溫度、光照及PEG脅迫對(duì)不同生態(tài)型醉馬草種子萌發(fā)的影響

劉雪松

（甘肅中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

醉馬草(Achnatherum inebrians)是我國(guó)北方草原的主要烈性毒草之一，在甘肅、內(nèi)蒙、青海、西藏等地區(qū)均有分布，在河北、山東、浙江等地也有少量分布[1-2]。其屬于禾本科芨芨草屬的多年生草本植物，因其對(duì)家畜有毒而不能被家畜采食，因此醉馬草成為限制北方草原畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一，但因醉馬草也具有抗逆性強(qiáng)、擴(kuò)散蔓延快的優(yōu)良特性，因此也可作為生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水土保持的良好草種進(jìn)行合理利用[1]。近年來，蘭州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)其開展了大量研究，明確了其毒性是由內(nèi)生真菌(Epichlo? gansuensis,E.inebrians)產(chǎn)生，而內(nèi)生真菌的存在也提高了醉馬草的抗逆性和種群競(jìng)爭(zhēng)力，為醉馬草的可利用研究奠定了基礎(chǔ)[3]。

種子萌發(fā)是植物進(jìn)行種群延續(xù)的重要階段，是植物生命史上的關(guān)鍵階段[4-7]。種子的正常萌發(fā)和出苗均受外界環(huán)境因素如溫度和光照的影響[8]。種子的萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)與種子萌發(fā)時(shí)所具備的溫度和光照有關(guān)，同一地區(qū)的不同物種以及不同地區(qū)的同一物種的種子，最適萌發(fā)溫度都可能不同[9]。種子萌發(fā)時(shí)感知外界溫度變化是種子檢測(cè)植被冠層間隙和土壤埋藏深度的一種機(jī)制，這對(duì)植物生長(zhǎng)具有十分重要的意義[10]。光照對(duì)種子萌發(fā)以及后續(xù)幼苗的生長(zhǎng)具有非常重要的作用，不同植物在不同光照條件下種子的萌發(fā)行為和幼苗生長(zhǎng)對(duì)光強(qiáng)的響應(yīng)存在較大差異，而且幼苗在生長(zhǎng)過程中能夠通過形態(tài)變化來適應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)的變化，從而對(duì)不良環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)性[11]。由于全球氣候變化和過度放牧的影響，天然草地面臨著溫度升高、水分短缺等問題，這對(duì)草類植物的生長(zhǎng)造成了威脅。因此，在不同生境條件下研究醉馬草種子萌發(fā)的適應(yīng)性對(duì)醉馬草優(yōu)良品種篩選和草種擴(kuò)繁具有重要意義。

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)醉馬草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的研究主要集中在溫度、水分、內(nèi)生真菌、重金屬和外源激素對(duì)其萌發(fā)的影響上[12-15]，而關(guān)于溫度、光照和PEG三者互作對(duì)醉馬草種子萌發(fā)的研究尚未見報(bào)道。本研究以不同采集地的醉馬草種子為試驗(yàn)材料，利用PEG滲透調(diào)節(jié)劑模擬水分脅迫，研究光照、溫度和水分條件互作對(duì)種子萌發(fā)的影響，明確多種環(huán)境因子相互作用對(duì)醉馬草種子的萌發(fā)特性的影響，為進(jìn)一步研究醉馬草種群繁殖擴(kuò)散的機(jī)制奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2013年9月分別自甘肅榆中和內(nèi)蒙古阿拉善采集醉馬草種子，清除雜質(zhì)后自然風(fēng)干后低溫儲(chǔ)存?zhèn)溆谩B透調(diào)節(jié)劑PEG-6000為分析純，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)2個(gè)生態(tài)型處理，榆中(YZ)生態(tài)型和阿拉善(Alxa)生態(tài)型，3個(gè)溫度處理10 ℃/20 ℃、15 ℃/25 ℃ 和 20 ℃/30 ℃ 變溫 12 h/12 h)，2 個(gè)光照處理(完全光照和完全黑暗)，在不同溫度和光照條件下設(shè)4個(gè)不同濃度PEG水分脅迫處理(0、-0.3、-0.6和-0.9 MPa)，以無菌水處理(0 MPa)為對(duì)照，每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)[16]。

