溫度、光照和水分對珍稀瀕危樹種崖柏種子萌發(fā)的影響

(1.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京100091；2.北京市八一學校附屬玉泉中學，北京100091)

崖柏(ThujasutchuenensisFranch.)為柏科(Cupressaceae)崖柏屬(Thuja)常綠喬木，我國特有的珍稀瀕危裸子植物和白堊紀孑遺植物[1]，國家優(yōu)先搶救的極小種群植物。天然分布在重慶市城口縣、開州區(qū)以及四川省宣漢縣的石灰?guī)r山區(qū)(31°25′～31°44′ N，108°23′～108°54′E)[2]。1892年4月首次發(fā)現，此后“絕跡”了100多年，1999年10月被重新發(fā)現[3]；在此期間，世界自然保護聯盟(IUCN)曾將其定為野外已滅絕(EW)物種[4]，2003年定為極危種(CR)[5]；2013年，根據恢復起來的崖柏野生植株數量，改定為瀕危種(EN)[6]。崖柏瀕危的主要原因是種群年齡結構不完整，幼齡個體不足[7-8]。造成這種現象有以下原因：一是受結實母樹樹齡偏大和生境條件的影響，具備結實能力的植株少，且種子敗育率高[9]；二是結實間隔期長，種子供應不能持續(xù)。自崖柏被重新發(fā)現以來，僅出現過1次結實豐年；三是種子小，千粒質量僅為1.496 2 g[9]，種皮近革質，對環(huán)境變化的抵御能力差。即便有種子落下，也很難發(fā)芽、生長。老齡個體不斷死亡，幼齡個體又不能及時補充，是崖柏種群面臨的嚴峻問題。需要積極進行人工干預。從野外種群中收集種子，通過人工播種育苗，而后回歸原生地，以彌補崖柏野生種群幼齡個體的不足，是當前避免崖柏種群走向滅絕的正確而有效的途徑。

人工播種育苗必須掌握適宜種子萌發(fā)的環(huán)境條件。只有種子萌發(fā)的環(huán)境條件適宜，種子潛在的發(fā)芽能力才能被激發(fā)出來，播種育苗才能取得實效。種子萌發(fā)是植物生活史中的一個脆弱環(huán)節(jié)，受多種環(huán)境因素的影響[10-11]。其中，溫度、光照和水分是影響種子萌發(fā)的主要因素[12-14]。然而，受遺傳因素的影響，不同植物受各環(huán)境因素影響的程度會有所不同，因而需區(qū)分植物種分別進行研究。目前對崖柏的研究主要集中在崖柏的生理生態(tài)、種群生態(tài)、群落生態(tài)、繁殖技術、野外回歸以及球果和種子形態(tài)測定等方面[2,7,9,15-29]，對適宜崖柏種子萌發(fā)環(huán)境條件的研究尚未見報道。

本試驗選取溫度、光照、水分等對植物種子萌發(fā)起主要影響的環(huán)境因子，通過設置不同的溫度條件、光照和黑暗環(huán)境、種子浸泡時間等，研究各環(huán)境因子對崖柏種子萌發(fā)的影響特征，并探討其影響機制。旨在掌握適宜崖柏種子萌發(fā)的環(huán)境條件，為崖柏人工播種育苗生產提供參考。

1 材料與方法

1.1 參試種子

崖柏球果采自重慶市開州區(qū)雪寶山國家級自然保護區(qū)白泉鄉(xiāng)林區(qū)內崖柏成年野生種群。地理坐標為 31°35′53.8″ N，108°50′36.6″ E，海拔高度為1 661 m。采集時間為2017年11月6日。采集時，球果已由綠色變?yōu)闇\黃色，尚未開裂，已具備種子成熟的表現特征[9,30]。采回球果后，將其攤放在溫度20 ℃左右、相對濕度40%左右的室內通風干燥處自然風干。種鱗開裂后，脫出種子，裝入透氣的布袋內，置于4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 試驗方法

