環(huán)境因素對金鐘藤種子萌發(fā)的影響

張守信， 周勇芝， 黃 韋， 韓 婷， 王華鋒， 薄文浩， 龍文興， 周 韜

(1.熱帶特色林木花卉遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新教育部重點試驗室，海南大學(xué)林學(xué)院，海南五指山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， ?？?570228；2.海南大學(xué)生命科學(xué)與藥學(xué)院， ?？?570228；3.北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 北京 100083)

金鐘藤(Merremiaboisiana(Gagn.) v. Ooststr)是旋花科魚黃草屬的多年生藤本植物，在中國的分布地主要為海南、云南和廣西。金鐘藤在疏林地和次生常綠闊葉林地廣泛生長，向上纏繞并覆蓋，致使喬、灌木大面積死亡，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。藤莖可以落地生根，迅速蔓延成片[1-2]。2004年底，廣州報道了金鐘藤對森林植被的巨大破壞[3-4]，引起了人們的重視。2005年之后，海南省多個地區(qū)都報道存在不同程度的金鐘藤危害現(xiàn)象[5-9]。2013年，金鐘藤被國家林業(yè)局列入《全國林業(yè)危險性有害生物名單》。

金鐘藤在適宜條件下枝條生長蔓延迅速，但種子繁殖能力弱，野外極少見幼苗[10-11]。何澤等[12]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，野外金鐘藤結(jié)實率僅為27%。劉海洋[13]發(fā)現(xiàn)，金鐘藤種子自然萌發(fā)率低，進(jìn)行種皮處理后使得萌發(fā)率提高。倪廣艷等[14]發(fā)現(xiàn)，金鐘藤種子的萌發(fā)率在30 ℃條件下明顯高于28 ℃和25 ℃條件下的萌發(fā)率。曾宋君等[15]發(fā)現(xiàn)，金鐘藤各個組織的提取液不同程度地降低了菜薹種子的萌發(fā)率。程漢亭等[16]發(fā)現(xiàn)，金鐘藤種子提取液抑制白菜種子的萌發(fā)和生長。本試驗研究光照、高溫、干旱和自身化感作用等環(huán)境因素對金鐘藤種子萌發(fā)的影響，期望為金鐘藤災(zāi)害的預(yù)測和防控工作提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2020年6月從海南省瓊中縣黎母山國家森林公園(海拔530 m)采集金鐘藤種子。

1.2 試驗方法

去除空癟和畸形種子，取飽滿種子用75%酒精浸泡10 min，蒸餾水沖洗；對種皮前端進(jìn)行切口 (圖1 c、d) ，除種皮處理試驗的對照組外，本研究中所有其他試驗所用種子均經(jīng)過切損種皮處理；在培養(yǎng)皿中平鋪兩層濾紙并放入高溫滅菌鍋滅菌，將種子均勻放置于濾紙上；培養(yǎng)皿中加入純凈水或處理溶液，不斷補(bǔ)充純凈水保持濾紙濕潤。種子放置于人工氣候箱中培養(yǎng)，對照組設(shè)定培養(yǎng)溫度為26 ℃，光照12 h，純凈水培養(yǎng)。

種皮切損試驗中的對照組采用未經(jīng)切口的完整種子。光照試驗中黑暗處理組使用黑布遮光。溫度試驗中設(shè)置梯度分別為28 ℃、30 ℃、32 ℃和34 ℃。干旱脅迫試驗使用PEG-6000(聚乙二醇)模擬干旱條件，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%和20%的PEG溶液處理種子。自化感試驗中提取液的配置方法為：剪碎金鐘藤5 g葉片，加入50 mL蒸餾水靜置提取24 h，最終獲得0.1 g·mL-1的提取液，以及稀釋后得到0.05 g·mL-1的提取液。除相應(yīng)處理條件外，處理組其他培養(yǎng)條件與對照組相同。每個處理20粒種子，設(shè)置3次重復(fù)。

1.3 指標(biāo)測定

每天10：00時統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，連續(xù)3 d沒有新種子發(fā)芽視為發(fā)芽結(jié)束。使用游標(biāo)卡尺測量發(fā)芽種子的胚根長、胚芽長。使用以下公式計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)。

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

發(fā)芽勢 (%) = (發(fā)芽高峰期發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù)) ×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，式中：Dt為發(fā)芽天數(shù)，Gt為t時間內(nèi)的發(fā)芽數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作，進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 種皮對金鐘藤種子萌發(fā)的影響

本次試驗中ck種子 (圖1 a、b) 直到第5天仍未出現(xiàn)種子萌發(fā)現(xiàn)象。處理組將種皮進(jìn)行了切損處理 (圖1 c、d) ，種子發(fā)芽率達(dá)72% (圖1 e、f) ，顯著高于ck。結(jié)果表明，種皮完整的種子短時間內(nèi)不能發(fā)芽，切損處理可以消除種皮對種子萌發(fā)的阻礙作用。

