干旱脅迫對(duì)千屈菜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

劉璐，武志博，李曉佳，海春興，姜洪濤，郝思鳴，劉世英

（1. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022；2. 阿拉善盟航空護(hù)林站，內(nèi)蒙古 巴彥浩特 750306）

干旱被認(rèn)為是我國(guó)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，危害農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化，加劇土地荒漠化［1］。在非生物脅迫中干旱是影響植物生長(zhǎng)、發(fā)育的主要脅迫因子之一［2］，這是由于干旱造成種子成苗困難且水分是光合作用重要的參與因子，干旱會(huì)使幼苗的光合作用持續(xù)下降［3-4］。植物在干旱脅迫的條件下，體內(nèi)的水分平衡被破環(huán)，新陳代謝發(fā)生紊亂，阻礙植物正常生長(zhǎng)［5］。植物通過(guò)滲透調(diào)節(jié)及調(diào)節(jié)保護(hù)酶體系等方式減少干旱帶來(lái)的不利影響［6］。種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)作為植物生命周期的起始階段，決定著植物能否順利地完成整個(gè)生命周期［7］，且對(duì)干旱影響較為敏感。因此，研究干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響非常重要。

千屈菜（Lythrum salicaria）又名水芝錦、水柳，屬于千屈菜科，是適應(yīng)性強(qiáng)的多年生草本宿根花卉和北方常見(jiàn)的水生園林造景植物。目前，對(duì)千屈菜的研究主要集中在基因特征［8-9］、引種栽培［10-11］。其抗逆性研究以抗鹽性［12-14］居多，對(duì)抗旱性研究較少，學(xué)者肖涵等［15］采用盆栽控水法研究千屈菜幼苗的生理生化指標(biāo)，張歌等［16］采用同樣的方法探討千屈菜的水分適應(yīng)性，學(xué)者們未將千屈菜種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)綜合研究，且采用盆栽法操作較復(fù)雜。聚乙二醇（Poly?ethylene glycol，PEG）模擬干旱脅迫，具有方法簡(jiǎn)單、易于操作、條件易控、試驗(yàn)周期短等特點(diǎn)，是一種可行性 較 高 的 滲 透 調(diào) 節(jié) 劑［17］。Kaufman 和Eckard［18］經(jīng) 過(guò)多次研究，得出PEG?6000 誘導(dǎo)水分逆境所得效果與土壤逐步干旱是一樣的。所以，越來(lái)越多的學(xué)者利用PEG?6000 模擬干旱環(huán)境，以研究植物對(duì)干旱的響應(yīng)。此 方 法 已 在 農(nóng) 作 物［19-21］、園 林 綠 化 植 物［22-23］、牧草［24-25］等植物中得到應(yīng)用。因此，本試驗(yàn)采用PEG?6000 模擬不同干旱脅迫對(duì)千屈菜種子萌發(fā)及幼苗根長(zhǎng)、株高、鮮重等生長(zhǎng)指標(biāo)，脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和丙二醛含量，超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶和抗壞血酸過(guò)氧化物酶活性等生理指標(biāo)的影響，以及各指標(biāo)之間的相關(guān)性，以揭示千屈菜種子及幼苗生長(zhǎng)、生理抗旱特性，為北方園林綠化提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試千屈菜種子于2020年采購(gòu)于甘肅省民勤縣花果山農(nóng)林工程有限公司，在室內(nèi)常溫條件下保存。種子千粒重為0.058 0 g。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子萌發(fā)試驗(yàn) 挑選大小均勻、顆粒飽滿(mǎn)、種皮無(wú)破損的種子，在50 ℃的蒸餾水中浸泡15 min，取出種子用70%的酒精浸泡20 s，再用無(wú)菌水沖洗多次后，將種子均勻擺放在鋪有兩層已被無(wú)菌水潤(rùn)濕紗布的培養(yǎng)皿中，每皿30 粒，再覆蓋一層紗布，每皿加5 mL 體積分?jǐn)?shù)為0（CK）、5%、10%、15%、20%、25%的PEG-6000 溶液分別進(jìn)行脅迫處理，每個(gè)梯度設(shè)置3個(gè)重復(fù)。培養(yǎng)皿用封口膜封口，以防止溶液蒸發(fā)；膜上留兩個(gè)小孔，放置于人工氣候箱（寧波東南儀器有限公司生產(chǎn)RDN?300D?5 型），恒溫培養(yǎng)，設(shè)定溫度為（25±0.5）℃，光照為8 h，濕度為65%，進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)。每天同一時(shí)間分別向發(fā)芽床加無(wú)菌水或各體積分?jǐn)?shù)PEG?6000 溶液2 mL，并記錄千屈菜種子的萌發(fā)狀況，以連續(xù)兩天無(wú)新種子萌發(fā)為標(biāo)志結(jié)束脅迫并拍照記錄。

