4 種薄荷種子萌發(fā)對干旱與低溫的響應(yīng)

任瑞芬，楊秀云，尹大芳，郭 芳

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷030801)

唇形科芳香植物種類繁多，是應(yīng)用較為廣泛的一類芳香植物，檸檬薄荷(Mentha citrata)、胡椒薄荷(M． piperita)、美國薄荷(Monarda didyma)、貓薄荷(Nepeta racemosa)作為常見的唇形科多年生草本，但是目前國內(nèi)關(guān)于檸檬薄荷的相關(guān)報道較少，胡椒薄荷的研究主要集中于栽培技術(shù)、生理學(xué)性狀及芳香成分分析等方面［1-4］，關(guān)于美國薄荷的研究主要集中于組培、快繁和芳香成分的測定［5-6］，貓薄荷的研究僅在病蟲害防治及精油提取這兩方面提及［7］。

山西省地處我國大陸東部，特殊的地理位置使其大陸性季風(fēng)氣候特別顯著，春秋季較短，且風(fēng)沙多，常干旱;夏季高溫，降水少;冬季干旱低溫［8］，因此，干旱和低溫作為山西省最常見的兩種逆境，嚴(yán)重地影響著植物的生長、發(fā)育、生殖等各個方面。種子萌發(fā)期作為植物生活史的起點，也是對外界環(huán)境最為敏感的時期，發(fā)芽質(zhì)量將直接決定種群能否建植成功［9-10］。目前，山西省應(yīng)用的地被植物種類較少，引種栽培工作處于初期研究階段，探討干旱與低溫脅迫對4 種薄荷種子的萌發(fā)及生長情況的影響對于芳香地被生產(chǎn)推廣具有重要的實踐意義。

1 材料與方法

1．1 材料

試驗所用種子購自北京南無科貿(mào)有限責(zé)任公司，生產(chǎn)日期均為2013 年10 月。首先選取顆粒飽滿的胡椒薄荷、檸檬薄荷、美國薄荷、貓薄荷的種子，進行種子千粒重的測定。千粒重反映了種子內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的多少，營養(yǎng)物質(zhì)越多，出苗率越高，幼苗生長得越健壯［11］。其中檸檬薄荷的千粒重為0．714 g，胡椒薄荷的千粒重為0．119 g，美國薄荷的千粒重為0．625 g，貓薄荷的千粒重為0．651 g。

1．2 方法

1．2．1 試驗方法 本試驗于2014 年3 月在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院實驗室進行，采用PEG-6000 模擬干旱，分別設(shè)置0(CK)、10%、15%、30%共4 個處理。根據(jù)山西省自然氣候基本特征，春季均溫11．9 ℃，夏季均溫22．4 ℃，秋季均溫9．6 ℃［8］，本試驗設(shè)定3 個溫度處理，分別為8 ～10 ℃、12 ～14 ℃和22 ～24 ℃共3 個處理，每個處理設(shè)3 次重復(fù)。每個重復(fù)處理選取50 粒飽滿的薄荷種子，均勻置于鋪有用不同濃度的PEG-6000 溶液浸泡過的濾紙(保持濕潤即可)的培養(yǎng)皿(90 mm)中，并置于不同溫度的光照培養(yǎng)箱中。每天17:00 用滴管向濾紙加PEG-6000溶液數(shù)滴，以保證濾紙的濕潤為宜，每2 d 更換一次濾紙，以減少水勢變動，保證種子萌發(fā)環(huán)境的衛(wèi)生。

從種子置床放入培養(yǎng)箱之日起觀察，以胚根長度≥種子直徑的2 倍作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，逐日記錄發(fā)芽個數(shù)，將3 個重復(fù)中最早有1 粒種子發(fā)芽之日作為該處理發(fā)芽的開始期，以各個處理的種子發(fā)芽率沒有明顯變化之日作為發(fā)芽結(jié)束期，試驗共進行了22 d。

種子的發(fā)芽率=(發(fā)芽的種子數(shù)/種子總數(shù))×100%。

發(fā)芽指數(shù)=∑G/t．

式中，G 是種子每天的發(fā)芽率，t 是總的發(fā)芽日期［12］。

觀察記錄到種子發(fā)芽完成，將培養(yǎng)皿中所有發(fā)芽后正常生長的幼苗進行生長指標(biāo)的測量。用CAD 軟件的光柵圖像參照功能和直尺分別測量幼苗的根長(mm)、莖長(mm)以及葉面積(mm2)，取平均值進行對比。

