段義忠,公靜茹,付浩軒,狄 龍

(1.榆林學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院,陜西 榆林 719000;2.榆林市林業(yè)產(chǎn)業(yè)開發(fā)中心,陜西 榆林 719099)

蛋白桑(Morus alba)又稱飼料桑,屬?？粕?為落葉喬木[1]。蛋白桑具有很強的萌發(fā)力、抗切割性和適應(yīng)性[2]。它含有天然活性物質(zhì)。蛋白桑中含有豐富的無機鹽[3]、維生素和其他營養(yǎng)物質(zhì)[4],對維持身體免疫和抗氧化性具有重要意義,具有很高的藥用和飼用價值,能夠開發(fā)為高品質(zhì)飼料[5]。

在自然生長環(huán)境中,植物極易受到不同因素的影響,尤其是非生物因素。干旱作為一種多維的脅迫,引起植物從表型、生理、生化及分子水平的一系列變化。干旱脅迫會造成植物產(chǎn)量下降,嚴(yán)重影響植物生態(tài)效益[6-8],嚴(yán)重的干旱可能導(dǎo)致光合作用的終止和新陳代謝的紊亂,最終導(dǎo)致植物的死亡[9]。在遭受干旱脅迫時高等植物通常會調(diào)節(jié)其自身代謝機制、保護酶類來應(yīng)對干旱[10]。例如:在水分缺失的情況下,植物中的脫落酸含量增多,引起氣孔關(guān)閉,抑制植物萌發(fā)。通過促進根系生長以增加吸水能力來提高滲透調(diào)節(jié)能力,通過活性氧清除酶以及抗氧化劑來降低干旱損害等[6]。這些調(diào)節(jié)機制僅能忍受輕度和中度干旱,無法應(yīng)對長時間的重度干旱。而一些通過獨特耐極端干旱的機制來適應(yīng)干旱的復(fù)蘇植物可以在極端缺水的條件生存,復(fù)水后可恢復(fù)正常的生長發(fā)育[7-10]。

許多研究表明,種子萌發(fā)階段對于植物生長是一個非常關(guān)鍵的階段,在植物種群的發(fā)展中起到重要作用[11]。在干旱環(huán)境中,降雨量較少,蒸發(fā)量較大[12]。因此制約種子萌發(fā)和生長的主要影響要素就是降雨量[13]。在所有不利于植物生存和生長發(fā)育甚至導(dǎo)致傷害、破壞和死亡的非生物環(huán)境當(dāng)中,造成農(nóng)作物損失程度最高的就是干旱,僅次于蟲害和生物因素造成的農(nóng)作物損失[14]。土壤水分流失是導(dǎo)致植物水分缺失的主要因素[15],從而使得植物的根系與環(huán)境間滲透不平衡導(dǎo)植物根系不能吸取水分[16],最終嚴(yán)重影響了植物的生長以及發(fā)育。在最嚴(yán)重的情況下,他甚至?xí)苯訉?dǎo)致植物死亡[17]。因此,為了應(yīng)對干旱脅迫造成的損害[18],植物種子會通過與環(huán)境協(xié)同進化,并且是通過體內(nèi)細(xì)胞的代謝等來適應(yīng)干旱的環(huán)境,從而達到抗干旱的效果[19]。聚乙二醇(PEG-6000)是一種強親水性大分子有機物和高分子滲透劑,其吸水性非常強,能夠造成植物細(xì)胞脫水,從而達到模擬干旱的效果,它對種子沒有毒害效果,且不改變種子的營養(yǎng)。它只是通過滲透調(diào)節(jié)控制水分子進入植物種子體內(nèi)的速度。它不光具有優(yōu)良的周期性,還有良好的簡單性和優(yōu)秀的穩(wěn)定性。使用聚乙二醇PEG-6000模擬干旱脅迫的效果與士壤逐漸干旱效果相同[20]。

本研究通過人為模擬荒漠地區(qū)土壤逐漸干旱,通過對蛋白桑種子進行不同強度的干旱脅迫處理,從而探索蛋白桑種子萌發(fā)的耐旱范圍,為干旱地區(qū)蛋白桑的種植提供一定的參考意見,從而為荒漠化地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試劑

采用的植物材料:完好無損、籽粒飽滿、大小均勻一致的蛋白桑種子。采用的試劑材料:CK(0%)、1%、5%、10%、15%、20%濃度的PEG-6000溶液,75.0%乙醇溶液。

