溫度對江南油杉種子萌發(fā)特性的影響

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(1.廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院廣西優(yōu)良用材林資源培育重點實驗室，南寧 530002；2.中南林業(yè)科技大學生命科學與技術學院，湖南 長沙 410004)

種子繁殖是植物繁衍的重要手段，種子萌發(fā)潛在影響著植物種群的動態(tài)和組成，任何不利于種子萌發(fā)的因素都會直接影響到種群的穩(wěn)定性[1]。溫度是植物種子萌發(fā)的主要因素，溫度高低直接影響種子萌發(fā)和出苗，適宜的溫度是種子萌發(fā)所需的必要條件，掌握適宜種子萌發(fā)的溫度對指導苗木生產(chǎn)實踐具有重要意義[2-3]。

江南油杉(Keteleeriafortuneivar.cyclolepis)隸屬松科(Pinaceae)油杉屬(Keteleeria)，是我國特有常綠大喬木，現(xiàn)塊狀分布或散生于我國廣西、云南、貴州、廣東、湖南、福建、浙江、江西等省區(qū)海拔1 000 m以下的丘陵和低山，球果圓柱形或橢圓狀圓柱形，長7～15 cm，徑3～6 cm，種子橢圓形，正面褐色有光澤，背面淡黃色，10月中旬至11月中旬成熟[4]。江南油杉具有很強的抗逆性和生態(tài)適應性，加之其樹干高大通直，材質(zhì)優(yōu)良，是山地造林、用材林和園林綠化的理想樹種。由于長期人為砍伐和自生自滅過程，江南油杉天然種質(zhì)資源流失嚴重，現(xiàn)處于漸危狀態(tài)[5]。據(jù)調(diào)查，江南油杉林下幼苗嚴重缺乏，種群更新困難，在100 m2范圍內(nèi)，株高<20 cm的幼苗僅有6～10株。

表1 江南油杉種子大小和采集地基本信息

注：LY為廣西凌云縣；BB為廣西博白縣；FN為云南富寧縣；WM為貴州望謨縣。

目前，對江南油杉的研究主要集中在系統(tǒng)分類[6]，地理分布[7-8]，群落結構特征[8]、細胞生物學[9]、育苗技術[10]等方面，迄今未見有關江南油杉種子萌發(fā)特性的研究報道。為此，筆者設置溫度梯度開展種子萌發(fā)實驗，以了解溫度變化對江南油杉種子萌發(fā)的影響，揭示江南油杉不同種源間種子萌發(fā)對溫度響應的差異以及與生境條件的關系，并探明江南油杉種子最佳發(fā)芽溫度，為江南油杉資源開展合理保護以及引種栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試種子

實驗材料分別來源于廣西博白縣、凌云縣、云南富寧縣、貴州望謨縣4個江南油杉天然種群，其中廣西為江南油杉中心分布區(qū)，云南和貴州為邊緣分布區(qū)。采集地基本信息如表1所示。果實采收于2014年10月，球果采回后堆放在室內(nèi)數(shù)天，待種子充分成熟后攤曬于陽光下，種鱗自然開裂脫出種子，種子晾干后，每個種群隨機挑選30粒種子，測定種子長、種子寬和種子厚，重復3次；每個種群隨機挑選100粒飽滿種子用電子天平稱重，重復5組，計算種子千粒重(表1)。

1.2 種子萌發(fā)

實驗前待試種子用0.2%K2MnO4溶液消毒10 min，再用蒸餾水沖洗干凈，之后置于蒸餾水中浸泡24 h催芽。種子催芽后每個種群隨機選取30粒種子均勻放入鋪有2層濾紙的10 cm培養(yǎng)皿內(nèi)，每種群重復3次。每個培養(yǎng)皿內(nèi)加入適量蒸餾水，以不使種子移動為適。實驗共設置5個恒溫(15，20，25，30，35 ℃)和2個變溫(15 ℃/25 ℃、20 ℃/30 ℃)(12/12 h)條件，所有萌發(fā)處理在1 000 lx,12 h/d的光照，90%RH下進行。實驗中當胚根達到種子長1/2時視為發(fā)芽，每24 h觀察記錄萌發(fā)狀況，同時補充適量水分。實驗持續(xù)30 d。

