趙杏鎖，孫海博，劉一心，和建云，董 嬌，楊秀云

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷 030801)

植物生長發(fā)育過程中受各種生態(tài)因子的影響[1]。在我國干旱和半干旱地區(qū)，干旱脅迫與鹽脅迫是植物生長最常見的逆境因子[2-3]。其通常會抑制植物的正常生命活動，是植株不能正常生長發(fā)育的主要因素。我國約有50%的地區(qū)為干旱和半干旱地區(qū)，且這些地區(qū)鹽漬土總面積高達(dá)3.6×107hm2[4-5]。干旱和半干旱地區(qū)降水少、土壤中含鹽量高，大多數(shù)園林地被植物在這些地區(qū)栽培會受到不同程度的干旱和鹽脅迫，甚至無法存活。而在植株的整個生長發(fā)育過程中，種子萌發(fā)期是植物對外界環(huán)境最為敏感的時期[6-7]。種子在干旱和半干旱地區(qū)萌發(fā)成苗，是植物在這些地區(qū)生存的前提。因此，有必要研究干旱與鹽脅迫對種子萌發(fā)的影響。這對我國干旱和半干旱地區(qū)園林地被植物的發(fā)展和推廣利用有著很大的現(xiàn)實意義。

半枝蓮(Scutellariabarbata)作為唇形科黃芩屬的多年生草本植物，其株型優(yōu)美、花色豐富、花期長、可達(dá)到多年觀賞效果，是園林應(yīng)用中一種有待開發(fā)利用的地被植物[8-10]。目前國內(nèi)關(guān)于半枝蓮的研究主要集中于藥理作用、化學(xué)成分及生物提取等方面[11-13]，針對其種子萌發(fā)方面的研究，僅見張雷等[14]探討了在海水脅迫下半枝蓮種子的萌發(fā)特性。鑒于此，本研究以半枝蓮為材料，調(diào)查模擬干旱和鹽脅迫條件下半枝蓮種子的萌發(fā)特性和幼苗生長狀況，旨為栽培和利用半枝蓮提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　供試材料和試劑

參試半枝蓮種子2017年3月購于北京南無科貿(mào)有限責(zé)任公司。試驗所用聚乙二醇(PEG)、NaCl、Na2SO4、MgCl2等試劑(均為分析純)購于北辰方正化工有限公司。

1.2　試驗方法

本試驗采用PEG溶液模擬干旱脅迫，分別設(shè)置0(對照)、5%、10%、15%、20%、25%共6個處理。采用NaCl、Na2SO4、MgCl2單鹽溶液以及2份NaCl與1份Na2SO4的復(fù)合鹽溶液，共4種鹽溶液模擬鹽脅迫。每種鹽溶液分別設(shè)置0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%共6個濃度梯度。發(fā)芽試驗中，每個處理播種50粒，發(fā)芽床為兩層無菌濾紙。播種種子后加入15 mL相應(yīng)的處理溶液。發(fā)芽試驗中，所有處理均重復(fù)3次。培養(yǎng)皿放置于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。以種子胚芽長度大于等于種子直徑的2倍作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)[15]，每天觀察并記錄種子發(fā)芽個數(shù)，每兩天更換一次濾紙，試驗中若有發(fā)霉的種子及時用蒸餾水清洗并及時更換濾紙，以保證種子萌發(fā)的環(huán)境。

當(dāng)種子的發(fā)芽數(shù)連續(xù)3 d不再增加，視為種子發(fā)芽結(jié)束，試驗期設(shè)定22 d。當(dāng)種子發(fā)芽試驗結(jié)束后，將培養(yǎng)皿中所有發(fā)芽的種子全部取出，平鋪于畫有比例尺的A4紙上，并用相機拍照，將拍好的照片通過光柵圖像參照導(dǎo)入Auto CAD 2010中等比例縮放，用多段線描圖測量種子的胚根長(mm)、胚芽長(mm)、葉面積(mm2)，取平均值進(jìn)行統(tǒng)計分析。

發(fā)芽率(germination rate,GR)和發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)計算如下。

