環(huán)境因子對西藏巴青縣野生垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

王傳旗， 武俊喜， 余成群， 王明濤， 包賽很那， 苗彥軍*

(1. 西藏農(nóng)牧學(xué)院， 西藏 林芝 860000； 2. 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京 100101)

研究顯示，對于大多數(shù)作物而言，種子萌發(fā)和早期幼苗階段對環(huán)境脅迫最為敏感[1]。種子萌發(fā)是植物生活史中的起始階段，影響種子萌發(fā)的條件很多，主要有水分、溫度、氧和光照[2]。此外，鹽(NaCI)脅迫對種子萌發(fā)、幼苗形態(tài)及生理變化等也有很大影響[3]。垂穗披堿草(Elymusnutans)為禾本科披堿草屬牧草，又名鉤頭草，彎穗草[4]。原為野生種，在我國西藏、西北、華北等地均有分布，在青藏高原海拔2 500～4 000 m的高寒濕潤地區(qū)為建群種，是有價值的飼用植物[5]。此外，垂穗披堿草抗逆性強、生態(tài)適應(yīng)性廣，對于西藏地區(qū)生態(tài)保護和生態(tài)恢復(fù)有重要意義。近年來，有關(guān)環(huán)境因子對垂穗披堿草種子萌發(fā)影響的文獻報道較多，涉及到溫度、光照、鹽分及干旱脅迫等對垂穗披堿草種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[6-11]。受光、溫、水、鹽等各種生態(tài)因子的影響，不同地區(qū)野生垂穗披堿草種子發(fā)芽率和幼苗生長狀況不同。2個以上生態(tài)因子對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響研究尚未見詳細報道。以往對垂穗披堿草種子萌發(fā)的研究都側(cè)重于1個或2個生態(tài)因子。因此，有必要從光、溫、水、鹽等多個生態(tài)因子對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響進行研究，可以更準(zhǔn)確地分析西藏巴青地區(qū)野生垂穗披堿草種子的萌發(fā)特性。試驗以西藏巴青地區(qū)野生垂穗披堿草種子為材料，通過光、溫、水、鹽的處理，探討4種生態(tài)因子對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響，為西藏巴青地區(qū)野生披堿草屬牧草種質(zhì)資源的開發(fā)利用及擴大垂穗披堿草的種植范圍等提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 種子采集地自然狀況

供試材料于2010年9月份采自西藏那曲巴青縣(31°43′657″N，93°09′104″E，海拔4 675 m)。該地區(qū)屬高原亞寒帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，高寒缺氧、冬季多風(fēng)多雪，降雪日數(shù)約在150 d以上。年平均氣溫1.5℃，極端最低氣溫-38℃，極端最高氣溫25.6℃。年溫差相對較大，無霜期短。太陽輻射強烈，年日照時數(shù) 2 400 h左右；年降水量約500～600 mm。采回來的種子風(fēng)干后在5℃冰箱內(nèi)貯藏待用。試驗前在室溫條件下做預(yù)試驗，測得供試材料種子千粒重為4.88±0.06 g，平均發(fā)芽率為76.40%。

1.2 試驗方法

種子表面用1%的NaClO消毒10 min，之后用蒸餾水沖洗干凈，自然晾干待用。系列發(fā)芽試驗均在PXZ智能人工氣候箱中進行。試驗采用紙上發(fā)芽法，種子均在鋪有兩層慮紙的塑料發(fā)芽盒內(nèi)排列。每個處理3個重復(fù)，每個重復(fù)50粒種子。每天統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)(胚根長度達到與種子等長、胚芽長度達到種子一半作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)[12])，并稱重加水使濾紙保持濕潤，第15 d結(jié)束發(fā)芽試驗。

種子發(fā)芽率(GP)=(發(fā)芽數(shù)/總種子數(shù))×100%[13]；

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)，式中，Gt為在15 d的種子發(fā)芽數(shù)，Dt為相對應(yīng)的種子發(fā)芽天數(shù)；

活力指數(shù)(VI)=平均胚根長度×GI[14]。

1.2.1光照處理 在25℃恒溫條件下設(shè)置持續(xù)黑暗和12 h黑暗/12 h光照，光照強度400 μmol·m-2·s-1，進行種子萌發(fā)試驗。

1.2.2溫度處理 試驗在黑暗條件下的人工氣候箱中進行。恒溫試驗培養(yǎng)溫度分別為：5，10，15，20，25，30和35℃；變溫試驗培養(yǎng)溫度分別為10/20℃，15/25℃，20/30℃和25/35℃，每天12 h低溫、12 h高溫。

1.2.3干旱處理 試驗采用聚乙二醇(PEG-6000)進行干旱處理。分別配置濃度為0%(CK)，5%，10%，15%，20%和25%的聚乙二醇(PEG)溶液作為種子萌發(fā)的培養(yǎng)液。在人工智能氣候箱內(nèi)25℃恒溫、無光照條件下進行種子萌發(fā)試驗。