1.3 發(fā)芽指標計算公式

1) 萌發(fā)率(%)=發(fā)芽種子總數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

2) 發(fā)芽勢(%)=10 d內(nèi)正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%；

3) 發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，式中，Gt為t天內(nèi)的發(fā)芽種子數(shù)，Dt為發(fā)芽天數(shù)；

4) 萌發(fā)時滯(d)：第1粒種子萌發(fā)所需天數(shù)；

5) 萌發(fā)歷期(d)：第1粒種子和最后1粒種子萌發(fā)時間差；

6) 胚芽和胚根長度(mm)：種子播種的第20天，從每個培養(yǎng)皿選取10粒萌發(fā)的種子分別測定胚芽和胚根長度(不足10粒則全部測量)；

注：同一種源不同字母表示差異顯著(p<0.05)。圖1 溫度對不同種源江南油杉種子萌發(fā)指標的影響

7) 萌發(fā)值=[(∑DGS)/N]×Gr×10，DGS為日累積萌發(fā)數(shù)除以相應的萌發(fā)天數(shù)所得商，N為從萌發(fā)開始到結束的天數(shù)，Gr為最終萌發(fā)率[11-13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2007進行常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計以及作圖；用SPSS 19.0對不同種源和不同溫度條件下江南油杉種子萌發(fā)指標進行方差分析，多重比較(采用鄧肯氏新復極差法)，通過相關分析分析江南油杉種子萌發(fā)指標與種子形態(tài)、大小以及種源地環(huán)境因子的相關性，顯著性水平均設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 溫度對江南油杉種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響

不同溫度條件下4個種源江南油杉種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)見圖1。恒溫條件下，隨著溫度升高，4個種源種子的萌發(fā)率呈先增加后減小的趨勢。25 ℃條件下，4個種源種子萌發(fā)率均達到最大值，分別為富寧53.3%、博白70.0%、望謨60.0%、凌云48.3%。富寧和望謨種源均在15 ℃條件下萌發(fā)率最低，而博白和凌云種源均在35 ℃條件下萌發(fā)率最低。變溫條件下，除了在20 ℃/30 ℃下富寧的種子萌發(fā)率略高于30 ℃，其余種源種子在20 ℃/30 ℃下的萌發(fā)率均低于30 ℃；4個種源在15 ℃/25 ℃下的萌發(fā)率均低于25 ℃。多重比較結果表明，4個種源江南油杉種子在不同溫度條件下的萌發(fā)率部分結果存在顯著差異。

恒溫條件下，江南油杉種子的發(fā)芽勢和萌發(fā)率一樣，隨著溫度升高其發(fā)芽勢呈先增加后減小的趨勢，博白和凌云種源種子的發(fā)芽勢隨著溫度升高，在25 ℃下達到最大值，而富寧和望謨種源種子的發(fā)芽勢隨著溫度升高，在30 ℃下達到最大值，凌云種源種子在15，20，35 ℃下發(fā)芽勢均為0。變溫條件下，博白種子在20 ℃/30 ℃下發(fā)芽勢大于30 ℃下發(fā)芽勢，凌云種子在20 ℃/30 ℃下發(fā)芽勢與30 ℃下發(fā)芽勢相等。

表2 不同溫度條件下江南油杉種子萌發(fā)指標的差異

注：同一列數(shù)據(jù)不同字母表示差異顯著；“-”表示差異不顯著，“*”p<0.05；“**”p<0.01。

4個種源江南油杉種子發(fā)芽指數(shù)各不相同，表現(xiàn)為隨著溫度升高發(fā)芽指數(shù)呈先增加后減小的趨勢。富寧、博白、凌云種源種子均在25 ℃條件下發(fā)芽指數(shù)達到最大值；望謨種源種子在35 ℃條件下發(fā)芽指數(shù)達到最大值。富寧和望謨種子在15 ℃下發(fā)芽指數(shù)最??；博白和凌云種子在35 ℃下發(fā)芽指數(shù)最小。變溫條件下，博白種子在20 ℃/30 ℃下發(fā)芽指數(shù)大于30 ℃。

