牛心樸子種子萌發(fā)特性及對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 呼和浩特 010010)

牛心樸子(Cynanchumhancockianum(Maxim.) Al. Iljinski.)是蘿摩綱蘿摩科鵝絨藤屬(CynanchumL.)的半灌木，地理分布較廣，常出現(xiàn)在我國(guó)北方地區(qū)。雖然在草地里是以毒草的身份出現(xiàn)(在草地遭遇災(zāi)害時(shí)爭(zhēng)奪優(yōu)良草種的生存空間和條件，且對(duì)家畜有毒害作用)，但研究表明，牛心樸子具有殺蟲活性，抗植物病毒活性，具有抑菌、除草、降風(fēng)固沙作用，可作為優(yōu)良蜜源和飼草；醫(yī)用研究表明，牛心樸子具有鎮(zhèn)痛、抗炎、抗菌、抗腫瘤，提高免疫能力，止咳平喘等多種作用[1]。牛心樸子除含有一些無(wú)機(jī)元素外，還含有生物堿、黃酮醇類、糖類、脂肪酸和甾醇類等[2]。在形態(tài)及生理上表現(xiàn)為根系非常發(fā)達(dá)，繁殖系數(shù)高，生命力強(qiáng)，具有耐干旱、高溫、強(qiáng)光等特點(diǎn)[3]。由于是適應(yīng)沙化環(huán)境而保存下來(lái)的生態(tài)型植物，牛心樸子具有極強(qiáng)的荒漠適應(yīng)能力[1,4]。前人關(guān)于牛心樸子主要的研究焦點(diǎn)在提取體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)使其發(fā)揮醫(yī)療作用，及在干旱脅迫下植物體內(nèi)起關(guān)鍵作用的化學(xué)物質(zhì)的研究上，鮮見(jiàn)對(duì)牛心樸子種子萌發(fā)方向的研究。因此，本試驗(yàn)從種子萌發(fā)的角度去研究種子的繁殖更新特性，著重摸清種子在溫度、光照、水分環(huán)境下的萌發(fā)狀況，以期為牛心樸子的繁殖提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

2016年9月于呼和浩特市的郊區(qū)合創(chuàng)農(nóng)業(yè)開發(fā)園區(qū)中引種圃收集成熟牛心樸子種子。經(jīng)清選干凈完整的成熟種子放于室溫下干燥至恒溫后貯藏。種子萌發(fā)試驗(yàn)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)于2017年4—5月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等地點(diǎn)進(jìn)行。

1.2 方 法

1.2.1種子形態(tài)特征觀察

挑選粒大飽滿的牛心樸子種子作為試驗(yàn)材料，觀察其基本特征，如顏色、表面紋飾及性狀等，并及時(shí)拍照記錄。隨機(jī)選取1 000粒種子進(jìn)行稱重，重復(fù)3次取其平均即為種子的千粒重。

1.2.2種子休眠特性測(cè)定

在25 ℃恒溫條件下，種子不做任何處理進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。以雙層濾紙作為發(fā)芽床，用蒸餾水浸濕后放入培養(yǎng)皿中，隨后將種子整齊放入，每個(gè)培養(yǎng)皿放50粒種子，3次重復(fù)。加入保證種子吸脹萌發(fā)所需的足夠水分，每24 h觀察種子發(fā)芽、霉?fàn)€狀況并補(bǔ)充水分。參照《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》[5]及我國(guó)《牧草種子檢驗(yàn)規(guī)程》[6]，試驗(yàn)以胚根突破種皮作為發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn)。直到無(wú)種子萌發(fā)結(jié)束試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)量，確定牛心樸子種子休眠狀況。

1.2.3恒溫條件對(duì)種子萌發(fā)的影響

牛心樸子種子均不存在休眠現(xiàn)象，發(fā)芽率可達(dá)100.00%，故將溫度設(shè)置為恒溫10，15，20，25，30，35 ℃共計(jì)6個(gè)梯度試驗(yàn)(光照條件約為8 000 lx，濕度為66%)，每個(gè)處理3次重復(fù)，每重復(fù)隨機(jī)數(shù)取50粒種子，并同樣以雙層潤(rùn)濕的濾紙作為發(fā)芽床進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。發(fā)芽開始后，每天記錄種子發(fā)芽數(shù)、霉?fàn)€數(shù)，直至無(wú)新萌發(fā)種子出現(xiàn)為止。

