参试半枝莲种子2017年3月购于北京南无科贸有限责任公司。试验所用聚乙二醇(PEG)、NaCl、Na₂SO₄、MgCl₂等试剂(均为分析纯)购于北辰方正化工有限公司。

本试验采用PEG溶液模拟干旱胁迫, 分别设置0(对照)、5%、10%、15%、20%、25%共6个处理。采用NaCl、Na₂SO₄、MgCl₂单盐溶液以及2份NaCl与1份Na₂SO₄的复合盐溶液, 共4种盐溶液模拟盐胁迫。每种盐溶液分别设置0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%共6个浓度梯度。发芽试验中, 每个处理播种50粒, 发芽床为两层无菌滤纸。播种种子后加入15 mL相应的处理溶液。发芽试验中, 所有处理均重复3次。培养皿放置于25 ℃恒温光照培养箱中培养。以种子胚芽长度大于等于种子直径的2倍作为发芽标准^[15], 每天观察并记录种子发芽个数, 每两天更换一次滤纸, 试验中若有发霉的种子及时用蒸馏水清洗并及时更换滤纸, 以保证种子萌发的环境。

当种子的发芽数连续3 d不再增加, 视为种子发芽结束, 试验期设定22 d。当种子发芽试验结束后, 将培养皿中所有发芽的种子全部取出, 平铺于画有比例尺的A4纸上, 并用相机拍照, 将拍好的照片通过光栅图像参照导入Auto CAD 2010中等比例缩放, 用多段线描图测量种子的胚根长(mm)、胚芽长(mm)、叶面积(mm²), 取平均值进行统计分析。

发芽率(germination rate, GR)和发芽指数(germination index, GI)计算如下。

GR=n/N× 100%;

式中:n为发芽种子数, N为供试种子数。

GI=∑ G_t/D_t;

式中:G_t为不同时间发芽数, D_t为相应发芽天数^[16]。

使用Excel 2013进行数据统计, 采用SPSS 17.0中单变量对各个处理下种子的发芽率、发芽指数、叶面积、胚芽长、胚根长进行单因素的方差分析和多重比较, 显著水平为0.05。

随着PEG浓度的升高, 发芽率总体呈下降趋势。对照条件下, 半枝莲种子萌发率为86%。当浓度为15%、20%时发芽率显著降低(P< 0.05), 分别较对照降低了27.91%、63.57%; 浓度为25%时, 种子没有萌发(表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 干旱胁迫对半枝莲种子萌发及幼苗生长的影响 Table 1 Effect of drought stress on germination and seedling growth of Scutellaria barbata PEG浓度 Concentration of PEG/% 发芽率 Germination percentage/% 发芽指数 Germination index 胚芽长 Embryo length/mm 胚根长 Root length/mm 0(对照 Control) 86.00± 2.00ab 12.80± 0.06c 10.01± 1.96a 5.19± 0.34a 5 93.33± 3.06a 21.56± 0.50a 10.95± 1.79a 4.54± 0.36b 10 82.67± 3.06b 16.37± 0.91b 8.84± 1.27a 2.26± 0.49c 15 62.00± 8.00c 11.45± 0.58d 4.13± 0.89b 2.21± 0.36c 20 31.33± 4.16d 1.97± 0.54e 2.81± 0.19b 1.33± 0.23d 25 0.00± 0.00e 0.00± 0.00f 0.00± 0.00c 0.00± 0.00e 同列不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)。 Different lowercase letters within the same column indicate significant difference among treatment groups at the 0.05 level.

表1 干旱胁迫对半枝莲种子萌发及幼苗生长的影响 Table 1 Effect of drought stress on germination and seedling growth of Scutellaria barbata

不同浓度干旱胁迫对半枝莲种子的发芽指数以5%处理为最高(P< 0.05)(表1)。当浓度为5%、10%时, 发芽指数分别较对照显著升高68.44%、27.89%(P< 0.05)。当浓度为15%、20%时发芽指数较对照显著降低10.55%、84.61%(P< 0.05)。

干旱胁迫对半枝莲种子的胚芽、胚根有显著的影响(P< 0.05)(表1)。5%、10%浓度下胚芽长较对照无显著差异(P> 0.05)。当浓度为15%时胚芽长开始降低, 在15%、20%PEG溶液处理下分别比对照减少了5.88、7.20 mm, 且差异显著(P< 0.05)。胚根长在浓度为5%、10%、15%、20%时, 分别比对照降低了0.65、2.93、2.98、3.86 mm, 均与对照差异显著(P< 0.05)。

