溫濕度脅迫對兩種榕屬植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

官云芳, 彭艷瓊, 古 旭, 張 穎, 張 媛

(1.西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性保護(hù)學(xué)院, 昆明 650224;2.中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園, 云南 西雙版納 666303)

氣候變化引起的高溫、干旱、土地鹽堿化等極端氣候事件越來越頻繁,顯著地影響植物的生長和更新,耐多種逆境交互脅迫的植物群落在生態(tài)恢復(fù)中發(fā)揮著重要的作用[1]。種子萌發(fā)是植物生命周期的關(guān)鍵過程,是幼苗生長、植物群落建成與延續(xù)成功的基礎(chǔ),也是非生物脅迫最敏感的階段[2]。溫度與干旱是這一時期主要的影響因子。高溫可通過改變種子的膜透性、酶促反應(yīng)等過程影響種子萌發(fā),進(jìn)而影響植物幼苗增補(bǔ)和種群更新[3-4],故高溫是影響林木生長發(fā)育的重要逆境因子之一,尤其對林木幼苗生長影響極大,幼苗能否忍耐高溫逆境成苗直接關(guān)系到林木育苗的成敗。濕度脅迫會使種子發(fā)芽減少或延遲,葉片氣孔關(guān)閉,阻礙酶合成反應(yīng)或終止光合作用,甚至導(dǎo)致植物死亡[5-6]。在全球變化的大背景下[7],高溫往往伴隨著干旱同時發(fā)生,已有的研究主要考慮高溫單一因子的影響[8-9],而對溫濕度交互影響的研究較為缺乏。探索種子萌發(fā)、幼苗生長對外界多種環(huán)境因子交互脅迫的響應(yīng),對于物種保護(hù)以及評估植物群落和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要[10]。

?？?Moraceae)榕屬(Ficus)植物是國際上公認(rèn)的熱帶雨林中的一類關(guān)鍵植物類群[11]。在熱帶雨林中,一年四季均可掛果的榕屬植物是鳥類、獸類、昆蟲等動物重要的食物來源,同時也為多種寄生和附生植物提供了良好的棲息與生存空間,使得榕樹在維持熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性中發(fā)揮著不可替代的作用[12-13]。此外,一些榕屬植物可在受到破壞的林段、林窗等區(qū)域萌發(fā)、生長,成為先鋒種;一些榕屬植物可通過在寄主植物上萌發(fā)生長,產(chǎn)生“絞殺”現(xiàn)象并實(shí)現(xiàn)林分的更新。因此,榕樹種子萌發(fā)和幼苗生長定居的過程在熱帶森林演替的動態(tài)過程中具有重要作用[14]。此外,榕屬植物也是重要的園林綠化樹種和食藥用植物,具有較高的應(yīng)用價值[11,13]。近年來,榕屬植物的生理生態(tài)特征以及經(jīng)濟(jì)利用價值越來越受到關(guān)注[15]。郭健華等[16]研究表明,榕樹具有一定的耐熱性,但極端天氣的頻繁出現(xiàn)對榕屬植物的生長和存活帶來了較大影響。同時,一些城市種植的行道榕樹,在經(jīng)歷了較為極端的氣候波動后,出現(xiàn)了植株生長受到損害甚至死亡的現(xiàn)象,造成了城市景觀的破壞和較大的經(jīng)濟(jì)損失[17-18]。目前,尚未見關(guān)于榕屬植物對溫濕度脅迫及其交互作用響應(yīng)的報道。在全球環(huán)境變化大背景下,揭示榕屬植物對極端環(huán)境因子響應(yīng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

斜葉榕(FicustinctoriaCorner.)和聚果榕(FicusracemosaL.)是熱帶雨林中的兩種常見樹種,同時也是常用的園林綠化樹種。本研究將通過設(shè)置不同的溫度和干旱條件,研究溫度和濕度對斜葉榕和聚果榕種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。通過探索兩種榕屬植物在溫度、干旱交互脅迫下種子發(fā)芽和幼苗生長特性及耐受程度,旨在揭示兩種榕樹對逆境脅迫的耐受力,以期為榕屬植物的保護(hù)和園林綠化樹種的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用斜葉榕和聚果榕種子采自中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園(21°41′N,101°25′E)及周邊地區(qū),每種選取3株樹,每株樹采集10個成熟榕果,將種子取出后清洗干凈并陰干,從中隨機(jī)挑出均勻、飽滿、健康的種子備用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1溫度對種子萌發(fā)的影響

