光和不同打破種子休眠方法對紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗狀態(tài)的影響

姜 勇，李艷紅，王文杰,*，包松蓮，祖元剛，王慧梅

(1. 東北林業(yè)大學森林植物生態(tài)學教育部重點實驗室，哈爾濱 150040; 2. 中國林科院資源昆蟲研究所，昆明 650224)

紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)，屬菊科多年生草本植物或亞灌木，與其它植物競爭水分、光照和生存空間等，是一種世界性的惡性雜草[1]。對紫莖澤蘭的研究表明，其具有強陽性植物典型特征，但也能夠在陰暗環(huán)境下生長，光能夠影響紫莖澤蘭種子萌發(fā)與成苗過程，但不同研究之間、室內(nèi)和野外研究結果之間尚存在較大差異[2-6]，很難定量這一入侵植物種子萌發(fā)需要的光照強度、其它打破休眠方法是否可以替代光以及其對幼苗初期生長狀態(tài)如何影響等問題。對包括紫莖澤蘭在內(nèi)的多種入侵植物種子研究發(fā)現(xiàn)，有光條件下發(fā)芽率顯著高于無光對照[6]，本研究擬在此基礎上，通過類比的方法對紫莖澤蘭種子需光萌發(fā)的機制進行深入探討：即在不同光照條件下，看常規(guī)打破休眠的方法(低溫處理[7]、水楊酸(SA)處理[8]、干旱聚乙二醇(PEG)處理[9-10]、硝酸鉀[11]處理)是否代替光照處理，如果能夠，則說明光照打破休眠的機理與此類似，否則說明其存在不同的機制，如種子靜態(tài)等[12-13]；同時對光照及不同處理影響幼苗生長(根長、芽長和幼苗鮮重)進行研究。預期光照對種子萌發(fā)和幼苗生長影響的研究結果將有助于理解外來植物紫莖澤蘭在入侵定植階段的深層原因。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

供試紫莖澤蘭種子于2010年3月中旬采自于云南省昆明市世博園附近，千粒重48 mg，室溫干燥、儲藏備用，挑選籽粒飽滿，大小均勻的種子用于實驗。

1.2 實驗設計與發(fā)芽處理方法

對紫莖澤蘭種子進行不同光照和不同打破種子休眠方法的雙因素控制實驗，觀察二因素對種子的萌發(fā)、根長、芽長以及幼苗鮮重的影響及是否存在交互作用。其中光照處理包括黑暗(生長箱光照不打開)、鋁箔紙覆蓋、全光照3個水平：以全光照為100%，可見光范圍內(nèi)，鋁箔紙覆蓋的透光率為0.23%，黑暗處理透光率為0%(圖1)。

不同打破種子休眠的處理方法包括低溫處理、水楊酸處理(SA處理)、聚乙二醇處理(PEG處理)、硝酸鉀處理。每個處理的水平數(shù)見表1。具體處理方法：低溫處理是將種子放入墊有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，濾紙用蒸餾水浸濕，之后將裝有種子的培養(yǎng)皿放入5℃和-20℃冰箱培養(yǎng)1周，低溫打破休眠期間沒有光照；水楊酸處理是指種子在0.01、0.05、0.1 mmol/L 水楊酸溶液中浸泡20—21 h；聚乙二醇處理是指種子在5%、10%、15% 聚乙二醇(PEG-6000)溶液中浸泡20—21 h；硝酸鉀處理是指種子在10、25、50 mmol/L硝酸鉀溶液中浸泡22—23 h(表1)。

以直徑為9 cm的培養(yǎng)皿為發(fā)芽床，內(nèi)墊2層濾紙，將上述每個處理的種子分別裝入3個培養(yǎng)皿中，均勻地排布，分別以蒸餾水處理種子為對照，每個培養(yǎng)皿內(nèi)裝入40粒種子。發(fā)芽培養(yǎng)皿放入生長箱，鋁箔紙遮光處理和全光照處理設置為白天16 h光照、溫度25℃和晚上8 h黑暗、溫度15℃交替處理。所用生長箱為：黑龍江省東擴儀器制造有限公司生產(chǎn)ZPW-400智能植物培養(yǎng)箱，全光照是指打開24個熒光燈管，光照強度11640lx。

表1 實驗設計

圖1 不同波長下鋁箔紙的透光性能

1.3 發(fā)芽率、幼苗狀態(tài)測定與數(shù)據(jù)處理方法

以子葉展開為正常發(fā)芽標準，對種子發(fā)芽進行統(tǒng)計[6]。當連續(xù)3d無新發(fā)芽種子出現(xiàn)，即視為發(fā)芽過程結束。芽重、芽長和根長在發(fā)芽率測定結束時進行測定，重量測定天平精度為0.001g，發(fā)芽率(%)=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%。

