3 种决明属种子萌发对干旱胁迫的响应及其抗旱性评价

陈兰兰，郭圣茂，廖兴国，熊光康，赖晓莲

(江西农业大学 园林与艺术学院，江西 南昌 330045)

决明属(Cassia)植物属于豆科，全世界约有600 种，主要分布于热带、亚热带和温带地区，原产于我国的品种约有10 种［1］。该属植物在我国传统的中医药领域一直有着非常广泛的应用，如决明子(Catsia tora)，又称草决明，味苦、甘而性凉，具有祛风散热，清肝明目和润肠通便等功效;望江南(C.occidentalis)可作为缓泻剂，种子炒制后可治疟疾，但有轻微的毒性［2］。近年来，决明属牧草，作为一类重要的饲料作物，在土壤改良、水土保持等多个方面发挥着积极的作用，如草决明、伞房决明(C.corymbosa)等［3］。

江西省地处中国东南偏中部长江中下游南岸，是典型的亚热带红壤地区，虽然年均降雨量达1 635 mm，但是降雨分布极不均匀，容易使种子在萌发阶段遭受到干旱胁迫。种子的萌发阶段是其植物生活史中的重要阶段，在这一阶段，种子的发育情况会直接地影响下一代的正常发育，因此，利用种子的萌发期对植物的抗旱性进行研究是常用方法［4］。目前对决明属植物的研究主要集中在化学成分［5］、药理作用［6］以及决明属牧草的胁迫［7-9］表现等方面。基于此，本文对3 种决明属种子的萌发情况和幼苗生长特性对干旱胁迫的响应进行探讨，为决明属植物在亚热带地区的农业栽培提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用的3 种材料都来自豆科决明属，分别为草决明、望江南和伞房决明。

1.2 方法

选取外观一致的质量良好种子，用1 %的次氯酸钠溶液浸泡10 min 作为杀菌处理，之后用去离子水冲洗种子至无溶液残留，用灭菌的滤纸吸收种子表面残余水分。利用聚乙二醇溶液(PEG-6000)模拟干旱胁迫设置质量分数为5%、10%、15%、20%、25%和30%的6 个处理，并以蒸馏水作为对照，将等量的这7 种溶液分别加入到垫有双层滤纸的培养皿中，并以之作为发芽床，最后将这3 种决明属种子放入发芽床中。

每个玻璃培养皿中放50 粒种子，每处理重复3 次。准确称重后，将培养皿置于恒温培养箱中变温培养，25 ℃10 h 光培养，20 ℃12 h 暗培养。之后于每天相同时间对培养皿中的种子发芽情况进行观察和统计，并利用电子天平称重法来保证添加的蒸馏水量适当。以萌发的芽长为其种子长度的一半时作为发芽标准，连续培养13 d，在发芽试验的第3 天统计各种子的发芽势，在第13 天发芽结束后，从每个培养皿中随机选取10 株幼苗(不足10 株的全部测定)，测定其苗长(SL)、根长(RL)、鲜重(W)。

相关指标计算公式如下:

(1)相对发芽率(RGp)(%)=处理发芽率/对照发芽率×100 (1)

其中，发芽率(Gp)(%)=n/N×100(n 为发芽种子数，N 为供试种子总数);

(2)相对发芽势(RGe)(%)=处理发芽势/对照发芽势×100 (2)

其中，发芽势(Ge)(%)=n/N×100(n 为第3 天累积发芽种子数，N 为供试种子总数);

(3)相对发芽指数(RGi)(%)=处理发芽指数/对照发芽指数×100 (3)

其中，发芽指数(Gi)=∑Gt/Dt(Gt 为在第t 天的发芽数，Dt 为相应的发芽天数);

(4)相对活力指数(RIv)(%)=处理活力指数/对照活力指数×100 (4)

其中，活力指数(Iv)=发芽指数(Gi)×幼苗鲜重(W)(10 株幼苗鲜重)。

1.3 综合抗旱性评价方法

采用模糊数学中的隶属函数法进行综合抗旱性评价［10-11］，公式为:

