兩種生境中鹽地堿蓬二型性種子比例和萌發(fā)對策的差異

(山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004)

鹽地堿蓬(Suaedasalsa)為莧科堿蓬屬一年生肉質(zhì)化真鹽生植物[1]，耐鹽性強，廣泛分布于鹽漬化生境。該物種可用于鹽漬化土壤的改良[2-3]，其幼苗、種子均可食用，植株提取物可入藥[4-6]，具有很高的經(jīng)濟價值[7-10]。鹽地堿蓬可產(chǎn)生黑色和棕色兩種種子，這兩種種子可在不同季節(jié)萌發(fā)而促進種群更新[11]。

生長于不同生境的植物二型種子分離比可能不同。如營養(yǎng)和鹽分高低均不會改變異子蓬(Suaedaaralocaspica)的黑色和棕色種子的分離比，但低營養(yǎng)可增大黑色種子大小和萌發(fā)，不會改變棕色種子大小和萌發(fā)，高鹽則降低兩種種子的大小，提高萌發(fā)[12]。生長于高鹽生境中的角果堿蓬(Suaedacorniculatasubsp.mongolica)黑色種子萌發(fā)更高[13]，濕潤生境沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)產(chǎn)生的種子休眠較干旱生境中的更深[14]，而來自干旱和濕潤地區(qū)的黃松(PinusponderosaDoug.)種子產(chǎn)生的幼苗具有不同的適應(yīng)抗旱能力[15]。但也有研究證實海拔梯度對小葉千里光(Helichrysummicrophyllumsubsp.Tyrrhenicum)種子性狀和萌發(fā)行為并沒有影響[16]。因而，生境中環(huán)境因子變化可能驅(qū)動植物種子種群分化。

鹽地堿蓬種子受溫度、鹽分和光照影響顯著。鹽地堿蓬萌發(fā)范圍較寬，在5～45 ℃均可萌發(fā)[17]。相同鹽分下，在5 ℃/15 ℃萌發(fā)最低，15 ℃/25 ℃為最適萌發(fā)溫度[18]。相同溫度下，種子萌發(fā)率隨鹽分濃度升高而降低，棕色種子具有更強的耐鹽性，在高鹽分濃度(0.78 mol·L-1)萌發(fā)率可達到30%以上，而黑色種子幾乎不萌發(fā)[19]。黑色種子萌發(fā)受黑暗抑制作用較強，棕色種子在低鹽下對光照不敏感，高鹽(>0.39 mol·L-1)下，在黑暗中萌發(fā)顯著高于光照環(huán)境[19]。也有人發(fā)現(xiàn)，棕色種子不休眠，黑色種子具有非深度生理性休眠，可通過劃破種皮[20]、低溫層積[21]或赤霉素處理打破[22]。

自然環(huán)境中，鹽生植物種子萌發(fā)還受Na+、K+、Ca2+和Mg2+等多種離子影響[23]，與NaCl溶液相比，海水對鹽生植物種子萌發(fā)具有更大的抑制作用[24]。種子具有抗鹽脅迫能力，可通過外源物質(zhì)減輕高鹽對種子萌發(fā)的抑制作用[25]。在相同鹽分濃度下，種子在NaCl單鹽溶液中的吸收率低于混合鹽溶液，Ca2+和Mg2+離子加入可緩解NaCl對種子的萌發(fā)抑制作用[18]，且MgSO4緩解作用大于MgCl2[26]。鹽地堿蓬從中國東部沿海到內(nèi)陸鹽漬化區(qū)域均有分布，不同生境中土壤鹽分和氣候作為環(huán)境信號是否會改變其萌發(fā)對策，需要進一步探討。

表1 鹽地堿蓬兩種生境的氣象和土壤性質(zhì)

