環(huán)境因素對(duì)新疆不同地區(qū)田旋花種子萌發(fā)的影響

王 穎，王 蘭，馬 艷，馬小艷，

(1.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南安陽(yáng)455000)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

田旋花種子于2017年采自新疆阿克蘇地區(qū)阿拉爾市塔里木大學(xué)校園內(nèi)(40.55° N，81.30° E，海拔1 100 m)和新和縣塔什艾日克鄉(xiāng)(41.55° N，82.61° E，海拔1 000 m)。將采集的田旋花種子自然風(fēng)干后，置于紙袋中，室溫干燥保存。

由于田旋花種子具有因種皮透性導(dǎo)致的物理休眠，試驗(yàn)前需對(duì)種子進(jìn)行解除休眠的處理。試驗(yàn)采用砂紙打磨的方式解除雜草種子休眠[11]，進(jìn)行發(fā)芽預(yù)試驗(yàn)，即挑選100粒成熟度好、大小一致的種子，置于墊有雙層濾紙的玻璃培養(yǎng)皿(直徑90 mm)中，加蒸餾水4 mL，每皿25粒種子，4次重復(fù)。除非另有說(shuō)明(不同恒溫和變溫處理)，所有處理的培養(yǎng)皿均置于智能光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)(35℃/25℃，光照和黑暗比14∶10 h，濕度65±5%)[12]，每天記錄發(fā)芽率，至達(dá)到最高發(fā)芽率的時(shí)間。以胚根露出種皮1 mm記為發(fā)芽種子。培養(yǎng)10 d后，阿拉爾市和新和縣的田旋花種子發(fā)芽率分別為90.0%和60.5%，經(jīng)砂紙打磨處理后絕大多數(shù)田旋花種子已解除休眠，可繼續(xù)進(jìn)行環(huán)境因子對(duì)種子萌發(fā)影響的試驗(yàn)。

1.2 方 法

1.2.1 溫度

設(shè)置5、10、15、20、25、30、35、40、45和50℃10個(gè)恒溫處理，以及15℃/5℃、20℃/10℃、25℃/15℃、30℃/20℃、35℃/25℃、40℃/30℃、45℃/35℃、50℃/40℃和55℃/45℃(光照和黑暗比14∶10 h)9個(gè)變溫處理，置于智能光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子的數(shù)量，共調(diào)查14 d。

1.2.2 鹽濃度

設(shè)置0、12.5、25、50、100、150、200、250和300 mM 9個(gè)NaCl溶液濃度和0、12.5、25、50、100、150、200和250 mM 8個(gè)NaHCO3溶液濃度，置于智能光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子的數(shù)量，共調(diào)查14 d。

1.2.3 水勢(shì)

用聚乙二醇(PEG)6000配置不同滲透勢(shì)的水溶液，分別將0、112.6、169.8、214.1、251.5和284.5 g PEG6000溶解到1 L的蒸餾水中，配制成滲透勢(shì)分別為0、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0的溶液，置于智能光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子的數(shù)量，共調(diào)查14 d。

1.2.4 pH

按照Chauhan & Johnson[13]所述的方法制備pH 5～10的緩沖溶液，具體為：2 mM的嗎啉乙磺酸溶液，用1 mol/L的鹽酸或氫氧化鈉調(diào)節(jié)至pH為5和6；2 mM的N-(2-羥乙基)哌嗪-N'-2-乙烷磺酸溶液，用1 mol/L的氫氧化鈉調(diào)節(jié)至pH為7和8；2 mM的三(羥甲基)甲基甘氨酸溶液，用1 mol/L的氫氧化鈉調(diào)節(jié)至pH為9和10；用去離子水(pH 6.8)作為空白對(duì)照。置于智能光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子的數(shù)量，共調(diào)查14 d。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有的發(fā)芽試驗(yàn)均重復(fù)進(jìn)行兩次。經(jīng)方差分析，兩次試驗(yàn)的結(jié)果差異不顯著，因此，在進(jìn)一步分析之前將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。利用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并使用最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行差異顯著性分析，檢驗(yàn)不同處理對(duì)田旋花種子萌發(fā)影響的差異性。

種子發(fā)芽率(%)計(jì)算公式為：發(fā)芽率=發(fā)芽種子數(shù)/總種子數(shù)×100%。

種子發(fā)芽速率(種子數(shù)/d)計(jì)算公式為：

其中Si是第i天發(fā)芽種子的數(shù)量，Di是培養(yǎng)天數(shù)。

利用非線性回歸分析評(píng)估水勢(shì)或鹽堿度脅迫對(duì)萌發(fā)的影響，數(shù)據(jù)符合S型曲線模型[14]。具體為：G=Gmax/{1+exp[-(x-x50)/Grate]}，其中，G表示不同水勢(shì)、鹽堿度(x)條件下的發(fā)芽率，Gmax是理論最大發(fā)芽率(%)，x50是抑制中濃度，Grate表示斜率。

