干旱、半干旱区是气候变化和对人类活动最敏感的地区之一，全球干旱、半干旱区面积在1948－2005年这58年间有明显扩张^[1]。随着环境胁迫的加剧，植物应对干旱和盐碱胁迫的机制引起生态学者的广泛关注^[2-5]。干旱和盐碱胁迫是制约植物正常生长发育的重要逆境因子，伴随着植物的整个生长发育过程。植物受到干旱、盐胁迫时，通常通过形态特征、保护酶系统、渗透物质等的变化来抵抗外界胁迫^[6-8]。荒漠植物在长期不断适应极端气候条件的生长进化过程中，产生了极强的抗干旱、抗高温、抗严寒、耐盐碱等特性^[9-11]。但是，荒漠区由于降水稀少、气候干燥、蒸发量大、生态环境脆弱及多盐碱土分布等特点，影响着植物的生存、生长、繁殖和种群分布，而自然条件下荒漠植物种子的萌发能力、出苗率、幼苗生长状况则是影响该植物种群分布的主要因素，故研究逆境胁迫下种子萌发及幼苗抗逆特性，对揭示植物自然更新机制意义重大。

霸王(Zygophyllum xanthoxylum)为蒺藜科霸王属超旱生灌木^[12]，具有较强的抗旱、耐盐碱、抗风蚀等能力，是荒漠区造林的优良树种，已被广泛应用于荒漠区造林中^[13-14]。霸王地下根系发达，叶片多数条形、高度肉质化，具有典型荒漠植物叶片结构特征^[6]。霸王种子萌发率、萌发指数随着盐、旱胁迫渗透势的降低出现下降趋势^[15]。高温干旱对霸王种子萌发具有显著抑制作用^[16]。杨鑫光等^[17]设置不同浓度梯度的聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)，研究了具有6～7对叶的霸王幼苗抗逆生理指标，发现随着干旱程度的增加，丙二醛和脯氨酸含量呈增加趋势，而可溶性糖含量变化趋势相反。周红兵等^[7]对8个月龄期霸王幼苗进行干旱处理后，发现抗氧化酶活性呈先升后降的趋势。

以上研究表明，干旱、盐胁迫对种子萌发，幼苗渗透物质及抗氧化系统有不同程度的影响，但是有关霸王种子对干旱、盐胁迫的耐受范围以及胁迫处理种子后其所得幼苗的抗逆生理指标的变化情况未见报道。故本研究通过设置不同浓度盐、旱胁迫处理，研究霸王种子萌发特性及其所得幼苗抗逆生理指标的变化，分析霸王种子对盐旱胁迫的耐受范围及幼苗的抗逆能力，旨在为霸王基于种子繁殖特性的自然更新机制研究提供依据。

1.   材料和方法

1.1   试验材料

霸王种子于2021年8月采集于武威市石羊河林业总场红崖山分场，清除杂质后将种子置于纸袋内通风保存。

1.2   种子发芽期NaCl和PEG胁迫试验设计

试验前将种子去掉果翅，用清水搓洗至水澄澈干净后，用无菌水清洗3遍，再用无菌水浸种12 h。发芽试验设置5个重复，每个重复30粒种子，将两层滤纸用无菌水和不同浓度溶液浸湿，平铺在培养皿底部，放入培养箱中培养，培养条件为15 ℃、16 h光照/8 h黑暗。每天换一次滤纸，以保持溶液浓度稳定，并及时清理污染发霉以及分泌粘液的种子。

This page contains the following errors:

Below is a rendering of the page up to the first error.

1.3   生理指标的测定方法

在种子发芽10 d后，因20%和30% PEG胁迫程度过高，种子萌发率低于25%，萌发种子数较少，故选择NaCl全部处理和PEG 5%、10%、15%处理，从各处理中随机选取30株幼苗进行生理指标的检测，重复3次。丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定^[18]；游离脯氨酸(free proline, Pro)含量采用比色法测定^[18]；可溶性糖(soluble sugar, SS)含量采用蒽酮法测定^[18]；可溶性蛋白(soluble protein, SP)含量采用考马斯亮蓝法测定^[18]；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性采用光化学还原法测定^[18]；过氧化物酶(peroxidase, POD)活性采用愈创木酚比色法测定^[18]。

