赤霉素浸種對PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草種子萌發(fā)的影響

單旭東，張 睿，麥吾麗代·卡哈爾，古麗娜爾·努爾達(dá)吾列提，許立新

（北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京 100083）

干旱脅迫是影響植物生長的主要環(huán)境脅迫因子之一，影響植物體內(nèi)的正常代謝，抑制植物的生長發(fā)育[1]。特別是在植物對環(huán)境因子較為敏感的幼苗期，干旱脅迫會導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降[2]。因此，在草坪建植或牧草種植過程中需要大量灌水，以保障苗期長勢優(yōu)良。而現(xiàn)代工業(yè)和住宅用水量不斷增加，許多地區(qū)的水供應(yīng)有限，如何在保證草產(chǎn)量和品質(zhì)的同時減少灌溉用水量成為現(xiàn)代草業(yè)亟待解決的問題之一[3-4]。作為提高植物抗旱性的一種途徑，外源植物激素已被廣泛地研究和應(yīng)用。其中，有關(guān)赤霉素在提高植物抗旱性的研究已有諸多報道。

赤霉素(gibberellin, GA)屬于生物體內(nèi)的一類四環(huán)二萜類化合物，具有打破種子休眠，促進(jìn)種子發(fā)芽和莖稈伸長等作用[5]。陳志飛等[6]研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素可促進(jìn)干旱脅迫下高羊茅種子的萌發(fā)和幼苗的生長。楊陽等[7]研究指出，外源赤霉素對干旱脅迫下沙冬青種子的萌發(fā)和幼苗生長具有緩解效應(yīng)。郭郁頻等[8]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過CaCl2、GA3復(fù)合液處理苜蓿幼苗，可以提高其抗旱性。路蘋等[9]研究發(fā)現(xiàn)，外源赤霉素可提高在干旱條件下種子內(nèi)色氨酸、游離脯氨酸和絲氨酸的含量，有效緩解缺水對萌發(fā)的影響。

多年生黑麥草(Lolium perenne)由于其生長分蘗快，外形美觀，耐牧性強(qiáng)和綠色期長等優(yōu)點，一直以來是我國乃至世界各地草坪建植和飼草栽培中最受歡迎的草種之一[10]。然而與其他禾草相比，多年生黑麥草耐旱能力相對較弱，這使其進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用受到限制[11]。為此，使用不同濃度PEG-6000溶液模擬干旱條件，研究赤霉素浸種對不同程度干旱脅迫下多年生黑麥草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，以期了解緩解干旱脅迫、促進(jìn)多年生黑麥草種子萌發(fā)和生長的最適赤霉素濃度，為合理使用植物激素提高植物種子抗旱性的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗使用多年生黑麥草種子，品種為“麥迪”，種子購買于北京正道生態(tài)科技有限公司，在4 ℃下避光保存。發(fā)芽試驗于2019年12月進(jìn)行。

1.2 試驗方法

試驗使用4種濃度(0、100、200、300 mg·L-1)赤霉素浸種處理，4種濃度(0、5%、10%、15%)PEG脅迫處理，PEG濃度對應(yīng)水勢[12]為0、-0.1、-0.2和-0.4 MPa，試驗采用完全隨機(jī)試驗設(shè)計，共16組處理，每組處理5個重復(fù)。選擇健康、飽滿的種子作為試驗材料。將種子用1%的次氯酸鈉溶液浸種10 min進(jìn)行消毒，消毒后用蒸餾水漂洗3次，然后分別用100 mL的蒸餾水，100、200、300 mg·L-1的赤霉素在室溫黑暗條件下浸種24 h。浸種結(jié)束后在室溫室光下回干12 h。將發(fā)芽紙固定在兩層錫箔紙中，分別用蒸餾水，5%、10%、15%的PEG-6000溶液潤濕發(fā)芽紙，將種子均勻地擺放在發(fā)芽紙上，每個重復(fù)組擺放50粒種子，將擺好種子的發(fā)芽紙置入水培盒中，盒中分別注入2 500 mL的蒸餾水，5%、10%和15% PEG-6000溶液。放入光照培養(yǎng)箱(光照14 h，溫度25 ℃；黑暗10 h，溫度20 ℃)中進(jìn)行發(fā)芽試驗[13]。每天將水培盒稱重并補(bǔ)充散失的水分，用注射器吸取PEG溶液潤濕發(fā)芽紙，每日兩次。

1.3 試驗測定指標(biāo)

