PEG胁迫对芒和荻种子萌发的影响

何 淼，赵保成，李 强，刘长乐

(1.东北林业大学园林学院，黑龙江 哈尔滨 150040； 2.黑龙江省林业科学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

芒、荻类植物是禾本科黍亚科多年生C4草本植物，包括芒属(Miscanthus)和荻属(Triarrhena)，原产于东亚，广泛分布于东南亚到太平洋岛屿的热带、亚热带和温带地区，其中中国是世界芒、荻类植物资源的分布中心[1-3]。因其适应性强、生物量高而被欧洲等国家选作最具有潜力的草本能源植物之一。早在20世纪60年代，丹麦首先把芒、荻类植物作为一种能源植物进行研究[4-5]，近年来西方国家在芒、荻类植物基因型的选择与栽培管理技术的改良等方面做了较多的研究[6]，而我国对芒、荻类植物作为能源植物的研究较少。20世纪80年代，赵先南和萧运峰[7]通过对五节芒(M.floridulus)长期引种栽培，对其生物学特性以及生产性状进行了研究。此外，芒、荻类作为新兴的观赏草类，在城市园林绿化中发挥着越来越重要的作用。我国是一个淡水资源严重不足的国家，干旱已经严重影响了农业和生态环境的可持续发展[8]。然而对于作为重要能源植物和观赏草类的芒、荻类植物干旱胁迫的研究尚未见报道。本试验采用PEG-6000模拟干旱胁迫，研究芒、荻类植物种子的发芽率、发芽指数、活力指数和根冠比等，对其抗旱性进行初步评价，以期为农业生产和城市园林绿化筛选抗旱植物提供一定的理论支持。

1 材料与方法

1.1试验材料 本试验以东北地区野生的中国芒(M.sinensis)和荻(T.sacchariflora)种子为材料。芒种子于2011年11月上旬采集于辽宁省本溪市阿家岭(41°22.803′ N,121°21.410′ E)，荻种子于2011年10月下旬采集于黑龙江省哈尔滨市太阳岛风景区(46°24.442′ N,124°35.031′ E)，试验在东北林业大学园林学院苗木培育实验室进行。

1.2试验方法 选取籽粒饱满、大小均一且无机械损伤的种子，用1%的次氯酸钠溶液消毒处理15 min，置于以双层滤纸为发芽床的9 cm的培养皿中，放入温度为25 ℃、光照为5 000 lx、湿度为66%的人工光照培养箱中培养。试验设4个处理，分别为5%、10%、15%和20%的聚乙二醇溶液(PEG-6000)，以蒸馏水作为对照。每处理3次重复。每皿均匀置入50粒种子，分别加入3 mL的PEG-6000模拟干旱胁迫，对照组加入等量的蒸馏水。每天在培养皿中加入1 mL处理液，每两天更换一次滤纸，连续培养10 d。从种子置床之日开始观察[9]，以胚根长度为种长的1/2为种子发芽的标志，以连续3 d发芽种子的数量不足供试种子数量的1%视为试验结束[10]，于每天10:00观察并记录种子的发芽情况。

1.3指标测定及方法

1.3.1种子活力指标的测定

活力指数(VI)=GI×S。

式中，n为正常发芽的种子数，N为供试种子总数，Gt为第t日种子的发芽数，Dt为相应的天数[11-12]，S为胚根鲜质量。

1.3.2胚根、胚芽生长量的测定 萌发试验结束后，每皿随机选取10株幼苗，用刻度尺测量胚根、胚芽的长度。然后取出全部植物样品，用蒸馏水冲洗干净，用滤纸吸干表面水分，测定全部胚根、胚芽的鲜质量，用万分之一分析天平称量。

1.3.3萌发抗旱指数及抗旱等级 参照王赞等[13]的方法进行计算，公式如下：

萌发抗旱指数(GDRI)=PEG处理下的萌发指数/对照组的萌发指数。

萌发指数=1.00×nd2+0.75×nd4+0.50×nd6+0.25×nd8。

式中，nd2、nd4、nd6、nd8分别为第2、4、6、8天的种子发芽率，1.00、0.75、0.50、0.25分别为相应发芽天数所赋予的抗旱系数。

抗旱指标的评定标准参照王赞等[13]的方法进行。1级为抗旱型,综合评价值为0.8以上；2级为中间型,综合评价值在0.5～0.8；3级为不抗旱型,综合评价值在0.5以下。