2.2 溫度對江南油杉種子萌發(fā)時間、胚芽和胚根生長的影響

不同溫度條件下，江南油杉種子萌發(fā)時間、胚芽和胚根生長見圖1。4個種源江南油杉種子在15 ℃條件下，萌發(fā)時滯均最長，分別為富寧10.33 d、博白11.33 d、望謨16.33 d、凌云16.33 d。25 ℃條件下，4個種源江南油杉種子萌發(fā)時滯均最短，且25 ℃下各種源種子萌發(fā)時滯均顯著小于15 ℃下種子萌發(fā)時滯。溫度對各種源種子萌發(fā)歷期的影響無明顯規(guī)律，表現(xiàn)為：富寧種源在15 ℃條件下萌發(fā)歷期最長，在35 ℃下最短；望謨和凌云種源在15 ℃下萌發(fā)歷期最短，在25，30 ℃下最長；博白種源在35 ℃下萌發(fā)歷期最長，在30 ℃下最短，為6.00 d。

恒溫條件下，4個種源江南油杉種子胚芽和胚根長度均隨著溫度升高呈先增加后減小的趨勢，均在15 ℃條件下最小，在25 ℃條件下達到最大值，且25 ℃下各種源種子胚根長顯著大于其它溫度下各種源種子胚根長。4個種源中，富寧種源在15 ℃下胚芽和胚根長均最短，凌云種源在25 ℃下胚芽長最長，望謨種源在25 ℃下胚根長最長。變溫條件對江南油杉種子萌發(fā)時間、胚芽和胚根生長均無明顯促進作用(圖1中上部分為胚根長，下部分為胚芽長)。

2.3 不同溫度條件下江南油杉種子萌發(fā)指標差異

由表2可知，江南油杉種子的萌發(fā)率、萌發(fā)時滯、胚芽長、胚根長在不同溫度條件下存在顯著或極顯著差異；發(fā)芽勢、萌發(fā)指數(shù)、萌發(fā)歷期、萌發(fā)值在不同溫度條件下差異不顯著。25 ℃條件下，江南油杉種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢、萌發(fā)指數(shù)、萌發(fā)歷期、胚芽長、胚根長以及萌發(fā)值均達到最大值，萌發(fā)時滯值最小。15 ℃條件下，江南油杉萌發(fā)率、發(fā)芽勢、萌發(fā)指數(shù)、胚芽長、胚根長和萌發(fā)值均最小，萌發(fā)時滯最大。30 ℃條件下，江南油杉種子萌發(fā)歷期最小。以上結果說明，江南油杉種子最適宜在25 ℃條件下萌發(fā)和生長，溫度過低(15～20 ℃)種子萌發(fā)和生長緩慢，且萌發(fā)率低，溫度過高(30～35 ℃)則會抑制種子萌發(fā)和生長。

2.4 江南油杉萌發(fā)指標與種子大小及環(huán)境因子的相關性

以每個江南油杉種群在所有溫度條件下種子各萌發(fā)指標的平均值與種子大小、環(huán)境因子進行相關性分析，結果見表3。由表3可知，江南油杉種子的萌發(fā)值與千粒重呈顯著正相關，與種子寬呈顯著負相關。種子萌發(fā)的胚芽長度與千粒重呈顯著負相關。其它萌發(fā)指標與種子大小、環(huán)境因子無顯著相關性。

2.5 溫度與萌發(fā)值的函數(shù)關系

相關研究表明，萌發(fā)值是較為理想的檢驗種子萌發(fā)能力的指數(shù)，可以綜合種子的發(fā)芽率、萌發(fā)速率和萌發(fā)時間[11-13]。以溫度為自變量，萌發(fā)值為因變量進行回歸分析，確定溫度與萌發(fā)值在[15,35]區(qū)間內(nèi)的函數(shù)關系。

表3 江南油杉萌發(fā)指標與種子大小、環(huán)境因子的相關性

通過回歸分析得出溫度與萌發(fā)值的回歸模型為：

y=0.014 778x4-1.623 380x3+62.231 223x2-971.303 008x+5 469.041 822,R2=1。

利用函數(shù)，分別代入原點數(shù)據(jù)檢測函數(shù)準確性，結果見表4。

表4 擬合模型實測值與預測值間的比較

由表4可知，函數(shù)對種子萌發(fā)值的預測值與實測值相差不大，函數(shù)擬合效果較好，能準確反映江南油杉種子萌發(fā)溫度與萌發(fā)值的關系。通過函數(shù)模型計算，在15～35 ℃范圍內(nèi)，當溫度達到27.3 ℃時，江南油杉種子萌發(fā)值達到最大值(511.370 55)。因此，預測江南油杉種子最適萌發(fā)溫度為27.3 ℃。