種子萌動后，生長出胚根和胚芽，胚芽生長至種子長度的二分之一時即認(rèn)為其發(fā)芽。試驗第5天測定發(fā)芽勢。第14天測定發(fā)芽數(shù)，計算發(fā)芽率(%)，并從各重復(fù)組中隨機(jī)選取15株幼苗，測定根長(cm)和芽長(cm)、根重(g)和芽重(g)、芽抑制率(%)、根抑制率(%)、根冠比(%)。其中芽抑制率、根抑制率計算方法參照陳志飛等[6]的方法。

式中：n14和n5代表第14天和第5天的種子發(fā)芽數(shù)，M代表供試種子總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行顯著性分析，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤霉素對不同濃度PEG脅迫下多年生黑麥草萌發(fā)的影響

隨著PEG濃度的提高，種子萌發(fā)受到的抑制作用加強(qiáng)，種子發(fā)芽率呈現(xiàn)出減小趨勢(圖1)，在0、5%、10%PEG脅迫條件下，不同濃度GA浸種處理間發(fā)芽率無顯著性差異(P＜0.05)，而在15%PEG處理下，200和300 mg·L-1GA處理發(fā)芽率顯著大于 0 和 100 mg·L-1GA 處理 (P＜0.05)，相比對照組發(fā)芽率分別提高了15.0%和16.2%。

圖1 赤霉素對PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草發(fā)芽率的影響Figure 1 Effect of gibberellin on germination rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在 0 PEG脅迫下，100、200和 300 mg·L-1GA浸種處理的發(fā)芽勢分別為77.6%、79.6%和78.4%(圖2)，均顯著高于 0 GA 處理 (69.2%)(P＜0.05)，分別提高了10.8%、15.0%和13.3%，但3種濃度GA處理之間差異不顯著。在5%、10%和15%PEG脅迫下，發(fā)芽勢呈現(xiàn)同樣的趨勢，從大到小的GA處理依次是 100 mg·L-1＞200 mg·L-1＞300 mg·L-1＞0。加入5%、10% PEG時，100和 200 mg·L-1GA處理之間發(fā)芽勢沒有顯著性差異，但都顯著高于300 mg·L-1和 0 GA 處理 (P＜0.05)，300 mg·L-1和 0 GA處理間發(fā)芽勢未達(dá)到顯著水平。在15%PEG脅迫下，100和200 mg·L-1GA處理發(fā)芽勢顯著(P＜0.05)高于其他組處理，且300 mg·L-1GA處理發(fā)芽勢顯著高于 0 GA(P＜0.05)。

圖2 赤霉素對PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草發(fā)芽勢的影響Figure 2 Effect of gibberellin on germination potential of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

2.2 赤霉素對不同PEG脅迫下多年生黑麥草幼苗生長的影響

隨著脅迫強(qiáng)度的增大，黑麥草種子的芽長總體呈現(xiàn)變小趨勢(圖3)，在0 PEG脅迫下，芽長從大到小的處理依次是300 mg·L-1(12.44 cm)、200 mg·L-1(12.25 cm)、100 mg·L-1(10.70 cm)、0 GA(9.66 cm)，3種GA處理芽長均顯著(P＜0.05)大于0 GA處理(9.66 cm)。在5%PEG脅迫下，100 mg·L-1和300 mg·L-1處理芽長差異不顯著，這兩個處理芽長顯著(P＜0.05)大于0和 200 mg·L-1GA處理。而在10%PEG脅迫中300 mg·L-1浸種處理芽長顯著(P＜0.05)大于 0 GA處理，在15%PEG中，300 mg·L-1處理芽長顯著 (P＜0.05)高于 0 和 100 mg·L-1GA處理，與200 mg·L-1差異不顯著。

圖3 赤霉素對PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草種子芽長的影響Figure 3 Effect of gibberellin on seed bud growth of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

同濃度GA處理下，5%、10%、15%PEG脅迫下的多年生黑麥草幼苗的根長大于0 PEG脅迫下的根長(圖4)，這是因為在干旱條件下植物本身具有抗旱機(jī)制，通過增加根長獲取更多的水分來應(yīng)對干旱環(huán)境。0 PEG和5% PEG中，300 mg·L-1處理根長最大，分別是2.29和3.08 cm。在0 PEG脅迫下，根長由大到小的處理依次是300 mg·L-1(2.28 cm)、200 mg·L-1(1.99 cm)、0 GA(1.89 cm)、100 mg·L-1(1.74 cm)，300 mg·L-1處理根長顯著高于 0、100和 200 mg·L-1處理 (P＜0.05)。在 5%PEG 脅迫下，各處理根長從大到小依次是300 mg·L-1(3.08 cm)、100 mg·L-1(2.61 cm)、200 mg·L-1(2.55 cm)、0 GA(2.42 cm)，300 mg·L-1顯著高于0和200 mg·L-1GA 處理 (P＜0.05)，而與 100 mg·L-1之間差異不顯著。在10%PEG和15%PEG處理中，均是0 GA處理根長最大，分別是3.14和2.23 cm。在10%PEG中0 GA與200 mg·L-1GA處理差異未達(dá)到顯著水平，而0 GA處理根長水平顯著高于300和100 mg·L-1處理 (P＜0.05)。在 15%PEG 中 0、300 mg·L-1GA處理根長顯著高于100 mg·L-1GA處理(P＜0.05)。

