干旱胁迫和盐胁迫对水杉种子萌发及幼苗生长的影响

易燕莹， 王 茹， 刘相泉， 邓志军

(1.生物资源保护与利用湖北省重点实验室(湖北民族大学)， 湖北 恩施 445000；2.恩施州特色植物资源种质工程技术研究中心(湖北民族大学)， 湖北 恩施 445000)

土壤盐渍化和水资源匮乏已成为影响农业发展及生态环境建设的两大全球性问题[1-3]。我国目前遭受水土流失的耕地面积较大，并且还在不断增加中，加之受气候影响，土地盐碱化、干旱化日益严重，不仅阻碍了农业生产和农业经济的发展，还导致环境恶化，严重影响了地区的可持续发展[3-4]。有研究表明，植物在生长过程中会启动一定的防御机制来应对外界的各种胁迫[5]，种植耐盐植物也能够一定程度改善土壤盐渍化情况[6]。因此，研究植物在盐碱及干旱环境条件下的种子萌发和幼苗生长特性，对深入了解植物的抗旱耐盐性以及农林业的发展、实现盐碱地的合理开发利用等均有着重要的意义[3,7]。

水杉(Metasequoiaglyptostroboides)是杉科(Taxodiaceae)水杉属的单属单种植物，是我国特有的孑遗植物，国家一级保护植物，并被誉为世界生物界的“活化石”。目前，水杉繁殖主要采用播种繁殖和扦插繁殖。由于水杉母树稀少，产种量低，扦插繁殖是最主要的繁殖方法[8]，然而多代扦插会导致品种退化，不适合大批量生产。种子繁殖则能有效稳定植物的优良性状，并在短时间内繁殖大量的种苗，有利于物种的繁衍及植物的规模化生产[9]。目前对于水杉种子的研究主要集中在光照、温度、枯落物厚度、地下水位、埋藏深度对其萌发和幼苗建成的影响等方面[10-14]，而干旱和高盐是自然界常见的逆境胁迫因素，但其对水杉种子萌发影响的研究较少。因此，本试验通过不同水势的PEG-6000溶液和不同浓度NaCl溶液模拟自然条件下土壤水分和盐分对水杉种子萌发和幼苗生长的影响，并通过测定发芽率、发芽势、发芽指数及苗长探究水杉种子在干旱和盐胁迫逆境中的耐受能力，以期为水杉种子在干旱、盐碱地的合理种植及生态修复治理提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材 料

于2015年在湖北省利川市小河乡采集新鲜成熟水杉种子，种子采回后在室内摊晾7 d后用于试验。经测得种子含水量为(8.5±0.6)%，千粒重为(2.4±0.2)g。

1.2 方 法

1.2.1种子含水量和千粒重测定

参照国际种子检验规程中的方法[15]测定种子含水量。4次重复，每次重复30粒种子。参照宋松泉等[16]的方法测定种子千粒重。4次重复，每次重复1 000粒种子。

1.2.2模拟干旱胁迫处理

根据Michael和Kaufaman[17]的方法，在25 ℃(水杉种子最适萌发温度之一)条件下配置水势分别为-3 MPa、-5 MPa、-7 MPa、-9 MPa的PEG-6000溶液，用以模拟不同程度的干旱条件，以蒸馏水处理作为对照(ck)。

1.2.3模拟盐胁迫处理

配置浓度分别为100、125、150、175、200、225、250 mmol·L-1的NaCl溶液，用以模拟不同程度的盐胁迫条件，以蒸馏水处理作为对照(ck)。

1.2.4萌发测试

将大小均匀的新鲜种子播于垫有滤纸的培养皿中，每皿添加6 mL不同浓度的PEG-6000和NaCl溶液，以加入6 mL蒸馏水为对照，并用封口膜进行密封处理。然后置于25 ℃交替光照条件下培养。每天在固定时间观察并记录萌发情况(以胚根突破种皮作为萌发标准)。所有萌发试验均设置4次重复，每次重复50粒种子。萌发测试结束后统计发芽率、相对发芽率、发芽势和发芽指数。

发芽率(%)=(种子萌发数/供试种子总数)×100%；

相对发芽率(%)=(处理发芽率/对照发芽率)×100%；

发芽势(%)=(第10天种子累积萌发数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑(Gt/Dt)，