2015年7月20日，將低溫保存的醉馬草種子取出，篩選大小一致、健康飽滿的種子，先用1%次氯酸(NaClO)浸泡5 min后，立即轉(zhuǎn)移到70%乙醇浸泡2 min，然后用蒸餾水沖洗干凈，在滅菌濾紙上晾干后利用紙上發(fā)芽法進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)。將直徑為9 cm的培養(yǎng)皿底部鋪上兩層滅菌濾紙，均勻放入50粒種子，然后加入5 mL的PEG溶液，5 mL蒸餾水作為對(duì)照，稱取每個(gè)培養(yǎng)皿的原始重量，做好標(biāo)記記錄。將培養(yǎng)皿中放入各溫度和光照的的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，光強(qiáng)統(tǒng)一設(shè)置為5 000 lx，濕度統(tǒng)一設(shè)置為82%，連續(xù)培養(yǎng)21 d，每天用稱重法補(bǔ)水并記錄正常發(fā)芽的種子數(shù)目，每隔5 d更換一次無菌濾紙，并及時(shí)清理污染發(fā)霉的種子，21 d后從每個(gè)培養(yǎng)皿中隨機(jī)選取5株幼苗，用游標(biāo)卡尺測(cè)定并記錄其胚芽長(zhǎng)和胚根長(zhǎng)。利用第14天萌發(fā)的數(shù)值計(jì)算發(fā)芽率(germination rate,GR,%)和發(fā)芽指數(shù)(germination index,GI)。

式中：Gt為t天的發(fā)芽個(gè)數(shù)，Dt為發(fā)芽的相應(yīng)天數(shù))

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 光照對(duì)醉馬草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

2.1.1 不同溫度和PEG脅迫對(duì)醉馬草種子發(fā)芽率的影響

在溫度一定時(shí)，隨著PEG濃度的升高，醉馬草種子的發(fā)芽率逐漸降低，但兩種醉馬草種子都有承受一定程度水分脅迫的能力。YZ醉馬草種子在3種溫度條件下發(fā)芽率均在-0.6和-0.9 MPa水分條件下顯著降低(P＜ 0.05)；在10 ℃/20 ℃溫度下，Alxa醉馬草種子發(fā)芽率在-0.9 MPa水分條件下顯著 降低 (P＜ 0.05)，而在 15 ℃/25 ℃ 和 20 ℃/30 ℃條件下，種子發(fā)芽率在-0.6 MPa條件下顯著降低，且均顯著低于對(duì)照處理(P＜ 0.05)。當(dāng)PEG濃度一定時(shí)，YZ醉馬草種子的發(fā)芽率隨溫度的上升呈先上升后下降的趨勢(shì)，15 ℃/25 ℃時(shí)種子發(fā)芽率達(dá)到最高。Alxa醉馬草種子發(fā)芽率在-0.3 MPa水分脅迫下隨溫度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，且在15 ℃/25 ℃時(shí)達(dá)到最大值；在-0.6和-0.9 MPa滲透脅迫下，種子的發(fā)芽率隨溫度的升高呈逐漸降低的趨勢(shì)，這說明YZ醉馬草種子有較強(qiáng)的吸水力(表1)。

2.1.2 不同溫度和PEG脅迫對(duì)醉馬草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

光照條件下，當(dāng)溫度一定時(shí)，兩種醉馬草種子的發(fā)芽指數(shù)隨著PEG濃度的升高顯著降低，且均顯著低于對(duì)照處理(P＜ 0.05)。當(dāng)溶液滲透勢(shì)一定時(shí)，兩種醉馬草種子發(fā)芽指數(shù)隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且都在15 ℃/25 ℃條件下達(dá)到最大值，說明15 ℃/25 ℃條件為兩種醉馬草種子萌發(fā)最適宜的溫度(表2)。

