中華金腰種子萌發(fā)特性研究

阮易柔,吳智華,吳士筠,鐘祖昌,覃瑞,劉虹

(中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430074)

隨著全球氣候變暖與極端自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，高山植物的生存受到了一定的威脅. 高山植物的自然更新關(guān)鍵取決于種子的成熟、萌發(fā)與生長(zhǎng)等連續(xù)性過(guò)程. 種子萌發(fā)是一系列有序的生理變化和形態(tài)發(fā)生過(guò)程，需要適宜的環(huán)境條件，如水分、空氣和溫度等. 當(dāng)植物種子從高山轉(zhuǎn)移至平原地區(qū)后，各種環(huán)境條件發(fā)生改變，有可能制約種子的萌發(fā).

金腰屬植物富含黃酮和三萜類(lèi)化合物，具有良好的抗腫瘤和抗病毒作用[1-3]. 中華金腰(Chrysospleniumsinicum)為多年生草本植物，生長(zhǎng)在海拔800～3500 m且生態(tài)環(huán)境較為原始的林下溝邊.中華金腰分布于我國(guó)大部分省區(qū). 中華金腰作為一種民間中草藥被記載，俗稱(chēng)華金腰子，全草入藥，具有清熱退黃的作用[4-9]. 因其種子細(xì)小、種皮堅(jiān)硬、休眠性強(qiáng)，在自然條件下萌發(fā)率較低，因此多為無(wú)性繁殖. 同時(shí)中華金腰對(duì)生長(zhǎng)環(huán)境要求較高，難以進(jìn)行人工種植,局限了中華金腰的研究和應(yīng)用.本研究擬通過(guò)光照、低溫、赤霉素等因素對(duì)種子萌發(fā)的影響來(lái)探究中華金腰種子的萌發(fā)特性,同時(shí)為金腰屬植物的種子萌發(fā)和快速繁殖提供科學(xué)參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

中華金腰(Chrysospleniumsinicum)植株于2019年3月采集于湖南省八大公山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，后移植于中南民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)苗圃，定期澆水. 2019年4月待果實(shí)成熟后收獲種子.

1.2 儲(chǔ)存方式處理與形態(tài)觀察

中華金腰種子在常溫下用硅膠進(jìn)行干燥. 掃描電鏡(SU 8010型，日立)對(duì)干燥后的種子進(jìn)行形態(tài)觀察并拍照. 種子采用常溫避光儲(chǔ)存與4 ℃低溫種子柜儲(chǔ)存兩種存儲(chǔ)處理方式，并分別進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn).

1.3 光處理

設(shè)置2個(gè)光處理水平，分別為光照環(huán)境與黑暗環(huán)境. 光照處理環(huán)境溫度為22 ℃，光照強(qiáng)度為3000 lx，光照時(shí)間16 h/d. 黑暗環(huán)境溫度為22 ℃.

1.4 低溫處理

設(shè)置5 ℃的低溫處理水平，低溫分別處理2周、3周和4周，然后再進(jìn)行自然萌發(fā). 萌發(fā)溫度22 ℃，光照強(qiáng)度3000 lx，光照時(shí)間為16 h/d.

1.5 赤霉素浸種處理

對(duì)于赤霉素處理設(shè)計(jì)梯度實(shí)驗(yàn)，浸種時(shí)間設(shè)3個(gè)水平分別為12、24、36 h，赤霉素濃度設(shè)6個(gè)水平分別為0、50、100、150、200、250 mg/L，進(jìn)行種子浸泡處理，然后自然萌發(fā)，環(huán)境溫度為22 ℃，光照強(qiáng)度為3000 lx，光照時(shí)間為16 h/d.

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

根據(jù)每天記錄的發(fā)芽情況，進(jìn)行發(fā)芽各項(xiàng)指數(shù)的計(jì)算及分析. 體式顯微鏡(Stemi 305,德國(guó)蔡司)下觀察種子形態(tài)，以胚根露出2 mm記為萌芽. 從處理當(dāng)天開(kāi)始，每24 h記錄一次發(fā)芽狀態(tài). 連續(xù)3 d萌發(fā)數(shù)不變則視為萌發(fā)進(jìn)程結(jié)束. 統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)時(shí)滯、發(fā)芽持續(xù)時(shí)間、發(fā)芽指數(shù). 實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Excel 2016與SPSS 19.0進(jìn)行作圖與數(shù)據(jù)分析.

(1)發(fā)芽率=(種子發(fā)芽總數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

(2)發(fā)芽勢(shì)=(發(fā)芽達(dá)到最高峰時(shí)的種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%

(3)萌發(fā)時(shí)滯：從發(fā)芽試驗(yàn)開(kāi)始那天到第一個(gè)種子萌發(fā)的所需的時(shí)間.

(4)發(fā)芽持續(xù)時(shí)間：從種子開(kāi)始萌發(fā)至最后一粒種子萌發(fā)的天數(shù).

(5)發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，Gt表示在試驗(yàn)期內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)，Dt表示試驗(yàn)期天數(shù)[10-12].

