PEG-6000和盐碱胁迫对甜高粱种子萌发影响研究

(北方民族大学生物科学与工程学院国家民委生态系统模型及应用重点实验室，宁夏 银川 750021)

土壤干旱和盐渍化是现代农业发展的重要限制因子，严重威胁着生态系统健康和农业的可持续发展[1-2]。我国的干旱和半干旱土地面积占到全国总土地面积的52.5%，其中盐渍化土壤面积达到0.346亿hm2[3]。由于干旱和半干旱地区具有降雨量偏少、土壤盐分含量高等特点，同时人类对环境破坏加剧以及不合理的耕作方式，导致土壤次生盐渍化程度不断加深，使在这些地区生长的植物会受到不同程度的干旱胁迫和盐碱胁迫[4-5]。干旱和盐碱胁迫均能造成渗透效应，影响植物从环境中吸收水分，从而抑制植物生长发育，种子萌发阶段作为植物生长周期中最重要的阶段之一，也是自身最脆弱、对外界环境最敏感的时期，极易受到环境因子的影响[6-7]。因此，研究植物种子萌发对环境因子的响应，特别是干旱和盐碱胁迫对种子萌发的影响，对我国干旱和半干旱地区植物种群的建立和更新具有重要意义。

甜高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)属禾本科高粱属一年生草本C 4植物[8]。具有适应性广、生长速度快、生物产量高等特点，可广泛作为饲料、能源和糖料作物，现已成为盐碱地地区最具有种植潜力的作物之一[9]。PEG-6000是一种大分子渗透调节剂，改变其浓度可以有效地控制水分进入种子的速率，是模拟土壤干旱理想的水势调节物质，现已广泛应用于植物种子萌发期模拟干旱胁迫研究。鉴于此，本研究以不同浓度PEG-6000溶液模拟干旱胁迫条件，以不同浓度NaCl和NaHCO3溶液模拟盐碱胁迫条件，选用辽甜1号甜高粱为研究对象，比较研究模拟干旱和盐碱胁迫条件下甜高粱种子的萌发特性和早期幼苗生长状况，以期为在干旱和盐碱地区提高甜高粱种子萌发和幼苗生长提供理论依据和技术指导，促进我国干旱半干旱地区甜高粱的产业化发展。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试的种子为甜高粱杂交品种辽甜1号，由辽宁省农科院创新中心提供。

1.2 试验方法

取饱满、色泽和大小基本一致的甜高粱种子适量，将种子用10%的次氯酸钠溶液浸泡20 min后用无菌水冲洗7～8次，直至干净无味，用滤纸吸干种子表面水分。将PEG-6000用蒸馏水配置成0(ck)，50，100，150，200 g·L-1的溶液，将甜高粱种子30粒整齐置于直径120 mm的垫有2层滤纸的培养皿中，每个处理加入10 mL不同浓度的PEG-6000溶液，均设置4个重复。试验期间每天更换培养基质，以保证培养环境的恒定。将NaCl和NaHCO3分别配置成0(ck)，50，100，150，200 mmol·L-1的溶液，种子处理方法与干旱胁迫处理一致。在室内智能人工气候箱(BIC-800)中进行甜高粱种子萌发实验，光照/黑暗时间为12 h/12 h，温度设置为25 ℃。

1.3 萌发测定指标及生长测定指标

试验过程中，每隔24 h观察记录种子萌发情况，以胚根伸出种皮2 mm为萌发标准，记录种子萌发个数，统计萌发率。7 d后结束萌发，从各个重复中随机选出10株幼苗，用直尺测量胚芽、胚根长度，用电子分析天平测量胚芽、胚根干重、种子残留干重。测干重前先105 ℃烘2 h杀青，后80 ℃烘24 h至恒重，不足10株的全部测定。按以下公式进行各指标的计算[10-12]：

发芽率(%)=(萌发种子数/供试种子总数)×100%；

发芽势(%)=(第4天发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑Gt/Dt，式中Gt为t天内发芽的种子数，Dt为相应的萌发天数；

