5种荒漠植物种子萌发与生长抗旱性比较

2021-11-25潘平新马彦军任小燕杜雨柳迪

甘肃农业大学学报 2021年5期

潘平新，马彦军，任小燕，杜雨，柳迪

(甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070)

干旱作为威胁人类生存与发展的最大环境压力之一，已经越来越受到人们的重视.我国干旱半干旱区主要分布在西北地区，约占全国总土地面积的1/2[1].由于蒸发量大、降水量少，干旱成了影响植物生长、分布的主要因素之一[2-3].近年来研究发现，种植荒漠抗旱植物是改善生态环境、节约有限水资源和防沙治沙的一种有效途径[4-5].

干旱胁迫会降低种子的萌发率、延缓种子的发芽高峰期、阻碍幼苗的生长发育，为了适应干旱胁迫，种子在萌发过程中需要与环境相互协调，通过自身的细胞代谢、增加保护酶和渗透调节物质等一系列反应来适应水分胁迫等逆境[6-7].通常采用PEG模拟干旱胁迫的方法，通过测定种子发芽率、发芽势、活力指数、发芽指数等指标来评价荒漠植物的抗性[8-12].

本研究选择甘肃省民勤县戈壁滩的5种荒漠植物：沙打旺(Astragalusadsurgens)、柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、胀果甘草(Glycyrrhizainflata)、光果甘草(Glycyrrhizauralensis)为材料.在气候干旱的民勤戈壁滩，由于荒漠植物分布十分广泛，它们是良好的固沙植物，因而对于抗旱性强的植物的选择尤为重要[13-14].目前，国内学者对于荒漠植物种子萌发研究的报道较多.张勇等[15]研究表明，雨量大小、分布，降水次数及土壤湿度是决定荒漠植物种子萌发的重要生态因子；温度影响种子的萌发，变温促进萌发；部分荒漠植物种子的萌发需要光照，有些要在暗中萌发，有些则对光无特异的需求；沙埋深度可调节光照、土壤湿度和土壤温度，从而调节种子萌发.杨景宁等[16]研究表明，在4种荒漠植物种子中，梭梭(Haloxylonammodendron)种子萌发的抗旱性最强，而碱蓬(Suaedaglauca)的抗旱性最弱.贺慧等[17]研究表明，5种荒漠植物种子在萌发过程中吸水量有显著性的差异；荒漠锦鸡儿(Caraganaroborovskyi)、多裂骆驼蓬(Peganummultisectum)等同种植物不同产地的种子的吸水量也存在显著性差异；吸胀过程中5种植物种子的千粒质量与吸胀时间呈正相关，与吸水速率呈负相关.

由此可见，有关这5种荒漠植物种子萌发对干旱胁迫响应的综合比较研究还比较少，而在同一研究水平下，比较这5种荒漠植物种子的抗旱性强弱研究则未见报道.本研究从生理生态学的角度系统比较了5种荒漠植物种子萌发对干旱胁迫(PEG)的响应，以期促进我国荒漠植物种子的抗逆性研究，为开发利用荒漠植物种质资源和进行植被的恢复与重建提供参考和借鉴.

1 材料与方法

1.1 试验材料

于2018年8月在甘肃省民勤县西渠镇戈壁滩(E 103°32′，N 38°54′，海拔1 309 m)收集沙打旺、胀果甘草、光果甘草、柠条锦鸡儿和苦豆子这5种荒漠植物种子.千粒质量依次为1.43、10.63、6.32、40.55、20.74 g，其中柠条锦鸡儿的千粒质量最大为40.55 g，沙打旺的千粒质量最小1.43 g；硬实率依次为2%、21%、56%、5%、78%，其中苦豆子的硬实率最大为78%，沙打旺的硬实率最小为2%.

1.2 试验方法

1.2.1 种子处理参照《国际种子检验规程》[18-19]，试验前将种子先浸泡24 h，然后选择吸胀饱满的种子，再使用500 mg/L 84消毒液消毒30 min，之后用无菌水清洗3次，用滤纸吸干备用.

1.2.2 试验方法本试验利用不同体积分数的PEG溶液对5种荒漠植物做处理，即0(CK)、5%、10%、15%、20%，每种植物设5个不同处理，每个处理设3次重复，每次重复30粒种子，发芽期为7 d.将3次重复中有第1粒种子萌发作为该处理发芽的开始，连续3 d无种子发芽作为发芽的结束[18].事先将蛭石清洗干净，用高压灭菌锅灭菌，然后在干燥箱烘干，平铺在发芽盒内，厚3 cm.用等量的不同体积分数的PEG溶液将蛭石浇透作为苗床，以蒸馏水处理的蛭石苗床为对照(CK).将种子均匀地条播在发芽盒里，覆蛭石0.5 cm.然后放入25 ℃，湿度75%，光照/黑夜时间为12 h/12 h的人工气候箱中培养发芽.每天定时观察并记录种子的发芽情况.

