李欣勇，張靖雪，王文強(qiáng)，盛 偉，虞道耿

（中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所, 海南 海口 570100）

干旱導(dǎo)致的作物減產(chǎn)，超過(guò)其他環(huán)境因子脅迫所造成作物減產(chǎn)的總和[1]。隨著全球氣候變暖現(xiàn)象的持續(xù)，會(huì)增加全球高溫時(shí)期及干旱面積，植物將會(huì)面臨更嚴(yán)峻的干旱脅迫壓力[2]。種子萌發(fā)是植物生活史中最脆弱的階段，易受環(huán)境因子影響[3]，種子萌發(fā)期對(duì)逆境的適應(yīng)能力會(huì)決定植物種群分布和繁衍[4]。水分是一切生命活動(dòng)所必需的，也是種子萌發(fā)的基礎(chǔ)[5]，干旱脅迫達(dá)到一定閾值時(shí)，會(huì)顯著抑制種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)[6]。因此，研究植物種子萌發(fā)期的抗旱性，將有助于推測(cè)植物在幼苗生長(zhǎng)階段的抗旱性，為提高該植物的建植率、培育抗旱新品種及新品種推廣提供參考數(shù)據(jù)[7]。

莎草科(Cyperaceae)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成者，廣泛分布于各大洲，尤以熱帶和亞熱帶地區(qū)種類較多，具有水土保持、土壤改良、水源凈化等作用，也是天然草地資源中飼用價(jià)值較高、耐牧性極強(qiáng)的一類優(yōu)良牧草[8]。如高稈莎草(Cyperus exaltatus)、風(fēng)車草(C. alternifolius)可作觀賞植物；羽狀穗磚子苗(Mariscus javanicus)可治理鹽堿地；蕨狀薹草(Carex filicina)、十字薹草(C. cruciata)、毛軸莎草(C.pilosus)等植物根、莖、葉的通氣組織十分發(fā)達(dá)，具有固土保水、凈化水體的作用[9]。目前對(duì)莎草科植物的研究主要集中在田間雜草種群調(diào)查[10-11]、凈化水體[12-13]、濕地群落構(gòu)建[14]、修復(fù)土壤重金屬污染[15]、休眠類型[16]和萌發(fā)條件[17-20]等方面，對(duì)莎草科種子萌發(fā)期抗旱性的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究通過(guò)不同濃度聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬干旱環(huán)境，對(duì)9 種莎草科植物種子萌發(fā)期的抗旱性研究和評(píng)價(jià)，以期為莎草科植物的種植和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)共選用莎草科種質(zhì)資源9 種(表1)。所有種子采集后貯存于中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所低溫種子庫(kù)中。

表1 9 種莎草科植物種子信息Table 1 Information of nine Cyperaceae species seeds

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子預(yù)處理

每份種質(zhì)材料挑選大小均勻一致、飽滿的種質(zhì)150 粒，用0.1% HgCl2溶液浸泡消毒10 min，再用蒸餾水沖洗3 次，用濾紙吸干種子表面水分備用。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模擬干旱條件設(shè)置5 個(gè)處理，分別用10 mL 濃度為0 (CK)、5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)水溶液代替標(biāo)準(zhǔn)萌發(fā)試驗(yàn)中的蒸餾水。將培養(yǎng)皿置于人工智能氣候培養(yǎng)箱中(晝夜溫度為30 ℃/20 ℃；光/暗16 h/8 h)。為保持培養(yǎng)皿內(nèi)水勢(shì)不變，每2 d 換一次濾紙和溶液，每天調(diào)換培養(yǎng)皿在培養(yǎng)箱中的位置，確保所有種子的所處環(huán)境相同。每種處理3 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)50 粒種子，每天統(tǒng)計(jì)萌發(fā)種子數(shù)(以胚根突出種皮1 mm 視為萌發(fā))，持續(xù)28 d。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

為了消除種質(zhì)材料之間本體萌發(fā)能力的差異，更好地進(jìn)行脅迫條件下不同種質(zhì)材料間的分析，本研究采用相對(duì)萌發(fā)率、相對(duì)萌發(fā)速率、相對(duì)萌發(fā)指數(shù)、相對(duì)胚芽長(zhǎng)和相對(duì)胚根長(zhǎng)進(jìn)行萌發(fā)能力比較。

1.3.1 萌發(fā)率、相對(duì)萌發(fā)率、萌發(fā)速率、相對(duì)萌發(fā)速率、萌發(fā)指數(shù)和相對(duì)萌發(fā)指數(shù)

萌發(fā)率(germination rate,GR) = 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)已萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù) × 100%；

