聚乙二醇模擬干旱脅迫對榆樹種子萌發影響*

張航，戰金雨，楊柳，張廷秀，楊成君

(東北林業大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

外部環境因子長期作用于植物的生長發育，從種子萌發到幼苗生長是受其影響最明顯的時期[1]，此時是衡量植物抗逆性強弱的重要時期[2-3]，也是最脆弱的時期[4-5]。逆境條件下種子萌發情況和幼苗生長狀況的優劣會影響植物中后期的正常生長及群體建成和質量[6-7]。干旱是一種常見的逆境條件，處于干旱環境下會導致種子在萌發過程中水分虧缺，植物細胞遭到破壞，體內代謝發生紊亂，種子萌發受到抑制甚至不萌發。

聚乙二醇(PEG-6000)屬于高分子滲透劑，在試驗上多用于模擬干旱脅迫[8]。Stoffela等[9]根據種子在高滲溶液或在不同滲透勢的土壤中的發芽勢、發芽率評價其耐旱性，并提出了種子萌發耐旱指數。Tobe等[10]為鑒定不同牧草的抗旱性，使用PEG溶液來模擬干旱脅迫條件。韓占江等[11]試驗結果表明5種藜科(Chenopodiaceae)植物種子不僅對輕度干旱具有耐受性，甚至可以萌發得更好，此結論與前人的結果相似[12-13]。試驗證明干旱脅迫也誘導黃瓜(Cucumissativus)種子的適應性調節反應，這與Zhang Hua等[14]的報道一致。

在此之前對榆樹(UlmuspumilaL.)抗旱性的研究主要集中在對其幼苗的生長及生理生化方面，試驗方法多采用盆栽控水法。張偉[15]的研究表明隨著干旱程度增加，榆樹各個部分的生物量均有所降低；但輕度干旱脅迫下，其葉片生物量比例增加，中度干旱脅迫下，其根系生物量比例增加。白國華[16]的研究表明在輕度到中度干旱條件下，隨著干旱程度增加，幼苗葉片含水量逐漸降低，莖含水量先升后降，根系含水量上升，比根長和水分利用效率隨著干旱脅迫程度增加而增加。徐士印[17]研究發現隨著干旱程度增加白榆葉片葉綠素含量逐漸降低，可溶性蛋白含量和可溶性糖含量穩步上升。本研究以榆樹種子為研究對象，利用聚乙二醇模擬干旱的方法探究干旱條件下榆樹種子的發芽特性。因此，根據對榆樹種子的耐旱程度的研究，其試驗結果可以為抗旱品種早期選擇以及榆樹早期抗旱鑒定提供參考。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用榆樹種子為來自于東北林業大學校園內的榆樹母樹成熟種子。

1.2 試驗方法

配置不同濃度的PEG溶液，濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%，設置一個0%濃度作為對照。試驗材料選取均勻飽滿無病蟲害的榆樹種子，用自來水將種子沖洗干凈，再用5%的次氯酸鈉溶液浸種消毒10 min后，用無菌水沖洗干凈，備用。

采用濾紙發芽法，把種子擺放在鋪有2層濾紙的培養皿中，分別加入相應濃度的處理液10 mL，對照處理需要加入同樣體積的蒸餾水，試驗期間隔天每個培養皿補充10 mL的處理液或蒸餾水。水平放置于溫度25 ℃、光照和黑暗交替(光照時間為16 h，黑暗時間為8 h)的人工恒溫氣候箱中進行種子萌發實驗。每個培養皿30粒種子，每個處理3個重復，試驗共進行7 d。每天定時記錄發芽種子數。

試驗結束時，每個培養皿隨機選取5粒種子，測量苗長。計算發芽勢和最終的發芽率。以胚根突破種皮1 mm作為種子發芽標準。當連續5 d不再有種子發芽時結束種子萌發試驗。脅迫初期，種子萌發數達到高峰時統計發芽勢，第7 d統計其發芽率。

1.3 數據處理與分析

統計種子的發芽數量，測量種子萌發苗的苗長，計算不同貯藏條件下的種子發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數。計算公式如下[18]：

發芽勢(%)=種子萌發初期的高峰發芽數/供試種子數×100%

相對發芽勢(%)=處理發芽勢/對照發芽勢×100%

發芽率(%)=種子最終發芽數/供試種子數×100%

相對發芽率(%)=處理發芽率/對照發芽率×100%

平均發芽時間(d)=∑(Gt×t)/∑Gt

發芽指數(Gi)=∑(Gt/Dt)

