外源赤霉素GA3對偃麥草屬植物種子萌發特性的影響

田小霞，孟慶沂，毛培春，鄭明利，孟林

（北京市農林科學院草業花卉與景觀生態研究所，北京 100097）

偃麥草屬（Elytrigia）植物是禾本科小麥族多年生根莖疏叢型草本植物，全世界已知40余種，起源于歐洲、中亞和中東，主要分布在溫帶、寒溫帶和寒帶，我國有栽培歷史和野生分布的約有11 種，如偃麥草（E.repens）、長穗偃麥草（E.elongata）、中間偃麥草（E.intermedia）、毛偃麥草（E.trichophora）和硬葉偃麥草（E.smithii）［1-2］。其中，因長穗偃麥草、中間偃麥草和偃麥草具有較強的抗寒性、抗旱性、耐鹽堿性及強抗病性，已成為小麥（Triticum aestivum）遠緣雜交的重要親本材料，也是我國北方地區防風固沙、水土保持和改良鹽堿地等生態環境建設用的理想草種和重要的優質牧草資源［2-3］。中間偃麥草和長穗偃麥草具短根莖，偃麥草具長根莖，均存在抽穗率和結實率相對較低的缺點，特別是在旱、鹽等非生物逆境脅迫下種子發芽率低的問題更加突出，成為偃麥草屬植物草地建植的主要限制條件［4］。種子萌發是植物生長發育的前提，而且種子萌發是一個復雜的生理生化變化過程，與內部貯藏的營養物質和內源激素變化密切相關。因此，尋找合適的外源赤霉素濃度處理偃麥草屬植物種子，研究外源赤霉素作用下偃麥草屬植物的種子發芽率、內源激素含量和POD酶活性的變化，為外源赤霉素GA3應用于促進偃麥草屬植物種子萌發期生長機制提供理論依據，同時也為偃麥草屬植物草地建植提供新的技術手段。

赤霉素是一種天然植物生長調節劑，在植物的生長發育過程中發揮著重要作用，已在農業和園藝行業有多種應用。赤霉素可以打破種子的休眠，促進基因的表達，在短時間內提高種子的發芽率，還可通過激活種子內部的水解酶，刺激淀粉水解為葡萄糖，以提高種子的活力［5-6］。Kwon等［7］研究發現用1.0 g/L的GA3對杜莖山（Maesa japonica）種子浸泡后發芽率達到了100%。穆紅梅等［8］對七葉樹（Aesculus chinensis）種子萌發特性的研究發現，150 mg/L的GA3浸種后種子發芽率可提高至82%。鄒竣竹［9］研究報道赤霉素浸種可有效增強野牛草（Buchloe dactyloides）種子發芽率、發芽勢和發芽指數，其中2 000 mg/L濃度的處理效果最佳?；诖?，通過外源GA3浸種處理方法，對3種偃麥草屬植物種子萌發和生理特性開展試驗研究，旨在篩選適宜的外源GA3處理濃度和方法，揭示GA3對偃麥草屬植物種子萌發特性的影響，為偃麥草屬植物種子生產、草地高效建植及產業化應用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料中的2份偃麥草（ER049、ER057）、1份長穗偃麥草（EE024）和2份中間偃麥草（EI018和EI026）的種子由美國國家植物種質資源庫（USANationalPlantGermplasm System，NPGS）提供，1份長穗偃麥草（EE030）種子由北京百斯特草業有限公司從加拿大引進并提供。

1.2 試驗方法

1.2.1種子處理試驗篩選3種偃麥草屬植物的6份種質材料成熟飽滿、大小一致的種子，用5%次氯酸鈉消毒20 min后，蒸餾水沖洗2～3次，吸干種子表面水分，放置于的鋪放2層濾紙培養皿中，每培養皿50粒種子。GA3處理濃度為0、500、1 000、1 500和2 000 mg/L，每處理用相應的GA3溶液10 mL浸種，每處理6次重復，放入光照培養箱培養，培養箱內的條件控制為25 ℃（光照16 h，黑暗8 h）。種子發芽試驗共10 d，期間保持濾紙濕潤并每天統計種子發芽數（以芽長超過種子長度的1/2或超過根長視為發芽）。

