章堯想 徐 軍 任文佼 薛海霞 李清河

(中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心，磴口，015200) (國家林業(yè)局林木培育重點實驗室(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所))

干旱脅迫對半日花種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響1)

章堯想 徐 軍 任文佼 薛海霞 李清河

(中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心，磴口，015200) (國家林業(yè)局林木培育重點實驗室(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所))

為了探討半日花種子與幼苗對干旱脅迫的適應(yīng)能力，通過對半日花種子進行PEG(聚乙二醇)模擬干旱脅迫處理，以及對半日花幼苗進行盆栽斷水干旱脅迫處理，分別研究了干旱脅迫對半日花種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響。結(jié)果表明：隨著干旱脅迫的加劇，半日花種子的萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均呈下降趨勢。10%、20%PEG處理對半日花種子影響較小，25%PEG處理對半日花種子具有明顯抑制作用，而30%PEG處理使半日花種子幾乎不萌發(fā)。 隨著干旱脅迫的加劇，各指標(biāo)變化不一，相對含水量呈下降趨勢，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)先上升后下降，脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)、丙二醛質(zhì)量摩爾濃度增加，且在干旱脅迫中后期時變化顯著。

干旱脅迫；半日花；種子萌發(fā)；生理特性

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(7).-87～90

Based on the PEG experiment for seeds and pot without water experiment for the seedling, we designed the drought stress simulation experiments ofHelianthemumsongaricumseeds and seedlings, and studied the effects of drought stress on seed germination and seedling physiological characteristics ofHelianthemumsongaricumseedlings. The germination rate, germination index and vigor index ofHelianthemumsongaricumseeds declined with the increasing of PEG solutions. Seed germination was less affected under the 10% and 20% of PEG, and then it was obviously inhibited under 25%, and seeds could hardly germinate under 30%. With the increasing of day numbers without water, the relative water content of leaves declined, the chlorophyll concentration increased firstly and then decreased, and the contents of proline, soluble protein and MDA increased with obvious variation at the mid-late drought stress stage.

Keywords Drought stress;HelianthemumsongaricumSchrenk; Seed germination; Physiological characteristics

半日花是半日花科半日花屬植物的統(tǒng)稱，全世界約有8屬200種，多分布于地中海沿岸，尤其是非洲北部索馬里、歐洲西班牙廣泛分布，美洲和亞洲也有分布[1-4]。其中半日花(HelianthemumsongaricumSchrenk)為矮小灌木，在我國主要分布在內(nèi)蒙古、新疆，為我國珍稀瀕危植物[5-6]，半日花具有較高的生態(tài)效益，是干旱草原和荒漠中防風(fēng)、固沙的優(yōu)良物種，同時也是一種觀賞植物，具有一定的園藝價值，可作為干燥石質(zhì)荒山的綠化植物種[7-9]。

半日花分布區(qū)屬于干旱荒漠區(qū)，干旱少雨。年均降水量162.4 mm，蒸發(fā)量是降水量的20倍。長期以來，水分條件成為該地區(qū)植物生長的限制因素，也是影響半日花種群更新的重要因素。半日花主要靠種子繁殖，但播種育苗時，存在幼苗補充困難的問題。目前有關(guān)半日花種子萌發(fā)的研究尚未見報道。文中研究了干旱脅迫對半日花種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響，以期能為半日花植物的開發(fā)利用、種質(zhì)資源保存及擴大栽培提供一些參考。

1 材料與方法

半日花種子采于內(nèi)蒙古西南部鄂爾多斯市鄂托克旗境內(nèi)的西鄂爾多斯國家級自然保護區(qū)半日花核心區(qū)。采回的種子經(jīng)處理干凈后水選出上浮、下沉種子，下沉飽滿種子陰干后用于以下所有試驗。

干旱脅迫對半日花種子萌發(fā)的影響：用蒸餾水將聚乙二醇(PEG，相對分子質(zhì)量6000)配制成10%、20%、25%、30%梯度的PEG溶液來模擬干旱，以蒸餾水(0)為對照組，從下沉種子中隨機選取100粒種子于培養(yǎng)皿中，并加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG溶液至濾紙飽和來模擬不同程度的干旱脅迫處理。5個處理分別重復(fù)3次。發(fā)芽期為12 d。每日10：00用稱質(zhì)量法補充蒸餾水以維持溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變并觀察記錄每日發(fā)芽種子數(shù)。計算發(fā)芽率(G)、發(fā)芽指數(shù)(GI)、活力指數(shù)(VI)[10-11]。