相對(duì)萌發(fā)率(relative germination rate,RGR) = (脅迫處理萌發(fā)率/對(duì)照萌發(fā)率) × 100%；

萌發(fā)速率(germination speed,GS) = 1/T50。

式中：T50為種子萌發(fā)率達(dá)到最終萌發(fā)率的50%所需的時(shí)間。

相對(duì)萌發(fā)速率(relative germination speed,RGS) =(脅迫處理萌發(fā)速率/對(duì)照萌發(fā)速率) × 100%；

萌發(fā)指數(shù)(germination index,GI) = ∑ (Gt/Dt)。

式中：Dt為萌發(fā)天數(shù)，Gt為Dt相對(duì)應(yīng)的每天萌發(fā)種子數(shù)。

相對(duì)萌發(fā)指數(shù)(relative germination index,RGI) =(脅迫處理萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照萌發(fā)指數(shù)) × 100%。

1.3.2 胚芽長(zhǎng)和胚根長(zhǎng)

第15 天每盤隨機(jī)選取10 株植株測(cè)量胚芽和胚根長(zhǎng)度，取平均數(shù)。

相對(duì)胚芽長(zhǎng) = (脅迫處理胚芽長(zhǎng)度/對(duì)照胚芽長(zhǎng)度) × 100%；

相對(duì)胚根長(zhǎng) = (脅迫處理胚根長(zhǎng)度/對(duì)照胚根長(zhǎng)度) × 100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究采用隸屬函數(shù)法對(duì)不同莎草科種質(zhì)資源的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：Xij為第i種植物第j個(gè)指標(biāo)的測(cè)定值；Xjmax和Xjmin分別為所有植物中第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值；Xμ為第i種植物第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)平均值。Vj為標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)，Wj為權(quán)重系數(shù)，D為綜合抗旱值，D越大，其綜合抗旱性越強(qiáng)。

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS 19.0 進(jìn)行，多重比較采用Duncan 法，Word 2013 作表，所有數(shù)值均以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤 (Mean ± SE) 表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG 對(duì)相對(duì)萌發(fā)率的影響

不同濃度PEG 脅迫對(duì)9 種莎草科植物的種子相對(duì)萌發(fā)率有顯著影響(P＜ 0.05) (表2)。多數(shù)表現(xiàn)為隨PEG 濃度的增加，萌發(fā)率呈下降趨勢(shì)，但下降程度因物種不同而不同。蕨狀薹草、十字薹草、碎米莎草和兩歧飄拂草(Fimbristylis dichotoma)的種子相對(duì)萌發(fā)率在PEG 濃度≥5%時(shí)顯著低于對(duì)照(P＜0.05)，其中十字薹草在15% PEG 濃度時(shí)的相對(duì)萌發(fā)率僅為4.63%，在20% PEG 濃度時(shí)不萌發(fā)。5% PEG濃度會(huì)促進(jìn)羽狀穗磚子苗和高桿莎草種子萌發(fā)，其種子相對(duì)萌發(fā)率高于對(duì)照。羽狀穗磚子苗在15%PEG 濃度時(shí)種子相對(duì)萌發(fā)率仍有90.28%，但在20%PEG 濃度時(shí)卻不萌發(fā)。毛軸莎草和球穗扁莎(Pycreus flavidus)的種子相對(duì)萌發(fā)率僅在PEG 濃度≥15%時(shí)顯著低于對(duì)照(P＜ 0.05)。20% PEG 濃度時(shí)，蕨狀薹草和毛軸莎草的相對(duì)萌發(fā)率仍有70%以上，顯著高于其他物種(P＜ 0.05)。

表2 PEG 脅迫對(duì)9 種莎草科植物相對(duì)萌發(fā)率的影響Table 2 Effect of PEG treatment on the seed relative germination rate of nine Cyperaceae species%

2.2 不同濃度PEG 對(duì)相對(duì)萌發(fā)速率和相對(duì)萌發(fā)指數(shù)的影響

不同濃度PEG 脅迫對(duì)9 種莎草科植物的種子萌發(fā)速率和萌發(fā)指數(shù)有顯著影響(P＜ 0.05)，多數(shù)表現(xiàn)為隨PEG 濃度的增加，萌發(fā)速率和萌發(fā)指數(shù)呈下降趨勢(shì)，但下降程度因物種不同而不同(表3、表4)?？傮w來(lái)說(shuō)，隨PEG 濃度的增加，相對(duì)萌發(fā)指數(shù)的下降速度均比相對(duì)萌發(fā)速率快，說(shuō)明種子萌發(fā)指數(shù)對(duì)干旱脅迫更敏感。碎米莎草、風(fēng)車草和球穗扁莎在5% PEG 濃度時(shí)的相對(duì)萌發(fā)速率顯著高于對(duì)照(P＜ 0.05)，說(shuō)明輕微干旱脅迫反而能提高其萌發(fā)速率。20% PEG 濃度時(shí)，兩歧飄拂草的相對(duì)萌發(fā)速率和相對(duì)萌發(fā)指數(shù)均為最大，顯著高于其他物種(P＜ 0.05)。