1.4   统计分析

数据整理及绘图采用Excel 2016，显著性分析通过软件SPSS 26.0的多因素方差分析完成，取P < 0.05为差异显著，多重比较分析方法为Duncan法。

2.   结果与分析

2.1   盐、旱胁迫对种子发芽的影响

2.1.1   盐、旱胁迫对种子发芽率和发芽势的影响

对照(0 mmol·L⁻¹ NaCl、0% PEG)霸王种子的发芽率为84.7% (图1)，随着NaCl胁迫程度加大，发芽率由84.7%下降到26.0%，不同处理之间发芽率差异显著(P < 0.05)。随干旱胁迫程度的增加，发芽率表现出与NaCl胁迫同样的下降趋势，降幅有所不同。在5%和10% PEG胁迫下时，发芽率分别为60.0%和56.7%，差异不显著(P > 0.05)，分别较对照下降了29.1%和33.1%。而PEG质量分数为15%时，霸王种子发芽率急剧下降至39.3%，较对照下降了53.5%，而当PEG质量分数为30%时，发芽率仅为2.0%，这说明高浓度的PEG胁迫严重抑制霸王种子萌发。NaCl各处理间发芽势差异显著，30 mmol·L⁻¹ NaCl处理下的发芽势显著高于对照，表明低浓度的NaCl溶液能够在一定程度上促进种子萌发。当NaCl浓度大于30 mmol·L⁻¹时，霸王种子发芽势显著低于对照(P < 0.05)。随着PEG质量分数的升高，霸王种子发芽势逐渐降低。当PEG质量分数为30%时，霸王种子发芽势为0。

图  1  不同浓度NaCl和PEG溶液下霸王种子的发芽率和发芽势

相同指标不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。下图同。

Figure  1.  Germination rate and potential of Zygophyllum xanthoxylum seeds at different concentrations of NaCl and PEG solution

Different lowercase letters indicate significant differences among different treatments at the 0.05 level. This is applicable for the following figures as well.

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.1.2   盐、旱胁迫对种子发芽指数的影响

随着干旱和盐胁迫程度的增加，霸王种子发芽指数表现出与发芽势相同的趋势(图2)。30 mmol·L⁻¹ NaCl种子发芽指数高于对照(P > 0.05)，随着NaCl浓度的进一步增大，其发芽指数显著降低(P < 0.05)。霸王种子在5%和10% PEG胁迫下，发芽指数分别为30.0和30.4；随着PEG质量分数的逐渐增大，其发芽指数显著降低(P < 0.05)，直至30% PEG溶液处理下发芽指数降为0.4。

图  2  不同浓度NaCl和PEG溶液下霸王种子的发芽指数

Figure  2.  Germination index of Zygophyllum xanthoxylum seeds at different concentrations of NaCl and PEG solution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.1.3   盐、旱胁迫对种子发芽进程的影响

在PEG和NaCl处理下，霸王种子发芽集中在1～8 d (图3)。30 mmol·L⁻¹ NaCl溶液处理下，第1天和第3天种子发芽个数高于对照。在第3天各处理达到发芽高峰期，第4天后各处理种子发芽数增幅基本一致。高浓度盐、旱胁迫下的霸王种子均表现出发芽时间晚、累积发芽率低的特点。30% PEG溶液处理对种子发芽进程影响最大。

图  3  不同浓度NaCl和PEG溶液下霸王种子的发芽进程

Figure  3.  Germination process of Zygophyllum xanthoxylum seeds at different concentrations of NaCl and PEG solution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2   盐、旱胁迫对霸王幼苗生理特性的影响

2.2.1   盐、旱胁迫对霸王幼苗MDA含量的影响

在PEG和NaCl处理下，MDA含量随胁迫程度的加重而增加(图4)。NaCl浓度在30～90 mmol·L⁻¹，MDA含量上升幅度较小，3个浓度间差异不显著(P > 0.05)，表明霸王幼苗在此浓度范围内有较强的耐盐性。PEG各处理间MDA含量差异显著(P < 0.05)，5% PEG处理下的MDA含量与对照无显著差异；10% PEG处理下MDA含量急剧上升，是5% PEG处理下的1.8倍；15% PEG处理下MDA含量是5% PEG处理下的2.2倍。由此可见，干旱胁迫更容易导致细胞膜质过氧化。

