石生委陵菜種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)

李 陽， 李 想， 丁芳兵， 李 倩， 王宇超， 魏 瑩， 毛祝新

(1.陜西省西安植物園，陜西省植物研究所， 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， 西安 710061；3.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 西安 710300)

種子萌發(fā)與幼苗建植是植物生活史最關(guān)鍵也是最脆弱的環(huán)節(jié)[1-4]。種子萌發(fā)除了受到自身大小、壽命等內(nèi)在因素的影響外，還受到諸多外在環(huán)境因素的影響，如溫度、光照和水分條件等[5]。植物種子萌發(fā)需要特定的生態(tài)環(huán)境。在適宜的環(huán)境中，種子可以迅速萌發(fā)，從而占據(jù)環(huán)境中的空間、養(yǎng)分等資源，以此來維持種群的發(fā)展[6-7]。植物種子萌發(fā)所需環(huán)境因子的生態(tài)幅度也在一定程度上決定了該物種的分布和擴(kuò)張。

石生委陵菜(PotentillarupestrisL.)為多年生草本；全株莖、葉、花梗和萼片均被柔毛和腺毛；花瓣白色，倒卵形；傘房花序；成熟果實(shí)有脈紋，花果期6—8月。石生委陵菜分布于我國黑龍江、內(nèi)蒙古地區(qū)以及歐洲等海拔1 000 m的礫石坡上。石生委陵菜花型漂亮，適應(yīng)礫石土坡等生長環(huán)境，是不可多得的石生植物。石生委陵菜的這一特征使其適宜應(yīng)用于石生植物園等專類園的建設(shè)，礫石較多的邊坡修復(fù)以及干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)等建設(shè)中。此外石生委陵菜是我國委陵菜屬的重要種質(zhì)資源，對(duì)我國生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)安全等方面具有重要作用。但目前國內(nèi)外對(duì)石生委陵菜的相關(guān)研究較少。因此，研究石生委陵菜種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)，可以為石生委陵菜的開發(fā)利用與種質(zhì)資源保護(hù)提供理論依據(jù)。

表1 溫度對(duì)石生委陵菜發(fā)芽特征的影響

1 材料與方法

1.1 材 料

2018年9月于西安植物園收集石生委陵菜種子。收集后的種子放置于陰涼通風(fēng)處保存。

1.2 試驗(yàn)方法

種子千粒重按照《林木種子檢驗(yàn)規(guī)程》(GB 2772—1999)，采用百粒法測定[8]。選取100粒種子，10個(gè)重復(fù)。利用電子天平稱重后計(jì)算出種子千粒重。

萌發(fā)試驗(yàn)采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行。選取30枚顆粒飽滿，大小均勻一致的種子，先用 1%次氯酸 (NaClO) 浸泡 5 min 后，立即轉(zhuǎn)移到70 %乙醇浸泡 2 min，再用蒸餾水沖洗干凈，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)，分別進(jìn)行溫度、光周期、水分脅迫下的種子萌發(fā)試驗(yàn)[9]。種子萌發(fā)以胚根突破種皮2 mm，或者子葉從種皮中出現(xiàn)為準(zhǔn)。每日根據(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)目。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、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢等指標(biāo)[10]。

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

種子發(fā)芽勢(%)= (10 d萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%;

種子發(fā)芽指數(shù)= ∑(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)。

1.2.1溫度處理

設(shè)置4個(gè)恒溫處理，分別為10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃。光照周期為12 h/12 h(光照/黑暗)，光照強(qiáng)度為250 μmol·(m2·s)-1。共4個(gè)處理，每處理5次重復(fù)。

