干旱脅迫和鹽脅迫對水杉種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

易燕瑩， 王 茹， 劉相泉， 鄧志軍

(1.生物資源保護(hù)與利用湖北省重點實驗室(湖北民族大學(xué))， 湖北 恩施 445000；2.恩施州特色植物資源種質(zhì)工程技術(shù)研究中心(湖北民族大學(xué))， 湖北 恩施 445000)

土壤鹽漬化和水資源匱乏已成為影響農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境建設(shè)的兩大全球性問題[1-3]。我國目前遭受水土流失的耕地面積較大，并且還在不斷增加中，加之受氣候影響，土地鹽堿化、干旱化日益嚴(yán)重，不僅阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還導(dǎo)致環(huán)境惡化，嚴(yán)重影響了地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。有研究表明，植物在生長過程中會啟動一定的防御機(jī)制來應(yīng)對外界的各種脅迫[5]，種植耐鹽植物也能夠一定程度改善土壤鹽漬化情況[6]。因此，研究植物在鹽堿及干旱環(huán)境條件下的種子萌發(fā)和幼苗生長特性，對深入了解植物的抗旱耐鹽性以及農(nóng)林業(yè)的發(fā)展、實現(xiàn)鹽堿地的合理開發(fā)利用等均有著重要的意義[3,7]。

水杉(Metasequoiaglyptostroboides)是杉科(Taxodiaceae)水杉屬的單屬單種植物，是我國特有的孑遺植物，國家一級保護(hù)植物，并被譽(yù)為世界生物界的“活化石”。目前，水杉繁殖主要采用播種繁殖和扦插繁殖。由于水杉母樹稀少，產(chǎn)種量低，扦插繁殖是最主要的繁殖方法[8]，然而多代扦插會導(dǎo)致品種退化，不適合大批量生產(chǎn)。種子繁殖則能有效穩(wěn)定植物的優(yōu)良性狀，并在短時間內(nèi)繁殖大量的種苗，有利于物種的繁衍及植物的規(guī)?；a(chǎn)[9]。目前對于水杉種子的研究主要集中在光照、溫度、枯落物厚度、地下水位、埋藏深度對其萌發(fā)和幼苗建成的影響等方面[10-14]，而干旱和高鹽是自然界常見的逆境脅迫因素，但其對水杉種子萌發(fā)影響的研究較少。因此，本試驗通過不同水勢的PEG-6000溶液和不同濃度NaCl溶液模擬自然條件下土壤水分和鹽分對水杉種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，并通過測定發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)及苗長探究水杉種子在干旱和鹽脅迫逆境中的耐受能力，以期為水杉種子在干旱、鹽堿地的合理種植及生態(tài)修復(fù)治理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材 料

于2015年在湖北省利川市小河鄉(xiāng)采集新鮮成熟水杉種子，種子采回后在室內(nèi)攤晾7 d后用于試驗。經(jīng)測得種子含水量為(8.5±0.6)%，千粒重為(2.4±0.2)g。

1.2 方 法

1.2.1種子含水量和千粒重測定

參照國際種子檢驗規(guī)程中的方法[15]測定種子含水量。4次重復(fù)，每次重復(fù)30粒種子。參照宋松泉等[16]的方法測定種子千粒重。4次重復(fù)，每次重復(fù)1 000粒種子。

1.2.2模擬干旱脅迫處理

根據(jù)Michael和Kaufaman[17]的方法，在25 ℃(水杉種子最適萌發(fā)溫度之一)條件下配置水勢分別為-3 MPa、-5 MPa、-7 MPa、-9 MPa的PEG-6000溶液，用以模擬不同程度的干旱條件，以蒸餾水處理作為對照(ck)。

1.2.3模擬鹽脅迫處理

配置濃度分別為100、125、150、175、200、225、250 mmol·L-1的NaCl溶液，用以模擬不同程度的鹽脅迫條件，以蒸餾水處理作為對照(ck)。

1.2.4萌發(fā)測試

將大小均勻的新鮮種子播于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿添加6 mL不同濃度的PEG-6000和NaCl溶液，以加入6 mL蒸餾水為對照，并用封口膜進(jìn)行密封處理。然后置于25 ℃交替光照條件下培養(yǎng)。每天在固定時間觀察并記錄萌發(fā)情況(以胚根突破種皮作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn))。所有萌發(fā)試驗均設(shè)置4次重復(fù)，每次重復(fù)50粒種子。萌發(fā)測試結(jié)束后統(tǒng)計發(fā)芽率、相對發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽率(%)=(種子萌發(fā)數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

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

發(fā)芽勢(%)=(第10天種子累積萌發(fā)數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，

