光質(zhì)對香果樹種子萌發(fā)及幼苗生長影響的研究

肖志鵬 殷崇敏 郭連金* 吳原榕 胡金平 劉艷艷 鐘友春 薛蘋蘋

(1.上饒師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，上饒 334001； 2.中南林業(yè)科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，長沙 410004)

瀕危植物香果樹(Emmenopteryshenryi)是我國特有的單屬種植物，國家Ⅱ級重點保護植物，香果樹為第四季冰川期孓遺種，對茜草科(Rubiaceae)系統(tǒng)發(fā)育、形態(tài)演化及中國植物地理區(qū)系的研究有重要作用[1]。用作藥材，有溫中和胃、降逆止嘔的功效，藥理活性研究表明其粗提物的正丁醇部位有一定的抗炎和抗腫瘤活性[2]。目前，多地(武夷山、大盤山、鳳陽山、九龍山、松陽箬寮)香果樹種群均表現(xiàn)為衰退種群[3～5]，亟待采取措施進行保護與恢復(fù)。

瀕危植物走向瀕危的根本原因在于生殖力、存活力、適應(yīng)力低下等內(nèi)在因素，生活史中存在脆弱環(huán)節(jié)是導(dǎo)致植物瀕危的內(nèi)在因素之一[6]。種子萌發(fā)及幼苗建植是許多植物個體生活史中最易受環(huán)境影響的環(huán)節(jié)。以往對香果樹的研究表明，香果樹土壤種子庫中，約80%的種子在最初4個月中死亡，萌發(fā)當年10月份，存活幼苗數(shù)量僅占幼苗總數(shù)的3.86%，即種子向幼苗方向轉(zhuǎn)化階段，幼苗生長階段的高死亡率限制了香果樹種群的更新[7]。不同生境中光質(zhì)組成不同，光質(zhì)是一些植物種子萌發(fā)的關(guān)鍵[8]。香果樹原生境中由樹冠下至林窗，紅光逐漸增多，香果樹的種子萌發(fā)率及幼苗數(shù)量呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢[9]，這種現(xiàn)象可能與光質(zhì)有關(guān)。香果樹種子產(chǎn)量大[10]，重量小(千粒重0.30～0.51 g)[11]，具翅，母樹高達15 m[12]，有較強的擴散能力，能散落在光質(zhì)不同的微生境中，同時，香果樹種子小，營養(yǎng)物質(zhì)儲備少，外界環(huán)境對香果樹種子萌發(fā)及幼苗生長有重要影響，因此，光質(zhì)對香果樹種子萌發(fā)及幼苗生長可能具有關(guān)鍵作用。

目前，環(huán)境因子影響香果樹種子萌發(fā)及幼苗生長主要集中在光強及溫度因子的響應(yīng)[13～14]，光質(zhì)影響香果樹種子萌發(fā)及幼苗生長尚未有報道，為此，本文研究了不同光質(zhì)對香果樹種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，以期了解香果樹種子萌發(fā)及幼苗生長對不同光質(zhì)的響應(yīng)，為其種群恢復(fù)與保護提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

種子萌發(fā)中，供試種子于2016年10月采自福建省武夷山國家級自然保護區(qū)(27°33′～27°54′N，117°27′～117°51′E)，所得香果樹種子千粒重為0.670 94±0.038 36 g，變異系數(shù)5.716 6%。

幼苗生長實驗中，供試幼苗通過供試種子播種育苗，2018年4月播種，于自然光下培育，2018年6月初選取一致大小苗(苗齡60 d，苗高1.4±0.3 cm，地徑1.3±0.2 mm)作為供試幼苗進行實驗。

種子萌發(fā)及幼苗生長實驗，光源均采用LED燈，所有光源均由東莞市鵬遠光電科技有限公司提供。

1.2 實驗方法

種子萌發(fā)實驗及幼苗生長實驗均在室內(nèi)進行，對花盆進行嚴格遮光，僅使實驗光源照射供試種子及幼苗；所有實驗花盆規(guī)格一致，每盆置入1.0 kg香果樹種群原生境土壤；實驗前土壤充分消毒；花盆托盤內(nèi)注入蒸餾水，靠滲透作用保持盆內(nèi)土壤濕潤，以避免澆水對遮光的影響。

