苘麻不同種群的種子萌發(fā)特性

孟帥帥　黃兆峰　蘇杰天等

中圖分類號：S 451 文獻標識碼：A DOI：10.16688/j.zwbh.2020266

苘麻Abutilon theophrasti Medikus為錦葵科一年生難治惡性雜草，英文名velvetleaf，其生長速度快、競爭能力強，危害玉米、大豆、棉花等多種作物，顯著降低農(nóng)作物產(chǎn)量。研究表明，玉米田一定密度苘麻危害可使玉米減產(chǎn)70%;大豆田苘麻密度達到4～25株/m²時，可使大豆減產(chǎn)40%～50%;苘麻也是棉田中最具競爭力的雜草之一，嚴重危害棉花生長，導致籽棉產(chǎn)量下降50%。種子是苘麻在不同生境中傳播擴散的根源，休眠與萌發(fā)是其生活史的重要階段。國外對苘麻種子萌發(fā)的報道集中于溫度、滲透勢、光照、土壤pH、埋藏深度等環(huán)境因子，認為其休眠主要源于種皮被膜不透水。國內(nèi)學者對苘麻種子的萌發(fā)機理也進行了一定研究，王金淑發(fā)現(xiàn)，采用溫水浸種可以提高苘麻種子的萌發(fā)率。鄧天福等發(fā)現(xiàn)低溫處理能夠打破種子休眠，苘麻的萌發(fā)率顯著提高。常青山等對苘麻種子吸水率和內(nèi)源抑制物質(zhì)活性進行了初步測定，發(fā)現(xiàn)苘麻種子存在物理休眠與生理休眠。苘麻種胚被覆種皮和胚乳，對種子的休眠與萌發(fā)起重要調(diào)控作用。種皮由成熟的組織構(gòu)成，保護種胚抵抗外界不利的環(huán)境條件。常青山等研究表明種皮極大阻礙種子對水分的吸收。種子萌發(fā)始于干種子吸脹，完成標志是包被胚的組織即胚乳被胚根突破。作為一種在我國廣泛發(fā)生危害的農(nóng)田雜草，針對苘麻不同種群種子萌發(fā)特性的研究尚未見報道。本研究通過對不同地區(qū)采集的苘麻種子進行萌發(fā)水平檢測，從中篩選出差異顯著的種群，并進行萌發(fā)進程中關(guān)鍵指標的比較，以期明確苘麻種子的休眠萌發(fā)特性，為進一步闡明其休眠和萌發(fā)的內(nèi)在機理，進而為制定有針對性的萌發(fā)調(diào)控措施提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料

18個供試苘麻種群種子于2018年采自全國7個省區(qū)，保存于中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護研究所雜草組種子庫。各苘麻種群的種子采集信息見表1。

1.2方法

1.2.1苘麻種子萌發(fā)差異種群的篩選

參照常青山等促進苘麻種子萌發(fā)的專利和研究方法，選擇均勻飽滿的苘麻種子作為試驗材料，每個種群設(shè)置3次重復，每個重復30粒種子。將各重復的苘麻種子用醫(yī)用紗布包好，并使用吊牌做好標記，在電熱恒溫水浴鍋（DK-S24，上海森信試驗儀器有限公司）中用60℃的溫水浸種30 min。取出已處理的苘麻種子，整齊擺放于直徑9cm鋪有兩層濾紙的一次性塑料培養(yǎng)皿中，濾紙用5 ml_無菌水浸濕，使用封口膜將培養(yǎng)皿密封防止水分散失。所有培養(yǎng)皿置于智能人工氣候培養(yǎng)箱（RX2-280C，寧波江南儀器廠）中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為恒溫30'c，相對濕度60%，光周期L∥D=12h∥12h，每天定時補充水分始終保持濾紙濕潤。試驗過程中每天記錄種子萌發(fā)數(shù)量，以胚根伸出種皮1mm視為萌發(fā)種子，種子連續(xù)3d不再萌發(fā)視為試驗結(jié)束。萌發(fā)率、萌發(fā)勢、萌發(fā)指數(shù)采用以下公式計算：

