PEG模拟干旱胁迫对大麻种子萌发的影响

孔佳茜，赵铭森，孟晓康，高金虎，冯旭平，薛红丽，康红梅

(山西农业大学经济作物研究所，山西 汾阳 032200)

众多非生物胁迫中，干旱作为最重要的逆境因子之一，严重制约着农业生产和经济发展。我国水资源匮乏且分布不均，特别是近年来连续遭受严重干旱，所以干旱已成为制约我国农业生产的重要因素之一[1]。

大麻(CannabissativaL.)为一年生草本植物，也被称为汉麻，国际上把雌株花序中四氢大麻酚(THC)含量低于0.3%的大麻叫工业大麻。其花、叶、根、籽粒、韧皮纤维及秆芯均有较好的开发利用价值，是一种经济价值极高的作物[2]。大麻纤维可用于纺织、造纸，秆芯可以用于建筑材料；籽粒可用于榨油、加工食品等。大麻籽油可食用、制作化妆品或作为生物柴油[3]。除此之外，大麻还具有极高的药用价值，在我国已有几千年药用历史，大麻叶、花、皮、根及大麻仁等均可入药[4]；研究发现，大麻中的大麻二酚(CBD)具有抗惊厥、抗焦虑、镇痛等作用[5,6]，对帕金森综合征、风湿等疾病也有一定的治疗作用，由此可见，工业大麻可作为功能食品及药品的重要原料[7,8]。

近年来，我国耕地面积逐渐减少，为避免与粮食作物争地，工业大麻只能在山坡旱地种植发展[9]，于是干旱逐渐成为限制其产量的主要因素之一。因此，研究大麻抗旱机制，提高大麻抗旱能力对提高山坡旱地大麻种植效益至关重要。种子萌发是植物生长周期的起始阶段，关系着植物后期的营养生长和生殖生长，同时也是较易受干旱胁迫影响的时期[10]。所以，对植物种子萌发期进行抗旱性研究具有重要意义[1]。本研究利用PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，对5个大麻品种进行了种子发芽及幼苗生长期的干旱抗性试验，初步探究了5个品种大麻种子在不同程度干旱胁迫下的萌发及幼苗生长情况，为山坡旱地选用适宜种植工业大麻品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试品种5个：4个选育品种(晋麻1号、汾麻3号、庆麻1号、火麻1号)，1个农家品种(临县小麻)。晋麻1号、汾麻3号为山西省农业科学院经济作物研究所选育。

1.2 PEG模拟干旱胁迫处理

本试验采用聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫法[11-13]，设置PEG质量分数分别为0、5%、10%、15%、20%和25%的6个浓度的PEG溶液，其中0为无菌水，作为对照。每个处理设3次重复。

每个品种选取籽粒饱满、大小均匀的大麻种子540粒，用70%的酒精消毒，然后用无菌水冲洗4～5次(每次冲洗2～3 min)，蒸馏水浸泡过夜，然后放在滤纸上晾干。在直径9 cm的培养皿(洗净烘干、双层滤纸做发芽床)中分别加入15 mL上述不同浓度的PEG溶液，待滤纸被充分浸润后，每皿均匀摆放30粒种子，放在25 ℃恒温光照培养箱内培养。

培养期间，每天以称重法向培养皿中补充PEG溶液[12]，以保持培养皿内适宜水分。

1.3 萌发指标测定

培养期间连续观察，每天定时统计种子萌发数(以胚根突破种皮长度超过种子本身长度作为种子萌发的标准)，计算种子发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数。各项指标计算公式如下：

发芽势(%)=(G3/N)×100%；

发芽率(%)=(G7/N)×100%；

相对发芽势(%)=(处理发芽势/对照发芽势)×100%；

相对发芽率(%)=(处理发芽率/对照发芽率)×100%；

发芽指数=∑Gt/Dt；

活力指数=根长×∑Gt/Dt；

相对发芽指数(%)=(处理发芽指数/对照发芽指数)×100%；

相对活力指数(%)=(处理活力指数/对照活力指数)×100%；

式中：G3为第3天每皿发芽种子数；N为每皿种子数；G7为第7天每皿发芽种子数；Gt为第t天发芽种子数；Dt为相应的发芽天数。

1.4 生长指标测定

发芽结束后，每个重复随机选取10株幼苗测定其茎长、根长、茎重、根重。

1.5 抗旱性综合评价

采用隶属函数法[12,14]对5个大麻品种种子萌发期抗旱性进行综合评价。利用公式计算每个品种在不同浓度PEG胁迫下的隶属函数值：

Y(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

A=∑Y(μ)/n

式中：X为某一指标的平均值；Xmin为该指标的最小值；Xmax为该指标的最大值，Y(μ)为某一品种某一指标的隶属函数值，n为测定指标数，A为某一品种的平均隶属函数值。