式中，X(μ)为参试材料在某一PEG 浓度下的隶属值，X 为参试材料在该PEG 浓度下的某一个抗旱指标的测定值，Xmax是这一指标在该浓度下的最大测定值，Xmin是最小测定值。先得到3 种材料的各个抗旱指标在不同胁迫程度下的隶属值，之后求出每个指标的平均值，最后得到各个材料的隶属函数平均值。该平均值越大，其抗旱性就越强。

1.4 数据处理

采用Excel 2007 进行数据处理和绘图，SPSS 16.0 对试验数据进行统计分析。

2 结果分析

2.1 干旱胁迫对决明属种子萌发进程的影响

图1 所示，3 种决明属种子的萌发进程基本相同，种子的发芽率均随着培养时间的延长而逐步上升，相同植物种子的发芽率则随着干旱胁迫的加剧而降低。

正常环境下决明属种子的萌发启动较快，而干旱条件会延迟种子的萌发起始时间。当PEG 质量分数﹤10%时，3 种决明属种子都在第2 天开始萌发，在PEG 质量分数为15%和20%的条件下，草决明和望江南的种子可在第2 天萌发，而伞房决明的种子在质量分数为15%时，培养4 d 才可萌发，当质量分数为20%和25%时，直到第8 天开始萌发，其萌发时间延迟了2 倍。当PEG 为30%，望江南和伞房决明的种子无法萌发。

图1 干旱胁迫对决明属种子萌发进程的影响Fig.1 Effects of drought stress on seed germination course of Cassia

2.2 干旱胁迫对决明属种子萌发的影响

种子发芽能力在胁迫的条件下会有一定的变化，其中发芽率和发芽势是能反映种子发芽能力的主要指标［12］，而发芽指数和活力指数则分别反映幼苗的生长情况以及种子的活力水平［13］。为了便于比较不同种材料的抗旱性，采用测定指标的相对值来分析［4］。试验结果表明:3 种决明属种子在不同质量分数的PEG 胁迫下，其相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数和相对活力指数与对照相比，整体呈现逐渐下降的趋势。但是3 种决明属种子相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数和相对活力指数间的差异未达显著性水平(P＞0.05)。

从相对发芽率看，在PEG≤5%时，3 种决明属种子的相对发芽率与对照相比差异不显著(P＞0.05);在10%时，伞房决明与对照差异不显著(P＞0.05)，草决明和望江南与对照相比差异显著(P＜0.05)，分别下降了23.33%、7.46%;当PEG 为15%时，草决明种子的相对发芽率的降幅达到52.22%，而伞房决明种子的相对发芽率仍然达到82.57%，耐旱性超过其他2 种决明属种子。而质量分数为30%，望江南和伞房决明的种子无法萌发，相较之下，草决明种子的相对发芽率为10.37%，表现出较强的抗旱性。

从相对发芽势看，在PEG≤5%时，望江南的相对发芽势与对照相比差异不显著(P＞0.05)，其他2种差异显著(P＜0.05);在PEG 为15%时，草决明、望江南与对照相比差异显著(P＜0.05)，分别下降了51.11%、41.67%;在PEG 为25%和30%下，草决明、望江南和伞房决明的相对发芽势都显著低于对照，都只为0。

从相对发芽指数来看，当PEG 为5%时，3 种决明属种子的相对发芽指数与对照相比差异不显著(P＞0.05)，在PEG 为10%时，草决明和望江南的相对发芽指数开始与对照差异显著(P＜0.05)，而伞房决明在PEG 为15%时才开始与对照差异显著(P＜0.05)。

从相对活力指数看来，草决明的相对活力指数从PEG 为5%开始就与对照差异显著(P＜0.05)，而望江南在PEG 为10%，伞房决明在15% 时开始与对照差异显著(P＜0.05)。在PEG 为20%时，草决明、望江南、伞房决明的相对活力指数与对照相比分别下降了89.77%、73.48%、82.62%。

表1 干旱胁迫对决明属种子萌发的影响Tab.1 Effects of drought stress on seed germination of Cassia

2.3 干旱胁迫对决明属幼苗生长的影响

干旱胁迫不仅会对种子的萌发产生影响，同时也会对以后幼苗的生长产生影响。图2 所示，干旱胁迫对决明属幼苗的生长会产生明显的抑制效应。在不同的PEG 条件下，3 种决明属种子的相对苗长的差异不尽相同。经方差分析，在PEG 为5%、10%、15%时，3 种决明属种子的相对苗长之间存在显著性差异(P＜0.05);在30%和对照条件下，3 份材料的幼苗相对长度无显著差异(P＞0.05)。

