聚乙二醇模拟干旱胁迫对榆树种子萌发影响*

张航，战金雨，杨柳，张廷秀，杨成君

(东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

外部环境因子长期作用于植物的生长发育，从种子萌发到幼苗生长是受其影响最明显的时期[1]，此时是衡量植物抗逆性强弱的重要时期[2-3]，也是最脆弱的时期[4-5]。逆境条件下种子萌发情况和幼苗生长状况的优劣会影响植物中后期的正常生长及群体建成和质量[6-7]。干旱是一种常见的逆境条件，处于干旱环境下会导致种子在萌发过程中水分亏缺，植物细胞遭到破坏，体内代谢发生紊乱，种子萌发受到抑制甚至不萌发。

聚乙二醇(PEG-6000)属于高分子渗透剂，在试验上多用于模拟干旱胁迫[8]。Stoffela等[9]根据种子在高渗溶液或在不同渗透势的土壤中的发芽势、发芽率评价其耐旱性，并提出了种子萌发耐旱指数。Tobe等[10]为鉴定不同牧草的抗旱性，使用PEG溶液来模拟干旱胁迫条件。韩占江等[11]试验结果表明5种藜科(Chenopodiaceae)植物种子不仅对轻度干旱具有耐受性，甚至可以萌发得更好，此结论与前人的结果相似[12-13]。试验证明干旱胁迫也诱导黄瓜(Cucumissativus)种子的适应性调节反应，这与Zhang Hua等[14]的报道一致。

在此之前对榆树(UlmuspumilaL.)抗旱性的研究主要集中在对其幼苗的生长及生理生化方面，试验方法多采用盆栽控水法。张伟[15]的研究表明随着干旱程度增加，榆树各个部分的生物量均有所降低；但轻度干旱胁迫下，其叶片生物量比例增加，中度干旱胁迫下，其根系生物量比例增加。白国华[16]的研究表明在轻度到中度干旱条件下，随着干旱程度增加，幼苗叶片含水量逐渐降低，茎含水量先升后降，根系含水量上升，比根长和水分利用效率随着干旱胁迫程度增加而增加。徐士印[17]研究发现随着干旱程度增加白榆叶片叶绿素含量逐渐降低，可溶性蛋白含量和可溶性糖含量稳步上升。本研究以榆树种子为研究对象，利用聚乙二醇模拟干旱的方法探究干旱条件下榆树种子的发芽特性。因此，根据对榆树种子的耐旱程度的研究，其试验结果可以为抗旱品种早期选择以及榆树早期抗旱鉴定提供参考。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

试验用榆树种子为来自于东北林业大学校园内的榆树母树成熟种子。

1.2 试验方法

配置不同浓度的PEG溶液，浓度分别为5%、10%、15%、20%、25%，设置一个0%浓度作为对照。试验材料选取均匀饱满无病虫害的榆树种子，用自来水将种子冲洗干净，再用5%的次氯酸钠溶液浸种消毒10 min后，用无菌水冲洗干净，备用。

采用滤纸发芽法，把种子摆放在铺有2层滤纸的培养皿中，分别加入相应浓度的处理液10 mL，对照处理需要加入同样体积的蒸馏水，试验期间隔天每个培养皿补充10 mL的处理液或蒸馏水。水平放置于温度25 ℃、光照和黑暗交替(光照时间为16 h，黑暗时间为8 h)的人工恒温气候箱中进行种子萌发实验。每个培养皿30粒种子，每个处理3个重复，试验共进行7 d。每天定时记录发芽种子数。

试验结束时，每个培养皿随机选取5粒种子，测量苗长。计算发芽势和最终的发芽率。以胚根突破种皮1 mm作为种子发芽标准。当连续5 d不再有种子发芽时结束种子萌发试验。胁迫初期，种子萌发数达到高峰时统计发芽势，第7 d统计其发芽率。

1.3 数据处理与分析

统计种子的发芽数量，测量种子萌发苗的苗长，计算不同贮藏条件下的种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数。计算公式如下[18]：