1.2.4NaCl處理 試驗以單鹽NaCl溶液作為種子萌發(fā)的培養(yǎng)液。在塑料發(fā)芽盒中鋪雙層慮紙，分別加入質(zhì)量濃度為0，0.2%，0.4%，0.8%，1.2%和1.6%的NaCl溶液10 mL。在25℃恒溫培養(yǎng)箱中下進行萌發(fā)試驗，光照設(shè)置為12 h黑暗/12 h光照，光照強度400 μmol·m-2·s-1。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 6.0統(tǒng)計分析軟件進行方差分析，樣本間的差異顯著性用Duncans檢驗，用WPS軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照對種子萌發(fā)影響

由表1可知，在恒溫25℃的兩種光照培養(yǎng)條件下，種子發(fā)芽率均保持在70%以上，光照對巴青野生垂穗披堿草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)無顯著影響。在全黑暗條件下，種子發(fā)芽率更高，但其幼苗表現(xiàn)為黃化苗。

表1 光照對種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Table 1 Effect of light on seed germination percentage,germination index and vigor index

注:同行不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示處理間差異極顯著(P<0.01)，下同

Note: Different small letters in the same row represent significant differences at the 0.05 level, different capital letters represent significant differences at the 0.01 level, the same below

2.2 溫度對種子萌發(fā)的影響

溫度對巴青縣野生垂穗披堿草種子萌發(fā)具有極顯著影響(P<0.01)(表2，表3)。種子在恒溫10～30 ℃之間均能萌發(fā)，且在20～30℃的范圍內(nèi)其發(fā)芽率均保持在65%以上。巴青縣野生垂穗披堿草在恒溫5℃和35℃培養(yǎng)條件下種子發(fā)芽率為均0，在恒溫25℃的培養(yǎng)條件下，其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均達到最大值，分別為81%，2.23和3.88。

在4種變溫培養(yǎng)條件下，巴青縣野生垂穗披堿草種子均有萌發(fā)。其中，在變溫15/25～ 20/30℃的培養(yǎng)條件下種子發(fā)芽率均保持在65%以上。種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)在20/30℃的變溫培養(yǎng)條件下均高于其它變溫處理，分別為82.65%，2.33和10.31 。此外，巴青縣野生垂穗披堿草種子在20/30℃變溫培養(yǎng)條件下的萌發(fā)指標(biāo)均高于其最佳恒溫處理，但差異不顯著。

表2 恒溫對種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Table 2 Effect of constant temperature on seed germination percentage, germination index and vigor index

表3 變溫對種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Table 3 Effect of alternating temperature on seed germination percentage, germination index and vigor index

2.3 干旱脅迫對種子萌發(fā)的影響

隨著干旱脅迫程度的加重，巴青縣野生垂穗披堿草種子發(fā)芽率由81%降低到29%，發(fā)芽指數(shù)由2.04降低到0.42，幾乎呈直線下降趨勢(表4)。對照(0%)和5%濃度PEG脅迫下種子發(fā)芽率差異不顯著，但二者均與PEG濃度為10%，15%，20%和25%的發(fā)芽率差異顯著(P<0.05)。在PEG脅迫濃度為0%～5%下，巴青縣野生垂穗披堿草發(fā)芽率可保持在70%以上，即使在PEG濃度為25%的脅迫下，種子發(fā)芽率為29%，表明垂穗披堿草在種子萌發(fā)階段抗旱性較強。

表4 不同濃度聚乙二醇對種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Table 4 Effects of different concentrations of polyethylene glycol on seed germination percentage,germination index and vigor index

2.4 NaCl脅迫對種子萌發(fā)的影響

巴青縣野生垂穗披堿草種子發(fā)芽率隨鹽濃度的升高出現(xiàn)了先上升后下降的變化(表5)。中輕濃度NaCl溶液(0.2%，0.4%)下的種子發(fā)芽率高于高濃度NaCl溶液(0.8%，1.2%，1.6%)下的發(fā)芽率。與對照相比，0.2%，0.4%的鹽濃度培養(yǎng)下，種子發(fā)芽率無顯著差異；而在1.2%和1.6%等高濃度NaCl培養(yǎng)條件下，種子發(fā)芽率較低，呈極顯著差異(P<0.01)。

表5 不同NaCl脅迫對垂穗披堿草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Table 5 Effect of NaCl on germination percentage, germination index and vigor index of Elymus nutans