1.3 测定指标

测量并计算种子的发芽率(Germination rate，GR)、发芽势(Germination energy，GE)、发芽指数(Germination index，GI)、活力指数(Vitality index，VI)、根茎比(Root-Stem ratio，RSR)、根长、茎长(直尺测量)、鲜质量(用万分之一电子天平称质量)、干质量(采用烘干称质量法[20])、含水量(GW)10个指标.

发芽率(%)=发芽种子数/供试种子数×100%[21]

发芽势=前3天种子萌发数/种子总数×100%

发芽指数=∑Gt/Dt

(∑Gt指t时间内的发芽总数，Dt指发芽天数)

活力指数 =GI×S(GI为发芽指数，S为幼苗鲜质量)

根茎比=根长/茎长[22]

含水量=(鲜质量-干质量)/鲜质量×100%

1.4 抗旱性综合评价方法

采用隶属函数法对5种荒漠植物的抗旱性进行综合评价.隶属函数值X(u)如下式：

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：X为所有荒漠植物某一指标测定值的均值，Xmin、Xmax为所有荒漠植物某一指标均值的最小值和最大值.如果某一指标与抗性指标呈负相关，则可通过反隶属函数计算其抗旱性隶属函数值X(v)：

X(v)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

最后，再将每种荒漠植物各个指标的隶属值累加求其平均值.根据平均隶属函数值大小确定抗旱性强弱并进行排序，平均值越大，抗旱性越强[23].

1.5 数据分析

2 结果与分析

2.1 PEG胁迫对种子发芽率、发芽势的影响

由图1可知，PEG模拟干旱胁迫对不同荒漠植物种子发芽率、发芽势的影响不同，随着胁迫程度的加剧，种子的发芽速率受到影响，发芽率、发芽势受到严重抑制，尤其15%和20% PEG处理下，5种荒漠植物的发芽率、发芽势均与CK相比差异显著(P<0.05).在5% PEG处理时，5种荒漠植物的发芽率、发芽势达最大，且与CK相比差异不显著(P>0.05).超过5%PEG处理后，发芽率、发芽势开始呈下降趋势，这可能是低体积分数的PEG促进种子萌发，高体积分数PEG抑制种子萌发.在20%PEG处理下，沙打旺、胀果甘草、光果甘草、柠条锦鸡儿、苦豆子5种荒漠植物的发芽率、发芽势与其在5%处理下相比分别下降了76.46%、16.67%、40.00%、40.61%、74.99%；71.23%、31.03%、43.33%、51.40%、83.13%；随着PEG体积分数的增大，胀果甘草、光果甘草的发芽率、发芽势均在60%以上，明显高于其他几种荒漠植物的发芽率、发芽势.从发芽率、发芽势角度来看，胀果甘草、光果甘草的种子都具有较高的萌发力，说明胀果甘草、光果甘草的耐旱程度最好.

同一指标不同字母表示处理间差异显著(P<0.05).

2.2 PEG胁迫对种子发芽指数、活力指数的影响

由表1可知，在5%PEG处理下，除胀果甘草、光果甘草的活力指数与CK差异显著(P<0.05)外，沙打旺、胀果甘草、光果甘草、柠条锦鸡儿的发芽指数、活力指数与CK差异不显著(P>0.05).在未胁迫的情况下，光果甘草发芽指数、活力指数分别为0.98、12.27，种子质量最好，其次是胀果甘草，发芽指数、活力指数分别为0.97、8.80，种子质量最差的是苦豆子，其发芽指数、活力指数分别为0.23、1.53；当5% PEG处理时，柠条锦鸡儿、苦豆子的发芽指数、活力指数与CK相比呈现出上升的趋势；在PEG体积分数超过5%后，随着干旱胁迫的加重，5种荒漠植物的发芽指数、活力指数均呈现出下降的趋势；沙打旺的发芽指数、活力指数在20%PEG处理时下降为0.00、0.50，较CK下降了100%、65.99%，表明沙打旺的发芽能力和活力与其他荒漠植物相比较差.

表1 PEG胁迫对5种荒漠植物种子发芽指数、活力指数的影响

2.3 PEG胁迫对幼苗根长、茎长和根茎比的影响

由表2可知，5种荒漠植物各处理之间根长、茎长以及根茎比呈现出不同的差异性.在5% PEG处理时，除柠条锦鸡儿的茎长，苦豆子的根长、茎长与CK差异显著(P<0.05)外，其余均与CK差异不显著(P>0.05).在CK和5%PEG处理下，苦豆子和柠条锦鸡儿的根长、茎长生长最好，分别为15.57、18.07 cm；10.10、10.23 cm；14.27、12.30 cm；8.37、6.60 cm；其余几种荒漠植物在干旱胁迫刚开始时(5%)根长、茎长高于CK，说明低体积分数的PEG溶液可以促进这些荒漠植物根长、茎长的生长.当15% PEG处理时，大多数荒漠植物的根长、茎长以及根茎比与各自的CK相比都有下降，而当20% PEG处理时，苦豆子、光果甘草根长、茎长明显高于各自15%PEG处理下的根长、茎长，表现出较强的抗旱性.