3 討 論

溫度是植物種子萌發(fā)的必要條件，不同種子的最適萌發(fā)溫度不同[14-15]。本研究結果表明，溫度變化對江南油杉種子萌發(fā)有重要影響。7個溫度條件中，江南油杉種子在25 ℃條件下萌發(fā)率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、胚芽長、胚根長和萌發(fā)值均最大，這說明種子在25 ℃條件下出苗快且整齊，苗木質(zhì)量高，這可能是因為在25 ℃下，種子吸水、種皮軟化得到促進，且酶促反應速度加快，呼吸作用加強，為種子萌發(fā)和胚的生長提供足夠能量和物質(zhì)基礎[16-17]。15 ℃條件下，江南油杉種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢、萌發(fā)指數(shù)、胚芽長和胚根長均最小，可能是因為種子積溫不足，不能在一定時間里積累到種子萌發(fā)所需的熱量，種子相繼出現(xiàn)活力降低、腐爛和發(fā)霉等現(xiàn)象[18]。當溫度升高到30 ℃和35 ℃時江南油杉種子萌發(fā)率、發(fā)芽勢、萌發(fā)指數(shù)等指標明顯降低，可能是由于溫度過高影響種子內(nèi)部酶變性、膜的透性以及膜結合的活性所致[19]。

相關研究表明，變溫條件能顯著提高某些植物種子萌發(fā)，因為高低溫互變可促進種子內(nèi)部各類酶系統(tǒng)的生理活動，致使種皮收縮，促進種子與外界氣體交換[20-21]。4個種源江南油杉種子中只有少部分萌發(fā)指標顯示變溫條件下比恒溫條件下萌發(fā)效果好，如富寧的種子在20 ℃/30 ℃下萌發(fā)率略高于20 ℃和30 ℃；博白的種子在20 ℃/30 ℃下發(fā)芽勢大于30 ℃；凌云的種子在20 ℃/30 ℃下發(fā)芽勢與30 ℃下相等。這說明變溫對江南油杉種子萌發(fā)的影響不是絕對的，依種源而異。相對而言，恒溫比變溫更適合江南油杉種子萌發(fā)，說明在野外，埋藏于地表層的種子比裸露于地面的種子易萌發(fā)[22]。

最適萌發(fā)溫度一直都是研究植物種子萌發(fā)的重點，確定物種種子最適萌發(fā)溫度不僅可大大提高種子萌發(fā)率，而且對苗木的生長發(fā)育具有重要作用[23]。Kurtar[24]通過建立數(shù)學模型對一些瓜類植物種子最適萌發(fā)溫度、萌發(fā)率和萌發(fā)速率進行了精確預測，該模型有助于模擬植物生長發(fā)育。本實驗以綜合種子萌發(fā)率、萌發(fā)時間和萌發(fā)速率的萌發(fā)值為因變量，溫度為變量建立相關模型，通過模型預測江南油杉種子最適萌發(fā)溫度，這不僅為提高江南油杉種子萌發(fā)率，促進萌發(fā)效果提供理論依據(jù)，而且對提高江南油杉苗木出苗率和壯苗率，充分利用江南油杉種質(zhì)資源方面具有重要作用。

物種間種子大小與其萌發(fā)有著緊密的相關性[25-26]。江南油杉種子萌發(fā)值與千粒重呈顯著正相關，種子越重，萌發(fā)值越大，其萌發(fā)效果越好。這可能一方面是由于大種子內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)較多，酶活性較高，抗病性較強，在萌發(fā)時有充足養(yǎng)分提供[27]；另一方面是因為大種子萌發(fā)時具有較強的競爭力和抵御風險的能力，而小種子的質(zhì)量較低，死亡風險較高[28-29]?？傮w來說，江南油杉種子萌發(fā)率偏低，萌發(fā)效果不佳，這可能是其種群更新困難的重要原因，此外，種子傳播范圍狹小、高蟲害率、高空癟率以及幼苗高死亡率也在一定程度上影響種群更新。

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(本欄目責任編輯：周介雄、戴 燚)