節(jié)節(jié)麥小穗上不同粒位種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)

于海燕　李華通　崔海蘭等

中圖分類(lèi)號(hào)：S 451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16688/j.zwbh.2020211

節(jié)節(jié)麥Aegilops tauschii是禾本科Poaceae山羊草屬Aegilops雜草，分布在我國(guó)河北、河南、山東、陜西、山西等十幾個(gè)小麥主產(chǎn)省，嚴(yán)重威脅小麥產(chǎn)量和品質(zhì)。節(jié)節(jié)麥分蘗多，繁殖系數(shù)高，生態(tài)適應(yīng)性廣，與小麥擬態(tài)性強(qiáng)，上述特性有利于其傳播擴(kuò)散并在與小麥的競(jìng)爭(zhēng)中處于優(yōu)勢(shì)地位。

種子萌發(fā)是許多植物生命周期中至關(guān)重要的階段，是雜草在其入侵區(qū)定殖、存活、傳播擴(kuò)散的首要條件。節(jié)節(jié)麥花序穗狀，含（5）7～10 （13）個(gè)小穗，每小穗含3～4（5）朵小花，一般僅第1～3朵小花結(jié)實(shí)。小穗基部小花形成第1粒種子，其相鄰上部位置小花形成第2粒種子，第1粒種子比第2粒發(fā)育早，而第3朵小花通常不育、較少結(jié)實(shí)。節(jié)節(jié)麥成熟時(shí)穗部以小穗為單位節(jié)節(jié)脫落于土壤，種子秋季萌發(fā)出土，其萌發(fā)行為決定著生長(zhǎng)早期植株與小麥的競(jìng)爭(zhēng)能力。前人研究表明，植物花序或小穗不同位置的種子萌發(fā)行為在時(shí)間和空間上分散開(kāi)，有利于避免同胞子代競(jìng)爭(zhēng)，以保持物種存留和延續(xù)。田間觀察發(fā)現(xiàn)，雖然節(jié)節(jié)麥每個(gè)小穗含有2～3粒種子，但往往僅一粒種子出苗。節(jié)節(jié)麥同屬雜草圓柱山羊草Aegilops cylindrica小穗上不同粒位種子在生物學(xué)特性方面存在一定的差異，例如，不同粒位種子萌發(fā)對(duì)溫度等環(huán)境因素的響應(yīng)不同。而同一個(gè)小穗不同粒位的節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)是否存在差別未見(jiàn)報(bào)道。

因此，本研究以節(jié)節(jié)麥小穗中第1粒位種子和第2粒位種子為研究對(duì)象，通過(guò)比較兩者萌發(fā)對(duì)pH、鹽脅迫和水分脅迫響應(yīng)的差異，明確小穗中不同粒位種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因素的響應(yīng)，為深入研究節(jié)節(jié)麥個(gè)體生物學(xué)及建立綜合有效的防控措施提供數(shù)據(jù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試種子：節(jié)節(jié)麥種子采自我國(guó)河南省新鄉(xiāng)市、河北省邢臺(tái)市和山東省濱州市的冬小麥田，種群代號(hào)分別為HN-XX、HB-XT和SD-BZ。并于2017年

2018年在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所溫室繁種。每個(gè)種群選取成熟飽滿(mǎn)、大小均勻一致的小穗若干，剝出第1粒（S1）與第2粒（S2）粒位種子備用。上述種子均自然解除休眠且發(fā)芽率達(dá)到95%以上。

試劑及儀器：2-嗎啉乙磺酸（MES）、4-羥乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）、N-三甲基甘氨酸（tricine），Sig-ma;氫氧化鈉（NaOH）、氯化鈉（NaCl）、鄰苯二甲酸氫鉀（C₈H₅KO₄）、聚乙二醇6000（PEG6000），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司;鹽酸（HCl），北京化工廠。DELTA320型pH計(jì)，梅特勒托利多儀器有限公司;FA1004萬(wàn)分之一天平，上海上平儀器有限公司;人工氣候培養(yǎng)箱，浙江托普儀器有限公司。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1不同粒位種子萌發(fā)對(duì)pH的響應(yīng)