圖4 赤霉素對PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草種子根長的影響Figure 4 Effect of gibberellin on root length of perennial ryegrass seeds under PEG-simulated drought conditions

2.3 赤霉素浸種對干旱脅迫下黑麥草幼苗抑制率的影響

在PEG脅迫下，100、200和300 mg·L-1GA處理的芽抑制率均是負(fù)值(圖5)，說明赤霉素處理可促進(jìn)干旱條件下幼苗芽的生長，且300 mg·L-1GA處理抑制率最小，說明300 mg·L-1處理緩解PEG對芽的抑制作用較強(qiáng)。

圖5 赤霉素對PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草芽抑制率的影響Figure 5 Effect of gibberellin on inhibition rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在5%、10%、15%PEG時根的抑制率均是負(fù)值(圖6)，在0、5%和15%PEG相比對照之下，均表現(xiàn)出300 mg·L-1GA處理可降低根抑制率，而在10%PEG脅迫下，100 mg·L-1GA處理的根抑制率高于200 mg·L-1GA處理。

2.4 赤霉素浸種對干旱脅迫下黑麥草幼苗根冠比的影響

圖6 赤霉素對PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草根抑制率的影響Figure 6 Effect of gibberellin on root inhibition rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在分析種苗芽長和根長過程中，發(fā)現(xiàn)200、300 mg·L-1GA處理對芽長和根長均有顯著影響，因此通過分析根冠比可進(jìn)一步確定緩解干旱脅迫的最適GA濃度。如圖7所示，隨著PEG脅迫強(qiáng)度的增加，黑麥草幼苗的根冠比總體呈現(xiàn)變大趨勢，且處理間存在著不同程度的差異。在0 PEG中，200和300 mg·L-1GA處理根冠比顯著高于0和100 mg·L-1(P＜0.05)。在5%PEG中，根冠比從大到小的處理依次是 200 mg·L-1、300 mg·L-1、0 GA、100 mg·L-1，其中200 mg·L-1GA處理顯著高于其他處理(P＜0.05)，300 mg·L-1顯 著高于 0 和 100 mg·L-1GA 處理 (P＜0.05)，0 和 100 mg·L-1之間無顯著性差異。10%PEG脅迫下，300 mg·L-1GA處理根冠比顯著高于其他組處理(P＜0.05)。在15%PEG脅迫下，200和 300 mg·L-1處理根冠比顯著 (P＜0.05)高于0和100 mg·L-1GA處理。

圖7 赤霉素對PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草根冠比的影響Figure 7 Effect of gibberellin on root-shoot ratio of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

3 討論

植物種子內(nèi)激素的存在狀況和相對含量對種子的萌發(fā)和生長具有重要影響[14]，外源激素在促進(jìn)種子萌發(fā)方面已經(jīng)被廣泛應(yīng)用和研究[15-17]。赤霉素在此方面的研究已有諸多報道，赤霉素促進(jìn)種子萌發(fā)的效應(yīng)是多方面的，不同的植物種子對外源赤霉素刺激的反饋也存在較大的差異[15,17-19]。

PEG已經(jīng)廣泛用于植物抗旱研究領(lǐng)域[6]，利用PEG-6000可以改變植物外界的滲透壓，從而模擬干旱環(huán)境，不同物種、不同品種的種子對PEG脅迫的響應(yīng)也不盡相同[20-22]。

