peg模拟水分胁迫对沙地樟子松种子萌发的影响

peg模拟水分胁迫对沙地樟子松种子萌发的影响

1沙地樟子松人工林对天然更新的条件樟脑松是欧洲红松的地理变异。它位于中国的大兴安岭和呼伦巴尔草原。自20世纪50年代人工引入樟树进行固沙造林以来，该树种已成为中国北方沙漠地区的主要树种。沙樟子松的自然更新能力非常强，但由于缺乏天然更新，在引进的沙地人工林中难以自然更新。沙樟子松人工林的人工更新容易失败，这减缓了防风和沙樟的效率。因此，了解沙樟子松的自然更新所需的条件对经营实践非常重要。一般认为,天然更新的必要条件主要有充足的具有生命力的种子、适宜的苗床和有利于种子萌发、生长的气候条件,如透过林冠到达林地的光环境、受风传播的菌类、地被物和土壤水分条件等.韩广等的研究结果表明,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是影响樟子松天然更新的主要气候因子;这些因子主要通过对种子萌发和幼苗的生长影响更新.曾德慧等对引种区沙地,樟子松固沙林天然更新的研究表明,引种区的樟子松能够顺利结实,为天然更新准备了具有生命力的种子;影响引种区沙地樟子松天然更新的主要因子为林分郁闭度、枯枝落叶层、植被盖度和立地条件.另外,由于引种区降雪覆盖少、温度偏高等原因,使土壤蒸发与苗木蒸腾耗水较多,造成水分亏缺,导致更新幼苗在1～2年龄时死亡.上述研究表明,无论是原产地还是引种区沙地,樟子松更新都与水分有关.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.为此,本文以引种区沙地樟子松种子为材料,采用聚乙二醇(PEG)模拟水分胁迫处理对沙地樟子松种子萌发的影响进行观测研究,以期确认干旱胁迫影响引种区沙地樟子松种子的萌发是导致沙地樟子松人工林不能天然更新的因素之一.2材料和方法2.1种子萌发实验供试种子采自最早引种沙地樟子松的科尔沁沙地南缘的辽宁省彰武县章古台镇(42°39′7″N,122°33′6″E).种子于2003年10月采收,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,将樟子松种子用5‰的高锰酸钾溶液浸种0.5h,对种子进行消毒.培养皿用烘箱进行消毒(105℃,2h).2.2种子萌发率的测定水分胁迫条件由聚乙二醇(PEG6000)溶液产生.共设4种胁迫,即PEG质量浓度分别为100、150、200和300g·L-1,与之相对应的溶液水势约为-0.20、-0.40、-0.60和-1.20MPa.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,温度控制在20～22℃,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4d换1次滤纸,以尽量减少水势变动.对照(CK)以蒸馏水代替PEG.每个浓度梯度(包括对照)4次重复,每个重复包括50粒种子.从种子置床之日起观察,以胚根长度等于种子长度作为发芽标准.将4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.在第10天和第15天,各重复中随机取出10粒发芽种子测量新生根(胚轴+胚根)的长度.发芽结束后,计算发芽率(式1)、平均发芽速(式2)和发芽势(式3);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.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:GR=SN1/SN0×100%(1)式中,GR为种子发芽率(%),SN1为供试种子发芽粒数,SN0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:Gv=(∑D·n)/∑n(2)式中,Gv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:GP=SNm/SN0×100%(3)式中,GP为种子发芽势(%),SNm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).3结果与分析3.1%peg处理的种子发芽率由图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.计算其达50%萌发的时间可见,10%、15%的PEG处理的种子比对照组种子分别晚1d和2d;而20%PEG处理的种子其发芽率仅为32.7%;30%处理的种子在实验进行到第28天尚未见萌发.由此可见,在水势为-1.20MPa的干旱胁迫下,樟子松种子的萌发完全受到抑制.这与云杉、落叶松的种子发芽对水分胁迫的反应一致.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.计算其平均发芽速可以看出,15%和20%的PEG处理分别较对照增加了5.27d和9.04d.3.2peg对发芽率的影响由图2可以看出,随着PEG模拟干旱的加剧(浓度提高),樟子松种子发芽率呈明显的下降趋势.与对照相比PEG浓度为10%时,樟子松种子的发芽率仅下降了4%;但PEG浓度为15%以上时,其发芽率下降幅度加大,15%和20%PEG处理分别下降了16.67%和36.67%(发芽率大幅下降的水势区间为-0.40～-0.60MPa);PEG浓度为30%时(相当于-1.20MPa的水势)发芽率为0,即种子发芽完全被抑制.这一结果与马尾松(Pinusmassoniana)及其它树木种子受到干旱胁迫的情况基本一致.3.3干旱胁迫对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.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,樟子松种子发芽势明显下降(图2),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,在自然干旱的沙地条件下,干旱可能首先影响发芽期/势,而后影响发芽率.3.4水势对樟子松种子胚根、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.随着水势的下降,樟子松种子的胚根、胚轴长度均呈明显的下降趋势(图3).从水势低于-0.2MPa时起,樟子松种子的胚根、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.3.5水分胁迫对胚轴/胚根比值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,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.樟子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),表明樟子松种子萌发后对水分胁迫具有较强的适应性.4干旱胁迫对樟子松种子萌发的影响各种浓度PEG处理胁迫对樟子松种子的萌发均有一定的延缓作用.其中,30%PEG处理的种子在试验结束后仍未能萌发,表明樟子松种子萌发的临界PEG水分胁迫值应小于30%(相当于-1.20MPa水势);由于试验所设置的PEG浓度梯度是从20%直接到30%,因此,不能准确确定樟子松种子萌发的临界PEG水分胁迫浓度.种子的发芽率、发芽指数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亦受到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,表明樟子松种子的胚根、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30%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),说明樟子松种子萌发后对水分胁迫具有较强的适应性.综上所述,干旱胁迫影响引种区沙地樟子松种子的萌发可能是沙地樟子松人工林不能天然更新的原因之一.影响沙地樟子松天然更新的生态