1.2.2測定指標與方法種子發芽率（GP）：（第10天發芽種子數/供試種子總數）×100%；

種子發芽勢（GV）：（第5天發芽種子數/供試種子總數）×100%；

發芽指數（GI）：GI=Σ（Gt/Dt）

式中：Gt為處理后t日的發芽數，Dt為相應的發芽日數。

種子活力指數（VI）：VI=GI×S

式中：GI為發芽指數，S為胚根長。

胚根長和胚芽長：用直尺測量胚根和胚芽的自然伸長長度，每處理每重復隨機選取10株測定。

生理指標測定：處理第10天每處理每重復分別稱取整株胚芽0.1 g，加入1 mL預冷提取液（甲醇∶水∶乙酸=80∶20∶1），4 °C浸 提 過 夜，8 000 r/min離 心10 min，取上清液，置冰上測定內源GA3、生長素（IAA）和脫落酸（ABA）含量，均采用RIGOL L3000高效液相色譜儀測定。過氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量均采用可見分光光度法測定（蘇州科銘生物技術公司試劑盒），樣品取自處理第10 d的整株胚芽0.1 g，3次重復。

1.2.3數據處理與分析試驗數據處理分析和繪制圖表采用Excel 2010，數據方差分析和Ducan多重比較采用SPSS 19.0數據軟件。

2 結果與分析

2.1 不同濃度GA3處理對種子發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數的影響

與對照相比較，2 000 mg/L的GA3對偃麥草屬種質材料的發芽率和發芽勢有顯著抑制作用（圖1-A，圖1-B）。經外源GA3浸種處理后，3種偃麥草屬植物的種子發芽率和發芽勢均隨GA3濃度的增加而呈先升后降趨勢。當1 500 mg/L GA3處理時，3種偃麥草屬植物的種子發芽勢和發芽率均達到峰值，其中長穗偃麥草種質材料EE024和EE030的種子發芽率分別為88.67%和94.67%，發芽勢分別為84.67%和84.00%，發芽率和發芽勢均高于中間偃麥草和偃麥草；中間偃麥草種質材料EI018和EI026的發芽率和發芽勢均高于偃麥草種質材料ER049和ER057。當GA3處理濃度是2 000 mg/L時，長穗偃麥草、中間偃麥草和偃麥草種子發芽率和發芽勢均呈下降趨勢，低于其他GA3濃度處理。

圖1 GA3處理下3種偃麥草屬植物的種子發芽率和發芽勢Fig.1 GA3treatment on seed germination rate and seed germination potential of three Elytrigia species

隨外源GA3濃度的增加，3種偃麥草屬植物種子發芽指數亦呈先升后降的趨勢，在GA3濃度為1 500 mg/L時，供試材料種子發芽指數均達到最大值，其中長穗偃麥草種質材料EE024和EE030的發芽指數分別為33.66和31.43，比對照分別高10.79和5.9（圖2-A）。隨著外源GA3濃度增加，長穗偃麥草、中間偃麥草和偃麥草種子活力指數呈上升趨勢，在GA3濃度1 500 mg/L處理后達到最大值，其中長穗偃麥草EE024和EE030的活力指數分別由對照的149.10和166.43增加到331.90和309.85。GA3濃度為2 000 mg/L時活力指數下降，長穗偃麥草EE024和EE030的活力指數分別下降到了162.14和161.50，仍顯著高于對照（圖2-B）。

圖2 GA3處理下3種偃麥草屬植物的種子發芽指數和活力指數Fig.2 GA3treatment on seed germination index and seed vigor index of three Elytrigia species

2.2 不同濃度激素處理對種子胚根和胚芽生長的影響

隨外源GA3濃度的增加，3種偃麥草屬植物種子的胚根長和胚芽長均呈先升后降趨勢，當GA3濃度達到1 500 mg/L時達到最大值（圖3-A，圖3-B）。在GA3濃度達到2 000 mg/L時，胚根長和胚芽長下降，其中，長穗偃麥草、中間偃麥草和偃麥草的胚根長比GA3濃度1 500 mg/L分別下降了27.89%、27.15%和20.02%，比對照高9.05%、9.78%和18.52%；長穗偃麥草、中間偃麥草和偃麥草的胚芽長比GA3濃度1 500 mg/L分別下降了15.31%、4.70%和3.30%，比對照分別高8.80%、7.47%和6.06%。

