單旭東，張 睿，麥吾麗代·卡哈爾，古麗娜爾·努爾達(dá)吾列提，許立新

（北京林業(yè)大學(xué)草坪研究所，北京 100083）

干旱脅迫是影響植物生長(zhǎng)的主要環(huán)境脅迫因子之一，影響植物體內(nèi)的正常代謝，抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育[1]。特別是在植物對(duì)環(huán)境因子較為敏感的幼苗期，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降[2]。因此，在草坪建植或牧草種植過(guò)程中需要大量灌水，以保障苗期長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良。而現(xiàn)代工業(yè)和住宅用水量不斷增加，許多地區(qū)的水供應(yīng)有限，如何在保證草產(chǎn)量和品質(zhì)的同時(shí)減少灌溉用水量成為現(xiàn)代草業(yè)亟待解決的問(wèn)題之一[3-4]。作為提高植物抗旱性的一種途徑，外源植物激素已被廣泛地研究和應(yīng)用。其中，有關(guān)赤霉素在提高植物抗旱性的研究已有諸多報(bào)道。

赤霉素(gibberellin, GA)屬于生物體內(nèi)的一類(lèi)四環(huán)二萜類(lèi)化合物，具有打破種子休眠，促進(jìn)種子發(fā)芽和莖稈伸長(zhǎng)等作用[5]。陳志飛等[6]研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素可促進(jìn)干旱脅迫下高羊茅種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)。楊陽(yáng)等[7]研究指出，外源赤霉素對(duì)干旱脅迫下沙冬青種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)具有緩解效應(yīng)。郭郁頻等[8]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)CaCl2、GA3復(fù)合液處理苜蓿幼苗，可以提高其抗旱性。路蘋(píng)等[9]研究發(fā)現(xiàn)，外源赤霉素可提高在干旱條件下種子內(nèi)色氨酸、游離脯氨酸和絲氨酸的含量，有效緩解缺水對(duì)萌發(fā)的影響。

多年生黑麥草(Lolium perenne)由于其生長(zhǎng)分蘗快，外形美觀，耐牧性強(qiáng)和綠色期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，一直以來(lái)是我國(guó)乃至世界各地草坪建植和飼草栽培中最受歡迎的草種之一[10]。然而與其他禾草相比，多年生黑麥草耐旱能力相對(duì)較弱，這使其進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用受到限制[11]。為此，使用不同濃度PEG-6000溶液模擬干旱條件，研究赤霉素浸種對(duì)不同程度干旱脅迫下多年生黑麥草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響，以期了解緩解干旱脅迫、促進(jìn)多年生黑麥草種子萌發(fā)和生長(zhǎng)的最適赤霉素濃度，為合理使用植物激素提高植物種子抗旱性的研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用多年生黑麥草種子，品種為“麥迪”，種子購(gòu)買(mǎi)于北京正道生態(tài)科技有限公司，在4 ℃下避光保存。發(fā)芽試驗(yàn)于2019年12月進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用4種濃度(0、100、200、300 mg·L-1)赤霉素浸種處理，4種濃度(0、5%、10%、15%)PEG脅迫處理，PEG濃度對(duì)應(yīng)水勢(shì)[12]為0、-0.1、-0.2和-0.4 MPa，試驗(yàn)采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共16組處理，每組處理5個(gè)重復(fù)。選擇健康、飽滿的種子作為試驗(yàn)材料。將種子用1%的次氯酸鈉溶液浸種10 min進(jìn)行消毒，消毒后用蒸餾水漂洗3次，然后分別用100 mL的蒸餾水，100、200、300 mg·L-1的赤霉素在室溫黑暗條件下浸種24 h。浸種結(jié)束后在室溫室光下回干12 h。將發(fā)芽紙固定在兩層錫箔紙中，分別用蒸餾水，5%、10%、15%的PEG-6000溶液潤(rùn)濕發(fā)芽紙，將種子均勻地?cái)[放在發(fā)芽紙上，每個(gè)重復(fù)組擺放50粒種子，將擺好種子的發(fā)芽紙置入水培盒中，盒中分別注入2 500 mL的蒸餾水，5%、10%和15% PEG-6000溶液。放入光照培養(yǎng)箱(光照14 h，溫度25 ℃；黑暗10 h，溫度20 ℃)中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)[13]。每天將水培盒稱(chēng)重并補(bǔ)充散失的水分，用注射器吸取PEG溶液潤(rùn)濕發(fā)芽紙，每日兩次。