活力指數(Vi)=S×∑(Gt/Dt)

胚根長(cm)=種子發芽后上胚根長+下胚軸長。

式中：Gt為在時間t的種子發芽數；Dt為相應的發芽天數；S為幼苗的生長勢(以苗長表示)。

計算各處理的榆樹種子發芽指數，用每天的累計種子發芽數除以種子在培養皿中萌發放置的天數，待種子發芽結束后，將每天計算得到的數值相加，即為該種子的發芽指數。數據分析主要通過SSPS 19.0的計算程序完成，采用Anova方法比較均值差異，采用Duncan進行多重比較，利用GraphPad Prism 5進行數據處理及繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度PEG對榆樹種子發芽指數的影響

發芽指數可以較敏感地反映出植物種子在脅迫環境下的反應[19]。從各濃度處理下的榆樹種子的發芽指數來看，隨著PEG濃度的增加，榆樹種子的發芽指數呈現先上升后下降的趨勢(圖1)，CK除與5%、10%無明顯差異外，與他處理相對比差異明顯。5% PEG濃度的發芽指數達到最高值約為8.76，較CK上升了3.41%。說明5%PEG濃度的干旱脅迫對于榆樹種子的發芽指數有一定的促進作用，但其效果不明顯。PEG濃度達到10%，發芽指數較5%顯著下降了9.58%，其指數為CK的93.51%。當干旱脅迫的濃度達到15%時，榆樹種子發芽指數較10%急劇下降了75.11%，其值為CK的23.28%。20% PEG濃度較15%又明顯下降80.85%，僅為CK值的4.46%。CK較5%、10%無顯著差異。試驗結果證明，榆樹種子對中低濃度的PEG脅迫有一定的耐受力，且5%濃度的PEG溶液對榆樹種子萌發有一定促進作用，但隨著PEG濃度的增加(即干旱程度加深)，高濃度PEG(干旱)脅迫顯著抑制榆樹種子萌發。

圖1 不同濃度PEG脅迫下榆樹種子的發芽指數

2.2 不同濃度PEG對榆樹種子活力指數的影響

活力指數代表種子發芽的潛力和種子質量[20]。

如圖2所示，各處理間的活力指數均有明顯差異。榆樹種子在PEG脅迫下的活力指數呈先上升后下降的趨勢。5% PEG濃度下榆樹種子的活力指數達到最高值約為32.53，較CK顯著上升12.21%，為CK的112.21%。PEG濃度達到10%，種子的活力指數較5%急劇下降78.58%，下降為CK的24.03%。15% PEG濃度處理下的榆樹種子，其活力指數較10%又下降77.26%，為CK的5.47%。20% PEG濃度較15%明顯下降97.62%，僅為CK的0.13%。除5% PEG濃度下榆樹種子的活力指數顯著增加外，其余濃度處理的榆樹種子其活力指數均隨著鹽脅迫濃度的升高而逐漸下降。試驗結果表明，5% PEG溶液對于榆樹種子的活力指數有顯著的促進作用，15%、20% PEG溶液對于榆樹種子的活力指數抑制明顯。

圖2 不同濃度PEG脅迫對榆樹種子的活力指數的影響

2.3 不同濃度PEG對榆樹種子發芽勢的影響

發芽勢反映了在脅迫環境下，各處理種子萌發初期的高峰值的表現[21]。

如圖3所示，CK除與5%、10%PEG濃度無明顯差異外，與其他處理差異顯著，15% PEG濃度較20% PEG濃度榆樹種子的發芽勢差異顯著。隨著PEG溶液濃度的升高，榆樹種子發芽勢呈先上升后下降的趨勢，5% PEG濃度的榆樹種子發芽勢最高，均值為81.11%，較CK上升2.22%。PEG濃度達到10%，榆樹種子發芽勢降低，較5%下降15.56%。15% PEG濃度下的榆樹種子的發芽勢急劇下降48.89%。20% PEG溶液濃度處理下的種子發芽勢又下降12.22%。其中5%、10%、15%、20% PEG濃度與CK的相對發芽勢為102.99%、83.08%、21.17%、5.76%。本試驗結果表明，在干旱脅迫條件下，榆樹種子的萌發高峰期的發芽勢相互對比，5%較CK、15%差異不顯著，證明榆樹種子對中低程度的干旱脅迫有耐受力，且5%濃度的PEG溶液對榆樹種子萌發有促進作用。隨著PEG濃度的上升，高濃度的干旱脅迫顯著抑制榆樹種子萌發。其中20%PEG濃度下的榆樹種子發芽勢最低，說明在20%濃度下的榆樹種子在萌發初期的種子發芽數極少，萌發能力低，對榆樹種子的發芽勢有嚴重的影響和抑制作用。

