PEG模拟干旱胁迫对凤仙花种子萌发及幼苗生长的影响

张凤银， 李方良， 谭 英

(江汉大学生命科学学院，武汉 430056)

水资源短缺是制约农业发展的全球性问题[1]. 我国水资源极为匮乏，约一半的国土面积位于干旱和半干旱地区，常受到干旱的威胁[2-3]. 因此，提高植物耐旱性能、增加作物在干旱胁迫下的产量以及探讨植物的耐旱机理一直受到关注，而聚乙二醇(polyethylene glycol,简称PEG)是模拟土壤干旱胁迫的一种理想水势调节物质，常作为一种引发剂用于植物抗旱机理研究及其抗旱性能评价[4-6].

凤仙花(ImpatiensbalsaminaL.)，别名指甲花、急性子、金凤花等，属凤仙花科凤仙花属一年生草本花卉，具有重要药用价值和观赏价值[7]，是目前国际上最新流行的高档温室盆花之一，可供花坛、花镜和花篱种植选用[8].凤仙花喜欢阳光充足、温暖而湿润的环境条件，但若遇到干旱胁迫，其叶片会逐渐变黄，脱落.尚未见有关干旱对凤仙花种子萌发、幼苗生长及生理特性影响等方面的研究报道，本文利用PEG模拟干旱胁迫，研究PEG处理对凤仙花种子萌发及幼苗生理影响，为认识凤仙花耐旱机理提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

凤仙花种子为当年收获的种子，由江汉大学生命科学学院实验中心提供.

1.2 种子萌发

选择籽粒饱满、大小均匀一致的凤仙花种子. 蒸馏水浸种16 h，然后将种子摆放在铺有2层滤纸的培养皿中，分别加入10 mL不同质量分数0、2%、5%、10%、15%、20%(W/V)的PEG(相对分子量6000)处理液，依据Michel和Kaufmann有关质量分数与渗透势的关系[9]，上述PEG质量分数对应的渗透势分别为0、-0.141、-0.499、-1.483、-2.952、-4.908、-7.348 MPa. PEG处理的凤仙花种子在25 ℃±1 ℃、湿度为85%的人工气候箱中培养.每个培养皿摆放80粒种子，每个处理重复3次. 每2 d更换滤纸，并添加10 mL原液，使渗透胁迫浓度保持相对稳定. 10 d后结束萌发试验.

1.3 测定方法

1.3.1 种子萌发的测定 每天定时统计发芽种子数，参照GB/T 18247.4-2000国家标准，第5天统计发芽势、第10天统计发芽率.依据吴丽云等的方法[10]计算发芽势、发芽率、发芽指数以及活力指数.

1.3.2 幼苗生长的测定 PEG处理后，从每个处理的每次重复中随机取15 株幼苗，测量其茎长、根长、鲜质量，统计侧根数.

1.3.3 幼苗MDA含量及SOD、POD活性的测定 PEG处理后，取幼苗采用硫代巴比妥酸比色法、愈创木酚法及氮蓝四唑显色法分别测定丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和过氧化物酶(POD)活性[11].

1.4 数据统计分析

用 Excel2003和DPS2000进行数据统计分析，多重比较采用Duncan新复极差法.

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对凤仙花种子萌发的影响

PEG质量分数≤15%(表1)，对种子发芽势和发芽率影响与对照相比变化不显著(P>0.05)，但PEG质量分数为20%，显著降低种子的发芽势和发芽率(P<0.05). 20%PEG处理的种子发芽势、发芽率分别较对照下降了29.58%和14.58%. 表明PEG延缓种子萌发，降低种子活力，质量分数越高，抑制程度越严重.

与对照相比， PEG质量分数≤10%时，对种子的发芽指数影响不显著(P>0.05)，而PEG质量分数≥15%，显著降低种子的发芽指数(P<0.05). 15%和20% PEG处理的种子发芽指数分别为对照的87.1%和50.0%(表1). 与PEG质量分数对种子发芽指数的影响类似，当PEG质量分数≤5%时，种子的活力指数与对照相比差异不显著(P>0.05)，但当PEG质量分数≥10%，则显著降低凤仙花种子的活力指数(P<0.05).其中，10%、15%和20%PEG处理的种子活力指数分别是对照的78.1%、41.9%和8.5%(表1).

由此可见，PEG胁迫处理对凤仙花种子萌发的影响与其质量分数呈正相关，随PEG质量分数增加(≥10%)，其种子萌发受抑制程度明显增大.

表1 PEG处理对凤仙花种子萌发的影响Table 1 Effects of PEG on seed germination of I.balsamina

注:同列数据不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下表同.

2.2 干旱胁迫对凤仙花幼苗生长的影响

当PEG质量分数≤5%时(表2)，对幼苗茎的生长影响不明显(P>0.05)，而PEG质量分数≥10%，显著抑制幼苗茎的生长(P<0.05). 10%、15%及20%PEG处理的幼苗茎长分别是对照的83.87%、48.39%和16.13%. PEG质量分数≥15%，幼苗主根生长也受到的明显抑制(P<0.05). 15%和20%PEG处理的幼苗主根长分别是对照的64.52%和16.13%.PEG质量分数≥5%时，显著抑制幼苗侧根形成(P<0.05).5%、10%和15% PEG处理的幼苗侧根数均为对照的83%，20%PEG处理幼苗的侧根数只有对照的67%.