1.2 試驗方法

通過沉水法選擇完好無損、籽粒飽滿、大小均勻一致的蛋白桑種子,將浮在水面上的干癟種子或脫皮蛋白桑種子剔除。用75.0%乙醇溶液對選出的蛋白桑種子做清洗和消毒處理0.5 h,再選用蒸餾水漂洗4次,稀釋和去除蛋白桑表面殘留的乙醇溶液,隨后將蛋白桑種子從燒杯中撈出,最后通過濾紙吸干蛋白桑種子表面殘留水分。將雙層定性濾紙的培養(yǎng)皿作為蛋白桑種子的發(fā)芽床,每30粒蛋白桑種子放入同一培養(yǎng)皿。試驗共設(shè)計六個處理,在培養(yǎng)皿中分別加入10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%,5%,10%,15%,20%的PEG- 6000溶液,以蒸餾水為對照組,每個處理3次重復(fù)。先將培養(yǎng)箱溫度設(shè)置為25 ℃,再將培養(yǎng)皿置于光照恒溫培養(yǎng)箱進行培養(yǎng)。試驗開始后,次日起每天定時觀察種子萌芽情況(胚根突破種皮視為發(fā)芽)并記錄,每2 d更換一次濾紙,并補充2 ml脅迫液以保持溶液滲透勢恒定。連續(xù)進行10 d跟蹤觀察,記錄發(fā)芽狀態(tài)并計算種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長以及活力指數(shù)。

萌發(fā)率=發(fā)芽種子數(shù)/處理種子數(shù)×100%

(1)

發(fā)芽勢=規(guī)定時間內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子粒數(shù)×100%

(2)

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)

(3)

活力指數(shù)=S∑(Gt/Dt)=S×Gi

(4)

式中,Gt為t日的發(fā)芽種子數(shù),Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù),S為種苗生長長度,Gi為發(fā)芽指數(shù)。

種子萌發(fā)試驗結(jié)束后,從六個處理中的三個重復(fù)中隨機選取株幼苗植株,用游標(biāo)卡尺測量其胚根長度。

活力指數(shù)=種苗生長量(長度)×發(fā)芽指數(shù)(GI)[14]

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel2204進行統(tǒng)計,再通過SPSS24.0統(tǒng)計軟件對不同處理下的萌發(fā)率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同強度干旱脅迫對蛋白桑種子發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽勢是指種子在當(dāng)天發(fā)芽種子數(shù)最高峰時,已發(fā)芽的種子數(shù)占供試種子數(shù)的百分比。由圖1可知,與對照組相比,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙二醇(PEG-6000)處理顯著影響蛋白桑種子的發(fā)芽勢。對照組蛋白桑種子的發(fā)芽勢為38.89%,蛋白桑種子在濃度為1%、5%、10%、15%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下發(fā)芽勢與對照組無顯著差異;在20%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下發(fā)芽勢顯著低于對照組。

圖1 不同干旱脅迫下對蛋白桑種子發(fā)芽勢的影響

2.2 不同強度干旱脅迫對蛋白桑種子萌發(fā)率的影響

萌發(fā)率是檢驗作物或樹木種子品質(zhì)的主要方式,能夠體現(xiàn)出種子的發(fā)芽能力。在發(fā)芽試驗中,在規(guī)定時間內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)占供試種子粒數(shù)的百分比來表示。由圖2可知,與對照組相比,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙二醇(PEG-6000)處理顯著影響蛋白桑種子的萌發(fā)率,隨著聚乙二醇(PEG-6000)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,蛋白桑種子的萌發(fā)率呈先上升后降低的變化趨勢。對照組蛋白桑種子的萌發(fā)率為63%,蛋白桑種子在濃度為1%、5%、10%、15%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下萌發(fā)率與對照組無顯著差異;在20%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下萌發(fā)率顯著低于對照組。

圖2 不同干旱脅迫下對蛋白桑種子萌發(fā)率的影響

2.3 不同強度干旱脅迫對蛋白桑種子發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)指單位時間種子發(fā)芽的個數(shù),代表著種子的發(fā)芽速度,是種子萌發(fā)的綜合評價指標(biāo)。由圖3可知,與對照組相比,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙二醇(PEG-6000)處理顯著影響蛋白桑種子的發(fā)芽指數(shù),隨著聚乙二醇(PEG-6000)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,蛋白桑種子的發(fā)芽指數(shù)總體呈下降趨勢。對照組蛋白桑種子的發(fā)芽指數(shù)為30.22,蛋白桑種子在濃度為1%、5%、10%、15%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下蛋白桑種子的發(fā)芽指數(shù)與對照組無顯著差異;在20%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下蛋白桑種子的發(fā)芽指數(shù)顯著低于對照組。

圖3 不同干旱脅迫下對蛋白桑種子發(fā)芽指數(shù)的影響

2.4 不同強度干旱脅迫對蛋白桑種子胚根長的影響

由圖4可知,與對照組相比,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙二醇(PEG-6000)處理顯著影響蛋白桑種子的胚根長,隨著聚乙二醇(PEG-6000)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,蛋白桑種子的胚根長總體呈下降趨勢。對照組蛋白桑種子的胚根長為14.94,蛋白桑種子在濃度為1%、5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下胚根長顯著低于對照組。