1.3 試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)

種子萌動(dòng)后，生長(zhǎng)出胚根和胚芽，胚芽生長(zhǎng)至種子長(zhǎng)度的二分之一時(shí)即認(rèn)為其發(fā)芽。試驗(yàn)第5天測(cè)定發(fā)芽勢(shì)。第14天測(cè)定發(fā)芽數(shù)，計(jì)算發(fā)芽率(%)，并從各重復(fù)組中隨機(jī)選取15株幼苗，測(cè)定根長(zhǎng)(cm)和芽長(zhǎng)(cm)、根重(g)和芽重(g)、芽抑制率(%)、根抑制率(%)、根冠比(%)。其中芽抑制率、根抑制率計(jì)算方法參照陳志飛等[6]的方法。

式中：n14和n5代表第14天和第5天的種子發(fā)芽數(shù)，M代表供試種子總數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和制圖，使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行顯著性分析，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 赤霉素對(duì)不同濃度PEG脅迫下多年生黑麥草萌發(fā)的影響

隨著PEG濃度的提高，種子萌發(fā)受到的抑制作用加強(qiáng)，種子發(fā)芽率呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)(圖1)，在0、5%、10%PEG脅迫條件下，不同濃度GA浸種處理間發(fā)芽率無(wú)顯著性差異(P＜0.05)，而在15%PEG處理下，200和300 mg·L-1GA處理發(fā)芽率顯著大于 0 和 100 mg·L-1GA 處理 (P＜0.05)，相比對(duì)照組發(fā)芽率分別提高了15.0%和16.2%。

圖1 赤霉素對(duì)PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草發(fā)芽率的影響Figure 1 Effect of gibberellin on germination rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在 0 PEG脅迫下，100、200和 300 mg·L-1GA浸種處理的發(fā)芽勢(shì)分別為77.6%、79.6%和78.4%(圖2)，均顯著高于 0 GA 處理 (69.2%)(P＜0.05)，分別提高了10.8%、15.0%和13.3%，但3種濃度GA處理之間差異不顯著。在5%、10%和15%PEG脅迫下，發(fā)芽勢(shì)呈現(xiàn)同樣的趨勢(shì)，從大到小的GA處理依次是 100 mg·L-1＞200 mg·L-1＞300 mg·L-1＞0。加入5%、10% PEG時(shí)，100和 200 mg·L-1GA處理之間發(fā)芽勢(shì)沒(méi)有顯著性差異，但都顯著高于300 mg·L-1和 0 GA 處理 (P＜0.05)，300 mg·L-1和 0 GA處理間發(fā)芽勢(shì)未達(dá)到顯著水平。在15%PEG脅迫下，100和200 mg·L-1GA處理發(fā)芽勢(shì)顯著(P＜0.05)高于其他組處理，且300 mg·L-1GA處理發(fā)芽勢(shì)顯著高于 0 GA(P＜0.05)。

圖2 赤霉素對(duì)PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草發(fā)芽勢(shì)的影響Figure 2 Effect of gibberellin on germination potential of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

2.2 赤霉素對(duì)不同PEG脅迫下多年生黑麥草幼苗生長(zhǎng)的影響

隨著脅迫強(qiáng)度的增大，黑麥草種子的芽長(zhǎng)總體呈現(xiàn)變小趨勢(shì)(圖3)，在0 PEG脅迫下，芽長(zhǎng)從大到小的處理依次是300 mg·L-1(12.44 cm)、200 mg·L-1(12.25 cm)、100 mg·L-1(10.70 cm)、0 GA(9.66 cm)，3種GA處理芽長(zhǎng)均顯著(P＜0.05)大于0 GA處理(9.66 cm)。在5%PEG脅迫下，100 mg·L-1和300 mg·L-1處理芽長(zhǎng)差異不顯著，這兩個(gè)處理芽長(zhǎng)顯著(P＜0.05)大于0和 200 mg·L-1GA處理。而在10%PEG脅迫中300 mg·L-1浸種處理芽長(zhǎng)顯著(P＜0.05)大于 0 GA處理，在15%PEG中，300 mg·L-1處理芽長(zhǎng)顯著 (P＜0.05)高于 0 和 100 mg·L-1GA處理，與200 mg·L-1差異不顯著。