1．2．2 數(shù)據(jù)分析 對不同處理下發(fā)芽與生長指標(biāo)及千粒重進行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD)，顯著水平為0．05，同時以雙因素方差分析分析兩個因子(溫度×干旱)之間的交互效應(yīng)(表1)，統(tǒng)計和分析制圖采用Excel 2003 和SPSS 17． 0統(tǒng)計軟件。

表1 雙因子試驗設(shè)計Table 1 Test designed of two-factor

2 結(jié)果與分析

2．1 干旱對4 種薄荷種子萌發(fā)及生長的影響

對照組(即PEG-6000 濃度為0)的發(fā)芽情況表現(xiàn)為檸檬薄荷發(fā)芽率100%，而胡椒薄荷、美國薄荷、貓薄荷的發(fā)芽率分別為50．7%、46．7%和30．7%(表2)。隨著PEG-6000 濃度的上升，4 種薄荷種子的發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)呈下降趨勢，當(dāng)濃度達(dá)到30%的時候，種子無法萌發(fā)。4 種薄荷種子發(fā)芽率各處理組及對照組間差異均達(dá)到顯著水平(P ＜0．05)。整體表現(xiàn)為隨著PEG-6000 濃度的上升除貓薄荷外，其他3 種薄荷種子發(fā)芽率呈下降趨勢，在10%的低濃度脅迫時，胡椒薄荷、美國薄荷、貓薄荷的發(fā)芽率分別為11．3%、40．7%、19．3%，發(fā)芽指數(shù)分別為2．5、26．2、9．1，其中，檸檬薄荷發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)分別為76．7%、44．3，達(dá)到了對照組的76．7%、53．18%，表現(xiàn)出較強的抗旱性。

植物幼苗期是對外界環(huán)境脅迫的敏感期，葉面積、胚芽及胚根的生長情況則是反映脅迫對幼苗生長影響的指標(biāo)。隨著PEG-6000 濃度的上升4 種薄荷的葉面積、胚芽及胚根的生長情況總體上呈下降趨勢，且大部分不同處理間及組內(nèi)差異均達(dá)到顯著水平(P ＜0．05)(表2)。

2．2 溫度對4 種薄荷種子萌發(fā)的影響

隨著溫度的變化，4 種薄荷種子的發(fā)芽率及生長情況也呈不同的反應(yīng)(表3、圖1)。供試的4 種薄荷在各個溫度處理下的發(fā)芽率均表現(xiàn)為22 ～24 ℃＞12 ～14 ℃＞8 ～10 ℃(表3)。4 種薄荷種子的發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽率有相同的變化規(guī)律，在22 ～24℃明顯優(yōu)于其他溫度處理。

表2 干旱脅迫對4 種薄荷種子萌發(fā)及生長的影響(22 ～24 ℃)Table 2 Effects of drought stress on germination and seedling growth of four species of mint(22 ～24 ℃)

表3 低溫對4 種薄荷種子萌發(fā)與幼苗生長情況的影響Table 3 Effects of low temperature on germination and seedling growth of four species of mint

4 種薄荷種子萌發(fā)后胚芽、胚根和葉面積的生長表現(xiàn)為對溫度的不同響應(yīng)(表3)。檸檬薄荷的葉面積和胚根在12 ～14 ℃下的生長情況優(yōu)于其他溫度處理，但胚芽的生長在22 ～24 ℃情況下突顯其優(yōu)勢;美國薄荷的葉面積和胚根的生長在22 ～24 ℃下比其他溫度處理下的好，但其胚芽在12 ～14 ℃下的生長情況則比22 ～24℃處理下的好;貓薄荷的各項指標(biāo)均在22 ～24 ℃處理下的生長情況均優(yōu)于其他溫度處理。

