溫度、鹽分和光照對瀕危植物鹽樺(Belula halophila)種子萌發(fā)特性的影響

雷春英，張 浩，張丹丹，吉小敏，姜 黎*

(1.新疆林科院造林治沙研究所， 新疆 烏魯木齊 830063； 2. 新疆精河荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，新疆 精河 833300；3.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830011)

鹽樺(BetulahalophilaChing)為樺木科樺木屬植物，是一種罕見的木本鹽生植物。因種群數(shù)量小，處于極度瀕危狀態(tài)，急需搶救，1999年被列為國家重點(diǎn)保護(hù)野生植物(二級)[1-3]。研究表明1年生鹽樺幼苗的耐鹽閾值約為1.8%，是一種抗鹽能力極強(qiáng)的鹽生植物[4]。但有研究表明相對較低的種子耐鹽閾值(0.2%)[5-6]，可能是最終導(dǎo)致其滅絕的重要原因。目前關(guān)于其生境主要生態(tài)環(huán)境因子如何調(diào)控瀕危植物鹽樺種子的萌發(fā)研究甚少。因此，研究瀕危植物鹽樺種子的萌發(fā)特征對鹽樺進(jìn)行研究保護(hù)與合理開發(fā)具有重要意義。

萌發(fā)是種子能否產(chǎn)生正常苗的關(guān)鍵過程，受環(huán)境生態(tài)因子例如溫度、水分、氧氣、光照、土壤酸堿、土壤鹽分、化學(xué)物質(zhì)、埋深和生物條件的綜合影響，且不同植物種子萌發(fā)特性及對各種環(huán)境因子的反應(yīng)存在很大差別[7]。鹽樺為新疆特有的瀕危種，僅存于新疆阿勒泰地區(qū)，是一種抗鹽能力極強(qiáng)的鹽生植物，但其萌發(fā)階段耐鹽性較低[8]。在植物的生活周期中，種子階段是最能忍受不利環(huán)境因素的階段，種子適應(yīng)環(huán)境變化的能力是植物適應(yīng)環(huán)境變化的最重要體現(xiàn)。而種子萌發(fā)階段是鹽生植物生命周期的關(guān)鍵階段，其萌發(fā)能力和耐鹽能力往往影響著植物種群的分布范圍。當(dāng)前，國內(nèi)外有關(guān)鹽樺的研究主要集中在抗鹽、組培與保育等方面[9-12]，然而作為新疆特有的瀕危種，有關(guān)研究鹽樺種子萌發(fā)特性對溫度、鹽分、光照的響應(yīng)尚不清楚。因此，本文重點(diǎn)研究鹽樺種子在不同溫度、鹽分和光照條件下的萌發(fā)特性，提出以下科學(xué)問題：(1)在不同溫度處理下鹽樺種子萌發(fā)如何響應(yīng)？(2)在不同溫度處理下鹽樺種子萌發(fā)是否會對不同濃度鹽表現(xiàn)出差異？(3)在不同溫度處理下鹽樺種子萌發(fā)是否會對不同光照表現(xiàn)出差異？本研究以期為利用鹽堿地發(fā)展鹽樺種植產(chǎn)業(yè)提供理論依據(jù)，同時為干旱區(qū)鹽樺保護(hù)提供合理的保育策略。

1 材料與方法

1.1 鹽樺種子采集

2019年7月，鹽樺完全成熟的種子采集于中國科學(xué)院吐魯番沙漠植物園。種子在室溫下晾干后，清理干凈。然后將清理干凈的鹽樺種子，分別保存于信封中備用。

1.2 萌發(fā)試驗(yàn)

1.2.1 溫度萌發(fā)試驗(yàn)