人工氣候箱(賽福 PGX-350C)設(shè)置20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃共4個溫度梯度。試驗(yàn)采用紙皿法:將培養(yǎng)皿(直徑12 cm)用高壓蒸汽滅菌器(MLS-3751L-PC)在121 ℃下滅菌15 min,滅菌好的培養(yǎng)皿內(nèi)墊上一薄層脫脂棉,脫脂棉上鋪上消毒過的濾紙,以超純水浸潤脫脂棉和濾紙。每個處理3個重復(fù),每個培養(yǎng)皿均勻放置15粒種子,每粒種子獨(dú)立編號以便于跟蹤觀察。相對濕度設(shè)置為80%,光照條件設(shè)置為每隔12 h光暗交替1次。試驗(yàn)過程中每天對培養(yǎng)箱進(jìn)行檢查并及時補(bǔ)充蒸餾水,保持濾紙濕潤、清潔,并記錄種子發(fā)芽數(shù),若發(fā)現(xiàn)霉變種子及時清除。

1.2.2干旱脅迫對種子萌發(fā)的影響

以PEG-4000來模擬干旱條件,設(shè)置5個濃度分別為0(對照組),5%,10%,20%,25%,對兩種榕屬種子分別浸泡24 h后放置于培養(yǎng)皿,每個處理3個重復(fù),每皿均勻放置15粒種子,每天記錄種子發(fā)芽數(shù),人工氣候箱內(nèi)相對濕度和光照等設(shè)置同1.2.1。

1.2.3溫度和干旱脅迫對種子萌發(fā)的交互作用

上述每個溫度梯度均設(shè)置5個PEG濃度(0,5%,10%,20%,25%),共20個組合,每個組合3次重復(fù),每種榕果測量60個培養(yǎng)皿,每皿15粒種子,共計900粒種子,其他方法同1.2.1。

1.3 指標(biāo)測定及數(shù)據(jù)處理

1.3.1指標(biāo)測定

試驗(yàn)以胚根露出種皮2 mm作為種子萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn),每天觀察種子萌發(fā)數(shù)直至所有種子萌發(fā)結(jié)束,發(fā)芽最高峰時間為當(dāng)日種子萌發(fā)數(shù)最多的時間。每周使用電子游標(biāo)卡尺(寶工PD-151)測定每株幼苗的胚根和胚芽長,若一周內(nèi)胚根和胚芽長不再生長視為生長結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽率/%=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%;

發(fā)芽勢/%=(第9天發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%;

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt),

式中:Gt為在時間t日的發(fā)芽數(shù),Dt為發(fā)芽日數(shù)。

1.3.2響應(yīng)面分析試驗(yàn)

以溫度脅迫(T)、PEG脅迫(P)、萌發(fā)時間(C)為變量,根據(jù) Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計原理[19],設(shè)計3因素3水平的中心組合,以種子發(fā)芽率為響應(yīng)值,并采用Design-Expert13.0.1 Trial 軟件進(jìn)行設(shè)計與分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

運(yùn)用Microsoft Excel2010軟件整理數(shù)據(jù),IBM SPSS Statistics26.0軟件進(jìn)行多因素方差分析,分析溫度和PEG溶液模擬干旱脅迫及其交互作用對種子萌發(fā)指標(biāo)和幼苗生長參數(shù)的影響,根據(jù)Duncan檢驗(yàn)分析不同處理間的差異顯著性,運(yùn)用OriginPro2019軟件和Design Expert13.0軟件作圖。所有數(shù)據(jù)用平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度與干旱脅迫對兩種榕屬植物種子生長進(jìn)程的影響

低溫顯著延長了榕樹種子萌發(fā)進(jìn)程,高溫與PEG溶液濃度形成的共同脅迫可以減緩種子萌發(fā)速度,降低種子萌發(fā)率。從圖1(A)可知,25 ℃和30 ℃溫度水平下,斜葉榕種子在第7天開始萌發(fā),且最終萌發(fā)率可達(dá)90%以上,說明適宜溫度下斜葉榕種子對干旱有一定抗性,高低溫則顯著延長了種子萌發(fā)時間,在35 ℃無干旱脅迫下,萌發(fā)率可達(dá)80%,但同樣溫度加上干旱脅迫后,萌發(fā)率降至20%～60%;與斜葉榕類似,由圖1(B)可知,聚果榕在第7天開始萌發(fā),但聚果榕種子發(fā)芽進(jìn)程與斜葉榕存在一定差異,主要表現(xiàn)在35 ℃下的萌發(fā)進(jìn)程較斜葉榕快,但低溫狀態(tài)下萌發(fā)進(jìn)程較斜葉榕慢,且PEG溶液濃度對種子萌發(fā)進(jìn)程的影響在低溫狀態(tài)下更顯著。

