干旱脅迫對山桐子種子萌發及幼苗生理特性的影響

石開明 吳強盛

(湖北民族學院林學園藝學院,湖北 恩施 445000) (長江大學園藝園林學院,湖北 荊州 434025)

山桐子(Idesiapolycarpa)又名水冬瓜、水冬桐、油葡萄等,屬大風子科山桐子屬[1，2]。山桐子是優質高產的木本油料樹種,果實出油率高達40%,其中亞油酸含量占78.6%。山桐子在果實產量、出油率、亞油酸含量等方面,均明顯高于其他目前已推廣木本油料樹種,開發應用前景好。山桐子對氣候條件要求不嚴,適應性廣,能耐低溫高熱(-14～40℃),年降水量800～2000mm的條件下都能正常生長。山桐子對土壤適應性強,耐旱、耐瘠薄,中性、微酸或微堿性土壤均適應,在我國華北、華中、西南、西北地區的丘陵和山地廣有分布。從目前趨勢來看,山桐子適宜在荒山荒坡推廣發展,綠化山地,改善生態環境[3，4]。

在山地、坡地發展山桐子,通常會遇到水分不足的問題。荒山坡地土壤結構理化性質差,不能有效涵養保持水分,容易造成干旱脅迫,對山桐子生長發育有嚴重影響,這極大制約了山桐子的大面積推廣和種植。干旱嚴重抑制植物的生長發育、光合作用、呼吸作用以及氮代謝等,植物在干旱環境下維持可利用水分是其存活的關鍵[5]。對于植物抗旱性研究的方法一般有土壤干旱和模擬滲透脅迫2種,但是因土壤系統構成復雜以及自身的脅迫與滲透效應難以區分,故對土壤干旱的研究造成了一定的困擾。聚乙二醇6000(PEG-6000,后簡稱PEG)是一種親水性非常強的大分子聚合物,常作為滲透調節劑應用到模擬干旱脅迫中,模擬干旱逆境[6]。

本研究利用不同濃度PEG處理模擬不同程度干旱脅迫環境,通過測定種子萌發相關指數,了解干旱脅迫對山桐子種子萌發的總體影響,探討其種子萌發抗旱適應性。另外,通過對幼苗根系呼吸途徑及呼吸關鍵酶活性等指標測定分析,研究不同程度模擬干旱脅迫山桐子相關酶活性響應特征,為山桐子栽培的水分管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為3個山桐子品種,即‘鄂選1號’、‘鄂選2號’及‘川桐32號’,試驗用種子由湖北省恩施市木本油料研究所提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子處理

參考文獻[7]的方法。隨機選取大小均勻、飽滿、無病蟲害的山桐子種子用75%濃度的酒精清洗1min,再用1.0%濃度的次氯酸鈉浸泡消毒3～5min,用蒸餾水沖洗至無味后自然晾干備用。玻璃培養皿(120mm)和濾紙用高壓滅菌鍋進行消毒滅菌(121℃、20～30min)。

在滅菌消毒過的培養皿中鋪2層濾紙,每個培養皿均勻放入50粒種子,分別向培養皿中加入蒸餾水0%(CK)，以及10%、15% 、20% 、25%濃度(A0～A4)的PEG溶液。放入25℃恒溫光照培養箱中進行發芽,每個處理重復3次。

對PEG處理種子連續培養觀察10d,記錄種子的發芽數。發芽結束后,從每個重復中選取5株籽苗,測定發芽籽苗胚根長和下胚軸長,以其均值作為胚根、胚芽的長度,并測量籽苗鮮重。

1.2.2 幼苗處理

將正常發芽籽苗移栽至lkg蛭石的育盆中,每盆栽15株。培養40d后進行分組,選取兩葉一心期生長狀況一致、健康的山桐子植株進行干旱脅迫處理,即開始向蛭石中施加含不同濃度PEG的Hoagland營養液連續處理10d。PEG模擬干旱脅迫處理同樣共設計了上述A0～A4等5個處理,每個處理水平重復3次。分別在施加處理的第1、3、5、7、10天后收獲幼苗進行幼苗生長量、根系活力及根系呼吸速率指標測定。