1.4数据处理 试验数据采用SPSS 13.0进行统计学分析，利用Excel 2003作图。

2 结果与分析

2.1PEG胁迫对芒和荻种子萌发的影响 10%PEG胁迫下，芒和荻种子的发芽率与对照组差异不显著(P>0.05)，但随着PEG质量分数的不断增加，芒(20% PEG)和荻(15% PEG)种子的发芽率相较于对照组及其它处理显著下降(P<0.05)(图1)。芒和荻种子的发芽指数差异明显，在低质量分数PEG(5%)处理下，芒种子的发芽指数高于对照组，随着处理质量分数的增加，芒种子的发芽指数逐渐下降，并在PEG质量分数为20%时与对照组及其它质量分数之间差异显著(P<0.05)。而荻种子的发芽指数随着PEG质量分数的升高逐渐下降，并在PEG质量分数为10%时与对照组差异显著(P<0.05)。同质量分数的PEG处理下，芒种子的发芽率高于荻种子，并在15%的PEG处理时，芒和荻种子的发芽率差异性显著(P<0.05)，表现为芒>荻。由此可知，低质量分数PEG(10%)对芒和荻种子发芽影响较小，而高质量分数的PEG(>15%)严重抑制芒和荻种子的发芽，并且芒和荻之间差异明显。

就芒和荻种子的活力指数来看(图1)，随着PEG质量分数的增加，芒种子的活力指数先升高后降低，而荻种子的活力指数逐渐降低，而同质量分数PEG处理下，芒种子的活力指数明显高于荻种子的活力指数，这说明芒种子在不利环境条件出苗能力更强，种子活力更强，抗旱能力更强。

随着PEG质量分数的增加，芒和荻种子的相对发芽率先升高再降低，荻种子的相对发芽率在15%PEG时明显降低，而芒种子的相对发芽率在20%PEG时才明显降低。从芒和荻的相对发芽率与对照组(CK)之间的百分比来看，荻种子的半致死质量分数(相对发芽率为对照组发芽率的50%时的质量分数[14])为15%，抗旱极限质量分数(相对发芽率为对照组发芽率的10%时的质量分数[14])为20%；而芒种子的半致死质量分数为20%。

发芽率是反映种子发芽能力的重要指标，发芽指数则反映了种子的发芽速度，而种子的发芽活力是种子活力的综合表现，所以在结果中，各指标之间的反映并不完全一致 ，这也说明了植物抗旱性是各指标因素的综合结果，并不是由某一指标单独决定的。

2.2PEG胁迫对芒和荻胚芽、胚根生长的影响 在低质量分数PEG(10%)胁迫处理下，芒胚根较对照组显著增长(P<0.05)。随着PEG质量分数的增加，芒胚根和荻胚芽长度逐渐缩短，在PEG质量分数为15%时，荻胚芽与对照组差异显著(P<0.05)，而芒胚芽和荻胚根随着PEG质量分数的增加逐渐降低(图2)。这说明，低质量分数的PEG胁迫促进了芒胚根及荻胚芽的生长，抑制了芒胚芽与荻胚根的生长，而高质量分数的PEG对芒和荻胚根和胚芽均有严重的抑制作用。

图1 PEG胁迫对芒和荻种子发芽率、相对发芽率、发芽指数和活力指数的影响Fig.1 Influence of osmotic stress on germination rate, relative germination rate, germination index and vigor index of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seeds

图2 PEG胁迫对芒和荻种子胚根、胚芽的影响Fig.2 Influences of osmotic stress on radicle and plumule growth of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

芒胚根/胚芽呈先升高再降低再升高的趋势，荻胚根/胚芽呈先降低后升高的趋势，并且在10%PEG处理时芒和荻的胚根/胚芽值达到最低值(图3)。由此可以得出，低质量分数的PEG 胁迫促进了芒胚根的生长，更有利于根系对水分的吸收，而对荻胚根有一定的抑制作用，说明芒较荻更抗旱。之后随着质量分数的增加，芒和荻胚根/胚芽先降低后升高，这也正是植物体内生理机能抵抗外界不良环境的影响。

芒胚根的鲜质量先升高后下降(图4)，这和胚根长度(图2)的变化趋势是一致的，但是芒胚根鲜质量在10%PEG处理时达到最大值，而芒胚根长度在5%PEG处理时达到最大值，这说明了低质量分数(5%)的PEG可促进胚根的伸长，10%～15%的PEG处理促进了胚根的横向增粗，从而促进胚根生物量的增加。荻胚根鲜质量随着PEG质量分数的增加呈逐渐下降的趋势(图4)，这和荻胚根的长度变化趋势一致(图2)。随着PEG质量分数的升高，芒胚芽长度和鲜质量表现一致，呈逐渐下降趋势，而荻在PEG质量分数小于10%时，胚芽长度增加，胚芽鲜质量反而下降，这说明了低质量分数PEG促进了获胚芽的伸长但是抑制了其横向加粗。