G=(N/S)×100%。

(1)

式中：N為發(fā)芽種子總數(shù)；S為供試種子總數(shù)。發(fā)芽率高說明活種子多，反之，活種子少，發(fā)芽率是種子種用價值的最重要指標(biāo)。

(2)

式中：Gt為當(dāng)天發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽時間。發(fā)芽指數(shù)是發(fā)芽粒數(shù)/逐日之和，是發(fā)芽率指標(biāo)的細化和深化，它放大了種子活力的特征，使好壞種子的差異更明顯。

VI=GI×H。

(3)

式中：H為胚芽長。試驗第6天，各處理隨機選取10株幼苗(對少于10株的處理，取所有幼苗)測定胚芽長。活力指數(shù)是種子發(fā)芽速率和生長量的綜合反映。是種子活力更精確的指標(biāo)。

干旱脅迫對半日花幼苗生理特性的影響：選取下沉的半日花種子于2012年4月份在中國林業(yè)科學(xué)研究院溫室中播種于V(草炭)∶V(沙子)=3∶1的基質(zhì)中。培育期間保持正常的水分、溫度、光照管理。待半日花長到6葉苗齡時，選用生長健壯、長勢基本一致的容器苗移栽于統(tǒng)一規(guī)格塑料盆內(nèi)，每盆1株，盆底放置托盤防止水分流失。于中國林業(yè)科學(xué)研究院苗圃進行正常供水管理，緩苗1周后采用盆栽斷水法模擬土壤干旱脅迫，即將其一次性澆透之后進行斷水處理。干旱程度隨斷水時間的延長而加劇。以正常供水為對照，分別在斷水后5、10、15、20 d取各株相同部位新鮮葉樣或?qū)⑷~樣放入密封袋，置于超低溫冰箱中用于其生理指標(biāo)的測定。

參照張志良等[12]、李合生[13]、朱廣廉等[14]方法進行葉片相對含水量、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、MDA質(zhì)量摩爾濃度等的測定，采用考馬斯亮藍G-250法測定蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用酸性茚三酮法測定脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

利用EXCEl2007、SPSS16.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對半日花種子萌發(fā)的影響

由圖1可知，除30%PEG處理外，其他處理的半日花種子在第2天開始萌發(fā)，到第11天基本完成萌發(fā)。隨著干旱脅迫的加劇，半日花種子的萌發(fā)率下降。10%、20%、25%PEG處理與對照組相比分別下降了3%、9%、27%；30%PEG處理下半日花種子的萌發(fā)率低于5%。10%、20%PEG處理對半日花種子萌發(fā)的影響不顯著，說明半日花種子萌發(fā)過程中具有一定的抗旱性，但是25%PEG處理下半日花種子萌發(fā)率下降明顯。中度干旱脅迫對半日花種子的萌發(fā)具有抑制作用；30%PEG處理半日花種子的萌發(fā)率極低，高度干旱脅迫使半日花種子幾乎不能萌發(fā)。研究表明，優(yōu)質(zhì)種子的萌發(fā)率可達90%以上。而對照組半日花種子的萌發(fā)率僅為42%，由此可見，半日花種子的萌發(fā)率低。

圖1 PEG干旱脅迫下不同時間半日花種子發(fā)芽率的變化

由表1可知，隨著干旱脅迫的加劇，半日花種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均呈下降趨勢。發(fā)芽指數(shù)方面，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG處理與對照組相比分別下降了10.3%、12.85%、48.99%、92.32%。而對活力指數(shù)方面，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PEG處理與對照組相比分別下降了20.42%、21.99%、67.28%、95.74%。數(shù)據(jù)表明，半日花種子具有一定的抗旱性，但隨干旱脅迫的加劇，其對半日花種子發(fā)芽速度的抑制作用也顯著加強。

表1 干旱脅迫下半日花種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)變化

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.2 干旱脅迫對半日花幼苗生理特性的影響

方差分析表明，半日花幼苗在不同干旱脅迫時間下各生理指標(biāo)表現(xiàn)出顯著差異性。

由表2可知，在正常供水處理下，半日花葉片相對含水量較高，在50%左右。干旱脅迫處理下，半日花葉片的相對含水量隨著斷水時間的延長而降低，到第20天時，下降到20.27%。與對照組相比其均值在第10天時下降了39.86%，到第20天時下降了60.77%，下降幅度擴大。