種子萌發(fā)實驗于2018年4月初開始，設(shè)置940、850、730、630、610、590、525和460 nm 8個光質(zhì)處理，并設(shè)置自然光處理對照，共計9種處理。每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)50粒種子，勻置土壤表面。實驗開始后每日觀察(于夜間進行，光源為白色LED燈，光照強度約200 lux的弱光，每次觀察控制在3 min內(nèi)，預(yù)實驗中結(jié)果表明此種情況下香果樹種子未發(fā)現(xiàn)萌發(fā)。)種子是否露白，種子露白后每3 d觀察一次種子萌發(fā)情況。種子露白即視為萌發(fā)，直至萌發(fā)率有6 d不再變化時實驗結(jié)束，計算實驗結(jié)束時的種子萌發(fā)率。

幼苗生長實驗于2018年6月初開始，設(shè)置730、630、610、590、525和460 nm共計6個處理。每個處理栽植一致大小的幼苗30株。實驗開始第30，60，90，120，150和180天時，從中隨機選取3棵幼苗，烘干至恒重，利用電子天平(FA2204B)測定單株幼苗干重及幼苗根、莖、葉干重。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

萌發(fā)率(Germination precent)=萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

(1)

根重比(Root mass ratio,RMR)=全株根干重/全株植株干重

(2)

莖重比(Stem mass ratio,SMR)=全株莖干重/全株植株干重

(3)

葉重比(Leaf mass ratio,LMR)=全株葉干重/全株植株干重

(4)

相對質(zhì)量增長速率(Relative grow rate,RGR)=測定期間前后兩次植株生物量自然對數(shù)的增加量與時間的比

(5)

采用方差分析(ANOVA)和LSD多重檢驗(P<0.05)方法對不同處理下的幼苗生長情況參數(shù)進行分析，SPSS 19.0進行顯著性分析(SPSSInc.Chicago,Illinois,USA)。Origin 8.5作圖。

2 實驗結(jié)果

2.1 光質(zhì)對香果樹種子萌發(fā)的影響

實驗開始第5天發(fā)現(xiàn)種子露白，即5天時種子萌發(fā)，實驗開始第11天后無種子萌發(fā)，故第11天時的萌發(fā)率為最終萌發(fā)率。

圖1為不同光質(zhì)下香果樹種子的萌發(fā)率。由圖1知，實驗開始11 d時，940及850 nm下無種子萌發(fā)，730 nm處理下萌發(fā)率僅為1.33%。525 nm下香果樹種子萌發(fā)率顯著高于其他處理(P<0.05)，自然光下與630、590 nm下香果樹種子最終萌發(fā)率無顯著差異(P>0.05)?？梢姽夤庾V范圍內(nèi)，460及610 nm下香果樹種子最終萌發(fā)率顯著低于其他處理(P<0.05)。

圖1 光質(zhì)對香果樹種子萌發(fā)的影響 同一時間香果樹種子萌發(fā)率標注有不同字母，表示萌發(fā)率之間在0.05水平差異顯著。Fig.1 Effects of light quality on the seed germination of E.henryi Different letters marked on the seed germination of E.henryi at the same time show a significant difference at 0.05 level.

2.2 光質(zhì)對香果樹幼苗干物質(zhì)積累的影響

圖2A為光質(zhì)對單株香果樹幼苗干重的影響。實驗120～150 d氣溫降低，部分葉片脫落，120 d時未受降溫影響。

由圖2A知，實驗期間，590、630和610 nm下香果樹幼苗干重始終高于730、525和460 nm處理下。實驗中觀測到在實驗開始120 d后，香果樹幼苗開始落葉。120 d時，香果樹幼苗干重590 nm>630 nm>610 nm>730 nm>525 nm>460 nm，120 d時，590 nm下香果樹幼苗干重顯著高于其他光質(zhì)處理(P<0.05)，為96.7±9.7 mg，630 nm下幼苗干重僅次于590 nm處理下，僅為590 nm處理下的63.06%，460 nm下干重僅為590 nm下干重13.34%。實驗180 d時實驗結(jié)束，處理180 d時，香果樹幼苗干重為590 nm>610 nm>630 nm>460 nm>730 nm>525 nm，此時460 nm下香果樹幼苗干重達590 nm下的76.77%，并顯著高于730及525 nm(P<0.05)。