盡管這些研究為鹽生植物種子萌發(fā)研究提供了有用信息，但均集中于單一生境，而對定居于不同生境中的鹽地堿蓬種子種群是否發(fā)生分化幾乎未見報道。本研究以內(nèi)陸鹽湖(運城鹽湖)和海岸(天津大港)鹽地堿蓬為實驗材料，探究如下問題：1) 兩種生境中二型種子分離比是否存在差異；2) 溫度和鹽分對兩種生境中鹽地堿蓬種子萌發(fā)的影響；3) GA3對不同生境種子萌發(fā)的促進作用；4) 不同鎂鹽和鈣鹽對鹽分脅迫下種子萌發(fā)的緩沖作用，以期闡明兩種生境鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)的適應(yīng)策略，豐富鹽生植物萌發(fā)對策理論，為鹽地堿蓬種群更新和恢復(fù)提供實踐依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

本實驗所用鹽地堿蓬種子分別于2015年12月13日采于運城鹽湖和天津大港排水渠邊。植株帶回實驗室進行脫粒，通風(fēng)處風(fēng)干7 d，放入紙袋，儲存于-20 ℃冰箱中備用。五點取樣法采集生境0～5 cm土壤，用土壤X-射線元素測定儀對土壤離子分析。

1.2 兩種生境鹽地堿蓬二型性種子重量比

隨機取兩地種子各1 g，將黑色和棕色種子分離，分別用電子天平(Sartorius BS 210 S，精確0.000 1 g)稱其質(zhì)量。實驗共4個重復(fù)，最后計算兩種生境二型性種子黑色和棕色種子所占比例。

1.3 溫度和鹽分對不同生境鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)的影響

為比較不同生境中溫度和鹽分對二型性種子萌發(fā)的影響，設(shè)定5 ℃/15 ℃、10 ℃/20 ℃、15 ℃/25 ℃和20 ℃/30 ℃ 4個溫度梯度(代表運城鹽湖鹽地堿蓬生境早春、仲春、暮春和夏季溫度)和0，0.04，0.09，0.19，0.39，0.59 mol·L-15個NaCl濃度(對應(yīng)運城鹽湖鹽地堿蓬生境土春季到夏季的電導(dǎo)率變化：5，10，20，40，60 mS·cm-1，0為蒸餾水對照)。實驗在光照培養(yǎng)箱(GTO-260 B，浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司)中進行，光照條件為光12 h/暗12 h交替(分別對應(yīng)低溫/高溫)。每個處理4個重復(fù)，每個重復(fù)25粒種子，置于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑6.0 cm)中，每個培養(yǎng)皿滴加3 mL溶液，每個處理的4個培養(yǎng)皿放于1個自封袋(6號)中，以防止水分蒸發(fā)。每天記錄種子萌發(fā)數(shù)，以胚根突破種皮2 mm視為萌發(fā)，移出當(dāng)天萌發(fā)的種子。連續(xù)3 d不萌發(fā)結(jié)束實驗，實驗共持續(xù)21 d。計算種子的萌發(fā)百分?jǐn)?shù)(germination percentage，GP)[27]。

GP=[A/(A+B)]×100%

式中A表示萌發(fā)種子數(shù)，B表示未萌發(fā)但是有活力的種子數(shù)。

1.4 GA3對不同生境中鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)的影響

為探索GA3對不同生境二型性種子萌發(fā)的促進作用，設(shè)置濃度為：12.5、25、50 mg·L-1和100 mg·L-1，對照組為蒸餾水，萌發(fā)溫度和光照條件同1.3，每天觀察統(tǒng)計萌發(fā)數(shù)，實驗共持續(xù)21 d。

1.5 鎂鹽和鈣鹽對兩種生境鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)脅迫緩解作用

以NaCl溶液模擬低鹽脅迫和高鹽脅迫，探究不同鹽溶液對兩種生境鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)單鹽脅迫的緩解作用。

