PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)香果樹(shù)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

周 萌, 羅 洋, 郭連金, 程薪宇

(上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,上饒農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新研究院, 江西 上饒 334001)

水資源短缺已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的突出問(wèn)題，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，干旱是所有非生物脅迫中對(duì)產(chǎn)量影響最大且很難改良的因素之一，干旱嚴(yán)重制約了作物的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的提高[1]。干旱影響植物水勢(shì)和生長(zhǎng)，從而干擾植物生理和形態(tài)特征的正常變化[2]。通過(guò)降低種子對(duì)水分的吸收，影響種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)[3]。干旱還誘導(dǎo)自由基影響抗氧化防御和活性氧，對(duì)不同層次的組織造成損害[4]，降低植物生長(zhǎng)的數(shù)量和質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫導(dǎo)致一些作物生長(zhǎng)減緩，如大麥、玉米、水稻和小麥[5-7]。聚乙二醇(PEG-6000)是一種大分子物質(zhì)，可以對(duì)植物造成滲透脅迫，經(jīng)常用于模擬自然干旱脅迫[8]。

香果樹(shù)(EmmenopteryshenryiOliv.)是茜草科(Rubiaceae)香果樹(shù)屬(Emmenopterys)中已知的唯一現(xiàn)存種[9]，目前僅中國(guó)亞熱帶地區(qū)海拔400～2 200 m的山坡谷地有分布。香果樹(shù)是良好的材用樹(shù)種，且具有藥用及觀賞等價(jià)值[10]，由于人為毀林開(kāi)荒破壞了香果樹(shù)的生境，導(dǎo)致香果樹(shù)野外資源大量減少，瀕臨滅絕[11]，并且香果樹(shù)在自然條件下更新能力很差，種子發(fā)芽率低、壽命短，導(dǎo)致種群數(shù)量日益減少[12]，現(xiàn)己被列入我國(guó)二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物。植物物種的滅絕將導(dǎo)致重要基因資源的丟失，甚至生態(tài)系統(tǒng)的崩潰[13]，加強(qiáng)對(duì)香果樹(shù)的保護(hù)與繁育已迫在眉睫。目前，香果樹(shù)的研究主要集中在資源調(diào)查、繁殖技術(shù)、化學(xué)成分分析以及開(kāi)發(fā)利用等方面[14-16]，干旱對(duì)香果樹(shù)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)的影響未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以香果樹(shù)為材料，利用PEG-6000模擬干旱，探索干旱對(duì)香果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的影響。主要從不同PEG-6000濃度對(duì)香果樹(shù)種子萌發(fā)的影響和探究持續(xù)干旱對(duì)香果樹(shù)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的作用展開(kāi)研究。以期為香果樹(shù)種群的恢復(fù)和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的香果樹(shù)種子于2019年10月采自福建省武夷山國(guó)家自然保護(hù)區(qū)，采集的果實(shí)在陰涼干燥處自然風(fēng)干，整果密封保存。PEG-6000溶液為模擬干旱脅迫處理劑，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 種子萌發(fā)試驗(yàn)

挑選大小、重量、飽滿度一致的種子進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)。將種子規(guī)則擺放在墊有2層濾紙片的150 mm培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿35顆種子，分別加入5 mL 5%，10%，15%，20%，30%濃度的PEG-6000溶液，以蒸餾水為對(duì)照，并分別標(biāo)號(hào)為ck，T 1，T 2，T 3，T 4，T 5，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。置于(25±2)℃光照培養(yǎng)箱進(jìn)行萌發(fā)，光照12 h/黑暗12 h，濕度為65%～70%。萌發(fā)期間每隔2 d補(bǔ)充0.5 mL蒸餾水，以種子露白作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，從種子置床后第1天起，每天統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)數(shù)量，計(jì)算發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，計(jì)算方法如下：

發(fā)芽率(%)=(每天發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt(Gt為置床后t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù))。

1.3 幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)

種子萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束，從每個(gè)處理中選取長(zhǎng)勢(shì)良好的幼苗移栽到裝有營(yíng)養(yǎng)土(Pindstrup∶蛭石=1∶1)的塑料花盆中，每盆1株幼苗，每個(gè)處理18盆。土壤中分別添加0，5%，10%，15%濃度的PEG-6000溶液，保證土壤浸透溶液，由于T 4、T 5處理組中香果樹(shù)種子未萌發(fā)，因此幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)只包括ck、T 1、T 2、T 3等4個(gè)處理。幼苗置于(25±2)℃光照培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)，光照12 h/黑暗12 h，濕度為65%～70%，每隔2 d補(bǔ)充蒸餾水到水位刻度線，保證不同處理組PEG-6000濃度維持恒定。每10 d統(tǒng)計(jì)幼苗存活率、測(cè)量株高和葉面積。培養(yǎng)40 d后，從土壤中取出幼苗根，沖洗干凈，測(cè)量統(tǒng)計(jì)主根長(zhǎng)度、側(cè)根量、根鮮重、葉片數(shù)量和地上部分鮮重等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，使用單因素方差分析(one-way ANOVA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，使用OriginPro 9.0軟件作圖。