式中：Gt为在第t天的萌发种子数，Dt为相应的种子萌发天数。

1.2.5耐盐性及耐旱性评价

参照李玉梅等[18]的方法，以不同干旱胁迫及盐胁迫处理下的相对发芽率为因变量(y)，以水势及盐浓度为自变量(x)建立函数方程，以相对发芽率下降75%、50%和10%时所对应的水势及盐浓度作为水杉种子的耐旱/盐适宜浓度、耐旱/盐半致死浓度和耐旱/盐极限浓度。

1.3 数据分析

所有统计分析和作图均通过R软件完成。运用SPSS 20.0软件，对不同水势的PEG-6000溶液和不同浓度的NaCl溶液处理下的发芽数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA)和Student-Newman-Keuls验后多重比较进行显著性检验(p=0.05)。试验中统计数据均以(平均值±标准误)形式表示，小数点后保留一位有效数字。

2 结果与分析

2.1 模拟干旱胁迫处理对水杉种子萌发的影响

从图1可以看出，随着PEG-6000溶液水势的升高，水杉种子的发芽率、发芽势和发芽指数均呈持续下降的趋势(图1，p<0.05)。0～-1.2 MPa水势范围内，水杉种子的最终平均发芽率无显著差异。其中，ck的种子最终平均发芽率最高，为(81.5±6.0)%。-3～-7 MPa水势条件下，水杉种子的最终平均发芽率显著降低，分别较ck降低44%、37.5%和60%。直到水势降为-9 MPa时，水杉种子的最终平均发芽率降到最低，为(5.0±1.3)%。种子发芽势与发芽率变化趋势一致，同样在0～-1.2 MPa水势范围内没有显著变化，在-3 MPa时开始显著下降，在-7 MPa时显著下降至(1±0.6)%，在-9 MPa时显著下降至0。而发芽指数的变化更为显著，在-3～-9 MPa时已无显著差异，直到水势下降至-9 MPa，发芽指数降至最低，为(0.6±0.1)。

2.2 模拟干旱胁迫处理对水杉幼苗苗长的影响

由图2可知，不同水势的PEG-6000溶液对水杉幼苗苗长具有显著影响(p<0.05)。当水势为0时，水杉幼苗最高，为(35.6±0.6)mm，随后幼苗长度随干旱胁迫的增强而持续下降，当水势为-9 MPa时，水杉幼苗苗长显著下降到(2.5±1.3)mm。

2.3 模拟盐胁迫处理对水杉种子萌发的影响

从图3可以看出，随着NaCl浓度的升高，水杉种子的发芽率、发芽势和发芽指数均呈显著下降的趋势(p<0.05)。其中，ck的种子最终平均发芽率最高。当NaCl溶液浓度范围升高至100～175 mmol·L-1时，种子的最终平均发芽率无显著差异，但较ck分别显著下降了34%、36%、46.5%和57%。随后当NaCl溶液浓度范围再次升高至150～250 mmol·L-1时，最终平均发芽率均下降至10%以下。发芽势和发芽指数的变化相比发芽率更为显著，当NaCl溶液浓度为100、125 mmol·L-1时，发芽势无显著差异，当NaCl溶液浓度范围升高至150～250 mmol·L-1时，发芽势均下降至5%以下。同样，发芽指数也呈现类似变化，在NaCl溶液浓度范围为150～250 mmol·L-1时，发芽指数下降至5左右且无显著差异。

2.4 模拟盐胁迫处理对水杉幼苗苗长的影响

由图4可知，不同浓度NaCl溶液对水杉幼苗生长具有显著影响(p<0.05)。其中，ck的幼苗最高，为(35.6±0.6)mm，随着NaCl溶液浓度的升高，幼苗苗长呈持续降低的变化趋势。当NaCl溶液浓度范围升高至200～250 mmol·L-1时，幼苗苗长下降至5 mm以下且无显著差异。

