PEG-6000模拟干旱胁迫对常夏石竹种子萌发的影响

(1.内蒙古农业大学，呼和浩特 010019；2.呼和浩特市环境监测中心站，呼和浩特 010030；3.赤峰市红山区棚户区改造管理办公室，赤峰 024000)

种子萌发是植物体生长发育整个过程的起始阶段，同时也是种子对外界环境干扰响应最敏感的时期[1]。水分是种子萌发过程中的关键影响因子，参与种子萌发的多个生理生化过程，通过足够的水分活化相关酶，分解种子内贮藏的有机物质，进而促进新陈代谢过程，催动种子萌发[2]。聚乙二醇(PEG-6000)是一种合成的高分子溶剂，被广大学者用于模拟干旱条件对种子萌发的影响研究。近年来，在种子萌发研究中，PEG-6000处理已经成为评价种子抗旱能力的重要手段与方法，在禾本科[2-3]、豆科[4]、桔梗科[5]、石竹科[6-7]等方面有报道。不同种类萌发对PEG浓度的反应不同，研究表明，15%浓度PEG处理后的蒲公英(Taraxacummongolicum)种子，其萌发能力就受到明显的抑制[8]，但此浓度对文冠果(Xanthocerassorbifolia)种子萌发却起促进作用[9]。贾蓉等对苜蓿种子的抗旱性研究发现，不同苜蓿品种在5%浓度PEG处理下的发芽率最高，20%和25%PEG则会抑制其萌发，导致发芽率降低[10]。刘佳月等对黄花苜蓿(Medicagofalcata)和紫花苜蓿(Medicagosativa)种子萌发的研究也得出一致的结论，高浓度的PEG胁迫会抑制苜蓿种子的萌发能力[11]。不同种子对干旱条件的适应和抵抗能力不同，因此对PEG模拟胁迫的响应也不同。

常夏石竹(Dianthusplumarius)为石竹科石竹属植物，为多年生耐旱植物，是外来引进品种，对水的需求较小。本实验将常夏石竹作为受试对象，采用PEG-6000模拟干旱，评价其在干旱条件下的萌发能力和抗旱能力，以期为园林绿化增添新的选择植被，进而节省绿化成本。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验材料为常夏石竹种子，来自中国移动(呼和浩特)云计算中心。常夏石竹种子千粒重为1.147 g。

1.2 种子预处理

将常夏石竹种子参照《农作物种子检验规程》(GB/T 3543.4-1995)进行处理，用蒸馏水反复冲洗3～4次后，再用2%浓度的NaClO溶液消毒8～10 min，然后放在盛有蒸馏水的烧杯中待用。

1.3 实验设计

设1个对照(蒸馏水)和5个浓度梯度的PEG溶液模拟干旱胁迫处理，分别为0%(ck)、5%、10%、15%、20%和25%。每处理4次重复，每个重复100粒种子。将不同处理的种子置25 ℃恒温培养箱中萌发。从第2天起开始统计种子的发芽数，并且每天随机选取10颗种子，用游标卡尺测量并记录其胚轴和胚根的长度。在种子发芽高峰期统计发芽势，在连续7 d内种子不再萌发时计算种子的发芽率，并标志本次种子萌发实验结束，实验总时长为23 d。实验在RTOP-800 B型培养箱中进行。

1.4 数据处理

将实验过程中观测并记录的数据用Microsoft Excel 2013软件进行初步整理，统计分析用R 3.3.2进行单因素方差分析和Duncan多重检验，作图使用Sigmaplot 12.5软件。测定指标如下：

