不同强度干旱胁迫对蛋白桑种子萌发的影响

段义忠,公静茹,付浩轩,狄 龙

(1.榆林学院 生命科学学院,陕西 榆林 719000;2.榆林市林业产业开发中心,陕西 榆林 719099)

蛋白桑(Morus alba)又称饲料桑,属桑科桑属,为落叶乔木[1]。蛋白桑具有很强的萌发力、抗切割性和适应性[2]。它含有天然活性物质。蛋白桑中含有丰富的无机盐[3]、维生素和其他营养物质[4],对维持身体免疫和抗氧化性具有重要意义,具有很高的药用和饲用价值,能够开发为高品质饲料[5]。

在自然生长环境中,植物极易受到不同因素的影响,尤其是非生物因素。干旱作为一种多维的胁迫,引起植物从表型、生理、生化及分子水平的一系列变化。干旱胁迫会造成植物产量下降,严重影响植物生态效益[6-8],严重的干旱可能导致光合作用的终止和新陈代谢的紊乱,最终导致植物的死亡[9]。在遭受干旱胁迫时高等植物通常会调节其自身代谢机制、保护酶类来应对干旱[10]。例如:在水分缺失的情况下,植物中的脱落酸含量增多,引起气孔关闭,抑制植物萌发。通过促进根系生长以增加吸水能力来提高渗透调节能力,通过活性氧清除酶以及抗氧化剂来降低干旱损害等[6]。这些调节机制仅能忍受轻度和中度干旱,无法应对长时间的重度干旱。而一些通过独特耐极端干旱的机制来适应干旱的复苏植物可以在极端缺水的条件生存,复水后可恢复正常的生长发育[7-10]。

许多研究表明,种子萌发阶段对于植物生长是一个非常关键的阶段,在植物种群的发展中起到重要作用[11]。在干旱环境中,降雨量较少,蒸发量较大[12]。因此制约种子萌发和生长的主要影响要素就是降雨量[13]。在所有不利于植物生存和生长发育甚至导致伤害、破坏和死亡的非生物环境当中,造成农作物损失程度最高的就是干旱,仅次于虫害和生物因素造成的农作物损失[14]。土壤水分流失是导致植物水分缺失的主要因素[15],从而使得植物的根系与环境间渗透不平衡导植物根系不能吸取水分[16],最终严重影响了植物的生长以及发育。在最严重的情况下,他甚至会直接导致植物死亡[17]。因此,为了应对干旱胁迫造成的损害[18],植物种子会通过与环境协同进化,并且是通过体内细胞的代谢等来适应干旱的环境,从而达到抗干旱的效果[19]。聚乙二醇(PEG-6000)是一种强亲水性大分子有机物和高分子渗透剂,其吸水性非常强,能够造成植物细胞脱水,从而达到模拟干旱的效果,它对种子没有毒害效果,且不改变种子的营养。它只是通过渗透调节控制水分子进入植物种子体内的速度。它不光具有优良的周期性,还有良好的简单性和优秀的稳定性。使用聚乙二醇PEG-6000模拟干旱胁迫的效果与士壤逐渐干旱效果相同[20]。

本研究通过人为模拟荒漠地区土壤逐渐干旱,通过对蛋白桑种子进行不同强度的干旱胁迫处理,从而探索蛋白桑种子萌发的耐旱范围,为干旱地区蛋白桑的种植提供一定的参考意见,从而为荒漠化地区的生态恢复与重建提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试剂

采用的植物材料:完好无损、籽粒饱满、大小均匀一致的蛋白桑种子。采用的试剂材料:CK(0%)、1%、5%、10%、15%、20%浓度的PEG-6000溶液,75.0%乙醇溶液。

