PEG 模拟干旱胁迫对3 种豆科牧草种子萌发的影响

李红玉，王 勃，张耀丹，郑 川，范华芳，夏方山

（1.山西农业大学科研管理部，山西 太谷 030801；2.山西农业大学草业学院，山西 太谷 030801）

地球上约1/3 的陆地属于水资源匮乏的干旱和半干旱区域，因此，干旱成为全世界农牧业生产的关键限制因素之一。 我国干旱和半干旱地区约占国土总面积的1/2［1-2］，对我国食物安全、生态安全和种质安全造成重大威胁［3］。 如何培育出适应该区域气候环境的抗旱优良草种成为草学领域研究的热点问题［4］。 聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）具有较高的亲水性，被广泛用作植物水分胁迫剂模拟干旱环境进行研究［5-6］。 种子萌发是植物整个生命周期中非常重要的起始阶段，也是植物对外界胁迫最敏感的时期，直接影响植物后期的生长发育［7］。 目前，关于紫花苜蓿（Medicago sativa）［8］、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）［9］和燕麦（Avena sativa）［10］等牧草种子的干旱萌发研究已有报道， 但牧草种子响应干旱萌发的具体机理仍然不清楚。

达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）、 扁蓿豆（Medicago ruthenica）和多变小冠花（Coronilla varia）是重要的豆科多年生草本植物，具有耐旱、耐瘠薄、耐盐碱、抗逆性强等优良特性，是山地、丘陵地、沙地等退化草地的重要水土保持植物。达乌里胡枝子、 多变小冠花和扁蓿豆也是饲养家畜的重要优质牧草，同时是理想的蜜源植物，在草产业开发与利用等多领域具有非常大的潜力， 是极有栽培前景的牧草之一［11-13］。 该试验分析了3 种豆科牧草种子遭受干旱胁迫萌发时的发芽率（germination percentage，Gp）、发芽指数（germination index，Gi）、平均发芽时间（mean germination time，MGT）和幼苗活力指数（seedling vigor index，SVI）的变化差异， 并采用隶属函数综合评价三者的抗旱性差异， 以期为抗旱优良豆科牧草新品种的培育提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料及来源

供试草种为“晋农1 号” 达乌里胡枝子、“太行”扁蓿豆和“绿宝石”多变小冠花3 种豆科牧草，种子均由山西农业大学草业学院草种实验室于2019 年10 月收集， 在-20 ℃条件下密封保存至2020 年5 月进行试验。

1.2 试验设计

挑选饱满、大小均匀一致的达乌里胡枝子、扁蓿豆和多变小冠花种子， 将3 种牧草种子分别放入置有双层滤纸的不同消毒培养皿， 每个培养皿放入100 粒种子， 然后分别向每个培养皿中加入5 mL 浓度（W/V）为0（CK）、5%、10%、15%、20%和25%的PEG 溶液， 每天定时用称重法补充蒸发失去的水分，以保持溶液浓度恒定。 每个处理设置4个重复，共72 个培养皿。 按照《草种子检验规程》（GB/T 2930.4—2017）［14］规定的发芽条件进行标准发芽试验，将达乌里胡枝子和扁蓿豆种子置于25 ℃培养箱中培养，初次计数第5 天，末次计数第14 天； 将多变小冠花种子置于20 ℃培养箱中培养，初次计数第7 天，末次计数第14 天。

1.3 指标测定

发芽测试期间每天记录发芽种子数， 以胚根突破种皮超过种子长度1/2 为标准记为发芽。 发芽结束后称量其幼苗鲜重及苗长， 计算种子的Gp、Gi、MGT 及SVI，具体方法见参考文献［15］。

1.4 抗旱性综合评价方法

采用隶属函数法综合评价3 种豆科牧草种子萌发期的抗旱性，具体计算公式见参考文献［16］。

1.5 数据处理

采用Excel 2010 软件对试验数据进行初步整理。利用SPSS 22.0 统计学软件进行单因素方差分析和双因素方差分析。 不同PEG 浓度下3 种牧草种子发芽指标的单因素方差分析及组间多重比较采用Duncan′s 法进行，P＜0.05 表示差异显著，P＞0.05 表示差异不显著。 PEG 浓度和物种对3 种牧草种子萌发特性影响的双因素方差分析采用一般线性模型法。 作图应用Origin 软件。 试验数据以“平均值±标准误”的形式表示。

