3 種決明屬種子萌發(fā)對干旱脅迫的響應(yīng)及其抗旱性評價

陳蘭蘭，郭圣茂，廖興國，熊光康，賴曉蓮

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 園林與藝術(shù)學(xué)院，江西 南昌 330045)

決明屬(Cassia)植物屬于豆科，全世界約有600 種，主要分布于熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)，原產(chǎn)于我國的品種約有10 種［1］。該屬植物在我國傳統(tǒng)的中醫(yī)藥領(lǐng)域一直有著非常廣泛的應(yīng)用，如決明子(Catsia tora)，又稱草決明，味苦、甘而性涼，具有祛風(fēng)散熱，清肝明目和潤腸通便等功效;望江南(C.occidentalis)可作為緩瀉劑，種子炒制后可治瘧疾，但有輕微的毒性［2］。近年來，決明屬牧草，作為一類重要的飼料作物，在土壤改良、水土保持等多個方面發(fā)揮著積極的作用，如草決明、傘房決明(C.corymbosa)等［3］。

江西省地處中國東南偏中部長江中下游南岸，是典型的亞熱帶紅壤地區(qū)，雖然年均降雨量達(dá)1 635 mm，但是降雨分布極不均勻，容易使種子在萌發(fā)階段遭受到干旱脅迫。種子的萌發(fā)階段是其植物生活史中的重要階段，在這一階段，種子的發(fā)育情況會直接地影響下一代的正常發(fā)育，因此，利用種子的萌發(fā)期對植物的抗旱性進(jìn)行研究是常用方法［4］。目前對決明屬植物的研究主要集中在化學(xué)成分［5］、藥理作用［6］以及決明屬牧草的脅迫［7-9］表現(xiàn)等方面。基于此，本文對3 種決明屬種子的萌發(fā)情況和幼苗生長特性對干旱脅迫的響應(yīng)進(jìn)行探討，為決明屬植物在亞熱帶地區(qū)的農(nóng)業(yè)栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用的3 種材料都來自豆科決明屬，分別為草決明、望江南和傘房決明。

1.2 方法

選取外觀一致的質(zhì)量良好種子，用1 %的次氯酸鈉溶液浸泡10 min 作為殺菌處理，之后用去離子水沖洗種子至無溶液殘留，用滅菌的濾紙吸收種子表面殘余水分。利用聚乙二醇溶液(PEG-6000)模擬干旱脅迫設(shè)置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%、25%和30%的6 個處理，并以蒸餾水作為對照，將等量的這7 種溶液分別加入到墊有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，并以之作為發(fā)芽床，最后將這3 種決明屬種子放入發(fā)芽床中。

每個玻璃培養(yǎng)皿中放50 粒種子，每處理重復(fù)3 次。準(zhǔn)確稱重后，將培養(yǎng)皿置于恒溫培養(yǎng)箱中變溫培養(yǎng)，25 ℃10 h 光培養(yǎng)，20 ℃12 h 暗培養(yǎng)。之后于每天相同時間對培養(yǎng)皿中的種子發(fā)芽情況進(jìn)行觀察和統(tǒng)計，并利用電子天平稱重法來保證添加的蒸餾水量適當(dāng)。以萌發(fā)的芽長為其種子長度的一半時作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)培養(yǎng)13 d，在發(fā)芽試驗的第3 天統(tǒng)計各種子的發(fā)芽勢，在第13 天發(fā)芽結(jié)束后，從每個培養(yǎng)皿中隨機(jī)選取10 株幼苗(不足10 株的全部測定)，測定其苗長(SL)、根長(RL)、鮮重(W)。

相關(guān)指標(biāo)計算公式如下:

(1)相對發(fā)芽率(RGp)(%)=處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率×100 (1)

其中，發(fā)芽率(Gp)(%)=n/N×100(n 為發(fā)芽種子數(shù)，N 為供試種子總數(shù));

