干旱脅迫對千屈菜種子萌發和幼苗生長的影響

劉璐，武志博，李曉佳，海春興，姜洪濤，郝思鳴，劉世英

（1. 內蒙古師范大學地理科學學院，內蒙古 呼和浩特 010022；2. 阿拉善盟航空護林站，內蒙古 巴彥浩特 750306）

干旱被認為是我國最嚴重的自然災害之一，危害農牧業生產，導致生態環境進一步惡化，加劇土地荒漠化［1］。在非生物脅迫中干旱是影響植物生長、發育的主要脅迫因子之一［2］，這是由于干旱造成種子成苗困難且水分是光合作用重要的參與因子，干旱會使幼苗的光合作用持續下降［3-4］。植物在干旱脅迫的條件下，體內的水分平衡被破環，新陳代謝發生紊亂，阻礙植物正常生長［5］。植物通過滲透調節及調節保護酶體系等方式減少干旱帶來的不利影響［6］。種子萌發和幼苗生長作為植物生命周期的起始階段，決定著植物能否順利地完成整個生命周期［7］，且對干旱影響較為敏感。因此，研究干旱脅迫對種子萌發和幼苗生長的影響非常重要。

千屈菜（Lythrum salicaria）又名水芝錦、水柳，屬于千屈菜科，是適應性強的多年生草本宿根花卉和北方常見的水生園林造景植物。目前，對千屈菜的研究主要集中在基因特征［8-9］、引種栽培［10-11］。其抗逆性研究以抗鹽性［12-14］居多，對抗旱性研究較少，學者肖涵等［15］采用盆栽控水法研究千屈菜幼苗的生理生化指標，張歌等［16］采用同樣的方法探討千屈菜的水分適應性，學者們未將千屈菜種子的萌發和幼苗的生長綜合研究，且采用盆栽法操作較復雜。聚乙二醇（Poly?ethylene glycol，PEG）模擬干旱脅迫，具有方法簡單、易于操作、條件易控、試驗周期短等特點，是一種可行性 較 高 的 滲 透 調 節 劑［17］。Kaufman 和Eckard［18］經 過多次研究，得出PEG?6000 誘導水分逆境所得效果與土壤逐步干旱是一樣的。所以，越來越多的學者利用PEG?6000 模擬干旱環境，以研究植物對干旱的響應。此 方 法 已 在 農 作 物［19-21］、園 林 綠 化 植 物［22-23］、牧草［24-25］等植物中得到應用。因此，本試驗采用PEG?6000 模擬不同干旱脅迫對千屈菜種子萌發及幼苗根長、株高、鮮重等生長指標，脯氨酸、可溶性蛋白質、可溶性糖和丙二醛含量，超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶和抗壞血酸過氧化物酶活性等生理指標的影響，以及各指標之間的相關性，以揭示千屈菜種子及幼苗生長、生理抗旱特性，為北方園林綠化提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試千屈菜種子于2020年采購于甘肅省民勤縣花果山農林工程有限公司，在室內常溫條件下保存。種子千粒重為0.058 0 g。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子萌發試驗 挑選大小均勻、顆粒飽滿、種皮無破損的種子，在50 ℃的蒸餾水中浸泡15 min，取出種子用70%的酒精浸泡20 s，再用無菌水沖洗多次后，將種子均勻擺放在鋪有兩層已被無菌水潤濕紗布的培養皿中，每皿30 粒，再覆蓋一層紗布，每皿加5 mL 體積分數為0（CK）、5%、10%、15%、20%、25%的PEG-6000 溶液分別進行脅迫處理，每個梯度設置3個重復。培養皿用封口膜封口，以防止溶液蒸發；膜上留兩個小孔，放置于人工氣候箱（寧波東南儀器有限公司生產RDN?300D?5 型），恒溫培養，設定溫度為（25±0.5）℃，光照為8 h，濕度為65%，進行種子萌發試驗。每天同一時間分別向發芽床加無菌水或各體積分數PEG?6000 溶液2 mL，并記錄千屈菜種子的萌發狀況，以連續兩天無新種子萌發為標志結束脅迫并拍照記錄。