发芽速度=∑G/t，式中G为每天的发芽率，t为发芽总时间；

活力指数=GI×S，GI为发芽指数，S为胚根平均长度；

相对伤害率=(对照发芽率-处理发芽率)/对照发芽率；

根冠比=根长/芽长；

干物质转移量=发芽前种子干重-发芽后种子残留干重；

干物质转移率(%)=(干物质转移量/发芽前种子干重)×100%；

干物质转化效率(%)=(芽干重/干物质转移量)×100%；

比根重=根长/根干重。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2003软件和GraphPad Prism 5.0软件进行数据处理和统计分析，图中参数的数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 对甜高粱种子萌发的影响

2.1.1对甜高粱种子发芽率的影响

图1 显示，随着浓度的增加，PEG-6000、NaCl和NaHCO3处理均对甜高粱种子萌发呈现显著的抑制作用，其中NaHCO3处理对甜高粱种子萌发最敏感，PEG-6000处理次之，NaCl处理最不敏感。

图2 干旱和盐碱胁迫对甜高粱种子累积发芽率的影响

注：图中不同字母表示处理间差异达显著水平(p<0.05)。下同。图1 干旱和盐碱胁迫对甜高粱种子发芽率的影响

干旱和盐碱胁迫对甜高粱种子发芽率影响如图2，随着PEG-6000浓度的增加，溶液水势下降，干旱胁迫的程度增加，导致发芽率逐步下降，经方差分析表明，不同浓度PEG-6000胁迫对甜高粱种子发芽率有显著的影响，当PEG-6000浓度为50 g/L时，发芽率比ck处理(发芽率为98.3%)略有降低，当PEG-6000浓度高于100 g/L时，发芽率显著低于ck处理(p<0.05)(图2 a)。与PEG-6000胁迫有所不同，随着NaCl处理浓度的加大，甜高粱种子发芽前期受到明显抑制，第5天后逐渐适应胁迫，种子发芽率趋于一致。50 mmol·L-1的NaCl处理提高了种子发芽率，但无显著性差异，100 mmol·L-1和150 mmol·L-1NaCl处理对甜高粱种子发芽率比ck处理略有降低，但差异不显著，200 mmol·L-1NaCl处理达到显著水平(图2 b)。NaHCO3处理时，其胁迫程度明显重于PEG-6000和NaCl处理，当NaHCO3处理高于100 mmol·L-1时，甜高粱种子发芽率随着NaHCO3溶液浓度的增加呈现显著快速下降趋势(图2 c)。

2.1.2对甜高粱种子其他萌发指标的影响

由表1可知，甜高粱种子的发芽势、发芽指数、发芽速度、活力指数以ck处理为最高；对发芽势的影响而言，随着PEG-6000和NaHCO3浓度的增加逐渐降低，50 mmol·L-1NaCl处理高于ck处理，但差异不显著；对发芽指数、发芽速度、活力指数的影响来说，随着PEG-6000、NaCl和NaHCO3浓度的增加，这些萌发指标逐渐降低，并且差异显著(p<0.05)。

2.2 对甜高粱种子干物质转移的影响

2.2.1对甜高粱种子残留干重的影响

由表2可知，随着PEG-6000、NaCl和NaHCO3浓度的增加，种子残留干重逐渐增大，不同浓度PEG-6000处理分别较ck处理增加48.03%、94.35%、143.39%，169.83%，不同浓度NaCl处理分别较ck处理增加23.81%，64.58%，95.16%，138.65%，不同浓度NaHCO3处理分别较ck处理增加62.16%、134.40%、153.08%、160.44%。

2.2.2对甜高粱种子干物质转移量、转移率的影响

如表2所示，不同浓度PEG-6000处理的种子干物质转移量分别是ck处理的75.6%、52.2%、27.3%、13.0%，不同浓度NaCl处理分别是ck处理的87.9%、64.4%、51.7%、26.8%，不同浓度NaHCO3处理分别是ck处理的68.4%、31.8%、22.3%、18.5%，随着胁迫程度的增加，干物质转移率也逐渐降低。

2.2.3对甜高粱种子干物质转化效率的影响

不同浓度PEG-6000处理干物质转化效率分别是ck处理的87.53%、61.36%、45.98%、29.54 %，不同浓度NaCl处理分别是ck处理的94.78%、71.21%、62.34%、39.28%，不同浓度NaHCO3处理分别是ck处理的54.10%、27.25%、19.82%、10.13%(见表2)。

