PEG滲透處理水曲柳種子影響其熱休眠誘導(dǎo)及水分狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性研究

崔程程 李明月 張 鵬

（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

種子休眠是植物在長期系統(tǒng)進(jìn)化過程中獲得的一種適應(yīng)環(huán)境變化的特性［1］。許多成熟種子在不利的環(huán)境條件下萌發(fā)會(huì)誘導(dǎo)進(jìn)入次生休眠［2］，在自然條件下，次生休眠是廣泛存在的，它給農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)造成很多問題，如導(dǎo)致播種出苗率低、造成減產(chǎn)等。為了能夠在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益，就需要充分地了解種子次生休眠的特性及其調(diào)控機(jī)制。

水曲柳（Fraxinus mandshurica）為木犀科（Oleaceae）梣屬（Fraxinus）落葉大喬木，是東北林區(qū)珍貴的闊葉用材樹種，主要以種子繁殖為主。由于其種子具有生理形態(tài)休眠，休眠程度較深，播種前需進(jìn)行變溫層積處理打破初生休眠［3］，解除初生休眠的水曲柳種子存在熱休眠現(xiàn)象，種子在恒溫（20℃）下培養(yǎng)3 d 以上會(huì)誘導(dǎo)進(jìn)入熱休眠，種子的發(fā)芽率大大降低［4］，采用PEG 滲透處理可以有效減弱種子熱休眠誘導(dǎo)，提高其在高溫條件下的萌發(fā)能力［5］，但PEG 滲透處理減弱種子熱休眠的機(jī)制尚不清楚。據(jù)報(bào)道，高溫（30℃）條件下，含水量是誘導(dǎo)大麥籽粒二次休眠的關(guān)鍵因素［6］，這預(yù)示著種子次生休眠的誘導(dǎo)不但和高溫有關(guān)，也可能和高溫條件下萌發(fā)過程中種子的水分狀態(tài)有關(guān)，但以往對(duì)水曲柳種子熱休眠的研究并沒有注意這一問題。為了探究滲透處理減弱水曲柳種子熱休眠誘導(dǎo)的效應(yīng)是否與種子的水分狀態(tài)有關(guān)，本文以解除休眠的水曲柳種子為試驗(yàn)材料，分別在預(yù)吸水和未預(yù)吸水兩種情況，研究在高溫（25℃）條件下，種子經(jīng)不同濃度PEG 滲透處理后的含水量變化規(guī)律及其與種子發(fā)芽能力的關(guān)系，旨在驗(yàn)證在高溫條件下：（1）PEG滲透處理是否對(duì)種子的水分狀態(tài)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致種子萌發(fā)過程中的水分狀態(tài)產(chǎn)生差異；（2）PEG滲透引起種子水分狀態(tài)產(chǎn)生差異的作用是否會(huì)受到浸種（預(yù)吸水）處理的影響，這種影響是否表現(xiàn)在種子萌發(fā)能力的變化上；（3）PEG 處理減弱種子熱休眠的萌發(fā)表現(xiàn)是否與種子水分狀態(tài)存在相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果為更廣泛的研究種子熱休眠調(diào)控機(jī)制提供參考，有利于更加全面地了解和掌握種子休眠和萌發(fā)的生理生態(tài)特性，為種子處理和播種育苗工作提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用種子采自吉林省露水河林業(yè)局水曲柳成年母樹，種子經(jīng)變溫裸（無基質(zhì)）層積處理（18℃/12 周+5℃/10 周，濕度60%）后解除種子初生休眠［7］，解除休眠的水曲柳種子在室溫（20～23℃）條件下陰干（含水率7.9%），收集于密封塑封袋中，在-20℃條件下儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 研究方法

1.2.1 浸種處理

取經(jīng)過層積處理解除初生休眠的水曲柳種子，一部分在室溫下用清水浸泡24 h（預(yù)吸水），同時(shí)以未經(jīng)清水浸泡的另一部分種子（未預(yù)吸水）為對(duì)照，2 批種子均以0.5%高錳酸鉀消毒30 min 后洗凈備用。

1.2.2 PEG滲透處理

經(jīng)過預(yù)吸水和未預(yù)吸水的2批種子，在25℃條件下經(jīng)過如下滲透處理：因素一是PEG 濃度，共3個(gè)水平（0、25%、50%），因素二是滲透處理時(shí)間，共3 個(gè)水平（3 天PEG、3 天PEG+4 天H2O、7 天PEG），總共18種處理。

1.2.3 發(fā)芽試驗(yàn)

