直立委陵菜種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

李 陽(yáng)，李 想，丁芳兵，李 倩

(1. 陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)，陜西 西安 710061；2. 陜西省植物資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710061；3. 陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

種子將植物的各個(gè)世代聯(lián)系起來，因此種子是植物生活史中最重要的階段。種子萌發(fā)特征決定了植物更新、幼苗存活以及種群的延續(xù)[1]。除種子大小、活力、成熟度以及休眠等內(nèi)在因素外，種子萌發(fā)還受到外界環(huán)境因子的綜合影響。通常認(rèn)為，溫度、光照和水分是影響種子萌發(fā)的主要環(huán)境因素[2]。種子萌發(fā)過程中，外界溫度起到至關(guān)重要的作用[3～5]。種子萌發(fā)實(shí)際上是一個(gè)代謝過程。溫度通過影響代謝過程中酶的活性來影響種子萌發(fā)結(jié)果。此外，光照等其他環(huán)境因子必須結(jié)合適宜的溫度才能對(duì)種子萌發(fā)起到干涉作用[6]。光周期通常被認(rèn)為是提示外界環(huán)境是否適宜的萌發(fā)信號(hào)[7]。在自然環(huán)境中，溫度和光周期通常是相匹配的。水分環(huán)境也是種子萌發(fā)過程中一個(gè)重要的環(huán)境因子。得到足夠的水分，種子才能開始萌發(fā)。然而在自然生態(tài)系統(tǒng)中，在適宜萌發(fā)的季節(jié)其環(huán)境溫度和光周期通常符合種子萌發(fā)需求，但是水分脅迫即干旱是常發(fā)生的情況。在全球環(huán)境變化背景下，降水格局發(fā)生劇烈改變，原本適宜萌發(fā)的季節(jié)內(nèi)發(fā)生干旱的情況將越來越激烈。因此，那些具有一定抗旱性的種子在這樣背景下可以保證種子萌發(fā)，進(jìn)而影響種群動(dòng)態(tài)和群落特征，最終對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能造成一定的影響。

直立委陵菜(Potentillarecta)，薔薇科多年生草本植物。莖直立，高15～50 cm[8]，具有一定的觀賞性，常作為觀賞植物被引種。直立委陵菜在歐亞大陸廣泛分布[9,10]，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力[11]，常常在分布地形成優(yōu)勢(shì)種群[12,13]。此外，直立委陵菜因其具有較強(qiáng)的表型可塑性[14]和較大的種子產(chǎn)量入侵到北美洲多地[10,15,16]，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田生產(chǎn)產(chǎn)生較大影響[12,13,18]。直立委陵菜僅行有性生殖即僅依靠種子進(jìn)行繁殖[19]。因此，研究其種子受控因素，有助于我們理解直立委陵菜種子萌發(fā)機(jī)制、種群繁殖對(duì)策以及入侵機(jī)理，為人工栽培、預(yù)防和控制入侵提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

直立委陵菜種子于2018年9-10月收集于陜西省西安植物園。于室外風(fēng)干保存至第二年春天。

1.2 試驗(yàn)方法

采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行溫度和光照強(qiáng)度對(duì)種子萌發(fā)特性研究。選取50粒飽滿，大小均勻一致的種子，用萬(wàn)分之一天平稱重后，再用75%酒精消毒3 min，用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙吸干種子表面的水分，放置于直徑為90 mm的鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中。將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)，氣候室內(nèi)有效光量子密度為250 μmol·m-2·S-1。設(shè)置四組溫度：10℃，15℃，20℃，25℃。每個(gè)溫度再設(shè)置兩個(gè)光照長(zhǎng)度：16 h/8 h(16 h光照/8小時(shí)黑暗)，12 h/12 h(12 h光照/12 h黑暗)。共8個(gè)處理，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。

