滇水金鳳根系分泌物對其種子萌發(fā)的影響

朱佳鵬， 聞永惠， 季文麗， 汪 瓊

(西南林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院， 云南 昆明 650224)

種子萌發(fā)是貫穿整個植物生活史中非常重要且敏感、脆弱的環(huán)節(jié)，它對植物幼苗個體的存活和競爭有著極大的關(guān)系，同時也影響著植被的水平分布和生物多樣性水平[1]。影響種子萌發(fā)的因素既包括光照、空氣、水分等非生物因素，也包括細(xì)菌、真菌、遺傳因子、內(nèi)源激素和植物生長調(diào)節(jié)劑、根系分泌物等生物因素[2]。根系分泌物復(fù)雜、多組分，是植物與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和信息傳遞的重要載體，也是根際間對話的主要調(diào)控者[3-5]。目前公認(rèn)的植物根系分泌物主要包括有機(jī)酸類、酚酸及其衍生物類、黃酮類、萜類、生物堿類等14個大類[6]。宋亮等認(rèn)為，低分子量有機(jī)酸對植物種子的萌發(fā)有顯著的影響作用[7]。焦浩研究發(fā)現(xiàn)，大豆種子經(jīng)過乙酸處理后，萌發(fā)率呈現(xiàn)先增高后降低趨勢[8]。莊正等研究發(fā)現(xiàn)，低濃度(0.5～5 mmol·L-1)有機(jī)酸對杉木種子萌發(fā)有促進(jìn)作用，高濃度(≥50 mmol·L-1)則表現(xiàn)為抑制作用[9]。

滇水金鳳(ImpatiensuliginosaFranch.)[10]為鳳仙花科鳳仙花屬一年生或多年生草本植物，分布于我國云南及廣西一帶，喜生長于潮濕林下、水溝邊及溪流旁。其花色鮮艷、花期長、生物量大、根系發(fā)達(dá)且適應(yīng)性強(qiáng)，具有較高的園林觀賞價值和一定的藥用價值[11]。據(jù)《滇南本草》記載：“水金鳳，味辛，性寒。洗濕(熱)、筋骨疼痛、疥癩癬瘡?！比菘扇胨?，有祛瘀消腫、止痛的功能。滇水金鳳為種子繁殖植物，由于野生滇水金鳳的生境和種子質(zhì)量、形態(tài)差異較大，發(fā)芽過程中受到內(nèi)、外因素的共同影響，導(dǎo)致發(fā)芽率較低且不同地區(qū)間發(fā)芽率存在較大差異。目前對鳳仙花屬植物發(fā)芽率的影響研究較少且多關(guān)注于鹽、重金屬、溫度、水分脅迫等方面，對鳳仙花屬植物根系分泌物的影響尚未見報道[12]。本次研究采用水培法收集滇水金鳳根系分泌物，通過模擬滇水金鳳根系分泌物對其種子萌發(fā)的影響，以期為滇水金鳳的引種馴化及大規(guī)模人工培育及連作提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

滇水金鳳種子和幼苗均采集于云南省昆明市撈魚河濕地公園(102°46′7.15″E，24°49′22.79″N)。

1.2 試驗方法

1.2.1滇水金鳳根系分泌物的提取

2018年10月采集撈魚河滇水金鳳幼苗，株高約10 cm，置于玻璃瓶中，每瓶5棵，共2瓶，各取500 mL蒸餾水水中栽培1周(定期補(bǔ)水)。除去植株，合并收集液過濾后置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀真空濃縮，用乙酸乙酯萃取2次，上層乙酸乙酯相為中性組分；用1 mol·L-1的HCl將下層水相pH值調(diào)至3.0后，再用等量的乙酸乙酯萃取2次，乙酸乙酯相為酸性組分；再用1 mol·L-1的NaOH將下層水相pH值調(diào)至8.0后，再用等量的乙酸乙酯萃取2次，乙酸乙酯相為堿性組分。合并酸、中、堿性乙酸乙酯相即為滇水金鳳根系分泌物提取液。