經(jīng)不同PEG 滲透處理的種子用清水沖洗后置于底部鋪有一層濾紙的9 cm 塑料培養(yǎng)皿中，在10℃條件下萌發(fā)，每個(gè)處理設(shè)置4 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)25粒種子，每天觀察記錄種子萌發(fā)情況，以胚根突出種皮2 mm 作為種子成功萌發(fā)的標(biāo)志。在種子置床后的第30天計(jì)算最終的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時(shí)間。計(jì)算公式為：

式中：tg表示發(fā)芽后經(jīng)歷g天；ng為發(fā)芽后第g天種子發(fā)芽粒數(shù)。

1.2.4 種子水分的測定

種子含水量變化以含水率來衡量，于PEG 高溫（25℃）處理（滲透處理第0 天、第3 天、結(jié)束時(shí)）和萌發(fā)過程（10℃萌發(fā)第3天）中取樣測定，每個(gè)處理4 個(gè)重復(fù)，20 粒種子，含水率測定以烘干法（105℃，24 h）進(jìn)行，計(jì)算公式為：

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2007軟件整理數(shù)據(jù)；使用SPSS19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析（對(duì)百分?jǐn)?shù)進(jìn)行平方根反正弦轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行方差分析），當(dāng)方差分析結(jié)果為顯著時(shí)，采用Duncan 法進(jìn)行多重比較；使用Sigmaplot 12.5作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 經(jīng)PEG 滲透處理后水曲柳種子含水率的變化情況

經(jīng)預(yù)吸水的水曲柳種子，含水率由初始含水率7.9%上升至50.25%。經(jīng)PEG 處理3 d（0～3 d），種子含水率均明顯降低，但經(jīng)25%PEG 處理后種子含水率（48.62%）降低幅度小于50%PEG 處理后種子含水率（44.87%），二者均顯著低于對(duì)照（PEG/0）的種子含水率（53.35%）；在10℃下（3～6 d），50%PEG 處理的種子含水率升高（49.17%），顯著低于對(duì)照（52.93%），與25%PEG 處理的種子含水率（51.27%）差異不顯著（見圖1A）。經(jīng)PEG 3 d+H2O 4 d處理，種子含水率0～3 d的變化規(guī)律與PEG處理3 d 的圖1A 的規(guī)律相同；而移除PEG 脅迫后（3～7 d），各處理（PEG：0%、25%、50%）含水率顯著升高，且對(duì)照處理的種子含水率（58.49%）顯著高于經(jīng)過PEG（25%、50%）處理的種子含水率（53.73%、53.02%）；在10℃下（7～10 d），對(duì)照處理的種子含水率（56.93%）降低，25%PEG 處理的種子含水率（53.91%）基本不變，而50%PEG 處理的種子含水率（54.18%）繼續(xù)緩慢升高（見圖1B）。經(jīng)PEG 持續(xù)處理7 d，25%PEG 處理下種子含水率先緩慢降低后緩慢升高，在處理3 d 時(shí)含水率降至最低（48.62%）；50%PEG 處理下種子含水率直線下降，在處理7 d 時(shí)含水率將至最低（39.23%），顯著低于25%PEG 處理（48.93%）與對(duì)照處理（56.09%）；在10℃下（7～10 d），各處理種子含水率均明顯升高，對(duì)照處理的種子含水率（56.27%）顯著高于經(jīng)過PEG（25%、50%）處理的種子含水率（50.95%、49.85%）（見圖1C）。

未預(yù)吸水的水曲柳種子在PEG 滲透處理與萌發(fā)過程中，各處理種子含水率均呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢，但各處理最終種子含水率值處于相近水平。經(jīng)PEG 處理3 d 的種子含水率為對(duì)照（53.28%）＞25%PEG（48.56%）＞50%PEG（39.36%）；處理6 d 時(shí)種子含水率為對(duì)照（51.92%）＞25%PEG（49.17%）＞50%PEG（45.99%），且各處理間差異顯著（見圖1a）。經(jīng)PEG 3 d+H2O 4 d處理的種子；7 d時(shí)種子含水率為對(duì) 照（56.98%）＞25%PEG（56.15%）＞50%PEG（54.72%），各處理的種子含水率均高于3 d時(shí)的種子含水率，但差異不顯著；處理10 d 時(shí)種子含水率為25%PEG（59.71%）＞對(duì)照（56.85%）＞50%PEG（54.37%），且25%PEG 處理種子含水率顯著高于對(duì)照和50%PEG 處理（見圖1b）。經(jīng)PEG 持續(xù)處理7 d 時(shí) 種 子 含 水 率 為 對(duì) 照（57.04%）＞25%PEG（48.72%）＞50%PEG（40.76%），相較于處理3 d 時(shí)升高緩慢；處理10 d 時(shí)種子含水率為對(duì)照（57.87%）＞25%PEG（52.91%）＞50%PEG（50.10%），各處理間差異顯著（見圖1c）。