2.1.3 不同溫度和PEG脅迫對(duì)醉馬草幼苗胚根長(zhǎng)的影響

光照條件下，在同一PEG溶液濃度脅迫下，兩種醉馬草種子的胚根長(zhǎng)隨著溫度的上升呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且均在15 ℃/25 ℃條件下達(dá)到最大值。YZ醉馬草的胚根長(zhǎng)隨溫度的變化與對(duì)照差異不顯著，而Alxa醉馬草在15 ℃/25 ℃條件下的胚根長(zhǎng)顯著大于10/20 ℃(P＜ 0.05)。在同一溫度條件下，兩種醉馬草種子的胚根長(zhǎng)隨著水分脅迫的增加而減小(表3)。

2.1.4 不同溫度和PEG脅迫對(duì)醉馬草幼苗胚芽長(zhǎng)的影響

當(dāng)PEG溶液濃度一定時(shí)，兩種醉馬草種子的胚芽長(zhǎng)隨著溫度的升高均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且都在15 ℃/25 ℃條件下達(dá)到最大值；YZ醉馬草的胚芽長(zhǎng)在3個(gè)溫度處理下差異不顯著(P＞ 0.05)，而Alxa醉馬草在水勢(shì)為-0.3 MPa時(shí)，15 ℃/25 ℃溫度下的胚芽長(zhǎng)顯著高于10 ℃/20 ℃和對(duì)照(P＜ 0.05)。當(dāng)溫度一定時(shí)，兩種醉馬草的胚芽長(zhǎng)均隨著PEG溶液濃度的增加而降低，且在相同水勢(shì)條件下Alxa醉馬草的胚芽長(zhǎng)均高于YZ醉馬草(表4)。

表1 光照條件下不同溫度和PEG脅迫對(duì)兩種醉馬草種子發(fā)芽率的影響Table 1 Effects of different temperatures and levels of PEG stress on the germination rates of the seeds of two ecotypes of Achnatherum inebrians held under the same light conditions %

表2 光照條件下不同溫度和PEG脅迫對(duì)兩種醉馬草種子發(fā)芽指數(shù)的影響Table 2 Effects of different temperatures and levels of PEG stress on the germination index of the seeds two ecotypes of Achnatherum inebrians germinated under the same light conditions

表3 光照條件下不同溫度和PEG脅迫對(duì)兩種醉馬草胚根長(zhǎng)的影響Table 3 Effects of different temperatures and levels of PEG stress on the radicle length of seedlings of two ecotypes of Achnatherum inebrians germinated under the same light conditions mm

2.2 黑暗條件下溫度變化對(duì)兩種醉馬草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2.1 黑暗條件下溫度變化對(duì)兩種醉馬草種子萌發(fā)的影響

黑暗條件下，兩種醉馬草種子的發(fā)芽率隨著溫度的升高均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，3個(gè)溫度條件下兩種醉馬草的發(fā)芽率無顯著差異(P＞ 0.05)，YZ醉馬草種子的發(fā)芽率稍高于Alxa醉馬草(圖1)。在10 ℃/20和15 ℃/25 ℃條件下，Alxa醉馬草種子的發(fā)芽指數(shù)顯著高于YZ醉馬草(P＜ 0.05)。YZ醉馬草種子的發(fā)芽指數(shù)隨溫度的升高逐漸增大，且3個(gè)溫度處理的差異均顯著(P＜ 0.05)；而Alxa醉馬草種子的發(fā)芽指數(shù)則隨溫度的升高先增加后下降，在溫度為15 ℃/25 ℃時(shí)，發(fā)芽指數(shù)達(dá)到最大，與10 ℃/20 ℃ 處理相比差異顯著 (P＜ 0.05)，與 20 ℃/30 ℃處理無顯著差異(圖1)。

表4 光照條件下不同溫度和PEG脅迫對(duì)兩種醉馬草胚芽生長(zhǎng)的影響Table 4 Effects of different temperatures and levels of PEG stress on the plumule length of seedlings of two ecotypes of Achnatherum inebrians germinated under the same light conditions mm