圖3 赤霉素對(duì)PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草種子芽長(zhǎng)的影響Figure 3 Effect of gibberellin on seed bud growth of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

同濃度GA處理下，5%、10%、15%PEG脅迫下的多年生黑麥草幼苗的根長(zhǎng)大于0 PEG脅迫下的根長(zhǎng)(圖4)，這是因?yàn)樵诟珊禇l件下植物本身具有抗旱機(jī)制，通過(guò)增加根長(zhǎng)獲取更多的水分來(lái)應(yīng)對(duì)干旱環(huán)境。0 PEG和5% PEG中，300 mg·L-1處理根長(zhǎng)最大，分別是2.29和3.08 cm。在0 PEG脅迫下，根長(zhǎng)由大到小的處理依次是300 mg·L-1(2.28 cm)、200 mg·L-1(1.99 cm)、0 GA(1.89 cm)、100 mg·L-1(1.74 cm)，300 mg·L-1處理根長(zhǎng)顯著高于 0、100和 200 mg·L-1處理 (P＜0.05)。在 5%PEG 脅迫下，各處理根長(zhǎng)從大到小依次是300 mg·L-1(3.08 cm)、100 mg·L-1(2.61 cm)、200 mg·L-1(2.55 cm)、0 GA(2.42 cm)，300 mg·L-1顯著高于0和200 mg·L-1GA 處理 (P＜0.05)，而與 100 mg·L-1之間差異不顯著。在10%PEG和15%PEG處理中，均是0 GA處理根長(zhǎng)最大，分別是3.14和2.23 cm。在10%PEG中0 GA與200 mg·L-1GA處理差異未達(dá)到顯著水平，而0 GA處理根長(zhǎng)水平顯著高于300和100 mg·L-1處理 (P＜0.05)。在 15%PEG 中 0、300 mg·L-1GA處理根長(zhǎng)顯著高于100 mg·L-1GA處理(P＜0.05)。

圖4 赤霉素對(duì)PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草種子根長(zhǎng)的影響Figure 4 Effect of gibberellin on root length of perennial ryegrass seeds under PEG-simulated drought conditions

2.3 赤霉素浸種對(duì)干旱脅迫下黑麥草幼苗抑制率的影響

在PEG脅迫下，100、200和300 mg·L-1GA處理的芽抑制率均是負(fù)值(圖5)，說(shuō)明赤霉素處理可促進(jìn)干旱條件下幼苗芽的生長(zhǎng)，且300 mg·L-1GA處理抑制率最小，說(shuō)明300 mg·L-1處理緩解PEG對(duì)芽的抑制作用較強(qiáng)。

圖5 赤霉素對(duì)PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草芽抑制率的影響Figure 5 Effect of gibberellin on inhibition rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在5%、10%、15%PEG時(shí)根的抑制率均是負(fù)值(圖6)，在0、5%和15%PEG相比對(duì)照之下，均表現(xiàn)出300 mg·L-1GA處理可降低根抑制率，而在10%PEG脅迫下，100 mg·L-1GA處理的根抑制率高于200 mg·L-1GA處理。

2.4 赤霉素浸種對(duì)干旱脅迫下黑麥草幼苗根冠比的影響

圖6 赤霉素對(duì)PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草根抑制率的影響Figure 6 Effect of gibberellin on root inhibition rate of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