在使用可重復雙因素方差分析對光照和各種打破休眠方法對發(fā)芽指標的影響進行統(tǒng)計分析的基礎上，使用Duncan′s多重比較方法，對同一因素內(nèi)不同水平的差異顯著性進行檢驗(SPSS 17.0)。

2 結果與分析

2.1光照與低溫處理對紫莖澤蘭種子的萌發(fā)和幼苗生長的影響

在全光照、加鋁箔紙和黑暗條件下，-20℃處理使種子喪失活力，不萌發(fā)；全光照對室溫和5℃處理條件下發(fā)芽特征影響類似，均表現(xiàn)黑暗條件下發(fā)芽率顯著低于光照，相差30%左右(P<0.05)；芽長在光照條件下僅2 mm左右，而黑暗和加鋁箔紙?zhí)幚韯t接近14 mm；全光照處理顯著增加根系生長，達到18—20 mm左右，而黑暗和加鋁箔紙?zhí)幚砭? mm左右；幼苗鮮重在全光照條件下明顯高于黑暗和加鋁箔紙，后二者差異不明顯(圖2)。

與全光照對各個指標均存顯著影響相比(P<0.0005)，溫度處理對發(fā)芽率(P=0.54)、芽長(P=0.44)、根長(P=0.43)和幼苗鮮重(P=0.81)均不存在明顯影響。即溫度處理并不能影響光照對種子萌發(fā)特征的影響(表2)。

2.2 光照與水楊酸處理對紫莖澤蘭種子的萌發(fā)和幼苗生長的影響

黑暗條件下種子的萌發(fā)率顯著低于全光照 (P<0.05) ，全光照與加鋁箔紙?zhí)幚聿町惒伙@著(圖3)。與此不同，芽長在加鋁箔和黑暗處理下，2個(對照和0.1 mmol/L)差異達到顯著，另外2個不顯著，但二者都顯著高于全光處理?？傮w來看，芽長在全光照條件下為2 mm左右，黑暗和加鋁箔紙?zhí)幚頌?3—15 mm。根長與芽長相反，全光照促進根系生長(12—14 mm左右)，而黑暗和加鋁箔紙下不同水楊酸處理下均無差異(2 mm左右)(圖3)。

雙因素方差分析表明(表2)，全光照對各個指標均存在顯著影響(P<0.0005)，而水楊酸處理對發(fā)芽率(P=0.59)、芽長(P=0.83)、根長(P=0.79)不存在明顯影響，但對幼苗鮮重(P=0.03)影響顯著，并與全光照存在交互作用(表2)。全光照下，隨著水楊酸濃度提高，幼苗鮮重從0.8 mg增加到1.3 mg，而黑暗下，從0.7 mg增加到1.0 mg；但在鋁箔紙下，普遍低于全光照和黑暗，變化范圍在0.4 mg—0.7 mg之間(圖3)。線性相關分析發(fā)現(xiàn)，全光照和加鋁箔條件下，幼苗鮮重與水楊酸濃度不存在顯著相關性，而在黑暗下，則相關性達到顯著水平(表3)。

表2 光照和不同打破休眠方法對紫莖澤蘭種子發(fā)芽特征的雙因素方差分析

圖2 不同溫度和光照處理對紫莖澤蘭種子發(fā)芽率、芽長、根長、幼苗鮮重的影響

2.3 光照與聚乙二醇處理對紫莖澤蘭種子的萌發(fā)和幼苗生長的影響

在全光照和加鋁箔紙條件下，不同聚乙二醇濃度處理對于發(fā)芽率的影響均不顯著(P>0.05)，但二者均顯著高于黑暗處理(P<0.05)(圖4)，顯示光照是影響種子萌發(fā)的首要因素，而聚乙二醇處理沒有顯著的影響(表2)。對芽長的影響，也體現(xiàn)在全光照下，明顯抑制芽長的生長，多數(shù)情況下，加鋁箔的芽長較黑暗下稍長，但多數(shù)情況下差異不顯著(圖4)，雙因素方差分析顯示，聚乙二醇處理沒有顯著影響芽長生長(表2)。幼苗鮮重在全光照條件下明顯高于黑暗和加鋁箔紙?zhí)幚恚蠖卟町惒伙@著(圖4)。統(tǒng)計分析也顯示聚乙二醇濃度對鮮重影響沒有達到顯著水平(表2)。

