干旱脅迫和鹽脅迫對水杉種子萌發及幼苗生長的影響

易燕瑩， 王 茹， 劉相泉， 鄧志軍

(1.生物資源保護與利用湖北省重點實驗室(湖北民族大學)， 湖北 恩施 445000；2.恩施州特色植物資源種質工程技術研究中心(湖北民族大學)， 湖北 恩施 445000)

土壤鹽漬化和水資源匱乏已成為影響農業發展及生態環境建設的兩大全球性問題[1-3]。我國目前遭受水土流失的耕地面積較大，并且還在不斷增加中，加之受氣候影響，土地鹽堿化、干旱化日益嚴重，不僅阻礙了農業生產和農業經濟的發展，還導致環境惡化，嚴重影響了地區的可持續發展[3-4]。有研究表明，植物在生長過程中會啟動一定的防御機制來應對外界的各種脅迫[5]，種植耐鹽植物也能夠一定程度改善土壤鹽漬化情況[6]。因此，研究植物在鹽堿及干旱環境條件下的種子萌發和幼苗生長特性，對深入了解植物的抗旱耐鹽性以及農林業的發展、實現鹽堿地的合理開發利用等均有著重要的意義[3,7]。

水杉(Metasequoiaglyptostroboides)是杉科(Taxodiaceae)水杉屬的單屬單種植物，是我國特有的孑遺植物，國家一級保護植物，并被譽為世界生物界的“活化石”。目前，水杉繁殖主要采用播種繁殖和扦插繁殖。由于水杉母樹稀少，產種量低，扦插繁殖是最主要的繁殖方法[8]，然而多代扦插會導致品種退化，不適合大批量生產。種子繁殖則能有效穩定植物的優良性狀，并在短時間內繁殖大量的種苗，有利于物種的繁衍及植物的規?；a[9]。目前對于水杉種子的研究主要集中在光照、溫度、枯落物厚度、地下水位、埋藏深度對其萌發和幼苗建成的影響等方面[10-14]，而干旱和高鹽是自然界常見的逆境脅迫因素，但其對水杉種子萌發影響的研究較少。因此，本試驗通過不同水勢的PEG-6000溶液和不同濃度NaCl溶液模擬自然條件下土壤水分和鹽分對水杉種子萌發和幼苗生長的影響，并通過測定發芽率、發芽勢、發芽指數及苗長探究水杉種子在干旱和鹽脅迫逆境中的耐受能力，以期為水杉種子在干旱、鹽堿地的合理種植及生態修復治理提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材 料

于2015年在湖北省利川市小河鄉采集新鮮成熟水杉種子，種子采回后在室內攤晾7 d后用于試驗。經測得種子含水量為(8.5±0.6)%，千粒重為(2.4±0.2)g。

1.2 方 法

1.2.1種子含水量和千粒重測定

參照國際種子檢驗規程中的方法[15]測定種子含水量。4次重復，每次重復30粒種子。參照宋松泉等[16]的方法測定種子千粒重。4次重復，每次重復1 000粒種子。

1.2.2模擬干旱脅迫處理

根據Michael和Kaufaman[17]的方法，在25 ℃(水杉種子最適萌發溫度之一)條件下配置水勢分別為-3 MPa、-5 MPa、-7 MPa、-9 MPa的PEG-6000溶液，用以模擬不同程度的干旱條件，以蒸餾水處理作為對照(ck)。

1.2.3模擬鹽脅迫處理

配置濃度分別為100、125、150、175、200、225、250 mmol·L-1的NaCl溶液，用以模擬不同程度的鹽脅迫條件，以蒸餾水處理作為對照(ck)。

1.2.4萌發測試

將大小均勻的新鮮種子播于墊有濾紙的培養皿中，每皿添加6 mL不同濃度的PEG-6000和NaCl溶液，以加入6 mL蒸餾水為對照，并用封口膜進行密封處理。然后置于25 ℃交替光照條件下培養。每天在固定時間觀察并記錄萌發情況(以胚根突破種皮作為萌發標準)。所有萌發試驗均設置4次重復，每次重復50粒種子。萌發測試結束后統計發芽率、相對發芽率、發芽勢和發芽指數。