用判定系數(shù)(r2)判斷非線性回歸曲線擬合程度。所有檢驗(yàn)過(guò)程都是雙尾檢驗(yàn)，顯著性水平在P=0.05，數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 恒溫對(duì)種子萌發(fā)的影響

研究表明，溫度顯著影響田旋花種子的萌發(fā)(P<0.05)，在5～50℃，隨著溫度的升高，阿拉爾市和新和縣的種子發(fā)芽率均表現(xiàn)為先升高后降低。田旋花種子具有較強(qiáng)的耐低溫能力，5℃條件下兩個(gè)縣市的種子均能發(fā)芽，發(fā)芽率分別為52%和14%；當(dāng)溫度上升到20～40℃時(shí)，阿拉爾市的種子發(fā)芽率達(dá)到了最大值，且20、25、30、35和40℃條件下的發(fā)芽率無(wú)顯著差異；新和縣的種子在溫度上升到30～40℃時(shí)發(fā)芽率達(dá)到了最大值；當(dāng)溫度繼續(xù)上升到45～50℃時(shí)，兩個(gè)縣市種子的發(fā)芽率均降低，僅為6%～16%，且隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫導(dǎo)致多數(shù)已發(fā)芽種子腐爛。相同溫度條件下，阿拉爾市田旋花種子的發(fā)芽率高于新和縣種子的發(fā)芽率。圖1

溫度不僅影響田旋花種子的發(fā)芽率，而且影響種子的發(fā)芽速率。當(dāng)溫度從5℃上升到35℃時(shí)，兩個(gè)縣市的發(fā)芽速率從4.9～7.8種子數(shù)/d上升到57.8～74.0種子數(shù)/d，即高溫可以促進(jìn)種子的萌發(fā)，但是，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，與35℃條件下相比，40℃條件下種子的發(fā)芽速率略有降低，當(dāng)溫度繼續(xù)上升到50℃時(shí)，兩個(gè)縣市的發(fā)芽速率明顯降低，僅為4.5～7.5種子數(shù)/d，過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致田旋花種子萌發(fā)延遲。圖1

注：柱形圖：發(fā)芽率；折線圖：發(fā)芽速率。下同

Note: Columnar graph: Germination percentage; Fold line diagram: Germination rate. The same as below

圖1 恒溫下不同地區(qū)田旋花種子萌發(fā)變化
Fig. 1 Effects of constant temperature on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.2 變溫對(duì)種子萌發(fā)的影響

研究表明，兩個(gè)縣市田旋花種子在15℃/5℃～45℃/35℃的變溫條件下均可發(fā)芽，且隨著溫度的逐漸升高，發(fā)芽率表現(xiàn)為先升高后降低的凸型變化趨勢(shì)，溫度為40℃/30℃時(shí)發(fā)芽率達(dá)到最大值。在15℃/5℃、20℃/10℃、25℃/15℃、30℃/20℃、35℃/25℃、40℃/30℃和45℃/35℃條件下，阿拉爾市種子的發(fā)芽率無(wú)顯著差異，達(dá)到91%以上，然而種子的發(fā)芽速率隨著溫度的升高逐漸增加，當(dāng)溫度為15℃/5℃時(shí)，種子發(fā)芽速率26.2種子數(shù)/d，當(dāng)溫度達(dá)40℃/30℃時(shí)，發(fā)芽速率最高，達(dá)78.1種子數(shù)/d；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高時(shí)，發(fā)芽速率略有降低；當(dāng)溫度繼續(xù)上升到55℃/45℃時(shí)，田旋花種子仍可萌發(fā)，但高溫可導(dǎo)致種子腐爛，不能正常生長(zhǎng)，且種子發(fā)芽速率僅為17.3種子數(shù)/d。新和縣田旋花種子的發(fā)芽率和發(fā)芽速率隨溫度的升高表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，均在40℃/30℃時(shí)達(dá)到峰值。圖2

圖2 變溫下不同地區(qū)田旋花種子萌發(fā)變化
Fig. 2 Effects of alternating temperature on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.3 鹽堿度對(duì)種子萌發(fā)的影響