PEG-6000 干旱胁迫对决明属幼根生长的影响，随着PEG 浓度的升高，决明属相对根长总体上呈现先上升后下降的变化趋势。当PEG 质量分数从0 升至30%，3 种决明属的平均相对根长从111.66%降至2.45%。PEG 在5%和10%下平均相对根长与对照相比分别增加了11.66%和7.61%，在15%和20%下，平均相对根长较之对照减少29.16%和34.59%。说明轻度的干旱胁迫(PEG 为5%，10%)会在一定程度上促进决明属幼根的生长，当超出一定范围则会产生抑制作用。3 种决明属的相对根长在20%的胁迫下存在显著性差异(P＜0.05)，而在30%的情况下不存在显著性差异(P＞0.05)。

图2 干旱胁迫对决明属幼苗生长的影响Fig.2 Effects of drought stress on seedling growth of Cassia

虽然轻度的干旱胁迫能够促进3 种决明属的幼根生长，但是干旱胁迫的加剧仍会使幼苗鲜重降低。经方差分析发现，当PEG 为25%时，3 种决明属幼苗鲜重存在显著性差异(P＜0.05)，而在5%和对照下，其幼苗鲜重的差异性不显著(P＞0.05)，在PEG 为15%时，伞房决明与草决明、望江南的幼苗鲜重的差异性显著(P＜0.05)，而草决明、望江南彼此间的差异不显著(P＞0.05)。

2.4 决明属抗旱性的综合评价

植物的抗旱机制和种子的发芽都有一个非常复杂的生理生化过程，因此，必须通过多个指标综合地评价植物的抗旱性［11，14］。本文通过对相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、相对苗长、相对根长和相对鲜重这7 个指标进行模糊隶属函数运算，得到3 种决明属种子的隶属函数值的大小(表2)，发现:3 种决明属种子的抗旱隶属函数总评均值范围为0.36～0.48。其中，草决明的总隶属函数平均值最高，为0.48，其最抗旱;伞房决明的总隶属函数平均值为0.36，其抗旱性最弱。因此，从3 个决明属种子萌发期的抗旱性综合评价看来，抗旱性由大到小依次为:草决明、望江南、伞房决明。

表2 抗旱指标的隶属函数值及抗旱性综合评价Tab.2 Membership values of drought index and comprehensive evaluation of drought resistance

3 讨论与结论

植物的抗旱性是植物抵抗干旱时期的一种能力，并且是一个综合特性，会受到许多因素的影响。干旱对植物的影响广泛且深刻，这种影响体现在植物生长发育的各阶段，如种子的萌发、植物的营养生长以及生殖生长，并一直持续到植物的开花结实阶段。植物应对干旱的适应性机理主要包括了激素作用、膜系统保护酶以及渗透调节等方面［15］。PEG-6000 因其自身比较难通过植物的细胞壁，不易渗入到活细胞内部，并因其无毒，能使种子缓慢吸水，减少营养物质的渗出，促进细胞膜的修复等，常被作为干旱胁迫的渗透胁迫剂［16-17］。本试验采用7 个不同质量分数的PEG 对3 种决明属植物的种子进行处理，结果表明:3 种决明属种子的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、相对苗长和幼苗鲜重均随干旱胁迫的加剧而降低;而相对根长在低质量分数的PEG 胁迫下(5%、10%)较对照会有一定程度的增加，相反则会大幅下降。

由于植物的抗旱性会受内部的遗传因子和外部的环境因子共同影响，所以本研究采用7 个指标来客观评价3 种决明属植物种子的抗旱性［18］。利用模糊数学中的隶属函数法进行种子抗旱性评价已经相当成熟，牛瑞明等［19］采用模糊隶属函数法，用萌发抗旱指数、活力抗旱指数、相对发芽率和相对发芽势4 个指标对15 个裸燕麦种子的抗旱性进行了综合评价。本文就利用隶属函数法对3 种决明属种子的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对活力指数、相对幼苗长、相对幼根长和相对幼苗重7 个指标在干旱胁迫下的响应进行综合评价，初步认为草决明最耐旱，表现最好，望江南次之，而伞房决明最不耐旱。

