5种禾草种子萌发及幼苗生长对干旱胁迫的响应和抗旱性评价

张杰雪，王占青，全小龙，梁军，史惠兰，陈梦词，乔有明

(1.青海大学省部共建三江源生态和高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁 810016；2.青海大学农牧学院，青海 西宁 810016；3.青海大学生态环境工程学院，青海 西宁 810016)

三江源区的高寒草甸重度退化后用草甸原有的嵩草属(Kobresia)植物进行草地恢复或重建几乎是不可能的，只有采取人工播种或补播等措施才能实现快速恢复或植被重建的目的。而退化高寒草地恢复或重建一般采用披碱草属(Elymus)、早熟禾属(Poa)和羊茅属(Festuca)等多年生禾草的混播方式进行，播种深度在2 cm以内，播种后主要靠降水和土壤水分完成种子萌发和幼苗生长。由于播深浅，一旦遇到土壤长时间干旱，种子萌发和幼苗生长就会受到胁迫，出现种子不能发芽或幼苗不能存活的问题，特别是早熟禾等小粒种子植物更易受到影响。萌发被认为是植物生命周期中最关键的阶段，是一个非常复杂的过程，在此过程中，种子需要迅速从休眠状态转换为加速代谢状态，以使胚根和胚芽形成[1-2]，这个过程对干旱胁迫非常敏感[3]。有关禾草的研究发现，随着渗透势的降低，草地早熟禾(Poapratensis)、冷地早熟禾(P.crymophila)等种子的萌发受到抑制[4]，多年生黑麦草(Loliumperenne)、高羊茅(Festucaarundinacea)和草地早熟禾种子的发芽势和发芽率随渗透势的降低先升高后下降[5],但也有研究发现蒙古冰草(Agropyronmongolicum)种子的发芽率、发芽势、活力指数等随PEG溶液渗透势的降低而降低[6]，干旱胁迫对老芒麦(Elymussibiricus)、披碱草(E.dahuricus)等多年生禾本科牧草萌发有显著影响，随着胁迫强度的增加，发芽率、发芽势和胚根长等指标均呈降低趋势[7]。

聚乙二醇( Po1yethy1ene g1yco1，PEG-6000 ) 是高分子物质，能通过调节溶液的渗透压来限制水分进入种子内部，而不影响种子内营养物质的积累[8]，常被作为干旱胁迫的渗透胁迫剂。通常采用不同渗透势的PEG-6000溶液诱导干旱胁迫，测定种子发芽率、发芽势、发芽指数，以及幼苗苗高、根长和干重等多个指标评价植物抗旱性[9-10]。本试验研究了不同渗透势的PEG溶液对同德老芒麦(Elymussibiricuscv.Tongde)、 同德短芒披碱草(Elymusbreviaristatuscv.Tongde)、青海冷地早熟禾(Poacrymophilacv.Qinghai)、青海草地早熟禾(Poapratensiscv.Qinghai)、青海中华羊茅(Festucasinensiscv.Qinghai)5种禾草品种种子萌发以及幼苗生长的影响，以期验证高渗透势是否促进几种多年生栽培牧草种子的萌发，为退化高寒草甸恢复和人工草地的建植及高寒地区牧草抗旱种质资源的选择、应用提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试禾草品种种子分别为同德老芒麦、同德短芒披碱草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾、青海中华羊茅的种子。种子采集信息见表1。

表1 供试禾草种子

1.2 试验方法

1.2.1 禾草种子发芽的测定 2020年7月15日从供试禾草种子中筛选出大小均匀、籽粒饱满的成熟种子，用0.6%的次氯酸钠(NaClO)溶液对种子和培养皿消毒15 min，蒸馏水反复冲洗。将消毒的种子均匀摆放在铺有滤纸的培养皿，每个培养皿放置100粒。加2 mL不同渗透势的PEG-6000溶液，称取每个培养皿的原始重量，做好标记。PEG溶液渗透势分别为0 (CK)，-0.05，-0.15，-0.30，-0.49 MPa，即5个处理，每个处理重复5次。发芽实验在人工智能光照培养箱中进行，白天和夜晚温度均为25 ℃，湿度为80%，光照强度为2 000 lx，光周期12 h。每天用称重法补水并记录正常发芽的种子数目，为了减少水势变动，每隔5 d更换1次无菌滤纸，并及时清理污染发霉的种子。种子发芽以种子的胚芽突破种皮1～2 mm为标准。连续记录21 d，最后计算发芽率，发芽势和发芽指数。