2.3 对甜高粱早期幼苗生长的影响

2.3.1对甜高粱早期幼苗根冠比的影响

表3所示， PEG-6000和NaCl处理对芽长的影响大于根长，NaHCO3处理对根长的影响大于芽长。随着PEG-6000和NaCl浓度的增加，甜高粱早期幼苗根冠比逐渐增大，不同浓度处理的根冠比较ck处理均差异显著(p<0.05)；50 mmol·L-1的NaHCO3处理根冠比显著高于ck处理(p<0.05)，当NaHCO3浓度高于100 mmol·L-1时，幼苗根冠比变得很小。

表1 PEG-6000和盐碱胁迫对甜高粱种子萌发指标的影响

处理浓度发芽势发芽指数发芽速度活力指数相对伤害率098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05095.00±3.33ab60.35±1.53b201.15±5.12b636.72±16.19b0.03PEG-6000/(g·L-1)10089.17±3.19b52.41±1.60c174.69±5.33c386.23±11.78c0.0915082.50±1.67c41.90±1.47d139.66±4.90d163.40±5.73d0.1520075.83±3.19d32.60±1.55e108.66±5.18e85.25±4.06e0.22098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05099.17±1.67a72.70±0.75a242.33±2.50a831.16±8.58b-0.01NaCl/(mmol·L-1)10095.00±5.77ab61.44±4.11b204.79±13.70b530.98±35.51c0.0415086.67±7.20ab47.77±3.81c159.23±12.70c340.62±27.16d0.0820080.00±14.14b41.04±7.07c136.79±23.58c196.97±33.96e0.1098.33±3.33a74.49±3.26a248.30±10.85a1085.68±47.45a05090.83±4.19ab62.39±3.32b207.96±11.06b283.08±15.06b0.08NaHCO3/(mmol·L-1)10080.00±8.61bc39.46±3.14c131.52±10.46c12.66±1.01c0.1815071.67±5.77c30.14±4.46d100.46±14.88d1.88±0.28c0.2720065.00±15.52c24.73±5.57d82.44±18.57d0.93±0.21c0.34

表2 PEG-6000和盐碱胁迫对甜高粱种子干物质转移的影响

处理浓度种子残留干重干物质转移量干物质转移率干物质转化效率09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5014.67±2.20b14.76±2.20b50.16±7.47b47.10±7.39bPEG-6000/(g·L-1)10019.26±2.51c10.18±2.51c34.57±8.54c33.02±3.95c15024.12±2.88d5.31±2.88d18.04±9.78d24.74±3.03d20026.74±3.01e2.53±2.86e8.59±9.72e15.89±3.97e09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5012.27±2.07b17.16±2.07b58.31±7.02b51.00±6.57bNaCl/(mmol·L-1)10016.31±2.03c12.57±2.40c42.73±8.16c38.32±5.82c15019.34±2.58d10.09±2.58d34.27±8.77d33.54±4.04d20023.65±2.42e5.24±2.76e17.82±9.38e21.14±4.62e09.91±2.51a19.52±2.51a66.32±8.53a53.81±6.57a5016.07±2.68b13.36±2.68b45.39±9.09b29.10±5.33bNaHCO3/(mmol·L-1)10023.23±4.06c6.20±4.06c21.06±13.80c14.66±4.30c15025.08±4.31cd4.35±4.31cd14.77±14.64cd10.66±4.24d20025.81±2.76d3.62±2.76d12.31±9.37d5.45±1.62e

2.3.2对甜高粱早期幼苗比根重的影响

由表3可知，50 g·L-1PEG-6000和50 mmol·L-1的NaCl处理的芽干重显著低于ck处理(p<0.05)，但其根干重却显著高于ck处理(p<0.05)；不同浓度NaHCO3处理的芽干重和根干重均显著低于ck处理(p<0.05)(见表3)。PEG-6000处理对芽干重的影响大于根干重，NaCl处理对芽干重的影响大于根干重，NaHCO3处理对根干重的影响大于芽干重。随着PEG-6000、NaCl和NaHCO3浓度的增加，幼苗比根重逐渐减小，不同浓度处理的比根重较ck处理均差异显著(p<0.05)；当NaHCO3盐溶液浓度超过150 mmol·L-1时比根重接近于零。

