沙蒿种子萌发对NaCl及聚乙二醇胁迫的响应

陈东凯, 骆 汉, 马 瑞, 谢永生, 段 洁

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100;2.甘肃农业大学 林学院, 甘肃 兰州 730000; 3.陕西省渭南市临渭区林业工作站, 陕西 渭南 714000)

中国广袤的西北地区常年干旱少雨，由其所引发的一系列问题是制约当地社会经济发展与生态环境建设的重要因素。据研究，在植物所遭受的各种非生物灾害中，干旱对其生长造成的危害最为严重[1]；且整个西北地区植被分布稀疏，地表常年裸露在外，土壤蒸发量也较大，盐分在地表聚集，导致盐渍化问题也十分突出[2]，这使当地植物除了遭受干旱的袭扰外，还要经受盐分的侵害。近年来，随着中国对自然生态的逐渐重视，许多学者对西北地区的荒漠化治理、植被恢复、以及对盐渍化土地的开发利用等问题进行了研究，发现栽种耐盐、耐旱植物是改善生态环境最有效、最经济的一种措施[3-5]。沙蒿(Artemisiadesertorum)是常见的沙生、旱生植物，具有耐干旱、耐盐碱、耐沙埋等特点，是干旱地区防风固沙的理想植物[6]，且由于其较好的耐盐性，也多栽种于遭受盐渍化侵害的地区，以此来改善土壤质地和结构，减弱盐渍化造成的危害[7]。

在植物生长发育的过程中，种子的萌发阶段对植物能否存活起到关键作用[8]，而生活在干旱、盐渍化地区的植物，土壤中的水分、盐分含量又会直接影响种子的萌发。因此，植物种子的萌发阶段是研究该植物抗旱、抗盐性的重要时期[9]。聚乙二醇(PEG-6000)有良好的亲水性，可降低溶液水势，使得植物根系难以从周围吸收水分，因此在植物的抗旱性研究中，通常使用PEG-6000模拟植物受到的干旱胁迫[10-13]。而在研究植物的耐盐性时，则常使用NaCl溶液模拟植物受到的盐分胁迫[14-17]。马彦军等[18]就曾运用PEG以及NaCl溶液对沙冬青种子的抗旱、抗盐性进行了相关的研究，为沙冬青种的人工栽种提供了参考依据。在沙蒿方面，一些学者对沙蒿根系的固土能力[19]、落叶溶解性有机质[20]、及其对生物结皮和下伏土壤养分的影响[21]进行了研究，但关于沙蒿种子萌发以及其抗盐、抗旱性的研究并不多见。因此本试验分别运用不同浓度的聚乙二醇(PEG-6000)和NaCl溶液处理种子，以模拟沙蒿种子萌发时受到的干旱以及盐分胁迫，探究在不同含盐量以及干旱胁迫条件下种子萌发期间各项生理指标的变化过程，了解沙蒿的抗盐、抗旱程度，揭示其能正常萌发的适宜浓度范围，以期为沙蒿在盐渍化以及干旱地区的人工栽种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

沙蒿种子于2016年10月采收于甘肃民勤沙生植物园(103°09′11″E,38°62′48″N)，平均海拔1 400 m，温带大陆性干旱气候，年均降水量为127.7 mm，年均蒸发量2 623 mm，年均气温8.3 ℃。千粒重0.467 g，经干燥、清洁处理后存放于4 ℃的冷藏室中保存。试验所用聚乙二醇6000(PEG-6000)、NaCl分别由中国医药(集团)上海化学试剂公司、天津西尔斯化工有限公司生产。

1.2 试验方法

1.2.1 种子预处理 挑选大小一致、没有明显破损及病虫害的种子为试验材料，使用75%的酒精对供试种子消毒1～2 min，之后用蒸馏水冲洗种子表面，再将其浸泡于75 ℃的水中24 h[22]，最后使用滤纸吸干表面水分备用。

1.2.2 培养皿处理 将玻璃培养皿放入122 ℃的高压蒸汽锅中消毒25 min[23]。一组3个培养皿，编号1，2，3，试验共设置15组，共计45个培养皿。其中蒸馏水对照1组，PEG溶液处理5组，NaCl溶液处理9组。每个培养皿中铺设两张干净无菌的滤纸，再将预处理好的沙蒿种子均匀放置在滤纸上，每个培养皿共放置50粒种子。

