赤霉素浸种对PEG模拟干旱条件下多年生黑麦草种子萌发的影响

单旭东，张 睿，麦吾丽代·卡哈尔，古丽娜尔·努尔达吾列提，许立新

（北京林业大学草坪研究所，北京 100083）

干旱胁迫是影响植物生长的主要环境胁迫因子之一，影响植物体内的正常代谢，抑制植物的生长发育[1]。特别是在植物对环境因子较为敏感的幼苗期，干旱胁迫会导致产量和品质下降[2]。因此，在草坪建植或牧草种植过程中需要大量灌水，以保障苗期长势优良。而现代工业和住宅用水量不断增加，许多地区的水供应有限，如何在保证草产量和品质的同时减少灌溉用水量成为现代草业亟待解决的问题之一[3-4]。作为提高植物抗旱性的一种途径，外源植物激素已被广泛地研究和应用。其中，有关赤霉素在提高植物抗旱性的研究已有诸多报道。

赤霉素(gibberellin, GA)属于生物体内的一类四环二萜类化合物，具有打破种子休眠，促进种子发芽和茎秆伸长等作用[5]。陈志飞等[6]研究发现，赤霉素可促进干旱胁迫下高羊茅种子的萌发和幼苗的生长。杨阳等[7]研究指出，外源赤霉素对干旱胁迫下沙冬青种子的萌发和幼苗生长具有缓解效应。郭郁频等[8]研究发现，经过CaCl2、GA3复合液处理苜蓿幼苗，可以提高其抗旱性。路苹等[9]研究发现，外源赤霉素可提高在干旱条件下种子内色氨酸、游离脯氨酸和丝氨酸的含量，有效缓解缺水对萌发的影响。

多年生黑麦草(Lolium perenne)由于其生长分蘖快，外形美观，耐牧性强和绿色期长等优点，一直以来是我国乃至世界各地草坪建植和饲草栽培中最受欢迎的草种之一[10]。然而与其他禾草相比，多年生黑麦草耐旱能力相对较弱，这使其进一步的广泛应用受到限制[11]。为此，使用不同浓度PEG-6000溶液模拟干旱条件，研究赤霉素浸种对不同程度干旱胁迫下多年生黑麦草种子萌发及幼苗生长的影响，以期了解缓解干旱胁迫、促进多年生黑麦草种子萌发和生长的最适赤霉素浓度，为合理使用植物激素提高植物种子抗旱性的研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验使用多年生黑麦草种子，品种为“麦迪”，种子购买于北京正道生态科技有限公司，在4 ℃下避光保存。发芽试验于2019年12月进行。

1.2 试验方法

试验使用4种浓度(0、100、200、300 mg·L-1)赤霉素浸种处理，4种浓度(0、5%、10%、15%)PEG胁迫处理，PEG浓度对应水势[12]为0、-0.1、-0.2和-0.4 MPa，试验采用完全随机试验设计，共16组处理，每组处理5个重复。选择健康、饱满的种子作为试验材料。将种子用1%的次氯酸钠溶液浸种10 min进行消毒，消毒后用蒸馏水漂洗3次，然后分别用100 mL的蒸馏水，100、200、300 mg·L-1的赤霉素在室温黑暗条件下浸种24 h。浸种结束后在室温室光下回干12 h。将发芽纸固定在两层锡箔纸中，分别用蒸馏水，5%、10%、15%的PEG-6000溶液润湿发芽纸，将种子均匀地摆放在发芽纸上，每个重复组摆放50粒种子，将摆好种子的发芽纸置入水培盒中，盒中分别注入2 500 mL的蒸馏水，5%、10%和15% PEG-6000溶液。放入光照培养箱(光照14 h，温度25 ℃；黑暗10 h，温度20 ℃)中进行发芽试验[13]。每天将水培盒称重并补充散失的水分，用注射器吸取PEG溶液润湿发芽纸，每日两次。

1.3 试验测定指标

种子萌动后，生长出胚根和胚芽，胚芽生长至种子长度的二分之一时即认为其发芽。试验第5天测定发芽势。第14天测定发芽数，计算发芽率(%)，并从各重复组中随机选取15株幼苗，测定根长(cm)和芽长(cm)、根重(g)和芽重(g)、芽抑制率(%)、根抑制率(%)、根冠比(%)。其中芽抑制率、根抑制率计算方法参照陈志飞等[6]的方法。