圖2B為光質(zhì)對單株香果樹幼苗相對質(zhì)量增長速率的影響。由圖2B知，30～90 d間630 nm下相對質(zhì)量增長速率顯著高于其他處理(P<0.05)；90～120 d間590 nm下相對質(zhì)量增長速率顯著高于其他處理(P<0.05)；120～150 d間及150～180 d間，460 nm下相對質(zhì)量增長速率顯著高于其他處理(P<0.05)。

圖2 光質(zhì)對香果樹幼苗生長的影響 A.單株香果樹幼苗干重；B.單株香果樹幼苗相對質(zhì)量增長速率 同一時間香果樹幼苗干重值標注有不同字母，表示干重之間在0.05水平差異顯著;同一時間香果樹幼苗相對生長速率標有不同字母，表示相對生長速率在0.05水平差異顯著。Fig.2 Effects of different light quality on growth of E.henryi seedling A. Dry mass value of single E.hernryi seeding；B. Relative growth rate of single E.hernryi seeding Different letters marked on the dry mass value of E.hernryi seedlings at the same time show a clear difference at 0.05 level，and different letters marked on the relative growth rate of E.hernryi seedlings at the same time show a clear difference at 0.05 level.

2.3 光質(zhì)對光合產(chǎn)物分配的影響

圖3為光質(zhì)對香果樹幼苗光合產(chǎn)物分配的影響。圖3A為不同光質(zhì)下香果樹幼苗根干重，圖3B為不同光質(zhì)下香果樹幼苗莖干重，圖3C為不同光質(zhì)下香果樹幼苗葉干重。圖3D為不同光質(zhì)下香果樹幼苗根重比，圖3E為不同光質(zhì)下香果樹幼苗莖重比，圖3F為不同光質(zhì)下香果樹幼苗葉重比。

由圖3知，試驗期間，香果樹幼苗根重比最大值達0.53(460 nm)，最小值為0.08(630 nm)，莖重比最大值達0.45(630 nm)，最小值為0.08(525 nm)，葉重比最大值達0.80(610 nm)，最小值為0.29(610 nm)。

由圖3知，實驗30 d時，根重比在0.17～0.25，且處理間無顯著差異(P>0.05)。實驗150 d時，根重比最大為0.53(460 nm)，其次為0.34，最小值為0.10，460 nm下根重比顯著高于其他處理(P<0.05)。實驗30 d時，香果樹幼苗莖重比即存在顯著差異(P<0.05)，730 nm下顯著高于其他處理(P<0.05)，30 d時莖重比最大為0.29(730 nm)，其次為0.15，最小為0.1。實驗30 d時，各處理香果樹葉重比在0.53～0.68，處理間無顯著差異(P>0.05)。120 d后香果樹開始落葉，實驗120 d時，葉重比最大值達0.75(525 nm)，最小值為0.36。

3 討論

3.1 香果樹種子萌發(fā)對光質(zhì)的響應(yīng)

唐榮平等[15]對麗江山慈菇(Iphigeniaindices)種子萌發(fā)的研究表明，紅光和黃光提高了萌發(fā)率，綠光和藍光抑制了萌發(fā)。姜勇等[16]對紫莖澤蘭(Eupatoriumadeuophorum)種子萌發(fā)的研究表明可見光中波長較長的光促進作用明顯，波長較短的光促進效果顯著降低。這表明不同植物種子的萌發(fā)對光質(zhì)的響應(yīng)不同。綠光通常被認為不影響種子萌發(fā)，Baskin等[17]認為綠光對植物種子萌發(fā)的作用取決于植物的種類，是否存在后熟作用及光的具體波段范圍。陳永晟[18]對毛菍的研究表明，紅光與綠光均能促進毛菍種子萌發(fā)及芽的伸長生長。

本研究中，525 nm光對香果樹種子的萌發(fā)有顯著促進作用，525 nm下萌發(fā)率顯著高出其他處理(P<0.05)，而610 nm光，460 nm光抑制了香果樹種子萌發(fā)(圖1)，這與對麗江山慈菇及紫莖澤蘭等的研究均有所不同，與陳永晟的研究結(jié)果相似。Baskin等的觀點能解釋本研究中525 nm光對香果樹種子萌發(fā)的顯著促進作用。香果樹種子對不同光質(zhì)的響應(yīng)可能由其自身的生物學(xué)特性所致。

