5種荒漠植物種子萌發(fā)與生長(zhǎng)抗旱性比較

潘平新，馬彥軍，任小燕，杜雨，柳迪

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

干旱作為威脅人類生存與發(fā)展的最大環(huán)境壓力之一，已經(jīng)越來越受到人們的重視.我國干旱半干旱區(qū)主要分布在西北地區(qū)，約占全國總土地面積的1/2[1].由于蒸發(fā)量大、降水量少，干旱成了影響植物生長(zhǎng)、分布的主要因素之一[2-3].近年來研究發(fā)現(xiàn)，種植荒漠抗旱植物是改善生態(tài)環(huán)境、節(jié)約有限水資源和防沙治沙的一種有效途徑[4-5].

干旱脅迫會(huì)降低種子的萌發(fā)率、延緩種子的發(fā)芽高峰期、阻礙幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育，為了適應(yīng)干旱脅迫，種子在萌發(fā)過程中需要與環(huán)境相互協(xié)調(diào)，通過自身的細(xì)胞代謝、增加保護(hù)酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等一系列反應(yīng)來適應(yīng)水分脅迫等逆境[6-7].通常采用PEG模擬干旱脅迫的方法，通過測(cè)定種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)來評(píng)價(jià)荒漠植物的抗性[8-12].

本研究選擇甘肅省民勤縣戈壁灘的5種荒漠植物：沙打旺(Astragalusadsurgens)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)、光果甘草(Glycyrrhizauralensis)為材料.在氣候干旱的民勤戈壁灘，由于荒漠植物分布十分廣泛，它們是良好的固沙植物，因而對(duì)于抗旱性強(qiáng)的植物的選擇尤為重要[13-14].目前，國內(nèi)學(xué)者對(duì)于荒漠植物種子萌發(fā)研究的報(bào)道較多.張勇等[15]研究表明，雨量大小、分布，降水次數(shù)及土壤濕度是決定荒漠植物種子萌發(fā)的重要生態(tài)因子；溫度影響種子的萌發(fā)，變溫促進(jìn)萌發(fā)；部分荒漠植物種子的萌發(fā)需要光照，有些要在暗中萌發(fā)，有些則對(duì)光無特異的需求；沙埋深度可調(diào)節(jié)光照、土壤濕度和土壤溫度，從而調(diào)節(jié)種子萌發(fā).楊景寧等[16]研究表明，在4種荒漠植物種子中，梭梭(Haloxylonammodendron)種子萌發(fā)的抗旱性最強(qiáng)，而堿蓬(Suaedaglauca)的抗旱性最弱.賀慧等[17]研究表明，5種荒漠植物種子在萌發(fā)過程中吸水量有顯著性的差異；荒漠錦雞兒(Caraganaroborovskyi)、多裂駱駝蓬(Peganummultisectum)等同種植物不同產(chǎn)地的種子的吸水量也存在顯著性差異；吸脹過程中5種植物種子的千粒質(zhì)量與吸脹時(shí)間呈正相關(guān)，與吸水速率呈負(fù)相關(guān).

由此可見，有關(guān)這5種荒漠植物種子萌發(fā)對(duì)干旱脅迫響應(yīng)的綜合比較研究還比較少，而在同一研究水平下，比較這5種荒漠植物種子的抗旱性強(qiáng)弱研究則未見報(bào)道.本研究從生理生態(tài)學(xué)的角度系統(tǒng)比較了5種荒漠植物種子萌發(fā)對(duì)干旱脅迫(PEG)的響應(yīng)，以期促進(jìn)我國荒漠植物種子的抗逆性研究，為開發(fā)利用荒漠植物種質(zhì)資源和進(jìn)行植被的恢復(fù)與重建提供參考和借鑒.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

于2018年8月在甘肅省民勤縣西渠鎮(zhèn)戈壁灘(E 103°32′，N 38°54′，海拔1 309 m)收集沙打旺、脹果甘草、光果甘草、檸條錦雞兒和苦豆子這5種荒漠植物種子.千粒質(zhì)量依次為1.43、10.63、6.32、40.55、20.74 g，其中檸條錦雞兒的千粒質(zhì)量最大為40.55 g，沙打旺的千粒質(zhì)量最小1.43 g；硬實(shí)率依次為2%、21%、56%、5%、78%，其中苦豆子的硬實(shí)率最大為78%，沙打旺的硬實(shí)率最小為2%.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子處理 參照《國際種子檢驗(yàn)規(guī)程》[18-19]，試驗(yàn)前將種子先浸泡24 h，然后選擇吸脹飽滿的種子，再使用500 mg/L 84消毒液消毒30 min，之后用無菌水清洗3次，用濾紙吸干備用.