GR=n/N×100%；

式中：n為發(fā)芽種子數(shù)，N為供試種子數(shù)。

GI=∑Gt/Dt；

式中:Gt為不同時間發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)發(fā)芽天數(shù)[16]。

1.3　數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，采用SPSS 17.0中單變量對各個處理下種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、葉面積、胚芽長、胚根長進(jìn)行單因素的方差分析和多重比較，顯著水平為0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1　干旱對種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

隨著PEG濃度的升高，發(fā)芽率總體呈下降趨勢。對照條件下，半枝蓮種子萌發(fā)率為86%。當(dāng)濃度為15%、20%時發(fā)芽率顯著降低(P<0.05)，分別較對照降低了27.91%、63.57%；濃度為25%時，種子沒有萌發(fā)(表1)。

不同濃度干旱脅迫對半枝蓮種子的發(fā)芽指數(shù)以5%處理為最高(P<0.05)(表1)。當(dāng)濃度為5%、10%時，發(fā)芽指數(shù)分別較對照顯著升高68.44%、27.89%(P<0.05)。當(dāng)濃度為15%、20%時發(fā)芽指數(shù)較對照顯著降低10.55%、84.61%(P<0.05)。

干旱脅迫對半枝蓮種子的胚芽、胚根有顯著的影響(P<0.05)(表1)。5%、10%濃度下胚芽長較對照無顯著差異(P>0.05)。當(dāng)濃度為15%時胚芽長開始降低，在15%、20%PEG溶液處理下分別比對照減少了5.88、7.20 mm，且差異顯著(P<0.05)。胚根長在濃度為5%、10%、15%、20%時，分別比對照降低了0.65、2.93、2.98、3.86 mm，均與對照差異顯著(P<0.05)。

2.2　鹽脅迫對種子萌發(fā)及幼苗的影響

不同種類、不同濃度鹽脅迫下種子發(fā)芽率表現(xiàn)出不同的趨勢(表2)。隨著NaCl鹽濃度的增加，種子發(fā)芽率呈下降趨勢，濃度0.6%、0.9%較對照顯著降低了80.55%、97.22%(P<0.05)，濃度為1.2%、1.5%時，種子沒有萌發(fā)。隨著MgCl2鹽濃度的升高，發(fā)芽率呈下降趨勢，當(dāng)濃度高于0.6%時，隨著濃度的升高發(fā)芽率顯著降低(P<0.01),分別為對照的77.78%、63.89%、28.47%(P<0.05)。Na2SO4鹽脅迫下，種子發(fā)芽率呈“先降后升再降”的趨勢。其中0.3%、1.2%、1.5%濃度較對照顯著減少了33.33%、22.22%、83.33%(P<0.05)。而0.6%、0.9%濃度與對照差異不顯著(P>0.05)。復(fù)合鹽脅迫下種子發(fā)芽率趨勢與Na2SO4脅迫一致。除0.6%濃度外，其余濃度梯度均與對照差異顯著，且各濃度之間種子發(fā)芽率減量差異顯著(P<0.05)。

鹽脅迫下，種子發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)不同的趨勢(表3)。在NaCl、MgCl2鹽脅迫下，隨著鹽濃度的升高種子發(fā)芽指數(shù)呈下降趨勢。對照條件下種子發(fā)芽指數(shù)為18.13。NaCl鹽濃度為0.3%、0.6%和0.9%時，種子發(fā)芽指數(shù)比對照顯著低了4.29、16.47、17.90(P<0.05)。MgCl2鹽脅迫下各濃度梯度的發(fā)芽指數(shù)分別為對照的77.00%、65.09%、46.17%、42.03%、16.49%，且差異顯著(P<0.05)。在Na2SO4、復(fù)合鹽脅迫下，種子發(fā)芽指數(shù)“先降后升再降”。0.3%濃度Na2SO4、復(fù)合鹽脅迫均顯著低于對照和0.6%濃度下的發(fā)芽指數(shù)。具體表現(xiàn)為Na2SO4、復(fù)合鹽濃度0.3%時，種子發(fā)芽指數(shù)較對照顯著降低49.15%、39.44%(P<0.05)；0.6%濃度發(fā)芽指數(shù)比0.3%濃度顯著高6.21、2.24(P<0.05)。Na2SO4、復(fù)合鹽脅迫下，濃度高于0.6%時種子發(fā)芽指數(shù)較對照顯著降低，Na2SO4鹽脅迫下發(fā)芽指數(shù)分別是對照的51.08%、52.12%、7.28%。復(fù)合鹽濃度為0.9%、1.2%時發(fā)芽指數(shù)是對照的16.00%、1.16%(表3)。