图  4  不同浓度NaCl和PEG溶液下霸王幼苗丙二醛的含量

Figure  4.  Malondialdehyde content of Zygophyllum xanthoxylum seedlings at different concentrations of NaCl and PEG solution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2.2   盐、旱胁迫对霸王幼苗脯氨酸含量的影响

霸王幼苗Pro含量在NaCl和PEG溶液处理下均呈上升趋势(图5)，NaCl各处理Pro含量较对照分别升高了45.2%、97.7%、102.3%和182.7%，各PEG处理下Pro含量分别为对照的2.2、2.2和3.9倍。

图  5  不同浓度NaCl和PEG溶液下霸王幼苗脯氨酸的含量

Figure  5.  Free proline content in Zygophyllum xanthoxylum seedlings at different concentrations of NaCl and PEG solution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2.3   盐、旱胁迫对霸王可溶性糖含量的影响

低浓度的NaCl胁迫下可溶性糖含量与对照无显著差异(P > 0.05) (图6)，而当NaCl浓度大于60 mmol·L⁻¹时，可溶性糖含量快速升高至12.9 mg·g⁻¹，90 mmol·L⁻¹ NaCl胁迫下幼苗可溶性糖含量为60 mmol·L⁻¹ NaCl的1.8倍，120 mmol·L⁻¹ NaCl胁迫下幼苗可溶性糖含量与90 mmol·L⁻¹ NaCl无显著差异(P > 0.05)。随着PEG胁迫的增强，可溶性糖含量始终呈上升趋势，各处理间差异显著(P < 0.05)。

图  6  不同浓度NaCl和PEG溶液下霸王幼苗可溶性糖和可溶性蛋白的含量

Figure  6.  Content of soluble sugar and soluble protein of Zygophyllum xanthoxylum seedlings at different concentrations of NaCl and PEG solution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.2.4   盐、旱胁迫对霸王幼苗可溶性蛋白含量的影响

随着胁迫程度的增强，可溶性蛋白含量呈上升趋势(图6)，30、60、90和120 mmol·L⁻¹ NaCl分别为对照的1.16倍、1.66倍、2.45倍和2.97倍。5% PEG、10% PEG和15% PEG分别为对照的1.23倍、2.16倍和2.95倍，各处理间差异显著(P < 0.05)。

2.2.5   盐、旱胁迫对霸王幼苗SOD和POD活性的影响

随NaCl溶液浓度增大，幼苗抗氧化酶活性均呈现出先升高后降低的趋势(图7)，当NaCl浓度为60 mmol·L⁻¹时，SOD活性最大，为0.417 3 U·g⁻¹，POD活性也最大，为2 862.500 U·g⁻¹。SOD活性随干旱胁迫程度的加重呈现增强趋势，各处理与对照差异显著(P < 0.05)。与SOD活性对PEG胁迫响应不同的是，POD活性随PEG胁迫程度的增强，呈现先增加后逐渐降低的趋势，10% PEG胁迫下POD活性与对照无显著差异性，其他各处理间差异显著(P < 0.05)。

图  7  不同浓度NaCl和PEG溶液下霸王幼苗超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性

Figure  7.  Superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) activity in Zygophyllum xanthoxylum seedlings at different concentrations of NaCl and PEG solution

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   讨论

3.1   霸王种子萌发对盐、旱胁迫的响应

种子萌发阶段是研究植物抗逆能力的重要阶段，也是沙地播种造林取得成功的关键阶段^[19]。种子萌发受环境因子的影响(包括生物因素以及非生物因素的土壤、温度、光照等)^[20]。干旱荒漠区种子对逆境的适应能力直接影响着种子的萌发，进而影响其种群更新、大小及分布范围。本研究通过NaCl溶液和PEG-6000溶液模拟盐、旱胁迫发现，种子萌发在逆境条件下，胁迫越强，抑制作用越明显。随着胁迫程度的增大，发芽率呈下降趋势，这与石新建等^[21]对花花柴(Karelinia caspia)种子和刘鸿芳等^[22]对胡枝子(Lespedeza bicolor)种子在盐、旱胁迫下发芽率的研究结果一致。马琳等^[23]对细枝羊柴(Corethrodendron scoparium)、黑沙蒿(Artemisia ordosica)、千穗谷(Amaranthus hypochondriacus)和四翅滨藜(Atriplex canesceus) 4种沙漠植物种子的研究表明，盐胁迫下种子发芽率呈下降趋势。刘雪松^[24]对不同生态型醉马草(Achnatherum inebrians)种子萌发的研究中发现，两种醉马草的发芽率、发芽指数均随着PEG浓度的升高而减小，且与对照差异显著，这与本研究结果一致，表明干旱胁迫严重抑制种子萌发。