種子萌發(fā)試驗(yàn)：2張濾紙放入培養(yǎng)皿(直徑長5 cm)中，加入蒸餾水，分別置于20/5℃、25/10℃、30/15℃、35/20℃變溫、光照-黑暗交替12 h/12 h的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每天補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水分。測定指標(biāo)：萌發(fā)過程中每天觀察記錄1次萌發(fā)情況，種子萌發(fā)以胚根露出種皮為準(zhǔn)，連續(xù)觀察記錄20 d，計算其萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)和萌發(fā)率達(dá)到50%的時間。

1.2.2 鹽分萌發(fā)試驗(yàn)

種子萌發(fā)試驗(yàn)：2張濾紙放入培養(yǎng)皿(直徑長5 cm)中，分別加入不同濃度氯化鈉(NaCl)溶液至濾紙飽和，每皿放入25粒種子，4次重復(fù)。分別設(shè)4個NaCl處理：50、100、200和300 mmol/L，均以蒸餾水為對照(CK)，再分別置于20/5℃、25/10℃、30/15℃、35/20℃變溫、光照-黑暗交替12 h/12 h的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每天補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水分。測定指標(biāo)：萌發(fā)過程中每天觀察記錄1次萌發(fā)情況，種子萌發(fā)以胚根露出種皮為準(zhǔn)，連續(xù)觀察記錄20 d，計算其萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)和萌發(fā)率達(dá)到50%的時間。

1.2.3 光照萌發(fā)試驗(yàn)

種子萌發(fā)試驗(yàn)：2張濾紙放入培養(yǎng)皿(直徑長5 cm)中，分別置于20/5℃、25/10℃、3015℃、35/20℃變溫、光照-黑暗交替12 h/12 h或全黑暗(錫紙包裹)。光照-黑暗交替12 h/12 h測定指標(biāo)：萌發(fā)過程中每天觀察記錄1次萌發(fā)情況，種子萌發(fā)以胚根露出種皮為準(zhǔn)，連續(xù)觀察記錄20 d，計算其萌發(fā)率。

1.3 萌發(fā)參數(shù)測定

萌發(fā)率=每天統(tǒng)計萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；萌發(fā)指數(shù)=Σ(Gt/Dt)(Gt指在時間t日內(nèi)的萌發(fā)數(shù)，Gt/為相應(yīng)的萌發(fā)天數(shù))；萌發(fā)率達(dá)到50% 時間(天)=萌發(fā)率達(dá)到50%的天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 16.0 統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行分析所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤，并對所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著，采用Ducan檢驗(yàn)來比較處理間差異。

2 結(jié)果分析

2.1 溫度對鹽樺種子萌發(fā)特征的影響

溫度顯著影響了鹽樺種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)和萌發(fā)率達(dá)到50%時間(表1)。20/5℃(低溫)或 35/20℃(高溫)顯著降低了鹽樺種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)，推遲了萌發(fā)率達(dá)到50%的時間。綜合比較，鹽樺種子萌發(fā)對溫度的適應(yīng)變化幅度較小，在20/5℃、25/10℃、30/15℃、35/20℃，鹽樺種子萌發(fā)的適宜溫度為25/10℃ 或 30/15℃，在此溫度下，鹽樺種子萌發(fā)率較高。

表1 溫度對鹽樺種子最終萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)和萌發(fā)率達(dá)到50%時間的影響Table 1 Effects of temperature on germination percentage, germination index, and time 50% germination of B. halophila

2.2 不同溫度下NaCl對鹽樺種子萌發(fā)特性的影響

溫度和鹽分以及二者的交互作用對鹽樺種子萌發(fā)的影響都是極顯著的。在同一溫度、光照下，鹽樺種子的萌發(fā)率與萌發(fā)指數(shù)隨著鹽脅迫濃度增加呈現(xiàn)下降的趨勢；溫度和鹽分對鹽樺種子萌發(fā)的存在互作關(guān)系，20/5℃(低溫)或 35/20℃(高溫)均顯著降低了鹽樺種子萌發(fā)的耐鹽性。鹽樺種子萌發(fā)率和指數(shù)均受到NaCl的顯著影響(圖1)。在較低濃度NaCl(50 mmol/L)，鹽樺種子萌發(fā)率并未顯著降低萌發(fā)率；在較高濃度NaCl(100 mmol/L)，鹽樺種子萌發(fā)率顯著降低，降低程度受到20/5℃(低溫)或 35/20℃(高溫)急劇加強(qiáng)；即使在合適溫度時(25/10℃)，100 mmol/L NaCl處理下，鹽樺種子萌發(fā)率僅為52%，說明了鹽樺對NaCl耐受性較低。