1.2.1凈種和種子消毒

試驗起始時間為2017年12月30日。試驗前對參試種子進行凈種和消毒。凈種采用水選法[31]，即將種子放入盛有40 ℃溫水的容器中浸泡，3 d后，清除漂浮在水面上的空粒，而后用0.5%的高錳酸鉀溶液浸泡30 min，對種子進行消毒，再用蒸餾水洗掉種子表面的藥液，備用。

1.2.2溫度處理

設置20 ℃、25 ℃和30 ℃等3種溫度處理。試驗分別在3個植物光照培養(yǎng)箱(日本三洋公司生產的MLR-350 H植物光照培養(yǎng)箱)中進行。培養(yǎng)器具為內徑9 cm鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿。每皿播種經過凈種和消毒處理的種子100粒，每種處理設3次重復。3種處理累計900粒。每種處理使用1個培養(yǎng)箱。各處理的起始時間一致。各培養(yǎng)箱設置的光照時間和光照強度相同，均為光照時間8 h·d-1[32]，光照強度250μmol·(m2·s)-1。

1.2.3光照處理

設置光照(光照時間為每天8 h、光照強度250μmol·(m2·s)-1)和持續(xù)黑暗2種處理。試驗分別在2個植物光照培養(yǎng)箱中進行。各培養(yǎng)箱設定的溫度條件一致，均為25 ℃。培養(yǎng)器具為內徑9 cm鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿。每皿播種100粒，每種處理設3次重復。

1.2.4水浸處理

設置浸種72 h、96 h和120 h等3種處理。試驗在同一植物光照培養(yǎng)箱中進行。培養(yǎng)箱設定的溫度和光照條件一致，均為25 ℃、光照時間為每天8 h、光照強度為250μmol·(m2·s)-1。培養(yǎng)器具為內徑9 cm鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿。每皿播種100粒，每種處理設3次重復。

1.2.5試驗觀測

自播種之日起，每天10：00時觀測。觀測內容主要是萌發(fā)和霉爛的種子粒數。每次觀測后，視培養(yǎng)皿失水情況補充蒸餾水。補水量以不使種子移動為宜。種子萌發(fā)以胚根達到種子長度的1/2為標志[32]。在發(fā)芽末期，當連續(xù)5 d的發(fā)芽粒數平均不足參試種子總粒數的1%時，視為發(fā)芽結束[32]。

1.3 數據計算和處理

發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數和霉變率等的計算公式如下[32-34]：

萌發(fā)開始時間(d)：指從播種到第1粒種子萌發(fā)所需的天數；

萌發(fā)持續(xù)時間(d)：指從種子萌發(fā)開始到萌發(fā)結束所需的天數；

發(fā)芽率(%)=(正常發(fā)芽的種子粒數/參試種子的總粒數)×100%；

霉變率(%)=(發(fā)芽結束時霉變的種子粒數/參試種子的總粒數)×100%；

發(fā)芽指數= ∑(Gt/Dt)(Gt為在時間t日發(fā)芽的種子粒數，Dt為相應的發(fā)芽天數)；

發(fā)芽勢(%)=(規(guī)定日期內正常發(fā)芽種子粒數/參試種子總粒數)×100%。

在發(fā)芽進行到第12天時計算發(fā)芽勢。

采用SPSS 19.0軟件對所得數據在95%水平上進行單因子方差分析(One-way ANOVA)，萌發(fā)結果以百分率±標準誤表示，繪圖采用 Excel 2010軟件。

2 結果與分析

2.1 溫度對崖柏種子萌發(fā)的影響

從不同溫度條件下崖柏種子的發(fā)芽率(表1)可以看出，隨著溫度升高種子發(fā)芽率呈先增加后減少的變化趨勢。25 ℃下的種子發(fā)芽率最高(88%)，20 ℃下的次之(77%)，30 ℃下的最低(33%)。發(fā)芽指數和發(fā)芽勢的變化與發(fā)芽率的變化趨勢一致，但種子霉變率的變化趨勢與發(fā)芽率、發(fā)芽指數、發(fā)芽勢相反，即隨著溫度的升高表現為先減少后增加。以25 ℃下的種子霉變率最低(3%)，20 ℃下的次之(6%)，30 ℃下的最高(40%)。對不同溫度條件下各觀測指標進行差異顯著性檢驗的結果表明，20 ℃和25 ℃條件下的崖柏種子發(fā)芽率及霉變率的差異不顯著，但二者與30 ℃下的差異顯著；不同溫度下的發(fā)芽指數均存在顯著差異(0.01