1.2.4光照對(duì)種子萌發(fā)的影響

在篩選出的最適萌發(fā)溫度條件下進(jìn)行2個(gè)不同光照處理試驗(yàn)。以自然光照為對(duì)照組，同時(shí)以牛皮紙袋套住培養(yǎng)皿制造黑暗條件。2個(gè)處理均以雙層潤(rùn)濕的濾紙作為發(fā)芽床，每個(gè)培養(yǎng)皿數(shù)取50粒種子，3次重復(fù)。每天記錄新發(fā)芽的種子數(shù)并補(bǔ)充適量的蒸餾水，確保種子正常萌發(fā)的水分條件。

1.2.5種子萌發(fā)對(duì)干旱脅迫的耐性

在最適的溫度和光照條件下，使用聚乙二醇溶液(PEG-6000)模擬干旱脅迫環(huán)境。 設(shè)置0%(ck)，5%(相當(dāng)于-0.1 MPa水勢(shì)[7])，10%(相當(dāng)于-0.2 MPa水勢(shì)[7])，15%(相當(dāng)于-0.4 MPa水勢(shì)[7])，20%(相當(dāng)于-0.6 MPa水勢(shì)[7])5個(gè)濃度梯度的PEG處理，每個(gè)處理選取30粒種子，3次重復(fù)。以不同濃度的PEG溶液潤(rùn)濕的雙層濾紙作為種子發(fā)芽床。播種后將所有培養(yǎng)皿放入人工培養(yǎng)箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。每天記錄種子發(fā)芽數(shù)、發(fā)霉數(shù)，并按照濃度梯度及時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)的溶液。

根據(jù)種子發(fā)芽試驗(yàn)每天記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算各相關(guān)發(fā)芽指標(biāo)，公式如下[8-10]：

發(fā)芽率(%)=(n/N)×100%，式中：n為最終達(dá)到的正常發(fā)芽種子數(shù)，N為供試種子總數(shù)；

相對(duì)發(fā)芽率 (%)=(脅迫處理的發(fā)芽率/對(duì)照的發(fā)芽率)×100%；

表3 牛心樸子發(fā)芽指標(biāo)對(duì)不同濃度PEG的響應(yīng)

PEG濃度/%發(fā)芽指標(biāo)發(fā)芽率/%相對(duì)發(fā)芽率/%發(fā)芽勢(shì)/%萌發(fā)指數(shù)發(fā)芽指數(shù)萌發(fā)脅迫指數(shù)萌發(fā)抗旱指數(shù)0100.00±0.00a98.89±0.02a29.83±0.29a100.00±0.00a98.89±0.02a29.83±0.29a100.00±0.00a564.44±0.04b56.67±0.06b6.15±0.49b64.44±0.04b56.67±0.06b6.15±0.49b64.44±0.04b1057.78±0.05b54.44±0.02b5.36±0.36b57.78±0.05b54.44±0.02b5.36±0.36b57.78±0.05b1537.78±0.15c31.11±0.10c3.06±1.03c37.78±0.15c31.11±0.10c3.06±1.03c37.78±0.15c204.44±0.08d3.33±0.06d0.20±0.35d4.44±0.08d3.33±0.06d0.20±0.35d4.44±0.08d

胚根/胚芽=胚根長(zhǎng)度/胚芽長(zhǎng)度；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt，式中：Gt為在t日內(nèi)發(fā)芽數(shù)，Dt為發(fā)芽日數(shù)；

萌發(fā)脅迫指數(shù)=脅迫下種子發(fā)芽指數(shù)/對(duì)照種子發(fā)芽指數(shù)；

萌發(fā)抗旱指數(shù)=脅迫下種子萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照種子萌發(fā)指數(shù)；

發(fā)芽勢(shì)(%)=(n*/N)×100%，式中：n*為發(fā)芽實(shí)驗(yàn)初期種子發(fā)芽數(shù)，N為供試種子數(shù)；

種子萌發(fā)指數(shù)= (1.00)Rd 2+(0.75)Rd 4+(0.5)Rd 6+(0.25)Rd 8；式中：Rd 2，Rd 4，Rd 6，Rd 8分別為第2，4，6，8天的種子發(fā)芽率。

各種相對(duì)指標(biāo)均為干旱脅迫處理與對(duì)照的比值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件對(duì)種子發(fā)芽數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，用SAS 9.0軟件進(jìn)行不同處理間的顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子形態(tài)特征

牛心樸子種子外果皮有細(xì)直紋，種子表面黃褐色，形狀扁平且呈長(zhǎng)圓形，長(zhǎng)約9 mm，寬約6 mm，種毛白色絹質(zhì)，種子千粒重為(5.455±0.087)g。