注：a為香果樹(shù)種子發(fā)芽率；b為香果樹(shù)種子發(fā)芽指數(shù)。圖1 不同PEG-6000濃度處理對(duì)香果樹(shù)種子萌發(fā)的影響

注：a為香果樹(shù)幼苗地上鮮重;b為香果樹(shù)幼苗株高;c為香果樹(shù)幼苗死亡率。圖2 不同PEG-6000濃度處理對(duì)香果樹(shù)幼苗生長(zhǎng)的影響

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)香果樹(shù)種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示，香果樹(shù)種子發(fā)芽率可以達(dá)到90%左右，在種子置床15 d后，T 1和T 2兩個(gè)PEG-6000濃度下香果樹(shù)種子萌發(fā)率與ck無(wú)明顯差異(圖1 a)。但ck香果樹(shù)種子置床第7天發(fā)芽率顯著高于其他處理組，表明PEG-6000處理在種子萌發(fā)前期影響種子吸水，干擾種子的萌發(fā)。由種子發(fā)芽指數(shù)可知，隨著PEG-6000濃度的增高，香果樹(shù)種子發(fā)芽指數(shù)逐漸降低(圖1 b)，T 2處理組發(fā)芽率與ck無(wú)差異，但是發(fā)芽指數(shù)顯著低于ck，這說(shuō)明低濃度PEG-6000影響香果樹(shù)種子的萌發(fā)，高濃度的PEG-6000抑制香果樹(shù)種子萌發(fā)。

2.2 PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)香果樹(shù)幼苗生長(zhǎng)的影響

將萌發(fā)的種子移栽到含有不同濃度PEG-6000溶液的土壤中處理40 d之后，ck地上部分鮮重超過(guò)300 mg，而T 1濃度處理下只有20 mg左右，并且隨著PEG-6000濃度的增加，地上部分鮮重逐漸降低(圖2 a)，說(shuō)明干旱嚴(yán)重影響了香果樹(shù)幼苗的生長(zhǎng)。從株高可以看出，干旱導(dǎo)致香果樹(shù)幼苗生長(zhǎng)受到極大抑制，移栽第一個(gè)10 d，所有濃度處理下香果樹(shù)都有所生長(zhǎng)，隨著干旱持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，PEG-6000處理下香果樹(shù)幼苗的生長(zhǎng)近乎停滯，比如T 3處理?xiàng)l件下(圖2 b)。對(duì)香果樹(shù)幼苗存活率的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，干旱導(dǎo)致香果樹(shù)幼苗死亡，在T 3處理下短期內(nèi)死亡率達(dá)55.56%，并隨著干旱天數(shù)的持續(xù)，死亡率逐漸增加。在T 1和T 2處理?xiàng)l件下，隨著干旱程度及干旱天數(shù)的增加，幼苗死亡率逐漸增加(圖2 c)。說(shuō)明香果樹(shù)對(duì)干旱的耐受能力較差，干旱嚴(yán)重影響香果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育，重度干旱甚至導(dǎo)致香果樹(shù)死亡。

2.3 PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)香果樹(shù)幼苗根結(jié)構(gòu)的影響

根是植物吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，根系的生長(zhǎng)發(fā)育影響地上部分的生物量，同時(shí)地上生物量的累積也影響根系資源的分配。結(jié)果表明，香果樹(shù)幼苗根鮮重表現(xiàn)出與地上部鮮重一樣的結(jié)果，輕微干旱處理的T 1組根鮮重5.76 mg，ck是T 1的10倍，不同處理組根鮮重表現(xiàn)出顯著性差異(圖3 a)，說(shuō)明PEG-6000模擬干旱處理通過(guò)影響香果樹(shù)根的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響香果樹(shù)幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育。ck香果樹(shù)主根長(zhǎng)顯著高于其他PEG-6000處理組，香果樹(shù)主根長(zhǎng)在PEG-6000各處理組之間差異并不大，在4～5 cm之間(圖3 b)，表明不同干旱程度影響植物主根的生長(zhǎng)，但對(duì)主根的影響不明顯。對(duì)側(cè)根量的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，ck香果樹(shù)側(cè)根量達(dá)到80根以上，極顯著高于PEG-6000其他模擬干旱處理組。與主根結(jié)果不同的地方在于，隨著PEG-6000濃度的增加，香果樹(shù)側(cè)根量顯著下降(圖3 c)，導(dǎo)致香果樹(shù)根鮮重降低，進(jìn)而影響地上生物量的累積。