以胚根突破種皮為發芽標準，第3 天計算發芽勢，第5 天計算發芽率和發芽指數。

發芽勢=（第3 天發芽的種子數/供試種子總數）×100%

發芽率=（第5 天發芽的種子數/供試種子總數）×100%

發芽指數=［（處理平均發芽率×處理平均根長）/（對照平均發芽率×對照平均根長）］×100［26］

1.2.2 幼苗生長、生理試驗 在種子萌發試驗基礎上，根據預試驗結果，選擇體積分數為0（CK）、5%和25%的PEG?6000 溶液3 個梯度的脅迫處理，在種子發芽結束后，每個處理選取長勢較一致的20 株種苗，測定幼苗根長、株高和鮮重。并在每個梯度設置3 個重復，測定幼苗各項生理指標。

脯氨酸含量采用酸性茚三酮顯色法測定［27］；可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍G?250 染色法測定［27］；可溶性糖含量采用硫酸苯酚法測定［27］；丙二醛（Malo?ndialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法測定［27］；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮藍四唑顯色法測定［28］；過氧化物酶（Per?oxidase，POD）活性采用愈創木酚法測定［28］；過氧化氫酶（Catalase，CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（Aseor?bateperoxidase，APX）活性采用紫外吸收法測定［28］。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 進行數據處理和表格繪制；運用SPSS 23.0 進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度PEG 對千屈菜種子萌發的影響

當PEG 為5%時，種子的發芽率、發芽勢和發芽指數與CK 相比分別上升了19.64%、31.36%、28.37%，達到種子萌發的最大值。在25%時，發芽率、發芽勢和發芽指數與CK 相比分別下降了55.35%、70.58%、65.12%，發芽率與發芽勢達到抑制種子萌發的最大值且差異顯著。而在0~20%時，對兩者的影響不顯著（P>0.05）（表1）。

表1 不同濃度PEG 處理下千屈菜種子萌發指標Table 1 Effects of different concentrations of PEG on seed germination ofLythrum salicaria

2.2 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗生長特性的影響

千屈菜幼苗的根長、株高和鮮重隨PEG 濃度的增加都呈先升后降的趨勢。PEG 5%時，幼苗的根長、株高和鮮重分別為0.52、0.20、0.68 mg/株，與CK 相比分別上升了8.33%、5.95%、5.67%。PEG 25% 時，分別為0.38、0.70、0.52 mg/株，與CK 相比分別下降了20.83%、11.39%、19.59%。幼苗根在PEG 25%時生長明顯受到抑制，幼苗鮮重在PEG 5%和25%時均與對照差異顯著（P<0.05）（圖1）。

圖1 不同濃度PEG 處理下千屈菜幼苗生長指標Fig.1 Effects of different concentrations of PEG on seedling growth ofLythrum salicaria

2.3 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗生理特性的影響

2.3.1 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗滲透調節物質的影響 隨PEG 濃度的增加，脯氨酸和可溶性蛋白質的含量先減少后增加（圖2?A，2?B）。當PEG 濃度為5%時，兩者的含量均處于最低水平，25%時達到最高。脯氨酸含量PEG 5%處理與CK、25%處理差異顯著（P<0.05）；可溶性蛋白質CK 與5%、25%處理之間差異不顯著，而5%與25%處理之間差異顯著（P<0.05）。隨PEG 濃度的增加，可溶性糖的含量先增后減（圖2?C），在PEG 5%時上升到最大值，約為CK 的9.4 倍，25%時約為CK 的7.1 倍。3 組處理彼此之間均差異顯著（P<0.05）。

圖2 不同濃度PEG 處理下千屈菜幼苗滲透調節物質含量Fig.2 Effects of different concentrations of PEG on osmotic contents in seeding ofLythrum salicaria

2.3.2 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗丙二醛含量的影響 隨PEG 濃度的增加，丙二醛的含量呈上升趨勢。PEG 5%時，丙二醛含量緩慢上升，僅比CK 含量上升了 0.1μmol/LFW；25% 時 上 升 到 最 大 值 2.27 μmol/LFW，比CK 上升了4.6 倍，且與CK 和5%處理組之間差異顯著（P<0.05）（圖3）。

圖3 不同濃度PEG 處理下對千屈菜幼苗丙二醛含量Fig.3 Effects of different concentrations of PEG on malo?ndialdehyde content in seeding ofLythrum salicaria

