PEG预处理对文冠果种子萌发和幼苗生长的影响

张加利，张雨欣，王宁，王思雨，曹晗，牟洪香

(河北农业大学 林学院，河北 保定 071000)

文冠果(Xanthocerassorbifolium)是我国北方特有的优良木本油料树种，为无患子科文冠果属植物[1]。其种子含油率高，适应能力强，且具有较高的经济价值和生态价值，作为一种非常具有发展潜力的生物能源物种，受到了人们的广泛关注[2]。目前对文冠果的研究主要集中在资源分布、引种选育、栽培技术、结实生理、种仁成分及开发利用等方面[3-6]。随着文冠果的推广和应用，对苗木的需求量越来越大，生产上以播种繁殖为主，但其发芽率较低，提高种子发芽率，保证幼苗生长健壮是大面积种植文冠果的关键[7]。聚乙二醇(PEG-6000)是一种水势调节物质，大量研究表明，适当浓度的PEG胁迫可加快植物次生代谢，促进植物的种子萌发和幼苗生长，提高植物对逆境的适应能力，在桑树、油松、核桃、元宝枫等林木树种的苗木培育中均有应用[8-13]。近些年来，PEG处理被广泛应用于植物的渗透胁迫试验，在林木育种试验中多用来处理幼苗，但较少应用于种子的处理[12-14]。本研究以文冠果种子为研究对象，对文冠果种子进行不同浓度的PEG预处理，研究PEG种子预处理对文冠果种子萌发、幼苗生长过程中各生理指标的影响，找出最佳PEG种子预处理浓度，以期为文冠果苗木培育及栽培提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

2020年秋季于河北农业大学标本园内将文冠果种子采摘后阴干低温保存，2021年6月在河北农业大学人工智能气候室进行苗木培育。

1.2 试验设计

选取大小一致且种皮无损的文冠果种子，用0.5%的高锰酸钾消毒30 min后用蒸馏水冲洗3～5遍。将清洗干净的种子放到始温为50 ℃的水中浸泡3 d(每天换水1次)，分别放到不同质量浓度的PEG(15%、20%、25%、30%、35%)溶液中，浸泡24 h后取出，以蒸馏水浸种作为对照(CK)，浸种过程中摇晃瓶子，使种子充分浸泡。选取上口径、下口径、高分别为20 cm、12 cm、10 cm的育苗盆，每盆装沙土1.5 kg，将处理好的种子播于盆中，覆土厚度为2 cm左右，播完浇透水，置于人工智能气候室内，温度25±0.5 ℃，湿度68 %，光照12 h，视沙子干湿程度适时浇水。每处理100颗种子，3次重复。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 发芽指标测定及方法 自播种之日起开始观察记录，以胚芽露出土层为发芽标准，连续3 d无种子萌发记为发芽结束期。发芽率=发芽种子数/种子总数×100 %；发芽势=发芽高峰期时发芽种子数/种子总数×100 %；发芽指数=∑(发芽期内每日发芽数/相应发芽天数)。

1.3.2 生长指标测定及方法 发芽结束后，取不同处理幼苗第3～5片叶子进行形态观察，并拍照。用直尺测量苗高，用数显游标卡尺测幼苗地径。

1.3.3 生理指标测定及方法 播种36 d后，取幼苗中部功能叶片进行生理指标的测定。可溶性糖含量的测定采用蒽酮乙酸乙酯法；可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝(G520)染色法；脯氨酸含量的测定采用茚三酮比色法；超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑(NBT)光还原法；过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法；过氧化氢(CAT)活性测定采用过氧化氢法；丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法[15]。电导率用电导率仪测定，采用相对电导率(相对电导率=浸提液电导率值/煮沸后电导率值×100%)；叶绿素含量测定采用丙酮乙醇混合液法[16]。

1.4 数据处理

采用IBM SPSS Statistics 24软件对种子萌发、幼苗生理指标等进行数据处理及方差分析，采用Microsoft Excel 2013软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 PEG预处理对文冠果种子的影响