圖4 不同干旱脅迫下對蛋白桑胚根長的影響

2.5 不同強度干旱脅迫對蛋白桑種子活力指數(shù)的影響

活力指數(shù)是指種苗生長量與發(fā)芽指數(shù)的乘積,能綜合反映種子發(fā)芽速率和生長量,是衡量種子活力的有效指標(biāo)。如圖5所示,與對照組相比,不同質(zhì)量的聚乙二醇(PEG-6000)處理顯著影響蛋白桑種子的活力指數(shù),隨著聚乙二醇(PEG-6000)質(zhì)量的增加,蛋白桑種子的發(fā)芽指數(shù)總體呈下降趨勢。對照組蛋白桑種子的活力指數(shù)為428.84,蛋白桑種子在濃度為1%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下的活力指數(shù)與對照組無顯著差異,蛋白桑種子在濃度為5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下蛋白桑種子的活力指數(shù)顯著低于對照組。

圖5 不同干旱脅迫下對蛋白?；盍χ笖?shù)的影響

3 討論

干旱脅迫是指土壤水分流失或植物體內(nèi)散失水分過多,致使植物體細(xì)胞內(nèi)含水量降低、細(xì)胞膨壓下降、各種代謝活動紊亂而對植物正常的生命活動產(chǎn)生的脅迫影響。本研究發(fā)現(xiàn)隨著聚乙二醇(PEG-6000)濃度的增加,蛋白桑種子的發(fā)芽勢、萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長和活力指數(shù)總體呈下降趨勢,但低濃度的聚乙二醇(PEG-6000)處理下對種子的各項萌發(fā)指標(biāo)并沒有產(chǎn)生顯著影響。這與周萌[28]等研究的PEG-6000模擬干旱脅迫對香果樹種子萌發(fā)及幼苗生長的影響結(jié)果相似。原因可能是在低濃度的干旱脅迫下刺激了蛋白桑種子體內(nèi)的生長素(auxin,IAA),導(dǎo)致蛋白桑種子體內(nèi)的生長素水平升高,進而促進了蛋白桑種子的萌發(fā)。另外,較高濃度的干旱脅迫會阻礙蛋白桑種子的正常萌發(fā),且隨著聚乙二醇(PEG-6000)脅迫液濃度的增加,它對種子的萌發(fā)及生長的影響愈發(fā)顯著,這與許耀照[29]等研究PEG模擬干旱脅迫對不同黃瓜品種種子萌發(fā)的影響的結(jié)果相吻合。這可能是因為在高濃度的聚乙二醇(PEG-6000)處理下蛋白桑種子體內(nèi)的脫落酸(abscisic acid,ABA)含量大量增加,進而抑制了蛋白桑種子的萌發(fā),導(dǎo)致種子延緩萌發(fā)甚至死亡。

本研究通過人為模擬荒漠地區(qū)土壤逐漸干旱,通過對蛋白桑種子進行不同強度的脅迫處理,進而研究蛋白桑種子的抗旱性,為干旱及半干旱地區(qū)蛋白桑種子的種植提供一定的參考意見,從而為干旱及半干旱地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)與重建提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究通過采用不同梯度的聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬干旱脅迫,對數(shù)據(jù)進行分析得出:

(1)隨著聚乙二醇(PEG-6000)模擬溶液的濃度不斷增加,蛋白桑種子的發(fā)芽勢、萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)、胚根長、活力指數(shù)均呈下降趨勢;

(2)蛋白桑種子在濃度為1%、5%、10%、15%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下發(fā)芽勢、萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)與對照組無顯著差異,在20%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下發(fā)芽勢、萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對照組。

(3)對照組蛋白桑種子的胚根長為14.94cm,蛋白桑種子在濃度為1%、5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下胚根長顯著低于對照組;

(4)對照組蛋白桑種子的活力指數(shù)為428.84,在濃度為1%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下活力指數(shù)與對照組無顯著差異,在濃度為5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)處理下活力指數(shù)顯著低于對照組。

綜上所述,本研究表明低濃度聚乙二醇(PEG-6000)模擬的干旱脅迫對蛋白桑種子的萌發(fā)產(chǎn)生促進作用,高濃度聚乙二醇(PEG-6000)模擬的干旱脅迫對蛋白桑種子的萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用,為進一步探索蛋白桑的抗旱機制提供科學(xué)依據(jù)。然而,不同品種對干旱脅迫的響應(yīng)能力不同,崔蓉[27]等研究試驗表明,不同玉米品種對干旱脅迫表現(xiàn)出不同的響應(yīng)機制。所以還需要采取對不同品種的蛋白桑種子進行相關(guān)試驗,由此推導(dǎo)出更科學(xué)的理論。