設(shè)定系列緩沖液pH 3～10。供試pH緩沖液的配制方法參考王曉陽(yáng)等。分別選取均勻一致的S1和S2種子20粒，用無(wú)菌水反復(fù)沖洗3次，晾干后置直徑9cm墊有雙層濾紙的同一玻璃培養(yǎng)皿中，加入5mL配好的緩沖液，用封口膜封口后置25/20℃（光照/黑暗）人工氣候培養(yǎng)箱中，L∥D=14 h∥10 h，光照強(qiáng)度為320 ）μmol/m²·s。每隔24h調(diào)查1次發(fā)芽率，以胚根長(zhǎng)度大于3mm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每次調(diào)查移除發(fā)芽的種子，連續(xù)調(diào)查14 d。上述試驗(yàn)設(shè)4次重復(fù)。

對(duì)不同調(diào)查時(shí)間下節(jié)節(jié)麥Sl和S2的發(fā)芽率進(jìn)行曲線擬合，回歸模型如下：

G代表不同調(diào)查時(shí)間（t）下的發(fā)芽率，G_max代表最大發(fā)芽率，t₅₀代表發(fā)芽率達(dá)到最大發(fā)芽率50%時(shí)所需的時(shí)間，e代表曲線斜率，然后根據(jù)公式（2）得到S1和S2在不同pH水平下的萌發(fā)速率（V）。

1.2.2不同粒位種子萌發(fā)對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)

配制0、20、60、120、180、240、300、360、420 mmol/L和480 mmol/L的NaCl系列溶液。于玻璃培養(yǎng)皿中，加入5mL上述NaCl溶液進(jìn)行鹽分脅迫試驗(yàn)，種子發(fā)芽方法及S1和S2在不同鹽濃度下萌發(fā)速率的計(jì)算方法同1.2.1。上述試驗(yàn)設(shè)4次重復(fù)。

1.2.3不同粒位種子萌發(fā)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)

試驗(yàn)采用PEG6000溶液模擬水分脅迫。分別用1L無(wú)菌水溶解0.0、72.5、143.2、192.6、233.0、284.0g和327.9g PEG6000，使各處理的水分滲透勢(shì)為0.0、-0.1、-0.3、-0.5、-0.7、-1.0、-1.3、-1.6、-2.0 MPa。于玻璃培養(yǎng)皿中，加入5mL上述PEG6000溶液進(jìn)行水分脅迫試驗(yàn)，種子發(fā)芽方法及Sl和S2在不同水分滲透勢(shì)下萌發(fā)速率的計(jì)算方法同1. 2.1。上述試驗(yàn)設(shè)4次重復(fù)。

同時(shí)對(duì)不同滲透勢(shì)下節(jié)節(jié)麥Sl和S2的最終發(fā)芽率進(jìn)行曲線擬合，回歸模型如下：

G代表不同滲透勢(shì)（x）下的最終發(fā)芽率，G_max代表最大發(fā)芽率，x₅₀代表發(fā)芽率達(dá)到最大發(fā)芽率50%時(shí)的滲透勢(shì)，e代表曲線斜率。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 21.0軟件對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用SigmaPlot 12.5軟件的三參量非線性回歸模型進(jìn)行曲線擬合，得到曲線方程、t₅₀和x₅₀。