研究表明，當(dāng)NaCl濃度為12.5 mmol/L時(shí)，阿拉爾市和新和縣種子發(fā)芽率分別為75%和70%，隨著NaCl濃度的增加，兩個(gè)縣市田旋花種子的發(fā)芽率降低，當(dāng)NaCl濃度增加到250 mmol/L時(shí)，種子發(fā)芽率明顯降低，僅為5%～19%，當(dāng)NaCl濃度大于300 mmol/L時(shí)，兩個(gè)縣市的田旋花種子不萌發(fā)；當(dāng)NaHCO3濃度為12.5 mmol/L時(shí)，阿拉爾市和新和縣種子發(fā)芽率為50%和56%，隨著NaHCO3濃度的增加，兩個(gè)縣市田旋花種子的發(fā)芽率降低，當(dāng)NaHCO3濃度分別增加到200 mmol/L時(shí)，種子發(fā)芽率明顯降低僅為1%～7%，當(dāng)NaHCO3濃度大于250 mmol/L時(shí)，兩個(gè)縣市田旋花種子不萌發(fā)。

根據(jù)S型曲線模型可知，NaCl對(duì)阿拉爾市和新和縣的田旋花種子萌發(fā)的抑制中濃度(50%的種子萌發(fā)被抑制所需的濃度)分別為212.8和115.8 mmol/L，而NaHCO3對(duì)兩個(gè)縣市的田旋花種子萌發(fā)抑制中濃度分別為132.5和66.86 mmol/L。圖3

2.4 水勢(shì)對(duì)種子萌發(fā)的影響

研究表明，隨著水勢(shì)的降低，田旋花種子的發(fā)芽率逐漸降低。當(dāng)水勢(shì)為0 MPa時(shí)，阿拉爾市和新和縣種子發(fā)芽率分別為84%和51%。隨著水勢(shì)的降低，田旋花種子的發(fā)芽率逐漸降低，當(dāng)水勢(shì)達(dá)到-0.4 MPa時(shí)，新和縣種子的發(fā)芽率明顯降低，僅為15%，當(dāng)水勢(shì)達(dá)-0.6 MPa時(shí)，新和縣種子不能發(fā)芽；然而當(dāng)水勢(shì)達(dá)到-1.0 MPa時(shí)，阿拉爾市的田旋花種子仍有少量可以發(fā)芽，但發(fā)芽率僅為2%。

根據(jù)S型曲線模型可知，不同地區(qū)的田旋花種子對(duì)干旱脅迫的耐受程度不同，50%的種子萌發(fā)被抑制所需的水勢(shì)，阿拉爾市為-0.49 MPa，而新和縣為-0.27 MPa，上述結(jié)果表明，阿拉爾市的田旋花種子對(duì)干旱脅迫的耐受性更強(qiáng)，這可能與種子采集地的土壤含水量有關(guān)。位于沙漠綠洲腹地的新和縣，水資源較為豐富，年均降水量約70～140 mm，且田旋花種子采自可灌溉的農(nóng)田系統(tǒng)，而位于沙漠邊緣的阿拉爾市年均降水量?jī)H40～80 mm，而年均蒸發(fā)量卻高達(dá)1 800～2 500 mm，種子采自僅依靠天然降水的荒地，因此，阿拉爾市的田旋花種群所面臨的干旱風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于新和縣的種群，導(dǎo)致阿拉爾市的田旋花種子對(duì)土壤干旱的耐受性更強(qiáng)。圖4

注：三角：阿拉爾；方形：新和。下同

Note: triangle: Aral; square: Xinhe. The same as below

圖3 不同NaCl或NaHCO3濃度下不同地區(qū)田旋花種子發(fā)芽率變化
Fig. 3 Effects of NaCl or NaHCO3on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

圖4 不同水勢(shì)下不同地區(qū)田旋花種子發(fā)芽率變化
Fig. 4 Effects of water potential on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.5 pH值對(duì)種子萌發(fā)的影響

研究表明，在pH值5～10，兩個(gè)縣市的田旋花種子均能正常萌發(fā)，但酸性(pH 5和6)和中性(pH 7)環(huán)境有利于田旋花種子發(fā)芽，堿性條件下(pH 8～10)田旋花種子發(fā)芽率略有降低。當(dāng)pH值為5時(shí)，阿拉爾市和新和縣種子的發(fā)芽率分別為94%和69%，當(dāng)pH值增加到7時(shí)，兩個(gè)縣市的發(fā)芽率分別為93%和58%，而當(dāng)pH值達(dá)到8時(shí)，阿拉爾市和新和縣種子發(fā)芽率分別降低為81%和46%。pH值不是限制田旋花種子萌發(fā)的主要因素。圖5

圖5 不同pH值處理下田旋花種子發(fā)芽率變化
Fig. 5 Germination percentage of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) with different pH values