采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)特性研究。首先配置3個(gè)PEG6000濃度，分別是：5%PEG(溶質(zhì)質(zhì)量/溶液質(zhì)量，下同)，10%PEG，20%PEG濃度。選取50粒飽滿，大小均勻一致的種子，用75%酒精消毒3 min后，再用蒸餾水沖洗干凈，最后用濾紙吸干種子表面的水分，放置于蒸餾水或者不同濃度的 PEG6000溶液中，進(jìn)行浸種處理。24 h后用蒸餾水反復(fù)漂洗4～5次，并將種子放置于直徑為90 mm的鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中。將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)。氣候箱內(nèi)有效光量子密度為250 μmol·m-2·S-1，光暗周期為12 h/12 h, 晝夜溫度為25℃/20℃, 相對(duì)濕度為70%。以蒸餾水浸種24 h的種子作為對(duì)照組。共4個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

每天根據(jù)實(shí)際情況往培養(yǎng)皿中酌量添加蒸餾水。連續(xù)觀察培養(yǎng)皿中種子萌發(fā)情況，每天定時(shí)統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)數(shù)。當(dāng)連續(xù)5 d沒有種子萌發(fā)則視為萌發(fā)結(jié)束。最后統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽率(Gr) 、發(fā)芽勢(shì)(Ge)、發(fā)芽指數(shù)(Gi)等指標(biāo)[20]。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定方法

種子發(fā)芽率(Gr)=(萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%

種子發(fā)芽勢(shì)(Ge)= (七天萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%

種子發(fā)芽指數(shù)(Gi)= ∑(Gt/Dt)

式中： Gt為t天內(nèi)種子萌發(fā)數(shù)，Dt為種子萌發(fā)天數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

溫度和光照時(shí)間對(duì)種子萌發(fā)特征的影響數(shù)據(jù)采用二因素方差分析；水分脅迫對(duì)種子萌發(fā)特征的影響數(shù)據(jù)采用單因素方差分析；種子大小和發(fā)芽率相關(guān)性采用一般線性回歸分析；樣本間的差異顯著性用t-檢驗(yàn)。整個(gè)數(shù)據(jù)分析利用SAS9.0軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度和光照對(duì)直立委陵菜發(fā)芽特征的影響

將溫度和光照時(shí)長(zhǎng)作為主效應(yīng)進(jìn)行二因素方差分析，其結(jié)果表明：發(fā)芽溫度顯著影響直立委陵菜種子的最終發(fā)芽率(P< 0.001，圖1a)，發(fā)芽指數(shù)(P<0.001，圖1b)，發(fā)芽勢(shì)(P< 0.001，圖1c)。25℃和20℃的萌發(fā)溫度對(duì)直立委陵菜種子最終發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)沒有顯著影響。而在15℃的萌發(fā)溫度下，直立委陵菜種子最終發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)均顯著降低。在10℃的萌發(fā)溫度下，直立委陵菜種子不發(fā)芽。通過最終發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)可以推斷，直立委陵菜的最適萌發(fā)溫度在20～25℃之間。

光照時(shí)長(zhǎng)雖然沒有顯著影響直立委陵菜種子的最終發(fā)芽率(P> 0.05，圖1a)，卻顯著影響發(fā)芽指數(shù)(P<0.05，圖1b)和發(fā)芽勢(shì)(P< 0.05，圖1c)。16h/8h的光照時(shí)長(zhǎng)顯著增加6.10%的發(fā)芽勢(shì)，26.00%的發(fā)芽指數(shù)。通過光照時(shí)長(zhǎng)對(duì)種子萌發(fā)特征的影響可以推斷，直立委陵菜的萌發(fā)過程中喜好長(zhǎng)時(shí)間的光照。

2.2 干旱脅迫對(duì)直立委陵菜發(fā)芽指標(biāo)的影響

不同PEG-6000濃度的溶液沒有顯著影響直立委陵菜的發(fā)芽率(P> 0.05)、發(fā)芽勢(shì)(P>0.05)和發(fā)芽指數(shù)(P> 0.05)。然而，t-檢驗(yàn)得出，經(jīng)過10%和20%PEG-6000溶液處理后的種子，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均顯著低于對(duì)照處理。

圖1 溫度、光照周期對(duì)直立委陵菜種子發(fā)芽特征的影響(a.發(fā)芽率，b.發(fā)芽勢(shì)，c.發(fā)芽指數(shù))