注:T1、T2、T3、T4分別表示4 個溫度水平(20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃);P1、P2、P3、P4、P5分別表示5 個PEG溶液濃度(0,5%,10%,20%,25%)。圖1 溫度、PEG脅迫下兩種榕屬植物種子萌發(fā)的進(jìn)程Fig.1 Seed germination progress of 2 Ficus plants under temperature and PEG stress

2.2 溫度與干旱脅迫對兩種榕屬植物種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響

如圖2所示,在25 ℃和30 ℃溫度梯度下,不同干旱脅迫下斜葉榕種子都具有較高的發(fā)芽率(97.30%和99.56%),且保持較為一致的發(fā)芽速度。在低溫(20 ℃)和高溫(35 ℃)下,發(fā)芽率則受到影響,分別降低至61.33%和47.61%。聚果榕種子在4 種溫度處理下的平均發(fā)芽率達(dá)70%以上,在30 ℃時萌發(fā)率最高,為88.89%,而在25 ℃時發(fā)芽整齊度最高,發(fā)芽勢為63.37%,發(fā)芽速率也最快。在適宜溫度下,榕屬植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均較高,說明此時斜葉榕和聚果榕種子不但具有較高的發(fā)芽率和種子活力,同時也有更高的萌發(fā)整齊度。同時,比較兩種榕屬植物在25℃和30℃條件下,種子的發(fā)芽指標(biāo)在不同PEG溶液濃度下變化幅度較小,而在高溫(35 ℃)和低溫(20 ℃)狀態(tài)下變化較大,說明在極端溫度條件下,種子對干旱更為敏感,兩種榕屬種子均呈現(xiàn)相似規(guī)律。

注:誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。不同小、大寫字母分別表示處理間差異顯著(p<0.05)。圖2 溫度、PEG脅迫下兩種榕屬植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)Fig.2 Seed germination rate, germination potential and germination index of 2 Ficus plants under temperature and PEG stress

2.3 溫度與干旱脅迫對兩種榕屬植物幼苗生長的影響

除10% PEG處理時聚果榕的胚芽長在各溫度水平差異不顯著外,其他各PEG處理條件下,兩種榕屬植物的胚芽和胚根長在4種溫度水平下均有顯著差異(表1)。且隨著溫度的升高,幼苗生長均呈現(xiàn)先促進(jìn)后抑制的趨勢。斜葉榕在所有溫度梯度下,PEG處理對胚芽長的影響顯著。而聚果榕在除35 ℃外的其他溫度梯度下,PEG處理對其胚芽長的影響均顯著。斜葉榕在除30℃外的其他溫度梯度下,PEG處理對其胚根長的影響均顯著,而聚果榕在所有溫度梯度下,PEG處理對其胚根長的影響均顯著。同時,斜葉榕幼苗的生長速度整體趨勢上比聚果榕快,尤其是在25 ℃和30 ℃下斜葉榕胚根獲得最適生長。

表1 溫度、PEG脅迫下兩種榕屬植物幼苗的胚根和胚芽長Table 1 Root and shoot lengths of 2 Ficus plant seedlings under temperature and PEG stress

2.4 溫度與干旱脅迫對兩種榕屬植物種子萌發(fā)和幼苗生長的交互作用分析

由表2可知,當(dāng)溫度單獨(dú)作用時,對兩種榕屬種子萌發(fā)及幼苗生長的所有指標(biāo)有極顯著影響,當(dāng)模擬干旱單獨(dú)作用時,對斜葉榕所有指標(biāo)均有顯著影響,而對聚果榕的發(fā)芽勢、胚根和胚芽影響顯著,對發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)影響不顯著。溫度、干旱共同作用時,對斜葉榕的發(fā)芽率、胚根長和胚芽長具有交互作用,對聚果榕的胚根長和胚芽長表現(xiàn)出交互作用。