NaCl溶液濃度設(shè)為0.19 mol·L-1和0.59 mol·L-1，然后分別加入10、30 mmol的 MgSO4、CaSO4、MgCl2和CaCl2溶液。溫度設(shè)為15 ℃/25 ℃，光照設(shè)為光/暗(12 h/12 h)交替。每天觀察統(tǒng)計萌發(fā)數(shù)，連續(xù)3 d不萌發(fā)視為實驗結(jié)束，實驗共持續(xù)21 d。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用SPSS 17.0軟件，用Turkey法在95%的顯著水平進行多重比較，OriginPro 8.5.1軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種生境鹽地堿蓬二型性種子重量比

兩種生境種子中均出現(xiàn)更多的生物量被分配給棕色種子，但不同生境黑色和棕色種子分配比差異很大，天津和運城鹽地堿蓬棕色與黑色種子質(zhì)量比分別約為32∶1和3∶1(圖1)。

2.2 溫度和鹽分對不同生境鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)的影響

多因素方差分析結(jié)果顯示，種子類型、溫度、濃度及其交互作用和生境與其交互作用以及其交互作用對鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)均有顯著影響(p<0.05)，但生境、種子類型和溫度、種子類型、溫度和濃度三者的交互作用對鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)影響不顯著(p>0.05)(表2)。

表2 生境、溫度、種子類型和鹽分濃度對鹽地堿蓬種子萌發(fā)影響方差分析

表3 生境、溫度和鹽分濃度對鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)的影響

注：同行不同小寫字母表示鹽分濃度處理下鹽地堿蓬種子萌發(fā)存在顯著性差異(p<0.05)。

無論生境和種子類型，在既定溫度下，萌發(fā)均隨鹽濃度的升高而降低。不同的是，天津黑色種子萌發(fā)百分?jǐn)?shù)降低幅度較運城更大，而棕色種子萌發(fā)降低幅度較運城小(表3)。相同鹽分濃度下，不同生境中的種子萌發(fā)依據(jù)溫度變化而變化。在蒸餾水中，天津黑色種子萌發(fā)百分?jǐn)?shù)隨溫度升高呈先升高后下降的趨勢，最佳萌發(fā)溫度為15 ℃/25 ℃，棕色種子萌發(fā)在實驗溫度范圍內(nèi)均維持很高的萌發(fā)(>98.0%)；運城黑色種子萌發(fā)百分?jǐn)?shù)隨溫度升高而下降，在高溫(20 ℃/30 ℃)下，萌發(fā)為89.0%，而棕色種子則隨溫度升高而升高，整體表現(xiàn)為天津黑色種子在高溫(15～30 ℃)下萌發(fā)低于運城，而棕色種子在低溫(5～20 ℃)下萌發(fā)則高于運城。在高鹽(0.59 mol·L-1)條件下，天津黑色種子在實驗溫度范圍內(nèi)萌發(fā)為2.5%～13.8%，棕色種子萌發(fā)為51.0%～88.0%，而運城黑色種子在實驗溫度范圍內(nèi)萌發(fā)為11.0%～52.0%，棕色種子萌發(fā)為42.7%～79.0%(表3)。在既定溫度下天津的黑色種子對鹽分的耐性低于運城，而棕色種子耐鹽性則高于運城。

圖1 不同生境鹽地堿蓬二型性種子重量比例

表4 生境、溫度和GA3對鹽地堿蓬種子萌發(fā)的影響

注：同行不同小寫字母表示不同GA3濃度處理下兩種生境鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)存在顯著性差異(p<0.05)。

注：A為黑色種子在0.19 mol·L-1 NaCl下萌發(fā)率；B為黑色種子在0.59 mol·L-1 NaCl下萌發(fā)率；C為棕色種子在0.19 mol·L-1 NaCl下萌發(fā)率；D為棕色種子在0.59 mol·L-1 NaCl下萌發(fā)率。下同。圖2 MgSO4和CaSO4對天津鹽地堿蓬種子萌發(fā)的影響