发芽势(%)=种子萌发初期的高峰发芽数/供试种子数×100%

相对发芽势(%)=处理发芽势/对照发芽势×100%

发芽率(%)=种子最终发芽数/供试种子数×100%

相对发芽率(%)=处理发芽率/对照发芽率×100%

平均发芽时间(d)=∑(Gt×t)/∑Gt

发芽指数(Gi)=∑(Gt/Dt)

活力指数(Vi)=S×∑(Gt/Dt)

胚根长(cm)=种子发芽后上胚根长+下胚轴长。

式中：Gt为在时间t的种子发芽数；Dt为相应的发芽天数；S为幼苗的生长势(以苗长表示)。

计算各处理的榆树种子发芽指数，用每天的累计种子发芽数除以种子在培养皿中萌发放置的天数，待种子发芽结束后，将每天计算得到的数值相加，即为该种子的发芽指数。数据分析主要通过SSPS 19.0的计算程序完成，采用Anova方法比较均值差异，采用Duncan进行多重比较，利用GraphPad Prism 5进行数据处理及绘图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度PEG对榆树种子发芽指数的影响

发芽指数可以较敏感地反映出植物种子在胁迫环境下的反应[19]。从各浓度处理下的榆树种子的发芽指数来看，随着PEG浓度的增加，榆树种子的发芽指数呈现先上升后下降的趋势(图1)，CK除与5%、10%无明显差异外，与他处理相对比差异明显。5% PEG浓度的发芽指数达到最高值约为8.76，较CK上升了3.41%。说明5%PEG浓度的干旱胁迫对于榆树种子的发芽指数有一定的促进作用，但其效果不明显。PEG浓度达到10%，发芽指数较5%显著下降了9.58%，其指数为CK的93.51%。当干旱胁迫的浓度达到15%时，榆树种子发芽指数较10%急剧下降了75.11%，其值为CK的23.28%。20% PEG浓度较15%又明显下降80.85%，仅为CK值的4.46%。CK较5%、10%无显著差异。试验结果证明，榆树种子对中低浓度的PEG胁迫有一定的耐受力，且5%浓度的PEG溶液对榆树种子萌发有一定促进作用，但随着PEG浓度的增加(即干旱程度加深)，高浓度PEG(干旱)胁迫显著抑制榆树种子萌发。

图1 不同浓度PEG胁迫下榆树种子的发芽指数

2.2 不同浓度PEG对榆树种子活力指数的影响

活力指数代表种子发芽的潜力和种子质量[20]。

如图2所示，各处理间的活力指数均有明显差异。榆树种子在PEG胁迫下的活力指数呈先上升后下降的趋势。5% PEG浓度下榆树种子的活力指数达到最高值约为32.53，较CK显著上升12.21%，为CK的112.21%。PEG浓度达到10%，种子的活力指数较5%急剧下降78.58%，下降为CK的24.03%。15% PEG浓度处理下的榆树种子，其活力指数较10%又下降77.26%，为CK的5.47%。20% PEG浓度较15%明显下降97.62%，仅为CK的0.13%。除5% PEG浓度下榆树种子的活力指数显著增加外，其余浓度处理的榆树种子其活力指数均随着盐胁迫浓度的升高而逐渐下降。试验结果表明，5% PEG溶液对于榆树种子的活力指数有显著的促进作用，15%、20% PEG溶液对于榆树种子的活力指数抑制明显。

图2 不同浓度PEG胁迫对榆树种子的活力指数的影响

2.3 不同浓度PEG对榆树种子发芽势的影响

发芽势反映了在胁迫环境下，各处理种子萌发初期的高峰值的表现[21]。

如图3所示，CK除与5%、10%PEG浓度无明显差异外，与其他处理差异显著，15% PEG浓度较20% PEG浓度榆树种子的发芽势差异显著。随着PEG溶液浓度的升高，榆树种子发芽势呈先上升后下降的趋势，5% PEG浓度的榆树种子发芽势最高，均值为81.11%，较CK上升2.22%。PEG浓度达到10%，榆树种子发芽势降低，较5%下降15.56%。15% PEG浓度下的榆树种子的发芽势急剧下降48.89%。20% PEG溶液浓度处理下的种子发芽势又下降12.22%。其中5%、10%、15%、20% PEG浓度与CK的相对发芽势为102.99%、83.08%、21.17%、5.76%。本试验结果表明，在干旱胁迫条件下，榆树种子的萌发高峰期的发芽势相互对比，5%较CK、15%差异不显著，证明榆树种子对中低程度的干旱胁迫有耐受力，且5%浓度的PEG溶液对榆树种子萌发有促进作用。随着PEG浓度的上升，高浓度的干旱胁迫显著抑制榆树种子萌发。其中20%PEG浓度下的榆树种子发芽势最低，说明在20%浓度下的榆树种子在萌发初期的种子发芽数极少，萌发能力低，对榆树种子的发芽势有严重的影响和抑制作用。