PEG预处理对文冠果种子的影响见图1。

图1 PEG预处理对种子发芽率、发芽势、发芽指数的影响

通常可以用发芽率、发芽势、发芽指数等指标去衡量种子的萌发能力[17]。从图1可以看出，随PEG浓度升高，各处理发芽率、发芽势、发芽指数呈现先升高后下降的趋势，在PEG浓度为20%时达到峰值，且与对照差异显著。PEG浓度在15%～25%范围内，各处理间发芽势、发芽指数差异不显著，20% PEG浓度预处理的种子发芽率显著高于15%和25%的，15%和25% PEG 2浓度处理种子发芽率间差异不显著。

2.2 PEG预处理对文冠果幼苗生长指标的影响

2.2.1 PEG预处理对幼苗叶片形态的影响 PEG预处理对幼苗叶片形态的影响见图2。

图2 PEG预处理对幼苗叶片形态的影响

植物受到干旱胁迫时叶片会呈现出不同的形态变化[18]。经PEG预处理后，文冠果叶片的变化如图2所示：PEG浓度为0%～25%时，文冠果幼苗叶片颜色逐渐加深，PEG浓度为30%～35%时，叶片长势减弱，且叶片开始变黄。

2.2.2 PEG预处理对幼苗苗高、地径的影响 PEG预处理对幼苗苗高、地径的影响见图3。

图3 PEG预处理对幼苗株高、地径的影响

植物的苗高和地径反映了植物的生长状态。如图3所示，文冠果幼苗的苗高和地径随PEG浓度的升高，均呈现出先升高后下降的趋势。在PEG浓度为20%时达到最高值，分别比对照提高了5.42%、10.08%，但与对照无显著差异。30%和35% PEG预处理时，苗高、地径均显著低于20% PEG处理，并与对照差异显著。

2.3 PEG预处理对文冠果幼苗生理指标的影响

2.3.1 PEG预处理对渗透调节物质的影响 PEG预处理对渗透调节物质的影响见表1。

可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸是植物在干旱胁迫下重要的渗透保护剂，在胁迫时能保护植物细胞膜，维持细胞膨压，提高植物抵抗逆境的能力[19]。由表1可知，随着PEG浓度的升高，各处理文冠果叶片可溶性糖和脯氨酸的含量均呈上升趋势，且各处理间差异显著。可溶性蛋白含量呈现先升高后下降的趋势，在25% PEG预处理时达到最高值，且显著高于其他处理。

表1 PEG预处理对渗透调节物质的影响

2.3.2 PEG预处理对酶活性的影响 PEG预处理对酶活性的影响见表2。

表2 PEG预处理对酶活性的影响

在受到不良因素刺激时，植物体内活性氧含量会急剧增多，对细胞结构造成破坏，SOD、POD、CAT等可有效清除活性氧自由基，维持过氧化氢的稳态水平，对植物正常生理代谢具有重要的意义，SOD能减弱自由基对植物体的毒害作用，POD和CAT主要作用是分解过氧化氢[20-21]。从表2可以看出，文冠果叶片SOD活性、POD活性随着PEG浓度的升高而升高，20%浓度以上PEG溶液处理的显著高于对照，高浓度PEG溶液(>30%)处理的显著高于低浓度处理的(<20%)。文冠果叶片CAT活性随PEG浓度的升高呈现先升高后下降的趋势，在25% PEG预处理时达到最高值，显著高于其他处理。

2.3.3 PEG预处理对叶绿素的影响 PEG预处理对叶绿素的影响见图4。

图4 PEG预处理对叶绿素的影响

叶绿素是植物进行光合作用时必需的催化剂。由图4可知，文冠果叶片中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素的含量随PEG浓度的升高均呈现先增加后降低的趋势，在25% PEG预处理时达到最高值，叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素的含量分别比对照增加了43.69%、62.22%、50.10%，且显著高于其他处理。