1.2.3 PEG胁迫处理 试验采用纸上发芽法[24]。按照Michel等[25]的方法，PEG-6000溶液配置5个浓度水平：5%，10%，15%，20%，25%(质量分数)。每组培养皿对应一个浓度水平(3次重复)，将PEG溶液加入每个培养皿中直至滤纸饱和，然后对各培养皿依次称重记录。

1.2.4 NaCl胁迫处理 配置浓度(质量分数)分别为0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%，1.2%，1.4%，1.6%，1.8%的NaCl溶液，每组培养皿对应一个浓度水平(3次重复)。将配置完成的NaCl溶液加入培养皿中直至滤纸饱和，并依次称重记录。最后将所有处理完毕的培养皿放置在室温25 ℃，相对湿度为50%，采用自然光照的组培室中进行种子萌发试验。

1.3 种子发芽观测

按照《国际种子检验规程》[26]的方法，本次试验以30 d为期限。从处理完毕的第二天开始，每天使用分析天平定时称量培养皿，根据重量的变化及时向培养皿内加入蒸馏水，补偿由于种子吸收以及水分蒸发而损失的水分，确保PEG渗透压和NaCl浓度不变。同时每天应观察并记录每个培养皿中发芽的种子数直至整个发芽过程结束。结束后，从每个培养皿中随机挑选10株沙蒿幼苗为一组，使用分析天平称量并记录每组幼苗的鲜重并取平均值。

1.4 测定指标

发芽率指在测试种子中，已发芽的种子粒数占测试种子总粒数的百分比。

GR=N/M×100%

(1)

式中：GR为种子发芽率(%)；N为已发芽的种子数(粒)；M为每盒中的种子总数(粒)；

发芽势指在整个试验过程中，从种子开始发芽到种子发芽达到最高峰时，已发芽的种子数占测试种子粒数的百分比[27]。

GP=W2/M×100%

(2)

式中：GP为种子发芽势(%)；W2为在第2天种子发芽达到最高峰时发芽的种子数(粒)；

发芽指数是指测试种子发芽成活的统计指数，一般情况下代表该测试种子的均值发芽率[28]。

GI=∑Gt/Dt

(3)

式中：GI为种子发芽指数；Gt为第t天发芽的种子数，粒；Dt为相对应的天数；

种子活力是指种子在所处环境条件下的发芽出苗能力[29]。

VI=GI×S

(4)

式中：Ⅵ为种子活力指数；S为幼苗鲜重(g)；

1.5 数据处理

使用Excel 2013软件对数据进行预处理，使用SPSS 19.0分析软件对发芽率、发芽指数等指标进行差异显著性检验(显著水平为95%)，使用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 种子发芽率、发芽势对NaCl胁迫的响应

本试验中所有处理3次重复之间差异性不显著(p>0.05)。从图1可以看出，随着NaCl浓度逐渐升高，沙蒿种子的发芽率总体呈现下降趋势。但当使用0.2%的NaCl溶液处理种子时，沙蒿种子的发芽率为70.9%，比对照组高2.2%。当NaCl溶液浓度高于0.2%时，沙蒿种子的发芽率虽然随着溶液浓度的升高而持续降低，但NaCl的浓度为0.4%，0.6%时，沙蒿种子的发芽率与对照组相比并未表现出显著差异性(p>0.05)；当溶液浓度从0.8%递增到1.8%时，种子发芽率与对照组相比下降幅度较大且差异性显著(p<0.05)，当溶液浓度达到本次试验的最大值1.8%时，种子的发芽率仅为25.1%，比对照组的发芽率低43.6%。这表明，当NaCl浓度≤0.6%时，沙蒿种子发芽率未受到显著影响，但当其浓度高于0.6%时，沙蒿种子的萌发能力受到了明显抑制。发芽势可以用来衡量种子品质的好坏，一般来说，发芽势越高说明种子品质越好发芽也会更加同步，因此人们常用这一指标来表示种子发芽的整齐程度[30]。由图1可见，随着NaCl溶液浓度的逐渐升高，沙蒿种子的发芽势总体也呈下降态势。当使用0.2%的NaCl溶液处理沙蒿种子时，种子的发芽势为48.8%，与对照组的46.7%相比上升了2.1%，说明低浓度的NaCl溶液对种子萌发有一定促进作用。当溶液浓度从0.4%递增到1.8%时，种子发芽势逐渐降低，为3.4%～44.5%。但当溶液浓度为0.4%，0.6%时，其发芽势与对照组相比没有表现出显著差异性(p>0.05)；当NaCl的浓度高于0.6%后，种子的发芽势与对照组相比下降幅度在34.2%～44.7%之间，下降幅度较之前明显增大，且与对照组相比差异性显著(p<0.05)。