2.3 溫度和GA3對不同生境種子萌發(fā)的影響

多因素方差分析結(jié)果顯示，赤霉素對不同生境種子萌發(fā)影響顯著，并且其對種子萌發(fā)的影響與生境、溫度、種子類型顯著相關(guān)。同一赤霉素濃度處理下，天津和運城黑色、棕色種子萌發(fā)均隨溫度升高不明顯，且黑色、棕色種子萌發(fā)差異不顯著；同一溫度條件下，赤霉素對種子萌發(fā)的促進作用在很大程度上取決于其生境和種子類型。如在低溫(5 ℃/15 ℃)下，12.5～50 mg·L-1赤霉素對天津黑色種子萌發(fā)起促進作用(表4)。

2.4 不同鹽溶液對兩種生境鹽地堿蓬二型性種子萌發(fā)脅迫緩解作用

2.4.1MgSO4和CaSO4處理

無論生境和種子類型，與對照相比，MgSO4和CaSO4溶液的加入，均在不同程度上緩解了鹽分對種子萌發(fā)的抑制作用，并且隨著NaCl濃度的升高，這種緩解作用變得更為明顯(圖2、圖3)。在低鹽(0.19 mol·L-1)條件下，兩種生境下黑色和棕色種子萌發(fā)對不同濃度MgSO4和CaSO4溶液加入產(chǎn)生較為一致的響應(yīng)(圖2，A、C；圖3，A、C)。在高鹽(0.59 mol·L-1NaCl)下，30 mmol·L-1MgSO4對天津黑色種子前9 d萌發(fā)緩解作用最強(圖2，B)，而10 mmol·L-1CaSO4則對運城黑色種子前9 d萌發(fā)緩解作用最強(圖3，B)；10 mmol·L-1CaSO4似乎對兩種生境棕色種子萌發(fā)緩解效果更好(圖2，D；圖3，D)。

圖3 MgSO4和CaSO4對運城鹽地堿蓬種子萌發(fā)的影響

2.4.2CaCl2和MgCl2處理

與對照相比，CaCl2和MgCl2溶液的加入，NaCl對天津黑色和棕色種子及運城棕色種子萌發(fā)的抑制作用均得到有效緩解(圖4，圖5，C、D)，并且在高鹽(0.59 mol·L-1NaCl)下緩解作用更為明顯(圖4，B、D)。但對于運城黑色種子而言，在低鹽(0.19 mol·L-1NaCl)下，10 mmol·L-1的MgCl2則明顯降低了萌發(fā)，30 mmol·L-1的MgCl2和不同濃度的CaCl2均促進了種子萌發(fā)(圖5，A)；在高鹽條件下，不同濃度的CaCl2和MgCl2均有效緩解了NaCl對種子萌發(fā)的抑制作用(圖5，B)，但10 mmol·L-1的MgCl2在緩解高鹽對運城棕色種子抑制作用上效果明顯弱于其他鹽分濃度(圖5，D)。

3 討 論

生存嚴(yán)酷環(huán)境中的鹽生植物為適應(yīng)環(huán)境，提高生存率，會形成不同的適應(yīng)對策[28-30]。其中，種子異型性就是鹽生植物應(yīng)對不利環(huán)境的一種策略[31]，即同一植株上產(chǎn)生兩種或多種形態(tài)或行為的種子[32]。以往研究發(fā)現(xiàn)，異型性種子形成與基因控制、植株大小、光照周期等有關(guān)[33]。異型性種子可以通過調(diào)節(jié)種子的空間分布，萌發(fā)時間實現(xiàn)風(fēng)險均攤[34-35]，從而提高鹽生植物生存幾率。目前大多數(shù)對于異型種子生態(tài)適應(yīng)性的研究只關(guān)注單一生境，對種子異型性在同一物種適應(yīng)不同生境中的意義還不清楚。本研究通過對比兩種不同生境中鹽地堿蓬異型種子在結(jié)實比例和萌發(fā)行為上的差異，證實了種子異型性可以通過在結(jié)實比例和萌發(fā)行為上的可塑性增強植物對不同生境的適應(yīng)性，為種子異型性的生態(tài)適應(yīng)策略提供了新的證據(jù)。

