人工老化處理時(shí)間與不同休眠程度狗尾草種子萌發(fā)特征間關(guān)系的研究

賈風(fēng)勤

（烏魯木齊職業(yè)大學(xué)旅游學(xué)院， 新疆 烏魯木齊830002）

種子休眠指完整的具有生活力的種子處于適宜光、溫、水、氣等能夠滿足種子萌發(fā)的物理?xiàng)l件下不能萌發(fā)，但一旦解除休眠，在同樣條件下能正常萌發(fā)的現(xiàn)象［1］。植物可利用種子休眠實(shí)現(xiàn)其不一致萌發(fā)以減少同一物種自身個(gè)體間對(duì)生長(zhǎng)資源的競(jìng)爭(zhēng)，還可提高種子度過不良環(huán)境的能力以維持種群延續(xù)［2］。種子休眠分為初生休眠和次生休眠（也稱二次休眠），其中無休眠種子或已解除休眠的種子遇到不良環(huán)境后，重新進(jìn)入休眠的現(xiàn)象為二次休眠，因此，種子休眠是植物進(jìn)化過程中發(fā)展出的適應(yīng)環(huán)境的一種策略，物種和環(huán)境的多樣性使種子休眠也呈現(xiàn)出豐富的多樣性［3］。

人工加速種子老化試驗(yàn)法通常用來研究種子老化機(jī)制［4］。在人工加速老化處理研究中，一致的結(jié)果表明，老化種子的萌發(fā)率、發(fā)芽指數(shù)等均隨老化時(shí)間延長(zhǎng)，整體呈下降趨勢(shì)［5－6］，但也有研究表明，人工加速種子老化過程中延長(zhǎng)老化時(shí)間或提高老化溫度可有效解除種子休眠［7－8］。研究還表明，解除休眠的種子遇到高溫等不良逆境時(shí)會(huì)進(jìn)入二次休眠，直到下次解除休眠并處于適宜條件下才能萌發(fā)［9－10］。狗尾草屬植物種子多具休眠特性［11－12］，兼具次生休眠特性［13］。狗尾草屬1年生草本植物狗尾草（Setaria viridis）種子具休眠特性［14］，通常也是群落演替中的先鋒物種、農(nóng)田雜草和優(yōu)良牧草。在野外調(diào)察中發(fā)現(xiàn)，種植水稻多年的水田在棄耕當(dāng)年，狗尾草多以單優(yōu)種群占據(jù)該生境，這表明土壤種子庫(kù)中狗尾草種子在經(jīng)歷夏季高溫、冬季低溫、水淹和排水等一系列土壤溫濕度變化，種子依舊處于某個(gè)較高活力水平上。目前，關(guān)于解除休眠狗尾草種子在高溫高濕環(huán)境中的萌發(fā)特征及其未萌發(fā)種子命運(yùn)方面的研究較少。本試驗(yàn)以狗尾草種子為材料，采用人工加速老化法對(duì)其休眠種子和解除休眠種子進(jìn)行老化處理，研究不同休眠程度種子萌發(fā)特征與老化時(shí)間間關(guān)系，以期為合理利用農(nóng)田狗尾草及豐富種子休眠多樣性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

休眠狗尾草種子于2012年采自新疆伊犁霍城縣當(dāng)年的棄耕地（棄耕前種植水稻），種子自然風(fēng)干，清理干凈后于－20℃冷藏。實(shí)驗(yàn)開展時(shí)狗尾草種子萌發(fā)率為（14.6±7.5）%，表明其處于休眠狀態(tài)。

解除休眠狗尾草種子：采用水埋方法將處于休眠狀態(tài)狗尾草種子每50粒種子一組置于直徑為4cm試管中，水埋深為6cm。將試管置于4℃冰箱中低溫濕藏4周后，取出種子并在23℃黑暗環(huán)境下風(fēng)干，緩沖1周后用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開展時(shí)水埋處理后的種子萌發(fā)率達(dá)95%，表明已解除其休眠。

1.2 種子老化處理

試驗(yàn)共設(shè)置7個(gè)老化時(shí)間處理即1，3，5，7，9，11d和13d，每個(gè)處理3次重復(fù)，老化溫度和濕度分別為45℃、80%。

1.3 萌發(fā)試驗(yàn)及種子活力測(cè)定

將2類種子均勻放置于直徑90mm、鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，加入5mL蒸餾水，在15℃／25℃、光照12h／黑暗12h條件下進(jìn)行萌發(fā)，每24h統(tǒng)計(jì)1次萌發(fā)情況，以胚根突破種皮2mm為標(biāo)準(zhǔn)判斷種子是否萌發(fā)，連續(xù)14d無種子萌發(fā)則視為實(shí)驗(yàn)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)未萌發(fā)種子數(shù)并采用TTC法對(duì)其進(jìn)行染色，24h后觀察胚是否染色，染色則表明其為有活力的休眠種子［8］，統(tǒng)計(jì)休眠率。