圖2 PEG濃度對(duì)直立委陵菜種子發(fā)芽特征的影響(a.發(fā)芽率，b.發(fā)芽勢(shì)，c.發(fā)芽指數(shù))

2.3 直立委陵菜種子大小和發(fā)芽特征關(guān)系

在測(cè)定不同溫度和光照對(duì)直立委陵菜種子發(fā)芽特征影響時(shí)，首先測(cè)定每個(gè)培養(yǎng)皿中種子質(zhì)量，并換算成千粒重。結(jié)果表明：直立委陵菜種子的千粒重為0.1722±0.003 g(P> 0.05，n=30)。但是，直接分析在不同溫度和光照條件下所有直立委陵菜的最終發(fā)芽率與其千粒重并沒有呈現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系(P> 0.05，圖3a)。而在25℃和20℃發(fā)芽溫度以及16 h/8 h的光照條件下，直立委陵菜種子的千粒重和最終發(fā)芽率呈顯著相關(guān)關(guān)系(P< 0.001，圖3b)。

圖3 直立委陵菜種子大小對(duì)發(fā)芽率的影響

3 討論

種子是植物生活史中最關(guān)鍵的階段。種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)階段對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力決定了植物種群的繁衍與發(fā)展[21]。種子萌發(fā)受到自身因素和外界因素的共同作用。而影響種子萌發(fā)的外界環(huán)境因子因種子生物學(xué)特征不同而存在一定的差異[22]。

溫度是影響植物種子萌發(fā)和出苗最重要的環(huán)境因子之一[22]。通常認(rèn)為，低溫環(huán)境抑制種子內(nèi)部酶的活性，從而影響種子萌發(fā)；同樣，高溫環(huán)境可以導(dǎo)致酶失活，進(jìn)而抑制種子萌發(fā)。但是不同種子的最適萌發(fā)溫度不同，通常認(rèn)為和物種原生境相關(guān)[21]。研究發(fā)現(xiàn)，直立委陵菜種子在15℃～25℃時(shí)均可以萌發(fā)，其萌發(fā)溫度范圍較為寬泛，有利于其擴(kuò)散到不同溫度帶的生境中。直立委陵菜在15℃時(shí)已經(jīng)開始萌發(fā)，表明其可以在早春較冷的環(huán)境中進(jìn)行萌發(fā)，迅速占據(jù)環(huán)境中的空間、養(yǎng)分，為后期幼苗的生長(zhǎng)和競(jìng)爭(zhēng)奠定有利的基礎(chǔ)。同時(shí)，直立委陵菜種子在15℃的萌發(fā)溫度下，其各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)均顯著低于在20℃和25℃萌發(fā)溫度下的各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)；而20℃和25℃的萌發(fā)溫度下，直立委陵菜種子萌發(fā)特征沒有顯著差異，這說明直立委陵菜的種子萌發(fā)適宜溫度在20～25℃。

光是調(diào)節(jié)種子萌發(fā)的重要環(huán)境信號(hào)[7]，但不同植物種子萌發(fā)所需要的光周期不同。通常情況下，較小種子的萌發(fā)需要長(zhǎng)時(shí)間光照刺激[33,24]。筆者研究證實(shí)了這個(gè)觀點(diǎn)。作為一種比較小的種子(種子千粒重：0.1722±0.003 g)，直立委陵菜種子在萌發(fā)過程中表現(xiàn)出對(duì)長(zhǎng)光照的喜好。分析其原因可能在于，相比較而言，小種子體內(nèi)所蘊(yùn)含的養(yǎng)分物質(zhì)較少，更需要準(zhǔn)確地在環(huán)境適宜情況下啟動(dòng)萌發(fā)，來保證萌發(fā)的成功。所以，小種子對(duì)光周期信號(hào)的依賴性更強(qiáng)。此外，根據(jù)silvertown的“大小--數(shù)量”權(quán)衡規(guī)律，植物尤其是入侵植物通常產(chǎn)生大量且未完全發(fā)育的種子，這些種子需要經(jīng)過種子自身的需光發(fā)育[24]。相比較完全發(fā)育種子，未完全發(fā)育的種子的質(zhì)量通常要小。這種“需光發(fā)芽”策略可以保證該植物具有可以產(chǎn)生更多后代的可能。此外，研究也證明了溫度可以改變其他環(huán)境因子如光照條件對(duì)種子萌發(fā)特征的影響[8]。例如，在筆者研究中，直立委陵菜種子在較高溫度(25℃)萌發(fā)時(shí)，對(duì)光照時(shí)長(zhǎng)要求不顯著。但隨著溫度降低，較長(zhǎng)光照時(shí)間(16 h/8 h)可以彌補(bǔ)因?yàn)榈蜏?15℃)而帶來萌發(fā)特征的降低趨勢(shì)。光照時(shí)長(zhǎng)和溫度對(duì)直立委陵菜種子萌發(fā)特征的這種互補(bǔ)效應(yīng)可能導(dǎo)致其萌發(fā)過程對(duì)環(huán)境依賴性降低。這可能是直立委陵菜可以在歐亞大陸廣泛分布，并能成功入侵到北美等地的原因之一。