3 討論與結(jié)論

3.1 光照對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

有些植物種子萌發(fā)需要光的照射，有些則不需要，這由植物的遺傳性和環(huán)境共同決定[15]。大量研究證明，光照能夠促進種子的萌發(fā)，而在黑暗條件下種子萌發(fā)受到抑制[16-17]，但也存在種子在光照和黑暗條件下均能萌發(fā)的相關(guān)研究[18-19]，例如，梭梭(Haloxylonammodendron)種子無論在光照還是在黑暗環(huán)境中都能萌發(fā)[20]。本研究表明，種子在光照和持續(xù)黑暗培養(yǎng)條件下其發(fā)芽率、發(fā)芽勢指數(shù)和活力指數(shù)無顯著差異，即種子萌發(fā)對光照沒有特殊要求。雖然在全黑暗條件下種子發(fā)芽率較光照略高，但其幼苗的生長狀況不佳，表現(xiàn)為黃弱化。

3.2 溫度對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

溫度是影響種子萌發(fā)的重要生態(tài)因子，研究結(jié)果顯示，巴青縣野生垂穗披堿草種子在恒溫5℃和35℃處理顯示下無萌發(fā)，即種子萌發(fā)完全被抑制。種子在恒溫25℃和變溫20/30℃條件下其發(fā)芽率和萌發(fā)速率都達到了最佳響應(yīng)?？赡苁怯捎谶m宜的溫度使酶促過程和呼吸作用加強，使種子體內(nèi)貯藏的養(yǎng)分快速變成胚能夠利用的可溶性狀態(tài)，從而提高了種子的發(fā)芽率和萌發(fā)速度。其中20/30℃的變溫培養(yǎng)下，種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均高于恒溫25℃處理，但無顯著差異性。

3.3 干旱脅迫對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

巴青縣野生垂穗披堿草種子在PEG濃度為5%～25%的干旱脅迫范圍內(nèi)均能萌發(fā)，表現(xiàn)出了較強的抗旱性。種子在5%的PEG濃度下，其發(fā)芽率高于對照但差異不顯著?？赡苁堑蜐舛鹊腜EG對巴青野生垂穗披堿草種子萌發(fā)起到了引發(fā)作用。有研究表明，干旱脅迫不僅影響種子的發(fā)芽率，還對種子活力具有影響，具體表現(xiàn)在隨溶液脅迫程度的加重，種子發(fā)芽率降低、發(fā)芽延緩[21]。本研究表明，當(dāng)PEG處理濃度為25%時，其發(fā)芽率最低，較對照(0%)降低了47%。干旱脅迫對西藏巴青縣野生垂穗披堿草種子萌發(fā)具有極顯著影響(P<0.01)，隨著PEG濃度的增加，其發(fā)芽率呈下降趨勢，且開始發(fā)芽天數(shù)出現(xiàn)推遲現(xiàn)象。

3.4 NaCl對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

種子是植物重要的繁殖材料，他在萌發(fā)階段的耐鹽狀況在一定程度上反映了該物種的耐鹽程度，種子耐鹽性是耐鹽堿植物篩選與早期鑒定的主要依據(jù)之一[22]。本試驗中，在鹽濃度為0.2%時，種子發(fā)芽率達到了最高值83%，且發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均高于對照(CK)。說明低濃度的NaCl處理對垂穗披堿草種子萌發(fā)有促進作用，這與程龍、王傳旗等[23-24]人的研究結(jié)論相一致。當(dāng)鹽濃度達到1.6%時，種子發(fā)芽率為0。其原因可能是鹽脅迫使種子吸水速度變慢、吸水量降低，外界環(huán)境中Na+的進入產(chǎn)生單鹽毒害，造成膜修復(fù)困難，甚至加劇膜結(jié)構(gòu)的破壞，導(dǎo)致種子內(nèi)大量溶質(zhì)的外滲[25]。本研究結(jié)果，隨著NaCl脅迫濃度的升高，巴青縣野生垂穗披堿草種子開始發(fā)芽時間推遲，種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以鹽濃度0.4%為閾值出現(xiàn)了顯著的下降現(xiàn)象；垂穗披堿草種子在鹽濃度為0.2%～0.4%范圍內(nèi)都能夠正常萌發(fā)，且其發(fā)芽率高達70%以上，表明種子在整個萌發(fā)階段具有一定的耐鹽能力。

巴青縣野生垂穗披堿草種子萌發(fā)對光照無特殊要求，其適宜萌發(fā)溫度為恒溫20～30℃、變溫15/25～20/30℃；種子在0%～5%的PEG濃度下具有較高的發(fā)芽率，其適宜萌發(fā)鹽濃度為0%～0.4%。以上結(jié)果表明，西藏巴青縣野生垂穗披堿草種子萌發(fā)具有較強的生態(tài)適應(yīng)性，其開發(fā)利用潛力較大，可作為改善西藏地區(qū)生態(tài)環(huán)境及畜牧業(yè)發(fā)展的重要的牧草種質(zhì)資源。