1.2.2光周期處理

設(shè)置2個(gè)恒溫處理，分別是：12 h/12 h，14 h/10 h。萌發(fā)溫度：20 ℃。共2個(gè)處理，每處理5次重復(fù)。

1.2.3水分脅迫處理

首先按照Michel等[11]的方法，將PEG-6000配置成3個(gè)不同濃度梯度，分別為5% PEG-6000(溶質(zhì)質(zhì)量/溶液質(zhì)量，下同)，10% PEG-6000，20% PEG-6000。因此共設(shè)置4個(gè)水分脅迫處理，分別是：對(duì)照(0% PEG)、5% PEG，10% PEG，20% PEG作為干旱脅迫處理。對(duì)照處理為等量蒸餾水。種子在各個(gè)處理中浸泡24 h后用蒸餾水反復(fù)漂洗4～5次，并用濾紙吸干種子表面水分后，放置于鋪有雙層濾紙直徑為90 mm的培養(yǎng)皿中。每日根據(jù)實(shí)際情況往培養(yǎng)皿中酌量添加蒸餾水。萌發(fā)溫度為20 ℃，光照周期為12 h/12 h(光照/黑暗)，光照強(qiáng)度為250 μmol·(m2·s)-1。共4個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行One-way ANOVA方差分析，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SAS 9.0軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子的物理特征

石生委陵菜種子呈現(xiàn)淺棕色，在發(fā)芽過程中，會(huì)因?yàn)槲伾兩?。這與Whittington等[12]的研究結(jié)果相同。種子千粒重為(0.265 2±0.005 3)g。

2.2 石生委陵菜種子萌發(fā)對(duì)溫度的響應(yīng)

通過方差分析得出，溫度顯著影響石生委陵菜種子發(fā)芽率(p<0.001)，發(fā)芽勢(p<0.001)和發(fā)芽指數(shù)(p<0.001),見表1。其中，10 ℃的萌發(fā)溫度下，石生委陵菜種子不發(fā)芽。15 ℃的萌發(fā)溫度下，石生委陵菜已經(jīng)開始發(fā)芽，但是發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均顯著低于在20 ℃或者25 ℃下的發(fā)芽特征。盡管20 ℃和25 ℃這兩個(gè)萌發(fā)溫度下，石生委陵菜種子的萌發(fā)特征差異不顯著，但是20 ℃的萌發(fā)溫度下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)相比較在25 ℃萌發(fā)溫度下的各項(xiàng)萌發(fā)指數(shù)分別提高4.80%，9.61%，6.10%(表1)。

表3 水分脅迫對(duì)石生委陵菜種子萌發(fā)的影響

2.3 石生委陵菜種子萌發(fā)對(duì)光周期的響應(yīng)

石生委陵菜最適萌發(fā)溫度在20 ℃左右。因此，在光周期對(duì)石生委陵菜種子萌發(fā)特征的影響試驗(yàn)中，設(shè)置萌發(fā)溫度為20 ℃。

通過方差分析得出，盡管光周期對(duì)石生委陵菜最終萌發(fā)率沒有顯著影響(p>0.05)，但是光周期顯著提高了石生委陵菜的發(fā)芽勢(p<0.05)和發(fā)芽指數(shù)(p<0.001)。t-檢驗(yàn)結(jié)果表明，14 h/10 h的光周期相比較12 h/12 h的光周期，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別顯著提高24.29%和56.49(表2)。

2.4 石生委陵菜種子萌發(fā)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)

通過方差分析得出，不同濃度的PEG溶液處理對(duì)石生委陵菜種子的發(fā)芽率(p>0.05)、發(fā)芽勢(p>0.05)以及發(fā)芽指數(shù)(p>0.05)均沒有顯著影響(表3)。隨著PEG溶液濃度增加，石生委陵菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢。但是t-檢驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)照(0 PEG溶液)、5% PEG溶液、10% PEG溶液、20% PEG溶液處理后的種子各項(xiàng)萌發(fā)特征均無顯著差異(表3)。而石生委陵菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤，在20% PEG溶液處理下表現(xiàn)最大。