注：a為香果樹(shù)根鮮重;b為香果樹(shù)幼苗主根長(zhǎng);c為香果樹(shù)幼苗側(cè)根量。圖3 不同PEG-6000濃度處理對(duì)香果樹(shù)幼苗根發(fā)育的影響

注：a為不同處理下香果樹(shù)葉片形態(tài),標(biāo)尺為1 cm;b為香果樹(shù)幼苗葉片數(shù)量;c為香果樹(shù)幼苗葉面積;d為香果樹(shù)幼苗葉面積(前10 d)。圖4 不同PEG-6000濃度處理對(duì)香果樹(shù)幼苗葉生長(zhǎng)的影響

2.4 PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)香果樹(shù)幼苗葉的影響

植物的生長(zhǎng)和生物量的累積與植物營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段有緊密聯(lián)系，干旱影響植物水勢(shì)和生長(zhǎng)，會(huì)干擾植物生理和形態(tài)特征的正常變化。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著PEG-6000濃度的增加，香果樹(shù)葉片數(shù)量逐漸降低，ck中香果樹(shù)幼苗具有10片葉，在T 1處理?xiàng)l件下，香果樹(shù)幼苗葉片數(shù)量有6片，在T 3處理?xiàng)l件下，葉片數(shù)量有2片(圖4 a,b)。說(shuō)明在干旱逆境脅迫下，顯著抑制香果樹(shù)植物葉片的生長(zhǎng)。

對(duì)持續(xù)模擬干旱處理期間，香果樹(shù)葉片生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)，ck在移栽至土壤中的前10 d生長(zhǎng)較緩慢，葉面積增長(zhǎng)緩慢，隨后進(jìn)入快速增長(zhǎng)的階段，這可能與植物剛移栽到一個(gè)新環(huán)境，需要適應(yīng)過(guò)程有關(guān)(圖4 c,圖4 d)。模擬干旱處理?xiàng)l件下，香果樹(shù)的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重影響，葉面積在前30 d的增長(zhǎng)都非常緩慢，在30 d之后有較大的增長(zhǎng)速率，這可能與葉片數(shù)量的增加，更多的葉片都在生長(zhǎng)有關(guān)，導(dǎo)致葉面積有較快增長(zhǎng)。

3 討 論

香果樹(shù)在木材、園林綠化和制藥等方面都有重要價(jià)值[17]。然而由于過(guò)度砍伐、毀林開(kāi)荒和氣候的日益惡化，造成香果樹(shù)分布范圍雖廣但多為零星分布，并且自然分布范圍正逐步縮減，植株保有量持續(xù)減少[18]。通過(guò)提高種群的再生能力，結(jié)合人工繁育使植物能夠發(fā)揮其繁殖和自我再生的潛能，從而達(dá)到植物保護(hù)的作用[19]。研究香果樹(shù)種子繁殖潛力和幼苗生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)對(duì)開(kāi)發(fā)恢復(fù)瀕危植物的有效方法有重要意義。

種子的發(fā)芽是作物育苗的重要階段，在干旱脅迫條件下，植物種子在發(fā)芽階段無(wú)法獲得足夠的水分，導(dǎo)致種子發(fā)芽受到抑制。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，香果樹(shù)種子在室內(nèi)培養(yǎng)條件下的發(fā)芽率可達(dá)89%，輕微干旱條件，可以提高種子的發(fā)芽率。在野外的發(fā)芽率僅有13%～20%[20]，而且表現(xiàn)為土壤層的種子萌發(fā)率明顯高于苔蘚層和枯枝落葉層[11]，這可能是因?yàn)橐巴猸h(huán)境并不能保證持續(xù)的濕潤(rùn)環(huán)境，導(dǎo)致香果樹(shù)種子發(fā)芽率低。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)香果樹(shù)種子在置床6 d后才開(kāi)始發(fā)芽，需要長(zhǎng)時(shí)間的濕潤(rùn)環(huán)境，土壤層能保持水分，苔蘚層和枯枝落葉層處于土壤表層，水分更容易蒸發(fā)流失，造成干旱脅迫。同時(shí)，當(dāng)PEG-6000濃度達(dá)到20%時(shí)，香果樹(shù)種子發(fā)芽完全受抑制，發(fā)芽率為0。香果樹(shù)種子萌發(fā)未受輕度干旱影響，說(shuō)明具有一定的耐旱能力，中度干旱降低種子發(fā)芽，重度干旱完全抑制發(fā)芽。女貞、鹽膚木、香椿等喀斯特地區(qū)其他常見(jiàn)樹(shù)種的種子在PEG濃度達(dá)20%時(shí)仍能發(fā)芽，相比之下，香果樹(shù)種子的耐旱能力相對(duì)較差[21]。