表3 PEG 脅迫對(duì)9 種莎草科植物相對(duì)萌發(fā)速率的影響Table 3 Effect of PEG treatment on the seed relative germination speed of nine Cyperaceae species%

表4 PEG 脅迫對(duì)9 種莎草科植物相對(duì)萌發(fā)指數(shù)的影響Table 4 Effect of PEG treatment on the seed relative germination index of nine Cyperaceae species%

2.3 不同濃度PEG 對(duì)相對(duì)胚芽和相對(duì)胚根的影響

隨PEG 濃度的增加，9 種莎草科植物的相對(duì)胚芽長(zhǎng)和相對(duì)胚根長(zhǎng)均呈不同程度的下降(表5、表6)。毛軸莎草的胚芽長(zhǎng)在10% PEG 濃度時(shí)顯著高于對(duì)照(P＜ 0.05)，其余8 種莎草科植物的胚芽長(zhǎng)均在5% PEG 濃度時(shí)出現(xiàn)明顯下降，顯著低于對(duì)照(P＜ 0.05)。20% PEG 濃度時(shí)，所有植物的胚芽生長(zhǎng)都受到顯著抑制，其中碎米莎草的胚芽下降最慢，為對(duì)照的68.82%，顯著高于其他物種(表5)。5% PEG濃度脅迫有利于羽狀穗磚子苗、毛軸莎草、風(fēng)車草和兩歧飄拂草的胚根生長(zhǎng)，其胚根長(zhǎng)顯著高于對(duì)照(表6) (P＜ 0.05)；其余物種的胚根對(duì)干旱脅迫較敏感，5% PEG 濃度脅迫時(shí)其胚根長(zhǎng)已顯著低于對(duì)照(P＜ 0.05)；20% PEG 濃度時(shí)，碎米莎草和毛軸莎草的胚根長(zhǎng)下降最慢，分別是對(duì)照的81.79%和81.48%，顯著高于其他物種(P＜ 0.05) (表6)。所有植物的胚芽生長(zhǎng)受干旱脅迫的影響程度明顯大于胚根生長(zhǎng)。

表5 PEG 脅迫對(duì)9 種莎草科植物相對(duì)胚芽長(zhǎng)的影響Table 5 Effect of PEG treatment on the relative plumule length of nine Cyperaceae species%

表6 PEG 脅迫對(duì)9 種莎草科植物相對(duì)胚根長(zhǎng)的影響Table 6 Effect of PEG treatment on the relative radical length of nine Cyperaceae species%

2.4 9 種莎草科植物萌發(fā)期抗旱性綜合評(píng)價(jià)

為了全面綜合反映植物的抗旱能力，采用相對(duì)萌發(fā)率、相對(duì)萌發(fā)速率、相對(duì)萌發(fā)指數(shù)、相對(duì)胚根長(zhǎng)和相對(duì)胚芽長(zhǎng)這5 項(xiàng)抗旱指標(biāo)，計(jì)算9 種莎草科植物萌發(fā)期的綜合抗旱能力(D值)，以評(píng)價(jià)其抗旱性。結(jié)果表明，9 種莎草科植物5 項(xiàng)抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)值為0.24～0.63 (表7)，9 種莎草科植物種子萌發(fā)期抗旱性表現(xiàn)為毛軸莎草 ＞ 碎米莎草 ＞高稈莎草 ＞ 蕨狀薹草 ＞ 羽狀穗磚子苗 ＞ 風(fēng)車草 ＞球穗扁莎 ＞ 兩歧飄拂草 ＞ 十字薹草。

表7 9 種莎草科植物各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)值Table 7 Subordinate function value and D-value of nine Cyperaceae species