表3 水楊酸處理、聚乙二醇處理和硝酸鉀處理濃度下紫莖澤蘭幼苗鮮重、根長的擬合關系受光照的影響

圖3 不同濃度水楊酸處理和光照對紫莖澤蘭種子發(fā)芽率、芽長、根長、幼苗鮮重的影響

根系生長受光的調(diào)節(jié)，但微弱的光(加鋁箔)與黑暗在不同的聚乙二醇濃度處理下種子的根系生長差異均不顯著，說明微弱的光對其沒有影響(圖4)。雙因素方差分析顯示，全光照和聚乙二醇處理均能夠顯著影響根系長度，且存在交互作用(表2)，全光照下聚乙二醇處理濃度增加，使根長顯著增長，但是在加鋁箔和黑暗條件下，這一趨勢不明顯(圖4)。進一步線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，全光照下根系長度隨聚乙二醇濃度增大而顯著增加，但在其它兩個處理下沒有顯著變化(表3)。

圖4 不同濃度聚乙二醇和光照對紫莖澤蘭種子發(fā)芽率、芽長、根長，幼苗鮮重的影響

2.4 光照與硝酸鉀處理對紫莖澤蘭種子的萌發(fā)和幼苗生長的影響

與前面幾個處理相似，硝酸鉀不同處理下，黑暗條件下發(fā)芽率顯著低于全光照和加鋁箔處理，相差50%左右(P<0.05)，但加鋁箔紙與全光照處理差異不顯著(圖 5)。芽長在全光照條件下，長度為1.8—2.4 mm之間，不同濃度硝酸鉀下均表現(xiàn)出顯著低于黑暗和加鋁箔紙?zhí)幚?14—15 mm)(圖5)。根長在光照條件下達到16 mm左右，而黑暗和加鋁箔紙?zhí)幚砭? mm左右，顯著低于全光照(P<0.05)(圖5)。幼苗鮮重在全光照條件下明顯高于黑暗和加鋁箔紙?zhí)幚?，但后二者差異不明顯(圖5)，雙因素方差分析顯示，硝酸鉀處理沒有顯著影響發(fā)芽率、芽長、根長，但是對幼苗鮮重影響接近顯著(P=0.059)，交互作用也接近顯著(P=0.053)(表2)。區(qū)分不同光處理回歸分析發(fā)現(xiàn)，加鋁箔處理下，隨硝酸鉀處理濃度增加，鮮重線性增長顯著(P<0.05)，而全光照和黑暗下則不存在類似關系(表3)。

圖5 不同濃度硝酸鉀和光照處理對紫莖澤蘭種子發(fā)芽率、芽長、根長、幼苗鮮重的影響

3 討論

紫莖澤蘭作為對我國造成巨大生態(tài)入侵的外來種之一，對其種子萌發(fā)與定植過程的研究一直是這一研究領域的熱點[6]。劉倫輝等[1]提出紫莖澤蘭種子的萌發(fā)和幼苗的生長要求比較穩(wěn)定的光照及高溫高濕條件；王文琪等[2]提出全光照對紫莖澤蘭種子萌發(fā)有抑制作用，而在28%光照條件下萌發(fā)率最高。不同光照、干擾強度對紫莖澤蘭種子萌發(fā)、幼苗定居和生長影響的研究發(fā)現(xiàn)，草山(地)上較小的干擾(直徑15 cm，與牛、馬蹄印大小相似)、較低光照(地表光強6%以下)能使紫莖澤蘭種子萌發(fā)和幼苗定居[5]。在嚴格的室內(nèi)控制條件下，證實了紫莖澤蘭種子萌發(fā)對光照很敏感，有光與完全黑暗下發(fā)芽率相差30%—50%(P<0.05)，但很微弱的光照就能夠有效打破種子休眠，在透射率為0.23%的鋁箔紙下的萌發(fā)率幾乎與全光下發(fā)芽率相同。而且其它多種傳統(tǒng)打破休眠的方法均不能代替光照，這些研究結果是對以往研究的補充。

紫莖澤蘭種子需光萌發(fā)的特性，使得種子在土壤里面時，由于沒有光照而形成數(shù)量可觀的種子庫，而一旦表土破壞，外界光照能夠刺激種子大量萌發(fā)，形成入侵?？梢娮锨o澤蘭種子的需光萌發(fā)特性，導致種子庫為其在新生境大規(guī)?？焖偃肭执蛳铝岁P鍵性的伏筆。此外，紫莖澤蘭的種子很小，千粒重僅有48 mg，這使其種子自身儲藏能量有限，不利于其抵抗逆境。紫莖澤蘭的需光萌發(fā)特性，使得其具有利用外界光照的能力，更好的促進幼苗根系和生物量的生長(表3)。因此，這種需光萌發(fā)以及幼苗生長受光照與環(huán)境因子交互影響的特性，可能在一定程度上彌補其種子小、能量少所帶來的入侵劣勢[6]。