表2 PEG胁迫对5种荒漠植物幼苗根长、茎长和根茎比的影响

2.4 PEG胁迫对幼苗鲜质量、干质量和含水量的影响

由表3可知，随着PEG胁迫加剧，沙打旺、胀果甘草、光果甘草、柠条锦鸡儿、苦豆子的鲜质量、干质量呈下降趋势，而含水量呈先上升后下降的趋势.当5%PEG处理时，5种荒漠植物的含水量达到最大，由大到小依次为沙打旺(86.37%)、胀果甘草(85.46%)、光果甘草(84.07%)、柠条锦鸡儿(62.15%)、苦豆子(74.65%)；沙打旺的鲜质量，光果甘草、苦豆子的鲜质量、干质量与CK相比差异显著(P<0.05)；胀果甘草、柠条锦鸡儿的鲜质量、干质量、含水量与CK差异不显著(P>0.05).在PEG体积分数为20%时，苦豆子的鲜质量、含水量分别为52.64 mg，66.61%，较15% PEG处理干质量、含水量高8.75 mg,1.25%.说明在较高体积分数PEG下，苦豆子幼苗对其干旱环境具有较强的适应能力.

表3 PEG胁迫对5种荒漠植物幼苗鲜质量、干质量和含水量的影响

2.5 5种荒漠植物抗旱性综合评价

利用隶属函数对5种荒漠植物的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根长、茎长、根茎比、鲜质量、干质量以及含水量进行综合评价，得到5种荒漠植物的抗旱性见表4.根据隶属函数的平均值进行排序，得出5种荒漠植物的抗旱性强弱依次为胀果甘草>光果甘草>沙打旺>苦豆子>柠条锦鸡儿.

表4 5种荒漠植物耐旱指标隶属函数值及耐旱性综合评价

3 讨论

种子萌发主要由植物自身因素和外界环境所决定，在干旱环境中植物能否生存，最重要取决于种子的发芽能力和活力大小[24].而发芽率代表种子的发芽力，发芽势、发芽指数代表种子的活力，是种子在萌发和幼苗时期活性强度的综合评价[25].有研究表明，低浓度的 PEG 溶液可以促进种子萌发，如刘长利、马海鸽等[26-27]研究发现，低浓度的 PEG胁迫可促进甘草种子的萌发；王彦荣以及孙建华等[28-29]研究发现，较高渗透势的 PEG可以提高沙打旺种子的萌发；曾怡[30]在对禾本科的垂穗披碱草(Elymusnutans)和老芒麦(Elymussibiricus)研究发现，5%的 PEG 溶液对二者的主根长均有不同程度的促进作用；梁国玲等[31]在对禾本科羊茅属和肖亮等[32]对禾本科芒草的研究中均发现5% PEG可以促进材料胚根生长；孙清洋[33]研究了9个来自不同地区的禾本科老芒麦，发现其中有4种老芒麦的胚根长在低浓度 PEG下呈现出增加的趋势，其余5种老芒麦的胚根长则随着PEG 浓度升高呈现下降趋势.本研究发现，5%的PEG 溶液对于草本植物种子的萌发具有一定的促进作用，尤其是对于胀果甘草、光果甘草的发芽率、发芽势，苦豆子根长、茎长的生长具有明显的促进作用，这些结果与上述研究者的结果基本一致，这表明低体积分数的PEG溶液对上述种子有较好的引发作用，可以增强种子的活性.当然，低体积分数的PEG溶液是否对种子萌发具有促进作用，也可能与植物种类或植物受干旱胁迫的敏感性有关[34].

植物抗旱性受多种外界因素的影响，不同植物种子对同一指标的抗旱性反应也不一定相同[35].而对于抗旱性评价的指标也有很多种，根据不同的研究目的可以选择合适的研究指标，关于荒漠植物萌发期抗旱指标选择，前人已做了大量研究，而本试验选择的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、根长、茎长等多个指标，均有研究者做了相应研究[33,36]，这些指标与出苗率、成苗率都有密切联系，而成苗率是反映幼苗期抗旱能力的主要指标.5种荒漠植物在不同指标下的抗旱性强弱并不完全一致，因为种子的抗旱性受多个因素的共同作用，仅用单一的指标难以准确地反映抗旱性的强弱，所以必须运用多个指标进行综合性评价[37-38]，因此隶属函数法被广泛应用于抗旱性评价[39-43].本研究发现5种荒漠植物在萌发期胀果甘草的抗旱性最强，其次是光果甘草，而柠条锦鸡儿的抗旱性最弱.司马义·巴拉提等[44]在对甘草、苦豆子等8种牧草萌发期抗旱性研究中发现，甘草的抗旱性强于苦豆子，这与本研究中荒漠植物的抗旱性顺序一致.王亚楠等[45]在PEG-6000模拟干旱胁迫下10种草本植物萌发期抗旱性比较发现，苦豆子的抗旱性强于沙打旺，这与本试验结果中荒漠植物的抗旱性顺序有所不同，这可能是因为种子萌发期的抗旱性与种子本身的特性与生理状况有关，因此胀果甘草、光果甘草是否在苗期乃至全生育期也具有较强的抗旱性还需进一步的研究.