表1 不同溫度條件對崖柏種子萌發(fā)的影響

圖1 不同溫度條件下崖柏種子的萌發(fā)過程

2.2 光照對崖柏種子萌發(fā)的影響

在25℃下，有光照(8 h·d-1，250μmol·(m2·s)-1)和持續(xù)黑暗下的崖柏種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數和發(fā)芽勢均不存在顯著差異(F=1.489，p=0.289>0.05；F=0.924，p=0.391>0.05；F=0.535，p=0.505>0.05)。種子霉變率也不存在顯著差異(F=6.000，p=0.07>0.05)(表2)。然而在光照下，崖柏的種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數和發(fā)芽勢較持續(xù)黑暗條件下的稍有提高，種子霉變率略有降低。光照和連續(xù)黑暗下的種子萌發(fā)開始時間相同，均為播后第6天(圖2)，但光照下結束萌發(fā)時間(23 d)比持續(xù)黑暗下(25 d)提前了2 d。表明，光照對崖柏種子萌發(fā)并不是必需的條件，在持續(xù)黑暗條件下種子仍能萌發(fā)，但在有光照條件下的種子持續(xù)發(fā)芽的時間比持續(xù)黑暗下的有所縮短，且霉變率有所降低。

2.3 浸種時間對崖柏種子萌發(fā)的影響

在溫度25 ℃、光照時間8 h·d-1，光照強度250μmol·(m2·s)-1下，浸種72 h 、96 h和120 h的種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數、發(fā)芽勢和霉變率均不存在顯著差異(表3)。但是隨著浸種時間的增加，種子的發(fā)芽率呈逐漸降低的變化趨勢；發(fā)芽指數呈逐漸升高的變化趨勢；發(fā)芽勢呈先升高后降低的變化趨勢，浸種72 h 和96 h種子霉變率相同，浸種120 h的種子霉變率升高。不同浸種時間下種子萌發(fā)開始的時間略有不同(圖3)。浸種120 h和96 h的種子萌發(fā)開始時間為播后第5天，浸種72 h的在播后第6天。浸種120 h和96 h的比浸種72 h的提前了1 d。浸種120 h的種子萌發(fā)結束時間(22 d)，比浸種72 h (24 d)和96 h(24 d)提前了2 d；浸種120 h的種子霉變率(5%)比浸種72 h(3%)和96 h(3%)的略有提高。表明，在種子浸泡72～120 h范圍內，浸泡時間長短對種子發(fā)芽率沒有產生較大影響，只是浸種時間長的種子萌發(fā)開始的時間早，種子萌發(fā)結束的時間略有提前。浸泡120 h的種子霉變率有所提高。