2.2 種子萌發(fā)最適恒溫條件的篩選

從表1可以看出，牛心樸子種子在15～35 ℃范圍內(nèi)均能完成自身的萌發(fā)過(guò)程，此溫度范圍可以保證在我國(guó)較大部分地區(qū)春夏季均可達(dá)到種子萌發(fā)條件，且可供萌發(fā)的時(shí)間較長(zhǎng)。且牛心樸子種子的最低發(fā)芽溫度較低，在10 ℃即可發(fā)芽。在20 ℃、25 ℃和30 ℃溫度條件下，種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)均極顯著(p<0.01)高于其他處理，尤其在25 ℃條件下的發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)極為突出。 而在10 ℃、15 ℃和35 ℃條件下，3個(gè)發(fā)芽指標(biāo)均受到不同程度的影響，發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)雖仍然能達(dá)到50%以上，但發(fā)芽指數(shù)卻極顯著小于其他3個(gè)處理，說(shuō)明該溫度條件下，種子的活力明顯受到影響。在10 ℃時(shí)，種子的3個(gè)指標(biāo)均呈現(xiàn)出極小值。在該溫度下，種子的萌發(fā)狀況明顯受到抑制，僅能保證種子初步的萌發(fā)過(guò)程，并不能作為牛心樸子的適宜發(fā)芽條件。

表1 不同的溫度處理對(duì)牛心樸子發(fā)芽指標(biāo)的影響

溫度/℃發(fā)芽指標(biāo)發(fā)芽率/%發(fā)芽勢(shì)/%發(fā)芽指數(shù)106.67±0.00C6.67±0.00C0.17±0.00D1577.78±0.15B66.67±0.06B4.19±0.73C20100.00±0.00A90.00±0.09A9.41±0.14B25100.00±0.00A98.89±0.02A29.83±0.29A3095.56±0.08A94.44±0.07A9.73±3.99B3564.44±0.08B61.11±0.11B6.02±0.92C

注：同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)；相同大寫字母表示差異極不顯著(p>0.01)。 下同。

2.3 光照條件對(duì)種子萌發(fā)的影響

牛心樸子種子在黑暗和自然光2種光照條件下的萌發(fā)狀況見(jiàn)表2。從發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)2個(gè)指標(biāo)可以看出，牛心樸子種子在2個(gè)光照條件下沒(méi)有明顯差別；但結(jié)合發(fā)芽指數(shù)來(lái)看，黑暗條件下的發(fā)芽指數(shù)極顯著低于自然光照下的值。由此可見(jiàn)，無(wú)光條件明顯影響了種子的活力。

表2 不同光照條件對(duì)牛心樸子發(fā)芽指標(biāo)的影響

光照條件發(fā)芽指標(biāo)發(fā)芽率%發(fā)芽勢(shì)%發(fā)芽指數(shù)黑暗94.44±0.04a90.00±0.09a9.33±0.51B自然光10.00±0.00a98.89±0.02a29.83±0.29A

2.4 種子萌發(fā)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)

2.4.1干旱對(duì)種子萌發(fā)指標(biāo)的影響

如表3所示，對(duì)照組的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均為最高。當(dāng)PEG濃度為5%時(shí)，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指標(biāo)明顯降低。PEG濃度從5%升到10%時(shí)，3個(gè)指標(biāo)的下降程度不明顯；其他處理隨著PEG溶液濃度的升高，種子的發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽勢(shì)指數(shù)3個(gè)指標(biāo)呈極顯著下降趨勢(shì)。當(dāng)PEG濃度上升至20%時(shí)，種子的發(fā)芽率僅為4.44%，同時(shí)發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)也明顯受到限制。萌發(fā)脅迫指數(shù)與萌發(fā)抗旱指數(shù)分別表征了牛心樸子抗旱性在脅迫強(qiáng)度和脅迫時(shí)間上的差異。首先從萌發(fā)脅迫指數(shù)來(lái)看，隨著PEG濃度的增加，牛心樸子的萌發(fā)脅迫指數(shù)顯示出了明顯的下降趨勢(shì)，尤其在20%PEG下，萌發(fā)脅迫指數(shù)僅為0.01；在萌發(fā)抗旱指數(shù)上看，當(dāng)PEG為5%時(shí)指數(shù)較ck有明顯的增加，而當(dāng)濃度達(dá)到10%以上時(shí)，牛心樸子的萌發(fā)抗旱指數(shù)則呈明顯的下降趨勢(shì)，由此說(shuō)明適當(dāng)?shù)母珊悼梢栽诳购禃r(shí)間上有著一定的延長(zhǎng)作用，而超過(guò)該濃度抗旱時(shí)間就會(huì)逐漸下降。可見(jiàn)牛心樸子在面臨干旱脅迫時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出較弱的忍耐能力，且所能抵抗的干旱脅迫的最大PEG濃度為20%。因此水分可能會(huì)成為制約該種子萌發(fā)的關(guān)鍵因子。