生境的差異可能會改變植株異型種子投資的比例。如營養(yǎng)越低，異子蓬植株產(chǎn)生黑色種子比例越高[12]，早萌發(fā)的角果堿蓬植株產(chǎn)生更多的黑色種子[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，運城鹽地堿蓬植株產(chǎn)生的黑色種子遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于天津植株(圖1)，說明鹽地堿蓬因定居生境差異而改變繁殖能量分配。這種分配方式改變可能是植物對環(huán)境的一種適應(yīng)，原因是：盡管兩地降水量相近(表1)，但運城鹽湖屬于內(nèi)陸湖，強烈的蒸發(fā)使土壤鹽分含量變化更為劇烈，生境相對嚴(yán)酷。因而，運城植株產(chǎn)生的黑色種子更多。這是因為黑色種子更容易形成種子庫，對不利環(huán)境下的種群維持更有利[36]。天津位于沿海地區(qū)，土壤鹽分波動相對較小，生境相對優(yōu)越，因而產(chǎn)生更多非休眠的棕色種子，黑色種子數(shù)量相對較少。因而鹽地堿蓬對二型性種子分離比的選擇可能是對局地環(huán)境的一種適應(yīng)策略。

圖4 MgCl2和CaCl2對天津鹽地堿蓬種子萌發(fā)的影響

圖5 MgCl2和CaCl2對運城鹽地堿蓬種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)時間決定植物能否成功建植及生長，直接影響未來種群更新與維持[37]。不同生境鹽地堿蓬可能有不同的萌發(fā)溫度要求，黃河三角洲瀕海地區(qū)鹽地堿蓬種子最適萌發(fā)溫度為20～35 ℃[37]，山東濰坊棕色種子最適萌發(fā)溫度為20～45 ℃[17]。我們的研究發(fā)現(xiàn)，天津黑色種子在高溫下萌發(fā)高于運城，而棕色種子在低溫下萌發(fā)則高于運城。這主要由于運城的年均溫高于天津(表1)，運城土壤季節(jié)性干旱較天津表現(xiàn)的更為明顯。所以在夏季高溫天氣來臨之前，運城鹽地堿蓬二型性種子均有萌發(fā)，尤以低溫下黑色種子萌發(fā)為主，以便在干旱來臨之前完成大量的幼苗補充。一旦條件不適宜，黑色種子萌發(fā)下降，有些種子將進入次生休眠[36]。天津鹽地堿蓬二型種子萌發(fā)趨勢則相反。在高溫天氣來臨前主要以棕色種子來實現(xiàn)幼苗補充，從而保證度過不良季節(jié)。由此可見，兩生境鹽地堿蓬種子通過對萌發(fā)溫度的要求來調(diào)節(jié)二型種子的萌發(fā)時間，提高局地種群的適合度。

兩地鹽地堿蓬種子不僅在萌發(fā)溫度上存在差異，在耐鹽性上也存在很大差異。研究結(jié)果顯示，天津黑色種子萌發(fā)的耐鹽性低于運城，而棕色種子耐鹽性則高于運城。產(chǎn)生這種差異的原因是，天津土壤含鹽量低于運城(表1)，但春季風(fēng)大干旱[38]則造成土壤鹽分升高，非休眠的棕色種子萌發(fā)更有利于種群補充，黑色種子可能僅在極端天氣年份通過種子庫發(fā)揮作用。對于土壤季節(jié)性鹽分變化更大的運城鹽湖，黑色種子通過形成土壤種子庫來忍耐夏季的極端高鹽[18]，其對種群維持更有意義。