1.6 数据处理

采用Excel 2007软件和SPSS 18.0软件进行数据的统计与分析，显著性检验采用Duncan法，用Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度PEG对5个大麻品种种子发芽率和发芽势的影响

发芽率和发芽势是评定种子发芽能力及种子质量等级的重要指标之一。在不同浓度PEG胁迫下，5个工业大麻品种的发芽势和发芽率均呈先增加后降低趋势(表1)。晋麻1号、临县小麻在PEG浓度10%胁迫下，发芽率和发芽势均达到最高，与ck相比，晋麻1号差异不显著(p>0.05)，临县小麻差异显著(p<0.05)；汾麻3号在PEG浓度为10%和15%胁迫下，发芽势和发芽率分别达到最高，与ck相比，发芽势差异不显著(p>0.05)，发芽率差异显著(p<0.05)；火麻1号在PEG浓度为5%和15%胁迫下，发芽势和发芽率分别达到最高，与ck相比，差异均不显著(p>0.05)；庆麻1号在PEG浓度为5%胁迫下，发芽率和发芽势均达到最高，与ck相比差异不显著(p>0.05)。5个品种在高浓度PEG胁迫下，均随着PEG浓度的增加呈降低的趋势，均在PEG浓度为25%胁迫下，发芽率和发芽势达到最低，与ck相比差异显著(p<0.05)。

表1 不同PEG浓度下大麻种子发芽率及发芽势

相对发芽率和相对发芽势可以更加直观地评定种子发芽能力及质量。从图1可以看出，5个品种在PEG浓度为5%和10%胁迫下，相对发芽率和相对发芽势均高于对照；在15%浓度胁迫下，晋麻1号的相对发芽率和相对发芽势均低于对照，其余品种均高于对照，但差异不显著(p>0.05)，说明低浓度的PEG对这5个大麻品种发芽率的影响不大，对种子萌发还有一定的促进作用。而随着PEG浓度的增加，5个品种种子的相对发芽率和相对发芽势均呈降低趋势，其中晋麻1号、火麻1号、临县小麻下降幅度较大，而且在25%浓度下5个品种的相对发芽率和相对发芽势均最低，说明高浓度的PEG对大麻种子的萌发具有抑制作用，且抑制作用随着PEG浓度的增加而增强。

图1 不同PEG浓度下大麻品种的种子相对发芽率及相对发芽势

2.2 不同浓度PEG对5个大麻品种种子发芽指数和活力指数的影响

植物的发芽指数可以用来衡量该种植物的发芽能力及活力。如图2 A所示，5个品种在PEG浓度为5%和10%胁迫下，相对发芽指数均高于对照；在15%浓度胁迫下，晋麻1号的相对发芽指数低于对照，其余品种均高于对照；但差异都不显著(p>0.05)。随着PEG浓度的增加，5个品种种子的相对发芽指数均呈降低趋势，且在25%浓度下均达到最低值。由图2 B可知，5个品种在PEG 5%胁迫下，相对活力指数均高于对照；随着PEG浓度的增加，5个品种种子的相对活力指数均呈降低趋势，且在25%浓度下均为最低值。说明低浓度PEG对种子萌发具有一定的促进作用，高浓度PEG抑制种子的萌发。