注：图中同组不同小写字母表示差异显著(p<0.05)。下同。

2.2 种子发芽指数、活力指数对NaCl胁迫的响应

从图2可以看到，当沙蒿种子受到各浓度梯度的NaCl溶液处理后，沙蒿种子的发芽指数和活力指数总体皆呈下降趋势。当使用浓度为0.2%，0.4%，0.6%的NaCl溶液处理沙蒿种子时，其发芽指数与对照组相比差异不显著(p>0.05)，其数值分别下降了4.5，10.1，12.7；当NaCl浓度>0.6%时，各处理下的种子发芽指数分别下降了27.9，31.4，37.8，41.2，45.0，54.0，下降幅度较之前有明显增加，且与对照组相比差异显著(p<0.05)。当NaCl溶液的浓度在0.2%～0.6%的范围内变化时，沙蒿种子的活力指数与对照组相比差异不显著(p>0.05)，其数值分别下降了0.4，0.6，0.8。当NaCl溶液>0.6%时，各处理下的种子活力指数与对照组差异显著(p<0.05)，其数值分别下降了1.6，1.8，2.2，2.4，2.8，3.1。可见，当NaCl溶液的浓度≤0.6%时，沙蒿种子仍可以正常萌发，对盐分胁迫表现出较强耐受性。

图2 不同浓度NaCl溶液处理下沙蒿种子发芽指数与活力指数

2.3 种子发芽率、发芽势对PEG胁迫的响应

由图3可知，随着PEG溶液浓度的逐步升高，沙蒿种子的发芽率逐步降低。当PEG浓度≤15%时，沙蒿种子的发芽率均保持在60%以上，与对照组的发芽率68.7%相比有小幅下降(2.4%～8.9%)，但差异不显著(p>0.05)。当PEG浓度增加至20%时，种子的发芽率为46.4%，比对照组显著降低，下降幅度为22.3%(p<0.05)；当PEG溶液浓度达到25%时，沙蒿种子的发芽率仅为32.3%，比对照组显著降低了36.4%(p<0.05)，这表明沙蒿种子在PEG浓度>15%时，种子的发芽能力被显著抑制。从种子发芽势来看，使用不同浓度的PEG溶液处理沙蒿种子时，发芽势也呈现出下降趋势(图3)。当PEG浓度为5%～15%时，种子发芽势与对照组46.7%均无显著差异，其中，当溶液浓度为5%时，种子发芽势为47.9%，略高于对照组(p>0.05)。当溶液浓度递增到20%时，沙蒿种子的发芽势为15.8%，与对照组相比明显下降(p<0.05)，其发芽势降低了30.9%。当浓度达到25%时，种子的发芽势仅为14.5%，与对照组相比下降了32.2%(p<0.05)，这表明PEG浓度≤15%时，种子萌发能力未受到显著影响，但当其浓度继续增大时，种子发芽率与发芽势均显著降低。

图3 不同浓度PEG溶液处理下沙蒿种子发芽率与发芽势

2.4 种子发芽指数、活力指数对PEG胁迫的响应

通过图4可见，当沙蒿种子被不同浓度的PEG溶液处理后，种子的发芽指数和活力指数整体呈现出下降趋势。当PEG浓度为5%～15%时，两项指标与对照组均无显著差异，其中，当PEG溶液浓度为5%时，种子的两项指标略高于对照组(p>0.05)；当PEG溶液的浓度为10%，15%时，种子的发芽指数相比对照组分别下降0.24，2.54，种子的活力指数分别下降0.1，0.2，下降幅度均较小(p>0.05)。当PEG的浓度达到20%，25%时，沙蒿种子的发芽指数和活力指数下降幅度明显增大，发芽指数减少了22.14，42.49，活力指数下降了1.6，2.7，与对照组呈现出显著差异(p<0.05)。