质量分数5%以上PEG处理的凤仙花幼苗鲜质量显著低于对照(P<0.05)，且随着PEG质量分数增大，幼苗鲜质量呈降低趋势(表2). 其中，5%、10%、15%及20%PEG处理的幼苗鲜质量分别是对照的87.0%、72.5%、43.5%和21.0%.

随着PEG质量分数的增加，对凤仙花幼苗生长抑制程度加重.

表2 干旱胁迫对凤仙花幼苗生长的影响

2.3 干旱胁迫对凤仙花幼苗MDA含量及SOD和POD活性的影响

植物在逆境条件下，往往会发生膜脂过氧化作用，产生并累积MDA. 因而MDA含量常用来反映细胞膜系统受伤害程度，其含量越高说明细胞膜受伤害程度越高，反之亦然.与对照相比(表3)， PEG质量分数≤10%处理对幼苗MDA含量的影响不显著(P>0.05)，但当PEG质量分数≥15%时，则显著提高幼苗的MDA含量(P<0.05)，其中15%和20%PEG处理的幼苗MDA含量分别较对照增加了26.9%和59.14%.即随PEG渗透胁迫质量分数的增加，幼苗的细胞膜受伤害程度也增加.

当PEG质量分数低于10%时，幼苗SOD活性和POD活性随着PEG质量分数的升高而升高(表3)；但当PEG质量分数高于10%时，幼苗SOD活性和POD活性均随着PEG质量分数的升高而下降.其中，2%、15%PEG处理的幼苗SOD活性与对照差异不显著(P>0.05)；5%PEG和10%PEG处理的幼苗SOD活性显著高于对照，分别比对照提高19.5%和44.9%；而20%PEG处理的幼苗SOD活性显著低于对照，比对照降低了25.3%.与PEG质量分数对幼苗SOD活性的影响类似，2%和15% PEG处理的幼苗POD活性与对照相比，差异不显著(P>0.05)，而5%和10%PEG处理的幼苗POD活性显著高于对照(P<0.05)，分别比对照提高29.1%和52.0%，但20%PEG处理的幼苗POD活性却显著低于对照(P<0.05)，仅为对照的76.9%.这说明凤仙花在受到5%～10%PEG胁迫诱导下其细胞抗氧化保护酶活性升高；但随着PEG胁迫强度的增加，其抗氧化保护酶活性却下降.

表3 干旱胁迫对凤仙花MDA含量及SOD和POD活性的影响

3 讨论

植物种子的萌发指标直接反映种子耐逆境能力[12]. 本研究结果表明，低质量分数PEG对凤仙花种子萌发影响不明显，但随PEG质量分数增加，凤仙花种子萌发受抑制程度加重，这与吴汉花等[13]、杨柳等[14]及刘佳等[15]分别在不结球白菜(Brassicacampestrisssp.chinensis(L.) Makino)、黄麻(CorchorouscapsularisL.)和紫云英(AstragalussinicusL.)中的研究结果相似.孙景宽等[16]研究发现低质量分数PEG对柠条(CaraganakorshinkiiKom.)和杠柳(PeriplocasepiumBunge)的种子萌发有较好的引发作用，而对沙枣(ElaeaghusangustifoliaL.)和白蜡(FraxinuschinensisRoxb.)引发作用不明显. 这表明，PEG处理的干旱胁迫对种子活力和萌发效应的影响可因种子类型和处理浓度而异.

根系是植物吸收水分的主要器官，最先感受水分胁迫效应.其根长、根质量及侧根的数量与植物的抗旱性能相关. Gullo等[17]认为，在水分胁迫下，禾谷类植物可通过各级侧根的加速分生和分枝进行补偿生长，增加根表面积和体积，提高吸收能力.低浓度的PEG处理促进商洛黄芩根生长，而高浓度抑制根的生长[18].而在本研究中，发现PEG质量分数≥15%，主根生长和侧根形成的抑制程度明显.与凤仙花对低浓度PEG干旱胁迫敏感性不同有关，有待进一步研究.

植物在代谢过程中会产生超氧化物自由基等活性氧，正常生理条件下，这些活性氧自由基的产生和消除存在一个平衡，对植物不存在任何伤害.而在逆境和胁迫条件下植物会产生大量的活性氧，若不能及时消除，则会引起细胞膜脂过氧化而受到伤害. MDA是细胞膜脂过氧化后的产物之一，其含量常作为植物细胞遭受逆境伤害的程度及膜脂过氧化程度的衡量指标. SOD和POD是2种重要的细胞膜保护酶，通过清除细胞膜上的自由基，防止细胞膜脂过氧化作用，保护细胞膜的完整性.细胞保护酶SOD和POD的表达量多少与活性高低都直接决定植物的抗逆性能的强弱[19].在本研究中，PEG质量分数在2%～10%时，随着PEG质量分数增加，凤仙花幼苗的SOD和POD活性增加，而当PEG质量分数大于10%时，凤仙花幼苗SOD和POD活性则随PEG质量分数增加而下降，说明在低质量分数PEG的诱导下，凤仙花通过提高抗氧化保护酶SOD和POD活性而增强其抗氧化能力,保护细胞膜脂过氧化，使得MDA的累积量在PEG质量分数低于10%胁迫下与对照之间差异不明显；而在高质量分数PEG的胁迫下，其抗氧化保护酶SOD和POD活性降低，清除活性氧的能力下降，干旱胁迫导致凤仙花幼苗细胞膜破坏，MDA的累积量显著增加.这与左利萍等[20]在柠条(Caraganakorshinskii)中的研究结果相似.

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