2.5 水杉种子耐盐性及耐旱性评价

根据水杉种子不同处理后的相对发芽率进行线性回归分析，以进一步明确水杉种子萌发对干旱胁迫和盐胁迫的耐受程度。结果表明，水杉种子相对发芽率与不同水势和盐浓度之间均呈良好的线性函数关系，其中相对发芽率与水势之间的最优线性函数方程为y=96.07+10.16x1，R2=0.944 6，相对发芽率与盐浓度之间的最优线性函数方程为y=102.5-0.417 1x2，R2=0.962 4。由最优线性函数方程求得水杉种子的耐旱和耐盐适宜水势和浓度分别为-2.1 MPa和65.9 mmol·L-1，耐旱和耐盐半致死水势和浓度分别为-4.5 MPa和125.9 mmol·L-1，耐旱和耐盐极限水势和浓度分别为-8.5 MPa和221.8 mmol·L-1。

3 讨论与结论

种子的发芽率、发芽势和发芽指数是衡量种子质量的重要指标[3]。而种子萌发期是对胁迫环境最敏感的时期，植株在这一时期对胁迫环境的耐受能力一定程度上反映了植物整体的耐受性[3,19]。影响种子萌发的因素有很多，并且在不同的植物种类和生境下，影响种子萌发的主要因子也有所不同[20-21]。其中，干旱胁迫和盐胁迫是影响植物生长发育的主要逆境因素。干旱胁迫下，由于植物体内缺水会对植物造成渗透胁迫，导致植物失水[22]，植物在失水情况下会导致酶的活性下降甚至丧失，进而影响植物的光合作用和生长发育[23-24]。盐胁迫下，植物体内会产生大量活性氧，损伤细胞膜，从而抑制植物正常生长[25-26]。然而我国干旱盐碱土地面积大、分布广，已经成为一种待开发利用的重要后备耕地资源[27]，因此，不断研究挖掘适宜干旱、盐渍化土地种植的植物资源对农业发展及生态环境建设具有重要意义。

本研究中，与对照相比，水杉种子的萌发及苗长均随干旱胁迫和盐胁迫强度的增强呈持续下降趋势，说明水杉种子萌发及幼苗生长在干旱及盐胁迫下均受到不同程度的抑制。一方面，在干旱胁迫下，水杉种子的发芽率和发芽势虽然随干旱胁迫程度增加而下降，但当水势降到-5 MPa时，种子发芽率仍有(44.0±6.3)%，种子发芽势为(16.0±1.6)%，且根据水杉种子相对发芽率与干旱胁迫的最优线性方程可知其耐旱半致死水势为-4.5 MPa，其耐旱能力甚至与我国4种荒漠植物的种子相当[28]，说明水杉种子具有较强的耐旱性。这与吴漫玲等[29]的研究结果相似但又不尽相同，因为其研究结果显示在温度偏高或者偏低时，0.05～0.1 g·mL-1的低浓度PEG-6000溶液对水杉种子萌发有一定的促进作用，但这并未在本实验中体现，故可进一步研究水杉种子在温度和低浓度的干旱胁迫的交互作用下，其萌发指标及生理生化指标的变化情况，探讨低浓度的干旱胁迫能否促进水杉种子的萌发。另一方面，在不同浓度的NaCl溶液胁迫下，水杉种子的发芽势、发芽率和发芽指数均呈随NaCl溶液浓度升高而下降的趋势，这与王树凤等[30]在研究同科不同属的水松种子对盐胁迫响应的研究结果类似。本实验中水杉种子在200 mmol·L-1的NaCl溶液处理下的最终平均发芽率降至(8.0±3.6)%，且根据水杉种子相对发芽率和盐浓度之间的线性方程可知，水杉种子的耐盐极限浓度为221.8 mmol·L-1，这远低于沙地云杉和青海云杉种子在相同条件下的最终平均发芽率[31]。由此可见，水杉种子的耐盐性不强。

综上所述，本研究初步探究了水杉种子对干旱胁迫以及盐胁迫的耐性程度，结果显示，水杉种子对干旱具有较强耐性，对盐胁迫耐性不强。这为水杉种子的合理种植及干旱、盐碱地种植水杉进行生态修复提供了一定的参考依据。后续可进一步探究干旱和盐胁迫交互作用下种子萌发和幼苗生长表现，以及水杉种子抵抗胁迫时的一系列内在变化，为揭示水杉种子对胁迫的响应及实际种植提供理论依据。