1.2 试验方法

通过沉水法选择完好无损、籽粒饱满、大小均匀一致的蛋白桑种子,将浮在水面上的干瘪种子或脱皮蛋白桑种子剔除。用75.0%乙醇溶液对选出的蛋白桑种子做清洗和消毒处理0.5 h,再选用蒸馏水漂洗4次,稀释和去除蛋白桑表面残留的乙醇溶液,随后将蛋白桑种子从烧杯中捞出,最后通过滤纸吸干蛋白桑种子表面残留水分。将双层定性滤纸的培养皿作为蛋白桑种子的发芽床,每30粒蛋白桑种子放入同一培养皿。试验共设计六个处理,在培养皿中分别加入10 mL质量分数为1%,5%,10%,15%,20%的PEG- 6000溶液,以蒸馏水为对照组,每个处理3次重复。先将培养箱温度设置为25 ℃,再将培养皿置于光照恒温培养箱进行培养。试验开始后,次日起每天定时观察种子萌芽情况(胚根突破种皮视为发芽)并记录,每2 d更换一次滤纸,并补充2 ml胁迫液以保持溶液渗透势恒定。连续进行10 d跟踪观察,记录发芽状态并计算种子发芽势、发芽率、发芽指数、胚根长以及活力指数。

萌发率=发芽种子数/处理种子数×100%

(1)

发芽势=规定时间内发芽种子粒数/供试种子粒数×100%

(2)

发芽指数=∑(Gt/Dt)

(3)

活力指数=S∑(Gt/Dt)=S×Gi

(4)

式中,Gt为t日的发芽种子数,Dt为相应的发芽天数,S为种苗生长长度,Gi为发芽指数。

种子萌发试验结束后,从六个处理中的三个重复中随机选取株幼苗植株,用游标卡尺测量其胚根长度。

活力指数=种苗生长量(长度)×发芽指数(GI)[14]

1.3 数据分析与处理

采用Excel2204进行统计,再通过SPSS24.0统计软件对不同处理下的萌发率、发芽势、发芽指数、活力指数进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同强度干旱胁迫对蛋白桑种子发芽势的影响

发芽势是指种子在当天发芽种子数最高峰时,已发芽的种子数占供试种子数的百分比。由图1可知,与对照组相比,不同质量分数的聚乙二醇(PEG-6000)处理显著影响蛋白桑种子的发芽势。对照组蛋白桑种子的发芽势为38.89%,蛋白桑种子在浓度为1%、5%、10%、15%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下发芽势与对照组无显著差异;在20%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下发芽势显著低于对照组。

图1 不同干旱胁迫下对蛋白桑种子发芽势的影响

2.2 不同强度干旱胁迫对蛋白桑种子萌发率的影响

萌发率是检验作物或树木种子品质的主要方式,能够体现出种子的发芽能力。在发芽试验中,在规定时间内发芽种子粒数占供试种子粒数的百分比来表示。由图2可知,与对照组相比,不同质量分数的聚乙二醇(PEG-6000)处理显著影响蛋白桑种子的萌发率,随着聚乙二醇(PEG-6000)质量分数的增加,蛋白桑种子的萌发率呈先上升后降低的变化趋势。对照组蛋白桑种子的萌发率为63%,蛋白桑种子在浓度为1%、5%、10%、15%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下萌发率与对照组无显著差异;在20%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下萌发率显著低于对照组。

图2 不同干旱胁迫下对蛋白桑种子萌发率的影响

2.3 不同强度干旱胁迫对蛋白桑种子发芽指数的影响

发芽指数指单位时间种子发芽的个数,代表着种子的发芽速度,是种子萌发的综合评价指标。由图3可知,与对照组相比,不同质量分数的聚乙二醇(PEG-6000)处理显著影响蛋白桑种子的发芽指数,随着聚乙二醇(PEG-6000)质量分数的增加,蛋白桑种子的发芽指数总体呈下降趋势。对照组蛋白桑种子的发芽指数为30.22,蛋白桑种子在浓度为1%、5%、10%、15%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下蛋白桑种子的发芽指数与对照组无显著差异;在20%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下蛋白桑种子的发芽指数显著低于对照组。

图3 不同干旱胁迫下对蛋白桑种子发芽指数的影响

2.4 不同强度干旱胁迫对蛋白桑种子胚根长的影响

由图4可知,与对照组相比,不同质量分数的聚乙二醇(PEG-6000)处理显著影响蛋白桑种子的胚根长,随着聚乙二醇(PEG-6000)质量分数的增加,蛋白桑种子的胚根长总体呈下降趋势。对照组蛋白桑种子的胚根长为14.94,蛋白桑种子在浓度为1%、5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下胚根长显著低于对照组。