2 结果与分析

2.1 PEG 模拟干旱胁迫对3 种豆科牧草种子Gp的影响

达乌里胡枝子和扁蓿豆种子Gp 均随PEG 浓度增加呈下降趋势，PEG 浓度为25%时达乌里胡枝子种子Gp 为0； 而多变小冠花种子Gp 则总体上随PEG 浓度增加呈先升高后降低趋势， 并在PEG 浓度为5%时达到最大值（见图1）。 不同浓度PEG 胁迫下达乌里胡枝子和扁蓿豆种子Gp 均显著（P＜0.05）低于CK；多变小冠花种子Gp 在PEG浓度为5%和10%时显著 （P＜0.05） 高于CK，在PEG 浓度为15%、20%、25%时显著（P＜0.05）低于CK。 扁蓿豆和多变小冠花种子Gp 在PEG 浓度为5%和10%时显著（P＜0.05）高于达乌里胡枝子种子；扁蓿豆种子Gp 在PEG 浓度为15%时显著（P＜0.05）高于多变小冠花和达乌里胡枝子种子，多变小冠花种子Gp 在PEG 浓度为15%时显著 （P＜0.05）高于达乌里胡枝子种子；多变小冠花种子Gp在PEG 浓度为20%和25%时显著（P＜0.05）高于达乌里胡枝子和扁蓿豆种子。

图1 PEG 胁迫对3 种豆科牧草种子Gp 的影响

2.2 PEG 模拟干旱胁迫对3 种豆科牧草种子Gi的影响

达乌里胡枝子和扁蓿豆种子Gi 均随PEG 浓度增加呈下降趋势，PEG 浓度为25%时达乌里胡枝子种子Gi 为0；而多变小冠花种子Gi 则总体上呈先升高后降低的趋势，PEG 浓度为10%时达到最大值（见图2）。 不同浓度PEG 胁迫下达乌里胡枝子和扁蓿豆种子Gi 均显著（P＜0.05）低于CK；多变小冠花种子Gi 在PEG 浓度为5%和10%时显著（P＜0.05）高于CK，在PEG 浓度为15%、20%、25%时显著（P＜0.05）低于CK。 扁蓿豆种子Gi 在PEG 浓度为5%、10%、15%时显著（P＜0.05）高于达乌里胡枝子和多变小冠花种子； 多变小冠花种子Gi 在PEG 浓度为20%和25%时显著 （P＜0.05）高于达乌里胡枝子和扁蓿豆种子。

2.3 PEG 模拟干旱胁迫对3 种豆科牧草种子MGT 的影响

达乌里胡枝子、 扁蓿豆和多变小冠花种子的MGT 均随PEG 浓度增加总体呈上升趋势 （见图3）。 当PEG 浓度为5%～20%时，达乌里胡枝子种子的MGT 随PEG 浓度增加而显著（P＜0.05）增加，当PEG 浓度为25%时，达乌里胡枝子种子的MGT为0； 当PEG 浓度为5%～25%时， 扁蓿豆种子的MGT 均随PEG 浓度增加而显著（P＜0.05）增加；多变小冠花种子的MGT 在PEG 浓度为5%时与CK差异不显著（P＞0.05），在PEG 浓度为15%～25%时显著（P＜0.05）高于CK。 除了PEG 浓度为20%时，多变小冠花种子的MGT 均显著（P＜0.05）高于达乌里胡枝子和扁蓿豆种子。

2.4 PEG 模拟干旱胁迫对3 种豆科牧草种子SVI 的影响

达乌里胡枝子和扁蓿豆种子SVI 均随PEG浓度增加呈下降趋势，并显著（P＜0.05）低于CK；而多变小冠花种子SVI 则总体上呈先升高后降低的趋势，PEG 浓度为5%和10%时显著（P＜0.05）高于CK，并在浓度为10%时达到最大值（见图4）。总体来看， 多变小冠花种子SVI 在相同浓度PEG胁迫下要高于达乌里胡枝子和扁蓿豆种子。

2.5 不同PEG 浓度和草种对种子萌发特性的双因素方差分析

双因素方差分析表明，PEG 浓度、物种及两者相互作用对达乌里胡枝子、 扁蓿豆和多变小冠花种子的Gp、Gi、MGT 和SVI 的影响显著性在保留3 位小数时仍然均小于0.001（见表1），故PEG 浓度、物种及两者相互作用对达乌里胡枝子、扁蓿豆和多变小冠花种子的Gp、Gi、MGT 和SVI 均具有极显著（P＜0.001）影响。

2.6 3 种豆科牧草的抗旱性综合评价

以Gp、Gi、MGT 和SVI 为依据计算达乌里胡枝子、 扁蓿豆和多变小冠花的隶属函数值发现，3种豆科牧草的隶属函数值排序为多变小冠花＞扁蓿豆＞达乌里胡枝子（见表2），可知多变小冠花的抗旱性最强，扁蓿豆次之，达乌里胡枝子最弱。