2.3.3 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗保護性酶的影響 隨PEG 脅迫增強，SOD 和CAT 活性先降后升（圖4?A，4?C），PEG 5%時兩種酶活性達到最小值，隨后活性增強，但仍低于CK。SOD 的活性在3 組處理之間無顯著性差異，CAT 的CK 與5%處理組差異顯著（P<0.05）。隨PEG 脅迫增強，POD 活性先迅速升高后緩慢降低（圖4?B），PEG 5%達到最大值318.63 U/（g·min），CK 的POD 活性最低且與5%和25%處理之間差異顯著（P<0.05）。隨PEG 脅迫的增強，APX 活性逐漸增加（圖4?D），PEG 25%時，APX 活性增加到最大值20.67 μmol AsA/g，與CK 相比增加了47.85%，3 組處理之間無顯著差異。表明，在無干旱脅迫時，SOD 活性和CAT 活性較高，在低濃度PEG脅迫處理時，SOD 和CAT 活性受到抑制，POD 和APX 活性升高來適應干旱，且活性維持在高水平，保護性酶通過清除活性氧以達到降低干旱對幼苗帶來的不利影響。

圖4 不同濃度PEG 處理下千屈菜幼苗保護性酶活性Fig.4 Effects of different concentrations of PEG on protective enzymeactivities in seeding ofLythrum salicaria

2.4 各指標之間的相關性分析

PEG 濃度與種子萌發和幼苗生長的各指標呈負相關關系，與幼苗生理指標，除SOD、CAT 活性外，與其余指標均呈正相關關系，且與APX 活性呈極顯著的正相關（P<0.01）。種子萌發和幼苗生長各指標彼此之間都呈較高的正相關關系，發芽指數與發芽率、發芽勢呈極顯著的正相關（P<0.01），與根長、株高呈顯著正相關（P<0.05）；發芽率與發芽勢、根長、鮮重呈顯著正相關（P<0.05）。種子萌發與幼苗生長各指標及幼苗生理指標之間，除與可溶性糖呈極低的正相關外，其余都呈負相關關系，且可溶性蛋白含量與發芽勢、發芽指數、株高、根長呈顯著負相關（P<0.05）。幼苗生理指標之間無顯著的相關性，各指標之間的相關性以正相關為主，相關性變化不一。

3 討論

3.1 不同濃度PEG 對千屈菜種子萌發的影響

水在植物的生命活動中起著至關重要的作用，是影響植物正常代謝和生長發育的主要限制因子。種子成苗是植物完成整個生命過程的前提，也是對水分較為敏感的時期。干旱脅迫會引發植物體內失水，導致細胞含水量不足，從而損傷細胞器和脂膜，使種子無法正常萌發。種子的發芽率、發芽勢、發芽指數是反應種子萌發的重要指標，也反映植物種子發芽能力強弱和發芽時間長短。本研究發現，當PEG 濃度為5%時，千屈菜種子的發芽率、發芽勢、發芽指數增幅最大，但均不顯著，表明5%PEG 縮短了種子的發芽時間。隨PEG 濃度的增加，千屈菜種子的發芽率、發芽勢和發芽指數均呈下降趨勢，PEG25%時，三者均達到最小值。表明高濃度的PEG 溶液降低種子的發芽能力，延長種子的發芽時間。這與王亞楠等［29］研究甘草（Glycyrrhiza uralensis）、沙 蒿（Artemisia deserto?rum）種子在干旱脅迫下的萌發情況基本一致。有研究表明，無論低濃度還是高濃度的PEG 處理均顯著抑制山桐子（Idesia polycarpa）種子萌發［30］；張航等［31］發現榆樹（Ulmus pumila）種子在PEG 脅迫下出現明顯的低促高抑的現象。綜上，干旱脅迫對種子萌發的影響，與其自身的特性有關，而不同種子對PEG 模擬干旱脅迫的反應也有所不同。

表2 各指標之間的相關性Table 2 The correlation between the indicators

3.2 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗生長特性的影響

幼苗的根長、株高、鮮重指標可以綜合反映幼苗的生長特點。植物幼苗通過伸長根部的方式吸取土壤中更深土層的水分，以便供給植株，增加株高和鮮重，增加其生命力。也可通過根長的增加，使植物根系更牢固的扎根在土壤中。在本研究中，千屈菜幼苗根長、株高、鮮重在5% PEG 濃度處理時大于CK，表明低濃度的干旱脅迫促進幼苗生長。這與劉艷等［32］對甘草幼苗的研究結果類似，根系是植物吸收水分和營養物質的主要器官，水分不足會刺激根系生長，根長增大。這表明輕度干旱脅迫下千屈菜幼苗會通過增加根長來提高株高和增加鮮重以維持植株生存。因此，可以適當對千屈菜幼苗進行干旱脅迫，提高幼苗的根長、株高和鮮重。