3 討論

種子萌發(fā)通常是植物生活史最為脆弱的階段，容易受外界環(huán)境因子的影響[3]。植物種子萌發(fā)期對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性與植物抗旱性相關(guān)，能在一定程度上反映該物種在干旱環(huán)境中的生存能力[21]。本研究結(jié)果表明，當(dāng)PEG 濃度 ＞ 5%時(shí)，9 種莎草科植物的種子萌發(fā)率、萌發(fā)速率、萌發(fā)指數(shù)、胚芽長(zhǎng)和胚根長(zhǎng)大多數(shù)隨PEG 濃度的增加呈顯著下降趨勢(shì)，說(shuō)明隨著干旱脅迫程度的增加，對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用也越強(qiáng)。這與在馬齒莧(Portulaca oleracea)[22]、紫花苜蓿(Medicago sativa)[23]、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)[24]等的研究結(jié)果一致。當(dāng)PEG 濃度≤5%，羽狀穗磚子苗和高稈莎草的種子相對(duì)萌發(fā)率顯著高于對(duì)照；毛軸莎草和球穗扁莎的種子相對(duì)萌發(fā)率與對(duì)照差異不顯著。這可能是由于輕度干旱脅迫下，植物種子會(huì)通過(guò)改變脯氨酸等調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)維持相對(duì)正常的滲透勢(shì)，從而保證種子順利萌發(fā)，甚至?xí)龠M(jìn)種子萌發(fā)[25]，與Hu 等[26]在‘蘭箭3 號(hào)’箭筈豌豆(Vicia sativa‘Lanjian3’)和窄葉野豌豆(Vicia angustifolia)上的研究結(jié)果相似。低濃度(5% PEG濃度)的干旱脅迫能促進(jìn)羽狀穗磚子苗、毛軸莎草、風(fēng)車草和兩歧飄拂草胚根的生長(zhǎng)，這可能是由于干旱條件下，植物幼苗為了增強(qiáng)從環(huán)境吸水的能力來(lái)保證植株生長(zhǎng)，會(huì)優(yōu)先增加胚根的生長(zhǎng)速度，這與在紫云英(Astragalus sinicus)[27]、垂穗披堿草(Elymus nutans)[28]和黑黃檀(Dalbergia fusca)[29]上的研究結(jié)果相似。有意思的是羽狀穗磚子苗在15% PEG 濃度時(shí)種子相對(duì)萌發(fā)率仍有90.28%，但在20% PEG 濃度時(shí)卻不萌發(fā)；這說(shuō)明羽狀穗磚子苗種子在萌發(fā)期的需水量較少，萌發(fā)能力很強(qiáng)，雖然15% PEG 濃度脅迫會(huì)延緩羽狀穗磚子苗種子萌發(fā)，降低其萌發(fā)速率和萌發(fā)指數(shù)，但對(duì)其最終萌發(fā)率影響不大；20%PEG 濃度已經(jīng)超出了羽狀穗磚子苗種子萌發(fā)所需的基礎(chǔ)水勢(shì)，所以種子不萌發(fā)[30]。

植物種子萌發(fā)期抗旱性是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜生理生化過(guò)程[27]。本研究采用萌發(fā)率、萌發(fā)速率、萌發(fā)指數(shù)、胚芽長(zhǎng)和胚根長(zhǎng)5 項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合隸屬函數(shù)對(duì)9 種莎草科植物種子萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，這5 項(xiàng)指標(biāo)的單一隸屬函數(shù)排序均不同，這進(jìn)一步表明植物抗旱性受多種因素影響，只靠單一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)植物抗旱性，結(jié)果相對(duì)片面。所以本研究采取多指標(biāo)綜合隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)方法，才能消除單一指標(biāo)的片面性，研究結(jié)果才更加可靠。隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)顯示，9 種莎草科植物種子萌發(fā)期抗旱性表現(xiàn)為毛軸莎草 ＞ 碎米莎草 ＞ 高稈莎草 ＞蕨狀薹草 ＞ 羽狀穗磚子苗 ＞ 風(fēng)車草 ＞ 球穗扁莎 ＞兩歧飄拂草 ＞ 十字薹草。

4 結(jié)論

本研究表明，低濃度(5% PEG 濃度)干旱脅迫能促進(jìn)羽狀穗磚子苗、毛軸莎草、風(fēng)車草和兩歧飄拂草胚根的生長(zhǎng)。當(dāng)PEG 濃度 ＞ 5%時(shí)，9 種莎草科植物的種子萌發(fā)指標(biāo)均隨PEG 濃度的增加呈下降趨勢(shì)，且種質(zhì)之間差異較大。隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)，9 種莎草科植物種子萌發(fā)期抗旱性表現(xiàn)為毛軸莎草 ＞碎米莎草 ＞ 高稈莎草 ＞ 蕨狀薹草 ＞ 羽狀穗磚子苗 ＞風(fēng)車草 ＞ 球穗扁莎 ＞ 兩歧飄拂草 ＞ 十字薹草。