何 淼，趙保成，李 強(qiáng)，劉長(zhǎng)樂

(1.東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

芒、荻類植物是禾本科黍亞科多年生C4草本植物，包括芒屬(Miscanthus)和荻屬(Triarrhena)，原產(chǎn)于東亞，廣泛分布于東南亞到太平洋島嶼的熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū)，其中中國(guó)是世界芒、荻類植物資源的分布中心[1-3]。因其適應(yīng)性強(qiáng)、生物量高而被歐洲等國(guó)家選作最具有潛力的草本能源植物之一。早在20世紀(jì)60年代，丹麥?zhǔn)紫劝衙ⅰ⑤额愔参镒鳛橐环N能源植物進(jìn)行研究[4-5]，近年來(lái)西方國(guó)家在芒、荻類植物基因型的選擇與栽培管理技術(shù)的改良等方面做了較多的研究[6]，而我國(guó)對(duì)芒、荻類植物作為能源植物的研究較少。20世紀(jì)80年代，趙先南和蕭運(yùn)峰[7]通過(guò)對(duì)五節(jié)芒(M.floridulus)長(zhǎng)期引種栽培，對(duì)其生物學(xué)特性以及生產(chǎn)性狀進(jìn)行了研究。此外，芒、荻類作為新興的觀賞草類，在城市園林綠化中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。我國(guó)是一個(gè)淡水資源嚴(yán)重不足的國(guó)家，干旱已經(jīng)嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[8]。然而對(duì)于作為重要能源植物和觀賞草類的芒、荻類植物干旱脅迫的研究尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)采用PEG-6000模擬干旱脅迫，研究芒、荻類植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和根冠比等，對(duì)其抗旱性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市園林綠化篩選抗旱植物提供一定的理論支持。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料 本試驗(yàn)以東北地區(qū)野生的中國(guó)芒(M.sinensis)和荻(T.sacchariflora)種子為材料。芒種子于2011年11月上旬采集于遼寧省本溪市阿家?guī)X(41°22.803′ N,121°21.410′ E)，荻種子于2011年10月下旬采集于黑龍江省哈爾濱市太陽(yáng)島風(fēng)景區(qū)(46°24.442′ N,124°35.031′ E)，試驗(yàn)在東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院苗木培育實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2試驗(yàn)方法 選取籽粒飽滿、大小均一且無(wú)機(jī)械損傷的種子，用1%的次氯酸鈉溶液消毒處理15 min，置于以雙層濾紙為發(fā)芽床的9 cm的培養(yǎng)皿中，放入溫度為25 ℃、光照為5 000 lx、濕度為66%的人工光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)處理，分別為5%、10%、15%和20%的聚乙二醇溶液(PEG-6000)，以蒸餾水作為對(duì)照。每處理3次重復(fù)。每皿均勻置入50粒種子，分別加入3 mL的PEG-6000模擬干旱脅迫，對(duì)照組加入等量的蒸餾水。每天在培養(yǎng)皿中加入1 mL處理液，每?jī)商旄鼡Q一次濾紙，連續(xù)培養(yǎng)10 d。從種子置床之日開始觀察[9]，以胚根長(zhǎng)度為種長(zhǎng)的1/2為種子發(fā)芽的標(biāo)志，以連續(xù)3 d發(fā)芽種子的數(shù)量不足供試種子數(shù)量的1%視為試驗(yàn)結(jié)束[10]，于每天10:00觀察并記錄種子的發(fā)芽情況。

1.3指標(biāo)測(cè)定及方法

1.3.1種子活力指標(biāo)的測(cè)定

活力指數(shù)(VI)=GI×S。

式中，n為正常發(fā)芽的種子數(shù)，N為供試種子總數(shù)，Gt為第t日種子的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的天數(shù)[11-12]，S為胚根鮮質(zhì)量。