2．3 干旱與溫度對4 種薄荷種子萌發(fā)和生長情況的交互影響

干旱與低溫共存時，對這4 種薄荷種子的萌發(fā)與生長均表現(xiàn)出顯著的交互作用(P ＜0．001)(表4)。隨著PEG-6000 濃度逐漸增加，4 種薄荷種子的發(fā)芽率逐漸降低，甚至比溫度單獨處理時的發(fā)芽率還要低。在12 ～14 ℃單獨對4 種薄荷種子進行處理時，檸檬薄荷、胡椒薄荷、美國薄荷、貓薄荷的發(fā)芽率分別為76．0%、17．3%、40．7%和12．0%(表3)，當(dāng)加入15%的PEG-6000(T8)對4 種薄荷進行交互處理的時候，檸檬薄荷、胡椒薄荷、美國薄荷和貓薄荷的發(fā)芽率分別為53．3%、53．3%、30．7%和10．6%(圖1)，說明干旱加速了低溫對種子萌發(fā)的脅迫。在15%的PEG-6000 單獨處理下的檸檬薄荷、胡椒薄荷、美國薄荷和貓薄荷的發(fā)芽率分別為72．0%、8．7%、10%和28．0%(表2)，當(dāng)與22 ～24℃交互處理(T9)的時候，檸檬薄荷、胡椒薄荷、美國薄荷和貓薄荷的發(fā)芽率分別為74．0%、12．0%、10．0%和28．0%，說明適宜的溫度會緩解干旱對種子萌發(fā)的脅迫。進一步說明干旱與低溫的交互作用顯著影響了這4 種薄荷種子的萌發(fā)與生長。

3 討論

3．1 干旱對4 種薄荷種子萌發(fā)及生長的影響

圖1 干旱與低溫的交互作用對4 種薄荷種子萌發(fā)與幼苗生長的影響Fig．1 Interaction effects of drought and low temperature on germination and seedling growth of four species of mint

表4 干旱與低溫的交互作用對4 種薄荷種子萌發(fā)與幼苗生長的影響(10% PEG-6000)Table 4 Interaction effects of drought and low temperature on germination and seedling growth of four species of mint by two-way ANOVA(10% PEG-6000)

干旱是影響植物生長和發(fā)育的主要環(huán)境因子之一［13］。PEG-6000 作為一種高分子滲透劑，其最大的特點就是本身不能穿越細(xì)胞壁進入細(xì)胞質(zhì)，因而不會引起質(zhì)壁分離，使植物組織和細(xì)胞處于類似干旱的狀態(tài)［14］。近年來，通過PEG-6000 模擬干旱脅迫來進行植物抗旱機制的研究有很多，已經(jīng)成為種子萌發(fā)期抗旱性研究的一種重要手段［15］。

發(fā)芽率和生長情況直接反映植物種子萌發(fā)的速度和幼苗生長的整齊程度，常作為評價種子萌發(fā)期的主要指標(biāo)［16］。隨著PEG-6000 濃度的升高，多年生黑麥草(Lolium perenne)、高羊茅(Festuca arundinacea)和匍匐剪股穎(Agrostis stolonifera)3 種冷季型草坪種子的萌發(fā)受抑制的程度也更明顯［17］。于魯寧等［18］研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的PEG-6000 對3 種針茅屬(Stipa)植物種子的萌發(fā)和幼苗的生長具有促進作用，高濃度的PEG-6000 處理嚴(yán)重抑制了種子的萌發(fā)和生長。本研究表明，相較于其他濃度處理，低濃度的PEG-6000 可以促進4 種薄荷種子萌發(fā)和幼苗的生長，但是隨著PEG-6000 濃度的上升，對種子的萌發(fā)及幼苗生長的抑制作用也越發(fā)的明顯。

由于這4 種薄荷種子都比較細(xì)小，在自然種植狀況下通常分布在土壤表層的2 cm 左右，山西省春秋季節(jié)多風(fēng)少雨，夏季高溫降水少，很容易導(dǎo)致表層土壤中的種子處于水分匱乏的環(huán)境之中，使種子萌發(fā)階段期極易遭受干旱脅迫，從而降低了這4 種薄荷種子的發(fā)芽率，葉面積變小，胚芽、胚根的生長顯著被抑制，由于幼根不能深入土壤吸收水分，更加重了干旱對種子萌發(fā)及幼苗生長的脅迫，這樣就會造成種子萌發(fā)期如遇干旱脅迫這4 種薄荷的種植成活率低現(xiàn)象。其中，4 種薄荷種子在干旱的脅迫下均呈現(xiàn)出這一變化趨勢，但是檸檬薄荷的變化趨勢緩于其他3 種薄荷，當(dāng)PEG-6000 濃度為10%時檸檬薄荷的萌發(fā)與生長均為對照的45%以上，說明檸檬薄荷對干旱的抗性優(yōu)于其他3 種薄荷。