發(fā)芽指數(shù)＝∑（Gt／Dt）。

式中，Gt為發(fā)芽開始后第t天的發(fā)芽種子數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)［10］。

休眠率（%）＝萌發(fā)結(jié)束后具活力種子／供試種子總數(shù)×100%；

有活力種子總占比（%）＝萌發(fā)率＋休眠率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 13.0對(duì)狗尾草種子萌發(fā)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析（Oneway ANOVA）和Tukey法分析不同老化時(shí)間間種子萌發(fā)的差異，數(shù)據(jù)均以“平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，采用Graphpad Prims 5.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 老化時(shí)間對(duì)不同休眠程度狗尾草種子萌發(fā)進(jìn)程的影響

延長(zhǎng)老化時(shí)間對(duì)解除休眠種子萌發(fā)表現(xiàn)出顯著抑制作用（F＝64.079，p＝0.000）；對(duì)休眠種子則表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制，且2種不同休眠程度的種子萌發(fā)率在不同時(shí)間間均差異顯著（F＝18.187，p＝0.000）。隨老化時(shí)間延長(zhǎng)，解除休眠種子萌發(fā)率呈單調(diào)下降趨勢(shì)，萌發(fā)率由85.4%（老化1d）逐漸下降至無種子萌發(fā)（老化13d）；而休眠種子萌發(fā)率呈倒“V”型，老化1d的種子萌發(fā)率最低為16.9%，老化7d的種子萌發(fā)率最高，達(dá)67.8%，老化13d的種子萌發(fā)率下降至19.6%（圖1）。

延長(zhǎng)老化時(shí)間使2種不同休眠程度狗尾草種子萌發(fā)時(shí)間延遲，其中對(duì)解除休眠種子初始萌發(fā)時(shí)間的延遲作用較休眠狗尾草明顯。老化1d的解除休眠種子在第4天觀察到萌發(fā)現(xiàn)象，而休眠種子則在第2天；當(dāng)老化時(shí)間為13d時(shí)，解除休眠種子無種子萌發(fā)，休眠種子則延遲至第10天。由圖1可知，延長(zhǎng)老化時(shí)間還在一定程度上縮短了2種不同休眠程度種子的萌發(fā)進(jìn)程，尤其是明顯縮短了休眠種子萌發(fā)進(jìn)程。老化1d的休眠種子萌發(fā)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30d，當(dāng)老化時(shí)間延長(zhǎng)至13d時(shí)，第23天即無種子萌發(fā)；解除休眠種子平均萌發(fā)時(shí)間為18d。

2.2 老化時(shí)間對(duì)不同休眠程度狗尾草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

圖1 7個(gè)老化時(shí)間下不同休眠程度狗尾草種子萌發(fā)進(jìn)程

表1 7個(gè)老化時(shí)間下不同休眠程度狗尾草種子的發(fā)芽指數(shù)

表2 老化時(shí)間與不同休眠程度狗尾草種子活力間關(guān)系

從表1可以看出，老化時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)休眠和解除休眠狗尾草種子發(fā)芽指數(shù)均產(chǎn)生顯著影響，其中，對(duì)休眠種子表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制，適當(dāng)老化時(shí)間（5，7d）下，種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于短時(shí)間（1，3d）和長(zhǎng)時(shí)間（11，13d）老化種子；解除休眠種子總體表現(xiàn)為降低其發(fā)芽指數(shù)，長(zhǎng)時(shí)間老化（老化9，11d和老化13d）的種子發(fā)芽指數(shù)顯著低于短時(shí)間老化的種子（老化1，3d和老化5d）。表明短時(shí)間老化（老化1，3d）有利于解除休眠種子集中萌發(fā)，較長(zhǎng)時(shí)間的老化（老化5，7d）有利于休眠種子的集中萌發(fā)（圖1、表1）。

2.3 老化時(shí)間對(duì)不同休眠程度狗尾草種子活力的影響

隨老化時(shí)間延長(zhǎng)，休眠種子中未萌發(fā)種子的休眠率和有活力種子總占比總體上呈顯著降低趨勢(shì)，解除休眠種子中未萌發(fā)種子休眠率則表現(xiàn)為顯著增加，但有活力種子總占比表現(xiàn)出“V”型的顯著變化。休眠種子有活力種子總占比在老化13d后顯著下降至58.9%，有41.1%的種子在高溫高濕環(huán)境下失去活力腐爛或死亡；而解除休眠狗尾草種子有活力種子總占比在老化7d時(shí)降為最低，為87.2%，其余老化時(shí)間下有活力種子總占比均高于93%（表2），表明在所有老化時(shí)間內(nèi)只有0.2%～12.8%的種子會(huì)失去活力。