1.3.2胚根、胚芽生長(zhǎng)量的測(cè)定 萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后，每皿隨機(jī)選取10株幼苗，用刻度尺測(cè)量胚根、胚芽的長(zhǎng)度。然后取出全部植物樣品，用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙吸干表面水分，測(cè)定全部胚根、胚芽的鮮質(zhì)量，用萬(wàn)分之一分析天平稱量。

1.3.3萌發(fā)抗旱指數(shù)及抗旱等級(jí) 參照王贊等[13]的方法進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

萌發(fā)抗旱指數(shù)(GDRI)=PEG處理下的萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照組的萌發(fā)指數(shù)。

萌發(fā)指數(shù)=1.00×nd2+0.75×nd4+0.50×nd6+0.25×nd8。

式中，nd2、nd4、nd6、nd8分別為第2、4、6、8天的種子發(fā)芽率，1.00、0.75、0.50、0.25分別為相應(yīng)發(fā)芽天數(shù)所賦予的抗旱系數(shù)。

抗旱指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)參照王贊等[13]的方法進(jìn)行。1級(jí)為抗旱型,綜合評(píng)價(jià)值為0.8以上；2級(jí)為中間型,綜合評(píng)價(jià)值在0.5～0.8；3級(jí)為不抗旱型,綜合評(píng)價(jià)值在0.5以下。

1.4數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，利用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1PEG脅迫對(duì)芒和荻種子萌發(fā)的影響 10%PEG脅迫下，芒和荻種子的發(fā)芽率與對(duì)照組差異不顯著(P>0.05)，但隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，芒(20% PEG)和荻(15% PEG)種子的發(fā)芽率相較于對(duì)照組及其它處理顯著下降(P<0.05)(圖1)。芒和荻種子的發(fā)芽指數(shù)差異明顯，在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG(5%)處理下，芒種子的發(fā)芽指數(shù)高于對(duì)照組，隨著處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芒種子的發(fā)芽指數(shù)逐漸下降，并在PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)與對(duì)照組及其它質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間差異顯著(P<0.05)。而荻種子的發(fā)芽指數(shù)隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高逐漸下降，并在PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)。同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG處理下，芒種子的發(fā)芽率高于荻種子，并在15%的PEG處理時(shí)，芒和荻種子的發(fā)芽率差異性顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為芒>荻。由此可知，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG(10%)對(duì)芒和荻種子發(fā)芽影響較小，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG(>15%)嚴(yán)重抑制芒和荻種子的發(fā)芽，并且芒和荻之間差異明顯。

就芒和荻種子的活力指數(shù)來(lái)看(圖1)，隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芒種子的活力指數(shù)先升高后降低，而荻種子的活力指數(shù)逐漸降低，而同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG處理下，芒種子的活力指數(shù)明顯高于荻種子的活力指數(shù)，這說(shuō)明芒種子在不利環(huán)境條件出苗能力更強(qiáng)，種子活力更強(qiáng)，抗旱能力更強(qiáng)。

隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芒和荻種子的相對(duì)發(fā)芽率先升高再降低，荻種子的相對(duì)發(fā)芽率在15%PEG時(shí)明顯降低，而芒種子的相對(duì)發(fā)芽率在20%PEG時(shí)才明顯降低。從芒和荻的相對(duì)發(fā)芽率與對(duì)照組(CK)之間的百分比來(lái)看，荻種子的半致死質(zhì)量分?jǐn)?shù)(相對(duì)發(fā)芽率為對(duì)照組發(fā)芽率的50%時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14])為15%，抗旱極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)(相對(duì)發(fā)芽率為對(duì)照組發(fā)芽率的10%時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14])為20%；而芒種子的半致死質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%。

發(fā)芽率是反映種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)，發(fā)芽指數(shù)則反映了種子的發(fā)芽速度，而種子的發(fā)芽活力是種子活力的綜合表現(xiàn)，所以在結(jié)果中，各指標(biāo)之間的反映并不完全一致 ，這也說(shuō)明了植物抗旱性是各指標(biāo)因素的綜合結(jié)果，并不是由某一指標(biāo)單獨(dú)決定的。