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 種子形態(tài)特征

中華金腰種子形態(tài)特征如圖1所示. 種子長(zhǎng)度約0.6 ～ 0.9 mm，直徑約0.45 mm，黑褐色，呈卵球形至橢球形，兩端頓尖，具一條縱肋，表面密被乳頭突起. 種皮堅(jiān)韌，對(duì)其萌發(fā)有一定的限制作用. 表面的突起可能對(duì)于其通過(guò)水流進(jìn)行飄流傳播有一定的作用. 百粒法測(cè)定千粒重為(0.0503 ± 0.0007)g.

圖1 中華金腰種子掃描電鏡圖Fig.1 Seed image of Chrysosplenium sinicum

2.2 儲(chǔ)存方式對(duì)中華金腰種子萌發(fā)的影響

通過(guò)對(duì)兩種不同儲(chǔ)存方式的種子進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)萌發(fā)率具有顯著的差異. 對(duì)室內(nèi)干燥避光條件下儲(chǔ)存的種子進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，中華金腰種子在室內(nèi)自然條件與赤霉素處理后均不能萌發(fā). 儲(chǔ)存于4 ℃低溫種子柜內(nèi)一個(gè)月后再進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，自然條件下萌發(fā)率為6.67%，經(jīng)過(guò)100 mg/L GA3浸種處理24 h后最大萌發(fā)率為31.67 %. 儲(chǔ)存于低溫種子柜內(nèi)2個(gè)月后進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)條件下自然萌發(fā)率提高到86.67 %，差異極顯著(P< 0.01)(圖2). 而對(duì)植株上新鮮收取的種子進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不能自然萌發(fā).因此推斷中華金腰種子具有后熟休眠特性，且低溫春化作用對(duì)其萌發(fā)有益.

(o)未經(jīng)任何處理的對(duì)照組；(a)4 ℃低溫儲(chǔ)存一個(gè)月后自然萌發(fā)；(b)4 ℃低溫儲(chǔ)存一個(gè)月后經(jīng)過(guò)100 mg/L GA3 浸種處理24 h后萌發(fā)；(c)低溫儲(chǔ)存2個(gè)月后進(jìn)行自然萌發(fā)圖2 儲(chǔ)存方式對(duì)發(fā)芽率的影響Fig.2 Effect of storage methods on germination rate

2.3 光照對(duì)中華金腰種子萌發(fā)的影響

對(duì)比光照與黑暗處理后萌發(fā)各項(xiàng)指數(shù)，光照處理的種子發(fā)芽率為86.67 %、發(fā)芽勢(shì)為54.44 %與發(fā)芽指數(shù)為9.84,顯著(P< 0.05)高于黑暗處理的發(fā)芽率68.89 %、發(fā)芽勢(shì)30.00 %與發(fā)芽指數(shù)6.69，且光照條件下萌發(fā)時(shí)滯與發(fā)芽持續(xù)時(shí)間較黑暗處理更具優(yōu)勢(shì)(圖3). 因此光照較之黑暗更有利于中華金腰種子的萌發(fā).

圖3 光照與黑暗對(duì)萌發(fā)的影響Fig.3 Effects of light and darkness on germination

2.4 低溫處理對(duì)中華金腰種子萌發(fā)的影響

低溫處理對(duì)中華金腰種子的萌發(fā)具有顯著影響(表1)，隨低溫處理時(shí)間的增加，發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，萌發(fā)指數(shù)呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，萌發(fā)時(shí)滯與發(fā)芽持續(xù)時(shí)間顯著減少. 將無(wú)低溫處理(即低溫處理時(shí)間為0)作為對(duì)照組. 在處理2周后，發(fā)芽率顯著降低到74.44 %，在處理3周、4周后，發(fā)芽率相對(duì)于處理2周組顯著增加到86.67 %. 發(fā)芽勢(shì)在處理2周時(shí)為36.67 %，處理4周后顯著增加到 70.00 %. 處理4周后，萌發(fā)時(shí)滯和發(fā)芽持續(xù)時(shí)間從對(duì)照組的10.33 d與12.33 d顯著降低到 2.33 d與 7.00 d；發(fā)芽指數(shù)從對(duì)照組的9.84 顯著增加到19.72 (P< 0.05).