表2 溫濕度及其交互作用對兩種榕屬植物種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚根長和胚芽長的影響Table 2 Effects of temperature,drought and its interaction on germination rate,germination potential,germination index,root length and shoot length in two Ficus plants

2.5 溫度、干旱交互脅迫對兩種榕屬植物種子萌發(fā)率的擬合分析

斜葉榕種子發(fā)芽率的回歸方程:Y1=98.67-34.03A+2.89B+6.54C+4.85AB+0.86AC-2.22BC-38.92A2+3.55B2-8.89C2;聚果榕種子發(fā)芽率的回歸方程:Y2=92.06-4.17A-1.67B+0.83C+1.67AC+1.11BC-6.8 7A2-0.75B2-5.76C2。由表3可知,斜葉榕試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到極顯著水平,模型決定系數(shù)R2=0.995 3,說明該模型的擬合度很好,失擬項差異不顯著;聚果榕試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到顯著水平,模型決定系數(shù)R2=0.826 9,說明該模型的擬合度較好,失擬項差異不顯著,綜上所述,兩個模型均可用于斜葉榕、聚果榕發(fā)芽率的條件分析和預(yù)測。

圖3 溫度和PEG交互作用對斜葉榕種子發(fā)芽率的影響 Fig.3 Effect of temperature and PEG interaction on seed germination rate of Ficus tinctoria Corner.

圖4 溫度和PEG交互作用對聚果榕種子發(fā)芽率的影響 Fig.4 Effect of temperature and PEG interaction on seed germination rate of Ficus racemosa L.

表3 回歸模型方差分析Table 3 Regression model analysis of variance

通過比較兩種榕屬植物種子萌發(fā)的響應(yīng)面曲線,模擬結(jié)果如圖3和圖4所示。密集或陡峭程度越高表明對結(jié)果響應(yīng)值的影響越大,溫度和PEG溶液濃度在斜葉榕種子萌發(fā)上體現(xiàn)出比聚果榕顯著的交互作用,這與方差分析結(jié)果一致。

3 討 論

種子萌發(fā)是植物生活史的重要階段,易受自身和外界脅迫環(huán)境的影響,探索種子萌發(fā)、幼苗生長應(yīng)對溫度、干旱及其交互脅迫下的響應(yīng)策略,可以更好地了解植物生存適應(yīng)和種群建植的過程[4,20]。研究表明,在不同環(huán)境和外界脅迫條件下,不同植物種類生長發(fā)育的能力也不同[21-22]。本研究結(jié)果表明,種子萌發(fā)狀態(tài)受溫度影響的程度因物種而異。25～30 ℃更有利于斜葉榕和聚果榕的種子萌發(fā)及幼苗生長。在20 ℃和35 ℃時,斜葉榕種子萌發(fā)和幼苗生長受到較大影響,而與斜葉榕相比,聚果榕種子對高低溫表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗性,在本試驗(yàn)設(shè)置的溫度范圍內(nèi),聚果榕種子發(fā)芽率變化較斜葉榕更小,說明不同種榕樹對高低溫的耐受性存在差異。徐迪等[23],洪嵐等[24]研究表明,一些植物的種子,如三葉鬼針草、沙棘種子的發(fā)芽率對溫度的響應(yīng)并不明顯。一般而言,溫度對種子萌發(fā)的影響是一個持續(xù)積累的過程[25],低溫沉積則有助于打破種子休眠[26]。本研究中,高低溫處理下兩種榕屬種子的最終萌發(fā)率會稍有降低,尤其是低溫下種子萌發(fā)進(jìn)程被顯著延緩,斜葉榕種子的萌發(fā)高峰期也稍晚于聚果榕種子,但在適宜的溫度條件下,兩種榕屬種子都可以大量萌發(fā)且萌發(fā)進(jìn)程較快,這表明低溫下榕屬植物種子可能具有一定的休眠時間,種子完全解除休眠可能需要更高的積溫條件。