2.2PEG脅迫對(duì)芒和荻胚芽、胚根生長(zhǎng)的影響 在低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG(10%)脅迫處理下，芒胚根較對(duì)照組顯著增長(zhǎng)(P<0.05)。隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芒胚根和荻胚芽長(zhǎng)度逐漸縮短，在PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，荻胚芽與對(duì)照組差異顯著(P<0.05)，而芒胚芽和荻胚根隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸降低(圖2)。這說(shuō)明，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG脅迫促進(jìn)了芒胚根及荻胚芽的生長(zhǎng)，抑制了芒胚芽與荻胚根的生長(zhǎng)，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG對(duì)芒和荻胚根和胚芽均有嚴(yán)重的抑制作用。

圖1 PEG脅迫對(duì)芒和荻種子發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Fig.1 Influence of osmotic stress on germination rate, relative germination rate, germination index and vigor index of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seeds

圖2 PEG脅迫對(duì)芒和荻種子胚根、胚芽的影響Fig.2 Influences of osmotic stress on radicle and plumule growth of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

芒胚根/胚芽呈先升高再降低再升高的趨勢(shì)，荻胚根/胚芽呈先降低后升高的趨勢(shì)，并且在10%PEG處理時(shí)芒和荻的胚根/胚芽值達(dá)到最低值(圖3)。由此可以得出，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG 脅迫促進(jìn)了芒胚根的生長(zhǎng)，更有利于根系對(duì)水分的吸收，而對(duì)荻胚根有一定的抑制作用，說(shuō)明芒較荻更抗旱。之后隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芒和荻胚根/胚芽先降低后升高，這也正是植物體內(nèi)生理機(jī)能抵抗外界不良環(huán)境的影響。

芒胚根的鮮質(zhì)量先升高后下降(圖4)，這和胚根長(zhǎng)度(圖2)的變化趨勢(shì)是一致的，但是芒胚根鮮質(zhì)量在10%PEG處理時(shí)達(dá)到最大值，而芒胚根長(zhǎng)度在5%PEG處理時(shí)達(dá)到最大值，這說(shuō)明了低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%)的PEG可促進(jìn)胚根的伸長(zhǎng)，10%～15%的PEG處理促進(jìn)了胚根的橫向增粗，從而促進(jìn)胚根生物量的增加。荻胚根鮮質(zhì)量隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)(圖4)，這和荻胚根的長(zhǎng)度變化趨勢(shì)一致(圖2)。隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，芒胚芽長(zhǎng)度和鮮質(zhì)量表現(xiàn)一致，呈逐漸下降趨勢(shì)，而荻在PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%時(shí)，胚芽長(zhǎng)度增加，胚芽鮮質(zhì)量反而下降，這說(shuō)明了低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG促進(jìn)了獲胚芽的伸長(zhǎng)但是抑制了其橫向加粗。

2.3芒和荻種子的萌發(fā)抗旱指數(shù)和抗干旱等級(jí) 隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，芒和荻的萌發(fā)抗旱指數(shù)逐漸下降(芒在5%PEG時(shí)除外)，芒在20%PEG處理時(shí)才表現(xiàn)出不抗旱現(xiàn)象，而荻在10%PEG處理時(shí)表現(xiàn)為中間型，15%處理時(shí)表現(xiàn)為不抗旱，這說(shuō)明了芒耐中度(20%)的干旱脅迫，荻只耐低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(<10%)的干旱脅迫，由此可見芒比荻更耐旱(表1)。

圖3 PEG脅迫對(duì)芒和荻種子胚根/胚芽的影響Fig.3 Influence of osmotic stress on radicle length/plumule length of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

圖4 PEG脅迫對(duì)芒和荻種子胚根、胚芽鮮質(zhì)量的影響Fig.4 Influence of osmotic stress on fresh weight of radicle and plumule of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seedlings

表1 芒和荻種子的萌發(fā)抗旱指數(shù)和抗旱等級(jí)Table 1 Drought resistance sprouting indexes and levels of Miscanthus sinensis and Triarrhena sacchariflora seeds