3.2   霸王幼苗对盐、旱胁迫的生理响应

植物在正常生长条件下，体内的代谢过程始终维持着活性氧产生和清除的动态平衡。逆境条件下，植物会产生大量冗余活性氧，如果不及时清除会造成细胞膜脂过氧化，MDA是膜脂过氧化的最终产物，它可以直接作用于细胞膜，易造成膜损伤和生物膜透性的增加，MDA含量的高低可反映植物膜脂过氧化伤害的程度，进而可反映植物的抗逆能力，已在不同植物和不同类型胁迫下得到证明^{[21, 25-27]}。为减少活性氧带来的伤害，植物在长期进化过程中在体内形成活性氧清除系统，SOD和POD作为抗氧化酶发挥着重要作用。SOD通过清除对生物体有毒的超氧阴离子自由基来抵御胁迫，与POD等共同构成保护酶体系。研究表明，脯氨酸、可溶性糖等外源物质参与植物应激状态，维持植物活性氧代谢的平衡^[28]。脯氨酸作为一种渗透调节剂，主要通过其积累量的增加降低植物体内的渗透势来提高植物的吸水动力，可溶性糖和可溶性蛋白既可以保护生物膜和原生质体，为植物生理代谢过程提供能量，也可作为胁迫下植物细胞和组织介导的重要渗透调节物质，在维持逆境胁迫下细胞的渗透平衡中发挥着重要作用。脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的主动积累，维持了细胞内部环境的稳定，保证了植物体内细胞正常的生理活动。

本研究中，NaCl和PEG处理下，MDA含量均呈上升趋势，在NaCl浓度为30～90 mmol·L⁻¹时，MDA含量有增加但不显著，表明霸王幼苗有较强的耐盐性，这与谢文华^[29]对梭梭(Haloxylon ammodendron)幼苗在盐胁迫下的MDA含量的研究结果一致；随PEG质量分数的提高丙二醛含量呈上升趋势且各处理间差异显著，表明霸王幼苗对干旱更敏感，王晓伟等^[15]对等渗盐旱胁迫下霸王种子萌发的研究中也表明干旱胁迫比盐胁迫对种子萌发的抑制作用更明显。盐胁迫下，SOD与POD活性呈先升后降的趋势，均在60 mmol·L⁻¹时达到最大值后下降；干旱胁迫下，而随着胁迫程度的增大，SOD活性呈上升趋势，变化不明显，POD活性呈下降趋势，各处理差异显著；POD对盐、旱胁迫更为敏感，抗氧化系统在应对盐、旱胁迫时有不同的表现，抗氧化酶之间可能存在互补作用。在盐、旱胁迫下，霸王幼苗脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白均呈现上升趋势，表明霸王幼苗通过积累渗透调节物质维持细胞的渗透平衡，这与魏晓芸^[30]对干旱胁迫下红砂幼苗脯氨酸和可溶性糖变化一致，罗宁^[8]在对白刺(Nitraria tangutoru)、梭梭、毛条(Caragana korshinskii)、胡枝子抗旱生理研究中也得出相同的结果。

4.   结论

综上所述，干旱和盐胁迫对霸王种子发芽特性和生理特性都有影响。随着胁迫程度的加重，其种子发芽率、发芽势和发芽指数均有不同程度的降低。120 mmol·L⁻¹ NaCl处理下，种子发芽率仍达26%，说明此浓度仍在盐胁迫可忍耐的范围内，霸王种子的耐盐范围需进一步研究；当PEG质量分数达30%时，发芽率仅为2%，说明30% PEG为霸王种子耐旱临界值。霸王生长在沙漠中，已发展出一系列机制应对盐、旱胁迫，在盐、旱胁迫下，霸王幼苗丙二醛含量增加，主要通过增加渗透物质(脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白)含量来提高自身适应性，使其能够在逆境中正常生长发育。

参考文献