以胚根突破種皮為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，第3 天計(jì)算發(fā)芽勢(shì)，第5 天計(jì)算發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽勢(shì)=（第3 天發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)）×100%

發(fā)芽率=（第5 天發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)）×100%

發(fā)芽指數(shù)=［（處理平均發(fā)芽率×處理平均根長(zhǎng)）/（對(duì)照平均發(fā)芽率×對(duì)照平均根長(zhǎng)）］×100［26］

1.2.2 幼苗生長(zhǎng)、生理試驗(yàn) 在種子萌發(fā)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇體積分?jǐn)?shù)為0（CK）、5%和25%的PEG?6000 溶液3 個(gè)梯度的脅迫處理，在種子發(fā)芽結(jié)束后，每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)較一致的20 株種苗，測(cè)定幼苗根長(zhǎng)、株高和鮮重。并在每個(gè)梯度設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，測(cè)定幼苗各項(xiàng)生理指標(biāo)。

脯氨酸含量采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定［27］；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G?250 染色法測(cè)定［27］；可溶性糖含量采用硫酸苯酚法測(cè)定［27］；丙二醛（Malo?ndialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定［27］；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮藍(lán)四唑顯色法測(cè)定［28］；過(guò)氧化物酶（Per?oxidase，POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定［28］；過(guò)氧化氫酶（Catalase，CAT）和抗壞血酸過(guò)氧化物酶（Aseor?bateperoxidase，APX）活性采用紫外吸收法測(cè)定［28］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和表格繪制；運(yùn)用SPSS 23.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜種子萌發(fā)的影響

當(dāng)PEG 為5%時(shí)，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)與CK 相比分別上升了19.64%、31.36%、28.37%，達(dá)到種子萌發(fā)的最大值。在25%時(shí)，發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)與CK 相比分別下降了55.35%、70.58%、65.12%，發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)達(dá)到抑制種子萌發(fā)的最大值且差異顯著。而在0~20%時(shí)，對(duì)兩者的影響不顯著（P>0.05）（表1）。

表1 不同濃度PEG 處理下千屈菜種子萌發(fā)指標(biāo)Table 1 Effects of different concentrations of PEG on seed germination ofLythrum salicaria

2.2 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗生長(zhǎng)特性的影響

千屈菜幼苗的根長(zhǎng)、株高和鮮重隨PEG 濃度的增加都呈先升后降的趨勢(shì)。PEG 5%時(shí)，幼苗的根長(zhǎng)、株高和鮮重分別為0.52、0.20、0.68 mg/株，與CK 相比分別上升了8.33%、5.95%、5.67%。PEG 25% 時(shí)，分別為0.38、0.70、0.52 mg/株，與CK 相比分別下降了20.83%、11.39%、19.59%。幼苗根在PEG 25%時(shí)生長(zhǎng)明顯受到抑制，幼苗鮮重在PEG 5%和25%時(shí)均與對(duì)照差異顯著（P<0.05）（圖1）。

圖1 不同濃度PEG 處理下千屈菜幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)Fig.1 Effects of different concentrations of PEG on seedling growth ofLythrum salicaria