表1　干旱脅迫對半枝蓮種子萌發(fā)及幼苗生長的影響Table 1　Effect of drought stress on germination and seedling growth of Scutellaria barbata

同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Different lowercase letters within the same column indicate significant difference among treatment groups at the 0.05 level.

表2　鹽脅迫對半枝蓮種子發(fā)芽率的影響Table 2　Effect of drought stress on germination percentage of Scutellaria barbata　%

同行不同小寫字母表示同一鹽分不同濃度間差異顯著(P<0.05)。下表同。

Different lowercase letters within the same row indicate significant difference among different concentrations of the same salt kind at the 0.05 level; similarly for the following tables.

表3　鹽脅迫對半枝蓮種子發(fā)芽指數(shù)的影響Table 3　Effect of drought stress on germination index of Scutellaria barbata　%

不同鹽脅迫對幼苗生長均有不同程度的抑制作用(表4)。NaCl鹽脅迫下，幼苗無法生長。在Na2SO4鹽脅迫下，隨著鹽濃度的升高葉面積下降趨勢明顯。0.3%、0.6%、0.9%濃度下葉面積分別是對照的83.46%、64.66%、42.86%，各處理間差異顯著(P<0.05)。MgCl2濃度為0.9%、1.2%時，葉面積較對照顯著降低了38.35%、51.13%(P<0.05)。復(fù)合鹽脅迫0.3%、0.6%、0.9%濃度處理下的葉面積較對照無顯著差異(P>0.05)。1.2%、1.5%濃度的Na2SO4、復(fù)合鹽和1.5%濃度的MgCl2鹽脅迫下葉面積均為0。

表4　鹽脅迫對半枝蓮種子幼苗單葉面積的影響Table 4　Effect of salt stress on seedling single leaf area of Scutellaria barbata　mm2

表5　鹽脅迫對半枝蓮種子幼苗胚芽長的影響Table 5　Effect of salt stress on seedling stem length of Scutellaria barbata 　mm

Na2SO4、MgCl2與復(fù)合鹽濃度為0.3%時，胚芽長分別比對照高5.27、2.55、7.29 mm，且差異顯著(P<0.05)(表5)。表明0.3%濃度下這3種鹽對胚芽長有一定促進(jìn)作用。當(dāng)這3種鹽濃度高于0.6%時，胚芽長均顯著低于對照(P<0.05)，表現(xiàn)出對胚芽長的抑制作用。

Na2SO4、MgCl2鹽脅迫下，胚根長總體隨濃度的升高而降低(表6)。其中Na2SO4濃度為0.6%、0.9%時，胚根長分別較對照顯著降低了41.95%、73.83%(P<0.05)；0.3%、0.6%濃度MgCl2鹽脅迫下，胚根長較對照降低44.97%、76.18%，且差異顯著(P<0.05)。復(fù)合鹽脅迫下胚根長隨濃度的增加呈“先升后降”的趨勢。濃度為0.3%、0.6%時，胚根長比對照顯著高了7.88、1.71(P<0.05)；濃度為0.9%時顯著比對照低了1.24(P<0.05)。

表6　鹽脅迫對半枝蓮種子幼苗胚根長的影響Table 6　Effect of salt stress on seedling root length of Scutellaria barbata　mm

3　討論與結(jié)論

3.1　干旱對種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)代表了種子的萌發(fā)能力[17]。本研究中，隨著PEG濃度的升高，發(fā)芽率總體呈下降趨勢，發(fā)芽指數(shù)則呈“先升后降”的趨勢。但5%干旱脅迫下，種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均達(dá)到最高。說明本研究低濃度下的干旱脅迫對種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用。這與曾彥軍等[18]對荒漠植物種子的研究結(jié)果一致。

