沙蒿種子萌發對NaCl及聚乙二醇脅迫的響應

陳東凱, 駱 漢, 馬 瑞, 謝永生, 段 潔

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100;2.甘肅農業大學 林學院, 甘肅 蘭州 730000; 3.陜西省渭南市臨渭區林業工作站, 陜西 渭南 714000)

中國廣袤的西北地區常年干旱少雨，由其所引發的一系列問題是制約當地社會經濟發展與生態環境建設的重要因素。據研究，在植物所遭受的各種非生物災害中，干旱對其生長造成的危害最為嚴重[1]；且整個西北地區植被分布稀疏，地表常年裸露在外，土壤蒸發量也較大，鹽分在地表聚集，導致鹽漬化問題也十分突出[2]，這使當地植物除了遭受干旱的襲擾外，還要經受鹽分的侵害。近年來，隨著中國對自然生態的逐漸重視，許多學者對西北地區的荒漠化治理、植被恢復、以及對鹽漬化土地的開發利用等問題進行了研究，發現栽種耐鹽、耐旱植物是改善生態環境最有效、最經濟的一種措施[3-5]。沙蒿(Artemisiadesertorum)是常見的沙生、旱生植物，具有耐干旱、耐鹽堿、耐沙埋等特點，是干旱地區防風固沙的理想植物[6]，且由于其較好的耐鹽性，也多栽種于遭受鹽漬化侵害的地區，以此來改善土壤質地和結構，減弱鹽漬化造成的危害[7]。

在植物生長發育的過程中，種子的萌發階段對植物能否存活起到關鍵作用[8]，而生活在干旱、鹽漬化地區的植物，土壤中的水分、鹽分含量又會直接影響種子的萌發。因此，植物種子的萌發階段是研究該植物抗旱、抗鹽性的重要時期[9]。聚乙二醇(PEG-6000)有良好的親水性，可降低溶液水勢，使得植物根系難以從周圍吸收水分，因此在植物的抗旱性研究中，通常使用PEG-6000模擬植物受到的干旱脅迫[10-13]。而在研究植物的耐鹽性時，則常使用NaCl溶液模擬植物受到的鹽分脅迫[14-17]。馬彥軍等[18]就曾運用PEG以及NaCl溶液對沙冬青種子的抗旱、抗鹽性進行了相關的研究，為沙冬青種的人工栽種提供了參考依據。在沙蒿方面，一些學者對沙蒿根系的固土能力[19]、落葉溶解性有機質[20]、及其對生物結皮和下伏土壤養分的影響[21]進行了研究，但關于沙蒿種子萌發以及其抗鹽、抗旱性的研究并不多見。因此本試驗分別運用不同濃度的聚乙二醇(PEG-6000)和NaCl溶液處理種子，以模擬沙蒿種子萌發時受到的干旱以及鹽分脅迫，探究在不同含鹽量以及干旱脅迫條件下種子萌發期間各項生理指標的變化過程，了解沙蒿的抗鹽、抗旱程度，揭示其能正常萌發的適宜濃度范圍，以期為沙蒿在鹽漬化以及干旱地區的人工栽種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

沙蒿種子于2016年10月采收于甘肅民勤沙生植物園(103°09′11″E,38°62′48″N)，平均海拔1 400 m，溫帶大陸性干旱氣候，年均降水量為127.7 mm，年均蒸發量2 623 mm，年均氣溫8.3 ℃。千粒重0.467 g，經干燥、清潔處理后存放于4 ℃的冷藏室中保存。試驗所用聚乙二醇6000(PEG-6000)、NaCl分別由中國醫藥(集團)上海化學試劑公司、天津西爾斯化工有限公司生產。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子預處理 挑選大小一致、沒有明顯破損及病蟲害的種子為試驗材料，使用75%的酒精對供試種子消毒1～2 min，之后用蒸餾水沖洗種子表面，再將其浸泡于75 ℃的水中24 h[22]，最后使用濾紙吸干表面水分備用。

1.2.2 培養皿處理 將玻璃培養皿放入122 ℃的高壓蒸汽鍋中消毒25 min[23]。一組3個培養皿，編號1，2，3，試驗共設置15組，共計45個培養皿。其中蒸餾水對照1組，PEG溶液處理5組，NaCl溶液處理9組。每個培養皿中鋪設兩張干凈無菌的濾紙，再將預處理好的沙蒿種子均勻放置在濾紙上，每個培養皿共放置50粒種子。