圖3 GA3處理下3種偃麥草屬植物種子胚根長（A）和胚芽長（B）Fig.3 GA3treatment on radicle length （A） and sprout length （B） of three Elytrigia species

2.3 不同濃度激素處理對種子內源赤霉素、生長素和脫落酸含量的影響

3種偃麥草屬植物種子胚芽的內源GA3含量和生長素IAA含量隨外源GA3濃度的增加均呈上升的趨勢（圖4-A和圖4-B），在外源GA3濃度1 500 mg/L和2 000 mg/L下，長穗偃麥草的內源GA3含量分別較對照增加了134.86%和177.17%，中間偃麥草內源GA3含量分別增加了91.41%和147.20%，偃麥草分別增加了42.89%和73.55%；長穗偃麥草的內源IAA含量分別較對照增加了21.24%和30.29%，中間偃麥草生長素IAA含量分別增加了32.29%和41.20%，偃麥草分別增加了28.13%和32.24%；但長穗偃麥草的內源IAA含量分別較對照增加了21.24%和30.29%，中間偃麥草IAA含量分別增加了32.29%和41.20%，偃麥草分別增加了28.13%和32.24%（圖4-B）。3種偃麥草屬植物種子胚芽的內源ABA含量隨外源GA3濃度的增加則呈逐漸降低趨勢（圖4-C）。在外源GA3濃度1 500、2 000 mg/L下，長穗偃麥草的內源ABA含量分別較對照降低了18.38%和26.16%，中間偃麥草內源ABA含量降低了17.41%和24.36%，偃麥草降低了20.08%和22.45%（圖4-C）。

圖4 GA3 處理下種子胚芽內源赤霉素（A）、生長素（B）和脫落酸（C）含量Fig.4 GA3 treatment on endogenous gibberellin （A），IAA （B） and ABA （C） in the seeds of different Elytrigia species

2.4 不同濃度激素處理對種子POD活性和MDA含量的影響

外源GA3浸種處理顯著提高了3種偃麥草屬植物種子胚芽的POD活性，隨GA3濃度的增加POD活性呈逐漸上升趨勢。當GA3濃度達到1 500、2 000 mg/L時，長穗偃麥草胚芽POD活性比對照分別增加了112.82%和131.91%，中間偃麥草比對照分別增加了127.14%和142.38%，偃麥草比對照分別增加了119.45%和136.68%（圖5-A）。隨GA3濃度的增加3種偃麥草屬植物種子胚芽MDA含量呈下降趨勢。當GA3濃度達到1 500、2 000 mg/L時，長穗偃麥草胚芽MDA含量比對照分別降低了56.95%和59.86%，中間偃麥草比對照分別降低了48.95%和52.49%，偃麥草比對照分別降低了45.39%和50.62%（圖5-B）。

圖5 GA3 處理下3種偃麥草屬植物種子胚芽POD活性（A）和MDA含量（B）Fig.5 GA3 treatment on POD （A） andMDA （B）in the seeds of threeElytrigia species

3 討論

赤霉素是正常植物體內一定部位產生的可以促進植物生長的激素，對植物生命活動具有重要意義。研究報道，GA3是與種子萌發生理最相關的植物激素，它可以解除植物種子的生理性休眠，提高種子發芽率［10］。但外源赤霉素處理濃度不同時，對植物種子萌發的促進效果也不盡相同，研究報道200 μg/g的外源GA3浸種去稃羊草（Leymus chinensis）種子，發芽率可達83.29%，明顯高于100、300 μg/g GA3處理組［11］。劉美茹等［12］對收集自內蒙古錫林浩特天然草地的羊草種子用GA3浸種處理以提高種子萌發率的試驗研究，篩選出300 mg/L的GA3浸泡種子24 h后羊草種子發芽率高達57.8%，發芽勢為34.43%。赤霉素是與種子萌發生理最相關的植物激素，與細胞分裂素一起促進種子發芽。據報道赤霉素是一種能夠打破休眠和改善生長調節劑，通過促進萌發物質與抑制物質之間的平衡，與脫落酸拮抗，進而誘導休眠來提高種子發芽率［13］。此外，GA3還刺激 α-淀粉酶分泌，導致降解胚乳中的淀粉和蛋白質，誘導胚胎發育和促進發芽［14］。