图4 不同干旱胁迫下对蛋白桑胚根长的影响

2.5 不同强度干旱胁迫对蛋白桑种子活力指数的影响

活力指数是指种苗生长量与发芽指数的乘积,能综合反映种子发芽速率和生长量,是衡量种子活力的有效指标。如图5所示,与对照组相比,不同质量的聚乙二醇(PEG-6000)处理显著影响蛋白桑种子的活力指数,随着聚乙二醇(PEG-6000)质量的增加,蛋白桑种子的发芽指数总体呈下降趋势。对照组蛋白桑种子的活力指数为428.84,蛋白桑种子在浓度为1%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下的活力指数与对照组无显著差异,蛋白桑种子在浓度为5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下蛋白桑种子的活力指数显著低于对照组。

图5 不同干旱胁迫下对蛋白桑活力指数的影响

3 讨论

干旱胁迫是指土壤水分流失或植物体内散失水分过多,致使植物体细胞内含水量降低、细胞膨压下降、各种代谢活动紊乱而对植物正常的生命活动产生的胁迫影响。本研究发现随着聚乙二醇(PEG-6000)浓度的增加,蛋白桑种子的发芽势、萌发率、发芽指数、胚根长和活力指数总体呈下降趋势,但低浓度的聚乙二醇(PEG-6000)处理下对种子的各项萌发指标并没有产生显著影响。这与周萌[28]等研究的PEG-6000模拟干旱胁迫对香果树种子萌发及幼苗生长的影响结果相似。原因可能是在低浓度的干旱胁迫下刺激了蛋白桑种子体内的生长素(auxin,IAA),导致蛋白桑种子体内的生长素水平升高,进而促进了蛋白桑种子的萌发。另外,较高浓度的干旱胁迫会阻碍蛋白桑种子的正常萌发,且随着聚乙二醇(PEG-6000)胁迫液浓度的增加,它对种子的萌发及生长的影响愈发显著,这与许耀照[29]等研究PEG模拟干旱胁迫对不同黄瓜品种种子萌发的影响的结果相吻合。这可能是因为在高浓度的聚乙二醇(PEG-6000)处理下蛋白桑种子体内的脱落酸(abscisic acid,ABA)含量大量增加,进而抑制了蛋白桑种子的萌发,导致种子延缓萌发甚至死亡。

本研究通过人为模拟荒漠地区土壤逐渐干旱,通过对蛋白桑种子进行不同强度的胁迫处理,进而研究蛋白桑种子的抗旱性,为干旱及半干旱地区蛋白桑种子的种植提供一定的参考意见,从而为干旱及半干旱地区的生态恢复与重建提供理论依据。

4 结论

本研究通过采用不同梯度的聚乙二醇(PEG-6000)溶液模拟干旱胁迫,对数据进行分析得出:

(1)随着聚乙二醇(PEG-6000)模拟溶液的浓度不断增加,蛋白桑种子的发芽势、萌发率、发芽指数、胚根长、活力指数均呈下降趋势;

(2)蛋白桑种子在浓度为1%、5%、10%、15%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下发芽势、萌发率、发芽指数与对照组无显著差异,在20%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下发芽势、萌发率、发芽指数均显著低于对照组。

(3)对照组蛋白桑种子的胚根长为14.94cm,蛋白桑种子在浓度为1%、5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下胚根长显著低于对照组;

(4)对照组蛋白桑种子的活力指数为428.84,在浓度为1%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下活力指数与对照组无显著差异,在浓度为5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)处理下活力指数显著低于对照组。

综上所述,本研究表明低浓度聚乙二醇(PEG-6000)模拟的干旱胁迫对蛋白桑种子的萌发产生促进作用,高浓度聚乙二醇(PEG-6000)模拟的干旱胁迫对蛋白桑种子的萌发产生抑制作用,为进一步探索蛋白桑的抗旱机制提供科学依据。然而,不同品种对干旱胁迫的响应能力不同,崔蓉[27]等研究试验表明,不同玉米品种对干旱胁迫表现出不同的响应机制。所以还需要采取对不同品种的蛋白桑种子进行相关试验,由此推导出更科学的理论。