萌發(fā)率：F=n/N×100%。

式中n為供試種子萌發(fā)數(shù)量，N為供試種子總數(shù)量，下同。

萌發(fā)勢：Fs=n₁/N×100%。

式中n₁，為規(guī)定時間內(nèi)萌發(fā)的種子數(shù)量（苘麻以培養(yǎng)3d內(nèi)正常萌發(fā)的種子數(shù)量計算）。

萌發(fā)指數(shù)：GI=∑G_t/D_t。

式中G_t為t日的萌發(fā)數(shù)量，D_t為相應的萌發(fā)天數(shù)。

1.2.2不同苘麻種群萌發(fā)關(guān)鍵期指標的比較

苘麻種子萌發(fā)進程中經(jīng)歷3個明顯形態(tài)變化階段：1）吸脹：種子較干種子體積顯著增大，且顏色由暗褐色轉(zhuǎn)變?yōu)樽厣?2）破皮：種子胚根尖端處種皮出現(xiàn)肉眼可見裂縫，白色胚乳清晰可見;3）露白：種子破皮處可見胚根頂破胚乳帽，顯現(xiàn)出白色胚根尖端。針對1. 2.1中篩選出的萌發(fā)水平較高和較低的2個苘麻種群，以萌發(fā)過程中的吸脹、破皮和露白種子數(shù)量為研究指標，進行不同種群萌發(fā)關(guān)鍵期特征的比較。試驗設(shè)置3次重復，每次重復30粒種子，并進行3次相同的試驗。分別記錄各處理在溫水浸種后于培養(yǎng)皿內(nèi)30℃恒溫培養(yǎng)2h種子吸脹數(shù)量、10 h種子破皮數(shù)量，以及20 h種子露白數(shù)量，比較2個種群在各時間節(jié)點形態(tài)指標的數(shù)量差異，進而比較不同苘麻種群的萌發(fā)進程差異。

根據(jù)1.2.1的篩選結(jié)果，從18個苘麻種群中選擇8個種群，每種群設(shè)置5次重復，每次重復50粒種子。采用1.2.1的方法對苘麻種子進行處理，分別記錄各處理種群種子經(jīng)30 0C恒溫培養(yǎng)2h的吸脹數(shù)量、10 h的破皮數(shù)量與20 h的露白數(shù)量，比較不同種群種子萌發(fā)進程中的差異。

1.3數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2013進行處理和繪圖，并采用SPSS 24.0軟件進行統(tǒng)計分析，應用獨立樣本t測驗方法在0. 05水平對兩組數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析，采用Duncan氏新復極差法在0.05水平對多組數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2結(jié)果與分析

2.1苘麻種群的萌發(fā)差異

不同苘麻種群種子的萌發(fā)率呈現(xiàn)顯著差異。種群XJ01、JL04、HLJ01、JL01的萌發(fā)率較高，分別為89. 95%、89. 18%、88.35%、87.77%，它們與除SX01外的其他種群的萌發(fā)率差異均達到顯著水平。萌發(fā)率最低的種群為HB01，其萌發(fā)率僅41. 50%，而其他種群的萌發(fā)率在45.80%～67. 20%之間。不同種群萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)也表現(xiàn)出較大差異，其中種群XJ01、JL04萌發(fā)勢較高，JL01和SX01萌發(fā)勢次之，BJ01萌發(fā)勢最低;種群JL01萌發(fā)指數(shù)最高，HB01萌發(fā)指數(shù)最低。在供試種群中，BJ01和HB02萌發(fā)勢與萌發(fā)指數(shù)較其他種群存在較大差異。其原因是兩種群單日萌發(fā)高峰期較大多數(shù)種群滯后1～2d。NMG01種群萌發(fā)指數(shù)偏低，可能與種子萌發(fā)數(shù)量集中于第3天相關(guān)。結(jié)合不同種群的萌發(fā)率、萌發(fā)勢以及萌發(fā)指數(shù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，綜合萌發(fā)能力較優(yōu)種群有XJ01、JL04、JL01，綜合萌發(fā)能力較差種群有HB01、BJ01（表2）。

2.2苘麻種群萌發(fā)關(guān)鍵期指標分析

2.2.1苘麻種群的萌發(fā)進程比較

苘麻種子經(jīng)60℃溫水處理30min后，在30℃恒溫培養(yǎng)條件下0～2 h為快速吸水期，種子基本達到萌發(fā)所需水分;2～10 h為緩慢吸水期，種子吸水緩慢并逐漸趨于飽和狀態(tài)。培養(yǎng)10 h左右出現(xiàn)種皮破裂現(xiàn)象，且隨著培養(yǎng)時間延長，破皮的苘麻種子數(shù)量不斷增加。在恒溫培養(yǎng)的第20 h左右，出現(xiàn)胚根頂破并伸出胚乳帽，隨著時間推移胚根不斷伸長，直至種子完成萌發(fā)。

種群JL01吸脹數(shù)量是種群HB01的1.37倍，且3次平行試驗中兩種群均存在顯著差異。10 h JL01種群種子破皮數(shù)量是HB01種群1.76倍，兩種群存在顯著差異。20 h JL01種群露白種子數(shù)量是HB01種群2. 96倍，在此時間節(jié)點，兩種群種子露白數(shù)量差異顯著（表3）。兩種群萌發(fā)進程指標均表現(xiàn)出顯著差異，說明其種子在休眠萌發(fā)特性上具有較大差別。

2.2.2不同苘麻種群種子的吸脹

供試的8個苘麻種群2h平均吸脹數(shù)量為40.0粒，平均吸脹率為80%。種群JL01吸脹數(shù)量最多，達到47.8粒（吸脹率95. 6%），與種群LN01、HB01和NMG01差異均達到顯著水平，而種群LN01、HB01和NMG01間不存在顯著差異。種群I.N01吸脹數(shù)最少，為38.6粒（圖1）。