1.2.3 PEG脅迫處理 試驗采用紙上發芽法[24]。按照Michel等[25]的方法，PEG-6000溶液配置5個濃度水平：5%，10%，15%，20%，25%(質量分數)。每組培養皿對應一個濃度水平(3次重復)，將PEG溶液加入每個培養皿中直至濾紙飽和，然后對各培養皿依次稱重記錄。

1.2.4 NaCl脅迫處理 配置濃度(質量分數)分別為0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%，1.8%的NaCl溶液，每組培養皿對應一個濃度水平(3次重復)。將配置完成的NaCl溶液加入培養皿中直至濾紙飽和，并依次稱重記錄。最后將所有處理完畢的培養皿放置在室溫25 ℃，相對濕度為50%，采用自然光照的組培室中進行種子萌發試驗。

1.3 種子發芽觀測

按照《國際種子檢驗規程》[26]的方法，本次試驗以30 d為期限。從處理完畢的第二天開始，每天使用分析天平定時稱量培養皿，根據重量的變化及時向培養皿內加入蒸餾水，補償由于種子吸收以及水分蒸發而損失的水分，確保PEG滲透壓和NaCl濃度不變。同時每天應觀察并記錄每個培養皿中發芽的種子數直至整個發芽過程結束。結束后，從每個培養皿中隨機挑選10株沙蒿幼苗為一組，使用分析天平稱量并記錄每組幼苗的鮮重并取平均值。

1.4 測定指標

發芽率指在測試種子中，已發芽的種子粒數占測試種子總粒數的百分比。

GR=N/M×100%

(1)

式中：GR為種子發芽率(%)；N為已發芽的種子數(粒)；M為每盒中的種子總數(粒)；

發芽勢指在整個試驗過程中，從種子開始發芽到種子發芽達到最高峰時，已發芽的種子數占測試種子粒數的百分比[27]。

GP=W2/M×100%

(2)

式中：GP為種子發芽勢(%)；W2為在第2天種子發芽達到最高峰時發芽的種子數(粒)；

發芽指數是指測試種子發芽成活的統計指數，一般情況下代表該測試種子的均值發芽率[28]。

GI=∑Gt/Dt

(3)

式中：GI為種子發芽指數；Gt為第t天發芽的種子數，粒；Dt為相對應的天數；

種子活力是指種子在所處環境條件下的發芽出苗能力[29]。

VI=GI×S

(4)

式中：Ⅵ為種子活力指數；S為幼苗鮮重(g)；

1.5 數據處理

使用Excel 2013軟件對數據進行預處理，使用SPSS 19.0分析軟件對發芽率、發芽指數等指標進行差異顯著性檢驗(顯著水平為95%)，使用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 種子發芽率、發芽勢對NaCl脅迫的響應

本試驗中所有處理3次重復之間差異性不顯著(p>0.05)。從圖1可以看出，隨著NaCl濃度逐漸升高，沙蒿種子的發芽率總體呈現下降趨勢。但當使用0.2%的NaCl溶液處理種子時，沙蒿種子的發芽率為70.9%，比對照組高2.2%。當NaCl溶液濃度高于0.2%時，沙蒿種子的發芽率雖然隨著溶液濃度的升高而持續降低，但NaCl的濃度為0.4%，0.6%時，沙蒿種子的發芽率與對照組相比并未表現出顯著差異性(p>0.05)；當溶液濃度從0.8%遞增到1.8%時，種子發芽率與對照組相比下降幅度較大且差異性顯著(p<0.05)，當溶液濃度達到本次試驗的最大值1.8%時，種子的發芽率僅為25.1%，比對照組的發芽率低43.6%。這表明，當NaCl濃度≤0.6%時，沙蒿種子發芽率未受到顯著影響，但當其濃度高于0.6%時，沙蒿種子的萌發能力受到了明顯抑制。發芽勢可以用來衡量種子品質的好壞，一般來說，發芽勢越高說明種子品質越好發芽也會更加同步，因此人們常用這一指標來表示種子發芽的整齊程度[30]。由圖1可見，隨著NaCl溶液濃度的逐漸升高，沙蒿種子的發芽勢總體也呈下降態勢。當使用0.2%的NaCl溶液處理沙蒿種子時，種子的發芽勢為48.8%，與對照組的46.7%相比上升了2.1%，說明低濃度的NaCl溶液對種子萌發有一定促進作用。當溶液濃度從0.4%遞增到1.8%時，種子發芽勢逐漸降低，為3.4%～44.5%。但當溶液濃度為0.4%，0.6%時，其發芽勢與對照組相比沒有表現出顯著差異性(p>0.05)；當NaCl的濃度高于0.6%后，種子的發芽勢與對照組相比下降幅度在34.2%～44.7%之間，下降幅度較之前明顯增大，且與對照組相比差異性顯著(p<0.05)。