1) 发芽率[12](%)=n/N×100%，n为连续7 d内种子不再萌发的累积发芽数，N为供试种子总数；

2) 发芽势[6](%)=(n/N)×100%，n为第3天累积发芽种子数，N为供试种子总数；

3) 发芽指数[12]=∑(Gt/Dt)，Gt为在t天内的发芽数，Dt为相应的发芽天数；

4) 日相对萌发率[8]=(Wt+1-Wt)/N，Wt+1为第t+1天的种子萌发数，Wt为第t天的种子萌发数，N为种子萌发总数。

2 结果与分析

2.1 不同浓度PEG-6000对常夏石竹种子萌发进程的影响

不同浓度的PEG-6000对常夏石竹种子的萌发进程有明显影响(图 1)。对照处理常夏石竹种子的萌发总时间为3 d，在第2天达到萌发高峰期，日相对萌发率为85%。5%浓度PEG-6000处理后的种子在第2天达到萌发高峰期，日相对萌发率为69%，总萌发时间为6 d。10%浓度PEG-6000处理后的种子在第2天和第3天均为萌发高峰期，日相对萌发率分别为38.25%和36.25%，萌发总时长为10 d。15%浓度PEG-6000处理后的种子在第3天为萌发高峰期，日相对萌发率高达56.25%，萌发总时长为20 d。与对照处理相比，不同浓度PEG-6000处理后的常夏石竹种子萌发高峰期出现的时间未发生改变，在第2天或第3天达到萌发高峰期。但显著影响了萌发总时长，与对照相比，5%、10%、15%浓度PEG-6000处理后的常夏石竹种子萌发时间分别被延长3、7、17 d，20%和25%浓度PEG-6000处理后的常夏石竹种子萌发被完全抑制，无法正常萌发。

2.2 不同浓度PEG-6000对常夏石竹种子发芽率和发芽势的影响

分析不同浓度PEG-6000模拟干旱条件下常夏石竹的种子发芽情况(图2)，发芽率和发芽势作为评价种子萌发的常规指标，可以反映种子的优劣。随着PEG-6000浓度的逐渐增加，种子的发芽率和发芽势均呈现出逐渐下降的趋势。种子发芽率在对照和5%～15%浓度的PEG处理下无显著差异(p>0.05)。与对照相比，5%和10%浓度的PEG-6000处理下的种子发芽势差异不显著(p>0.05)，但15%浓度PEG-6000处理后的种子发芽势显著低于对照(p<0.05)。

图1 不同浓度PEG-6000下的日相对萌发率

注：不同字母代表不同浓度PEG处理之间同一指标差异性显著(p<0.05)。下同。图2 不同浓度PEG-6000下的发芽率和发芽势

2.3 不同浓度PEG-6000对常夏石竹种子发芽指数的影响

发芽指数是种子萌发的综合评价指标。随着PEG-6000浓度的不断增加，种子发芽指数和萌发指数呈逐渐减小的趋势(图3)。与对照相比，不同PEG-6000浓度处理下的种子发芽指数均显著降低(p<0.05)，10%与15%浓度PEG-6000处理下种子发芽指数差异显著。

图3 不同浓度PEG-6000下的发芽指数

2.4 不同浓度PEG-6000对常夏石竹幼苗的影响

不同浓度PEG-6000对常夏石竹胚轴和胚根均有显著的抑制作用，PEG-6000浓度越高，抑制作用也表现得越强(图4)。随着PEG-6000浓度的增加，常夏石竹胚轴呈逐渐变短的趋势。与对照相比，PEG-6000浓度处理下的胚轴均显著变短(p<0.05)，5%和10%浓度PEG-6000处理下的差异不显著(p>0.05)。与胚轴的变化趋势相似，常夏石竹胚根随着PEG-6000浓度的增加而逐渐变短。与对照相比，10%和15%浓度PEG-6000处理下的种子胚根均显著变短(p<0.05)，5%浓度PEG处理下差异不显著(p>0.05)。胚轴/胚根值在5%浓度的PEG-6000处理下最小，显著低于10%和15%浓度的PEG-6000处理(p<0.05)。