式中：n14和n5代表第14天和第5天的种子发芽数，M代表供试种子总数。

1.4 数据统计与分析

试验使用Excel 2016进行数据处理和制图，使用SPSS 20.0软件进行显著性分析，显著性水平为P＜0.05。

2 结果与分析

2.1 赤霉素对不同浓度PEG胁迫下多年生黑麦草萌发的影响

随着PEG浓度的提高，种子萌发受到的抑制作用加强，种子发芽率呈现出减小趋势(图1)，在0、5%、10%PEG胁迫条件下，不同浓度GA浸种处理间发芽率无显著性差异(P＜0.05)，而在15%PEG处理下，200和300 mg·L-1GA处理发芽率显著大于 0 和 100 mg·L-1GA 处理 (P＜0.05)，相比对照组发芽率分别提高了15.0%和16.2%。

图1 赤霉素对PEG模拟干旱条件下多年生黑麦草发芽率的影响Figure 1 Effect of gibberellin on germination rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在 0 PEG胁迫下，100、200和 300 mg·L-1GA浸种处理的发芽势分别为77.6%、79.6%和78.4%(图2)，均显著高于 0 GA 处理 (69.2%)(P＜0.05)，分别提高了10.8%、15.0%和13.3%，但3种浓度GA处理之间差异不显著。在5%、10%和15%PEG胁迫下，发芽势呈现同样的趋势，从大到小的GA处理依次是 100 mg·L-1＞200 mg·L-1＞300 mg·L-1＞0。加入5%、10% PEG时，100和 200 mg·L-1GA处理之间发芽势没有显著性差异，但都显著高于300 mg·L-1和 0 GA 处理 (P＜0.05)，300 mg·L-1和 0 GA处理间发芽势未达到显著水平。在15%PEG胁迫下，100和200 mg·L-1GA处理发芽势显著(P＜0.05)高于其他组处理，且300 mg·L-1GA处理发芽势显著高于 0 GA(P＜0.05)。

图2 赤霉素对PEG模拟干旱条件下多年生黑麦草发芽势的影响Figure 2 Effect of gibberellin on germination potential of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

2.2 赤霉素对不同PEG胁迫下多年生黑麦草幼苗生长的影响

随着胁迫强度的增大，黑麦草种子的芽长总体呈现变小趋势(图3)，在0 PEG胁迫下，芽长从大到小的处理依次是300 mg·L-1(12.44 cm)、200 mg·L-1(12.25 cm)、100 mg·L-1(10.70 cm)、0 GA(9.66 cm)，3种GA处理芽长均显著(P＜0.05)大于0 GA处理(9.66 cm)。在5%PEG胁迫下，100 mg·L-1和300 mg·L-1处理芽长差异不显著，这两个处理芽长显著(P＜0.05)大于0和 200 mg·L-1GA处理。而在10%PEG胁迫中300 mg·L-1浸种处理芽长显著(P＜0.05)大于 0 GA处理，在15%PEG中，300 mg·L-1处理芽长显著 (P＜0.05)高于 0 和 100 mg·L-1GA处理，与200 mg·L-1差异不显著。

图3 赤霉素对PEG模拟干旱条件下多年生黑麦草种子芽长的影响Figure 3 Effect of gibberellin on seed bud growth of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

同浓度GA处理下，5%、10%、15%PEG胁迫下的多年生黑麦草幼苗的根长大于0 PEG胁迫下的根长(图4)，这是因为在干旱条件下植物本身具有抗旱机制，通过增加根长获取更多的水分来应对干旱环境。0 PEG和5% PEG中，300 mg·L-1处理根长最大，分别是2.29和3.08 cm。在0 PEG胁迫下，根长由大到小的处理依次是300 mg·L-1(2.28 cm)、200 mg·L-1(1.99 cm)、0 GA(1.89 cm)、100 mg·L-1(1.74 cm)，300 mg·L-1处理根长显著高于 0、100和 200 mg·L-1处理 (P＜0.05)。在 5%PEG 胁迫下，各处理根长从大到小依次是300 mg·L-1(3.08 cm)、100 mg·L-1(2.61 cm)、200 mg·L-1(2.55 cm)、0 GA(2.42 cm)，300 mg·L-1显著高于0和200 mg·L-1GA 处理 (P＜0.05)，而与 100 mg·L-1之间差异不显著。在10%PEG和15%PEG处理中，均是0 GA处理根长最大，分别是3.14和2.23 cm。在10%PEG中0 GA与200 mg·L-1GA处理差异未达到显著水平，而0 GA处理根长水平显著高于300和100 mg·L-1处理 (P＜0.05)。在 15%PEG 中 0、300 mg·L-1GA处理根长显著高于100 mg·L-1GA处理(P＜0.05)。