在分析種苗芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)200、300 mg·L-1GA處理對(duì)芽長(zhǎng)和根長(zhǎng)均有顯著影響，因此通過(guò)分析根冠比可進(jìn)一步確定緩解干旱脅迫的最適GA濃度。如圖7所示，隨著PEG脅迫強(qiáng)度的增加，黑麥草幼苗的根冠比總體呈現(xiàn)變大趨勢(shì)，且處理間存在著不同程度的差異。在0 PEG中，200和300 mg·L-1GA處理根冠比顯著高于0和100 mg·L-1(P＜0.05)。在5%PEG中，根冠比從大到小的處理依次是 200 mg·L-1、300 mg·L-1、0 GA、100 mg·L-1，其中200 mg·L-1GA處理顯著高于其他處理(P＜0.05)，300 mg·L-1顯 著高于 0 和 100 mg·L-1GA 處理 (P＜0.05)，0 和 100 mg·L-1之間無(wú)顯著性差異。10%PEG脅迫下，300 mg·L-1GA處理根冠比顯著高于其他組處理(P＜0.05)。在15%PEG脅迫下，200和 300 mg·L-1處理根冠比顯著 (P＜0.05)高于0和100 mg·L-1GA處理。

圖7 赤霉素對(duì)PEG模擬干旱條件下多年生黑麥草根冠比的影響Figure 7 Effect of gibberellin on root-shoot ratio of perennial ryegrass under PEG-simulated drought conditions

3 討論

植物種子內(nèi)激素的存在狀況和相對(duì)含量對(duì)種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)具有重要影響[14]，外源激素在促進(jìn)種子萌發(fā)方面已經(jīng)被廣泛應(yīng)用和研究[15-17]。赤霉素在此方面的研究已有諸多報(bào)道，赤霉素促進(jìn)種子萌發(fā)的效應(yīng)是多方面的，不同的植物種子對(duì)外源赤霉素刺激的反饋也存在較大的差異[15,17-19]。

PEG已經(jīng)廣泛用于植物抗旱研究領(lǐng)域[6]，利用PEG-6000可以改變植物外界的滲透壓，從而模擬干旱環(huán)境，不同物種、不同品種的種子對(duì)PEG脅迫的響應(yīng)也不盡相同[20-22]。

3.1 赤霉素對(duì)不同PEG脅迫下多年生黑麥草萌發(fā)的影響

赤霉素能夠抑制分解生長(zhǎng)素的酶的活性，因此可促進(jìn)植物生長(zhǎng)[23]。赤霉素可促進(jìn)蛋白酶等水解酶、α-淀粉酶的合成，對(duì)萌發(fā)種子內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解、合成和轉(zhuǎn)化均有重要作用[23-24]。本研究在5%、10%PEG脅迫下各濃度赤霉素處理的發(fā)芽率并無(wú)明顯提高或降低，但當(dāng)15%PEG脅迫時(shí)，300和200 mg·L-1赤霉素浸種處理的發(fā)芽率高于0和100 mg·L-1。這說(shuō)明只有當(dāng)干旱達(dá)到一定程度時(shí)，且赤霉素處理達(dá)到一定濃度時(shí)，赤霉素才能明顯發(fā)揮出對(duì)多年生黑麥草種子發(fā)芽率的促進(jìn)作用。相關(guān)研究[25]發(fā)現(xiàn)，適宜的赤霉素浸種能顯著提高干旱條件下沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)的發(fā)芽率，當(dāng)處理濃度過(guò)小或過(guò)大時(shí)，赤霉素的緩解作用不明顯甚至可能起到反作用，本研究結(jié)果與上述研究結(jié)果具有一致性。通過(guò)分析發(fā)芽勢(shì)結(jié)果得知，100、200 mg·L-1赤霉素浸種均能有效提高干旱環(huán)境下的發(fā)芽勢(shì)，即100、200 mg·L-1對(duì)干旱環(huán)境下黑麥草發(fā)芽勢(shì)具有有效的緩解作用，此結(jié)果與上述研究中的結(jié)果具有一致性。