3 結(jié)論與討論

3.1 溫度對(duì)石生委陵菜種子萌發(fā)的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明，石生委陵菜種子在15 ℃時(shí)已經(jīng)開始萌發(fā)，在20 ℃時(shí)各項(xiàng)發(fā)芽特征均最高。在10 ℃萌發(fā)溫度下，石生委陵菜種子萌發(fā)則被完全抑制。分析其原因在于種子萌發(fā)過程中需要進(jìn)行一系列活躍的代謝反應(yīng)。適宜的溫度保證代謝反應(yīng)所需要的酶的活性最高。如果外界環(huán)境高于或者低于該種子的最適萌發(fā)溫度，都會(huì)通過改變種子體內(nèi)膜的透性、膜結(jié)合的活性以及酶的活性從而抑制萌發(fā)[13]。種子的最適萌發(fā)溫度因植物物種不同而不同，與植物的原生境有密切關(guān)系[14-15]。種子的這種萌發(fā)機(jī)制確保了大部分種子可以在適合的季節(jié)進(jìn)行萌發(fā)，從而增大幼苗存活的機(jī)會(huì)[13]。

同時(shí)，石生委陵菜在15 ℃時(shí)已經(jīng)開始萌發(fā)，20 ℃時(shí)各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)最高，而25 ℃時(shí)各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)開始呈下降趨勢。這說明石生委陵菜種子的萌發(fā)對(duì)溫度較為敏感，不適合在過冷或者過熱地區(qū)生長。這可能限制了其分布。盡管委陵菜屬植物大都分布較廣，適應(yīng)性較強(qiáng)[15-16]，但是石生委陵菜的分布較為狹窄。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，石生委陵菜分布在我國內(nèi)蒙古、黑龍江等溫度較低的高緯度地區(qū)，或者海拔較高的地段，而在中低緯度地區(qū)鮮有發(fā)現(xiàn)。其原因在于我國中低緯度地區(qū)春夏季節(jié)氣溫超過石生委陵菜的最適萌發(fā)溫度，導(dǎo)致其在中低緯度等溫暖地區(qū)萌發(fā)受阻，進(jìn)而限制了其向溫暖地區(qū)的擴(kuò)張。在培育以及利用石生委陵菜時(shí)，要注意適當(dāng)降低其萌發(fā)溫度，保證其出苗率。此外，還需要進(jìn)一步研究來證明石生委陵菜成體植株是否耐熱，進(jìn)而制定更為詳細(xì)的針對(duì)石生委陵菜的保護(hù)和開發(fā)利用的管理對(duì)策。

3.2 光周期對(duì)石生委陵菜種子萌發(fā)的影響

光照是影響種子萌發(fā)的重要調(diào)控因子[17-19]。光照對(duì)種子萌發(fā)的影響主要通過調(diào)控種子體內(nèi)原初遠(yuǎn)紅光吸收型光敏素(Pfr)和紅光吸收型光敏素(Pr)來實(shí)現(xiàn)。而不同植物種子中Pfr含量以及對(duì)Pfr/Pr耐受范圍不同，因此光對(duì)植物種子萌發(fā)的影響也不同[13,19]。目前研究發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)受到光照影響的植物種子超過930種，其中672種植物的種子因光照而促進(jìn)萌發(fā)[20]。光照對(duì)植物種子萌發(fā)的影響主要是通過向種子提示適宜萌發(fā)環(huán)境的信號(hào)從而導(dǎo)致種子結(jié)束休眠而實(shí)現(xiàn)的[21]。

本研究結(jié)果表明，石生委陵菜種子在適宜的溫度和充足的水分條件下，光照雖然沒有改變種子最終發(fā)芽率，但保證了種子萌發(fā)的整齊性，這在一定程度上說明石生委陵菜萌發(fā)過程對(duì)光的喜好。而石生委陵菜種子的這一特性，可能與其長期生存環(huán)境息息相關(guān)。首先，石生委陵菜多生長在礫石生境中，其種子在自然情況下可能長期暴露在光照下。在長期的適應(yīng)和進(jìn)化過程中，在長光照條件下萌發(fā)得更好的石生委陵菜種群被保留了下來，因此在萌發(fā)過程中對(duì)長光照的需求這一特征也被保留下來。其次，石生委陵菜種子很小、且呈橢圓形，很難進(jìn)入土壤深層[22]。因?yàn)楸旧硭B(yǎng)分有限，較小的種子萌發(fā)后是否能存活、生長，更取決于外界環(huán)境條件是否適宜。再加之，如果被埋藏在土壤深層，即使萌發(fā)也很難長出地面。因此，較小的種子通常需要光照作為信號(hào)提示外界環(huán)境是否適宜萌發(fā)[23-24]。結(jié)合石生委陵菜生長的原生境——礫石環(huán)境屬于貧瘠生境來分析，其種子更需要光照長短來提示其外界環(huán)境中的溫度、水分等因子是否適宜，從而保證幼苗的成功定植以及種群的發(fā)展。