受全球气候变暖的影响，我国土地的干旱面积呈现逐渐增加的趋势，尤其是近年来，全国耕地受旱面积达0.15 亿hm2，旱灾严重制约了当地的经济发展。通过发掘抗旱性强的优良材料从而选育出新的品种是改善干旱地区的经济状况的重要途径［11］。决明属植物包含有现代牧草和传统中药，是一类具有良好抗旱性和经济价值的植物，该属在我国共有10 余个品种，而本次试验只研究了其中3 种，初步得出这3 种决明属种子的抗旱性评价结果，今后还要从多方面对该属更多品种进行全面的客观评价，以找到各干旱地区的最适宜品种。

［1］福建省科学技术委员会《福建植物志》编写组.福建植物志(第3 卷)［M］.福州:福建科学技术出版社，1987:27-32.

［2］国家药典委员会.中华人民共和国药典［M］.北京:中国医药科技出版社，2010:135-136.

［3］黄毅斌，陈志彤，陈恩等.决明属牧草研究进展［J］.福建农业学报，2006，21(3):257-261.

［4］高雪芹，伏兵哲，穆怀彬，等.PEG-6000 干旱胁迫对沙芦草种子萌发特性的影响及其抗旱性评价［J］.种子，2013，32(8):11-16.

［5］胡勇，陈丽琼，朱霞，等.决明属化学成分与药理作用研究进展［J］.现代中药研究与实践，2013，27(5):69-71.

［6］李婷，冯占民，杨巡纭，等.决明属植物的化学成分及药理作用研究进展［J］.林产化学与工业，2012，32(6):107-118.

［7］徐国忠，郑向丽，应朝阳，等.辐射对决明属牧草营养的影响［J］.中国生态农业学报，2007，15(4):94-96.

［8］徐国忠，郑向丽，林永辉，等.不同基因型决明属牧草耐铝性研究［J］.草业科学，2009，26(9):140-145.

［9］翁伯琦，江福英，方金梅，等.低温胁迫下决明属牧草苗期活性氧代谢及其自适性响应的研究［J］.中国生态农业学报，2006，14(2):43-45.

［10］庒丽，陈亚宁，陈明.模糊隶属法在塔里木河荒漠植物抗旱性评价中的应用［J］.干旱区地理，2005，28(3):95-100.

［11］李培英，孙宗玖，阿不来提.PEG 模拟干旱胁迫29 份偃麦草种质种子萌发期抗旱性评价［J］.中国草地学报，2012，32(1):32-39.

［12］武冲，仲崇禄，牟振强，等.模拟水分胁迫对不同种源麻楝种子萌发能力的影响［J］.西北植物学报，2012，32(4):774-780.

［13］彭玉梅，石国亮，崔辉梅.PEG-6000 模拟干旱胁迫下不同加工番茄种子萌发期抗旱性评价［J］.种子，2013，32(7):44-49.

［14］穆怀彬，伏兵哲，德英.PEG-6000 胁迫下10 个苜蓿品种幼苗期抗旱性比较［J］.草业科学，2011，28(10):1809-1814.

［15］王霞，侯平，尹林克.植物对干旱胁迫的适应机理［J］.干旱区研究，2001，18(2):42-46.

［16］梁国玲，周青平，颜红波.聚乙二醇对羊茅属4 种植物种子萌发特性的影响研究［J］.草业科学，2007，24(6):50-53.

［17］马卉，徐秀红，江绪文，等.PEG 引发对草坪草种子萌发及活力的影响［J］.种子，2006，25(11):20-25.

［18］孙景宽，张文辉，张洁明，等.种子萌发期4 种植物对干旱胁迫的响应及其抗旱性评价研究［J］.西北植物学报，2006，26(9):1811-1818.

［19］牛瑞明，王燕，吴桂丽，等.裸燕麦种子萌发对模拟干旱胁迫的响应及其耐旱性综合评价［J］.麦类作物学报，2011，31(4):753-756.