不同种类、不同浓度盐胁迫下种子发芽率表现出不同的趋势(表2)。随着NaCl盐浓度的增加, 种子发芽率呈下降趋势, 浓度0.6%、0.9%较对照显著降低了80.55%、97.22%(P< 0.05), 浓度为1.2%、1.5%时, 种子没有萌发。随着MgCl₂盐浓度的升高, 发芽率呈下降趋势, 当浓度高于0.6%时, 随着浓度的升高发芽率显著降低(P< 0.01), 分别为对照的77.78%、63.89%、28.47%(P< 0.05)。Na₂SO₄盐胁迫下, 种子发芽率呈“ 先降后升再降” 的趋势。其中0.3%、1.2%、1.5%浓度较对照显著减少了33.33%、22.22%、83.33%(P< 0.05)。而0.6%、0.9%浓度与对照差异不显著(P> 0.05)。复合盐胁迫下种子发芽率趋势与Na₂SO₄胁迫一致。除0.6%浓度外, 其余浓度梯度均与对照差异显著, 且各浓度之间种子发芽率减量差异显著(P< 0.05)。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 盐胁迫对半枝莲种子发芽率的影响 Table 2 Effect of drought stress on germination percentage of Scutellaria barbata % 盐分Salt 浓度Concentration 0(对照 Control) 0.3% 0.6% 0.9% 1.2% 1.5% NaCl 96.00± 2.00a 90.67± 5.03a 18.67± 8.08b 2.67± 3.05c 0.00± 0.00c 0.00± 0.00c NaSO4 96.00± 2.00a 64.00± 5.29c 98.67± 1.15a 96.67± 1.15a 74.67± 6.11b 16.00± 4.00d MgCl2 96.00± 2.00a 94.67± 4.16a 91.33± 4.16a 74.67± 5.03b 61.33± 4.16c 27.33± 8.08d 复合盐 Mixed salt 96.00± 2.00a 76.67± 3.06b 92.67± 3.06a 22.67± 7.02c 2.00± 2.00d 0.00± 0.00d 同行不同小写字母表示同一盐分不同浓度间差异显著(P< 0.05)。下表同。 Different lowercase letters within the same row indicate significant difference among different concentrations of the same salt kind at the 0.05 level; similarly for the following tables.

表2 盐胁迫对半枝莲种子发芽率的影响 Table 2 Effect of drought stress on germination percentage of Scutellaria barbata %

盐胁迫下, 种子发芽指数呈现不同的趋势(表3)。在NaCl、MgCl₂盐胁迫下, 随着盐浓度的升高种子发芽指数呈下降趋势。对照条件下种子发芽指数为18.13。NaCl盐浓度为0.3%、0.6%和0.9%时, 种子发芽指数比对照显著低了4.29、16.47、17.90(P< 0.05)。MgCl₂盐胁迫下各浓度梯度的发芽指数分别为对照的77.00%、65.09%、46.17%、42.03%、16.49%, 且差异显著(P< 0.05)。在Na₂SO₄、复合盐胁迫下, 种子发芽指数“ 先降后升再降” 。0.3%浓度Na₂SO₄、复合盐胁迫均显著低于对照和0.6%浓度下的发芽指数。具体表现为Na₂SO₄、复合盐浓度0.3%时, 种子发芽指数较对照显著降低49.15%、39.44%(P< 0.05); 0.6%浓度发芽指数比0.3%浓度显著高6.21、2.24(P< 0.05)。Na₂SO₄、复合盐胁迫下, 浓度高于0.6%时种子发芽指数较对照显著降低, Na₂SO₄盐胁迫下发芽指数分别是对照的51.08%、52.12%、7.28%。复合盐浓度为0.9%、1.2%时发芽指数是对照的16.00%、1.16%(表3)。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 盐胁迫对半枝莲种子发芽指数的影响 Table 3 Effect of drought stress on germination index of Scutellaria barbata % 盐分Salt 浓度Concentration 0(对照 Control) 0.3% 0.6% 0.9% 1.2% 1.5% NaCl 18.13± 0.95a 13.74± 0.77b 1.66± 0.55c 0.23± 0.21d 0.00± 0.00d 0.00± 0.00d NaSO4 18.13± 0.95a 9.22± 0.99c 15.43± 0.13b 9.26± 0.24c 9.45± 0.93c 1.32± 0.16d MgCl2 18.13± 0.95a 13.96± 0.92b 11.80± 0.57c 8.37± 0.95d 7.62± 0.58d 2.99± 0.72e 复合盐 Mixed salt 18.13± 0.95a 10.98± 0.20c 13.22± 0.57b 2.90± 0.66d 0.21± 0.19e 0.00± 0.00e