图2 不同PEG浓度下大麻品种的种子相对发芽指数及相对活力指数

2.3 不同浓度PEG对5个大麻品种种子萌发生长指标的影响

如图3 A、C所示，不同浓度PEG处理下，各品种的茎长、茎重均随PEG浓度的增加呈降低趋势，并且与ck相比差异显著(除汾麻3号PEG 5%浓度外)(p<0.05)。汾麻3号在20%和25%处理间差异不显著(p>0.05)，其余品种在15%浓度以上各处理间差异均不显著(p>0.05)，说明PEG浓度达15%或20%时已严重抑制茎的生长。图3 B、D所示，不同浓度PEG处理下，各品种根长在5%PEG胁迫下有所增加，之后随PEG浓度增加呈降低趋势，而各品种的根重均随PEG浓度的增加呈降低趋势，与根长相比，根重在PEG 10%浓度以上时已严重降低，这与检测时直观观察PEG 10%及以上时根部纤细一致。与其他品种相比，晋麻1号的茎最长，庆麻1号根最长，汾麻3号茎最重，庆麻1号根最重。

图3 不同PEG浓度下大麻品种的种子萌发生长指标

2.4 抗旱性综合评价

种子萌发期的抗旱性是多种因素共同影响的结果，用单一指标来评价不同品种的抗旱能力存在一定的片面性[15]。本研究利用隶属函数法对5个大麻品种种子萌发期相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、茎长、根长、茎重、根重8个指标进行抗旱性综合评价。由表2可知，5个大麻品种种子萌发期抗旱性表现依次为：汾麻3号>晋麻1号=庆麻1号>临县小麻>火麻1号，并且根据抗旱隶属函数平均值的分级标准[16]，火麻1号、临县小麻属于中抗旱型，汾麻3号、晋麻1号和庆麻1号属于抗旱型。

表2 大麻种子萌发期抗旱性的综合评价

3 结论与讨论

聚乙二醇(Polyethyleneglycol，PEG)是一种高分子聚合物，亲水性好，加入水中可降低溶液水势，对植株造成干旱胁迫。PEG-6000分子较大，不能通过植物细胞壁而进入细胞内，且对细胞无毒害。因此，PEG-6000模拟干旱胁迫已成为植物种子萌发期抗旱性研究的重要方法，在水稻[16]、小麦[17]、玉米[18,19]、花生[20,21]、向日葵[1]等多种作物种子的抗旱性研究中得到广泛应用。本研究设置6个不同浓度PEG溶液来模拟干旱胁迫，对5个大麻品种种子的萌发特性进行分析，结果表明，在PEG浓度较低时，大麻的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及根长均有一定程度的增加，表明低浓度PEG溶液有对大麻种子萌发有一定的促进作用，这可能与PEG能够作为渗透调节剂来调控细胞吸水的程度和状态，能使种子的吸水趋于稳定和同步化，进而提高种子萌发率和整齐率有关[1]。这与钱森和等[22]、刘新星等[23]、杜光辉等[13]、杨旭东等[1]的研究结果一致。本研究结果还表明，随着PEG浓度的增加，各品种种子的上述指标均有降低趋势，表明高浓度的PEG溶液会对大麻种子的萌发产生抑制作用。且PEG对种子萌发的影响还因种质材料的不同而有所差异，反映不同品种本身抗旱性具有差异性。

种子萌发后，植物的根、茎生长量是表征植物应答干旱胁迫能力的指标之一[24]。本研究中，随着PEG浓度的提高，5个品种幼苗的茎长、茎重、根重明显降低，这与耿广东等[25]、王俊娟等[26]的研究结果一致。随着PEG浓度的提高，5个品种幼苗的根长先增加后降低，这与闫春娟等[27]的研究结果一致。PEG对根、茎生长的影响也因品种的不同而异。

植物种子萌发期的抗旱性受多种因素影响，不同植物品种对某一具体指标的抗旱反应能力均不相同，所以采用单一指标对不同品种的抗旱能力进行评价具有一定的片面性[12,28]。隶属函数法可以消除个别指标的片面性，且隶属函数值是一个0和1之间的数字，使品种间的比较变得简单[29]，越来越多的学者采用隶属函数法对植物的抗旱性进行综合评价[19,30,12]。本试验利用8个指标(相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、茎长、根长、茎重、根重)结合隶属函数法，对5个大麻品种的抗旱性进行评价，结果5个大麻品种种子在萌发期的抗旱性表现依次为：汾麻3号>晋麻1号=庆麻1号>临县小麻>火麻1号，并且根据抗旱隶属函数平均值的分级标准[16]，火麻1号、临县小麻属于中抗旱型，汾麻3号、晋麻1号和庆麻1号属于抗旱型。