關于需光萌發(fā)的原因，通過類比的方法，發(fā)現(xiàn)目前常用的常規(guī)打破休眠的方法都不能替代光照的作用(圖2—圖5，表2)。通過與本研究相似的方法，Hsiao & Quick[14]研究發(fā)現(xiàn)，萵苣(LactucaSativa)的需光萌發(fā)特性可以被硝酸鹽以及聚乙二醇改變。Henig-sever等[15]研究發(fā)現(xiàn)火后針葉樹種子需光萌發(fā)特性可能與硝態(tài)氮和氨態(tài)氮的配比有關。Mandak & Pysek[16]的研究發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽中的N素很可能是影響草本植物需光萌發(fā)的原因。紫莖澤蘭種子需光萌發(fā)幾乎不受溫度、聚乙二醇、水楊酸、硝酸鉀等的影響，說明這一入侵植物的需光萌發(fā)特性可能有別于常見的需光萌發(fā)種子。種子休眠具有多樣性，處于靜態(tài)的種子是指處于干燥狀態(tài)或者不利條件下種子不能萌發(fā)的種子，與通常的種子休眠(具有正?；盍Φ姆N子在適宜條件下——光、溫、水和氧氣不能萌發(fā)的現(xiàn)象)，也被稱作強迫休眠[12-13]。目前很多學者對紫莖澤蘭種子是休眠還是靜態(tài)頗有爭議[1,2,6]，結果說明，只要給予光照，種子就能夠正常萌發(fā)，并與其它環(huán)境如干旱、N營養(yǎng)等無關。這一結果支持紫莖澤蘭種子屬于種子靜態(tài)這一結論。

雖然不同常規(guī)處理方法不能代替光照促進種子萌發(fā)，但可促進萌發(fā)種子的生長發(fā)育，甚至存在與光照的交互作用。一般來講，干旱處理促進根系伸長而施加N肥，能提高生物量產(chǎn)量。紫莖澤蘭種子受光處理直接影響聚乙二醇引發(fā)的根系生長的效果(沒有光照下不起作用)、以及硝態(tài)氮引起的生物量增加等(過高光和沒有光均不起作用)(表3)。于洋等[17]和王曉多等[18]已經(jīng)報道了光照顯著影響絨毛番龍眼種子(Pometiatomentosa)、豌豆種子(PisumSativum)光照顯著影響幼苗生長特征的結果，結果進一步證實光照可以直接影響某些環(huán)境因子(干旱和養(yǎng)分供應)對紫莖澤蘭幼苗生物量的調(diào)節(jié)作用。幼苗初期是生長最為脆弱的時期，對紫莖澤蘭這些特征的揭示，有助于生態(tài)控制這一入侵植物以及從機理上揭示其入侵原因。紫莖澤蘭作為喜光植物，其種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育均需要一定的光照條件，而在林冠對光照的郁蔽影響下，紫莖澤蘭是難以完成個體發(fā)育，因此需要采取相應的措施降低林下的光照度，進而阻滯紫莖澤蘭種子的高萌發(fā)率，抑制其種群的進一步蔓延。目前較為有效的措施是增加森林高大植被的密度或者防止因毀林開荒造成的植被破壞為紫莖澤蘭提供宜生地。

4 結論

本文通過對紫莖澤蘭種子進行全光照、鋁箔紙遮光及黑暗處理與4種不同打破種子休眠方法，即低溫處理、水楊酸、聚乙二醇、硝酸鉀處理的交互作用觀察紫莖澤蘭種子萌發(fā)特性及與光照影響的關系。結果表明：鋁箔紙覆蓋與全光照條件下種子的萌發(fā)率差異不顯著(P>0.05)，證明種子具有需光萌發(fā)的特性。而不同處理代替光照打破種子萌發(fā)的可能性很小，但其顯著影響了某些發(fā)芽幼苗的生長特征。通過對紫莖澤蘭種子進行光處理和不同濃度水楊酸和聚乙二醇處理的交互作用發(fā)現(xiàn)：水楊酸處理對種子的幼苗鮮重具有顯著影響 (P<0.05)。其中在全光照條件下，0.05 mmol/L處理效果最明顯，較對照提高39%；而根長在全光照條件下，經(jīng)5%、10%和15%的聚乙二醇處理，分別比對照提高48%、45%、64%；方差分析也表明經(jīng)過不同濃度的聚乙二醇處理，根長差異達到顯著水平(P<0.05)。

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