2.3.4 PEG预处理对膜透性的影响 PEG预处理对膜透性的影响见图5。

图5 PEG预处理对膜透性的影响

MDA是膜脂过氧化的重要产物之一，常和相对电导率一起用于判断膜脂受损伤的程度和植物的抗逆性[22]。从图5可以看出，MDA含量与相对电导率随PEG浓度升高均呈现先下降后升高的趋势。当PEG浓度为25%时，MDA含量最低，除与30% PEG预处理的差异不显著外，显著高于其他处理。相对电导率在PEG浓度为20%时达到最低值，除与25% PEG预处理的差异不显著外，显著低于其他处理。

3 讨论

种子的萌发与渗透调节密切相关，而PEG-6 000作为一种高分子渗透调节物质，通过调节植物细胞内的水势变化，可以减缓种子的吸水速率，修复种子吸水过程中膜系统的损伤[23-24]。试验显示，PEG浓度小于25%时，文冠果种子发芽率均高于对照，超过25%后发芽率开始下降，表明文冠果种子最高可耐受25% PEG的渗透调节，这与MDA含量和相对电导率的变化情况相符合。25%～35% PEG浸种后MDA含量和相对电导率均由原来的下降趋势变为上升，进一步证明低浓度PEG浸种能促进文冠果种子萌发，降低膜脂过氧化反应，修复膜损伤，保护膜系统，而较高浓度的PEG浸种会使种子萌发受到抑制，膜脂过氧化程度加重。姚晓华等在PEG预处理对青稞种子萌发和幼苗生长的研究中也得出了相同的结论[25]。

植物的生长受环境影响较大，一般来说，随胁迫程度增强，生长速度随之减慢，甚至停止生长[26]。如张雕等研究得出：菊花桃幼苗的苗高和地径生长量均随干旱胁迫程度增加而逐渐降低[27]。在本研究中，文冠果幼苗的苗高和地茎在15%～25% PEG范围均高于对照，但未达到统计学意义上的显著差异，而在30%、35%时显著低于对照。在15%～25%范围内，幼苗叶绿素含量上升，MDA含量和相对电导率下降，有利于植物积累养分，促进幼苗生长；当PEG浓度过高时(>25%)，细胞处于失水状态，导致种子吸水困难、幼苗活力降低，叶绿素含量下降，同时膜系统受到破坏，影响植株生长发育。

不良环境中，植物体内生理生化特性会呈现一定的变化，SOD、POD、CAT活性的增加能增强活性氧的代谢，提高植物在不良环境中的耐受性[19]。麦苗苗等研究表明95%～345% PEG预处理连香树种子，能提高保护酶SOD、POD和CAT的活性[28]。本研究结果表明，SOD和POD活性均随PEG浓度的升高而增加，CAT活性呈现先升高后下降的趋势，可能是由于高浓度的PEG使文冠果体内积累的活性氧增多，抑制了CAT的产生，从而导致CAT活性下降。除此之外，植物还能通过大量合成和积累渗透调节物质来调节细胞质浓度，降低细胞水势，维持植物体内水分代谢平衡，提高植物在逆境下的抗性[29-30]。本研究发现经15%～35% PEG种子预处理后，文冠果叶片脯氨酸含量、可溶性糖的含量逐步增加，可溶性蛋白虽在25%～35%范围有所下降，但均显著高于对照，表明PEG浸种可以有效提高植物细胞的渗透势，增强对植物细胞的保护作用，这与凌敏等人在巨紫荆PEG胁迫中的研究中结论一致[31]。

4 结论

文冠果种子经PEG预处理后，种子萌发和幼苗生长过程中均有相应指标的变化，表现为2个方面：一方面，较低浓度PEG预处理对文冠果种子萌发具有促进作用，并能提高文冠果幼苗叶片中的渗透调节物质、酶活性和叶绿素含量，降低膜脂过氧化反应；另一方面，高浓度PEG预处理抑制文冠果的萌发和幼苗的生长，使文冠果叶绿素下降、MDA和相对电导率升高；文冠果幼苗通过积累渗透调节物质、增强酶活性来抵抗逆境来带的伤害。试验综合表明：15%～25% PEG种子预处理对文冠果种子萌发和幼苗的生长均有促进作用，且20% PEG促进效果最好，而在30%～35% PEG浓度范围时，文冠果种子萌发和幼苗生长均受到不同程度的抑制。