2.2 PEG滲透處理后水曲柳種子萌發(fā)情況

預(yù)吸水的水曲柳種子經(jīng)PEG 不同濃度處理3 d，結(jié)果顯示PEG 濃度為25%、50%2 種處理的種子發(fā)芽率（84.00%、78.00%）顯著高于對(duì)照（44.00%）；種子經(jīng)PEG 3 d+H2O 4 d 處理，25%、50%PEG 處理的種子發(fā)芽率（41.00%、60.00%）顯著高于對(duì)照（16.00%）；種子經(jīng)PEG 處理7 d，25%、50%PEG 處理種子的發(fā)芽率（83.00%、92.00%）也顯著高于對(duì)照（30.00%）；經(jīng)過PEG 處理3、7 d的種子發(fā)芽率顯著高于經(jīng)PEG 3 d+H2O 4 d處理的種子發(fā)芽率，其中，在相同滲透處理?xiàng)l件下，25%PEG處理種子發(fā)芽率與50%PEG 處理種子發(fā)芽率差異均不顯著。種子經(jīng)PEG 處理3 d，25%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)最高（1.48），顯著高于對(duì)照（0.74），但與50%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)（1.23）差異不顯著；種子經(jīng)PEG 3 d+H2O 4 d 處理，50%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)較高（0.88），與25%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)（0.58）及對(duì)照（0.51）差異均不顯著；種子經(jīng)PEG 處理7 d，25%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)（1.20）與50%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)（1.30）顯著增大，兩者差異不顯著但均顯著高于對(duì)照（0.60）。種子經(jīng)PEG 3 d、7 d 處理，各處理種子的發(fā)芽時(shí)間與對(duì)照差異均不顯著；種子經(jīng)PEG 3 d+H2O 4 d 處理，25%、50%PEG 處理種子的發(fā)芽時(shí)間接近（19.78 d、19.55 d），發(fā)芽時(shí)間明顯延長，且均顯著高于對(duì)照（13.20 d）（見表1）。

表1 水曲柳種子經(jīng)不同濃度PEG處理不同時(shí)間后的萌發(fā)情況Table 1 germination of seeds of F.mandshurica treated with different concentrations of PEG for different times

未預(yù)吸水的水曲柳種子經(jīng)PEG 處理3 d，50%PEG 處理種子的發(fā)芽率最高（96.00%），顯著高于對(duì)照（84.00%），但與25%PEG 處理種子的發(fā)芽率（92.00%）差異不顯著；種子經(jīng)PEG3 d+H2O 4 d 處理，50%PEG 處理種子的發(fā)芽率也最高（67.00%），顯著高于對(duì)照（31.00%），也與25%PEG處理種子的發(fā)芽率（47.00%）差異不顯著；種子經(jīng)PEG 處理7 d，25%、50%PEG 處理種子的發(fā)芽率（81.00%、81.00%）均顯著高于對(duì)照（20.00%）；經(jīng)PEG 處理3 d、7 d 的種子發(fā)芽率顯著高于經(jīng)PEG 3 d+H2O 4 d處理的種子發(fā)芽率。種子經(jīng)PEG 處理3 d，25%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)較高（1.55），與其他處理差異不顯著；種子經(jīng)PEG 3 d+H2O 4 d 處理，50%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)較高（0.98），與25%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)（0.84）及對(duì)照（0.58）差異顯著；種子經(jīng)PEG 處理7 d，25%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)（1.21）與50%PEG 處理種子的發(fā)芽指數(shù)（1.28）顯著增大，均顯著高于對(duì)照（0.49）。種子經(jīng)25%PEG 處理3 d，種子的發(fā)芽時(shí)間最短（15.15 d）；經(jīng)PEG 處理7 d，對(duì)照處理的種子發(fā)芽時(shí)間最長（19.58 d），二者差異顯著，但與其他處理差異均不顯著（見表1）。

2.3 PEG 調(diào)控水曲柳種子熱休眠誘導(dǎo)過程中種子含水率與萌發(fā)率的相關(guān)性

對(duì)PEG 調(diào)控水曲柳種子熱休眠誘導(dǎo)過程中種子含水率與種子的發(fā)芽率做回歸分析發(fā)現(xiàn)，無論種子是否預(yù)吸水，隨著種子含水率升高，種子發(fā)芽率降低。以模擬的線性方程y=-3.933x+256.551和y=-3.020x+212.746 可知，種子含水率與種子發(fā)芽率成反比，種子含水率與種子發(fā)芽率呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.001）（見圖2）。由此，在PEG 阻止水曲柳種子進(jìn)入熱休眠，提高種子萌發(fā)率的過程中，種子含水率是重要影響因子之一。