一般認(rèn)為，GA3可有效打破生理休眠[21]。有實驗證實，GA3可有效打破運城鹽地堿蓬黑色種子休眠，并認(rèn)為其具有非深度生理性休眠，棕色種子無休眠[19]，而我們的研究結(jié)果顯示為黑色種子非休眠，造成這種不一致的原因可能是我們用的是儲存近6個月的種子[19]，可能其已經(jīng)完成了后熟，休眠已經(jīng)被打破。我們還發(fā)現(xiàn)，盡管兩地的種子儲存時間一樣，但在低溫(5 ℃/15 ℃)下，GA3對天津黑色種子萌發(fā)起促進作用，而對運城黑色種子萌發(fā)沒有顯著的促進作用，表明兩地黑色種子的休眠狀態(tài)有差異。

盡管有研究證實鹽漬化土壤的主要成分為NaCl，并認(rèn)為NaCl是影響種子萌發(fā)主要鹽分[39]，但在自然生境中，鹽土中的多種成分可能對種子萌發(fā)共同起作用[18]。有研究表明，Na2CO3的抑制作用大于NaCl[40]。本研究結(jié)果顯示，Mg2+和Ca2+鹽加入均在不同程度上緩解了高鹽對鹽地堿蓬種子萌發(fā)的抑制作用，該結(jié)果與Gao等[18]的研究結(jié)果一致。但Mg2+更好的緩沖了天津種子萌發(fā)的鹽分抑制作用，Ca2+鹽則對運城種子萌發(fā)緩沖效應(yīng)明顯。種子在萌發(fā)過程中會選擇吸收Ca2+或Mg2+來緩沖高鹽毒害[18]。運城鹽湖位于太行山南端和秦嶺北坡山腳下，長期的石灰?guī)r風(fēng)化和雨水沖刷導(dǎo)致大量的Ca2+隨地表徑流匯聚至鹽湖，致使運城鹽湖Ca2+含量較高，而天津大港區(qū)則位于海濱，海水中Mg2+含量較高，盡管兩地土壤中Na+和K+含量相似(表1)，但在應(yīng)對鹽分毒害上，天津種子更多依賴Mg2+，而運城種子則更多依賴Ca2+，由此說明土壤中的鹽分差異導(dǎo)致鹽地堿蓬種子種群分化，并產(chǎn)生局地適應(yīng)。這種效應(yīng)不僅表現(xiàn)在陽離子上，在陰離子上同樣存在。本研究證實，濃度相同的MgCl2在低鹽下對運城黑色種子萌發(fā)的緩沖作用弱于MgSO4，甚至抑制萌發(fā)，該結(jié)果與Duan等[26]一致，說明低濃度時鹽分通過離子效應(yīng)影響萌發(fā)，并且Cl-對種子萌發(fā)的毒害作用較大[41]，而天津種子并不存在這種現(xiàn)象，主要是由于運城土壤中Cl-含量低于天津(表1)，造成后者種子萌發(fā)對Cl-有更強的耐性。

研究顯示，生長于運城鹽湖的鹽地堿蓬較天津產(chǎn)生更多黑色種子，低溫下黑色種子萌發(fā)較高，而高溫下棕色種子萌發(fā)較低；在耐鹽性方面，運城的黑色種子較天津的更耐鹽，而棕色種子耐鹽性則低于天津的；高鹽下運城種子萌發(fā)更多為Ca2+緩沖，而天津種子萌發(fā)更多為Mg2+緩沖。由此可見，不同生境中的鹽地堿蓬二型性種子在投資比例、萌發(fā)時間、休眠和對土壤中不同鹽分的萌發(fā)響應(yīng)表現(xiàn)出很強的可塑性。本研究強調(diào)了局地氣候和土壤鹽分驅(qū)動了鹽地堿蓬種子種群發(fā)生分化，產(chǎn)生了局地適應(yīng)。