3.2 赤霉素對(duì)不同PEG脅迫下多年生黑麥草種子幼苗生長(zhǎng)的影響

赤霉素能夠通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)和細(xì)胞分裂從而促進(jìn)植株節(jié)間伸長(zhǎng)[26]。本研究結(jié)果表明，在PEG脅迫下，200、300 mg·L-1處理對(duì)芽抑制均起顯著緩解作用。陳志飛等[6]研究認(rèn)為，通過(guò)分析芽抑制率、根抑制率可以進(jìn)一步了解赤霉素對(duì)干旱抑制的緩解作用，抑制率越小則說(shuō)明緩解作用越強(qiáng)。通過(guò)分析芽抑制率發(fā)現(xiàn)，在300 mg·L-1浸種處理的芽抑制率均低于其他處理組，這說(shuō)明300 mg·L-1赤霉素浸種對(duì)多年生黑麥草的芽抑制具有明顯的緩沖作用。李光菊等[27]研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素浸種能提高干旱脅迫下巴馬火麻(Cannabis sativa)種子的胚芽長(zhǎng)。陳志飛等[6]研究發(fā)現(xiàn)，200和300 mg·L-1赤霉素浸種處理可以明顯緩解干旱脅迫對(duì)高羊茅的芽抑制作用。

通過(guò)分析赤霉素處理對(duì)干旱條件下黑麥草種子根長(zhǎng)和根抑制率的影響發(fā)現(xiàn)，在0、5%PEG脅迫時(shí)，100和200 mg·L-1赤霉素處理根長(zhǎng)與對(duì)照組差異不顯著，這說(shuō)明在輕度干旱脅迫下，赤霉素對(duì)種子根長(zhǎng)沒(méi)有明顯的影響。在10%、15%PEG下，赤霉素100、200 mg·L-1處理均出現(xiàn)了不同程度地抑制根伸長(zhǎng)的情況。

3.3 赤霉素浸種對(duì)干旱脅迫下黑麥草幼苗根冠比的影響

隨著PEG濃度的升高，多年生黑麥草根冠比呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在一定程度的干旱脅迫下，小麥(Triticum aestivum)的根冠比隨著干旱程度的提高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)[28-29]，本研究中根冠比未出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這可能是PEG脅迫強(qiáng)度不夠，如能將PEG處理濃度提升至15%以上，可進(jìn)一步與上述研究進(jìn)行分析和討論。本研究中在相同濃度PEG脅迫下，300 mg·L-1赤霉素處理可以緩解干旱對(duì)根長(zhǎng)的抑制作用，且300、200 mg·L-1赤霉素處理組根冠比均高于0、100 mg·L-1GA，而 100 mg·L-1和 0 赤霉素處理間根冠比差異不顯著。張愛(ài)良等[30]研究指出，小麥、水稻(Oryza sativa)等作物能在干旱脅迫下產(chǎn)生更多二級(jí)、三級(jí)側(cè)根以適應(yīng)干旱環(huán)境。300、200 mg·L-1赤霉素處理提高了干旱條件下多年生黑麥草的根冠比，可能是一方面PEG脅迫能促進(jìn)多年生黑麥草二、三級(jí)側(cè)根的生長(zhǎng)，另一方面200、300 mg·L-1赤霉素處理能夠有效緩解干旱對(duì)主根和側(cè)根生長(zhǎng)的抑制作用，從而增加多年生黑麥草地下生物量，來(lái)促進(jìn)植物適應(yīng)干旱環(huán)境。由于本研究沒(méi)有對(duì)多年生黑麥草二、三級(jí)側(cè)根進(jìn)行測(cè)定，因此，赤霉素對(duì)干旱條件下多年生黑麥草的二、三級(jí)側(cè)根的具體影響有待研究和討論。

4 結(jié)論

干旱脅迫降低了多年生黑麥草的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)。200和300 mg·L-1赤霉素浸種處理能顯著提高15%PEG脅迫下多年生黑麥草種子的發(fā)芽率。200和300 mg·L-1浸種處理能降低芽抑制率，且能提高多年生黑麥草的根冠比。因此，本研究中緩解干旱對(duì)多年生黑麥草萌發(fā)的抑制作用，促進(jìn)其幼苗生長(zhǎng)的最適赤霉素處理濃度為200～300 mg·L-1。