水分是種子萌發(fā)的首要條件[25]。在干旱半干旱地區(qū)，水分對(duì)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響更為重要[26]。種子在萌發(fā)過程中，通過調(diào)節(jié)保護(hù)酶活性及體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵消水分脅迫的影響。隨著水分脅迫的增加，種子的萌發(fā)特征均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。但是不同植物對(duì)水分脅迫的耐受性不同，可能與其原生境有關(guān)[21]。研究的結(jié)果表明，經(jīng)過輕度干旱脅迫的種子，其萌發(fā)特征和對(duì)照差異不顯著，說明直立委陵菜種子在萌發(fā)過程中抗一定程度的干旱。但是隨著干旱程度的增加，其萌發(fā)特征受到顯著抑制。這又說明直立委陵菜適應(yīng)一定程度的干旱脅迫，但抗干旱能力有限。直立委陵菜種子萌發(fā)過程對(duì)干旱的耐受特點(diǎn)與其原生境息息相關(guān)。直立委陵菜原產(chǎn)于我國(guó)比較干旱的西部地區(qū)，因此其在萌發(fā)過程中可以忍受一定程度的水分脅迫。這一特性也導(dǎo)致其可以從干旱地區(qū)向濕潤(rùn)地區(qū)的擴(kuò)散入侵。

除外界因素外，種子自身的內(nèi)在因素也影響著其發(fā)芽特征。根據(jù)筆者研究結(jié)果，在適宜環(huán)境中，直立委陵菜種子的大小顯著影響其發(fā)芽率。這說明相對(duì)來說大的種子蘊(yùn)含更多的養(yǎng)分，可以保證種子在萌發(fā)過程中所需的養(yǎng)分。而大種子在種子萌發(fā)特征上的優(yōu)勢(shì)，也為后期幼苗成功定植、種群動(dòng)態(tài)發(fā)展提供了有利條件[21]。在筆者實(shí)驗(yàn)中，在其他環(huán)境條件下，直立委陵菜種子大小和發(fā)芽率并沒有呈現(xiàn)出顯著相關(guān)性，分析其原因可能是不利的發(fā)芽環(huán)境尤其是低溫顯著抑制了直立委陵菜種子的萌發(fā)。

4 結(jié)論

直立委陵菜種子的萌發(fā)特征與其生活環(huán)境有關(guān)。在我國(guó)，直立委陵菜主要分布在西部地區(qū)的草地生境中[27]。通常情況下，西部地區(qū)的光照條件比較好，而水分是主要的限制因子[26]。因此直立委陵菜的種子具有一定的抗干旱能力。直立委陵菜種子萌發(fā)過程中耐一定程度的干旱、以及種子萌發(fā)過程中對(duì)溫度和光照的互補(bǔ)性需求，導(dǎo)致其萌發(fā)率較高[16]。再加之其較大的種子產(chǎn)量[16]，可能是直立委陵菜在歐亞大陸廣泛分布且在多個(gè)地區(qū)形成優(yōu)勢(shì)種群并能成功入侵到北美的主要因素之一。