1.2.2 試驗(yàn)方法 本試驗(yàn)利用不同體積分?jǐn)?shù)的PEG溶液對(duì)5種荒漠植物做處理，即0(CK)、5%、10%、15%、20%，每種植物設(shè)5個(gè)不同處理，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，每次重復(fù)30粒種子，發(fā)芽期為7 d.將3次重復(fù)中有第1粒種子萌發(fā)作為該處理發(fā)芽的開始，連續(xù)3 d無種子發(fā)芽作為發(fā)芽的結(jié)束[18].事先將蛭石清洗干凈，用高壓滅菌鍋滅菌，然后在干燥箱烘干，平鋪在發(fā)芽盒內(nèi)，厚3 cm.用等量的不同體積分?jǐn)?shù)的PEG溶液將蛭石澆透作為苗床，以蒸餾水處理的蛭石苗床為對(duì)照(CK).將種子均勻地條播在發(fā)芽盒里，覆蛭石0.5 cm.然后放入25 ℃，濕度75%，光照/黑夜時(shí)間為12 h/12 h的人工氣候箱中培養(yǎng)發(fā)芽.每天定時(shí)觀察并記錄種子的發(fā)芽情況.

1.3 測(cè)定指標(biāo)

測(cè)量并計(jì)算種子的發(fā)芽率(Germination rate，GR)、發(fā)芽勢(shì)(Germination energy，GE)、發(fā)芽指數(shù)(Germination index，GI)、活力指數(shù)(Vitality index，VI)、根莖比(Root-Stem ratio，RSR)、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)(直尺測(cè)量)、鮮質(zhì)量(用萬分之一電子天平稱質(zhì)量)、干質(zhì)量(采用烘干稱質(zhì)量法[20])、含水量(GW)10個(gè)指標(biāo).

發(fā)芽率(%)=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%[21]

發(fā)芽勢(shì)=前3天種子萌發(fā)數(shù)/種子總數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt

(∑Gt指t時(shí)間內(nèi)的發(fā)芽總數(shù)，Dt指發(fā)芽天數(shù))

活力指數(shù) =GI×S(GI為發(fā)芽指數(shù)，S為幼苗鮮質(zhì)量)

根莖比=根長(zhǎng)/莖長(zhǎng)[22]

含水量=(鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)/鮮質(zhì)量×100%

1.4 抗旱性綜合評(píng)價(jià)方法

采用隸屬函數(shù)法對(duì)5種荒漠植物的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).隸屬函數(shù)值X(u)如下式：

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：X為所有荒漠植物某一指標(biāo)測(cè)定值的均值，Xmin、Xmax為所有荒漠植物某一指標(biāo)均值的最小值和最大值.如果某一指標(biāo)與抗性指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，則可通過反隸屬函數(shù)計(jì)算其抗旱性隸屬函數(shù)值X(v)：

X(v)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

最后，再將每種荒漠植物各個(gè)指標(biāo)的隸屬值累加求其平均值.根據(jù)平均隸屬函數(shù)值大小確定抗旱性強(qiáng)弱并進(jìn)行排序，平均值越大，抗旱性越強(qiáng)[23].

1.5 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG脅迫對(duì)種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)的影響

由圖1可知，PEG模擬干旱脅迫對(duì)不同荒漠植物種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)的影響不同，隨著脅迫程度的加劇，種子的發(fā)芽速率受到影響，發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)受到嚴(yán)重抑制，尤其15%和20% PEG處理下，5種荒漠植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)均與CK相比差異顯著(P<0.05).在5% PEG處理時(shí)，5種荒漠植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)達(dá)最大，且與CK相比差異不顯著(P>0.05).超過5%PEG處理后，發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)開始呈下降趨勢(shì)，這可能是低體積分?jǐn)?shù)的PEG促進(jìn)種子萌發(fā)，高體積分?jǐn)?shù)PEG抑制種子萌發(fā).在20%PEG處理下，沙打旺、脹果甘草、光果甘草、檸條錦雞兒、苦豆子5種荒漠植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)與其在5%處理下相比分別下降了76.46%、16.67%、40.00%、40.61%、74.99%；71.23%、31.03%、43.33%、51.40%、83.13%；隨著PEG體積分?jǐn)?shù)的增大，脹果甘草、光果甘草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)均在60%以上，明顯高于其他幾種荒漠植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì).從發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)角度來看，脹果甘草、光果甘草的種子都具有較高的萌發(fā)力，說明脹果甘草、光果甘草的耐旱程度最好.

同一指標(biāo)不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05).