表1 種皮處理對金鐘藤種子萌發(fā)的影響

注：a、b為對照組正常種子；c、d為處理組切損種皮種子；e、f為已萌發(fā)種子。圖1 金鐘藤種子的種皮處理Fig.1 Cutting treatment of seed coat of M. boisiana seeds

2.2 光照對金鐘藤種子萌發(fā)的影響

由圖2可知，光照條件下與黑暗條件下種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)不存在顯著差異，但萌發(fā)后種子的胚根和胚芽長度差異顯著，光照使得萌發(fā)種子對照組的根長比黑暗組增加39.3%，其芽長僅為黑暗組的43.8%。結(jié)果說明，光照不會顯著影響種子的萌發(fā)，但會導(dǎo)致萌發(fā)后種子的胚根變長，胚芽變短。

圖2 光照對金鐘藤種子萌發(fā)的影響Fig.2 Effects of light on seed germination of M. boisiana seeds

2.3 溫度對金鐘藤種子萌發(fā)的影響

由圖3可知，在28 ℃條件下種子的發(fā)芽率為47%，隨著溫度升高發(fā)芽率逐漸降低至24%。32 ℃和34 ℃條件下種子的發(fā)芽率顯著低于28 ℃ 和30 ℃處理。不同溫度處理下種子的發(fā)芽勢未發(fā)現(xiàn)明顯差異，但32 ℃和34 ℃處理下的種子發(fā)芽指數(shù)明顯降低。隨著溫度升高至34 ℃，種子的胚根和胚芽長度顯著增加，與28 ℃條件下相比，根長增加50%，芽長增加27%。結(jié)果表明，在28～34 ℃范圍內(nèi)，溫度升高會降低金鐘藤種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)。環(huán)境溫度達(dá)到34 ℃時，明顯促進(jìn)胚根和胚芽的生長。

圖3 溫度對金鐘藤種子萌發(fā)的影響Fig.3 Effects of temperature on seed germination of M. boisiana seeds

2.4 PEG溶液模擬干旱脅迫對金鐘藤種子萌發(fā)的影響

由圖4可知，PEG溶液使得金鐘藤種子脫水，可以模擬干旱環(huán)境對種子萌發(fā)的影響。當(dāng)PEG濃度超過10%時，種子萌發(fā)率顯著降低。15%和20%溶液處理條件下，種子發(fā)芽率僅為ck的38.9%。種子發(fā)芽勢在4種濃度處理下與ck均存在極顯著差異，不同濃度之間的發(fā)芽勢差異不大。15%和20%的PEG溶液顯著降低了種子的發(fā)芽指數(shù)。

圖4 干旱脅迫對金鐘藤種子萌發(fā)的影響Fig.4 Effects of drought stress on seed germination of M. boisiana seeds

PEG處理使得種子的根長與芽長低于ck。所有處理中，5%PEG濃度組的胚根長度最短。隨著PEG濃度的提高，胚根長度逐漸增加，接近但略低于ck的長度。胚芽的長度與PEG濃度呈負(fù)相關(guān)。

2.5 自化感作用對金鐘藤種子萌發(fā)的影響

金鐘藤組織中含有化感物質(zhì)，其提取液能抑制其他植物種子的萌發(fā)。本組試驗研究金鐘藤葉片提取液是否會抑制自身種子的萌發(fā)。由圖5可知，種子的發(fā)芽率隨著提取液濃度的增加而逐漸降低，濃度為 0.1 g·mL-1的提取液顯著降低了種子的發(fā)芽率。0.05 g·mL-1和0.1 g·mL-1提取液使得種子的發(fā)芽勢分別比ck降低28%和22%，差異極顯著 (p<0.01) 。提取液抑制了種子胚根的生長，但胚芽長度未受到影響。試驗結(jié)果表明，金鐘藤種子的萌發(fā)同樣會受到自身化感作用的影響，發(fā)芽率和發(fā)芽勢降低，胚根的生長受到抑制，但胚芽的長度未出現(xiàn)變化。

圖5 葉片提取液對金鐘藤種子萌發(fā)的影響Fig.5 Effects of leaf extracts on seed germination of M. boisiana seeds