干旱不僅影響香果樹(shù)種子的萌發(fā)，還影響幼苗的生長(zhǎng)。干旱嚴(yán)重抑制了香果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育，并隨著干旱程度的增加，抑制程度越重。與ck相比，干旱處理下，香果樹(shù)葉片數(shù)量和葉面積顯著降低，這也導(dǎo)致香果樹(shù)地上鮮重急劇減少。干旱是影響植物生長(zhǎng)最大的因素之一，在干旱脅迫下，植物體內(nèi)各種生長(zhǎng)代謝活動(dòng)都受到影響，尤其是植物葉片對(duì)干旱脅迫特別敏感，導(dǎo)致葉片生長(zhǎng)緩慢，葉柄長(zhǎng)度縮短，葉面積減小，株型緊湊[22]。干旱導(dǎo)致地上生物量的減少，總能量的降低，分配給根的能量也隨之降低，隨著干旱程度的增加，根的生物量也隨之下降。相較于主根生物量的投入，遭受干旱脅迫的香果樹(shù)幼苗增加了側(cè)根生物量的投資，相對(duì)于主根或根系的伸長(zhǎng)，側(cè)根增加的成本更低，而且能更有效增加根表面積，增加根系吸水的作用[23]。

香果樹(shù)數(shù)量降低的另一個(gè)因素是耐旱能力差，研究發(fā)現(xiàn)，干旱導(dǎo)致香果樹(shù)幼苗死亡，尤其是PEG-6000達(dá)到15%時(shí)，干旱處理10 d幼苗死亡率達(dá)55%。這也提示在自然條件下，嚴(yán)重干旱影響香果樹(shù)種子萌發(fā)，即使在雨水之后香果樹(shù)幼苗發(fā)芽，之后的持續(xù)干旱也將導(dǎo)致香果樹(shù)幼苗的死亡。香果樹(shù)幼苗在不同地表上的成活率順序?yàn)橥寥?苔蘚>凋落物，可能是土壤比苔蘚和枯枝落葉有更好的水分和營(yíng)養(yǎng)供給，而且凋落物層阻礙了香果樹(shù)的胚根到達(dá)土壤表面，導(dǎo)致干旱的程度更嚴(yán)重[11]。植物在長(zhǎng)期的自然演化過(guò)程中形成了多樣化的脅迫應(yīng)答機(jī)制，如植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫表現(xiàn)為葉片脫落、降低生長(zhǎng)能力、改變形態(tài)結(jié)構(gòu)以及生理生化調(diào)節(jié)等方面[24]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，全球范圍內(nèi)干旱導(dǎo)致樹(shù)木死亡的現(xiàn)象頻頻發(fā)生，可能與近年來(lái)惡劣的氣候有關(guān)。T 3條件下，香果樹(shù)幼苗在短時(shí)間內(nèi)大量死亡，可能是植物的水分輸導(dǎo)系統(tǒng)受破壞，導(dǎo)致植物快速脫水死亡。而T 2條件下，隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，香果樹(shù)幼苗死亡數(shù)在逐漸增加，主要因?yàn)橹参餅榱朔乐顾诌^(guò)多散失而關(guān)閉氣孔，限制了光合作用對(duì)碳的同化，導(dǎo)致植物長(zhǎng)期碳失衡引起碳匯耗盡而死亡[25]。即使沒(méi)有導(dǎo)致香果樹(shù)幼苗死亡，碳匯的持續(xù)消耗也導(dǎo)致植株生長(zhǎng)受到極大抑制。

因而，在香果樹(shù)自然更新過(guò)程中，尤其土壤干旱地區(qū)或種子發(fā)芽時(shí)期出現(xiàn)季節(jié)性干旱的區(qū)域，應(yīng)通過(guò)調(diào)控土壤水分的方式，改善土壤水分狀況，以保證香果樹(shù)的更新、繁殖。此外，可通過(guò)培育耐旱的香果樹(shù)品種，以適應(yīng)日趨極端的環(huán)境；在香果樹(shù)幼苗期合理使用菌肥，增強(qiáng)香果樹(shù)對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)能力[26]。