表3 盐胁迫对半枝莲种子发芽指数的影响 Table 3 Effect of drought stress on germination index of Scutellaria barbata %

不同盐胁迫对幼苗生长均有不同程度的抑制作用(表4)。NaCl盐胁迫下, 幼苗无法生长。在Na₂SO₄盐胁迫下, 随着盐浓度的升高叶面积下降趋势明显。0.3%、0.6%、0.9%浓度下叶面积分别是对照的83.46%、64.66%、42.86%, 各处理间差异显著(P< 0.05)。MgCl₂浓度为0.9%、1.2%时, 叶面积较对照显著降低了38.35%、51.13%(P< 0.05)。复合盐胁迫0.3%、0.6%、0.9%浓度处理下的叶面积较对照无显著差异(P> 0.05)。1.2%、1.5%浓度的Na₂SO₄、复合盐和1.5%浓度的MgCl₂盐胁迫下叶面积均为0。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 盐胁迫对半枝莲种子幼苗单叶面积的影响 Table 4 Effect of salt stress on seedling single leaf area of Scutellaria barbata mm2 盐分Salt 浓度Concentration 0(对照 Control) 0.3% 0.6% 0.9% 1.2% 1.5% NaCl 1.33± 0.14a 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b NaSO4 1.33± 0.14a 1.11± 0.08b 0.86± 0.21c 0.57± 0.08d 0.00± 0.00e 0.00± 0.00e MgCl2 1.33± 0.14a 1.37± 0.07a 1.20± 0.07a 0.82± 0.27b 0.65± 0.06b 0.00± 0.00c 复合盐 Mixed salt 1.33± 0.14ab 1.72± 0.50a 1.66± 0.20a 1.05± 0.42b 0.00± 0.00c 0.00± 0.00c

表4 盐胁迫对半枝莲种子幼苗单叶面积的影响 Table 4 Effect of salt stress on seedling single leaf area of Scutellaria barbata mm2

Na₂SO₄、MgCl₂与复合盐浓度为0.3%时, 胚芽长分别比对照高5.27、2.55、7.29 mm, 且差异显著(P< 0.05)(表5)。表明0.3%浓度下这3种盐对胚芽长有一定促进作用。当这3种盐浓度高于0.6%时, 胚芽长均显著低于对照(P< 0.05), 表现出对胚芽长的抑制作用。

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 盐胁迫对半枝莲种子幼苗胚芽长的影响 Table 5 Effect of salt stress on seedling stem length of Scutellaria barbata mm 盐分Salt 浓度Concentration/% 0(对照 Control) 0.3% 0.6% 0.9% 1.2% 1.5% NaCl 3.61± 0.35a 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b NaSO4 3.61± 0.35b 8.88± 1.90a 3.33± 0.31b 1.18± 0.22c 0.00± 0.00c 0.00± 0.00c MgCl2 3.61± 0.35b 6.16± 1.19a 1.70± 0.33c 1.29± 0.05c 1.28± 0.12c 0.00± 0.00d 复合盐 Mixed salt 3.61± 0.35c 10.90± 2.15a 6.47± 1.41b 1.69± 1.17d 0.00± 0.00e 0.00± 0.00e

表5 盐胁迫对半枝莲种子幼苗胚芽长的影响 Table 5 Effect of salt stress on seedling stem length of Scutellaria barbata mm

Na₂SO₄、MgCl₂盐胁迫下, 胚根长总体随浓度的升高而降低(表6)。其中Na₂SO₄浓度为0.6%、0.9%时, 胚根长分别较对照显著降低了41.95%、73.83%(P< 0.05); 0.3%、0.6%浓度MgCl₂盐胁迫下, 胚根长较对照降低44.97%、76.18%, 且差异显著(P< 0.05)。复合盐胁迫下胚根长随浓度的增加呈“ 先升后降” 的趋势。浓度为0.3%、0.6%时, 胚根长比对照显著高了7.88、1.71(P< 0.05); 浓度为0.9%时显著比对照低了1.24(P< 0.05)。

表6

Table 6

表6(Table 6)

表6 盐胁迫对半枝莲种子幼苗胚根长的影响 Table 6 Effect of salt stress on seedling root length of Scutellaria barbata mm 盐分Salt 浓度Concentration 0(对照 Control) 0.3% 0.6% 0.9% 1.2% 1.5% NaCl 2.98± 0.50a 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b 0.00± 0.00b NaSO4 2.98± 0.50a 3.18± 0.30a 1.73± 0.31b 0.78± 0.25c 0.00± 0.00d 0.00± 0.00d MgCl2 2.98± 0.50a 1.64± 0.39b 0.71± 0.03c 0.00± 0.00d 0.00± 0.00d 0.00± 0.00d 复合盐 Mixed salt 2.98± 0.50c 10.86± 0.03a 4.69± 1.36b 1.74± 0.04d 0.00± 0.00e 0.00± 0.00e