式中：Gt為在第t天的萌發(fā)種子數(shù)，Dt為相應(yīng)的種子萌發(fā)天數(shù)。

1.2.5耐鹽性及耐旱性評價

參照李玉梅等[18]的方法，以不同干旱脅迫及鹽脅迫處理下的相對發(fā)芽率為因變量(y)，以水勢及鹽濃度為自變量(x)建立函數(shù)方程，以相對發(fā)芽率下降75%、50%和10%時所對應(yīng)的水勢及鹽濃度作為水杉種子的耐旱/鹽適宜濃度、耐旱/鹽半致死濃度和耐旱/鹽極限濃度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有統(tǒng)計分析和作圖均通過R軟件完成。運(yùn)用SPSS 20.0軟件，對不同水勢的PEG-6000溶液和不同濃度的NaCl溶液處理下的發(fā)芽數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)和Student-Newman-Keuls驗后多重比較進(jìn)行顯著性檢驗(p=0.05)。試驗中統(tǒng)計數(shù)據(jù)均以(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)形式表示，小數(shù)點后保留一位有效數(shù)字。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬干旱脅迫處理對水杉種子萌發(fā)的影響

從圖1可以看出，隨著PEG-6000溶液水勢的升高，水杉種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈持續(xù)下降的趨勢(圖1，p<0.05)。0～-1.2 MPa水勢范圍內(nèi)，水杉種子的最終平均發(fā)芽率無顯著差異。其中，ck的種子最終平均發(fā)芽率最高，為(81.5±6.0)%。-3～-7 MPa水勢條件下，水杉種子的最終平均發(fā)芽率顯著降低，分別較ck降低44%、37.5%和60%。直到水勢降為-9 MPa時，水杉種子的最終平均發(fā)芽率降到最低，為(5.0±1.3)%。種子發(fā)芽勢與發(fā)芽率變化趨勢一致，同樣在0～-1.2 MPa水勢范圍內(nèi)沒有顯著變化，在-3 MPa時開始顯著下降，在-7 MPa時顯著下降至(1±0.6)%，在-9 MPa時顯著下降至0。而發(fā)芽指數(shù)的變化更為顯著，在-3～-9 MPa時已無顯著差異，直到水勢下降至-9 MPa，發(fā)芽指數(shù)降至最低，為(0.6±0.1)。

2.2 模擬干旱脅迫處理對水杉幼苗苗長的影響

由圖2可知，不同水勢的PEG-6000溶液對水杉幼苗苗長具有顯著影響(p<0.05)。當(dāng)水勢為0時，水杉幼苗最高，為(35.6±0.6)mm，隨后幼苗長度隨干旱脅迫的增強(qiáng)而持續(xù)下降，當(dāng)水勢為-9 MPa時，水杉幼苗苗長顯著下降到(2.5±1.3)mm。

2.3 模擬鹽脅迫處理對水杉種子萌發(fā)的影響

從圖3可以看出，隨著NaCl濃度的升高，水杉種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈顯著下降的趨勢(p<0.05)。其中，ck的種子最終平均發(fā)芽率最高。當(dāng)NaCl溶液濃度范圍升高至100～175 mmol·L-1時，種子的最終平均發(fā)芽率無顯著差異，但較ck分別顯著下降了34%、36%、46.5%和57%。隨后當(dāng)NaCl溶液濃度范圍再次升高至150～250 mmol·L-1時，最終平均發(fā)芽率均下降至10%以下。發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的變化相比發(fā)芽率更為顯著，當(dāng)NaCl溶液濃度為100、125 mmol·L-1時，發(fā)芽勢無顯著差異，當(dāng)NaCl溶液濃度范圍升高至150～250 mmol·L-1時，發(fā)芽勢均下降至5%以下。同樣，發(fā)芽指數(shù)也呈現(xiàn)類似變化，在NaCl溶液濃度范圍為150～250 mmol·L-1時，發(fā)芽指數(shù)下降至5左右且無顯著差異。

2.4 模擬鹽脅迫處理對水杉幼苗苗長的影響

由圖4可知，不同濃度NaCl溶液對水杉幼苗生長具有顯著影響(p<0.05)。其中，ck的幼苗最高，為(35.6±0.6)mm，隨著NaCl溶液濃度的升高，幼苗苗長呈持續(xù)降低的變化趨勢。當(dāng)NaCl溶液濃度范圍升高至200～250 mmol·L-1時，幼苗苗長下降至5 mm以下且無顯著差異。