2.3芒和荻种子的萌发抗旱指数和抗干旱等级 随着PEG质量分数的升高，芒和荻的萌发抗旱指数逐渐下降(芒在5%PEG时除外)，芒在20%PEG处理时才表现出不抗旱现象，而荻在10%PEG处理时表现为中间型，15%处理时表现为不抗旱，这说明了芒耐中度(20%)的干旱胁迫，荻只耐低质量分数(<10%)的干旱胁迫，由此可见芒比荻更耐旱(表1)。

图3 PEG胁迫对芒和荻种子胚根/胚芽的影响Fig.3 Influence of osmotic stress on radicle length/plumule length of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

图4 PEG胁迫对芒和荻种子胚根、胚芽鲜质量的影响Fig.4 Influence of osmotic stress on fresh weight of radicle and plumule of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

表1 芒和荻种子的萌发抗旱指数和抗旱等级Table 1 Drought resistance sprouting indexes and levels of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seeds

3 讨论

在影响植物生长的因素中，水分因素已经成为制约植物生长发育的最重要的因素，尤其是在种子萌发及幼苗生长阶段，所以我们用种子萌发及幼苗生长对水分的需求状况来评价其抗逆性[15]。近年来，PEG-6000作为一种渗透调节剂常被用作模拟土壤干旱胁迫的最佳物质，因其是生物大分子不易渗透到植物细胞内，不会对种子造成影响，并且能减缓萌发初期水分进出种子的速率，减少种子吸胀过程中膜系统的损伤[16]。本研究发现，低质量分数PEG(10%)胁迫下，芒和荻种子的发芽率与对照组相比无显著差异，且芒种子发芽指数先升高后降低，而荻逐渐下降，这说明低质量分数PEG胁迫能缩短芒种子的萌发时间，而延长荻种子的萌发时间。但也有其它的研究结果表明，5%PEG胁迫可以提高多种牧草种子的发芽率和发芽指数[17]，且PEG胁迫仅提高种子的早期发芽率和发芽指数，而对最终的发芽率无显著影响[18]。PEG胁迫对种子萌发的促进和抑制作用因植物种类和胁迫因素不同而异，不能一概而论，这方面还有待进一步的研究。不同水平PEG胁迫条件下，芒种子的发芽率、发芽指数和活力指数都明显高于荻种子，发芽率和发芽指数在15%PEG时差异显著(P<0.05)，活力指数在5%PEG时差异显著(P<0.05)，这也从种子的活力指标上说明了芒种子与荻种子的差异，芒的抗干旱能力比荻更强，分布范围更广。

从胚根、胚芽的长度以及胚根、胚芽的鲜质量比较可以看出，随着PEG质量分数的升高，芒胚根长和胚根鲜质量都是先升高后降低，胚根长在PEG为5%时最大，说明5%的PEG能最大程度的促进芒胚根的伸长，这与PEG干旱胁迫对狼尾草(Pennisetumalopecuroides)种子和冷季型草坪种子的研究结果相一致[14]。也有结果表明，随着PEG质量分数的逐渐升高，胚根与胚芽的长度逐渐减小[16]。同时在5%PEG时胚根长最大，而胚根鲜质量在10%时最大，这说明低质量分数(5%)促进了芒胚根的伸长而抑制其横向加粗，随着PEG质量分数的升高(10%)，芒胚根的伸长受到抑制，而横向加粗被促进。

4 结论

低质量分数(10%)的PEG胁迫对芒和荻种子的发芽率无明显影响，但随着PEG质量分数的升高，表现为明显的抑制作用；随着PEG质量分数的增加，芒种子的发芽指数和活力指数都是先升高后降低，而荻种子的发芽指数和活力指数则是逐渐下降；低质量分数PEG胁迫对芒种子的胚根以及荻种子的胚芽长度有明显的促进作用，而高质量分数的PEG胁迫对芒和荻的胚根及胚芽长都有明显的抑制作用。

荻种子的半致死PEG质量分数为15%，致死质量分数为20%，而芒种子的半致死质量分数为20%，致死质量分数更高；从芒和荻萌发抗旱指数来看，芒能耐20%以上高质量分数的干旱胁迫，而荻只能耐一定质量分数的(10%)的干旱胁迫，表现为芒比荻更耐干旱。

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