图4 不同浓度PEG溶液处理下沙蒿种子发芽指数与活力指数

3 讨 论

本试验使用NaCl溶液处理沙蒿种子模拟种子受到的盐分胁迫，探讨沙蒿种子的萌发能力在盐渍化地区受到的影响。结果显示，当使用浓度为0.2%～0.6%的NaCl溶液处理种子时，种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数与对照组相比虽有一定的波动，但并未表现出显著差异；这其中，当NaCl溶液浓度为0.2%时，种子的发芽率、发芽势皆高于对照组，这说明低浓度的NaCl溶液对种子萌发有一定的促进作用。这与张苏江等[31]、马琳等[32]的研究结论是一致的，这是因为NaCl溶液中的Na+为植物生长发育初期所需元素，从而促进种子萌发；与此同时溶液中的部分Na+能够提高细胞渗透势促进种子吸水，这同样有利于种子的萌发。但当NaCl溶液的浓度为0.8%时，上述各项指标均显著下降(p<0.05)，之后随着溶液浓度的持续升高，种子的上述指标则进一步降低。较高浓度的NaCl溶液会使种子外部渗透压升高，导致种子内部水分进入到溶液中，限制种子萌发；同时高浓度的离子环境对植物种子又会造成离子毒害作用，从而抑制种子萌发能力[33]。本试验中NaCl溶液浓度为0.6%时，是种子萌发能力显著降低的转折点。由此可推知，沙蒿种子对较低含盐量的环境表现出较强耐受性，这与杨佳鑫等[30]，朱金方等[34]的研究结果相似。

使用PEG溶液处理沙蒿种子模拟干旱对种子的胁迫，主要是利用其对种子的渗透调节作用[35]。在此次试验中，我们发现当PEG溶液的浓度为5%～15%时，沙蒿种子的发芽率均保持在60%左右，发芽能力差异不显著(p>0.05)；这其中当种子受到5%的PEG溶液处理时，其发芽势、发芽指数、活力指数分别比对照组高出1.2，4.0，0.3，这表明低浓度的PEG溶液对种子萌发有促进作用，这与一些研究结论是一致的[36-37]，原因可能是轻微干旱胁迫促使种子自我保护机制的启动，减少种子吸胀过程中膜系统的损伤，有利于膜系统的修复，提高了种子内酶的活性加速了新陈代谢作用，从而提高植物种子发芽率[38]。但当PEG溶液的浓度达到20%，25%时，种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数有了明显下降。由此可知，沙蒿种子在PEG浓度≤15%时，其发芽能力未受到明显抑制，但是当溶液浓度超过这一数值后，种子的萌发能力会随浓度的升高而大幅降低。这是因为种子在重度干旱胁迫下，细胞内自由基过度积累，造成膜的完整性受损并导致渗透调节功能紊乱，种子萌发能力被抑制[39]。本试验中，PEG溶液的浓度为15%时，是种子萌发能力显著降低的转折点，高于此浓度时种子萌发受到显著抑制。

沙蒿作为耐盐、耐旱的理想植物在西北地区广泛栽种，本试验结果表明沙蒿种子萌发能力随NaCl和PEG溶液浓度的升高均呈先上升后下降，在某一浓度后显著受抑制的变化趋势，这与沙冬青[40]、沙棘[41]、柽柳等[42]沙生植物对干旱和盐分胁迫的响应机制相似，只是不同物种对应不同的溶液适宜值、临界值和极限值。本试验结果补充了对沙蒿种子耐旱、耐盐碱程度的研究，揭示了适宜其种子萌发的NaCl和PEG浓度界限，对其最适宜种植的环境条件和区域的确定具有重要的参考价值，可提高植被恢复效率、节约治理成本。但本试验仍存在一定的不足，因为NaCl同样会改变溶液渗透压，因此沙蒿种子会遭受盐害以及干旱的双重胁迫。在今后的试验中，我们将改进试验设计，将NaCl与PEG溶液的渗透压设为相同，比较干旱以及盐害对种子萌发影响的相对大小。

4 结 论

沙蒿种子萌发，NaCl，PEG溶液的最适宜浓度分别为0.2%，5%。在较低浓度的NaCl(≤0.6%)，PEG(≤15%)溶液的胁迫下，其各项生理指标与对照组相比未发生显著变化，种子的萌发能力未受明显抑制。当NaCl溶液浓度>0.6%，PEG浓度>15%时，种子的萌发能力显著降低。因此NaCl浓度为0.6%，PEG浓度为15%时，是沙蒿种子萌发能力受到明显抑制的转折点。试验结果证实了沙蒿仅在一定盐分以及干旱胁迫程度内有较强的耐盐、耐旱性，对西北地区沙蒿的人工栽种具有指导意义。