3 結(jié)論與討論

在本研究中，老化時(shí)間的長(zhǎng)短顯著影響2種不同休眠程度狗尾草種子的萌發(fā)特征。對(duì)于休眠種子而言，一定時(shí)間的老化可促使種子解除休眠（如老化5，7 d和老化9d），提高其萌發(fā)率；相反，對(duì)于解除休眠種子，延長(zhǎng)老化時(shí)間不但顯著降低種子萌發(fā)率，而且誘導(dǎo)種子進(jìn)入二次休眠，同時(shí)導(dǎo)致2類種子初始萌發(fā)時(shí)間均顯著延長(zhǎng)。延長(zhǎng)老化時(shí)間導(dǎo)致休眠種子中0.7%～41.1%的種子失去活力，解除休眠種子為0.2%～12.8%，表明相對(duì)于休眠種子，解除休眠種子適應(yīng)高溫高濕的脅迫環(huán)境需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，但適應(yīng)能力更強(qiáng)。

濕冷層積處理能解除許多種子休眠，已在諸如羊草（Leymus chinensis）、山鳶尾（Iris setosa）、狗尾草等草本植物種子上取得較好效果［15－17］。在本研究中，休眠狗尾草種子經(jīng)歷低溫水埋4周后萌發(fā)率達(dá)95%，表明低溫下，水埋處理可有效解除狗尾草種子休眠，效果與濕冷層積相同，也用科學(xué)方法解釋了為什么水稻田在棄耕當(dāng)年狗尾草可以單優(yōu)種群占據(jù)該生境的原因。同時(shí)在本研究中還觀察到休眠狗尾草種子隨老化時(shí)間延長(zhǎng)萌發(fā)率呈倒“V”型，尤其是老化5，7d和老化9d的狗尾草種子，萌發(fā)率均超過50%，表明人工加速老化處理在一定程度上可促進(jìn)種子萌發(fā)，并可能解除種子休眠，這與前人研究結(jié)果相一致［8］。

有大量研究表明，人工加速老化處理能較為迅速直接地導(dǎo)致種子內(nèi)部物質(zhì)能量代謝變化以及生理生化劣變，導(dǎo)致其活力降低并直接抑制萌發(fā)［18］。但在本研究中，隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)，雖然解除休眠狗尾草種子萌發(fā)率呈下降趨勢(shì)，但有活力種子總占比超過87%，說明人工老化處理后其未萌發(fā)種子并沒死亡而是處于休眠狀態(tài)。研究表明，當(dāng)解除休眠的水曲柳（Fraxinus mandshurica）種子在超過20℃的恒溫條件下便會(huì)誘導(dǎo)種子產(chǎn)生二次休眠，尤其是在較高溫度下超過3d再恢復(fù)到適宜萌發(fā)的溫度時(shí)，大部分種子會(huì)產(chǎn)生二次休眠［10］。本研究分析結(jié)果顯示，當(dāng)老化時(shí)間為9d時(shí)有超過75%的種子處于休眠狀態(tài)，表明解除休眠狗尾草種子也因高溫環(huán)境脅迫進(jìn)入二次休眠。由此推測(cè)，對(duì)于有休眠特性的種子如狗尾草、水曲柳，在對(duì)其解除休眠進(jìn)行人工老化處理時(shí)，其種子內(nèi)部的生理生化變化過程可能與無休眠種子有所不同。因此，人工加速老化處理下解除休眠種子生理生化變化過程尚需進(jìn)一步研究。

如果用有活力種子總占比的高低反映種子對(duì)脅迫環(huán)境的適應(yīng)程度，本研究結(jié)果表明，解除休眠種子對(duì)脅迫環(huán)境的適應(yīng)能力較休眠種子為高。因?yàn)殡S老化時(shí)間延長(zhǎng)，解除休眠種子中有超過87%的種子始終保持活力，休眠種子則可低至58.9%。同時(shí)在本研究中，老化13d時(shí)解除休眠種子便無萌發(fā)現(xiàn)象，但多數(shù)種子保持活力；而休眠種子則在所有老化時(shí)間內(nèi)均可觀察到種子萌發(fā)，這進(jìn)一步表明解除休眠種子需花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間來適應(yīng)環(huán)境變化，所以，在更廣泛的意義上，無論是休眠狗尾草種子還是解除休眠狗尾草種子，都能敏銳地捕捉到環(huán)境的溫度信號(hào)，選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)解除休眠或進(jìn)入二次休眠，同其他物種一樣，這不僅是自然選擇的結(jié)果，也是對(duì)其分布區(qū)環(huán)境的一種適應(yīng)，同時(shí)也是其重要的進(jìn)化策略之一［19－20］。

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