注：圖中同組不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 種子發芽指數、活力指數對NaCl脅迫的響應

從圖2可以看到，當沙蒿種子受到各濃度梯度的NaCl溶液處理后，沙蒿種子的發芽指數和活力指數總體皆呈下降趨勢。當使用濃度為0.2%，0.4%，0.6%的NaCl溶液處理沙蒿種子時，其發芽指數與對照組相比差異不顯著(p>0.05)，其數值分別下降了4.5，10.1，12.7；當NaCl濃度>0.6%時，各處理下的種子發芽指數分別下降了27.9，31.4，37.8，41.2，45.0，54.0，下降幅度較之前有明顯增加，且與對照組相比差異顯著(p<0.05)。當NaCl溶液的濃度在0.2%～0.6%的范圍內變化時，沙蒿種子的活力指數與對照組相比差異不顯著(p>0.05)，其數值分別下降了0.4，0.6，0.8。當NaCl溶液>0.6%時，各處理下的種子活力指數與對照組差異顯著(p<0.05)，其數值分別下降了1.6，1.8，2.2，2.4，2.8，3.1。可見，當NaCl溶液的濃度≤0.6%時，沙蒿種子仍可以正常萌發，對鹽分脅迫表現出較強耐受性。

圖2 不同濃度NaCl溶液處理下沙蒿種子發芽指數與活力指數

2.3 種子發芽率、發芽勢對PEG脅迫的響應

由圖3可知，隨著PEG溶液濃度的逐步升高，沙蒿種子的發芽率逐步降低。當PEG濃度≤15%時，沙蒿種子的發芽率均保持在60%以上，與對照組的發芽率68.7%相比有小幅下降(2.4%～8.9%)，但差異不顯著(p>0.05)。當PEG濃度增加至20%時，種子的發芽率為46.4%，比對照組顯著降低，下降幅度為22.3%(p<0.05)；當PEG溶液濃度達到25%時，沙蒿種子的發芽率僅為32.3%，比對照組顯著降低了36.4%(p<0.05)，這表明沙蒿種子在PEG濃度>15%時，種子的發芽能力被顯著抑制。從種子發芽勢來看，使用不同濃度的PEG溶液處理沙蒿種子時，發芽勢也呈現出下降趨勢(圖3)。當PEG濃度為5%～15%時，種子發芽勢與對照組46.7%均無顯著差異，其中，當溶液濃度為5%時，種子發芽勢為47.9%，略高于對照組(p>0.05)。當溶液濃度遞增到20%時，沙蒿種子的發芽勢為15.8%，與對照組相比明顯下降(p<0.05)，其發芽勢降低了30.9%。當濃度達到25%時，種子的發芽勢僅為14.5%，與對照組相比下降了32.2%(p<0.05)，這表明PEG濃度≤15%時，種子萌發能力未受到顯著影響，但當其濃度繼續增大時，種子發芽率與發芽勢均顯著降低。

圖3 不同濃度PEG溶液處理下沙蒿種子發芽率與發芽勢

2.4 種子發芽指數、活力指數對PEG脅迫的響應

通過圖4可見，當沙蒿種子被不同濃度的PEG溶液處理后，種子的發芽指數和活力指數整體呈現出下降趨勢。當PEG濃度為5%～15%時，兩項指標與對照組均無顯著差異，其中，當PEG溶液濃度為5%時，種子的兩項指標略高于對照組(p>0.05)；當PEG溶液的濃度為10%，15%時，種子的發芽指數相比對照組分別下降0.24，2.54，種子的活力指數分別下降0.1，0.2，下降幅度均較小(p>0.05)。當PEG的濃度達到20%，25%時，沙蒿種子的發芽指數和活力指數下降幅度明顯增大，發芽指數減少了22.14，42.49，活力指數下降了1.6，2.7，與對照組呈現出顯著差異(p<0.05)。