朱艷芳等［15］研究報道用0.1 mmol/L的GA3溶液浸種處理黑種草（Nigella damascena），并在15 ℃交替光照條件下黑種草種子發芽率從33.5% 提高到76.7%。鄒竣竹等［9］發現赤霉素浸種可有效提高野牛草種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和種子活力指數。焦德志等［16］研究還發現，用300 μg/g外源赤霉素處理羊草種子可使發芽率提高到41.2%，比對照組提高了9.7%。本試驗發現3種偃麥草屬植物種子經外源GA3浸種處理后，種子發芽率和發芽勢均隨GA3濃度的增加而呈先升后降的趨勢，當外源GA3濃度達1 500 mg/L時，種子發芽率和發芽勢均達到峰值；發芽指數和種子活力結果與發芽率和發芽勢的趨勢相同，隨GA3濃度增加呈先升后降趨勢，且在外源GA3濃度達1 500 mg/L時達到峰值。以上研究結果表明，外源GA3濃度1 500 mg/L處理偃麥草屬植物可顯著提高其發芽率。

內源激素作為植物各項生理活動的重要調控因素，參與了一系列的生理生化過程［17］。鄒竣竹［9］研究外源激素浸種對野牛草種子發芽與生理特性的試驗結果表明，外源赤霉素浸種處理后，野牛草種子內源赤霉素含量呈先升后降的趨勢，內源生長素含量呈逐漸下降的趨勢，內源脫落酸的含量呈先升后降的趨勢。相對于單一內源激素，不同激素間的平衡變化對種子的發芽具有重要意義，尤其是生長激素之間的比例［18-19］。本試驗結果表明，外源GA3對3種偃麥草屬植物種子浸種處理后，幼苗內源赤霉素含量和生長素含量呈上升趨勢，但內源生長素增加的數值相對內源赤霉素要小，且內源赤霉素含量和生長素含量明顯高于對照，可能是外源GA3處理種子后促進了內源赤霉素和生長素的轉化有關。隨外源GA3浸種處理濃度的增加，3種偃麥草屬植物的內源脫落酸含量呈逐漸降低趨勢，且本研究中經過GA3處理的3種偃麥草植物GA3/ABA和IAA/ABA值均顯著高于對照，這表明外源 GA3處理種子發芽過程中，為保證不同激素之間的平衡，在提高種子赤霉素和生長激素含量的同時，降低了內源激素脫落酸的含量，最終促進種子的萌發。

GA3處理種子發芽過程中會發生各種生理響應及其調控響應，而這些生理響應過程中會產生活性氧（ROS），進而通過增加內源赤霉素的生物合成和減少內源脫落酸的生物合成來最終促進種子的萌發［20］。本研究表明，與蒸餾水處理相比較，GA3處理提高了幼苗的POD活性和減少了MDA含量，究其原因是GA3處理提高了POD保護酶活性，增強對活性氧的清除能力，以減少 ROS 損傷，從而減輕了質膜氧化損傷程度，致使 MDA 含量持續下降，來維持細胞膜結構和功能的穩定，從而促使種子發芽和胚芽的生長。此外，GA3處理在提高GA3和IAA的同時，降低了內源 ABA 含量。進而說明外源赤霉素GA3通過提高內源GA3和減少 ABA 含量以促進種子發芽［21］。

4 結論

外源GA3浸種可以提高偃麥草屬植物種子的發芽率、發芽勢、種子活力，促進種子胚根和胚芽的生長，其中，1 500 mg/L GA3浸種處理效果最佳。外源GA3浸種處理提高了內源生長促進物質GA3和IAA含量，降低了生長抑制物質ABA含量；增加了POD酶活性，減少了MDA含量；表明適量外源GA3處理可調控種子內源激素含量，增強抗氧化酶活性和減輕質膜氧化損傷，促進種子萌發。