表2 不同光照條件對崖柏種子萌發(fā)的影響

圖2 光照和持續(xù)黑暗條件下崖柏種子的萌發(fā)過程

表3 不同浸種時間對崖柏種子萌發(fā)的影響

圖3 不同浸種時間下崖柏種子萌發(fā)進程

3 討 論

溫度是植物種子萌發(fā)的必要條件。溫度對種子生理過程的影響主要體現在種子的酶促反應過程(水解酶性質、膜結合蛋白的活力及膜透性等方面的變化)、呼吸作用及種子抑制物質的變化上。在最適宜溫度下，種子內部酶的活性最高，酶促反應速度快，呼吸作用增強，內部物質分解快，可為種子萌發(fā)提供足夠的能量和物質[35-37]，不同植物的種子屬性不同，適宜種子萌發(fā)的最適溫度也會有所不同[38-40]。本研究表明，溫度變化對崖柏種子萌發(fā)影響較大。25 ℃下的種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數最大，且種子萌發(fā)開始的時間早，持續(xù)萌發(fā)的時間短。說明在25℃下崖柏的種子高，而且出苗快、出苗整齊。從溫度對種子生理過程的影響分析，可能是該溫度能夠促進種子吸水、膨脹、種皮軟化，加快酶促反應速度，加強呼吸作用，能夠為種子萌發(fā)和胚的生長提供足夠能量和物質。低于25 ℃，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數、發(fā)芽勢降低，種子萌發(fā)開始的時間晚，且持續(xù)萌發(fā)的時間延長，這可能與種子萌發(fā)所需的積溫不足，不能在一定時間內積累到種子萌發(fā)所需的熱量有關[35-36]，當溫度升高到30 ℃，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數顯著降低，而霉變率顯著提高(表1)，種子萌發(fā)開始的時間比25 ℃下的晚，持續(xù)萌發(fā)時間推遲(圖1)，其原因可能在于，溫度過高已引起種子內部酶變性，膜的透性以及膜結合的活性受到了影響[37]。在播種育苗生產實踐中，萌發(fā)開始時間早，持續(xù)發(fā)芽時間短，可使苗木的生長時間增加，提高苗木生長量，保證苗木充分木質化，這不僅可以節(jié)省大量的人力物力，而且還可以使苗木出圃時間提前[32]。

光照對有些植物種子萌發(fā)是必不可少的，如合柱金蓮木(Siniarhodoleuca)在持續(xù)黑暗下種子不能萌發(fā)[41]，而對有些植物影響不大。如秦嶺冷杉(Abieschensiensis)的種萌發(fā)則不受光照條件的限制。只是在黑暗條件下，種子萌發(fā)的速率比較慢，發(fā)芽不整齊，發(fā)芽勢低[32]。已有研究表明，種子萌發(fā)是否需要光照是由植物的遺傳性和環(huán)境共同決定的[42]。本研究表明，崖柏種子萌發(fā)與秦嶺冷杉種子萌發(fā)對光的需求相似，無論在光照條件下，還是在連續(xù)黑暗條件下均可萌發(fā)，而且種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數等均無顯著差異(表2，圖2)。

水分也是植物種子萌發(fā)的必要條件。一般來說，種子萌發(fā)時的含水量大大高于貯藏期間的種子含水量，也高于種子完熟期的含水量，所以為了使種子萌發(fā)必須供給足量的水分。

浸種是播種育苗預處理中全部技術的核心，目的是讓種子吸足水分。因為只有種子吸足水分，才能使胚內的蛋白質等大分子及細胞器活化，進而使種子萌動。但是，如果浸種時間過長，也會導致種子無氧呼吸，使種子腐爛，降低出苗率[43-45]。不同植物的種子生物學特性不同，需要浸種時間的長短也會有所不同。本研究表明，浸泡72 h、96 h和120 h的崖柏種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數、種子霉變率等均無顯著差異。但浸種120 h的種子比浸種72 h和96 h的有所提高(表3，圖3)。浸種72 h的發(fā)芽率最高，霉變率最低，在育苗實踐中，浸種72 h足以滿足崖柏種子萌發(fā)對水分的需求。這與崖柏種子小，種皮薄，近革質，種皮吸水軟化較快有關。

4 結 論

1) 崖柏種子萌發(fā)的最適溫度為25 ℃。低于或高于25 ℃，種子萌發(fā)受到抑制。30 ℃高溫，會顯著降低種子發(fā)芽率，且種子霉變率會顯著提高。25 ℃下發(fā)芽指數和發(fā)芽勢高，種子萌發(fā)開始的時間早，持續(xù)萌發(fā)的時間短，出苗快，出苗整齊。

2) 光照不是崖柏種子萌發(fā)的必要條件。在連續(xù)黑暗條件下種子仍可萌發(fā)。且在光照和持續(xù)黑暗下的種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數、發(fā)芽勢、霉變率等種子萌發(fā)指標間差異不顯著。但在有光照條件下的種子持續(xù)發(fā)芽的時間比持續(xù)黑暗下的短，且霉變率低。

3) 浸種72 h、96 h、120 h對崖柏的種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數、發(fā)芽勢、種子霉變的影響不顯著。但浸種72 h的發(fā)芽率高，霉變率低，浸種96 h 和120 h的發(fā)芽率有所降低，浸種120 h的霉變率有所提高。因此，浸種72 h基本上就可以滿足崖柏種子萌發(fā)對水分的需求。