2.5 水杉種子耐鹽性及耐旱性評價

根據(jù)水杉種子不同處理后的相對發(fā)芽率進(jìn)行線性回歸分析，以進(jìn)一步明確水杉種子萌發(fā)對干旱脅迫和鹽脅迫的耐受程度。結(jié)果表明，水杉種子相對發(fā)芽率與不同水勢和鹽濃度之間均呈良好的線性函數(shù)關(guān)系，其中相對發(fā)芽率與水勢之間的最優(yōu)線性函數(shù)方程為y=96.07+10.16x1，R2=0.944 6，相對發(fā)芽率與鹽濃度之間的最優(yōu)線性函數(shù)方程為y=102.5-0.417 1x2，R2=0.962 4。由最優(yōu)線性函數(shù)方程求得水杉種子的耐旱和耐鹽適宜水勢和濃度分別為-2.1 MPa和65.9 mmol·L-1，耐旱和耐鹽半致死水勢和濃度分別為-4.5 MPa和125.9 mmol·L-1，耐旱和耐鹽極限水勢和濃度分別為-8.5 MPa和221.8 mmol·L-1。

3 討論與結(jié)論

種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)是衡量種子質(zhì)量的重要指標(biāo)[3]。而種子萌發(fā)期是對脅迫環(huán)境最敏感的時期，植株在這一時期對脅迫環(huán)境的耐受能力一定程度上反映了植物整體的耐受性[3,19]。影響種子萌發(fā)的因素有很多，并且在不同的植物種類和生境下，影響種子萌發(fā)的主要因子也有所不同[20-21]。其中，干旱脅迫和鹽脅迫是影響植物生長發(fā)育的主要逆境因素。干旱脅迫下，由于植物體內(nèi)缺水會對植物造成滲透脅迫，導(dǎo)致植物失水[22]，植物在失水情況下會導(dǎo)致酶的活性下降甚至喪失，進(jìn)而影響植物的光合作用和生長發(fā)育[23-24]。鹽脅迫下，植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧，損傷細(xì)胞膜，從而抑制植物正常生長[25-26]。然而我國干旱鹽堿土地面積大、分布廣，已經(jīng)成為一種待開發(fā)利用的重要后備耕地資源[27]，因此，不斷研究挖掘適宜干旱、鹽漬化土地種植的植物資源對農(nóng)業(yè)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。

本研究中，與對照相比，水杉種子的萌發(fā)及苗長均隨干旱脅迫和鹽脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)呈持續(xù)下降趨勢，說明水杉種子萌發(fā)及幼苗生長在干旱及鹽脅迫下均受到不同程度的抑制。一方面，在干旱脅迫下，水杉種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢雖然隨干旱脅迫程度增加而下降，但當(dāng)水勢降到-5 MPa時，種子發(fā)芽率仍有(44.0±6.3)%，種子發(fā)芽勢為(16.0±1.6)%，且根據(jù)水杉種子相對發(fā)芽率與干旱脅迫的最優(yōu)線性方程可知其耐旱半致死水勢為-4.5 MPa，其耐旱能力甚至與我國4種荒漠植物的種子相當(dāng)[28]，說明水杉種子具有較強(qiáng)的耐旱性。這與吳漫玲等[29]的研究結(jié)果相似但又不盡相同，因為其研究結(jié)果顯示在溫度偏高或者偏低時，0.05～0.1 g·mL-1的低濃度PEG-6000溶液對水杉種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用，但這并未在本實驗中體現(xiàn)，故可進(jìn)一步研究水杉種子在溫度和低濃度的干旱脅迫的交互作用下，其萌發(fā)指標(biāo)及生理生化指標(biāo)的變化情況，探討低濃度的干旱脅迫能否促進(jìn)水杉種子的萌發(fā)。另一方面，在不同濃度的NaCl溶液脅迫下，水杉種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均呈隨NaCl溶液濃度升高而下降的趨勢，這與王樹鳳等[30]在研究同科不同屬的水松種子對鹽脅迫響應(yīng)的研究結(jié)果類似。本實驗中水杉種子在200 mmol·L-1的NaCl溶液處理下的最終平均發(fā)芽率降至(8.0±3.6)%，且根據(jù)水杉種子相對發(fā)芽率和鹽濃度之間的線性方程可知，水杉種子的耐鹽極限濃度為221.8 mmol·L-1，這遠(yuǎn)低于沙地云杉和青海云杉種子在相同條件下的最終平均發(fā)芽率[31]。由此可見，水杉種子的耐鹽性不強(qiáng)。

綜上所述，本研究初步探究了水杉種子對干旱脅迫以及鹽脅迫的耐性程度，結(jié)果顯示，水杉種子對干旱具有較強(qiáng)耐性，對鹽脅迫耐性不強(qiáng)。這為水杉種子的合理種植及干旱、鹽堿地種植水杉進(jìn)行生態(tài)修復(fù)提供了一定的參考依據(jù)。后續(xù)可進(jìn)一步探究干旱和鹽脅迫交互作用下種子萌發(fā)和幼苗生長表現(xiàn)，以及水杉種子抵抗脅迫時的一系列內(nèi)在變化，為揭示水杉種子對脅迫的響應(yīng)及實際種植提供理論依據(jù)。