2結(jié)果與分析

2.1不同粒位種子萌發(fā)對(duì)pH的響應(yīng)

pH變化對(duì)3個(gè)供試種群種子萌發(fā)率及萌發(fā)速率無(wú)明顯影響，但相同pH條件下不同粒位種子萌發(fā)對(duì)pH的響應(yīng)存在差異。從發(fā)芽率來(lái)看，在供試pH范圍內(nèi)，雖然S1和S2均能萌發(fā)，且發(fā)芽率均超過(guò)70%，但相同pH時(shí)3個(gè)供試種群S2的發(fā)芽率均高于其相應(yīng)種群的Sl（圖1）。如HN-XX種群在pH為8時(shí)Sl的萌發(fā)率為73. 75%，此時(shí)該種群S2萌發(fā)率達(dá)95%（圖lb），其他兩個(gè)種群S2的發(fā)芽率也均超過(guò)90%（圖1a和1c）。從萌發(fā)速率來(lái)看，在供試pH緩沖液為3～10時(shí)，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3個(gè)種群S2的萌發(fā)速率均明顯高于相同pH時(shí)的S1;上述3個(gè)種群S1的平均萌發(fā)速率分別為0. 59、0.67^-1d和0. 60 d^-1;而S2的平均萌發(fā)速率分別為1. 04、1.29 d^-1和1.08d^-1（表1）。

2.2不同粒位種子萌發(fā)對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)

鹽脅迫影響節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)，高濃度NaCl處理不同粒位節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)存在差異。從發(fā)芽率來(lái)看，Sl受鹽脅迫的影響較大，表現(xiàn)為隨NaCl濃度增大，其發(fā)芽率顯著降低（P<0.05）;而S2的發(fā)芽率在不同NaCl濃度下相對(duì)較高（圖2）。從萌發(fā)速率來(lái)看，隨NaCl濃度的升高，S1和S2的萌發(fā)速率均降低。在供試NaCl濃度為0～480 mmol/L下，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3個(gè)種群Sl的平均萌發(fā)速率分別為0. 41、0.41d^-1和0. 36 d^-1;而S2的平均萌發(fā)速率分別為0. 60、0.64 d^-1和0. 62d^-1（表2）。由此可見(jiàn)，在供試NaCl濃度下，S2萌發(fā)對(duì)鹽脅迫的耐受性高于S1。

2.3不同粒位種子萌發(fā)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)

隨著滲透勢(shì)降低節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)率降低，不同粒位節(jié)節(jié)麥種子萌發(fā)對(duì)水分脅迫的響應(yīng)存在差異。從發(fā)芽率來(lái)看，在滲透勢(shì)分別為-0.7～-1.3 MPa、-0.5～-1.6 MPa和-1.0～-1.6 MPa時(shí)，HB-XT、HN-XX和SD-BZ種群S2的發(fā)芽率顯著高于Sl（P<0.05）。此外，將不同滲透勢(shì)下3個(gè)節(jié)節(jié)麥種群的發(fā)芽率進(jìn)行曲線擬合，模擬得出，HB-XT、HN-XX和SD-BZ的S1分別在滲透勢(shì)為-0.83、-0. 69 MPa和-1.28 MPa時(shí)發(fā)芽率達(dá)到最大發(fā)芽率的50%，而S2分別在滲透勢(shì)為-1.56、-1.65 MPa和-1. 75 MPa時(shí)發(fā)芽率達(dá)到最大發(fā)芽率的50%（圖3）。從萌發(fā)速率來(lái)看，隨滲透勢(shì)的下降，Sl和S2的萌發(fā)速率均降低。在供試滲透勢(shì)為0～-2.0 MPa下，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3個(gè)種群S1的平均萌發(fā)速率分別為0. 38、0.42 d^-1和0. 33 d^-1;而S2的平均萌發(fā)速率分別為0. 51、0.49d^-1和0.51 d^-1（表3）。由此可見(jiàn)，在供試滲透勢(shì)下，S2較Sl萌發(fā)更能耐受水分脅迫。