图4 赤霉素对PEG模拟干旱条件下多年生黑麦草种子根长的影响Figure 4 Effect of gibberellin on root length of perennial ryegrass seeds under PEG-simulated drought conditions

2.3 赤霉素浸种对干旱胁迫下黑麦草幼苗抑制率的影响

在PEG胁迫下，100、200和300 mg·L-1GA处理的芽抑制率均是负值(图5)，说明赤霉素处理可促进干旱条件下幼苗芽的生长，且300 mg·L-1GA处理抑制率最小，说明300 mg·L-1处理缓解PEG对芽的抑制作用较强。

图5 赤霉素对PEG模拟干旱条件下多年生黑麦草芽抑制率的影响Figure 5 Effect of gibberellin on inhibition rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在5%、10%、15%PEG时根的抑制率均是负值(图6)，在0、5%和15%PEG相比对照之下，均表现出300 mg·L-1GA处理可降低根抑制率，而在10%PEG胁迫下，100 mg·L-1GA处理的根抑制率高于200 mg·L-1GA处理。

2.4 赤霉素浸种对干旱胁迫下黑麦草幼苗根冠比的影响

图6 赤霉素对PEG模拟干旱条件下多年生黑麦草根抑制率的影响Figure 6 Effect of gibberellin on root inhibition rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在分析种苗芽长和根长过程中，发现200、300 mg·L-1GA处理对芽长和根长均有显著影响，因此通过分析根冠比可进一步确定缓解干旱胁迫的最适GA浓度。如图7所示，随着PEG胁迫强度的增加，黑麦草幼苗的根冠比总体呈现变大趋势，且处理间存在着不同程度的差异。在0 PEG中，200和300 mg·L-1GA处理根冠比显著高于0和100 mg·L-1(P＜0.05)。在5%PEG中，根冠比从大到小的处理依次是 200 mg·L-1、300 mg·L-1、0 GA、100 mg·L-1，其中200 mg·L-1GA处理显著高于其他处理(P＜0.05)，300 mg·L-1显 著高于 0 和 100 mg·L-1GA 处理 (P＜0.05)，0 和 100 mg·L-1之间无显著性差异。10%PEG胁迫下，300 mg·L-1GA处理根冠比显著高于其他组处理(P＜0.05)。在15%PEG胁迫下，200和 300 mg·L-1处理根冠比显著 (P＜0.05)高于0和100 mg·L-1GA处理。

图7 赤霉素对PEG模拟干旱条件下多年生黑麦草根冠比的影响Figure 7 Effect of gibberellin on root-shoot ratio of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

3 讨论

植物种子内激素的存在状况和相对含量对种子的萌发和生长具有重要影响[14]，外源激素在促进种子萌发方面已经被广泛应用和研究[15-17]。赤霉素在此方面的研究已有诸多报道，赤霉素促进种子萌发的效应是多方面的，不同的植物种子对外源赤霉素刺激的反馈也存在较大的差异[15,17-19]。

PEG已经广泛用于植物抗旱研究领域[6]，利用PEG-6000可以改变植物外界的渗透压，从而模拟干旱环境，不同物种、不同品种的种子对PEG胁迫的响应也不尽相同[20-22]。