2.4.2干旱對(duì)種子胚根、胚芽及胚根/胚芽的影響

抗旱的植物幾乎都具有根系發(fā)達(dá)的特征。從圖1可以看出，隨著PEG溶液濃度升高，牛心樸子的胚根呈先升高后降低的趨勢(shì)，在5%PEG處理下，胚根的長(zhǎng)度達(dá)到最大，為79.26 mm，當(dāng)濃度增加為10%時(shí)，胚根長(zhǎng)度明顯變短，為63.50 mm，已短于對(duì)照胚根長(zhǎng)(71.84 mm)；由此看出，低脅迫水平(PEG濃度5%)可以促進(jìn)胚根的伸長(zhǎng)，而高脅迫水平則會(huì)抑制胚根的伸長(zhǎng)；對(duì)于胚芽來(lái)說(shuō)，隨著PEG濃度的不斷升高，胚芽呈逐漸降低的變化趨勢(shì)，且當(dāng)濃度由10%升至15%時(shí)，牛心樸子的胚芽長(zhǎng)降低十分明顯，當(dāng)濃度升至20%時(shí)胚芽長(zhǎng)為0 mm；表明牛心樸子的胚芽長(zhǎng)與PEG濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，也即干旱脅迫水平越高，胚芽長(zhǎng)則越小。

圖1 PEG溶液對(duì)胚根、胚芽的影響

如表4所示，除20%濃度的PEG處理外，其他幾個(gè)濃度處理下，牛心樸子的胚根/胚芽長(zhǎng)隨著PEG濃度的增大而逐漸增大，且均高于對(duì)照組的胚根/胚芽比值(1.45)，說(shuō)明各個(gè)濃度的PEG處理對(duì)牛心樸子胚芽的抑制作用較胚根明顯。而20%PEG處理，完全抑制了胚芽的生長(zhǎng)。

表4 PEG溶液對(duì)胚根/胚芽的影響

PEG濃度(%)胚根/胚芽變異系數(shù)01.45±0.11a0.0851.70±1.05a0.49101.79±0.21a0.15151.94±0.43a0.19200.00±0.00b0.00

2.5 種子萌發(fā)計(jì)數(shù)時(shí)間的確定

從圖2可以看出，牛心樸子從種子開始置床到萌發(fā)結(jié)束共歷時(shí)8 d。在置種的第2天就有種子完成吸脹而新生胚根，到第3天時(shí)發(fā)芽22粒種子，發(fā)芽率超過(guò)70%，在第5天種子全部萌發(fā)完畢。因此推薦牛心樸子種子萌發(fā)的初次計(jì)數(shù)時(shí)間為置床后第3天，雖然在第5天種子萌發(fā)結(jié)束，但考慮其他不可控因素的影響，將末次計(jì)數(shù)時(shí)間推遲至置床后的第8天。

圖2 牛心樸子種子發(fā)芽粒數(shù)和累計(jì)發(fā)芽率隨置床時(shí)間的變化情況

3 討 論

種子萌發(fā)作為植物生活史的開端，對(duì)植物本身的繁殖更新具有十分重要的作用，在種子萌發(fā)過(guò)程中不僅受自身內(nèi)部的影響，而且更容易受外界環(huán)境條件的影響。溫度、水分、光照條件是眾多環(huán)境因子中起到關(guān)鍵作用的幾種因子。不同的溫度條件會(huì)影響不同植物種子的萌發(fā)，適當(dāng)?shù)臏囟葧?huì)誘發(fā)種子快速萌發(fā)[12]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，牛心樸子種子在15～35 ℃范圍內(nèi)發(fā)芽率較高，且發(fā)芽速度也很快。在恒溫20 ℃和25 ℃下，牛心樸子種子的發(fā)芽率達(dá)到100.00%，同時(shí)發(fā)芽速度也達(dá)到最快(98.89%) ；種子的發(fā)芽指數(shù)反映種子的活力大小，在該溫度下，牛心樸子種子的活力明顯較其他處理高，即種子活力非常旺盛。而在10 ℃時(shí)種子的發(fā)芽率僅為6.67%，但也可保證先有少部分的種子開始了萌發(fā)過(guò)程，在我國(guó)北方地區(qū)4月初的氣溫可達(dá)到10 ℃左右，已滿足小部分牛心樸子種子的萌發(fā)溫度條件，早于較多數(shù)植物萌發(fā)時(shí)間，這樣可以提供牛心樸子更多的繁殖更新的機(jī)會(huì)和條件。張風(fēng)娟等[11]研究表明，黃頂菊向河北以南地區(qū)具有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，原因是早春該地區(qū)的溫度均大于10 ℃。