图4 常夏石竹种子在不同浓度PEG-6000下的胚轴和胚根长度

2.5 20%和25%浓度PEG-6000处理后常夏石竹种子的恢复萌发

20%和25%浓度PEG-6000处理后的种子无法萌发，萌发过程被完全抑制。用蒸馏水将被处理过的种子反复冲洗浸泡，进行恢复萌发实验。结果表明，当干旱胁迫被解除后，常夏石竹种子均能正常萌发。20%浓度PEG-6000处理的种子在第1天就出现萌发峰值，为38.25%，随之逐渐降低，在第7天时萌发截止，发芽率高达93.5%。25%浓度PEG-6000处理的种子在第2天出现萌发峰值，为32.5%，随之逐渐降低，也在第7天停止萌发，发芽率为86.5%。

图5 20%、25%浓度PEG处理后常夏石竹种子的恢复萌发

3 讨 论

水分是限制植物生长与分布的主要因素之一，同时也是限制种子萌发的主要生态因子。种子在萌发时期极易受到水分的影响，如果水分条件差，将会导致种子死亡率上升，因此种子的萌发能力及幼苗期的生长被用于衡量植物的抗逆性强弱[13]。陈叶等研究发现，干旱胁迫会影响种子开始萌发和到达萌发高峰期的时间，干旱胁迫导致种子萌发的初始时间被延迟，且种子达到萌发高峰期的时间也被推迟，萌发总时间被延长[14]。本实验得出的结论与陈叶等的研究结果相一致，这说明常夏石竹种子萌发对水势具有一定的需求，在水分充足的条件下，种子采取“顺势”策略加速萌发，而缺水时，种子则采取“躲避”策略延迟萌发。

植物是否能够正常生长取决于种子萌发和成苗这2个关键阶段，种子萌发与成苗2个阶段能否顺利进行，取决于环境因子、自身条件和激素水平等[15]。在干旱与半干旱地区，水分是调控与影响植物生长发育的关键因素[16]。发芽率、发芽势以及胚轴、胚根的长度均作为评价种子抗旱能力的主要指标[6,17]。因此，本实验用PEG-6000模拟不同等级的干旱胁迫，对常夏石竹种子的抗旱能力进行综合分析与评价。实验结果表明：不同浓度PEG-6000对常夏石竹种子均有明显的抑制作用，种子的发芽率、发芽势、发芽指数、萌发率以及胚轴和胚根的长度等指标均伴随着PEG-6000浓度的增加呈下降趋势，这与相关研究结果相一致[6-8]。岳桦等[6]、刘佳等[7]分别对石竹科的北丝石竹、常夏石竹进行了研究，结果表明，随着PEG-6000浓度增加，发芽率、发芽势均逐渐减小。刘佳等[7]对常夏石竹的研究还发现，20%和25%浓度的PEG-6000完全抑制了其萌发。

本实验研究结果也表明，当PEG-6000浓度高达20%和25%时，常夏石竹种子的萌发被完全抑制，但随着干旱胁迫被解除后，种子则会迅速萌发，达到萌发高峰，仍有86.5%～93.5%的种子具有萌发能力，这与赵淑文等[8]、刘佳等[7]的研究结果相一致。高浓度的PEG完全抑制了常夏石竹种子的萌发，但种子内部的生理特性并未发生改变，没有破坏种子的生理结构，种子自身储存的营养物质保存得完好无损，所以随着干旱胁迫的解除，常夏石竹种子依然能萌发，且具有较高的发芽率。本研究表明，常夏石竹的抗旱能力较强，其种子对干旱环境有良好的适应能力。在干旱条件下常夏石竹种子不会失活、丧失萌发能力，当土壤环境中的水分满足其萌发条件时，便会迅速萌发。因此，常夏石竹在干旱区具有良好的生存能力与竞争能力。本次实验评价了常夏石竹种子的萌发能力及其抗旱能力，对其幼苗生长阶段的抗旱性尚不明确，需进一步开展实验进行探讨。

4 结 论

1) PEG浓度的增加，导致常夏石竹萌发被延迟，且萌发时间变长。

2) 常夏石竹种子发芽率、发芽势、发芽指数随PEG浓度的增加均呈减小的趋势。

3) 浓度为20%和25%PEG处理的常夏石竹种子，其萌发被完全抑制，但种子的生理特性未受到影响，随着PEG胁迫的解除，其种子可以快速萌发。