3.1 赤霉素對不同PEG脅迫下多年生黑麥草萌發(fā)的影響

赤霉素能夠抑制分解生長素的酶的活性，因此可促進(jìn)植物生長[23]。赤霉素可促進(jìn)蛋白酶等水解酶、α-淀粉酶的合成，對萌發(fā)種子內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的分解、合成和轉(zhuǎn)化均有重要作用[23-24]。本研究在5%、10%PEG脅迫下各濃度赤霉素處理的發(fā)芽率并無明顯提高或降低，但當(dāng)15%PEG脅迫時，300和200 mg·L-1赤霉素浸種處理的發(fā)芽率高于0和100 mg·L-1。這說明只有當(dāng)干旱達(dá)到一定程度時，且赤霉素處理達(dá)到一定濃度時，赤霉素才能明顯發(fā)揮出對多年生黑麥草種子發(fā)芽率的促進(jìn)作用。相關(guān)研究[25]發(fā)現(xiàn)，適宜的赤霉素浸種能顯著提高干旱條件下沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)的發(fā)芽率，當(dāng)處理濃度過小或過大時，赤霉素的緩解作用不明顯甚至可能起到反作用，本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果具有一致性。通過分析發(fā)芽勢結(jié)果得知，100、200 mg·L-1赤霉素浸種均能有效提高干旱環(huán)境下的發(fā)芽勢，即100、200 mg·L-1對干旱環(huán)境下黑麥草發(fā)芽勢具有有效的緩解作用，此結(jié)果與上述研究中的結(jié)果具有一致性。

3.2 赤霉素對不同PEG脅迫下多年生黑麥草種子幼苗生長的影響

赤霉素能夠通過促進(jìn)細(xì)胞伸長和細(xì)胞分裂從而促進(jìn)植株節(jié)間伸長[26]。本研究結(jié)果表明，在PEG脅迫下，200、300 mg·L-1處理對芽抑制均起顯著緩解作用。陳志飛等[6]研究認(rèn)為，通過分析芽抑制率、根抑制率可以進(jìn)一步了解赤霉素對干旱抑制的緩解作用，抑制率越小則說明緩解作用越強(qiáng)。通過分析芽抑制率發(fā)現(xiàn)，在300 mg·L-1浸種處理的芽抑制率均低于其他處理組，這說明300 mg·L-1赤霉素浸種對多年生黑麥草的芽抑制具有明顯的緩沖作用。李光菊等[27]研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素浸種能提高干旱脅迫下巴馬火麻(Cannabis sativa)種子的胚芽長。陳志飛等[6]研究發(fā)現(xiàn)，200和300 mg·L-1赤霉素浸種處理可以明顯緩解干旱脅迫對高羊茅的芽抑制作用。

通過分析赤霉素處理對干旱條件下黑麥草種子根長和根抑制率的影響發(fā)現(xiàn)，在0、5%PEG脅迫時，100和200 mg·L-1赤霉素處理根長與對照組差異不顯著，這說明在輕度干旱脅迫下，赤霉素對種子根長沒有明顯的影響。在10%、15%PEG下，赤霉素100、200 mg·L-1處理均出現(xiàn)了不同程度地抑制根伸長的情況。

3.3 赤霉素浸種對干旱脅迫下黑麥草幼苗根冠比的影響

隨著PEG濃度的升高，多年生黑麥草根冠比呈現(xiàn)增大的趨勢，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在一定程度的干旱脅迫下，小麥(Triticum aestivum)的根冠比隨著干旱程度的提高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢[28-29]，本研究中根冠比未出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這可能是PEG脅迫強(qiáng)度不夠，如能將PEG處理濃度提升至15%以上，可進(jìn)一步與上述研究進(jìn)行分析和討論。本研究中在相同濃度PEG脅迫下，300 mg·L-1赤霉素處理可以緩解干旱對根長的抑制作用，且300、200 mg·L-1赤霉素處理組根冠比均高于0、100 mg·L-1GA，而 100 mg·L-1和 0 赤霉素處理間根冠比差異不顯著。張愛良等[30]研究指出，小麥、水稻(Oryza sativa)等作物能在干旱脅迫下產(chǎn)生更多二級、三級側(cè)根以適應(yīng)干旱環(huán)境。300、200 mg·L-1赤霉素處理提高了干旱條件下多年生黑麥草的根冠比，可能是一方面PEG脅迫能促進(jìn)多年生黑麥草二、三級側(cè)根的生長，另一方面200、300 mg·L-1赤霉素處理能夠有效緩解干旱對主根和側(cè)根生長的抑制作用，從而增加多年生黑麥草地下生物量，來促進(jìn)植物適應(yīng)干旱環(huán)境。由于本研究沒有對多年生黑麥草二、三級側(cè)根進(jìn)行測定，因此，赤霉素對干旱條件下多年生黑麥草的二、三級側(cè)根的具體影響有待研究和討論。

4 結(jié)論

干旱脅迫降低了多年生黑麥草的發(fā)芽率和發(fā)芽勢。200和300 mg·L-1赤霉素浸種處理能顯著提高15%PEG脅迫下多年生黑麥草種子的發(fā)芽率。200和300 mg·L-1浸種處理能降低芽抑制率，且能提高多年生黑麥草的根冠比。因此，本研究中緩解干旱對多年生黑麥草萌發(fā)的抑制作用，促進(jìn)其幼苗生長的最適赤霉素處理濃度為200～300 mg·L-1。