盡管在溫度、水分均為最適條件下，光照時(shí)間沒有影響到石生委陵菜種子的最終發(fā)芽率，卻顯著影響到其萌發(fā)整齊度和萌發(fā)速度(發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù))，這對(duì)植物種群，尤其是生活在貧瘠或者存在激烈競爭環(huán)境中的植物種群來說意義更為重要。一旦外界環(huán)境適合萌發(fā)，其種子迅速而且盡可能多的萌發(fā)可使該植物種群可以迅速占領(lǐng)環(huán)境中的水分、養(yǎng)分等資源，從而提高幼苗的存活率以及子代數(shù)目，進(jìn)而壯大種群。并通過“提前占有資源”這一途徑，來壓抑群落中其他植物物種的發(fā)展，從而在長時(shí)間尺度上占據(jù)更為優(yōu)勢的地位[16]。因此在貧瘠或者競爭激烈環(huán)境中，迅速萌發(fā)可能比高發(fā)芽率對(duì)種群發(fā)展的貢獻(xiàn)更大。

3.3 水分脅迫對(duì)石生委陵菜種子萌發(fā)的影響

水是植物種子萌發(fā)的必備條件之一[25]。種子萌發(fā)過程中的一切代謝活動(dòng)都需要水的參與，因此種子萌發(fā)過程中對(duì)外界水分變化最為敏感[26]。研究表明，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，種子萌發(fā)呈下降趨勢，甚至?xí)Ｖ姑劝l(fā)[27]。通常認(rèn)為，水分脅迫下植物種子的萌發(fā)特性與其原生境密切相關(guān)[28]。原生境中降水量較小、干旱程度較大的植物種子在萌發(fā)過程中對(duì)干旱的耐受程度也比較高[29-32]。在本研究中，石生委陵菜種子原生境是礫石山坡環(huán)境，屬于干旱脅迫比較嚴(yán)重的生境。因此，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著PEG濃度的增加，石生委陵菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)并沒有和對(duì)照處理呈現(xiàn)出顯著差異，但石生委陵菜種子的各項(xiàng)發(fā)芽特征均呈下降趨勢。此外，盡管隨著PEG濃度的增加，石生委陵菜種子的各項(xiàng)萌發(fā)特征的平均值沒有顯著差異，但是在20% PEG溶液處理?xiàng)l件下，其種子萌發(fā)特征的標(biāo)準(zhǔn)差均大幅度增加，即種子萌發(fā)特征差異很大。這說明在20% PEG溶液處理?xiàng)l件下，仍有部分種子受到水分脅迫影響。這進(jìn)一步說明如果PEG濃度再增加，也就是環(huán)境中水分脅迫再增強(qiáng)，石生委陵菜種子的萌發(fā)必將受到抑制。但是，通過本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以得出，石生委陵菜的種子在萌發(fā)過程中受到外界水分狀況的影響較小，耐旱能力較強(qiáng)。

綜上所述，石生委陵菜種子的最適萌發(fā)溫度為20 ℃，喜光，具有較強(qiáng)的耐干旱能力。其最適萌發(fā)溫度的限制可能是導(dǎo)致石生委陵菜沒有廣泛分布的主要原因。根據(jù)石生委陵菜耐干旱且喜光的屬性，可將其應(yīng)用在礫石邊坡、干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)中。但是需要做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證石生委陵菜成體植物對(duì)溫度是否敏感，從而制定更詳細(xì)針對(duì)石生委陵菜保護(hù)、開發(fā)和利用的政策。