发芽率(Germination rate，GR)=(发芽种子总数/供试种子总数)×100%

相对发芽率=(处理种子发芽率/对照种子发芽率)×100%

发芽势(Germination potential，GP)是规定期限的最初1/3期间内的种子发芽数占供试种子数的百分比为标准[11]，本实验以前7 d发芽为准。

相对发芽势=(处理种子发芽势/对照种子发芽势)×100%

发芽指数(Germination index，GI)=∑(Gt/Dt)，式中，Gt为每天的种子发芽数，Dt为相应的发芽天数。

相对发芽指数=(处理种子发芽指数/对照种子发芽指数)×100%

相对苗高=(处理幼苗苗高/对照幼苗苗高)×100%

相对根长=(处理幼苗根长/对照幼苗根长)×100%

相对干重=(处理幼苗干重/对照幼苗干重)×100%

1.2.2 禾草幼苗生长的测定 幼苗生长试验在人工智能培养箱中进行，白天和夜晚温度均为25 ℃，湿度为80%，光照强度为2 000 lx，光周期12 h。用0.6%的次氯酸钠溶液对种子和培养皿进行消毒15 min，再用蒸馏水反复冲洗。将消毒过的每个品种约200粒种子均匀摆放在铺有滤纸的培养皿中，添加蒸馏水进行发芽，待胚芽长出后，将发芽的种子移植到基质为蛭石和珍珠岩(1∶1)的穴盘上。每个穴盘为25孔，每孔移植5株，每种禾草各种植5孔，5种禾草共移植125株，1个渗透势处理(含对照)为1个穴盘，每个渗透势处理(含对照)设3次重复，即每个渗透势处理3个穴盘。用喷壶均匀喷洒不同渗透势PEG(0 (CK)，-0.05，-0.15，-0.30，-0.49 MPa)8 mL，对照(CK)喷洒蒸馏水，并用水分测定仪测定不同渗透势处理(含对照)下基质的水分含量，以后每隔2 d喷洒蒸馏水以补充基质水分(补充时用水分测定仪检测补充的水分是否达到不同处理基质的水分含量需求)，使基质水分含量保持一定。以发芽日起，生长15 d后，从每个重复内随机取每种植物10株进行测定。将植株幼苗从穴盘中取出，用自来水冲洗根部附着的基质，表面水分晾干后，用游标卡尺测量苗高和根长，最终计算10株的平均值，然后将其装入纸袋置入烘箱于65 ℃条件下将植株烘干至恒重后称重，得到10株植株总干重。

1.2.3 抗旱性综合评价方法 采用模糊数学中隶属函数法对供试禾草种质抗旱性进行综合评价。求出5种供试禾草的各指标在模拟干旱处理下的平均隶属函数值，计算公式如下：

u(Xab)=(Xab-Xbmin)/(Xbmax-Xbmin)

式中：Xab为a禾草b指标在某一处理下的均值，Xbmax为当前处理下b指标测定最大值，Xbmin为当前处理下b指标最小值，当测定指标为负向指标时，应采用反隶属函数：

u(Xab)=(Xbmax-Xab)/(Xbmax-Xbmin)

然后把b指标在全部处理下的隶属值累加，求其平均值，该平均值即为a牧草b指标的耐旱隶属函数值，其值越大代表供试种质抗旱性越强。

1.3 数据处理

2 结果与分析

2.1 渗透势对5种禾草种子萌发的影响

2.1.1 渗透势对禾草种子发芽率和发芽势的影响 对照的发芽率显示，5种禾草种子发芽率在70%～90%，其中草地早熟禾最低，只有71%。PEG溶液处理后发芽率总体变化趋势是随着PEG渗透势的逐步降低而下降，但不同禾草的发芽率对不同渗透势的响应有所不同(图1)。-0.05和-0.15 MPa处理下同德老芒麦发芽率与CK的发芽率无显著差异，青海冷地早熟禾的发芽率也未受到-0.05 MPa处理的显著影响。但2个高渗透势溶液处理已引起同德短芒披碱草、青海草地早熟禾及中华羊茅发芽率的显著下降(P<0.05)。渗透势低于-0.30 MPa后，同德老芒麦、同德短芒披碱草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾及青海中华羊茅的发芽率分别比对照降低了21%、22%、58%、60%和64%，特别是两种早熟禾和中华羊茅的发芽率下降严重。

图1 渗透势下禾草种子发芽率和发芽势Fig.1 Effects ofosmotic potential on the germination rate and germination potential ofgrass seeds注：不同小写字母表示同一品种不同处理间差异显著性(P<0.05);LM:同德老芒麦，DP:同德短芒披碱草，LD:青海冷地早熟禾，CD:青海草地早熟禾，ZH:青海中华羊茅