2.3 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗生理特性的影響

2.3.1 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響 隨PEG 濃度的增加，脯氨酸和可溶性蛋白質(zhì)的含量先減少后增加（圖2?A，2?B）。當(dāng)PEG 濃度為5%時(shí)，兩者的含量均處于最低水平，25%時(shí)達(dá)到最高。脯氨酸含量PEG 5%處理與CK、25%處理差異顯著（P<0.05）；可溶性蛋白質(zhì)CK 與5%、25%處理之間差異不顯著，而5%與25%處理之間差異顯著（P<0.05）。隨PEG 濃度的增加，可溶性糖的含量先增后減（圖2?C），在PEG 5%時(shí)上升到最大值，約為CK 的9.4 倍，25%時(shí)約為CK 的7.1 倍。3 組處理彼此之間均差異顯著（P<0.05）。

圖2 不同濃度PEG 處理下千屈菜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Fig.2 Effects of different concentrations of PEG on osmotic contents in seeding ofLythrum salicaria

2.3.2 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗丙二醛含量的影響 隨PEG 濃度的增加，丙二醛的含量呈上升趨勢(shì)。PEG 5%時(shí)，丙二醛含量緩慢上升，僅比CK 含量上升了 0.1μmol/LFW；25% 時(shí) 上 升 到 最 大 值 2.27 μmol/LFW，比CK 上升了4.6 倍，且與CK 和5%處理組之間差異顯著（P<0.05）（圖3）。

圖3 不同濃度PEG 處理下對(duì)千屈菜幼苗丙二醛含量Fig.3 Effects of different concentrations of PEG on malo?ndialdehyde content in seeding ofLythrum salicaria

2.3.3 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗保護(hù)性酶的影響 隨PEG 脅迫增強(qiáng)，SOD 和CAT 活性先降后升（圖4?A，4?C），PEG 5%時(shí)兩種酶活性達(dá)到最小值，隨后活性增強(qiáng)，但仍低于CK。SOD 的活性在3 組處理之間無(wú)顯著性差異，CAT 的CK 與5%處理組差異顯著（P<0.05）。隨PEG 脅迫增強(qiáng)，POD 活性先迅速升高后緩慢降低（圖4?B），PEG 5%達(dá)到最大值318.63 U/（g·min），CK 的POD 活性最低且與5%和25%處理之間差異顯著（P<0.05）。隨PEG 脅迫的增強(qiáng)，APX 活性逐漸增加（圖4?D），PEG 25%時(shí)，APX 活性增加到最大值20.67 μmol AsA/g，與CK 相比增加了47.85%，3 組處理之間無(wú)顯著差異。表明，在無(wú)干旱脅迫時(shí)，SOD 活性和CAT 活性較高，在低濃度PEG脅迫處理時(shí)，SOD 和CAT 活性受到抑制，POD 和APX 活性升高來(lái)適應(yīng)干旱，且活性維持在高水平，保護(hù)性酶通過(guò)清除活性氧以達(dá)到降低干旱對(duì)幼苗帶來(lái)的不利影響。

圖4 不同濃度PEG 處理下千屈菜幼苗保護(hù)性酶活性Fig.4 Effects of different concentrations of PEG on protective enzymeactivities in seeding ofLythrum salicaria

2.4 各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

PEG 濃度與種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的各指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與幼苗生理指標(biāo)，除SOD、CAT 活性外，與其余指標(biāo)均呈正相關(guān)關(guān)系，且與APX 活性呈極顯著的正相關(guān)（P<0.01）。種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)各指標(biāo)彼此之間都呈較高的正相關(guān)關(guān)系，發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)呈極顯著的正相關(guān)（P<0.01），與根長(zhǎng)、株高呈顯著正相關(guān)（P<0.05）；發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)、根長(zhǎng)、鮮重呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)各指標(biāo)及幼苗生理指標(biāo)之間，除與可溶性糖呈極低的正相關(guān)外，其余都呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且可溶性蛋白含量與發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、株高、根長(zhǎng)呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。幼苗生理指標(biāo)之間無(wú)顯著的相關(guān)性，各指標(biāo)之間的相關(guān)性以正相關(guān)為主，相關(guān)性變化不一。