圖3 不同濃度PEG脅迫下榆樹種子的發芽勢

2.4 不同濃度PEG對榆樹種子發芽率的影響

發芽率體現了種子在整個發芽過程中的最終萌發結果[22]。如圖4所示，CK除與5%、10%PEG濃度無明顯差異外，較15%、20%PEG濃度均差異明顯，15%較20% PEG濃度的榆樹種子的發芽率差異顯著。隨著PEG溶液濃度的上升，種子發芽率與發芽勢變化一致，呈先上升后下降的趨勢。5%PEG濃度處理的榆樹種子發芽率最高，均值為90%，較CK上升3.33%。10% PEG濃度，榆樹種子發芽率較5%PEG下降5.56%。當PEG溶液上升到15%時，榆樹種子的發芽率較10%急劇下降54.44%。20% PEG濃度較15%又明顯下降23.33%。其中5%、10%、15%、20%濃度與CK的相對發芽率為103.85%、97.44%、34.62%、7.69%。隨著PEG溶液濃度的升高，5%、10%PEG濃度的榆樹種子發芽率雖下降，但CK、5%、10%PEG濃度三者間無明顯差異，證明榆樹種子對中低程度的PEG濃度(干旱)脅迫有一定的耐受力，且5%濃度的PEG溶液對榆樹種子萌發有促進作用。其中15%、20%PEG濃度二者間差異明顯，證明隨著PEG濃度的上升，高濃度的PEG濃度(干旱)脅迫對榆樹種子的發芽率有不同程度的影響和顯著的抑制作用。

圖4 不同濃度PEG脅迫對榆樹種子的發芽率的影響

2.5 不同濃度PEG對榆樹萌發后胚根長的影響

胚根長反映了萌發過程中脅迫環境對種子萌發后胚根、胚軸的影響[23]。如圖5所示，各處理間的榆樹種子發芽后的胚根長差異明顯。隨著PEG溶液濃度的升高，榆樹萌發種子的胚根長呈先上升后下降的趨勢。5% PEG處理的胚根長最長，均值為3.42 cm。5% PEG濃度的榆樹萌發胚根長較CK略上升15.19%，可達CK的115.19%。PEG濃度達到10%，榆樹萌發后胚根長下降，較5%下降72.95%，為CK的31.16%。15% PEG溶液處理下的榆樹種子，胚根長較10%下降了25.63%，為CK的23.17%。20% PEG濃度較15%又下降87.39%，為CK的2.92%。除了5%濃度下的胚根長有所上升外，隨著干旱脅迫濃度的上升，其他處理的胚根長逐漸下降。20%濃度干旱脅迫下的胚根長最短，約為0.1 cm，說明在此濃度下榆樹種子雖有萌發，但其苗已無法正常生長。

圖5 不同濃度PEG脅迫下榆樹種子的胚根長

2.6 不同濃度PEG對榆樹種子平均發芽時間的影響

平均發芽時間代表了脅迫環境對種子平均萌發速度的影響，其值大小，表現了種子萌發速度的快慢，時間的延長與縮短[24]。

如圖6所示，CK、5%、10%PEG濃度三者相比差異不顯著，其他處理的種子平均發芽時間差異顯著。隨著PEG溶液濃度的升高，榆樹種子的平均發芽時間呈明顯的上升趨勢。5% PEG濃度的較CK的平均發芽時間延長了0.06 d，為CK的101.85%。10% PEG濃度的榆樹種子平均發芽時間較5%延長0.17 d，為CK的105.61%。隨著PEG溶液濃度的上升，榆樹種子的平均發芽時間繼續延長，15% PEG濃度較10%的平均發芽時間顯著延長1.63 d，其值為CK的152.77 %；20% PEG濃度較15%又明顯延長2.19 d，為CK的170.89%。試驗結果表明，中低度的干旱脅迫對榆樹種子的平均發芽時間影響不明顯外，重度的干旱脅迫對榆樹種子的平均發芽時間有顯著的延長作用。