同德老芒麦、同德短芒披碱草种子的发芽势均大于80%，而青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾及青海中华羊茅发芽势均不到45%，特别是中华羊茅的发芽势只有32%，表明3种小粒禾草种子的发芽具有不整齐性(图1)。PEG溶液处理后5种禾草种子发芽势的变化趋势与发芽率基本一致，因PEG渗透势和禾草的不同存在一定的差异，PEG渗透势为-0.30 MPa时，同德老芒麦、同德短芒披碱草的发芽势分别比对照降低了56%和39%，青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾及青海中华羊茅发芽势接近于0，表明这一渗透势已严重影响这3种禾草的发芽整齐性。

2.1.2 渗透势对禾草种子发芽指数的影响 2种披碱草属禾草对照的种子发芽指数不到20%，2种早熟禾及青海中华羊茅对照的种子发芽指数在10%左右；不同渗透势的PEG溶液对5种禾草种子发芽指数的影响与发芽率和发芽势一致，随着PEG渗透势的逐步降低，发芽指数急剧降低(表2)。当PEG渗透势降为-0.15 MPa时，青海冷地早熟禾发芽指数比对照低50%以上，PEG渗透势降至-0.30 MPa时，同德老芒麦和同德短芒披碱草种子的发芽指数低于对照50%，而青海草地早熟禾和青海中华羊茅的发芽指数降幅超过80%，表明低渗透势PEG溶液处理可导致5种禾草种子的活力进一步降低。

2.2 渗透势对5种禾草幼苗生长的影响

2.2.1 渗透势对禾草幼苗苗高和根长的影响 不同渗透势的PEG溶液对5种禾草幼苗苗高和根长均有不同程度的影响(图2)。与对照相比，PEG溶液渗透势降为-0.30 MPa时，同德老芒麦苗高出现明显下降，而同德短芒披碱草在-0.15 MPa时就已出现显著下降，PEG溶液渗透势继续降低后，对2种披碱草属植物幼苗苗高的影响不再显著。青海草地早熟禾和青海冷地早熟禾的幼苗苗高显著降低分别出现在PEG溶液渗透势低于0.05 MPa和-0.15 MPa时，而青海中华羊茅幼苗苗高在PEG渗透势低于-0.49 MPa时显著降低。

不同渗透势的PEG溶液对同德老芒麦幼苗根长无显著影响，对短芒披碱草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾和青海中华羊茅幼苗根长的影响程度有所不同(图2)。PEG溶液渗透势降为-0.15 MPa时，同德短芒披碱草幼苗根长相比对照显著缩短(P<0.05)。-0.05 MPaPEG溶液对青海冷地早熟禾和青海草地早熟禾幼苗根长无显著影响，但-0.15 MPa和-0.30 MPa PEG溶液能显著增加两者的幼苗根长(P<0.05)，当PEG渗透势降为-0.49 MPa时，两者的幼苗根长受到抑制，相比对照显著缩短(P<0.05)。与对照相比，-0.49 MPa的PEG渗透势并不能引起中华羊茅幼苗根长的显著降低，一定范围的PEG溶液渗透势(-0.05～-0.30 MPa)对中华羊茅幼苗的根生长有促进作用。

表2 渗透势下禾草种子发芽指数

2.2.1 渗透势对禾草幼苗干重的影响 同德老芒麦和同德短芒披碱草幼苗干重在PEG渗透势为-0.05 MPa就出现降低(P<0.05)。PEG渗透势分别降为-0.15和-0.30 MPa时对青海冷地早熟禾和青海草地早熟禾幼苗干重开始产生影响，而对青海中华羊茅幼苗干重的影响在渗透势为-0.30 MPa时才表现出来(P<0.05)。PEG溶液渗透势降到-0.49 MPa时，同德老芒麦、同德短芒披碱草、青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾和青海中华羊茅幼苗干重分别比对照降低33%、25%、33%、40%和24%(表3)。

图2 渗透势下禾草幼苗苗高和根长Fig.2 Effect of osmotic potential on shoot and root length of grass seedlings

表3 渗透势对禾草幼苗干重的影响

2.3 5种禾草抗旱性综合评价

利用隶属函数对5种禾草PEG处理下的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数以及幼苗相对苗高、相对根长和相对干重进行综合评价，得到5种禾草的抗旱性(表4)，其中青海冷地早熟禾、青海草地早熟禾和青海中华羊茅相对根长数据采用隶属函数计算，5种禾草的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数以及幼苗相对苗高和相对干重均采用反隶属函数计算。根据隶属函数的平均值进行排序，得出5种禾草的抗旱性强弱依次为：同德老芒麦>青海草地早熟禾>同德短芒披碱草>青海冷地早熟禾>青海中华羊茅。