(2)相對發(fā)芽勢(RGe)(%)=處理發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢×100 (2)

其中，發(fā)芽勢(Ge)(%)=n/N×100(n 為第3 天累積發(fā)芽種子數(shù)，N 為供試種子總數(shù));

(3)相對發(fā)芽指數(shù)(RGi)(%)=處理發(fā)芽指數(shù)/對照發(fā)芽指數(shù)×100 (3)

其中，發(fā)芽指數(shù)(Gi)=∑Gt/Dt(Gt 為在第t 天的發(fā)芽數(shù)，Dt 為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù));

(4)相對活力指數(shù)(RIv)(%)=處理活力指數(shù)/對照活力指數(shù)×100 (4)

其中，活力指數(shù)(Iv)=發(fā)芽指數(shù)(Gi)×幼苗鮮重(W)(10 株幼苗鮮重)。

1.3 綜合抗旱性評價方法

采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合抗旱性評價［10-11］，公式為:

式中，X(μ)為參試材料在某一PEG 濃度下的隸屬值，X 為參試材料在該P(yáng)EG 濃度下的某一個抗旱指標(biāo)的測定值，Xmax是這一指標(biāo)在該濃度下的最大測定值，Xmin是最小測定值。先得到3 種材料的各個抗旱指標(biāo)在不同脅迫程度下的隸屬值，之后求出每個指標(biāo)的平均值，最后得到各個材料的隸屬函數(shù)平均值。該平均值越大，其抗旱性就越強(qiáng)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖，SPSS 16.0 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果分析

2.1 干旱脅迫對決明屬種子萌發(fā)進(jìn)程的影響

圖1 所示，3 種決明屬種子的萌發(fā)進(jìn)程基本相同，種子的發(fā)芽率均隨著培養(yǎng)時間的延長而逐步上升，相同植物種子的發(fā)芽率則隨著干旱脅迫的加劇而降低。

正常環(huán)境下決明屬種子的萌發(fā)啟動較快，而干旱條件會延遲種子的萌發(fā)起始時間。當(dāng)PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)﹤10%時，3 種決明屬種子都在第2 天開始萌發(fā)，在PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%和20%的條件下，草決明和望江南的種子可在第2 天萌發(fā)，而傘房決明的種子在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，培養(yǎng)4 d 才可萌發(fā)，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%和25%時，直到第8 天開始萌發(fā)，其萌發(fā)時間延遲了2 倍。當(dāng)PEG 為30%，望江南和傘房決明的種子無法萌發(fā)。

圖1 干旱脅迫對決明屬種子萌發(fā)進(jìn)程的影響Fig.1 Effects of drought stress on seed germination course of Cassia

2.2 干旱脅迫對決明屬種子萌發(fā)的影響

種子發(fā)芽能力在脅迫的條件下會有一定的變化，其中發(fā)芽率和發(fā)芽勢是能反映種子發(fā)芽能力的主要指標(biāo)［12］，而發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)則分別反映幼苗的生長情況以及種子的活力水平［13］。為了便于比較不同種材料的抗旱性，采用測定指標(biāo)的相對值來分析［4］。試驗結(jié)果表明:3 種決明屬種子在不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG 脅迫下，其相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)與對照相比，整體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。但是3 種決明屬種子相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對活力指數(shù)間的差異未達(dá)顯著性水平(P＞0.05)。

從相對發(fā)芽率看，在PEG≤5%時，3 種決明屬種子的相對發(fā)芽率與對照相比差異不顯著(P＞0.05);在10%時，傘房決明與對照差異不顯著(P＞0.05)，草決明和望江南與對照相比差異顯著(P＜0.05)，分別下降了23.33%、7.46%;當(dāng)PEG 為15%時，草決明種子的相對發(fā)芽率的降幅達(dá)到52.22%，而傘房決明種子的相對發(fā)芽率仍然達(dá)到82.57%，耐旱性超過其他2 種決明屬種子。而質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，望江南和傘房決明的種子無法萌發(fā)，相較之下，草決明種子的相對發(fā)芽率為10.37%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。