1.2.2根系分泌物對種子萌發(fā)實驗

選取優(yōu)質(zhì)飽滿、大小均勻一致的滇水金鳳種子，將其浸于0.4%高錳酸鉀溶液里消毒15 min后，取出用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈。將種子置于30 ℃恒溫水浴鍋，用蒸餾水浸泡6 h，使其充分吸脹，備用。在每個培養(yǎng)皿中墊2層濾紙，均勻放入50粒滇水金鳳種子，分別吸取5 mL不同濃度有機(jī)酸于培養(yǎng)皿中，蒸餾水作為空白對照組。每個處理均為3次重復(fù)，共6個處理，用蒸餾水配制不同濃度有機(jī)酸，分別為0、0.5、1、2、5、10 mmol·L-1(見表1)。將培養(yǎng)皿放入光照培養(yǎng)箱(25 ℃恒溫，相對濕度79.6%，光期12 h，光強(qiáng)3 000 lx，每2 d更換1次濾紙，觀察萌發(fā)記錄)。以胚根突破種皮作為萌發(fā)標(biāo)志，第14天后結(jié)束種子萌發(fā)實驗。

表1 有機(jī)酸處理濃度及pH值

有機(jī)酸pH值濃度/(mmol·L-1)00.512510乙酸6.54.013.633.623.413.27丙酸6.54.023.653.593.463.35丁酸6.53.983.633.563.423.34戊酸6.54.013.613.563.453.31酒石酸6.53.222.852.782.652.51

1.3 指標(biāo)的測定和方法

每天定時對種子萌發(fā)情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，分別在第6天、第14天統(tǒng)計發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)。參照魏娟等[13]的方法，分別計算種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件進(jìn)行處理和作圖，采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行方差統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 滇水金鳳根系分泌物測定

將提取液置于IKA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中真空濃縮后，經(jīng)0.45μm微孔濾膜過濾后取1.5 mL樣品經(jīng)液相色譜-離子阱質(zhì)譜儀測定其成分及相對含量，其主要成分有：乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、酒石酸等5種有機(jī)酸，液相色譜圖見圖1，滇水金鳳根系分泌物的含量檢測見表2。

注：A、B、C、D、E分別為乙酸、丙酸、丁酸、酒石酸、戊酸。

2.2 5種不同濃度有機(jī)酸對滇水金鳳種子發(fā)芽率的影響

發(fā)芽率可以直接反映種子的出苗情況，不同濃度的有機(jī)酸處理液對滇水金鳳種子的發(fā)芽率也有很大影響。由圖2可知，在濃度為0.5～10 mmol·L-1范圍內(nèi)，滇水金鳳的種子發(fā)芽率總體上隨乙酸、丙酸、丁酸、戊酸濃度的變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，但在酒石酸處理下的種子發(fā)芽率呈先緩慢下降再上升的趨勢。醋酸對滇水金鳳平均發(fā)芽率的促進(jìn)作用最明顯，達(dá)到28.4%，高于對照23.33%，丁酸、丙酸、酒石酸、戊酸的平均發(fā)芽率分別為24.4%、21.6%、22.4%、24.8%。5種有機(jī)酸處理下滇水金鳳種子發(fā)芽率達(dá)到最大所對應(yīng)的濃度分別為乙酸(1 mmol·L-1)、丙酸(0.5 mmol·L-1)、丁酸(1 mmol·L-1)、酒石酸(10 mmol·L-1)、戊酸(0.5 mmol·L-1)，發(fā)芽率分別為36%、30.33%、34.33%、26.33%、39%，均遠(yuǎn)高于對照組23.33%。在0.5～2 mmol·L-1乙酸、丙酸、丁酸處理下，滇水金鳳種子發(fā)芽率均有明顯促進(jìn)作用。當(dāng)丙酸、丁酸、戊酸濃度為10 mmol·L-1時，滇水金鳳種子發(fā)芽率降至最低，分別為9.33%、2%、3.67%。

注：A、B、C、D、E分別為乙酸、丙酸、丁酸、酒石酸、戊酸；ck表示清水對照；T 1、T 2、T 3、T 4、T 5分別表示0.5 mmol·L-1、1 mmol·L-1、2 mmol·L-1、5 mmol·L-1、10 mmol·L-1；不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