水分是影響種子萌發(fā)、幼苗形態(tài)建成的主要環(huán)境因子,是種子吸脹后胚軸伸長的起始因子,能夠參與發(fā)芽代謝過程[27]。許多植物長期生活在干旱生境中,植物體內(nèi)因水分缺失導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)所需水分含量不足,危害嚴(yán)重的可使種子無法正常萌發(fā)或抑制幼苗生長[28]。目前氣候變化加劇了干旱的嚴(yán)重性和持續(xù)時間,熱帶雨林也同樣受到干旱等極端氣候的影響[29]。有關(guān)研究顯示,西雙版納熱帶雨林種子和幼苗在6個月的旱季中,林下樹種幼苗的死亡比例能達(dá)26.49%[30],可見旱季是熱帶雨林林下幼苗存活的一個關(guān)鍵時期。本研究結(jié)果顯示,除10% PEG處理外,兩種榕屬植物的胚芽和胚根長在其他PEG濃度處理下均有顯著差異,表明幼苗生長對PEG脅迫較為敏感,這與閆興富等[2]的研究結(jié)果一致。一般情況下,雨季會出現(xiàn)一個較短的干旱持續(xù)時間,植物對低于正常水平的短期干旱反應(yīng)迅速,能夠利用部分降水維持其生長[29],這一短暫的關(guān)鍵期不僅有助于種子從深層土壤中充分吸收水分盡早萌發(fā),而且也能減少因降雨強(qiáng)度過大對幼苗根系造成的傷害,在一定程度上降低了幼苗在雨季的死亡率。因此,在生產(chǎn)實(shí)踐中,利用雨季中短暫的干旱期播種榕屬種子可能比霧涼季、干熱季播種時更容易緩解干旱脅迫對種子造成的傷害。

植物在自然界常常要面臨多種環(huán)境因子的共同脅迫,其中干旱與溫度因子的共同作用可能會加劇對種子發(fā)芽和幼苗形態(tài)建成的影響[4]。本研究表明,溫濕度交互脅迫,對斜葉榕的影響較聚果榕更大,說明在極端溫度條件下,斜葉榕對干旱的抵抗能力下降,而聚果榕表現(xiàn)出了更強(qiáng)的溫度和干旱的適應(yīng)性。兩種榕屬種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)在20 ℃與PEG交互作用時均有顯著差異,說明低溫下種子萌發(fā)對水分有更高的要求,其原因可能是在西雙版納熱帶森林中,極易在低溫下形成濃霧,從而降低了干旱脅迫,在一定程度上緩解了對種子可能造成的凍害程度。

植物性狀是生態(tài)過程的體現(xiàn),它們通過調(diào)整幼苗獲取資源的結(jié)構(gòu)達(dá)到最適合的條件,從而提高資源的吸收[30]。本研究結(jié)果顯示,斜葉榕的胚根生長速度明顯比聚果榕快,且對干旱的響應(yīng)更加明顯,表明斜葉榕分配給胚根生長的能量更多。本結(jié)果也顯示,適宜的溫度條件下,當(dāng)給植物施與輕度干旱時,植物的胚根生長更強(qiáng),極端高溫下則隨著干旱脅迫程度的增加胚根生長受到抑制,這可能是因?yàn)樾比~榕的生長環(huán)境及種子特性造成的。斜葉榕主要分布于低谷山地林中或曠地、水旁,在瘠薄的土壤或石縫中均可生長,根系發(fā)達(dá),也是熱帶雨林中常見的半附生榕樹,其種子常常在棕櫚樹等的縫隙中萌發(fā)形成“絞殺”現(xiàn)象[14],斜葉榕為了保持自身的生長,會將根系不斷擴(kuò)展到土壤或附生植物深處以獲得水分。與此相反,聚果榕自身為陽性植物,幼樹在光照條件充足地段生長很快,這可能也是聚果榕胚芽得以在中高溫下保持較高生長能力的原因。兩種榕屬植物對溫濕度交互作用的響應(yīng)表現(xiàn)出差異,從植物生理方面對不同榕屬植物響應(yīng)的機(jī)制進(jìn)行研究將是一個有意義的研究方向。

本研究結(jié)果暗示,在全球變化大背景下,熱帶雨林中榕屬植物的種子萌發(fā)和幼苗形態(tài)建成可能會受到較大的影響,但影響程度在不同的榕樹之間可能存在差異,有必要在更大范圍內(nèi)開展榕屬植物與氣候變化關(guān)系的研究,從而為更大尺度上開展熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究提供科學(xué)依據(jù)。同時,在選擇榕屬植物作為行道樹種進(jìn)行繁殖栽培時,應(yīng)根據(jù)不同榕樹的環(huán)境耐受性,結(jié)合種植地區(qū)的氣候特征,進(jìn)行科學(xué)合理的選擇,避免因環(huán)境因子的不適宜而影響榕樹的生長發(fā)育,甚至導(dǎo)致行道樹的死亡[18]。