圖6 不同濃度PEG脅迫對榆樹種子的平均發芽時間的影響

2.7 各指標與PEG溶液濃度的回歸分析

根據各指標與干旱濃度進行回歸分析，得出各指標的回歸方程及榆樹種子耐旱適宜范圍、種子耐旱半致死濃度、種子耐旱極限濃度。由表1中相關系數最高的相對發芽勢，根據其回歸方程得出榆樹種子耐旱適宜范圍、種子耐旱半致死濃度、種子耐旱極限濃度對應的PEG濃度分別為7.71%、12.33%、19.73%。

表1 PEG溶液濃度和各指標的回歸分析結果

3 結論與討論

改善干旱地區植被一直以來都是全球急需解決的問題，選育合適樹木，既保持其良好生長又合理節約水資源的問題需要關注，而榆樹作為較速生的抗旱樹種，是改善西北干旱環境的首選樹種。目前，國內對榆樹在干旱脅迫下生長及生理方面的研究較少，本試驗研究了CK、5%、10%、15%、20%濃度的PEG溶液處理對榆樹種子萌發的影響，結果表明：5%濃度的干旱脅迫對于榆樹種子的萌發促進作用明顯，榆樹種子可耐5%～10%PEG濃度的干旱脅迫，而15%濃度的干旱脅迫可以顯著抑制榆樹種子萌發，20%PEG濃度的干旱脅迫則對其種子有嚴重抑制作用。根據各指標與PEG濃度回歸分析，得出榆樹種子耐旱適宜范圍、種子耐旱半致死濃度、種子耐旱極限濃度對應的PEG濃度分別為7.71%、12.33%、19.73%。

干旱脅迫對植物的影響體現在植物的整個生長發育過程中，引起植物體內水分缺失，導致細胞內部所需水分含量不足，細胞器及脂膜受損，種子無法正常進行萌發。不同植物對PEG干旱脅迫的耐受閾值不同，種子能否在干旱環境下保持活力，正常萌發及幼苗能否繼續生長是植物存活的關鍵。有研究表明，干旱脅迫顯著抑制黃瓜種子[25]的萌發，并導致質膜損傷，類似的結果在苦瓜(Momordicacharantia)[26]、胡蘿卜(Daucuscarotavar.sativaHoffm)[27]和水稻(Oryzasativa)[28]中均有報道。石開明[29]等發現低濃度、高濃度的PEG處理均對山桐子(Idesiapolycarpa)種子的萌發顯著抑制。Bouslama 等[30]研究結果表明，輕度干旱對大豆(Glycinemax)種子萌發影響較小，中度干旱顯著延長大豆種子的萌發時間。綜上所述，干旱脅迫對植物種子萌發的影響，與種子本身的特性有關，而不同種子對PEG模擬干旱脅迫的反應也有所不同。宋鑫玲等[31]發現亞麻(Linumusitatissimum)種子在25% 和30%的PEG濃度下，種子不萌發。李志萍等[32]發現，5%PEG對栓皮櫟(Quercusvariabilis)種子萌發有明顯的促進作用，表現為發芽率提高、發芽整齊度增加，而高濃度(20%PEG)則有抑制作用。而汪磊[33]等在研究胡麻(Sesamumindicum)時，發現25%和30%濃度下其種子仍有40%的發芽率。江瑞濤等[34]試驗表明PEG-6000溶液并未完全抑制沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)種子的萌發生長，只是延長了沙冬青種子的萌發時間，并且沙冬青幼苗生長在高濃度PEG脅迫下抑制不顯著。由前人的試驗結果可知，榆樹種子的耐旱性，同亞麻種子、栓皮櫟種子相似，可耐中低度的干旱脅迫。但耐旱性不如胡麻、沙冬青等。本研究主要探究了榆樹種子在不同干旱條件下的發芽特性，并找出了榆樹對干旱的極限耐受閾值，但對其萌發期間的內源物質的含量變化及抗旱機理尚不明確，有待進一步研究。本試驗結論可為了解不同濃度的干旱脅迫對榆樹種子萌發的影響，對榆樹種子的耐旱能力做出評價，并為榆樹種子的播種條件、干旱地抗性樹種的選擇提供指導意見。