在今后的研究中，要綜合考慮多方面因素，更加準確和系統地探討灌木種子萌發對逆境脅迫的適應機制。

[1]萬 軍.貴州省喀斯特地區土地退化與生態重建研究進展[J].地球科學進展，2003（3）：447－453.

[2]貴州省農業科學院水資源課題組.“貴州喀斯特地區水資源保護與高效利用技術開發與示范”項目研究工作階段性總結[J].貴州農業科學，2004（1）：30－32.

[3]熊紅福，王世杰，容 麗，等.極端干旱對貴州省喀斯特地區植物的影響[J].應用生態學報，2011（5）：1127－1134.

[4]陳 超，朱 欣，陳光燕，等.貴州飼用灌木資源評價及其開發利用現狀[J].貴州農業科學，2014（9）：167－171.

[5]楊景寧，王彥榮.PEG 模擬干旱脅迫對四種荒漠植物種子萌發的影響[J].草業學報，2012（6）：23－29.

[6]馬海鴿，蔣 齊，王占軍，等.PEG 脅迫下野生甘草種子萌發 和 幼 苗 生 長 [J].草 業 科 學，2014（8）：1487－1492.

[7]王怡丹.聚乙二醇6000模擬水分脅迫下蒙古冰草、扁穗冰草和濱麥抗旱性研究[D].延吉：延邊大學，2008.

[8]孔祥生，易現峰.植物生理學實驗技術[M].北京：中國農業出版社，2008：259－260.

[9]劉 萍，李明軍.植物生理學實驗技術[M].北京：科學出版社，2007：152－153.

[10]周 玲，王乃江，張麗楠.PEG 脅迫對文冠果種子萌發和幼苗生理特性的影響[J].西北植物學報，2012（11）：2293－2298.

[11]曾彥軍，王彥榮，薩 仁，等.幾種旱生灌木種子萌發對干旱脅迫的響應[J].應用生態學報，2002（8）：953－956.

[12]何 淼，趙保成，李 強，等.PEG 脅迫對芒和荻種子萌發的影響[J].草業科學，2013（4）：577－582.

[13]蔡仕珍，潘遠智，陳其兵，等.PEG 脅迫對檸條種子萌發及生理特性的影響[J].種子，2011（5）：42－45.

[14]王慧慧，王普昶，趙 鋼，等.溫度和PEG 脅迫對刺槐種子萌發的影響[J].種子，2014（6）：1－4，9.

[15]張仁和，鄭友軍，馬國勝，等.干旱脅迫對玉米苗期葉片光合作用和保護酶的影響[J].生態學報，2011（5）：1303－1311.

[16]竇俊輝，喻樹迅，范術麗，等.SOD 與植物脅迫抗性[J].分子植物育種，2010（2）：359－364.

[17]Munné－Bosch，Alegre L.Drought induced change in the red－ox state ofα－tocopherol，ascorbate and the diterpene carnosic acid in chloroplasts of labiatae species differing in carnosic acid contents[J].Plant phys－iology，2003，131（4）：1816－1825.

[18]喻澤莉，何 平，張春平，等.干旱脅迫對決明種子萌發及幼苗生理特性的影響[J].西南大學學報：自然科學版，2012（2）：39－44.

[19]段喜華，唐中華，郭曉瑞.植物谷胱甘肽的生物合成及其生物學功能[J].植物研究，2010（1）：98－105.

[20]Alscher R G.Biosynthesis ang an tioxidant function of glutathione in plants[J].Physiology Plant，1989，77：457－464.

[21]王俊剛，陳國倉，張承烈.水分脅迫對2種生態型蘆葦的可溶性蛋白含量、SOD、POD、CAT 活性的影響[J].西北植物學報，2002（3）：561－565.

[22]方志紅，董寬虎.NaCl脅迫對堿蒿可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響[J].中國農學通報，2010（16）：147－149.

[23]陳明濤，趙 忠，權金娥.干旱對4種苗木根尖可溶性蛋白組分和含量的影響[J].西北植物學報，2010（6）：1157－1165.