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聚乙二醇模拟水分胁迫对油松种子萌发的影响摘要： 以子午岭油松种子为材料，研究了聚乙二醇（PEG)模拟水分胁迫对油松种子萌发的影响。结果表明，不同浓度PEG处理胁迫对种子的萌发均有一定的延缓作用；种子的发芽率和发芽势随胁迫强度的增加呈现明显下降趋势。25%PEG处理的种子在试验结束后仍未能萌发，表明油松种子萌发的临界PEG值小于25%（相当于-0.90MPa的水势）。种子发芽后胚根和胚轴的生长也受到PEG模拟的分胁迫，当PEG浓度为10%时（相当于-0.20MPa水势），胚根、胚轴的长度都较短，说明油松种子的胚根、胚轴的生长对PEG模拟干旱胁迫更敏感；但胚根/胚轴的比值随PEG模拟水分胁迫的强度增加而增加，表明油松种子萌芽后对水分胁迫具有较强的适应性。由此可见，干旱胁迫影响油松种子的萌发可能是导致子午岭油松人工林天然更新较差的因素之一。关键词: 油松种子；水分胁迫； 种子萌发；聚乙二醇The effects of Polyethylene glycol (PEG)-simulated drought stress on Pinus tabulaeformis germination Abstract：With introduced Pinus tabulaeformis seeds as test material of ，this paper studied the effects of Polyethylene glycol (PEG)-simulated drought stress on their germination .The results showed that PEG could retard the germination of stressed seeds，and the germination rate，germination index, and germination potential were all decreased with increasing PEG concentrationThe seeds treated with 25% (about-0.90Mpa water potential) could not germinate at all throughout the experiment period，suggesting that 25%PEG or -0.90Mpa water potential was the threshold for the germination of Ziwuling Pinus tabulaeformis seedsUnder 10% PEG stress (about-0.20Mpa water potential)，the lengths of radicle hypocotyl were shorter，llustrating their growth be more sensitive to PEG-simulated drought stress，while the radical/ hypocotyl ratio was increased with increasing PEG concentration，indicating that Ziwuling Pinus tabulaeformis seeds had a stronger resistance to drought stress after germination. Drought stress might to be a possible cause inhibited the natural regeneration of Ziwuling Pinus tabulaeformis forest Key word：Pinus tabulaeformisseed ； stress on ；seedgermination ；PEG 0 引 言 随着经济的发展和人民的生活水平的提高，环境保护问题日趋迫切，防风固沙营造绿色时代已刻不容缓。据了解我国水资源位居世界第六位，而人均占世界平均水资源的1/4，这说明干旱严重影响着我国农业、林业及人民的正常生活等各个领域1。众所周知，水是人类赖以生存的重要条件，又是生态系统中易受限制的生态因素之一2。水分是种子萌发的关键环节3。种子萌发是植物生长周期的转折点，也是植物适应环境变化，以保持自身繁衍的重要生理特性3。种子萌发及幼苗生长直接影响着植被的分布和多样性4。在我国西北干旱地区环境脆弱，植被种类比较单一，自我调控能力相当低5。在干旱胁迫条件下，植物种子在萌发和生长过程中不能获得充足的水分，植物的生理代谢会发生较大的变化,导致种子萌发受到抑制1。