2.2 PEG脅迫對(duì)種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的影響

由表1可知，在5%PEG處理下，除脹果甘草、光果甘草的活力指數(shù)與CK差異顯著(P<0.05)外，沙打旺、脹果甘草、光果甘草、檸條錦雞兒的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與CK差異不顯著(P>0.05).在未脅迫的情況下，光果甘草發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別為0.98、12.27，種子質(zhì)量最好，其次是脹果甘草，發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別為0.97、8.80，種子質(zhì)量最差的是苦豆子，其發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)分別為0.23、1.53；當(dāng)5% PEG處理時(shí)，檸條錦雞兒、苦豆子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與CK相比呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)；在PEG體積分?jǐn)?shù)超過5%后，隨著干旱脅迫的加重，5種荒漠植物的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)；沙打旺的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)在20%PEG處理時(shí)下降為0.00、0.50，較CK下降了100%、65.99%，表明沙打旺的發(fā)芽能力和活力與其他荒漠植物相比較差.

表1 PEG脅迫對(duì)5種荒漠植物種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的影響

2.3 PEG脅迫對(duì)幼苗根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和根莖比的影響

由表2可知，5種荒漠植物各處理之間根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)以及根莖比呈現(xiàn)出不同的差異性.在5% PEG處理時(shí)，除檸條錦雞兒的莖長(zhǎng)，苦豆子的根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)與CK差異顯著(P<0.05)外，其余均與CK差異不顯著(P>0.05).在CK和5%PEG處理下，苦豆子和檸條錦雞兒的根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)生長(zhǎng)最好，分別為15.57、18.07 cm；10.10、10.23 cm；14.27、12.30 cm；8.37、6.60 cm；其余幾種荒漠植物在干旱脅迫剛開始時(shí)(5%)根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)高于CK，說明低體積分?jǐn)?shù)的PEG溶液可以促進(jìn)這些荒漠植物根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)的生長(zhǎng).當(dāng)15% PEG處理時(shí)，大多數(shù)荒漠植物的根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)以及根莖比與各自的CK相比都有下降，而當(dāng)20% PEG處理時(shí)，苦豆子、光果甘草根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)明顯高于各自15%PEG處理下的根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性.

表2 PEG脅迫對(duì)5種荒漠植物幼苗根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)和根莖比的影響

2.4 PEG脅迫對(duì)幼苗鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水量的影響

由表3可知，隨著PEG脅迫加劇，沙打旺、脹果甘草、光果甘草、檸條錦雞兒、苦豆子的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，而含水量呈先上升后下降的趨勢(shì).當(dāng)5%PEG處理時(shí)，5種荒漠植物的含水量達(dá)到最大，由大到小依次為沙打旺(86.37%)、脹果甘草(85.46%)、光果甘草(84.07%)、檸條錦雞兒(62.15%)、苦豆子(74.65%)；沙打旺的鮮質(zhì)量，光果甘草、苦豆子的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量與CK相比差異顯著(P<0.05)；脹果甘草、檸條錦雞兒的鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、含水量與CK差異不顯著(P>0.05).在PEG體積分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，苦豆子的鮮質(zhì)量、含水量分別為52.64 mg，66.61%，較15% PEG處理干質(zhì)量、含水量高8.75 mg,1.25%.說明在較高體積分?jǐn)?shù)PEG下，苦豆子幼苗對(duì)其干旱環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力.

表3 PEG脅迫對(duì)5種荒漠植物幼苗鮮質(zhì)量、干質(zhì)量和含水量的影響

2.5 5種荒漠植物抗旱性綜合評(píng)價(jià)

利用隸屬函數(shù)對(duì)5種荒漠植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)、根莖比、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量以及含水量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到5種荒漠植物的抗旱性見表4.根據(jù)隸屬函數(shù)的平均值進(jìn)行排序，得出5種荒漠植物的抗旱性強(qiáng)弱依次為脹果甘草>光果甘草>沙打旺>苦豆子>檸條錦雞兒.