图3 不同浓度PEG胁迫下榆树种子的发芽势

2.4 不同浓度PEG对榆树种子发芽率的影响

发芽率体现了种子在整个发芽过程中的最终萌发结果[22]。如图4所示，CK除与5%、10%PEG浓度无明显差异外，较15%、20%PEG浓度均差异明显，15%较20% PEG浓度的榆树种子的发芽率差异显著。随着PEG溶液浓度的上升，种子发芽率与发芽势变化一致，呈先上升后下降的趋势。5%PEG浓度处理的榆树种子发芽率最高，均值为90%，较CK上升3.33%。10% PEG浓度，榆树种子发芽率较5%PEG下降5.56%。当PEG溶液上升到15%时，榆树种子的发芽率较10%急剧下降54.44%。20% PEG浓度较15%又明显下降23.33%。其中5%、10%、15%、20%浓度与CK的相对发芽率为103.85%、97.44%、34.62%、7.69%。随着PEG溶液浓度的升高，5%、10%PEG浓度的榆树种子发芽率虽下降，但CK、5%、10%PEG浓度三者间无明显差异，证明榆树种子对中低程度的PEG浓度(干旱)胁迫有一定的耐受力，且5%浓度的PEG溶液对榆树种子萌发有促进作用。其中15%、20%PEG浓度二者间差异明显，证明随着PEG浓度的上升，高浓度的PEG浓度(干旱)胁迫对榆树种子的发芽率有不同程度的影响和显著的抑制作用。

图4 不同浓度PEG胁迫对榆树种子的发芽率的影响

2.5 不同浓度PEG对榆树萌发后胚根长的影响

胚根长反映了萌发过程中胁迫环境对种子萌发后胚根、胚轴的影响[23]。如图5所示，各处理间的榆树种子发芽后的胚根长差异明显。随着PEG溶液浓度的升高，榆树萌发种子的胚根长呈先上升后下降的趋势。5% PEG处理的胚根长最长，均值为3.42 cm。5% PEG浓度的榆树萌发胚根长较CK略上升15.19%，可达CK的115.19%。PEG浓度达到10%，榆树萌发后胚根长下降，较5%下降72.95%，为CK的31.16%。15% PEG溶液处理下的榆树种子，胚根长较10%下降了25.63%，为CK的23.17%。20% PEG浓度较15%又下降87.39%，为CK的2.92%。除了5%浓度下的胚根长有所上升外，随着干旱胁迫浓度的上升，其他处理的胚根长逐渐下降。20%浓度干旱胁迫下的胚根长最短，约为0.1 cm，说明在此浓度下榆树种子虽有萌发，但其苗已无法正常生长。

图5 不同浓度PEG胁迫下榆树种子的胚根长

2.6 不同浓度PEG对榆树种子平均发芽时间的影响

平均发芽时间代表了胁迫环境对种子平均萌发速度的影响，其值大小，表现了种子萌发速度的快慢，时间的延长与缩短[24]。

如图6所示，CK、5%、10%PEG浓度三者相比差异不显著，其他处理的种子平均发芽时间差异显著。随着PEG溶液浓度的升高，榆树种子的平均发芽时间呈明显的上升趋势。5% PEG浓度的较CK的平均发芽时间延长了0.06 d，为CK的101.85%。10% PEG浓度的榆树种子平均发芽时间较5%延长0.17 d，为CK的105.61%。随着PEG溶液浓度的上升，榆树种子的平均发芽时间继续延长，15% PEG浓度较10%的平均发芽时间显著延长1.63 d，其值为CK的152.77 %；20% PEG浓度较15%又明显延长2.19 d，为CK的170.89%。试验结果表明，中低度的干旱胁迫对榆树种子的平均发芽时间影响不明显外，重度的干旱胁迫对榆树种子的平均发芽时间有显著的延长作用。