3 討論

3.1 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜種子萌發(fā)的影響

水在植物的生命活動(dòng)中起著至關(guān)重要的作用，是影響植物正常代謝和生長(zhǎng)發(fā)育的主要限制因子。種子成苗是植物完成整個(gè)生命過(guò)程的前提，也是對(duì)水分較為敏感的時(shí)期。干旱脅迫會(huì)引發(fā)植物體內(nèi)失水，導(dǎo)致細(xì)胞含水量不足，從而損傷細(xì)胞器和脂膜，使種子無(wú)法正常萌發(fā)。種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)是反應(yīng)種子萌發(fā)的重要指標(biāo)，也反映植物種子發(fā)芽能力強(qiáng)弱和發(fā)芽時(shí)間長(zhǎng)短。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PEG 濃度為5%時(shí)，千屈菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)增幅最大，但均不顯著，表明5%PEG 縮短了種子的發(fā)芽時(shí)間。隨PEG 濃度的增加，千屈菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，PEG25%時(shí)，三者均達(dá)到最小值。表明高濃度的PEG 溶液降低種子的發(fā)芽能力，延長(zhǎng)種子的發(fā)芽時(shí)間。這與王亞楠等［29］研究甘草（Glycyrrhiza uralensis）、沙 蒿（Artemisia deserto?rum）種子在干旱脅迫下的萌發(fā)情況基本一致。有研究表明，無(wú)論低濃度還是高濃度的PEG 處理均顯著抑制山桐子（Idesia polycarpa）種子萌發(fā)［30］；張航等［31］發(fā)現(xiàn)榆樹(shù)（Ulmus pumila）種子在PEG 脅迫下出現(xiàn)明顯的低促高抑的現(xiàn)象。綜上，干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響，與其自身的特性有關(guān)，而不同種子對(duì)PEG 模擬干旱脅迫的反應(yīng)也有所不同。

表2 各指標(biāo)之間的相關(guān)性Table 2 The correlation between the indicators

3.2 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗生長(zhǎng)特性的影響

幼苗的根長(zhǎng)、株高、鮮重指標(biāo)可以綜合反映幼苗的生長(zhǎng)特點(diǎn)。植物幼苗通過(guò)伸長(zhǎng)根部的方式吸取土壤中更深土層的水分，以便供給植株，增加株高和鮮重，增加其生命力。也可通過(guò)根長(zhǎng)的增加，使植物根系更牢固的扎根在土壤中。在本研究中，千屈菜幼苗根長(zhǎng)、株高、鮮重在5% PEG 濃度處理時(shí)大于CK，表明低濃度的干旱脅迫促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。這與劉艷等［32］對(duì)甘草幼苗的研究結(jié)果類(lèi)似，根系是植物吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，水分不足會(huì)刺激根系生長(zhǎng)，根長(zhǎng)增大。這表明輕度干旱脅迫下千屈菜幼苗會(huì)通過(guò)增加根長(zhǎng)來(lái)提高株高和增加鮮重以維持植株生存。因此，可以適當(dāng)對(duì)千屈菜幼苗進(jìn)行干旱脅迫，提高幼苗的根長(zhǎng)、株高和鮮重。