表4 5種荒漠植物耐旱指標(biāo)隸屬函數(shù)值及耐旱性綜合評(píng)價(jià)

3 討論

種子萌發(fā)主要由植物自身因素和外界環(huán)境所決定，在干旱環(huán)境中植物能否生存，最重要取決于種子的發(fā)芽能力和活力大小[24].而發(fā)芽率代表種子的發(fā)芽力，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)代表種子的活力，是種子在萌發(fā)和幼苗時(shí)期活性強(qiáng)度的綜合評(píng)價(jià)[25].有研究表明，低濃度的 PEG 溶液可以促進(jìn)種子萌發(fā)，如劉長(zhǎng)利、馬海鴿等[26-27]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的 PEG脅迫可促進(jìn)甘草種子的萌發(fā)；王彥榮以及孫建華等[28-29]研究發(fā)現(xiàn)，較高滲透勢(shì)的 PEG可以提高沙打旺種子的萌發(fā)；曾怡[30]在對(duì)禾本科的垂穗披堿草(Elymusnutans)和老芒麥(Elymussibiricus)研究發(fā)現(xiàn)，5%的 PEG 溶液對(duì)二者的主根長(zhǎng)均有不同程度的促進(jìn)作用；梁國玲等[31]在對(duì)禾本科羊茅屬和肖亮等[32]對(duì)禾本科芒草的研究中均發(fā)現(xiàn)5% PEG可以促進(jìn)材料胚根生長(zhǎng)；孫清洋[33]研究了9個(gè)來自不同地區(qū)的禾本科老芒麥，發(fā)現(xiàn)其中有4種老芒麥的胚根長(zhǎng)在低濃度 PEG下呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，其余5種老芒麥的胚根長(zhǎng)則隨著PEG 濃度升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì).本研究發(fā)現(xiàn)，5%的PEG 溶液對(duì)于草本植物種子的萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用，尤其是對(duì)于脹果甘草、光果甘草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)，苦豆子根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)的生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用，這些結(jié)果與上述研究者的結(jié)果基本一致，這表明低體積分?jǐn)?shù)的PEG溶液對(duì)上述種子有較好的引發(fā)作用，可以增強(qiáng)種子的活性.當(dāng)然，低體積分?jǐn)?shù)的PEG溶液是否對(duì)種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用，也可能與植物種類或植物受干旱脅迫的敏感性有關(guān)[34].

植物抗旱性受多種外界因素的影響，不同植物種子對(duì)同一指標(biāo)的抗旱性反應(yīng)也不一定相同[35].而對(duì)于抗旱性評(píng)價(jià)的指標(biāo)也有很多種，根據(jù)不同的研究目的可以選擇合適的研究指標(biāo)，關(guān)于荒漠植物萌發(fā)期抗旱指標(biāo)選擇，前人已做了大量研究，而本試驗(yàn)選擇的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長(zhǎng)、莖長(zhǎng)等多個(gè)指標(biāo)，均有研究者做了相應(yīng)研究[33,36]，這些指標(biāo)與出苗率、成苗率都有密切聯(lián)系，而成苗率是反映幼苗期抗旱能力的主要指標(biāo).5種荒漠植物在不同指標(biāo)下的抗旱性強(qiáng)弱并不完全一致，因?yàn)榉N子的抗旱性受多個(gè)因素的共同作用，僅用單一的指標(biāo)難以準(zhǔn)確地反映抗旱性的強(qiáng)弱，所以必須運(yùn)用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)[37-38]，因此隸屬函數(shù)法被廣泛應(yīng)用于抗旱性評(píng)價(jià)[39-43].本研究發(fā)現(xiàn)5種荒漠植物在萌發(fā)期脹果甘草的抗旱性最強(qiáng)，其次是光果甘草，而檸條錦雞兒的抗旱性最弱.司馬義·巴拉提等[44]在對(duì)甘草、苦豆子等8種牧草萌發(fā)期抗旱性研究中發(fā)現(xiàn)，甘草的抗旱性強(qiáng)于苦豆子，這與本研究中荒漠植物的抗旱性順序一致.王亞楠等[45]在PEG-6000模擬干旱脅迫下10種草本植物萌發(fā)期抗旱性比較發(fā)現(xiàn)，苦豆子的抗旱性強(qiáng)于沙打旺，這與本試驗(yàn)結(jié)果中荒漠植物的抗旱性順序有所不同，這可能是因?yàn)榉N子萌發(fā)期的抗旱性與種子本身的特性與生理狀況有關(guān)，因此脹果甘草、光果甘草是否在苗期乃至全生育期也具有較強(qiáng)的抗旱性還需進(jìn)一步的研究.

4 結(jié)論

本研究利用隸屬函數(shù)對(duì)5種不同的荒漠植物進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其萌發(fā)期抗旱性表現(xiàn)為脹果甘草>光果甘草>沙打旺>苦豆子>檸條錦雞兒.但是植物在萌發(fā)期的抗旱性與其后期生長(zhǎng)表現(xiàn)的抗旱性可能并不完全一致，因此在萌發(fā)期表現(xiàn)出抗旱性強(qiáng)的豆科植物，是否在后期的生長(zhǎng)發(fā)育中表現(xiàn)出強(qiáng)的抗旱性，還需進(jìn)一步研究.