表2 滇水金鳳根系分泌物的含量檢測

序號化合物名稱分子式檢測強(qiáng)度加合物 H+ Na+1乙酸CH3COOH61.028437986.252YN2丙酸CH3CH2COOH75.044143485.039YN3丁酸C4H8O289.0597989145.903YY4戊酸CH3CH2CH2CH2COOH103.0754415842.013YY5酒石酸C4H6O6151.0237320102.734YN

注：Y表示Yes，N表示No。

2.3 5種不同濃度有機(jī)酸對滇水金鳳發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽勢決定了出苗的整齊程度，芽勢越高的種子播種后發(fā)芽越整齊，因此發(fā)芽勢是反映種子品質(zhì)的重要指標(biāo)之一[14]。由圖3可知，在0.5～10 mmol·L-1范圍內(nèi)，滇水金鳳種子發(fā)芽勢隨乙酸、丙酸、丁酸、酒石酸、戊酸濃度的變化總體呈先上升后下降的趨勢。醋酸對滇水金鳳平均發(fā)芽勢的促進(jìn)作用最明顯，達(dá)到17.6%，高于對照11.33%，丁酸、丙酸、酒石酸、戊酸的平均發(fā)芽勢分別為14%、14.07%、17.07%、12.13%。有機(jī)酸處理下滇水金鳳種子發(fā)芽勢達(dá)到最大，所對應(yīng)的濃度分別為乙酸(1 mmol·L-1)、丙酸(2 mmol·L-1)、丁酸(0.5 mmol·L-1、2 mmol·L-1)、酒石酸(0.5 mmol·L-1)、戊酸(0.5 mmol·L-1)，發(fā)芽勢分別為26.33%、24.67%、20%、23.33%、18.33%，均遠(yuǎn)高于對照組11.33%。在0.5～5 mmol·L-1的乙酸、丁酸和酒石酸處理下，滇水金鳳種子發(fā)芽勢得到明顯提高，當(dāng)丙酸、丁酸、戊酸濃度為10 mmol·L-1時，滇水金鳳種子發(fā)芽勢降為0。

圖3 5種不同濃度有機(jī)酸對滇水金鳳發(fā)芽勢的影響

2.4 5種不同濃度有機(jī)酸對滇水金鳳發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)能夠反映種子的活力特征，一般認(rèn)為，發(fā)芽指數(shù)越高，種子的活力越強(qiáng)[15]。由圖4可知，在0～10 mmol·L-1范圍內(nèi)，滇水金鳳種子發(fā)芽指數(shù)隨乙酸、丙酸、丁酸、戊酸濃度的變化呈先上升后下降的趨勢，而酒石酸則與此相反。醋酸對滇水金鳳平均發(fā)芽指數(shù)的促進(jìn)作用最明顯，達(dá)到8.46，高于對照(5.89)。丁酸、丙酸、酒石酸、戊酸的平均發(fā)芽指數(shù)分別為6.79、5.61、8.15、6.78。有機(jī)酸處理下滇水金鳳種子發(fā)芽指數(shù)達(dá)到最大，所對應(yīng)的濃度分別為：乙酸(1 mmol·L-1)、丙酸(2 mmol·L-1)、丁酸(2 mmol·L-1)、酒石酸(0.5 mmol·L-1)、戊酸(0.5 mmol·L-1)，發(fā)芽指數(shù)分別為：11.51、13.07、9.02、9.02、9.99，均高于對照組(5.89)。在0.5～5mmol·L-1乙酸、丙酸、戊酸處理下，滇水金鳳種子發(fā)芽指數(shù)得到提高，當(dāng)有機(jī)酸濃度達(dá)到10 mmol·L-1時，除酒石酸外，其余4種酸處理下的發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)大范圍下降，丙酸、丁酸、戊酸分別達(dá)到1.39、0.2、0。