1.3 指標測定與計算

1.3.1 種子萌發指標

各項指標測定參考文獻[8,9]的方法,具體如下：

種子發芽率=(種子發芽數/供試種子數)×100%(10d,測試種子發芽數占測試種子總數的比例)。

種子發芽指數GI=∑(Gt/Dt)(式中：Gt為在第t天的種子發芽數,Dt為相對應的種子發芽天數)。

種子活力指數VI=∑(Gt/Dt)×S(其中：S為第10天芽的平均長度)。

1.3.2 幼苗生理指標

1)株高 以植株莖最高部位距土面的高度為準,用直尺測量。

2)生物量 挖取整個植株并洗干凈,分為地上和地下2個部分,置于105℃的烘箱中殺青1h后轉于55℃恒溫下烘干48h,待冷卻后稱其重量。

3)根系活力及呼吸速率指標測定 根系活力測定采用TTC 法。呼吸速率測定參照文獻[10，11]的方法。取直徑基本一致的褐色木質根,迅速稱取0.1g左右,用雙面刀將根切成2mm左右根段(下同),放入反應杯,加蓋并啟動測量程序。反應杯中液體溫度用恒溫浴控制在25℃,儀器采用英國HANSATECH公司生產的液相Oxy-Lab氧電極。

1 .4 數據處理

使用Excel軟件和SPSS 17.0軟件進行數據的統計與分析。

2 結果與分析

2.1 PEG脅迫處理對山桐子種子發芽率的影響

圖1 不同濃度PEG模擬干旱脅迫下的山桐子種子發芽率

種子發芽率高表示有生命活力種子多,播種后出苗數則多[12]。由圖1可知,3個山桐子品種材料在不同PEG濃度處理模擬干旱脅迫下種子發芽率均低于對照,表明各品種發芽率受PEG脅迫影響。在0%～10%的PEG脅迫下,各品種種子發芽率下降趨勢雖明顯,但幅度平緩,下降趨勢較為緩慢,表明低濃度的PEG模擬干旱脅迫對山桐子種子發芽率有輕微影響。當PEG濃度高于10%時,各品種種子發芽率下降趨勢較為顯著,在25%PEG脅迫下,除‘鄂選1號’外,其他2種山桐子種子發芽率均低于20%,說明隨著PEG處理濃度增加,山桐子種子發芽率受到明顯抑制。

在沒有脅迫條件下,3個品種的種子發芽率均超過90%,差異并不明顯,發芽率從高到低依次為‘川桐32’>‘鄂選1號’>‘鄂選2號’。另外,從圖1也可以看出,在采用10%～25%PEG處理時,‘鄂選1號’表現出的萌芽率水平最高,明顯高出‘鄂選2號’和‘川桐32號’,表明‘鄂選1號’種子對PEG模擬干旱的耐受性要好于‘鄂選2號’和‘川桐32號’。‘鄂選2號’和‘川桐32號’在各PEG濃度梯度處理下的種子發芽率差異不明顯,說明二者對PEG模擬干旱耐受性相似,抗旱能力相對較弱。

2.2 PEG脅迫處理對山桐子種子發芽指數和活力指數的影響

發芽指數比單純的發芽率更能全面地反映種子在實際條件下的萌發速度和整齊度[13，14]。活力指數代表種子迅速整齊萌發的發芽潛勢、生長和生產潛力,在干旱脅迫下,活力指數越大,則表示抗旱性越強[15]。

不同濃度PEG脅迫對3種山桐子種子發芽指數及活力指數的影響試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出,隨著PEG濃度遞增,3種山桐子種子發芽指數及活力指數呈明顯下降趨勢,當濃度達到25%時,各指數達到最低,這表明PEG高濃度處理對種子萌發活性有較強抑制性。