圖1 黑暗條件下溫度變化對(duì)兩種醉馬草種子萌發(fā)的影響Figure 1 Effects of different temperatures on the seed germination of two ecotypes of Achnatherum inebrians

2.2.2 黑暗條件下溫度變化對(duì)醉馬草幼苗生長(zhǎng)的影響

3個(gè)溫度條件下，Alxa醉馬草的胚根長(zhǎng)顯著大于YZ 醉馬草的胚根長(zhǎng) (P＜ 0.05)。

YZ醉馬草的胚根長(zhǎng)隨溫度的升高逐漸增大，且各溫度處理之間無顯著差異；Alxa醉馬草的胚根長(zhǎng)則隨溫度的變化先增加后降低，在15 ℃/25 ℃條件下達(dá)到最大值，與10 ℃/20 ℃處理差異顯著(P＜0.05)，但與 20 ℃/30 ℃ 處理無顯著差異 (P＞ 0.05)(圖2)。黑暗條件下，YZ醉馬草與Alxa醉馬草的胚芽長(zhǎng)均隨溫度的升高而逐漸增大，且Alxa醉馬草的胚芽長(zhǎng)顯著大于YZ醉馬草的胚芽長(zhǎng)(P＜ 0.05)；在20 ℃/30 ℃條件下，YZ醉馬草的胚芽長(zhǎng)顯著高于 10 ℃/20 ℃ 處理 (P＜ 0.05)；而在 15 ℃/25 和 20 ℃/30 ℃條件下，Alxa醉馬草的胚芽長(zhǎng)顯著高于10 ℃/20 ℃ 處理 (P＜ 0.05) (圖2)。

圖2 黑暗條件下溫度變化對(duì)兩種醉馬草幼苗生長(zhǎng)的影響Figure 2 Effects of different temperatures on seedling growth in two ecotypes of Achnatherum inebrians held under dark conditions

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)需要適宜的水分、充足的氧氣、合適的溫度或光照等環(huán)境因子，這些環(huán)境因子彼此關(guān)聯(lián)，共同發(fā)揮作用以影響種子活力[17-18]。種子的萌發(fā)除了與環(huán)境因子相關(guān)外，還與種子本身的遺傳特性及適應(yīng)環(huán)境的能力有關(guān)[19-21]。本研究發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)型的醉馬草種子對(duì)溫度和水分脅迫的響應(yīng)有差異，Alxa醉馬草在同一溫度和水分條件下生長(zhǎng)地更好，這說明Alxa醉馬草種子具有較強(qiáng)的抗逆生長(zhǎng)能力，這種抗逆性可能與Alxa醉馬草種子的遺傳特性和適應(yīng)能力有關(guān)。

溫度對(duì)種子休眠也有重要的影響，可以打破種子休眠，改變種子休眠形式，或者影響無休眠種子的萌發(fā)速率[22-23]。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PEG濃度為0 Mpa時(shí)，無論光照與否，兩種醉馬草種子在3個(gè)溫度條件下都能萌發(fā)，萌發(fā)率均達(dá)到85%以上，說明醉馬草種子萌發(fā)在對(duì)溫度變化具有較寬適應(yīng)性。一定的滲透脅迫范圍內(nèi)，在15 ℃/25 ℃溫度下兩種醉馬草種子的發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)都達(dá)到最大，說明此溫度適宜于醉馬草種子萌發(fā)，超過該溫度則會(huì)降低醉馬草種子的生命力，這與萬志文等[24]對(duì)醉馬草的研究結(jié)果相似。當(dāng)光照時(shí)，在15 ℃/25 ℃溫度下兩種醉馬草種子的胚根和胚芽長(zhǎng)都達(dá)到最大值，可能是因?yàn)闇囟燃ぐl(fā)了種子體內(nèi)代謝酶的活性，促進(jìn)了貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)化和胚的生長(zhǎng)，變溫同時(shí)也加速了種皮的機(jī)械變化，有利于水分進(jìn)入從而促進(jìn)種子萌發(fā)[25]。在本研究中，溫度的變化對(duì)兩種醉馬草種子發(fā)芽率的影響不是很大，種子發(fā)芽指數(shù)卻與溫度變化緊密聯(lián)系，且在黑暗條件下這種現(xiàn)象更為明顯，這表明黑暗條件下醉馬草種子的活力受溫度的影響較大；在一定的滲透脅迫范圍內(nèi)隨著溫度的上升，醉馬草的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)都有所增加，表明適宜的溫度可以減弱PEG脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響，這與劉鴻芳等[26]對(duì)胡枝子(Lespedeza bicolor)的研究結(jié)果相似。