3.3 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗滲透調節物質的影響

滲透調節是植物適應逆境的一種自我調節方式。干旱脅迫時植物體內主動積累各種有機和無機物質來提高細胞液濃度，降低滲透勢，提高細胞保水力，從而適應干旱脅迫環境。脯氨酸、可溶性蛋白質、可溶性糖是植物體內重要的滲透調節物質。脯氨酸是植物蛋白質組成成分之一，以游離的狀態廣泛的存在于植物體中，對細胞的滲透調節起重要作用，是植物體的防脫水劑，在一定程度上反應植物體內的脫水情況。本試驗中，千屈菜幼苗的脯氨酸含量呈先減少后增加的情況，這可能是因為輕度干旱時控制脯氨酸降解的關鍵酶的表達或者數量多于合成脯氨酸酶。同樣，可溶性蛋白質的含量變化情況與脯氨酸含量一致，含量先下降可能是干旱脅迫使蛋白質合成酶鈍化或能源（ATP）減少，之后開始上升以提高體內滲透勢，抵抗干旱［33］?？扇苄蕴呛吭诿{迫開始時迅速增加，后緩慢減少，但均高于CK。與脯氨酸、可溶性蛋白質形成互補，前期因脯氨酸、可溶性蛋白質含量下降，可溶性糖含量迅速增加以降低干旱脅迫帶來的危害，后期3 種物質同時發揮作用降低滲透勢。由此可見，在PEG 脅迫下，千屈菜幼苗自身可以啟動滲透調節機制以適應干旱。

3.4 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗丙二醛含量的影響

植物在干旱脅迫下受到傷害，往往會發生膜脂過氧化作用。丙二醛是膜脂過氧化的最終分解產物，對細胞具有很強的毒性，所以MDA 的積累可能對膜和細胞造成一定的傷害，常用于膜脂過氧化指標。其含量可反映植物遭受干旱傷害的程度。在模擬干旱處理千屈菜幼苗的過程中，丙二醛的含量隨著脅迫強度的增加而上升。表明外界干旱脅迫會持續導致千屈菜生物膜脂過氧化不斷加劇，植物受傷害程度在不斷增加。這與前人在蕓豆（Phaseolus coccineus）、玉帶草（Phalaris arundinacea）、野 生 苣 荬 菜（Sonchus brachyotus）［20，23?34］等方面的研究的結果一致。

3.5 不同濃度PEG 對千屈菜幼苗保護性酶的影響

當植物受到干旱脅迫時，細胞結構的穩定性紊亂，打破了活性氧產生和清除的動態平衡，導致活性氧在細胞中過量積累，危害細胞的存活。保護性酶是植物在遇到干旱脅迫時重要的防護屏障，主要包括SOD、POD、CAT、APX 等。SOD 能以O2-為基質進行歧化反應；POD 也可清除細胞內有害自由基并能催化有毒物質；CAT 可分解H2O2；APX 可使O2-產生速率下降。本試驗中，千屈菜幼苗干旱脅迫下CAT 活性都比對照組低，一方面可能是由于H2O2的積累使其失活，另一方面可能是發生了光失活［35］，SOD 的活性變化與CTA 變化一致。而POD 和APX 快速增加，活性值均高于對照組。幾種酶協調配合，共同增強防御干旱的能力。幾種酶活性變化情況不一致可能是由于植物調動其他的活性氧清除系統［35］。可見，在PEG 脅迫下，保護酶系統整體發揮作用，并非單一的酶起作用。

4 結論

PEG 模擬干旱脅迫下，千屈菜種子的發芽率、發芽勢、發芽指數，幼苗的根長、株高和鮮重在PEG 5%處理時，均達最大值；PEG 25%時達到最小值，且低于CK。幼苗的各項生理指標隨干旱脅迫的增加，變化規律不相同。PEG 濃度與種子萌發和幼苗生長各指標呈負相關。