表6 盐胁迫对半枝莲种子幼苗胚根长的影响 Table 6 Effect of salt stress on seedling root length of Scutellaria barbata mm

发芽率和发芽指数代表了种子的萌发能力^[17]。本研究中, 随着PEG浓度的升高, 发芽率总体呈下降趋势, 发芽指数则呈“ 先升后降” 的趋势。但5%干旱胁迫下, 种子发芽率和发芽指数均达到最高。说明本研究低浓度下的干旱胁迫对种子萌发有一定的促进作用。这与曾彦军等^[18]对荒漠植物种子的研究结果一致。

干旱胁迫下水分是影响幼苗生长的主要因素^[19]。本研究中, 各干旱处理下胚根长均较对照差异显著, 且随着浓度的升高而减少(P< 0.05)。但胚芽长在低浓度(5%、10%)时较对照无显著差异(P> 0.05)。当浓度高于15%时胚芽长才较对照显著降低(P< 0.05)。试验中干旱胁迫对胚根长和胚芽长的影响不同。王海宁等^[20]在干旱对羊茅属(Festuea)植物种子的萌发时发现逆境条件下植株的茎先受到影响, 其次是根系, 最后是叶。何芳兰等^[21]则认为逆境中植株幼苗胚根比胚芽受胁迫更敏感。而本研究中低浓度(5%、10%)处理时胚根长减量显著, 而胚芽长在浓度15%时才较对照下降明显, 这与何芳兰等^[21]研究结果一致。

种子萌发对盐胁迫的响应主要由盐分种类和浓度决定^[22]。本研究中Na₂SO₄、复合盐胁迫下的发芽率、发芽指数随浓度的升高呈“ 先降后升再降” 趋势。浓度为0~0.3%时表现为降低趋势, 0.3%~0.6%表现为升高。这与王东明等^[23]发现一定低浓度范围的盐对种子萌发既有抑制作用也有促进作用的结果一致。王东明等^[23]将盐浓度影响种子萌发分为3个方面效应, 即负效效应、增效效应和完全抑制效应。试验中高浓度盐抑制了种子萌发, 这是因为高浓度下种子细胞外水势降低, 使细胞吸水困难, 甚至失水发生质壁分离, 从而细胞无法进行正常代谢活动。在NaCl、MgCl₂盐胁迫下, 发芽率、发芽指数与盐浓度呈负相关关系。该现象与在紫花地丁(Viola yedoensis)^[24]、高羊茅(F. elata)^[25]、沙芦草(Agropyron mongolicum)^[26]研究结果一致。

盐胁迫主要通过离子效应和渗透作用影响植物幼苗的生长^{[27, 28]}。本研究中幼苗叶面积与Na₂SO₄、MgCl₂、复合盐浓度呈负相关关系; 0.3%浓度Na₂SO₄、MgCl₂与复合盐对胚芽长有一定的促进作用。浓度高于0.6%时, 胚芽长受到抑制; 在Na₂SO₄、MgCl₂盐胁迫下胚根长总体随浓度的升高而降低, 复合盐胁迫下随浓度的增加呈“ 先升后降” 的趋势。NaCl盐胁迫下幼苗无法生长, 这可能是Na⁺和Cl^-离子毒害作用较大, 破坏了植株细胞的离子平衡。由此可见, 相同浓度、不同盐胁迫处理幼苗叶面积、胚芽长和胚根长的表现趋势不同, 相同盐胁迫、不同浓度处理表现趋势也不同。这可能是幼苗在生长过程中受到渗透作用和离子效应的影响。但二者是单一效应还是共同作用影响幼苗的生长, 具体作用机制不清楚。

综上所述, 干旱胁迫的低浓度(5%)处理对半枝莲种子萌发有一定的促进作用, 且半枝莲幼苗胚根较胚芽更容易受干旱胁迫的影响。盐胁迫对半枝莲的种子萌发和幼苗生长的作用机理复杂。其对发芽率、发芽指数均有一定的抑制作用。NaCl盐胁迫下, 幼苗无法生长。

其余3种盐胁迫处理对半枝莲幼苗生长的影响表现为仅在低浓度(0.3%、0.6%)时对胚芽长有一定的促进作用, 而不同浓度对叶面积和胚根长均表现为抑制作用。