干旱脅迫下水分是影響幼苗生長的主要因素[19]。本研究中，各干旱處理下胚根長均較對照差異顯著，且隨著濃度的升高而減少(P<0.05)。但胚芽長在低濃度(5%、10%)時較對照無顯著差異(P>0.05)。當(dāng)濃度高于15%時胚芽長才較對照顯著降低(P<0.05)。試驗中干旱脅迫對胚根長和胚芽長的影響不同。王海寧等[20]在干旱對羊茅屬(Festuea)植物種子的萌發(fā)時發(fā)現(xiàn)逆境條件下植株的莖先受到影響，其次是根系，最后是葉。何芳蘭等[21]則認(rèn)為逆境中植株幼苗胚根比胚芽受脅迫更敏感。而本研究中低濃度(5%、10%)處理時胚根長減量顯著，而胚芽長在濃度15%時才較對照下降明顯，這與何芳蘭等[21]研究結(jié)果一致。

3.2　鹽脅迫對種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

種子萌發(fā)對鹽脅迫的響應(yīng)主要由鹽分種類和濃度決定[22]。本研究中Na2SO4、復(fù)合鹽脅迫下的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)隨濃度的升高呈“先降后升再降”趨勢。濃度為0～0.3%時表現(xiàn)為降低趨勢，0.3%～0.6%表現(xiàn)為升高。這與王東明等[23]發(fā)現(xiàn)一定低濃度范圍的鹽對種子萌發(fā)既有抑制作用也有促進(jìn)作用的結(jié)果一致。王東明等[23]將鹽濃度影響種子萌發(fā)分為3個方面效應(yīng)，即負(fù)效效應(yīng)、增效效應(yīng)和完全抑制效應(yīng)。試驗中高濃度鹽抑制了種子萌發(fā)，這是因為高濃度下種子細(xì)胞外水勢降低，使細(xì)胞吸水困難，甚至失水發(fā)生質(zhì)壁分離，從而細(xì)胞無法進(jìn)行正常代謝活動。在NaCl、MgCl2鹽脅迫下，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)與鹽濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。該現(xiàn)象與在紫花地丁(Violayedoensis)[24]、高羊茅(F.elata)[25]、沙蘆草(Agropyronmongolicum)[26]研究結(jié)果一致。

鹽脅迫主要通過離子效應(yīng)和滲透作用影響植物幼苗的生長[27-28]。本研究中幼苗葉面積與Na2SO4、MgCl2、復(fù)合鹽濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；0.3%濃度Na2SO4、MgCl2與復(fù)合鹽對胚芽長有一定的促進(jìn)作用。濃度高于0.6%時，胚芽長受到抑制；在Na2SO4、MgCl2鹽脅迫下胚根長總體隨濃度的升高而降低，復(fù)合鹽脅迫下隨濃度的增加呈“先升后降”的趨勢。NaCl鹽脅迫下幼苗無法生長，這可能是Na+和Cl-離子毒害作用較大，破壞了植株細(xì)胞的離子平衡。由此可見，相同濃度、不同鹽脅迫處理幼苗葉面積、胚芽長和胚根長的表現(xiàn)趨勢不同，相同鹽脅迫、不同濃度處理表現(xiàn)趨勢也不同。這可能是幼苗在生長過程中受到滲透作用和離子效應(yīng)的影響。但二者是單一效應(yīng)還是共同作用影響幼苗的生長，具體作用機制不清楚。

綜上所述，干旱脅迫的低濃度(5%)處理對半枝蓮種子萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用，且半枝蓮幼苗胚根較胚芽更容易受干旱脅迫的影響。鹽脅迫對半枝蓮的種子萌發(fā)和幼苗生長的作用機理復(fù)雜。其對發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均有一定的抑制作用。NaCl鹽脅迫下，幼苗無法生長。

其余3種鹽脅迫處理對半枝蓮幼苗生長的影響表現(xiàn)為僅在低濃度(0.3%、0.6%)時對胚芽長有一定的促進(jìn)作用，而不同濃度對葉面積和胚根長均表現(xiàn)為抑制作用。