發芽率(%)=(種子萌發數/供試種子總數)×100%；

相對發芽率(%)=(處理發芽率/對照發芽率)×100%；

發芽勢(%)=(第10天種子累積萌發數/供試種子總數)×100%；

發芽指數=∑(Gt/Dt)，

式中：Gt為在第t天的萌發種子數，Dt為相應的種子萌發天數。

1.2.5耐鹽性及耐旱性評價

參照李玉梅等[18]的方法，以不同干旱脅迫及鹽脅迫處理下的相對發芽率為因變量(y)，以水勢及鹽濃度為自變量(x)建立函數方程，以相對發芽率下降75%、50%和10%時所對應的水勢及鹽濃度作為水杉種子的耐旱/鹽適宜濃度、耐旱/鹽半致死濃度和耐旱/鹽極限濃度。

1.3 數據分析

所有統計分析和作圖均通過R軟件完成。運用SPSS 20.0軟件，對不同水勢的PEG-6000溶液和不同濃度的NaCl溶液處理下的發芽數據進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Student-Newman-Keuls驗后多重比較進行顯著性檢驗(p=0.05)。試驗中統計數據均以(平均值±標準誤)形式表示，小數點后保留一位有效數字。

2 結果與分析

2.1 模擬干旱脅迫處理對水杉種子萌發的影響

從圖1可以看出，隨著PEG-6000溶液水勢的升高，水杉種子的發芽率、發芽勢和發芽指數均呈持續下降的趨勢(圖1，p<0.05)。0～-1.2 MPa水勢范圍內，水杉種子的最終平均發芽率無顯著差異。其中，ck的種子最終平均發芽率最高，為(81.5±6.0)%。-3～-7 MPa水勢條件下，水杉種子的最終平均發芽率顯著降低，分別較ck降低44%、37.5%和60%。直到水勢降為-9 MPa時，水杉種子的最終平均發芽率降到最低，為(5.0±1.3)%。種子發芽勢與發芽率變化趨勢一致，同樣在0～-1.2 MPa水勢范圍內沒有顯著變化，在-3 MPa時開始顯著下降，在-7 MPa時顯著下降至(1±0.6)%，在-9 MPa時顯著下降至0。而發芽指數的變化更為顯著，在-3～-9 MPa時已無顯著差異，直到水勢下降至-9 MPa，發芽指數降至最低，為(0.6±0.1)。

2.2 模擬干旱脅迫處理對水杉幼苗苗長的影響

由圖2可知，不同水勢的PEG-6000溶液對水杉幼苗苗長具有顯著影響(p<0.05)。當水勢為0時，水杉幼苗最高，為(35.6±0.6)mm，隨后幼苗長度隨干旱脅迫的增強而持續下降，當水勢為-9 MPa時，水杉幼苗苗長顯著下降到(2.5±1.3)mm。

2.3 模擬鹽脅迫處理對水杉種子萌發的影響

從圖3可以看出，隨著NaCl濃度的升高，水杉種子的發芽率、發芽勢和發芽指數均呈顯著下降的趨勢(p<0.05)。其中，ck的種子最終平均發芽率最高。當NaCl溶液濃度范圍升高至100～175 mmol·L-1時，種子的最終平均發芽率無顯著差異，但較ck分別顯著下降了34%、36%、46.5%和57%。隨后當NaCl溶液濃度范圍再次升高至150～250 mmol·L-1時，最終平均發芽率均下降至10%以下。發芽勢和發芽指數的變化相比發芽率更為顯著，當NaCl溶液濃度為100、125 mmol·L-1時，發芽勢無顯著差異，當NaCl溶液濃度范圍升高至150～250 mmol·L-1時，發芽勢均下降至5%以下。同樣，發芽指數也呈現類似變化，在NaCl溶液濃度范圍為150～250 mmol·L-1時，發芽指數下降至5左右且無顯著差異。

2.4 模擬鹽脅迫處理對水杉幼苗苗長的影響

由圖4可知，不同濃度NaCl溶液對水杉幼苗生長具有顯著影響(p<0.05)。其中，ck的幼苗最高，為(35.6±0.6)mm，隨著NaCl溶液濃度的升高，幼苗苗長呈持續降低的變化趨勢。當NaCl溶液濃度范圍升高至200～250 mmol·L-1時，幼苗苗長下降至5 mm以下且無顯著差異。