3 讨论与结论

植物在不同的生长发育时期抗逆能力不同，种子萌发期是植物生长史的关键阶段之一，也是对外界环境十分敏感的时期[13]。发芽率、发芽势、发芽指数、发芽速度、活力指数是种子活力的常用评价指标，可以反映出种子的萌发能力[14]。在本研究中，与对照相比，低浓度的NaCl胁迫(50 mmol·L-1)对甜高粱发芽率、发芽势影响不显著，其余浓度的PEG-6000和NaHCO3胁迫均显著抑制甜高粱种子的萌发指标，其中NaHCO3胁迫抑制程度明显高于PEG-6000胁迫。

在植物种苗转化中所需的物质和能量是由种子中贮藏的有机物质提供，因此在种子萌发过程中干物质转移量和干物质转化效率能体现出植物种苗转化状况[10]。在本研究中，PEG-6000、NaCl和NaHCO3胁迫均显著影响甜高粱种子的干物质转移量，三者相比，NaCl胁迫影响最小，PEG-6000胁迫除200 g·L-1外，其余均低于NaHCO3处理，说明重度PEG-6000胁迫严重破坏种子萌发时的吸胀吸水，严重影响甜高粱种子干物质的转移，这与施成晓[10]等在小麦上的研究结果一致。

表3 PEG-6000和盐碱胁迫对甜高粱早期幼苗生长的影响

处理浓度芽长根长根冠比芽干重根干重比根重012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24d10.44±0.65a5.12±0.64b0.22±0.02a507.71±1.01b10.54±2.68b1.32±0.09c8.37±1.48b5.66±0.84a0.20±0.03bPEG-6000/(g·L-1)1003.99±0.50c7.37±1.48c1.71±0.18b5.73±0.66c3.99±0.79c0.14±0.03c1502.34±0.28d3.90±0.86d2.03±0.18a4.11±0.74d3.16±0.56d0.10±0.02d2001.72±0.19e2.62±0.62e2.09±0.15a2.49±0.67e2.46±0.78e0.07±0.02e012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24f10.44±0.65a5.12±0.64b0.22±0.02a509.31±0.47b11.47±1.77b1.21±0.21f8.89±0.78b5.71±0.77a0.20±0.01bNaCl/(mmol·L-1)1006.11±0.47c8.52±1.08c1.46±0.29e7.10±0.49c4.08±0.51c0.14±0.01c1504.07±0.49d7.16±0.81d1.78±0.43d6.24±0.48d3.41±0.64d0.12±0.01d2002.17±0.21e4.75±0.76e2.29±0.55c3.40±0.43e2.70±0.29e0.09±0.01e012.14±0.44a14.50±2.18a1.20±0.24b10.44±0.65a5.12±0.64a0.22±0.02a502.77±0.43b4.59±0.64b1.66±0.44a5.92±0.85b2.74±0.70b0.11±0.03bNaHCO3/(mmol·L-1)1001.38±0.16c0.31±0.15c0.24±0.16c3.72±0.48c1.54±0.44bc0.08±0.05c1501.11±0.12d0.19±0.11d0.06±0.10d2.66±0.36d1.07±0.40c0.00±0.00d2000.73±0.12e0.14±0.07d0.06±0.09d1.58±0.36e0.61±0.44d0.00±0.00d

植物根系作为对环境最为敏感的部位，当环境改变时，植物的根系会首先响应，比根重是指单位根长的根重，比根重越小，植物单位根系表面积越大，可以增强植物从环境中吸收水分的能力[15]。在本研究中，低浓度PEG-6000(50 g·L-1)和NaCl(50 mmol·L-1)胁迫显著提高早期幼苗胚根干重，但其长度和比根重却显著低于ck处理，这可能是轻度干旱或盐胁迫抑制甜高粱早期幼苗的根系长度，却促进根系侧生分支的生长，为的是增强其从环境中吸水的能力，这些结果与刘佳月[16]等的研究结果相似。随着PEG-6000和NaCl浓度的增加早期幼苗根冠比呈增大趋势，比根重呈减小趋势，对胚芽生长的影响高于胚根，这都是增强植物从环境中吸收水分的能力做出的改变。总之，干旱和盐碱胁迫均显著影响甜高粱种子萌发，并且随处理浓度增大而加重，其中NaCl胁迫对其影响最轻、PEG-6000次之，NaHCO3最重，说明甜高粱种子萌发对碳酸盐胁迫(离子毒害和溶液pH)更敏感。