圖4 5種不同濃度有機(jī)酸對滇水金鳳發(fā)芽指數(shù)的影響

3 討論和結(jié)論

大量研究表明，根系分泌物[16]是植物適應(yīng)長期外界環(huán)境脅迫的一種作用機(jī)制,在許多環(huán)境的脅迫下，植物可以通過根系釋放有機(jī)酸到根際周圍,改變根際周圍環(huán)境的原有理化性質(zhì)。根系分泌物對種子萌發(fā)的作用總體表現(xiàn)為低促高抑的雙重效應(yīng)。楊海婧等研究發(fā)現(xiàn)，小麥根系分泌物的水相浸提液對麻花艽種子萌發(fā)及胚根生長有輕微的促進(jìn)作用[17]。高欣欣等在研究烤煙中發(fā)現(xiàn)，其根系分泌物主要成分(延胡索酸、丁二酸、煙堿)對煙草種子發(fā)芽率均有抑制作用，并且隨著濃度的增加而逐漸加強(qiáng)[18]。趙旭等在研究古黃芪根系分泌物中發(fā)現(xiàn)，古黃芩的根系分泌物對其種子萌發(fā)和幼苗生長具有顯著抑制作用[19]。

本實驗采集滇水金鳳幼苗通過水培實驗收集根系分泌物，研究滇水金鳳根系分泌物化學(xué)成分及模擬滇水金鳳根系分泌物對其種子萌發(fā)的影響。結(jié)果表明：滇水金鳳根系分泌物主要成分為乙酸、丁酸、丙酸、酒石酸、戊酸等5種有機(jī)酸。5種有機(jī)酸對滇水金鳳種子平均萌發(fā)的促進(jìn)作用順序為：乙酸>戊酸>丁酸>酒石酸>丙酸，5種有機(jī)酸萌發(fā)的最佳濃度分別為：1 mmol·L-1(乙酸)、0.5 mmol·L-1(丙酸)、0.5 mmol·L-1(丁酸)、10 mmol·L-1(酒石酸)、0.5 mmol·L-1(戊酸)。在0～10 mmol·L-1的濃度處理范圍內(nèi)，隨著5種有機(jī)酸處理濃度的增加，乙酸、丁酸、丙酸、戊酸對滇水金鳳種子萌發(fā)呈現(xiàn)低促高抑作用，這與王樹起等[20]、曹光球等[21]、王思龍等[22]的研究結(jié)果一致。總體來說，在0.5～2 mmol·L-1濃度范圍時，5種有機(jī)酸均對滇水金鳳種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)有促進(jìn)作用。5種有機(jī)酸萌發(fā)的最佳濃度分別為：乙酸(1 mmol·L-1)、丙酸(0.5 mmol·L-1)、丁酸(0.5 mmol·L-1)、酒石酸(10 mmol·L-1)、戊酸(0.5 mmol·L-1)。當(dāng)濃度為10 mmol·L-1時，丙酸、丁酸、戊酸的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)完全被抑制。在酒石酸處理下，滇水金鳳種子萌發(fā)隨酒石酸濃度增高而先降低后升高，這與劉春燕等[23]的研究結(jié)果不一致。張永福等[24]研究發(fā)現(xiàn)，pH值為3～11處理對鳳仙花種子的萌發(fā)影響不大，推測一方面酒石酸能夠在較低pH下提供滇水金鳳種子合適的酸堿環(huán)境，刺激和增強(qiáng)萌發(fā)代謝的酶促反應(yīng)，李佛蓮等[25]利用濃硫酸的酸蝕作用處理華西小石積的種子外種皮能夠提高其萌發(fā)率；另外一方面，較低的pH有利于蔗糖水解為葡萄糖，加快種子對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，從而促進(jìn)種子的萌發(fā)[26]。本實驗初步探討了5種有機(jī)酸對滇水金鳳種子萌發(fā)的影響，由于本實驗僅以模擬滇水金鳳根系分泌物的5種有機(jī)酸的單一因素進(jìn)行分析，不能系統(tǒng)闡述滇水金鳳根系分泌物對其自身種子萌發(fā)的綜合作用機(jī)理，后期的工作中需應(yīng)用不同方法為滇水金鳳根系分泌物對其自身種子萌發(fā)的作用機(jī)理進(jìn)行下一步研究。