3.2 香果樹幼苗生長對光質(zhì)的響應(yīng)

不同光質(zhì)的生物學(xué)效應(yīng)有明顯差別，反映此效應(yīng)最有說服力的指標是植株干重[19]。多數(shù)研究表明，紅光、黃光對多種植物的幼苗生長有利，而綠光、藍光則不利于植物幼苗干物質(zhì)積累，如彩色甜椒(Capsicumfrutescensvar.grossum)、烏塌菜(Braassicacampestrisssp.chinensisvar.rosularis)、喜樹(Camptothecaacuminata)、茶樹(Camelliasinensis)等[20～23]均符合上述規(guī)律，本研究結(jié)果與之類似，幼苗干重方面，香果樹幼苗在120 d時590 nm下幼苗干干重顯著高于630和610 nm下，630和610 nm下顯著高于730、525和460 nm下(P<0.05)。相對質(zhì)量增長速率方面，30～90 d間630 nm下相對質(zhì)量增長速率顯著高于其他處理，90～120 d間590 nm下相對質(zhì)量增長速率顯著高于其他處理(P<0.05)，即630、610和590 nm對香果樹幼苗早期的干物質(zhì)積累有利。

同時，研究結(jié)果表明120 d時460 nm下香果樹幼苗干重顯著低于其他處理(P<0.05)，僅為590 nm下干重13.34%。而180 d時460 nm下香果樹幼苗干重與其他處理無顯著差異(P>0.05)，高于525及730 nm，并達590 nm下的76.77%。相對質(zhì)量增長速率方面，120～180 d，460 nm下顯著高于其他處理(P<0.05)。這表明生長一定時間后藍光對香果樹幼苗生長較紅光、黃光更為有利，這可能與120 d后氣溫下降有關(guān)。

光合產(chǎn)物向各個器官的分配比例，在短、長時間尺度上對植物均有重要影響[24～26]。使用根重比(RMR)、莖重比(SMR)和葉重比(LMR)表示向根、莖、葉的光合產(chǎn)物分配量占光合產(chǎn)物總分配量的比例，能較好反映植物光合產(chǎn)物分配情況[27～28]。

本研究中，處理30 d后，730 nm下香果樹幼苗莖重比即顯著高于其他處理(P<0.05)，為0.29，次于730 nm的根重比僅為0.15(圖3)，同時，實驗中觀測到730 nm下幼苗較其他處理有更大的節(jié)間距。冠下、林下光譜組成中遠紅光比例高[29～30]，遠紅光下香果樹幼苗增加對莖的光合產(chǎn)物分配，這有利于香果樹幼苗葉片到達適宜的光環(huán)境；根據(jù)功能平衡假說，為保證水分和養(yǎng)分的供應(yīng)，植物受到水分和養(yǎng)分脅迫時將增加向根系的光合產(chǎn)物分配[31～32]。一些研究表明藍光能促進氣孔開放，增加蒸騰速率[33～34]，本研究中，實驗150 d時，460 nm下根重比顯著高于其他處理(P<0.05)，達0.53，同時期次于460 nm的光質(zhì)處理下，根重比為0.34，最小為0.10(圖3)。表明460 nm處理增加了香果樹幼苗對根系的光合產(chǎn)物分配。這可能是藍光下香果樹幼苗處于水分脅迫狀態(tài)導(dǎo)致的。

3.3 香果樹種群保護與恢復(fù)對策

遷地保護中為提高香果樹種子的萌發(fā)率，播種后可適當補加630或525 nm光。

590 nm處理在香果樹幼苗生長前期對干物質(zhì)積累最為有利。建議田間培育香果樹幼苗，在當年生香果樹幼苗落葉前，可適當補加590 nm光，提高香果樹幼苗及小樹的生長速率。有研究表明，香果樹可能在有性繁殖失敗時通過無性繁殖(根蘗繁殖)維持種群的延續(xù)[35～36]，460 nm光在香果樹幼苗生長后期(當年生幼苗落葉后)較其他光質(zhì)更有利幼苗干物質(zhì)的積累，并對光合產(chǎn)物向根系分配的增加更為有利。藍光可能對香果樹小樹、母樹光合產(chǎn)物分配有類似影響，適當補加460 nm光或能促進香果樹的無性繁殖。