本試驗(yàn)顯示，種子在黑暗和自然光照條件下發(fā)芽率等非常高，且發(fā)芽速度也很快，但結(jié)合上述發(fā)芽指數(shù)來(lái)看，在自然光照條件下種子的活力極顯著高于黑暗條件下。而發(fā)芽率是評(píng)價(jià)種子萌發(fā)的關(guān)鍵，所以整體上說(shuō)，光照條件對(duì)種子萌發(fā)的影響不顯著。由此可見(jiàn)，牛心樸子種子在土壤表面和深層均可以很好的萌發(fā)，只是在深層土壤中種子的活力相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，同時(shí)在密閉的光照較弱的林下也會(huì)有牛心樸子的出現(xiàn)。

在我國(guó)北方地區(qū)，干旱少雨是制約很多植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因子。利用聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬干旱環(huán)境可以起到方便且容易控制的作用。本試驗(yàn)表明，隨著PEG濃度的升高，種子萌發(fā)率呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)PEG濃度升至15%時(shí)，種子的發(fā)芽率開始降低至50%以下，與對(duì)照組呈極顯著差異，發(fā)芽速度和種子活力同時(shí)也受到了很大的影響。種子的萌發(fā)脅迫指數(shù)和萌發(fā)干旱指數(shù)表征種子可以忍受干旱脅迫的強(qiáng)度和時(shí)間，隨著PEG濃度的增加種子萌發(fā)脅迫指數(shù)會(huì)逐漸降低。在5%PEG處理下，牛心樸子的抗旱時(shí)間和胚根長(zhǎng)均顯著大于對(duì)照，可見(jiàn)低脅迫水平對(duì)種子胚根伸長(zhǎng)和種子萌發(fā)抗旱時(shí)間有一定的促進(jìn)作用?？赡苁窃谝欢舛鹊母珊得{迫下，為了減弱種子萌發(fā)過(guò)程中由于滲透作用對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生的傷害，種子內(nèi)部自動(dòng)啟動(dòng)的自我保護(hù)機(jī)制，可以加快膜修復(fù)進(jìn)而提高種子發(fā)芽率；也有可能是一定濃度范圍內(nèi)的干旱脅迫可以促進(jìn)種子內(nèi)部酶的活性，可以加快種子萌發(fā)過(guò)程中的新陳代謝。由此可見(jiàn)，牛心樸子可以忍受一定程度的干旱脅迫，在我國(guó)北方地區(qū)容易存活。陳翠云等[3]針對(duì)牛心樸子對(duì)干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行研究，認(rèn)為可溶性糖中的海藻糖可能起到了主要作用，很好地驗(yàn)證了牛心樸子對(duì)干旱脅迫的忍耐能力。

綜合來(lái)看，牛心樸子適應(yīng)能力較強(qiáng)，可滿足在干旱且寒冷的北方地區(qū)早春萌發(fā)的自身?xiàng)l件。

4 結(jié) 論

牛心樸子種子在15～35 ℃溫度范圍內(nèi)均可萌發(fā)，且20～30 ℃為種子萌發(fā)的最適溫度條件；種子對(duì)光照的反應(yīng)差異不顯著，在自然光和黑暗條件下均有極高的發(fā)芽率和發(fā)芽速度；隨著PEG濃度的增加，胚芽長(zhǎng)以及萌發(fā)指標(biāo)均明顯降低，胚根長(zhǎng)則先升高再降低，胚根/胚芽呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)；種子在面臨干旱脅迫時(shí)有一定的忍耐能力，可抵抗?jié)舛葹?5%以下的PEG脅迫；種子的初次計(jì)數(shù)時(shí)間為置種后的第3天，末次計(jì)數(shù)時(shí)間為第8天。