表4 5种禾草抗旱指标隶属函数值及抗旱性综合评价

3 讨论

植物种子的萌发期和幼苗生长期为生命周期最敏感时期[12]，极易受到外界环境因子的影响，且不同植物的种子在干旱条件下表现出不同的发芽能力[13-14]。多数研究表明，种子的发芽率、发芽势、发芽指数等随着渗透势的降低而降低，即很多植物种子的萌发都会受到抑制[15-16]，这是由于活性氧的产生加速[17-18]，导致细胞损伤、细胞周期异常[19]，致使种子不能正常发芽。有人对老芒麦和不同品种草地早熟禾的研究发现随着PEG溶液渗透势降低，干旱胁迫加剧，种子的发芽率和发芽势均呈现下降趋势[20-22]；任畇霏等[23]对羊茅属，段金秀等[24]对草地早熟禾的研究也表明，高渗透势能提高禾草种子发芽率、发芽势和发芽指数，低渗透势溶液抑制种子的萌发，这可能是植物在轻度水分亏缺时，补偿与超补偿生长效应的表现[25-26]，也可能是在低渗透势胁迫下细胞内膜系统的某些酶得到了激发，从而提高了种子的萌发能力[27]。本研究未发现高渗透势提高5种禾草种子发芽率、发芽势和发芽指数的情况，且5种禾草种子萌发对渗透调节的响应不完全一致，高渗透势(-0.05 MPa)PEG溶液对同德老芒麦和青海冷地早熟禾发芽率没有显著影响，但已能引起同德短芒披碱草、青海草地早熟禾和中华羊茅发芽率的下降，预示田间轻度干旱可能影响这3种禾草的发芽；低渗透势(<-0.30 MPa)PEG溶液能显著降低5种禾草种子的发芽率，与前人的研究结果相一致。5种禾草种子对照的发芽指数均较低，表明供试禾草种子的活力较低；PEG溶液渗透势降到-0.30 MPa时5种禾草的发芽指数显著降低，表明低渗透势PEG溶液处理可导致其种子的活力进一步降低甚至失活。较低的种子活力加上低渗透势共同作用是导致发芽率和发芽势显著下降的主要原因。幼苗苗高对渗透调节的响应类似于种子发芽的情况，总的趋势是随渗透势降低而降低，是由于渗透势的降低使植物吸收水分的能力降低，茎叶生长受到抑制[29]。不同禾草根长对模拟干旱胁迫的响应表现出差异，一定范围的PEG溶液渗透势能促进青海冷地早熟禾和青海中华羊茅幼苗根的生长，但当渗透势达到-0.49 MPa时，5种禾草幼苗根的生长均受到抑制，这与梁国玲等[23]对羊茅属、孙清洋[20]和曾怡[30]对老芒麦和披碱草的研究结果相一致。在干旱胁迫下，植物吸收水分和营养物质优先供给地下器官(胚根)，从而利于幼苗的成活和生长，是植物水分缺乏时适应环境的一种表现[31-32]。当渗透势达到-0.49 MPa时，已经超过植株忍耐的强度范围，植株的生长受到强烈抑制，甚至死亡。

植物抗旱性受多种因素的影响，不同植物对同一指标的抗旱性反应也不一定相同[34]。植物萌发过程涉及复杂的生理生化作用[35]，用单一的指标难以准确地反映牧草萌发期抗旱性的强弱，必须运用多个指标进行综合评价[36-37]。季波等[7]对老芒麦、披碱草等10种多年生禾本科牧草萌发期的抗旱性研究中发现老芒麦的抗旱性强于披碱草，杨满业等[40]对老芒麦、同德短芒披碱草等5种禾草萌发期抗旱性研究中也发现老芒麦的抗旱性强于同德短芒披碱草；鲁存海[4]在对8种野生早熟禾抗旱性研究比较中发现，草地早熟禾萌发期的抗旱性强于冷地早熟禾，这均与本研究中禾草的抗旱性顺序一致。本研究发现5种禾草在萌发期同德老芒麦的抗旱性最强，其次是青海草地早熟禾、同德短芒披碱草和青海冷地早熟禾，而青海中华羊茅的抗旱性最差，这是由于种子萌发期的抗旱性与种子本身的特性与生理状况有着密切的关系，不同牧草种子对干旱的敏感性不同，可能与种子大小和每种禾草自身的活力有关[15]。

4 结论

不同渗透势对5种禾草种子萌发和幼苗生长均有显著影响，总体上，随着PEG溶液渗透势降低，5种禾草种子发芽率、发芽势、发芽指数以及幼苗苗高和干重均降低；但各草种的不同指标响应不一致，未发现高渗透势介质对发芽有促进作用，但一定范围的渗透势对青海冷地早熟禾和青海中华羊茅幼苗根的生长有促进作用，而对其他3种禾草幼苗的根则有抑制作用。利用隶属函数对5种禾草进行综合评价，其萌发期抗旱性强弱依次为：同德老芒麦>青海草地早熟禾>同德短芒披碱草>青海冷地早熟禾>青海中华羊茅。