表1 低溫處理對(duì)中華金腰種子萌發(fā)的影響Tab.1 Effect of low temperatureon on the seed germination of Chrysosplenium sinicum

2.5 赤霉素浸種處理對(duì)中華金腰種子萌發(fā)的影響

赤霉素浸種處理對(duì)中華金腰萌發(fā)各項(xiàng)指數(shù)的影響見(jiàn)表2，在赤霉素濃度與浸種時(shí)間的交互作用下，中華金腰種子的各項(xiàng)萌發(fā)指數(shù)呈現(xiàn)出不同的變化(P<0.05). 以赤霉素濃度為0作為對(duì)照，可知種子發(fā)芽率最高的處理?xiàng)l件為150 mg/L GA3浸種12 h，發(fā)芽率最高為 97.78 %，在200 mg/L GA3浸種24 h時(shí)，發(fā)芽率最低為 83.33 %，且低于對(duì)照組. 發(fā)芽率隨赤霉素濃度增加呈現(xiàn)先升高再減小的變化趨勢(shì)，在赤霉素濃度為150 mg/L時(shí)達(dá)到最大. 赤霉素濃度的變化對(duì)發(fā)芽勢(shì)影響顯著，處理?xiàng)l件為250 mg/L GA3浸種36 h時(shí)，發(fā)芽勢(shì)達(dá)到最大80.00 %，在0 mg/L GA3浸種24 h時(shí)，發(fā)芽勢(shì)最低為36.67 %，浸種時(shí)間在0 mg/L GA3與200 mg/L GA3時(shí)影響顯著，呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì). 赤霉素濃度的變化對(duì)萌發(fā)時(shí)滯影響顯著，總體隨著赤霉素濃度增加而減小，處理?xiàng)l件在50 mg/L GA3浸種24 h時(shí)萌發(fā)時(shí)滯最小為3.33 d，組內(nèi)萌發(fā)時(shí)滯隨浸種時(shí)間增加而增加. 赤霉素濃度的變化對(duì)發(fā)芽持續(xù)時(shí)間影響顯著，處理?xiàng)l件在250 mg/L GA3浸種36 h時(shí)萌發(fā)時(shí)滯最小為 5.00 d. 在赤霉素濃度相同的組內(nèi)，浸種時(shí)間對(duì)于發(fā)芽持續(xù)時(shí)間影響顯著，隨著浸種時(shí)間增長(zhǎng)而減少. 赤霉素濃度變化對(duì)于發(fā)芽指數(shù)影響不顯著，浸種時(shí)間對(duì)于發(fā)芽指數(shù)影響顯著，且隨浸種時(shí)間增加而減小，處理?xiàng)l件在0 mg/L GA3浸種12 h時(shí)發(fā)芽指數(shù)最大為14.79.

表2 赤霉素濃度與浸種時(shí)間對(duì)中華金腰種子萌發(fā)的影響Tab.2 Effect of GA3 concentration and soaking time on the seed germination of Chrysosplenium sinicum

3 討論

種子自身特性與環(huán)境因子是影響種子萌發(fā)的主要因素. 對(duì)于高山植物來(lái)說(shuō)，種子休眠是影響其萌發(fā)的重要生理特征，通過(guò)種子休眠可以幫助高山植物度過(guò)惡劣的環(huán)境. 本研究結(jié)果表明中華金腰種子在植株上成熟后不能立即萌發(fā)，需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間低溫儲(chǔ)藏后才具有較高的發(fā)芽率，表明其具有后熟休眠特性. 此外，本研究結(jié)果表明光照有利于中華金腰種子的萌發(fā).

有研究表明[17, 18]，高山植物種子萌發(fā)前需經(jīng)過(guò)冷層積的過(guò)程，且萌發(fā)率顯著高于未經(jīng)過(guò)冷層積的種子. 本研究表明低溫處理可以縮短中華金腰種子的萌發(fā)時(shí)滯，且呈明顯負(fù)相關(guān)；發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽指數(shù)隨低溫處理時(shí)間增多而增加，呈正相關(guān)關(guān)系，驗(yàn)證了高山植物需經(jīng)冷層積過(guò)程這一觀點(diǎn).

赤霉素是一種廣譜植物生長(zhǎng)促進(jìn)激素，參與植物生活史的多個(gè)過(guò)程. 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用來(lái)促進(jìn)種子的萌發(fā). 本研究結(jié)果表明適宜濃度的赤霉素能促進(jìn)中華金腰種子的萌發(fā). 赤霉素濃度在150 mg/L浸種12 h時(shí)，中華金腰種子發(fā)芽率達(dá)到最高97.78 %. 設(shè)置赤霉素濃度梯度可以探究適合于中華金腰種子萌發(fā)的結(jié)果與種子喜好的赤霉素濃度的關(guān)系. 本研究中設(shè)置的赤霉素濃度范圍還不夠廣，部分發(fā)芽指標(biāo)差異不夠明顯，后續(xù)將進(jìn)一步拓展加深.

高山植物由于其特殊的生境而對(duì)環(huán)境和人為條件非常敏感. 適宜的環(huán)境條件可以促進(jìn)種子的萌發(fā)，當(dāng)超過(guò)一定的范圍后反而會(huì)抑制萌發(fā). 除了非生物因素，生物因素也是影響高山植物在低海拔地區(qū)萌發(fā)的重要條件. 綜合多種因素的探究能更加全面且客觀地給中華金腰這種高山植物在低海拔地區(qū)的生長(zhǎng)繁殖及進(jìn)一步的種質(zhì)資源研究提供有價(jià)值的依據(jù). 本研究也為同屬其他物種的種質(zhì)資源保護(hù)與擴(kuò)繁提供了科學(xué)依據(jù).