水分的丰缺直接关系到植物生长和更新的速度，其在生态系统中占有举足轻重的地位6。影响植物种子萌发的因素主要涉及温度、水分、光照等生态因子和种子活力、种子休眠、种皮通透性等生理因素，这些因子影响土壤蒸发量和幼苗蒸腾耗水量，造成水分亏缺，使植物种子萌发和幼苗生长受阻6-7。几十年来许多学者在干旱胁迫对植物生长影响方面做了大量的研究。李英枫等8研究了水分胁迫对小麦籽粒品质性状的影响，认为在水分胁迫条件下，小麦籽粒品质性状呈显著下降趋势，严重影响到种子中蛋白质代谢等生理过程；李成龙等3论述了水分胁迫对小麦抽穗期穗轴维管束系统的影响，结果表明水分亏缺导致小麦中同化物运输受阻，产量下降；闫敏等3研究了在不同水分胁迫条件下对白三叶种子发育与质量的影响。基本明确干旱胁迫是影响植物生长和天然更新的主要原因，尤其是对干旱地区植物的影响更加明显。油松（Pinus tabulaeformis）属常绿乔木，是我国北方干旱、半干旱地区绿化及荒山造林的优良树种，发达的根系使其具有很强的耐旱性，从而起到很好的水土保护效能，是很重要的水土保持树种7。油松天然分布在暖温带地区，现已成为我国北方地区主要的造林树种之一8。油松在暖温带生长良好，在北方干旱少雨地区其种子萌发和天然更新能力相当低，油松人工林的营造更显得十分困难9。苌伟等3对荒漠植物种子萌发研究认为，种子萌发的自身因素和外部生态因子影响着种子的萌发、生长。张勇等10也认为种子自身结构和环境条件对植物种子萌发有影响。已有的研究表明，油松林的天然更新与水分有关9。但是，种子萌发作为更新的关键过程在水分胁迫下是否能够顺利进行却不十分清楚。此次试验是为了进一步弄清楚干旱胁迫对植物种子萌发及幼苗生长的影响。以子午岭油松种子为材料，采用聚乙二醇（PEG6000）模拟干旱胁迫处理油松种子，并对种子萌发和幼苗生长的影响进行研究，来确认干旱胁迫对油松种子萌发和幼苗生长的影响是导致油松林不能天然更新的重要因素之一，为北方干旱、半干旱地区油松人工林的天然和人工更新及优种培育提供理论依据。1 材料与方法1.1 供试材料供试材料种子于2010年10月采收于子午岭林场，正常保存，选择成熟、饱满且大小适中、均匀一致的种子作为萌发实验材料。实验开始前，将油松种子用5的高锰酸钾溶液浸种0.5 h，对种子进行消毒，在将种子置于沸水中1min，打破种子休眠。培养皿用烘箱进行消毒（105 C，2 h）9。1.2研究方法 水分胁迫条件由聚乙二醇（PEG 6000）溶液产生。共设5种胁迫，即PEG质量浓度分别为50、100、150、200和250 gL，与之相对应的溶液水势约为-0.10、-0.20、-0.40 、-0.60和-0.90MPa12。将经过处理的种子置于培养皿内浸透了PEG溶液的滤纸上发芽，PEG溶液浸泡种身约1/2处。温度控制在2230C，每天光照约12h（试验室内、散射自然光）。每天向滤纸加PEG溶液数滴，以浸透滤纸并稍有剩余，每3d换1次滤纸，以尽量减少水势变动。对照（CK）以蒸馏水代替PEG溶液。每个浓度梯度设（包括对照）3次重复，每个培养皿内置30粒种子。从种子置皿之日起观察，以胚根长度等于种子长度作为发芽标准11。将3个重复中最早有1粒种子发芽之日作为该处理发芽的开始期，以后每天定时记录发芽种子数，当连续4d不再有种子发芽时作为发芽结束期9。在第10天和第15天，各重复中随机取出6粒发芽种子测量新生根（胚轴+胚根）长度9。计算发芽率、平均发芽速和发芽势；同时，以发芽结束时对照处理的各项指标计作100%，计算胁迫处理各指标的相对值。由上述各指标和新生根长度等判定种子萌发对PEG模拟水分胁迫的敏感性15。发芽率：是正常发芽的种子数与供测种子总数的百分比，其算式为： 式中，为种子发芽率（%）， 为供试种子发芽粒数，为供试种子总粒数。平均发芽速：是种子发芽所需的平均时间（d），其算式为： 式中，为平均发芽速，D为从种子置床起算的天数，n为相应各日正常发芽粒数。发芽势：是种子发芽数达到高峰时的正常发芽种子总数与供测种子总数百分比，算式为： 式中，为种子发芽势（%），为种子发芽达到最高峰时种子发芽粒数（一般以最初1/3天数内发芽种子数计13）。2 结果与分析2.1 PEG模拟水分胁迫对油松种子发芽时间与速度的影响 由图1可以看出，不同浓度PEG处理胁迫对种子的萌发均有一定的延缓作用。计算其萌发率为50%时的时间可见，10%、15%的PEG处理的种子比对照组种子分别晚2d和4d；而20%PEG处理的种子其发芽率仅为20.00%；25%处理的种子在实验进行到第25天尚未见萌发。由此可见，在水势为-0.90MPa的干旱胁迫下，油松种子的萌芽完全受到抑制。这与樟子松、落叶松的种子发芽对水分胁迫的反应一致3。对于同一树种的2批种子来说，平均发芽时间短的种子生命力旺盛，播种后出苗早而齐，场圃发芽率高17。