光照是影響種子萌發(fā)的重要環(huán)境因子，對(duì)某些種子的萌發(fā)是所必須的，如對(duì)葉榕(Ficus hispida)、益母草(Leonurus artemisia)的種子[27-29]；而對(duì)有斑百合(Lilium concolor)、川百合(L.davidii)、毛百合(L.dauricum)種子的萌發(fā)有明顯的促進(jìn)作用[19]。本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)水分脅迫為0 Mpa，溫度為15/25 ℃，光照處理的YZ醉馬草種子的發(fā)芽指數(shù)明顯高于黑暗處理，但發(fā)芽率無差異，而Alxa醉馬草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)在光照和黑暗處理下均無差異，這說明醉馬草種子的發(fā)芽率大小與有無光照無關(guān)，有無光照都能萌發(fā)，光照不是醉馬草種子萌發(fā)所必需的條件，這與薛焱和王迎春[30]、黃振英等[31]、孫衛(wèi)邦等[32]和段春華等[33]對(duì)長(zhǎng)葉紅沙(Reaumuria trigyna)、梭梭 (Haloxylon ammodendron)、皺葉醉魚草(Buddleja crispa)和醉馬草的研究結(jié)果相似。黑暗條件下，不同溫度處理對(duì)兩種醉馬草種子的發(fā)芽率沒有顯著差異，但隨著溫度的升高呈上升趨勢(shì)，說明在黑暗條件下溫度對(duì)醉馬草種子的萌發(fā)有一定的促進(jìn)作用，這與楊利平等[19]對(duì)百合屬(Lilium)6種植物種子萌發(fā)的研究結(jié)果相似。

在植物生命史中，種子萌發(fā)期是最為重要的時(shí)期，此階段對(duì)外界水分的變化最為敏感[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的PEG均會(huì)不同程度的抑制醉馬草種子的萌發(fā)，且隨著滲透勢(shì)的降低對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用更強(qiáng)，這與張會(huì)靈等[34]在PEG脅迫下對(duì)辣椒(Capsicum annuum)種子萌發(fā)的影響研究結(jié)果相似，卻與辛福梅等[35]對(duì)巨柏(Cupressus gigantea)種子萌發(fā)的研究結(jié)果相反，可能因?yàn)樽眈R草種子對(duì)水分的變化較為敏感及種子本身的生理特性不同。

綜上所述，本研究首次在溫度、光照和PEG三者相結(jié)合的處理下探討對(duì)不同生態(tài)型醉馬草萌發(fā)的影響，研究結(jié)果表明最適宜兩種醉馬草種子萌發(fā)的溫度為15 ℃/25 ℃，光照不是種子萌發(fā)所必需的環(huán)境條件，低濃度的PEG也會(huì)抑制種子的萌發(fā)；黑暗條件下，YZ醉馬草種子適宜萌發(fā)的溫度變化范圍較廣，Alxa醉馬草種子萌發(fā)的速度和整齊度較好，種子的活力較強(qiáng)；無論是在光照、溫度或是水分脅迫條件下，Alxa醉馬草的胚根與胚芽長(zhǎng)都高于YZ醉馬草，說明Alxa醉馬草更具有較強(qiáng)的抗逆性和適應(yīng)性。