3 討 論

研究表明，田旋花種子萌發(fā)受多種環(huán)境因素的影響。溫度是影響種子萌發(fā)的主要因素之一，田旋花種子的發(fā)芽溫度范圍較寬，在5和50℃條件下，種子均可以萌發(fā)，且在30～40℃范圍內(nèi)達(dá)到最大發(fā)芽率。溫度不僅影響田旋花種子的發(fā)芽率，同時(shí)還影響種子的發(fā)芽速率，提高溫度可以促進(jìn)種子的萌發(fā)，而過(guò)高的溫度會(huì)導(dǎo)致田旋花種子的萌發(fā)延遲，這是由于種子在萌發(fā)過(guò)程中進(jìn)行著活躍的代謝反應(yīng)，在一定溫度范圍內(nèi)，隨溫度的升高種子萌發(fā)進(jìn)程加快[15]，但過(guò)低和過(guò)高的溫度會(huì)使膜的透性、膜結(jié)合的活性和酶變性而影響萌發(fā)[16-17]。另外，溫度對(duì)種子萌發(fā)具有最低溫、最適溫及最高溫三基點(diǎn)，其中種子萌發(fā)的最適溫度與植物的原生境有密切關(guān)系[15]。

前人研究表明，對(duì)于大多數(shù)雜草種子來(lái)說(shuō)，與恒溫處理相比，變溫條件下更有利于種子的萌發(fā)，如龍葵(Solanumnigrum)[18]、東方龍葵(S.ptycanthum)[19]和Myagrumperfoliatum[20]。Thompson等[21]研究發(fā)現(xiàn)，僅僅1℃的溫度變化就可以促進(jìn)植物種子的萌發(fā)。與變溫相比，相對(duì)恒定的溫度更有利于雀麥(Bromusjaponicus)種子的萌發(fā)[22]。研究發(fā)現(xiàn)，恒溫和變溫處理對(duì)田旋花種子的影響相當(dāng)，如10℃和15℃/5℃條件下，阿拉爾市田旋花種子的發(fā)芽率分別為41%和39%，差異不顯著，說(shuō)明溫度的變化不是影響田旋花種子萌發(fā)的主要因素，而溫度的高低才是決定田旋花種子萌發(fā)的關(guān)鍵環(huán)境因子。

阿拉爾市和新和縣田旋花種子的發(fā)芽率均隨著水勢(shì)的降低而逐漸降低，當(dāng)水勢(shì)達(dá)-1.0 MPa時(shí)，只有少量的田旋花種子能萌發(fā)，這一結(jié)果與付咪咪等[27]研究的干旱脅迫對(duì)黃秋葵(Abelmoschusesculentus)種子萌發(fā)的影響結(jié)果相似。雖然土壤含水量是影響種子發(fā)芽和幼苗萌發(fā)的重要因素之一，但是，由于農(nóng)田灌溉或降雨，干旱脅迫通常不能成為限制農(nóng)作物生長(zhǎng)的限制因素，同時(shí)，也不能成為農(nóng)田雜草發(fā)生危害的限制因子。

國(guó)外研究報(bào)道表明，種子萌發(fā)所需的土壤酸堿度范圍較寬，在土壤pH值為4～10時(shí)，許多雜草種子都可以萌發(fā)[28-30]。新疆土壤鹽漬化較為嚴(yán)重，農(nóng)田土壤的pH值一般在8～9，但此酸堿范圍內(nèi)田旋花種子均可以萌發(fā)，土壤pH不是農(nóng)田系統(tǒng)中雜草種子萌發(fā)的一個(gè)限制因素。

4 結(jié) 論

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)條件下，阿拉爾市、新和縣田旋花種子在5～50℃恒溫條件下均可萌發(fā)，且在30～40℃范圍內(nèi)達(dá)到最大發(fā)芽率；種子在15℃/5℃～45℃/35℃的變溫條件下均可發(fā)芽，且當(dāng)溫度為40℃/30℃時(shí)發(fā)芽率最高。鹽堿脅迫可降低田旋花種子的發(fā)芽率，當(dāng)NaCl濃度大于300 mmol/L或NaHCO3濃度大于250 mmol/L時(shí)，兩個(gè)縣市的田旋花種子不能萌發(fā)；同時(shí)，田旋花種子的萌發(fā)受水勢(shì)的影響較大，當(dāng)水勢(shì)達(dá)-0.6 MPa時(shí)，新和縣田旋花種子已不能萌發(fā)，當(dāng)水勢(shì)達(dá)到-1.0 MPa時(shí)，阿拉爾市田旋花種子的萌發(fā)率僅為2%；pH值5～10，兩個(gè)縣市的田旋花種子均能正常萌發(fā)。溫度、鹽堿和水勢(shì)均是影響新疆不同地區(qū)田旋花種子萌發(fā)的關(guān)鍵環(huán)境因素，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，干旱脅迫和pH不是限制田旋花萌發(fā)的主要因素。