圖2 不同濃度PEG模擬干旱脅迫下的山桐子種子發芽指數和種子活力指數

在每一相同處理濃度下,‘鄂選1號’山桐子的種子發芽指數及活力指數均明顯高于‘鄂選2號’和‘川桐32號’,而‘鄂選2號’和‘川桐32號’差異較小,這表明‘鄂選1號’在逆境下種子萌發抗旱適應性要強于‘鄂選2號’及‘川桐32號’。

2.3 PEG脅迫處理對山桐子籽苗胚根、胚芽及鮮重的影響

由表1結果可以看出,當PEG脅迫處理濃度為10%時,鄂選1號的胚根長度、胚芽長度及籽苗鮮重均比對照略有上升,而‘鄂選2號’和‘川桐32號’的胚根長、胚芽長及籽苗鮮重則比對照低,但差異并不明顯。當PEG濃度從10%開始遞增時,3個品種的胚根、胚芽及籽苗鮮重測定指標均下降趨勢明顯,當濃度高達25%時,‘鄂選2號’及‘川桐32號’死苗嚴重,無法完成統計分析。總體結果表明,低濃度的PEG處理可在一定程度上促進‘鄂選1號’山桐子籽苗胚根、胚芽生長及籽苗增重,而高濃度的PEG脅迫對籽苗胚的生長抑制作用顯著。

表1 不同濃度PEG模擬干旱脅迫下的山桐子籽苗胚根、胚芽及鮮重

注：同列數據后不同字母者表示差異顯著(P<0.05),表2、表3同。

2.4 PEG脅迫處理對山桐子幼苗生物質量的影響

用不同濃度PEG連續處理盆栽幼苗時發現,連續干旱脅迫的幼苗從第3天開始出現生理萎蔫,當脅迫至第7天時,部分幼苗葉片開始焦黑變枯,至第10天時,幼苗瀕臨死亡狀態。通過測定PEG脅迫山桐子幼苗第7天時的地上和地下干物質含量、根冠比及死苗率,研究PEG脅迫對山桐子幼苗生長特性的影響。從表2結果可以看出,隨著PEG濃度升高,3個品種的莖葉及根系干物質含量明顯呈下降趨勢,在同一PEG濃度處理下,莖葉干物質含量從高到低順序為‘鄂選1號’>‘鄂選2號’>‘川桐32號’,根系干物質含量從高到低依次為鄂選1號>川桐32號>鄂選2號,其中‘鄂選1號’優勢較為突出,‘鄂選2號’與‘川桐32’號差異不顯著。從根冠比數據比較來看,‘鄂選1號’以PEG濃度為15%處理時最高達1.32,鄂選2號以PEG濃度為20%處理時最高達1.59,‘川桐32號’以PEG濃度為20%處理時最高達1.67。當PEG濃度高于20%時,3品種根冠比則明顯下降。連續PEG處理3品種山桐子幼苗,死苗率隨PEG濃度增加而提高,當PEG濃度處理提升至25%時,鄂選2號及‘川桐32號’死苗率均超過90%,而‘鄂選1號’死苗率則為83.69%。綜合來看,連續的PEG模擬干旱脅迫處理山桐子幼苗,對各品種幼苗的生長量指標有明顯的抑制作用,從3品種的測定指標來看,‘鄂選1號’幼苗抵抗PEG脅迫的能力要明顯強于其他2個品種。

表2 不同濃度PEG模擬干旱脅迫下的山桐子幼苗生長情況

2.5 PEG脅迫處理對山桐子幼苗根系活力及呼吸速率的影響

根系活力大小反映了根系代謝的能力強弱,直接影響植株生長和抗逆性。表3為干旱處理第7天時幼苗根系活力及根系呼吸速率的測定結果。從表3可以看出,根系活力隨著PEG濃度處理提高,各品種均呈直線下降趨勢,其中‘鄂選2號’根系活力測定指標在各處理內對比均為最高,在PEG濃度為15%模擬干旱脅迫處理時,3個品種之間根系活力測定指標有明顯差異,其他處理時均反映‘鄂選2號’根系活力指標較高,而其余2個品種測定指標差異不明顯。