3 討論

在影響植物生長(zhǎng)的因素中，水分因素已經(jīng)成為制約植物生長(zhǎng)發(fā)育的最重要的因素，尤其是在種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)階段，所以我們用種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)對(duì)水分的需求狀況來(lái)評(píng)價(jià)其抗逆性[15]。近年來(lái)，PEG-6000作為一種滲透調(diào)節(jié)劑常被用作模擬土壤干旱脅迫的最佳物質(zhì)，因其是生物大分子不易滲透到植物細(xì)胞內(nèi)，不會(huì)對(duì)種子造成影響，并且能減緩萌發(fā)初期水分進(jìn)出種子的速率，減少種子吸脹過(guò)程中膜系統(tǒng)的損傷[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG(10%)脅迫下，芒和荻種子的發(fā)芽率與對(duì)照組相比無(wú)顯著差異，且芒種子發(fā)芽指數(shù)先升高后降低，而荻逐漸下降，這說(shuō)明低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG脅迫能縮短芒種子的萌發(fā)時(shí)間，而延長(zhǎng)荻種子的萌發(fā)時(shí)間。但也有其它的研究結(jié)果表明，5%PEG脅迫可以提高多種牧草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)[17]，且PEG脅迫僅提高種子的早期發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，而對(duì)最終的發(fā)芽率無(wú)顯著影響[18]。PEG脅迫對(duì)種子萌發(fā)的促進(jìn)和抑制作用因植物種類和脅迫因素不同而異，不能一概而論，這方面還有待進(jìn)一步的研究。不同水平PEG脅迫條件下，芒種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都明顯高于荻種子，發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在15%PEG時(shí)差異顯著(P<0.05)，活力指數(shù)在5%PEG時(shí)差異顯著(P<0.05)，這也從種子的活力指標(biāo)上說(shuō)明了芒種子與荻種子的差異，芒的抗干旱能力比荻更強(qiáng)，分布范圍更廣。

從胚根、胚芽的長(zhǎng)度以及胚根、胚芽的鮮質(zhì)量比較可以看出，隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，芒胚根長(zhǎng)和胚根鮮質(zhì)量都是先升高后降低，胚根長(zhǎng)在PEG為5%時(shí)最大，說(shuō)明5%的PEG能最大程度的促進(jìn)芒胚根的伸長(zhǎng)，這與PEG干旱脅迫對(duì)狼尾草(Pennisetumalopecuroides)種子和冷季型草坪種子的研究結(jié)果相一致[14]。也有結(jié)果表明，隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的逐漸升高，胚根與胚芽的長(zhǎng)度逐漸減小[16]。同時(shí)在5%PEG時(shí)胚根長(zhǎng)最大，而胚根鮮質(zhì)量在10%時(shí)最大，這說(shuō)明低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%)促進(jìn)了芒胚根的伸長(zhǎng)而抑制其橫向加粗，隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高(10%)，芒胚根的伸長(zhǎng)受到抑制，而橫向加粗被促進(jìn)。

4 結(jié)論

低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(10%)的PEG脅迫對(duì)芒和荻種子的發(fā)芽率無(wú)明顯影響，但隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，表現(xiàn)為明顯的抑制作用；隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，芒種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都是先升高后降低，而荻種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)則是逐漸下降；低質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG脅迫對(duì)芒種子的胚根以及荻種子的胚芽長(zhǎng)度有明顯的促進(jìn)作用，而高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG脅迫對(duì)芒和荻的胚根及胚芽長(zhǎng)都有明顯的抑制作用。

荻種子的半致死PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%，致死質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，而芒種子的半致死質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，致死質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高；從芒和荻萌發(fā)抗旱指數(shù)來(lái)看，芒能耐20%以上高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的干旱脅迫，而荻只能耐一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的(10%)的干旱脅迫，表現(xiàn)為芒比荻更耐干旱。

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