3．2 溫度對4 種薄荷種子萌發(fā)及生長的影響

溫度是影響植物種子萌發(fā)的重要生態(tài)因子［19］。在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度升高對種子萌發(fā)有促進作用，這是因為在酶活性溫度范圍內(nèi)，溫度越高酶的活性越強，促進了營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和利用，從而有利于種子的萌發(fā)與生長［20］。由于種子都非常的細(xì)小，能夠供給種子萌發(fā)和幼苗生長的貯藏物質(zhì)十分有限，在種子萌發(fā)期如遇低溫侵襲將致使種子出苗時間延長，由于基礎(chǔ)生命代謝消耗可能造成貯藏物在幼苗出土前提早枯竭［21］。在種子萌發(fā)階段低溫侵襲將致使種子發(fā)芽率降低，出 苗 時 間 延 長［21］。謝 順 贊 等［22］和 張 鶴 山等［23］分別對茄(Solanum melongena)種子和黑麥(Secale cereale)種子的研究表明，低溫明顯抑制了種子的萌發(fā)幼苗生長。本研究所采用的4 種薄荷種子在8 ～10 ℃的情況下基本無法萌發(fā);在12 ～14 ℃的情況下薄荷種子可以萌發(fā)，但是幼苗生長不整齊，萌發(fā)期延長;在22 ～24 ℃的情況下，種子可以正常萌發(fā)及生長，而且可以迅速進入萌發(fā)狀態(tài)，與上述研究結(jié)果相一致。不同的植物由于其生存環(huán)境和遺傳特性的不同，因此，種子萌發(fā)對溫度的需求及響應(yīng)也不同［19］。檸檬薄荷在12 ～14℃處理時的萌發(fā)與生長狀況與22 ～24 ℃處理時的差異較小，而其他3 種薄荷的差異十分明顯，因此，檸檬薄荷對低溫的適應(yīng)性優(yōu)于其他3 種薄荷。

3．3 干旱與溫度的交互作用對4 種薄荷種子萌發(fā)及生長的影響

自然條件下生長的植物，在不同的時間和空間上往往會受到幾種逆境的綜合影響，尤其是種子萌發(fā)期這一關(guān)鍵階段，但有時一種適度的脅迫卻有助于植物更好地忍受另一種脅迫［24］，干旱與低溫作為最常見的兩種脅迫因子，其交互作用顯著影響了這4 種薄荷種子的萌發(fā)及生長。15%的PEG-6000 與22 ～24 ℃交互處理(T9)優(yōu)于15%的PEG-6000 單獨處理下4 種薄荷種子的萌發(fā)及生長，說明適宜的溫度會緩減干旱對種子萌發(fā)的脅迫。在12 ～14 ℃單獨處理下4 種薄荷種子的萌發(fā)及生長情況較12 ～14 ℃與15%的PEG-6000(T8)交互處理的下好，說明不適宜的脅迫會加速另一種脅迫對種子萌發(fā)的抑制。

在不適宜的溫度與干旱脅迫的交互作用下會使種子發(fā)生生理失衡，進而降低其發(fā)芽率、延遲發(fā)芽時間，甚至使種子完全喪失活力［25］。在30%的PEG-6000 和8 ～10 ℃的各種交互處理下(T4、T7、T10、T11、T12)這4 種薄荷種子都無法萌發(fā)。說明，低溫不僅在一定程度上會引起種子的休眠，而且，隨著溫度下降使種子的抗旱性也逐漸降低。王海寧等［26］對扭黃茅(Heteropogon contortus)、鴨茅(Dactylis glomerata)、高羊茅的研究及劉自剛等［21］對桔梗(Platycodon grandiflorum)的研究也發(fā)現(xiàn)，干旱與低溫的交互作用嚴(yán)重抑制種子的萌發(fā)及生長。

4 結(jié)論

PEG-6000 模擬干旱脅迫處理表明，隨脅迫程度的增強，4 種薄荷種子萌發(fā)、胚根、胚芽及葉的生長均明顯受到抑制，種間差異明顯，整體呈現(xiàn)出胡椒薄荷對干旱脅迫的敏感性較強，而檸檬薄荷則表現(xiàn)出較強的抗旱性。隨溫度的升高，4 種薄荷植物種子的發(fā)芽率、胚根、胚芽和葉面積生長總體呈上升的趨勢;其中檸檬薄荷種子胚根和葉的生長在12 ～14 ℃表現(xiàn)較好的生長狀況。干旱與低溫交互作用對4 種薄荷種子的萌發(fā)與生長影響顯著。

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