图6 不同浓度PEG胁迫对榆树种子的平均发芽时间的影响

2.7 各指标与PEG溶液浓度的回归分析

根据各指标与干旱浓度进行回归分析，得出各指标的回归方程及榆树种子耐旱适宜范围、种子耐旱半致死浓度、种子耐旱极限浓度。由表1中相关系数最高的相对发芽势，根据其回归方程得出榆树种子耐旱适宜范围、种子耐旱半致死浓度、种子耐旱极限浓度对应的PEG浓度分别为7.71%、12.33%、19.73%。

表1 PEG溶液浓度和各指标的回归分析结果

3 结论与讨论

改善干旱地区植被一直以来都是全球急需解决的问题，选育合适树木，既保持其良好生长又合理节约水资源的问题需要关注，而榆树作为较速生的抗旱树种，是改善西北干旱环境的首选树种。目前，国内对榆树在干旱胁迫下生长及生理方面的研究较少，本试验研究了CK、5%、10%、15%、20%浓度的PEG溶液处理对榆树种子萌发的影响，结果表明：5%浓度的干旱胁迫对于榆树种子的萌发促进作用明显，榆树种子可耐5%～10%PEG浓度的干旱胁迫，而15%浓度的干旱胁迫可以显著抑制榆树种子萌发，20%PEG浓度的干旱胁迫则对其种子有严重抑制作用。根据各指标与PEG浓度回归分析，得出榆树种子耐旱适宜范围、种子耐旱半致死浓度、种子耐旱极限浓度对应的PEG浓度分别为7.71%、12.33%、19.73%。

干旱胁迫对植物的影响体现在植物的整个生长发育过程中，引起植物体内水分缺失，导致细胞内部所需水分含量不足，细胞器及脂膜受损，种子无法正常进行萌发。不同植物对PEG干旱胁迫的耐受阈值不同，种子能否在干旱环境下保持活力，正常萌发及幼苗能否继续生长是植物存活的关键。有研究表明，干旱胁迫显著抑制黄瓜种子[25]的萌发，并导致质膜损伤，类似的结果在苦瓜(Momordicacharantia)[26]、胡萝卜(Daucuscarotavar.sativaHoffm)[27]和水稻(Oryzasativa)[28]中均有报道。石开明[29]等发现低浓度、高浓度的PEG处理均对山桐子(Idesiapolycarpa)种子的萌发显著抑制。Bouslama 等[30]研究结果表明，轻度干旱对大豆(Glycinemax)种子萌发影响较小，中度干旱显著延长大豆种子的萌发时间。综上所述，干旱胁迫对植物种子萌发的影响，与种子本身的特性有关，而不同种子对PEG模拟干旱胁迫的反应也有所不同。宋鑫玲等[31]发现亚麻(Linumusitatissimum)种子在25% 和30%的PEG浓度下，种子不萌发。李志萍等[32]发现，5%PEG对栓皮栎(Quercusvariabilis)种子萌发有明显的促进作用，表现为发芽率提高、发芽整齐度增加，而高浓度(20%PEG)则有抑制作用。而汪磊[33]等在研究胡麻(Sesamumindicum)时，发现25%和30%浓度下其种子仍有40%的发芽率。江瑞涛等[34]试验表明PEG-6000溶液并未完全抑制沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)种子的萌发生长，只是延长了沙冬青种子的萌发时间，并且沙冬青幼苗生长在高浓度PEG胁迫下抑制不显著。由前人的试验结果可知，榆树种子的耐旱性，同亚麻种子、栓皮栎种子相似，可耐中低度的干旱胁迫。但耐旱性不如胡麻、沙冬青等。本研究主要探究了榆树种子在不同干旱条件下的发芽特性，并找出了榆树对干旱的极限耐受阈值，但对其萌发期间的内源物质的含量变化及抗旱机理尚不明确，有待进一步研究。本试验结论可为了解不同浓度的干旱胁迫对榆树种子萌发的影响，对榆树种子的耐旱能力做出评价，并为榆树种子的播种条件、干旱地抗性树种的选择提供指导意见。