半日花葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在試驗處理的第10天有了顯著變化，在正常供水處理下，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比第0、5天時顯著增加，這與植物的生長密切相關(guān)；而在干旱脅迫處理下，相比第0、5天時，其均值顯著下降了，到斷水處理第20天時，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有1.245 3 mg·g-1，葉片已存在不同程度的發(fā)黃。由此可見，葉綠素對干旱脅迫較敏感。

半日花葉片的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)在正常供水條件下，在第0、10天時表現(xiàn)出較低，而在第5、15、20天時較高，但總體變化幅度較小。而脅迫處理的半日花葉片可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)則隨著斷水時間的延長而逐漸增加。干旱脅迫誘導(dǎo)相關(guān)基因表達，使蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加從而增強對干旱環(huán)境的適應(yīng)性[15-16]。脅迫處理的葉片可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)在第0、5天時與對照組相差不大，但是從斷水處理第10天開始，其比對照組分別增加了82.44%、90.40%、117.48%，增加幅度顯著，也逐漸擴大。

在正常供水的第0、5天，半日花葉片脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著差異，在第10、15、20天也無顯著差異，后者的均值較前者高，呈現(xiàn)增加的趨勢，但是增加的幅度較小。而干旱脅迫處理下，隨著斷水的延長，半日花葉片脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高，到第20天時，其均值達到68.045 7 μg·g-1，比第0天時升高了181.34%。與對照組相比，脅迫組半日花葉片脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)從斷水處理第10天時顯著上升，相比之下升高了21.57%，到第20天時甚至升高了121.74%，而在第5天時只升高了11.99%?？梢哉f，隨著時間的延長，斷水處理的半日花葉片脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)比正常供水處理情況下急劇上升?？梢?，脯氨酸在植物對逆境調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要的作用。

表2 不同時間各處理下半日花幼苗葉片的生理指標(biāo)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；根據(jù)Duncan檢驗，同列不同小寫字母表示分別在2個分組內(nèi)每個生理指標(biāo)在不同時間處理間有顯著差異(P<0.05)。

對于半日花葉片的丙二醛質(zhì)量摩爾濃度，在正常供水處理下隨時間的延長無顯著變化。而在斷水處理的干旱脅迫處理下，半日花葉片丙二醛質(zhì)量摩爾濃度在第0、5、10天之間差異性不顯著，在第15、20天之間也無顯著差異，但前者與后者之間的差異顯著，其均值隨著時間的延長逐漸增加。與對照組相比，脅迫組半日花葉片丙二醛質(zhì)量摩爾濃度均值增加幅度隨著時間延長而逐漸增大，如在第10天時，增加幅度為47.70%，而在第15天時為85.14%，到第20天時，斷水處理的脅迫組比對照組增加了92.30%。

3 結(jié)論與討論

首先，通過對采回的半日花種子處理干凈后用水選出上浮、下沉種子時發(fā)現(xiàn)，上浮種子占總種子的30%左右，上浮種子多為空癟的種子。由此可見，半日花種子中存在大量結(jié)構(gòu)不完整的種子。

種子萌發(fā)是種子植物生活史中的關(guān)鍵階段。在某種意義上PEG模擬干旱脅迫處理對種子萌發(fā)起到了水分脅迫的作用。結(jié)果表明，隨著干旱脅迫的加劇，半日花種子的萌發(fā)率呈下降趨勢，水分脅迫對半日花種子的萌發(fā)具有明顯的抑制作用，這是PEG溶液通過限制種子吸收水分的結(jié)果。同時水分脅迫也導(dǎo)致其發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均顯著下降。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[17-18]。鑒于發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)是對種子發(fā)芽率的細化指標(biāo)，且相比較發(fā)芽率的下降趨勢更明顯，更能體現(xiàn)滲透對種子發(fā)芽的抑制作用。