2.2.3不同苘麻種群種子的破皮

供試的8個種群在10 h平均破皮種子數(shù)量為26.5粒，破皮率在42%～76%之間，呈現(xiàn)較大波動（圖1）。其中種群JL01破皮數(shù)量最多，為37.9粒（破皮率76%），與其他種群差異顯著;種群HB01破皮數(shù)量最少，為21.0粒（破皮率42%），與JL01種群相差16.9粒，并與破皮率較高的種群JL01、NMG01以及HLJ01差異顯著。

2.2.4不同苘麻種群種子的露白

8個供試苘麻種群在20 h露白數(shù)量呈現(xiàn)較大的差異（圖1），其中種群JL01露白數(shù)量為31.2粒，種群LN01最少，為6.4粒，種群露白率在12.8%～62.4%之間。統(tǒng)計分析結(jié)果表明，種群JL01露白種子31.2粒（露白率62.4%）與LN01種群6.4粒（露白率12. 8%）相差24.8粒，且種群JL01與其他種群種子露白率差異顯著。除JL01和LN01外，其余種群種子露白率在30%左右。

3討論

種子萌發(fā)進程中，吸脹階段是最初也是最重要的階段。通過60℃溫水浸種30 min后恒溫培養(yǎng)，不同苘麻種群表現(xiàn)出吸脹數(shù)量差異，未能完成吸脹的種子保持堅硬休眠狀態(tài)。常青山等通過吸水率試驗表明，苘麻種皮極大地阻礙了種子的萌發(fā)吸水，即苘麻存在較強的物理休眠。溫水浸種能夠軟化種皮，增加厚實種皮的吸水吸脹能力，稀釋萌發(fā)抑制物。常青山等研究發(fā)現(xiàn)苘麻種子在清水中的萌發(fā)率極低，只有5.33%，經(jīng)60℃溫水處理后種子萌發(fā)率達56. 00%，萌發(fā)率得到顯著提高。生長環(huán)境能夠影響苘麻種子的種皮厚度進而影響種子的休眠與萌發(fā)，可能是不同環(huán)境條件使苘麻植株生長的營養(yǎng)狀況不同，導致種子形成過程中種皮發(fā)育所需的資源分配不均衡。因此，生產(chǎn)中要根據(jù)苘麻種子的休眠狀況因地制宜地制定其防控措施，科學高效地將苘麻危害降低到經(jīng)濟閾值以下。

苘麻種子經(jīng)60℃溫水浸種30min后，于30℃恒溫培養(yǎng)0～2 h為快速吸水期，含水量基本滿足萌發(fā)需求。在恒溫培養(yǎng)2～20 h階段，苘麻種子進入吸水緩慢期，此時段種子進行胚中細胞器活化、酶代謝增強、大分子物質(zhì)水解等生命活動。同時，胚乳在各種細胞壁修飾基因及其表達產(chǎn)物調(diào)控作用下逐漸弱化，致使胚乳帽降解。吸脹、破皮是苘麻種子內(nèi)部各種生化反應的外部宏觀表現(xiàn)，苘麻種群JL01和HB01在2h吸脹和10 h破皮種子數(shù)量存在顯著差異，表明種子內(nèi)部新陳代謝不同。兩種群在20 h露白種子數(shù)量的顯著差異，表明胚乳帽弱化相關(guān)基因在兩種群的露白之前可能出現(xiàn)差異化表達，進而產(chǎn)生不同的表型。吸脹、破皮與露白是種子萌發(fā)進程的重要標志，不同種群吸脹、破皮、露白率可以衡量種群的休眠與萌發(fā)狀況。苘麻種群JL01和HB01在各時間節(jié)點的萌發(fā)指標顯著性差異的原因，有待后續(xù)研究。基于8個供試苘麻種群的萌發(fā)指標，苘麻各種群吸脹與破皮種子數(shù)量變化趨勢基本一致，說明吸脹較大程度影響種子破皮。溫水浸種后，供試的8個苘麻種群破皮與露白數(shù)量表現(xiàn)出的顯著差異，表明其種子并非只有物理休眠，該結(jié)果與常青山等的研究一致。常青山等認為苘麻種子種仁中存在內(nèi)源抑制物質(zhì)，但并未就內(nèi)源抑制物質(zhì)開展深入研究。不同苘麻種群的萌發(fā)進程差異，有可能是種子萌發(fā)進程中某些基因在不同種群中差異化表達的結(jié)果。

綜上所述，不同種群的苘麻種子存在較大的休眠萌發(fā)差異，其原因可能與種子成熟時受母體環(huán)境因子影響，調(diào)控休眠和萌發(fā)的相關(guān)基因出現(xiàn)差異化表達有關(guān)，后續(xù)將繼續(xù)深入研究，以期進一步揭示苘麻種子休眠萌發(fā)的內(nèi)在分子機理，為農(nóng)田苘麻的區(qū)域化防控提供科學、精準的指導。