圖4 不同濃度PEG溶液處理下沙蒿種子發芽指數與活力指數

3 討 論

本試驗使用NaCl溶液處理沙蒿種子模擬種子受到的鹽分脅迫，探討沙蒿種子的萌發能力在鹽漬化地區受到的影響。結果顯示，當使用濃度為0.2%～0.6%的NaCl溶液處理種子時，種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數與對照組相比雖有一定的波動，但并未表現出顯著差異；這其中，當NaCl溶液濃度為0.2%時，種子的發芽率、發芽勢皆高于對照組，這說明低濃度的NaCl溶液對種子萌發有一定的促進作用。這與張蘇江等[31]、馬琳等[32]的研究結論是一致的，這是因為NaCl溶液中的Na+為植物生長發育初期所需元素，從而促進種子萌發；與此同時溶液中的部分Na+能夠提高細胞滲透勢促進種子吸水，這同樣有利于種子的萌發。但當NaCl溶液的濃度為0.8%時，上述各項指標均顯著下降(p<0.05)，之后隨著溶液濃度的持續升高，種子的上述指標則進一步降低。較高濃度的NaCl溶液會使種子外部滲透壓升高，導致種子內部水分進入到溶液中，限制種子萌發；同時高濃度的離子環境對植物種子又會造成離子毒害作用，從而抑制種子萌發能力[33]。本試驗中NaCl溶液濃度為0.6%時，是種子萌發能力顯著降低的轉折點。由此可推知，沙蒿種子對較低含鹽量的環境表現出較強耐受性，這與楊佳鑫等[30]，朱金方等[34]的研究結果相似。

使用PEG溶液處理沙蒿種子模擬干旱對種子的脅迫，主要是利用其對種子的滲透調節作用[35]。在此次試驗中，我們發現當PEG溶液的濃度為5%～15%時，沙蒿種子的發芽率均保持在60%左右，發芽能力差異不顯著(p>0.05)；這其中當種子受到5%的PEG溶液處理時，其發芽勢、發芽指數、活力指數分別比對照組高出1.2，4.0，0.3，這表明低濃度的PEG溶液對種子萌發有促進作用，這與一些研究結論是一致的[36-37]，原因可能是輕微干旱脅迫促使種子自我保護機制的啟動，減少種子吸脹過程中膜系統的損傷，有利于膜系統的修復，提高了種子內酶的活性加速了新陳代謝作用，從而提高植物種子發芽率[38]。但當PEG溶液的濃度達到20%，25%時，種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數有了明顯下降。由此可知，沙蒿種子在PEG濃度≤15%時，其發芽能力未受到明顯抑制，但是當溶液濃度超過這一數值后，種子的萌發能力會隨濃度的升高而大幅降低。這是因為種子在重度干旱脅迫下，細胞內自由基過度積累，造成膜的完整性受損并導致滲透調節功能紊亂，種子萌發能力被抑制[39]。本試驗中，PEG溶液的濃度為15%時，是種子萌發能力顯著降低的轉折點，高于此濃度時種子萌發受到顯著抑制。

沙蒿作為耐鹽、耐旱的理想植物在西北地區廣泛栽種，本試驗結果表明沙蒿種子萌發能力隨NaCl和PEG溶液濃度的升高均呈先上升后下降，在某一濃度后顯著受抑制的變化趨勢，這與沙冬青[40]、沙棘[41]、檉柳等[42]沙生植物對干旱和鹽分脅迫的響應機制相似，只是不同物種對應不同的溶液適宜值、臨界值和極限值。本試驗結果補充了對沙蒿種子耐旱、耐鹽堿程度的研究，揭示了適宜其種子萌發的NaCl和PEG濃度界限，對其最適宜種植的環境條件和區域的確定具有重要的參考價值，可提高植被恢復效率、節約治理成本。但本試驗仍存在一定的不足，因為NaCl同樣會改變溶液滲透壓，因此沙蒿種子會遭受鹽害以及干旱的雙重脅迫。在今后的試驗中，我們將改進試驗設計，將NaCl與PEG溶液的滲透壓設為相同，比較干旱以及鹽害對種子萌發影響的相對大小。

4 結 論

沙蒿種子萌發，NaCl，PEG溶液的最適宜濃度分別為0.2%，5%。在較低濃度的NaCl(≤0.6%)，PEG(≤15%)溶液的脅迫下，其各項生理指標與對照組相比未發生顯著變化，種子的萌發能力未受明顯抑制。當NaCl溶液濃度>0.6%，PEG濃度>15%時，種子的萌發能力顯著降低。因此NaCl濃度為0.6%，PEG濃度為15%時，是沙蒿種子萌發能力受到明顯抑制的轉折點。試驗結果證實了沙蒿僅在一定鹽分以及干旱脅迫程度內有較強的耐鹽、耐旱性，對西北地區沙蒿的人工栽種具有指導意義。