在合適溫度時(25/10℃)，為便于研究鹽樺種子萌發(fā)時的耐NaCl程度，分別測得鹽樺在不同NaCl濃度處理下的萌發(fā)率后，以對照所對應(yīng)的萌發(fā)率為基數(shù)，其他濃度下的萌發(fā)率與其相比，然后將萌發(fā)率與相對應(yīng)的NaCl濃度之間，進(jìn)行回歸相關(guān)分析。NaCl脅迫下的萌發(fā)率，隨NaCl溶液濃度的升高而降低，相對萌發(fā)率與NaCl溶液濃度表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為R2=93%，回歸方程為: y=-0.2447x+74.4052；根據(jù)已有文獻(xiàn)，分別以鹽樺種子的相對發(fā)萌發(fā)為50%、0%時所對應(yīng)的NaCl濃度，作為種子萌發(fā)時，鹽濃度的臨界值、極限值，將其代入方程分別計算。由計算結(jié)果可知，鹽樺種子對NaCl在萌發(fā)期的耐鹽臨界值為99.7 mmol/L、極限值為304.0 mmol/L。

2.3 不同溫度下光照對鹽樺種子萌發(fā)特性與幼苗生長的影響

如圖2所示，溫度極顯著地影響鹽樺種子萌發(fā)(F=106.06，P<0.001)，光照極顯著地影響鹽樺種子萌發(fā)(F=123.85，P<0.001)，光照和溫度的交互作用對鹽樺種子萌發(fā)的影響也顯著(F=4.03，P<0.05)。在同一溫度下，光暗交替與全黑暗條件相比，種子萌發(fā)率更高，且隨著溫度越低兩者差異越大。

圖1 NaCl對鹽樺種子萌發(fā)率的影響Fig.1 Effects of NaCl on germination percent of B. halophila seeds

表2 不同溫度下NaCl對鹽樺種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)的影響Table 2 Effects of NaCl on germination percentage, germination index, and time 50% germination of B. halophila under different temperature treatments

圖2 光照對鹽樺種子萌發(fā)率的影響Fig.2 Effects of light on germination percent of B. halophila seeds under different temperature注：不同的小寫字母表示不同光照條件間差異顯著(P < 0.05)。

3 討論

許多研究重點(diǎn)報道了有關(guān)鹽樺的組織培養(yǎng)、幼苗生長和生理生態(tài)的研究[13-17]。本研究最先報道了有關(guān)鹽樺對溫度、鹽分和光照的種子萌發(fā)與幼苗生長響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度過低或過高均顯著地影響了鹽樺種子萌發(fā)；溫度和鹽分、溫度與光照對鹽樺種子萌發(fā)存在互作關(guān)系，低溫或高溫均顯著降低了鹽樺種子萌發(fā)的耐鹽性；在同一溫度下，光暗交替與全黑暗條件相比，種子萌發(fā)率差異達(dá)到顯著水平。