從相對發(fā)芽勢看，在PEG≤5%時，望江南的相對發(fā)芽勢與對照相比差異不顯著(P＞0.05)，其他2種差異顯著(P＜0.05);在PEG 為15%時，草決明、望江南與對照相比差異顯著(P＜0.05)，分別下降了51.11%、41.67%;在PEG 為25%和30%下，草決明、望江南和傘房決明的相對發(fā)芽勢都顯著低于對照，都只為0。

從相對發(fā)芽指數(shù)來看，當(dāng)PEG 為5%時，3 種決明屬種子的相對發(fā)芽指數(shù)與對照相比差異不顯著(P＞0.05)，在PEG 為10%時，草決明和望江南的相對發(fā)芽指數(shù)開始與對照差異顯著(P＜0.05)，而傘房決明在PEG 為15%時才開始與對照差異顯著(P＜0.05)。

從相對活力指數(shù)看來，草決明的相對活力指數(shù)從PEG 為5%開始就與對照差異顯著(P＜0.05)，而望江南在PEG 為10%，傘房決明在15% 時開始與對照差異顯著(P＜0.05)。在PEG 為20%時，草決明、望江南、傘房決明的相對活力指數(shù)與對照相比分別下降了89.77%、73.48%、82.62%。

表1 干旱脅迫對決明屬種子萌發(fā)的影響Tab.1 Effects of drought stress on seed germination of Cassia

2.3 干旱脅迫對決明屬幼苗生長的影響

干旱脅迫不僅會對種子的萌發(fā)產(chǎn)生影響，同時也會對以后幼苗的生長產(chǎn)生影響。圖2 所示，干旱脅迫對決明屬幼苗的生長會產(chǎn)生明顯的抑制效應(yīng)。在不同的PEG 條件下，3 種決明屬種子的相對苗長的差異不盡相同。經(jīng)方差分析，在PEG 為5%、10%、15%時，3 種決明屬種子的相對苗長之間存在顯著性差異(P＜0.05);在30%和對照條件下，3 份材料的幼苗相對長度無顯著差異(P＞0.05)。

PEG-6000 干旱脅迫對決明屬幼根生長的影響，隨著PEG 濃度的升高，決明屬相對根長總體上呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。當(dāng)PEG 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0 升至30%，3 種決明屬的平均相對根長從111.66%降至2.45%。PEG 在5%和10%下平均相對根長與對照相比分別增加了11.66%和7.61%，在15%和20%下，平均相對根長較之對照減少29.16%和34.59%。說明輕度的干旱脅迫(PEG 為5%，10%)會在一定程度上促進(jìn)決明屬幼根的生長，當(dāng)超出一定范圍則會產(chǎn)生抑制作用。3 種決明屬的相對根長在20%的脅迫下存在顯著性差異(P＜0.05)，而在30%的情況下不存在顯著性差異(P＞0.05)。

圖2 干旱脅迫對決明屬幼苗生長的影響Fig.2 Effects of drought stress on seedling growth of Cassia

雖然輕度的干旱脅迫能夠促進(jìn)3 種決明屬的幼根生長，但是干旱脅迫的加劇仍會使幼苗鮮重降低。經(jīng)方差分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PEG 為25%時，3 種決明屬幼苗鮮重存在顯著性差異(P＜0.05)，而在5%和對照下，其幼苗鮮重的差異性不顯著(P＞0.05)，在PEG 為15%時，傘房決明與草決明、望江南的幼苗鮮重的差異性顯著(P＜0.05)，而草決明、望江南彼此間的差異不顯著(P＞0.05)。