计算其平均发芽速度可以看出，用15%和20%的PEG处理的种子再分别与CK对照，发芽时间增加了10.27d和10.04d。图1 PEG模拟水分胁迫对油松种子的发芽速度的影响2.2 PEG模拟水分胁迫对油松种子发芽率的影响由图2可以看出，随着PEG模拟干旱的加剧，油松种子发芽率呈明显的下降趋势。与对照相比，PEG浓度为5%时，油松种子的发芽率下降了6.60%；PEG浓度为10%时，油松种子的发芽率下降了16.60%；当PEG浓度为15%以上时，其发芽率下降幅度继续增大，15%和20%PEG处理与对照相比分别下降了33.30%和53.30%（发芽率大幅下降的水势区间为-0.40-0.60MPa)；PEG浓度为25%时（相当于-0.90MPa的水势）发芽率为0%，即种子发芽完全被抑制。这一结果与樟子松（Pinus massoniana）及其它树木种子受到干旱胁迫的情况基本一致8。图2 PEG模拟水分胁迫对油松种子发芽率的影响2.3 PEG模拟水分胁迫对油松种子发芽势的影响 发芽势是反应种子品质的重要指标之一。一般认为，发芽势高的种子播种后发芽整齐11。本次发芽试验以规定期限的最初1/3期间内种子发芽数占供试种子数的百分比为标准，随着胁迫程度的增强，油松种子发芽势明显下降（图3），说明在PEG模拟干旱胁迫条件下，其种子的发芽高峰期滞后，10%PEG胁迫下，种子发芽势已表现出明显的下降，20%PEG的作用更为明显。研究发现，发芽势对干旱胁迫比发芽率更敏感。因此，在自然干旱的条件下，干旱可能首先影响发芽期/势，而后影响发芽率。图3 PEG模拟水分胁迫对油松种子发芽势的影响2.4 PEG模拟水分胁迫对胚根、胚轴长度的影响种子发芽后胚根和胚轴是否伸长以及伸长的速度受水分胁迫、吸水能力的制约12。随着水势的下降，油松种子的胚根、胚轴长度均呈明显下降趋势（图4）。从水势低于-0.2MPa时起，油松种子的胚根、胚轴的长度都较短，而且根毛的数量也相应减少。这将严重影响幼根的吸水13。图4 PEG模拟水分胁迫对胚根（I）、胚轴（II）长度的影响。2.5 PEG模拟水分胁迫对胚轴/胚根的影响在水分胁迫下，植物能调节自身地上与地下器官的协调关系，将有限的营养物质优先用于根系（胚根）生长的需要14。水分胁迫下胚轴/胚根比值的减小是植物对水分胁迫的一种适应性反应15。油松种子从萌发到形成幼苗的过程中，胚轴/胚根的比值随着PEG模拟水分胁迫程度的增加而减小（图4），表明油松种子萌发后对水分胁迫具有较强的适应性。图5 水分胁迫对油松胚轴/胚根的影响3 讨 论各种浓度PEG处理胁迫对油松种子的萌发均有一定延缓作用15。其中，25%PEG处理的种子在试验结束后仍未能萌发，表明油松种子萌发的临界PEG水分胁迫值应小于25%（相当于-0.90MPa水势）；由于试验所设置的PEG浓度梯度是从20%直接到25%，因此，不能准确确定油松种子萌发的临界PEG水分胁迫浓度。种子发芽率和发芽势随胁迫强度的增加呈现明显的下降趋势，但10%PEG处理的下降幅度相对较小，PEG处理大于15%（相当于-0.4MPa水势）后，下降幅度明显增大。种子发芽后胚根和胚轴的生长也受到PEG模拟水分胁迫的制约，当PEG浓度为10%（相当于-0.2MPa水势）时，胚根、胚轴的长度都较短，表明油松种子的胚根、胚轴的生长对PEG模拟干旱胁迫较种子萌发更敏感。随PEG模拟水分胁迫的强度增加，胚根/胚芽的比值增加（由于25%PEG处理的种子未能萌芽，因此未能计算该处理的胚根/胚芽比值）。说明油松种子萌发后对水分胁迫具有较强的适应性。综上所述，干旱胁迫影响子午岭油松种子的萌发可能是子午岭油松天然更新的因素之一。极端最低气温、极端最高地温、蒸发量和多年平均积雪日数等因子主要通过对种子萌发和幼苗的生长而影响天然更新。油松种子天然萌发在春季，但子午岭地区春季降水较少，所以干旱有可能是影响子午岭地区油松林天然更新不利因素之一16。由此可见，干旱胁迫对种子萌发有着严重的不良影响，从而可能影响油松人工林的早期更新。 参考文献：1 孙梅霞，祖朝龙，徐经年干旱对植物影响的研究进展J 安徽农业科学，2004，32（2）：365367，3842 汤章城植物对水分胁迫的反应和适应性I抗逆性的一般概念和植物的抗涝性J植物生理学通讯， 1983，(3)： 24293 朱教君，李智辉，康宏樟等聚乙二醇模拟水分胁迫对沙地樟子松种子萌发影响研究J.应用生态学报2005,16（5）：8018044 焦树英，李永强，沙依拉沙尔合提等干旱胁迫对狼尾草种子萌发和幼苗生长的影响J.西北植物学报，2009，29（2）：308313.5 唐克丽，郑粉丽子午岭林区土壤侵蚀与生态环境观测站简介J中国科学院水利部西北水土保持研究所集刊(土壤侵蚀与生态环境演变研究论文集)，1993,01(1):38.6 陈吉虎，余新晓，孙明高等北方旱区不同树种抗氧化酶活性变化及与抗旱性的关系J干旱地区农业研究