3.1 溫度

種子對溫度、光照的響應(yīng)是其萌發(fā)的重要環(huán)節(jié)。15～25℃是鹽生植物種子萌發(fā)的最適溫度范圍，5～15℃和25～35℃的變溫不利于種子萌發(fā)[18]。植物利用晝夜溫度上的變化，使種子在一年中最適季節(jié)、最適時間萌發(fā)，晝夜溫度的變化對鹽生植物的種子萌發(fā)有促進(jìn)作用[19]。研究結(jié)果表明鹽樺種子萌發(fā)對溫度的適應(yīng)變化范圍較狹窄，鹽樺種子萌發(fā)的適宜溫度為25/10℃或30/15℃，在此溫度下，鹽樺種子萌發(fā)率較高。溫度顯著地影響鹽樺種子的萌發(fā)速率，但溫周期過高或過低，萌發(fā)率均較低。阿勒泰地區(qū)初春時，溫度過低抑制了鹽樺萌發(fā)速率，阻止了種群更新，這也是引起鹽樺瀕危的原因之一。

3.2 鹽分

鹽分抑制種子萌發(fā)機(jī)制可能是鹽離子毒害和離子滲透共同作用引起的毒害[20]。當(dāng)外界鹽濃度超出細(xì)胞所能承受極限值時，勢必使得細(xì)胞造成傷害，引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受損、細(xì)胞失水、生理代謝速率下降等，從而抑制種子萌發(fā)，并且與鹽濃度呈正相關(guān)，鹽分濃度越高，對種子萌發(fā)的抑制作用越強(qiáng)[21,22]。研究表明鹽樺種子萌發(fā)率和環(huán)境鹽分濃度存在密切關(guān)系，即使在適溫度時(25/10℃)，100 mmol/L NaCl處理下，鹽樺種子萌發(fā)率為52%，說明了鹽樺對NaCl耐性較低。隨著鹽濃度的增加發(fā)芽率逐漸降低，并在300 mmol/L的高鹽環(huán)境中無法萌發(fā)。這表明鹽樺種子在萌發(fā)過程中會受到鹽堿環(huán)境的抑制，這與有關(guān)鹽樺種子萌發(fā)時期耐鹽閾值僅為0.2%的研究結(jié)果一致[6]。鹽漬環(huán)境下種子萌發(fā)是鹽生植物生長的關(guān)鍵及敏感階段，其萌發(fā)能力和耐鹽能力往往影響著植物種群的分布范圍[18]。研究表明1年生鹽樺幼苗的耐鹽閾值約為1.8%[4]，鹽樺盡管較耐鹽堿，但其種子在土壤鹽堿度較高地區(qū)很難自然萌發(fā)更新。因此，相對較低的種子耐鹽閾值和自然界萌發(fā)時為低溫時期，可能是最終導(dǎo)致其滅絕的重要原因。

3.3 光照

光照為植物種子萌發(fā)過程中的重要生態(tài)環(huán)境影響因子之一，但光照不是調(diào)控種子萌發(fā)的必要條件[19]。光照影響鹽生植物種子萌發(fā)的機(jī)制不同與植物基因有關(guān)。許多報道有關(guān)鹽生植物種子萌發(fā)過程中對光照的影響不敏感，例如梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)種子[19]、囊果堿蓬(SuaedaphysophoraPall.)[23]種子在光照與黑暗條件下的發(fā)芽率的差異不顯著。但鹽樺萌發(fā)過程在光照與黑暗條件下的萌發(fā)的差異均達(dá)到顯著水平，對光照敏感，屬于光敏感種子，可能與鹽樺種皮厚有關(guān)，阻止了種子對光的感應(yīng)，從而致使鹽樺種子萌發(fā)過程中某些特有的感光酶因感受不到光或感受的光強(qiáng)度不夠，而不能很快被激活，表現(xiàn)為萌發(fā)受到抑制。因此，本研究表明光照是鹽樺種子萌發(fā)的主要生態(tài)環(huán)境因子。

綜上所述，溫度與鹽分是鹽樺種子萌發(fā)的最主要兩個限制性生態(tài)環(huán)境因子，同樣光照也是主要生態(tài)因子。僅當(dāng)溫度相對較高、鹽分積累減弱的晚春時期，鹽樺種子才具最強(qiáng)的萌發(fā)活力。