3 討 論

3.1 金鐘藤種子的硬實性

自然界中部分植物的種子存在硬實現(xiàn)象，種皮堅硬不透水，種子難以吸脹；已經(jīng)發(fā)育成熟的胚無法萌發(fā)，出現(xiàn)物理休眠。硬實現(xiàn)象是植物對環(huán)境的一種適應(yīng)機(jī)制，可以使種子長期保持活力，直到出現(xiàn)最佳環(huán)境條件再萌發(fā)生長，對于物種的繁衍具有重要的意義[17]。Li等[18]在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，野外金鐘藤的種子萌發(fā)率極低，即使在大量開花的金鐘藤分布區(qū)域，連續(xù)兩年都未發(fā)現(xiàn)金鐘藤幼苗。從本試驗結(jié)果來看，種皮對金鐘藤種子萌發(fā)的影響非常顯著，對種皮進(jìn)行物理切損即可大幅提高種子萌發(fā)率，試驗結(jié)果與劉海洋等[13]的結(jié)論一致。程漢亭等[16]的研究表明，金鐘藤種皮雖然一定程度上阻礙了水分的吸收，但經(jīng)過112 h的浸泡后仍然可以達(dá)到完全吸水的狀態(tài)。這表明在特定的情況下，比如降水豐富地區(qū)或者河流水庫周圍的區(qū)域，金鐘藤種子長時間吸水后仍存在萌發(fā)生長的可能性。林業(yè)管理部門對這些區(qū)域應(yīng)給予關(guān)注，加強(qiáng)巡護(hù)工作，及早控制金鐘藤的種子萌發(fā)和擴(kuò)散。

3.2 溫度對金鐘藤繁殖的影響

金鐘藤是陽性植物，喜光喜熱。結(jié)合倪廣艷等[14]的研究結(jié)果和本試驗的結(jié)論，金鐘藤種子萌發(fā)的最適溫度為28～30 ℃，溫度的升高能夠進(jìn)一步促進(jìn)胚根和胚芽的生長。目前，全球氣候出現(xiàn)變暖的趨勢，以海南為例，1948—1980年間海南的平均溫度為23～25 ℃[19]，1980—2010年間平均溫度提高到23～27 ℃[20]，預(yù)計在未來50年平均氣溫還有可能繼續(xù)上升1.5 ℃[21]，趨近金鐘藤種子的最適發(fā)芽溫度。王伯蓀等[79]認(rèn)為，金鐘藤在廣州蔓延和為害的重要因素就是廣州地區(qū)連續(xù)幾年出現(xiàn)暖冬。因此，未來全球氣溫的升高可能會造成金鐘藤分布區(qū)域向高海拔和高緯度地區(qū)擴(kuò)散，同時加快金鐘藤生長速度，造成更大的危害。

3.3 金鐘藤種子的耐旱能力

干旱條件會使種子失水，顯著降低萌發(fā)率。金鐘藤種子在干旱環(huán)境的影響下，發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)都顯著降低，但干旱程度的增加促進(jìn)了胚根的生長，這顯示出金鐘藤種子對于干旱環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。有研究顯示，三葉草、大花金雞菊、桂圓菊和賽菊芋等多種植物在20% PEG-6000脅迫下種子萌發(fā)率為零[22-23]，但本試驗中，同樣脅迫條件下金鐘藤種子仍保持28%的萌發(fā)率。金鐘藤植株的耐旱能力也強(qiáng)于與其相同生境下的葛藤[24]。金鐘藤種子和植株對干旱環(huán)境的較強(qiáng)適應(yīng)能力是其蔓延擴(kuò)散的一個因素。

3.4 金鐘藤的自化感作用

植物通過合成和釋放化感物質(zhì)，來抑制其他植物的生長，獲得競爭優(yōu)勢。曾宋君等[15]和黃喬喬等[25]通過試驗證明，金鐘藤含有化感物質(zhì)，其提取液可以抑制菜薹和生菜種子的萌發(fā)，但金鐘藤種子是否會受到自身化感物質(zhì)的影響，尚未有明確的結(jié)論。本試驗發(fā)現(xiàn)，金鐘藤組織提取液同樣會顯著抑制自身種子萌發(fā)，濃度越高抑制作用越明顯。這種現(xiàn)象表明，金鐘藤可能通過自化感作用控制自身萌發(fā)種子的數(shù)量，避免物種內(nèi)部過度競爭，減少資源消耗。Singh等[26]研究認(rèn)為，自化感現(xiàn)象是植物適應(yīng)環(huán)境，充分利用資源的一種重要的生態(tài)機(jī)制。金鐘藤和大樹杜鵑[27]、菊花[28]一樣，能夠通過自化感作用來充分利用有限資源，適應(yīng)環(huán)境。

4 結(jié) 論

本試驗表明，種皮處理、光照、溫度、干旱脅迫和自化感作用都會不同程度地影響金鐘藤種子的萌發(fā)以及幼苗的發(fā)育。具體來說，種皮阻隔水分是種子發(fā)芽率低的主要因素；光照不會改變種子的發(fā)芽率，但會影響種子萌發(fā)后幼苗的生長；28 ℃是金鐘藤種子萌發(fā)的最適溫度，溫度提高會促進(jìn)胚根胚芽的生長；干旱會降低種子的發(fā)芽率，但促進(jìn)胚根的生長；化感作用會限制金鐘藤自身種子萌發(fā)。

雖然目前種子繁殖不是金鐘藤泛濫成災(zāi)的主要因素，但全球氣候變化和特定環(huán)境條件可能會提高其有性繁殖能力，擴(kuò)大分布范圍，造成新的危害。對此應(yīng)加以重視，加強(qiáng)研究和防控工作。