3.1 赤霉素对不同PEG胁迫下多年生黑麦草萌发的影响

赤霉素能够抑制分解生长素的酶的活性，因此可促进植物生长[23]。赤霉素可促进蛋白酶等水解酶、α-淀粉酶的合成，对萌发种子内营养物质的分解、合成和转化均有重要作用[23-24]。本研究在5%、10%PEG胁迫下各浓度赤霉素处理的发芽率并无明显提高或降低，但当15%PEG胁迫时，300和200 mg·L-1赤霉素浸种处理的发芽率高于0和100 mg·L-1。这说明只有当干旱达到一定程度时，且赤霉素处理达到一定浓度时，赤霉素才能明显发挥出对多年生黑麦草种子发芽率的促进作用。相关研究[25]发现，适宜的赤霉素浸种能显著提高干旱条件下沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)的发芽率，当处理浓度过小或过大时，赤霉素的缓解作用不明显甚至可能起到反作用，本研究结果与上述研究结果具有一致性。通过分析发芽势结果得知，100、200 mg·L-1赤霉素浸种均能有效提高干旱环境下的发芽势，即100、200 mg·L-1对干旱环境下黑麦草发芽势具有有效的缓解作用，此结果与上述研究中的结果具有一致性。

3.2 赤霉素对不同PEG胁迫下多年生黑麦草种子幼苗生长的影响

赤霉素能够通过促进细胞伸长和细胞分裂从而促进植株节间伸长[26]。本研究结果表明，在PEG胁迫下，200、300 mg·L-1处理对芽抑制均起显著缓解作用。陈志飞等[6]研究认为，通过分析芽抑制率、根抑制率可以进一步了解赤霉素对干旱抑制的缓解作用，抑制率越小则说明缓解作用越强。通过分析芽抑制率发现，在300 mg·L-1浸种处理的芽抑制率均低于其他处理组，这说明300 mg·L-1赤霉素浸种对多年生黑麦草的芽抑制具有明显的缓冲作用。李光菊等[27]研究发现，赤霉素浸种能提高干旱胁迫下巴马火麻(Cannabis sativa)种子的胚芽长。陈志飞等[6]研究发现，200和300 mg·L-1赤霉素浸种处理可以明显缓解干旱胁迫对高羊茅的芽抑制作用。

通过分析赤霉素处理对干旱条件下黑麦草种子根长和根抑制率的影响发现，在0、5%PEG胁迫时，100和200 mg·L-1赤霉素处理根长与对照组差异不显著，这说明在轻度干旱胁迫下，赤霉素对种子根长没有明显的影响。在10%、15%PEG下，赤霉素100、200 mg·L-1处理均出现了不同程度地抑制根伸长的情况。

3.3 赤霉素浸种对干旱胁迫下黑麦草幼苗根冠比的影响

随着PEG浓度的升高，多年生黑麦草根冠比呈现增大的趋势，相关研究发现，在一定程度的干旱胁迫下，小麦(Triticum aestivum)的根冠比随着干旱程度的提高呈现先增大后减小的趋势[28-29]，本研究中根冠比未出现先增大后减小的趋势，这可能是PEG胁迫强度不够，如能将PEG处理浓度提升至15%以上，可进一步与上述研究进行分析和讨论。本研究中在相同浓度PEG胁迫下，300 mg·L-1赤霉素处理可以缓解干旱对根长的抑制作用，且300、200 mg·L-1赤霉素处理组根冠比均高于0、100 mg·L-1GA，而 100 mg·L-1和 0 赤霉素处理间根冠比差异不显著。张爱良等[30]研究指出，小麦、水稻(Oryza sativa)等作物能在干旱胁迫下产生更多二级、三级侧根以适应干旱环境。300、200 mg·L-1赤霉素处理提高了干旱条件下多年生黑麦草的根冠比，可能是一方面PEG胁迫能促进多年生黑麦草二、三级侧根的生长，另一方面200、300 mg·L-1赤霉素处理能够有效缓解干旱对主根和侧根生长的抑制作用，从而增加多年生黑麦草地下生物量，来促进植物适应干旱环境。由于本研究没有对多年生黑麦草二、三级侧根进行测定，因此，赤霉素对干旱条件下多年生黑麦草的二、三级侧根的具体影响有待研究和讨论。

4 结论

干旱胁迫降低了多年生黑麦草的发芽率和发芽势。200和300 mg·L-1赤霉素浸种处理能显著提高15%PEG胁迫下多年生黑麦草种子的发芽率。200和300 mg·L-1浸种处理能降低芽抑制率，且能提高多年生黑麦草的根冠比。因此，本研究中缓解干旱对多年生黑麦草萌发的抑制作用，促进其幼苗生长的最适赤霉素处理浓度为200～300 mg·L-1。