2.4 決明屬抗旱性的綜合評價

植物的抗旱機(jī)制和種子的發(fā)芽都有一個非常復(fù)雜的生理生化過程，因此，必須通過多個指標(biāo)綜合地評價植物的抗旱性［11，14］。本文通過對相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對苗長、相對根長和相對鮮重這7 個指標(biāo)進(jìn)行模糊隸屬函數(shù)運(yùn)算，得到3 種決明屬種子的隸屬函數(shù)值的大小(表2)，發(fā)現(xiàn):3 種決明屬種子的抗旱隸屬函數(shù)總評均值范圍為0.36～0.48。其中，草決明的總隸屬函數(shù)平均值最高，為0.48，其最抗旱;傘房決明的總隸屬函數(shù)平均值為0.36，其抗旱性最弱。因此，從3 個決明屬種子萌發(fā)期的抗旱性綜合評價看來，抗旱性由大到小依次為:草決明、望江南、傘房決明。

表2 抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及抗旱性綜合評價Tab.2 Membership values of drought index and comprehensive evaluation of drought resistance

3 討論與結(jié)論

植物的抗旱性是植物抵抗干旱時期的一種能力，并且是一個綜合特性，會受到許多因素的影響。干旱對植物的影響廣泛且深刻，這種影響體現(xiàn)在植物生長發(fā)育的各階段，如種子的萌發(fā)、植物的營養(yǎng)生長以及生殖生長，并一直持續(xù)到植物的開花結(jié)實階段。植物應(yīng)對干旱的適應(yīng)性機(jī)理主要包括了激素作用、膜系統(tǒng)保護(hù)酶以及滲透調(diào)節(jié)等方面［15］。PEG-6000 因其自身比較難通過植物的細(xì)胞壁，不易滲入到活細(xì)胞內(nèi)部，并因其無毒，能使種子緩慢吸水，減少營養(yǎng)物質(zhì)的滲出，促進(jìn)細(xì)胞膜的修復(fù)等，常被作為干旱脅迫的滲透脅迫劑［16-17］。本試驗采用7 個不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG 對3 種決明屬植物的種子進(jìn)行處理，結(jié)果表明:3 種決明屬種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對苗長和幼苗鮮重均隨干旱脅迫的加劇而降低;而相對根長在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG 脅迫下(5%、10%)較對照會有一定程度的增加，相反則會大幅下降。

由于植物的抗旱性會受內(nèi)部的遺傳因子和外部的環(huán)境因子共同影響，所以本研究采用7 個指標(biāo)來客觀評價3 種決明屬植物種子的抗旱性［18］。利用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法進(jìn)行種子抗旱性評價已經(jīng)相當(dāng)成熟，牛瑞明等［19］采用模糊隸屬函數(shù)法，用萌發(fā)抗旱指數(shù)、活力抗旱指數(shù)、相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽勢4 個指標(biāo)對15 個裸燕麥種子的抗旱性進(jìn)行了綜合評價。本文就利用隸屬函數(shù)法對3 種決明屬種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對幼苗長、相對幼根長和相對幼苗重7 個指標(biāo)在干旱脅迫下的響應(yīng)進(jìn)行綜合評價，初步認(rèn)為草決明最耐旱，表現(xiàn)最好，望江南次之，而傘房決明最不耐旱。

受全球氣候變暖的影響，我國土地的干旱面積呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，尤其是近年來，全國耕地受旱面積達(dá)0.15 億hm2，旱災(zāi)嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。通過發(fā)掘抗旱性強(qiáng)的優(yōu)良材料從而選育出新的品種是改善干旱地區(qū)的經(jīng)濟(jì)狀況的重要途徑［11］。決明屬植物包含有現(xiàn)代牧草和傳統(tǒng)中藥，是一類具有良好抗旱性和經(jīng)濟(jì)價值的植物，該屬在我國共有10 余個品種，而本次試驗只研究了其中3 種，初步得出這3 種決明屬種子的抗旱性評價結(jié)果，今后還要從多方面對該屬更多品種進(jìn)行全面的客觀評價，以找到各干旱地區(qū)的最適宜品種。

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