表3 不同濃度PEG模擬干旱脅下的山桐子幼苗根系活力及呼吸速率

根系呼吸速率是根系代謝的重要指征,反映了根系吸收及更新等活動狀態。從表3結果來看,3個參試品種根系呼吸速率均隨PEG處理濃度提高而下降,在各PEG處理中,‘鄂選1號’測定的呼吸速率為最高,‘鄂選2號’和‘川桐32號’依次降低。當PEG脅迫濃度提高到25%時,3個品種的根系呼吸速率極微弱,其中‘川桐32號’為0.06μmol/(min·g),根系呼吸臨近于停止活動狀態。

3 討論

干旱是抑制植物光合作用的最主要環境因子之一[16],干旱引起植物水分脅迫,從而對植物的生長、光合作用、呼吸作用、營養代謝等產生不良影響[17]。

本研究中采用5個不同濃度的PEG模擬干旱脅迫對3個山桐子品種種子進行了處理,從種子發芽率、種子發芽指數及種子活力指數來看,無論低濃度處理還是高濃度處理,PEG各濃度處理均對種子萌發活動有明顯的抑制作用,結果與楊旭東等[18]研究PEG模擬干旱脅迫對向日葵種子萌發活動影響結果一致。而姚曉華等[19]在研究栓皮櫟種子在PEG模擬干旱脅迫過程中發現,在5%和10%PEG較低濃度脅迫下,栓皮櫟種子的發芽率、發芽指數和活力指數均高于對照,而在20%和30%PEG較高濃度脅迫下才低于對照,這與麥苗苗等[20]對連香樹種子的研究結果一致。另外,也有研究表明,PEG在較低濃度范圍處理促進種子萌發,提高種子活力,對幼苗抗逆性有一定作用[21，22]。不同學者研究種子萌發在低濃度的PEG脅迫下的反應不同,這可能跟不同植物種子對干旱脅迫的反應敏感程度有差異所致。本研究結果反映出山桐子種子的干旱脅迫耐受能力較弱。總體來看,超過15%以上的PEG模擬干旱脅迫,對所有不同類型研究的種子萌發均有明顯抑制作用。從本研究結果也可以看出,3個不同品種的山桐子種子萌發在低濃度PEG(0%～10%)的脅迫下,種子萌發活力參數下降趨勢較平緩,當超過15%時,下降趨勢較為急劇。單從種子萌發活力參數來看,‘鄂選1號’種子萌發的抗旱特征要明顯高于‘鄂選2號’和‘川桐32號’,而山桐子在自然狀態下萌發比較困難,這對今后在相對干旱地區山桐子選種播種育苗有參考意義。

根系是植物吸收水分、養分及合成多種生理活性物質的重要器官,根系遇到干旱脅迫,會導致植物生長受到明顯影響。本研究結果表明,山桐子種子胚萌發后,籽苗胚根、胚芽長度受PEG脅迫明顯,隨著PEG處理濃度提高,胚軸生長受到抑制程度加重,在25%PEG處理時,‘鄂選2號’和‘川桐32’號胚芽和胚根無法生長。從籽苗鮮重測定數據來看,也同樣反映出這一趨勢。盆栽幼苗經過PEG干旱處理后,莖葉干物質含量明顯下降,在PEG處理提高到25%時,鄂選1號死苗率超過83%,‘鄂選2號’和‘川桐32號’死苗率均超過90%,表明持續的PEG干旱處理對幼苗生長的不利影響持續加劇。

傳統觀點認為,一定程度的水分脅迫會使植物的呼吸作用增強[23,24]。本研究結果表明,各類型山桐子根系活力及根系呼吸速率在PEG模擬干旱脅迫下,隨著PEG濃度的提高,均呈明顯下降趨勢。這說明干旱逆境刺激山桐子激呼吸代謝增強的適應范圍可能較窄,或在PEG濃度小于5%,或者更小程度對應的輕微脅迫才會出現應激的呼吸代謝增強作用。上述結果進一步說明,山桐子可能比許多植物種類對干旱脅迫更為敏感。

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