表2 PEG 模拟干旱胁迫下3 种豆科牧草的平均隶属函数值及综合评价

3 讨论

不同的生态环境会塑造出具有不同抗性的植物种，而不同植物对同一因素的响应不尽相同，不同植物对干旱适应性也存在很大差异［17］。 评价植物抗旱性强弱的指标有很多，Gp、Gi、MGT 和SVI是研究植物种子抗旱性萌发常采用的关键指标［17］，也是衡量种子发芽能力及种子质量等级的重要指标［18-19］。 试验中多变小冠花种子的Gp、Gi和SVI 在PEG 浓度5%和10%时均显著（P＜0.05）高于CK（见图1、图2 和图4），这说明低浓度PEG胁迫对多变小冠花种子萌发具有一定的促进作用。 研究藜麦（Chenopodium quinoa）种子时发现，胚根长在PEG 浓度为5%时达到最大值，而Gp、发芽势和Gi 均在PEG 浓度为10%时达到最大值［3］。这与该试验的结果相似，可能是低浓度PEG 对种子起到了一定的引发作用， 启动了种子体内一系列抗旱保护机制， 减少种子在吸胀过程中对膜系统的损伤， 从而促进了植物种子的萌发及幼苗生长［20］。然而，种子萌发前的代谢反应是一个漫长而复杂的过程，种子抗逆萌发的能力越强，需要的萌发前代谢越复杂而漫长， 多变小冠花种子萌发所需的MGT 最长（见图3）。

图3 PEG 胁迫对3 种豆科牧草种子MGT 的影响

图4 PEG 胁迫对3 种豆科牧草SVI 的影响

达乌里胡枝子和扁蓿豆种子的Gp、Gi 和SVI均随PEG 胁迫增强呈持续下降趋势（见图1、图2和图4），而其MGT 呈持续上升趋势（见图3），且达乌里胡枝子和扁蓿豆种子的各项发芽指标均显著（P＜0.05）低于CK，这可能是由于采用PEG 模拟干旱胁迫使得种子内部膜系统受到了损伤， 造成细胞及组织失水， 导致其无法正常生长发育［20］。PEG 浓度≥15%时，3 种豆科牧草种子的Gp、Gi和SVI 均呈显著（P＜0.05）低于CK，这说明采用高浓度PEG 模拟干旱胁迫对3 种豆科牧草种子萌发均产生强烈的抑制作用，即达乌里胡枝子、扁蓿豆和多变小冠花不能承受PEG 浓度≥15%时造成的干旱胁迫。 程波等［8］在用PEG 模拟干旱胁迫研究5 种紫花苜蓿抗旱萌发时得出类似结论。

试验发现，PEG 浓度、物种及两者相互作用对达乌里胡枝子、 扁蓿豆和多变小冠花种子的Gp、Gi、MGT 和SVI 均具有极显著（P＜0.001）影响（见表1），这说明不同草种对干旱胁迫程度的适应性存在明显差异。然而，不同指标评价下同种植物的抗旱性强弱存在差异， 采用单一指标研究抗旱性存在无法综合反映植物抗旱能力的局限性［21］。 隶属函数综合评价法是在多指标测定基础上对植物抗旱性进行综合评价的有效方法， 它不仅可以减少个别指标对试验结果的影响， 也因其平均数是一个［0，1］区间的纯数而使各物种的抗旱性差异具有可比性［2，8］。 一般来说，植物抗旱性越强则其Gp、Gi 和SVI 越高，MGT 越短， 抗旱性弱则相反。试验以3 种豆科牧草种子的Gp、Gi、MGT 和SVI为基础， 采用隶属函数法将各项指标进行综合评价分析发现，3 种豆科牧草种子的抗旱性强弱顺序为多变小冠花＞扁蓿豆＞达乌里胡枝子（见表2）。

4 结论

不同草种、PEG 浓度及二者交互作用对3 种牧草种子萌发的影响明显不同，采用PEG 模拟干旱胁迫抑制了达乌里胡枝子和扁蓿豆种子的萌发，但低浓度（≤10%）的PEG 模拟干旱胁迫能促进多变小冠花种子萌发， 而高浓度 （≥15%）的PEG 模拟干旱胁迫则会抑制其种子萌发。 由3 种豆科牧草种子的抗旱性综合评价得出， 多变小冠花种子的抗旱萌发能力最强， 而达乌里胡枝子种子的抗旱萌发能力最弱。