2.5 水杉種子耐鹽性及耐旱性評價

根據水杉種子不同處理后的相對發芽率進行線性回歸分析，以進一步明確水杉種子萌發對干旱脅迫和鹽脅迫的耐受程度。結果表明，水杉種子相對發芽率與不同水勢和鹽濃度之間均呈良好的線性函數關系，其中相對發芽率與水勢之間的最優線性函數方程為y=96.07+10.16x1，R2=0.944 6，相對發芽率與鹽濃度之間的最優線性函數方程為y=102.5-0.417 1x2，R2=0.962 4。由最優線性函數方程求得水杉種子的耐旱和耐鹽適宜水勢和濃度分別為-2.1 MPa和65.9 mmol·L-1，耐旱和耐鹽半致死水勢和濃度分別為-4.5 MPa和125.9 mmol·L-1，耐旱和耐鹽極限水勢和濃度分別為-8.5 MPa和221.8 mmol·L-1。

3 討論與結論

種子的發芽率、發芽勢和發芽指數是衡量種子質量的重要指標[3]。而種子萌發期是對脅迫環境最敏感的時期，植株在這一時期對脅迫環境的耐受能力一定程度上反映了植物整體的耐受性[3,19]。影響種子萌發的因素有很多，并且在不同的植物種類和生境下，影響種子萌發的主要因子也有所不同[20-21]。其中，干旱脅迫和鹽脅迫是影響植物生長發育的主要逆境因素。干旱脅迫下，由于植物體內缺水會對植物造成滲透脅迫，導致植物失水[22]，植物在失水情況下會導致酶的活性下降甚至喪失，進而影響植物的光合作用和生長發育[23-24]。鹽脅迫下，植物體內會產生大量活性氧，損傷細胞膜，從而抑制植物正常生長[25-26]。然而我國干旱鹽堿土地面積大、分布廣，已經成為一種待開發利用的重要后備耕地資源[27]，因此，不斷研究挖掘適宜干旱、鹽漬化土地種植的植物資源對農業發展及生態環境建設具有重要意義。

本研究中，與對照相比，水杉種子的萌發及苗長均隨干旱脅迫和鹽脅迫強度的增強呈持續下降趨勢，說明水杉種子萌發及幼苗生長在干旱及鹽脅迫下均受到不同程度的抑制。一方面，在干旱脅迫下，水杉種子的發芽率和發芽勢雖然隨干旱脅迫程度增加而下降，但當水勢降到-5 MPa時，種子發芽率仍有(44.0±6.3)%，種子發芽勢為(16.0±1.6)%，且根據水杉種子相對發芽率與干旱脅迫的最優線性方程可知其耐旱半致死水勢為-4.5 MPa，其耐旱能力甚至與我國4種荒漠植物的種子相當[28]，說明水杉種子具有較強的耐旱性。這與吳漫玲等[29]的研究結果相似但又不盡相同，因為其研究結果顯示在溫度偏高或者偏低時，0.05～0.1 g·mL-1的低濃度PEG-6000溶液對水杉種子萌發有一定的促進作用，但這并未在本實驗中體現，故可進一步研究水杉種子在溫度和低濃度的干旱脅迫的交互作用下，其萌發指標及生理生化指標的變化情況，探討低濃度的干旱脅迫能否促進水杉種子的萌發。另一方面，在不同濃度的NaCl溶液脅迫下，水杉種子的發芽勢、發芽率和發芽指數均呈隨NaCl溶液濃度升高而下降的趨勢，這與王樹鳳等[30]在研究同科不同屬的水松種子對鹽脅迫響應的研究結果類似。本實驗中水杉種子在200 mmol·L-1的NaCl溶液處理下的最終平均發芽率降至(8.0±3.6)%，且根據水杉種子相對發芽率和鹽濃度之間的線性方程可知，水杉種子的耐鹽極限濃度為221.8 mmol·L-1，這遠低于沙地云杉和青海云杉種子在相同條件下的最終平均發芽率[31]。由此可見，水杉種子的耐鹽性不強。

綜上所述，本研究初步探究了水杉種子對干旱脅迫以及鹽脅迫的耐性程度，結果顯示，水杉種子對干旱具有較強耐性，對鹽脅迫耐性不強。這為水杉種子的合理種植及干旱、鹽堿地種植水杉進行生態修復提供了一定的參考依據。后續可進一步探究干旱和鹽脅迫交互作用下種子萌發和幼苗生長表現，以及水杉種子抵抗脅迫時的一系列內在變化，為揭示水杉種子對脅迫的響應及實際種植提供理論依據。