水分是植物生長的一個重要限制因子，當(dāng)植物體內(nèi)水分供應(yīng)不足時，葉片相對含水量可反應(yīng)出植物的需水狀況[19]。采用盆栽斷水法模擬干旱脅迫，研究了其對半日花幼苗生理特性的影響。結(jié)果表明，半日花幼苗的生長在干旱脅迫下受到一定的抑制作用，葉片中各項生理生化指標(biāo)均發(fā)生明顯變化。具體表現(xiàn)為：隨著斷水時間的延長，相對含水量呈下降趨勢，葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)先上升后下降，脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)，丙二醛質(zhì)量摩爾濃度增加，且在干旱脅迫中后期變化顯著。在正常的供水條件下，半日花幼苗葉片相對的含水量較高，而在干旱脅迫條件下，其相對含水量逐漸下降，幼苗內(nèi)自由水轉(zhuǎn)換為結(jié)合水以增加植物的抗逆性。并且隨著斷水時間的延長，下降幅度增大。前期、中期，半日花幼苗葉片含水量下降較小，而后期其下降趨勢則相對較大。這表明半日花幼苗葉片具有比較強的保水能力。而葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著斷水時間的延長急劇下降。嚴(yán)重影響了半日花幼苗光合作用的正常進行。脯氨酸是一種理想的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物在逆境下脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)大量積累以保護蛋白質(zhì)、酶、細胞等的結(jié)構(gòu)，同時，可以清除自由基，降低游離氨的毒害，因此，脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)與植物的抗性密切相關(guān)[20-21]。丙二醛質(zhì)量摩爾濃度高低是反映膜脂過氧化強弱的重要指標(biāo)，它的積累會嚴(yán)重地損傷生物膜[22-24]。干旱脅迫能影響植物體內(nèi)活力氧代謝系統(tǒng)的平衡，破壞膜的結(jié)構(gòu)，影響膜的功能。本研究中，半日花幼苗丙二醛質(zhì)量摩爾濃度隨著斷水時間的延長增加明顯。在干旱脅迫前、中期丙二醛質(zhì)量摩爾濃度還相對較低，這表明膜脂過氧化的程度較低，細胞膜受到的傷害不是很嚴(yán)重。這些也反映了半日花較強的抗旱性，具有抵御一定程度干旱脅迫的能力。此外，隨著斷水時間的延長，脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)也都呈上升趨勢。當(dāng)植物遇到干旱脅迫時，其體內(nèi)會積累大量物質(zhì)如游離脯氨酸、可溶性蛋白等來維持其細胞正常的生命活動。干旱脅迫下，植物體內(nèi)會合成一部分新蛋白來抵御惡劣環(huán)境以維持其細胞的正常功能，這樣植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)就會呈上升趨勢。而脯氨酸可以維持膨壓、降低細胞滲透勢、穩(wěn)定和保護一些大分子物質(zhì)，因此，在遇到干旱脅迫時，植物體內(nèi)的脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會增加，維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，提高植物本身的抗旱性。上述這些物質(zhì)的大量積累，表現(xiàn)了半日花幼苗在干旱脅迫下的適應(yīng)性。

上述現(xiàn)象與半日花的生境密切相關(guān)。半日花生于荒漠化草原地區(qū)，植被稀疏，氣候惡劣。該地區(qū)干旱少雨，年蒸發(fā)量遠遠超過其降水量，水分成為當(dāng)?shù)刂参锷L的限制因素，長期干旱使半日花植株對干旱形成了一定的抗性。此外，該地區(qū)的昆蟲種類及數(shù)量極少，能傳粉的昆蟲更是極少且效率極低，這就導(dǎo)致半日花在開花期不能及時授粉，最后出現(xiàn)大量空癟的種子。這對半日花種群的擴散造成一定的威脅。因此，半日花惡劣生境不僅影響其萌發(fā)生長，也影響其生活史的其他環(huán)節(jié)，后者則是急需進一步研究的問題。

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Effects of Drought Stress on the Seed Germination and Physiological Characteristics ofHelianthemumsongaricum/

Zhang Yaoxiang, Xu Jun(Experimental Center of Desert Forestry, CAF, Dengkou 015200, P. R. China); Ren Wenjiao, Xue Haixia, Li Qinghe(Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration, Research Institute of Forestry, CAF)//

1) 中國林業(yè)科學(xué)研究院中央公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(CAFYBB2012003)、“十二五”國家科技支撐項目專題(2012BAD16B0102)。

章堯想，男，1963年10月生，中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實驗中心，高級工程師。

李清河，國家林業(yè)局林木培育重點實驗室(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所 )，研究員。E-mail：tsinghel@caf.ac.cn。

2013年4月23日。

Q945.78

責(zé)任編輯：任 俐。