3討論

節(jié)節(jié)麥小穗上不同粒位種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)存在差異，其同屬雜草圓柱山羊草也存在類(lèi)似現(xiàn)象，這可能與種子的體積大小有一定關(guān)系。觀察發(fā)現(xiàn)，節(jié)節(jié)麥小穗不同粒位的種子在表型上有一定的差異，即S2比Sl體積大，這可能是S2抗逆性強(qiáng)的主要原因。有報(bào)道表明，少花蒺藜草Cenchrusspinifer同一個(gè)刺果中，裸露在外側(cè)的M型種子在表型上比半包裹在內(nèi)側(cè)的P型種子大，且M型種子對(duì)鹽脅迫的耐受性顯著高于P型種子。婆羅門(mén)參Tragopogon Pratensis subsp.Pratensis單株可產(chǎn)生兩種不同顏色的穎果，顏色較深的種子表面粗糙，而顏色較淺的種子表面光滑，與顏色較淺的種子相比，顏色較深的種子不僅質(zhì)量較重而且發(fā)芽率較高。藜Chenopodium album產(chǎn)生的棕色種子體積大，萌發(fā)快，對(duì)鹽脅迫耐受性較高，而其產(chǎn)生的黑色種子對(duì)鹽脅迫敏感。對(duì)于節(jié)節(jié)麥而言，S2體積較大、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，可為種胚突破種皮提供更多的能量，使發(fā)芽對(duì)環(huán)境脅迫有較高的耐受性。

節(jié)節(jié)麥S1和S2萌發(fā)對(duì)pH的要求不高，這與之前報(bào)道的節(jié)節(jié)麥種子（帶穎殼）的萌發(fā)特性相似。此外，豬殃殃Galium spurium、看麥娘Alo-pecurus aequalis等雜草萌發(fā)適應(yīng)的pH的范圍也較寬。低滲透勢(shì)影響了節(jié)節(jié)麥S1和S2的萌發(fā)，這可能是由于低滲透勢(shì)不利于種子萌發(fā)過(guò)程中相關(guān)酶的激活或分解，也可能是低滲透勢(shì)限制了種子用于其萌發(fā)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸和利用。鹽脅迫對(duì)節(jié)節(jié)麥S1的萌發(fā)有顯著影響，隨著鹽濃度的升高，其發(fā)芽率逐漸降低，薺菜Capsella bursa-pastoris、豬殃殃、牛筋草Eleusine indica等雜草也具有類(lèi)似的萌發(fā)特性。這種現(xiàn)象可能與鹽脅迫產(chǎn)生的滲透作用、有毒離子、氧化脅迫等有關(guān)。例如，滲透脅迫可通過(guò)減緩種子的吸脹過(guò)程從而延緩高粱種子的代謝激活和萌發(fā)。有毒離子會(huì)影響種胚的活力，引起酶和其他大分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)破壞、細(xì)胞器和質(zhì)膜的損傷，也可能影響呼吸作用等過(guò)程。此外，氧化脅迫是影響種子萌發(fā)的重要因素，鹽脅迫可通過(guò)干擾活性氧產(chǎn)生和清除的動(dòng)態(tài)平衡來(lái)延緩或抑制種子萌發(fā)。

節(jié)節(jié)麥S1和S2萌發(fā)速率存在差異，S2較S1萌發(fā)快可能是植物適應(yīng)環(huán)境長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果。田間條件下，節(jié)節(jié)麥小穗從穗軸脫落，存在于土壤種子庫(kù)，當(dāng)環(huán)境條件適宜時(shí)種子開(kāi)始萌發(fā)，S1和S2萌發(fā)速率的差異使小穗上的種子能夠延長(zhǎng)其萌發(fā)時(shí)間，避免自身不同種子之間的競(jìng)爭(zhēng)，為其在土壤更好地定植創(chuàng)造條件。在種子萌發(fā)過(guò)程中，當(dāng)遇到不利的環(huán)境時(shí)，如果S2萌發(fā)后由于環(huán)境脅迫未長(zhǎng)成幼苗，萌發(fā)相對(duì)較晚的S1仍有機(jī)會(huì)長(zhǎng)成植株，這將為其種群在逆境下生存提供保障。