3 討論

有研究表明高濃度PEG 處理可以使小麥［8］、紅三葉［9］、苦蕎［10］不同品種的含水量降低。本研究發(fā)現(xiàn)，在高溫（25℃）條件下，種子經(jīng)PEG 處理，種子含水率：對(duì)照＞25%PEG＞50%PEG，即PEG 的濃度越高，種子含水率越低。說明水曲柳種子也同樣受到高濃度PEG 影響，從而表現(xiàn)出種子含水率降低的情況，這預(yù)示著種子次生休眠的誘導(dǎo)可能和高溫條件下萌發(fā)過程中種子的水分狀態(tài)有關(guān)。由此可以回答本文引言部分要驗(yàn)證的第一個(gè)問題，高濃度PEG 滲透處理可以降低水曲柳種子含水率，從而引起種子萌發(fā)過程中的水分狀態(tài)不同。

在種子萌發(fā)的關(guān)鍵時(shí)期，用PEG 對(duì)萵苣、芹菜、歐芹、洋蔥、大豆、豌豆和甜玉米等種子進(jìn)行滲透處理，可以有效地縮短種子發(fā)芽所需的時(shí)間［11］。在調(diào)節(jié)過程中，在PEG 溶液中加入種子保護(hù)劑和生長調(diào)節(jié)劑，有助于進(jìn)一步提高種子的萌發(fā)性能。滲透處理可以有效減弱種子熱休眠［12～14］。本研究發(fā)現(xiàn)，在25℃下，高濃度PEG 長時(shí)間滲透處理對(duì)種子熱休眠誘導(dǎo)的減弱作用更明顯，這與李明月［5］的研究結(jié)論相吻合，同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)持續(xù)的滲透處理對(duì)種子熱休眠誘導(dǎo)減弱作用效果更好。經(jīng)預(yù)吸水處理的水曲柳種子：50%PEG 處理7 d 的種子發(fā)芽率最高（92%）、種子含水率呈下降趨勢，而移除PEG脅迫（水環(huán)境）后種子含水率升高。而未預(yù)吸水的種子：50%PEG 處理3 d的發(fā)芽率最高（96%），各處理種子含水率逐漸升高。PEG 濃度越高，水曲柳種子含水率越低，種子吸水速率越慢。由此可以回答本研究提出的第二個(gè)問題，浸種與否和PEG處理引起種子水分狀態(tài)產(chǎn)生差異的作用有關(guān)，而且萌發(fā)表現(xiàn)也有顯著差異。

有研究表明，種子休眠與水分含量有關(guān)。向日葵種子在自身含水量為6%～7%時(shí)，經(jīng)過20 d 后就可發(fā)芽，即該含水量能夠解除休眠狀態(tài)，含水量在低于5.5%和高于7.5%時(shí)種子均進(jìn)入休眠［15～16］。山芹菜種子含水量達(dá)到61.845%時(shí)，種子一些主要物理參數(shù)與含水量之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，種子存在生理休眠現(xiàn)象［17］。含水量在22%左右，45℃恒溫烘干14 h 左右“武香粳2401”早熟晚粳水稻種子使進(jìn)入次生休眠［18～19］。冬小麥、玉米、高粱種子遠(yuǎn)在成熟之前就擁有了發(fā)芽能力［20～22］，充分干燥的未熟小麥種子可以發(fā)芽，而未熟鮮種子不能萌發(fā)，顯然干燥可促使種子萌發(fā)，不同成熟度種子都遵循“干燥失水發(fā)芽率提高”的規(guī)律，水分含量與發(fā)芽率顯著負(fù)相關(guān)；各成熟度種子充分干燥后發(fā)芽率均可達(dá)到最大值［23］。本研究發(fā)現(xiàn)，在25℃下，經(jīng)過PEG 處理的水曲柳種子，PEG 濃度越大，水曲柳種子含水率越低，種子的發(fā)芽率越高，即經(jīng)PEG 處理的水曲柳種子含水率與種子發(fā)芽率成反比例關(guān)系。種子的含水率與發(fā)芽率呈極顯著負(fù)相關(guān)，即降低含水量可以有效減弱水曲柳種子的熱休眠。由此可以回答本研究提出的第三個(gè)問題，水曲柳種子的水分狀態(tài)對(duì)種子的休眠狀態(tài)有影響。

綜上所述，在25℃條件下，PEG 滲透處理可以降低種子的含水率，且持續(xù)的滲透處理對(duì)種子熱休眠誘導(dǎo)減弱作用效果更好，預(yù)吸水與否均影響種子含水率變化規(guī)律和種子萌發(fā)情況，種子含水率與種子發(fā)芽率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此，PEG 滲透處理減弱水曲柳種子熱休眠誘導(dǎo)的作用與種子水分狀態(tài)有關(guān)。