3.3 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)逆境的一種自我調(diào)節(jié)方式。干旱脅迫時(shí)植物體內(nèi)主動(dòng)積累各種有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)來(lái)提高細(xì)胞液濃度，降低滲透勢(shì)，提高細(xì)胞保水力，從而適應(yīng)干旱脅迫環(huán)境。脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。脯氨酸是植物蛋白質(zhì)組成成分之一，以游離的狀態(tài)廣泛的存在于植物體中，對(duì)細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)起重要作用，是植物體的防脫水劑，在一定程度上反應(yīng)植物體內(nèi)的脫水情況。本試驗(yàn)中，千屈菜幼苗的脯氨酸含量呈先減少后增加的情況，這可能是因?yàn)檩p度干旱時(shí)控制脯氨酸降解的關(guān)鍵酶的表達(dá)或者數(shù)量多于合成脯氨酸酶。同樣，可溶性蛋白質(zhì)的含量變化情況與脯氨酸含量一致，含量先下降可能是干旱脅迫使蛋白質(zhì)合成酶鈍化或能源（ATP）減少，之后開(kāi)始上升以提高體內(nèi)滲透勢(shì)，抵抗干旱［33］。可溶性糖含量在脅迫開(kāi)始時(shí)迅速增加，后緩慢減少，但均高于CK。與脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)形成互補(bǔ)，前期因脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)含量下降，可溶性糖含量迅速增加以降低干旱脅迫帶來(lái)的危害，后期3 種物質(zhì)同時(shí)發(fā)揮作用降低滲透勢(shì)。由此可見(jiàn)，在PEG 脅迫下，千屈菜幼苗自身可以啟動(dòng)滲透調(diào)節(jié)機(jī)制以適應(yīng)干旱。

3.4 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗丙二醛含量的影響

植物在干旱脅迫下受到傷害，往往會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用。丙二醛是膜脂過(guò)氧化的最終分解產(chǎn)物，對(duì)細(xì)胞具有很強(qiáng)的毒性，所以MDA 的積累可能對(duì)膜和細(xì)胞造成一定的傷害，常用于膜脂過(guò)氧化指標(biāo)。其含量可反映植物遭受干旱傷害的程度。在模擬干旱處理千屈菜幼苗的過(guò)程中，丙二醛的含量隨著脅迫強(qiáng)度的增加而上升。表明外界干旱脅迫會(huì)持續(xù)導(dǎo)致千屈菜生物膜脂過(guò)氧化不斷加劇，植物受傷害程度在不斷增加。這與前人在蕓豆（Phaseolus coccineus）、玉帶草（Phalaris arundinacea）、野 生 苣 荬 菜（Sonchus brachyotus）［20，23?34］等方面的研究的結(jié)果一致。

3.5 不同濃度PEG 對(duì)千屈菜幼苗保護(hù)性酶的影響

當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性紊亂，打破了活性氧產(chǎn)生和清除的動(dòng)態(tài)平衡，導(dǎo)致活性氧在細(xì)胞中過(guò)量積累，危害細(xì)胞的存活。保護(hù)性酶是植物在遇到干旱脅迫時(shí)重要的防護(hù)屏障，主要包括SOD、POD、CAT、APX 等。SOD 能以O(shè)2-為基質(zhì)進(jìn)行歧化反應(yīng)；POD 也可清除細(xì)胞內(nèi)有害自由基并能催化有毒物質(zhì)；CAT 可分解H2O2；APX 可使O2-產(chǎn)生速率下降。本試驗(yàn)中，千屈菜幼苗干旱脅迫下CAT 活性都比對(duì)照組低，一方面可能是由于H2O2的積累使其失活，另一方面可能是發(fā)生了光失活［35］，SOD 的活性變化與CTA 變化一致。而POD 和APX 快速增加，活性值均高于對(duì)照組。幾種酶協(xié)調(diào)配合，共同增強(qiáng)防御干旱的能力。幾種酶活性變化情況不一致可能是由于植物調(diào)動(dòng)其他的活性氧清除系統(tǒng)［35］?？梢?jiàn)，在PEG 脅迫下，保護(hù)酶系統(tǒng)整體發(fā)揮作用，并非單一的酶起作用。

4 結(jié)論

PEG 模擬干旱脅迫下，千屈菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)，幼苗的根長(zhǎng)、株高和鮮重在PEG 5%處理時(shí)，均達(dá)最大值；PEG 25%時(shí)達(dá)到最小值，且低于CK。幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)隨干旱脅迫的增加，變化規(guī)律不相同。PEG 濃度與種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)各指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。