青藏高原高寒草甸六種雜類草植物種子萌發(fā)期抗旱性研究

張春輝，馬 真，任彥梅，武 林，姚步青，黃小濤，馬 麗，郭 婧，周華坤

(1.青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016； 2. 中國科學(xué)院西北高原生物研究所青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008； 3. 中國科學(xué)院高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008；4. 青海省社會(huì)科學(xué)院，生態(tài)環(huán)境研究所，青海 西寧 810000)

種子的產(chǎn)生代表著一段生活史的結(jié)束，也預(yù)示著新的生活史的開始。對(duì)于很多植物來說，有機(jī)會(huì)萌發(fā)的種子只是自身產(chǎn)生種子中很少的一部分，而這僅有的一部分種子在萌發(fā)過程中會(huì)受到各種環(huán)境因素的影響(光照、水分、溫度等)[1-3]。種子在面對(duì)這些不確定環(huán)境因子時(shí)的萌發(fā)策略，決定著它后續(xù)的成功與否。

干旱是植物整個(gè)生活史中都必須要面對(duì)的一個(gè)重要問題[4-5]，而種子萌發(fā)階段作為生活史的開始，對(duì)干旱的響應(yīng)尤其敏感而關(guān)鍵。該階段的抗旱性直接影響著物種的建植、種群的擴(kuò)張，以及群落結(jié)構(gòu)。研究認(rèn)為，植物種子的萌發(fā)率通常會(huì)隨著干旱脅迫程度的加劇而降低[6-7]。聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)是一種親水性物質(zhì)，因無法透過細(xì)胞壁而對(duì)種子沒有傷害，通常被用來模擬自然干旱脅迫從而研究植物萌發(fā)期抗旱性[8-9]。

種子大小是植物的關(guān)鍵性狀之一，也是它的生活史中第一個(gè)起決定性作用的性狀。不同的種子大小代表了種子內(nèi)部儲(chǔ)存營養(yǎng)物質(zhì)的含量，而種子儲(chǔ)存營養(yǎng)物質(zhì)的含量決定了它在逆境條件下的耐受力[10]。對(duì)植物種群內(nèi)不同大小種子的萌發(fā)研究中發(fā)現(xiàn)，逆境條件下，大種子比小種子具有更強(qiáng)的耐受性[11]。在對(duì)干旱脅迫下文冠果種子大小和萌發(fā)關(guān)系的研究中發(fā)現(xiàn)，高濃度PEG脅迫下，大種子萌發(fā)率比小種子高[12]。對(duì)干旱脅迫下的側(cè)柏種子萌發(fā)研究中同樣發(fā)現(xiàn)，大種子比小種子更具有優(yōu)勢[13]。種子大小和萌發(fā)干旱耐受性關(guān)系的研究多基于物種種內(nèi)的種子大小變異，而在不同物種間種子大小和萌發(fā)干旱耐受性的關(guān)系研究較少。研究物種間種子大小和萌發(fā)干旱耐受性的關(guān)系對(duì)于抗旱物種的篩選具有重要的意義。種子相關(guān)的其它性狀和干旱耐受性關(guān)系的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

高寒草甸廣泛分布于青藏高原，是青藏高原最為主要的植被類型[14]。青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)有著較高的生物多樣性[15]。但在土地利用和氣候變化的選擇壓力下，高寒草甸面臨著前所未有的挑戰(zhàn)[16]。種子資源是退化草地恢復(fù)的重要保障[17]。對(duì)干旱脅迫下種子抗逆性的研究，可以為退化草地恢復(fù)的種質(zhì)資源利用和保護(hù)提供理論依據(jù)。

雜類草植物作為高寒草甸植物群落中不可或缺的一部分，是高寒草甸主要的功能群之一[18]。雜類草植物分布較廣，且種子產(chǎn)量較高，是構(gòu)建人工群落時(shí)物種收集和選取的優(yōu)良材料。由此我們選擇了高寒草甸常見的六種雜類草植物種子，對(duì)其不同干旱脅迫強(qiáng)度下的抗旱性進(jìn)行了研究，以期明晰干旱脅迫下種子相關(guān)性狀和干旱耐受性的關(guān)系，為退化草地恢復(fù)中抗旱物種的篩選提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)所需植物種子采集于青藏高原東北部(37°29′～37°45′ N，101°12′～101°23′ E，海拔3 200 m)的青海省海北州門源縣境內(nèi)的中國科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位站。該區(qū)年降水量為561 mm，主要分布于6—9月；年均溫0.8℃，屬于典型的高原大陸性氣候。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)種子采集及前處理 試驗(yàn)材料于種子成熟期(8—9月)采集，每一物種選取3個(gè)以上種群，每一種群隨機(jī)選取 20株以上的植株。將采集后的種子帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行去皮去雜等處理，將處理完成的種子放于野外(種子采集地)，次年春季取回后進(jìn)行試驗(yàn)。具體物種見表1。

表1 六種雜類草植物物種名及種子大小Table 1 Species names and seed sizes of six weed species

1.2.2PEG干旱脅迫試驗(yàn) 試驗(yàn)使用不同濃度的聚乙二醇溶液模擬不同程度的干旱。選擇飽滿、健康種子進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，每個(gè)物種四個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)25粒種子。根據(jù)前期研究經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合當(dāng)前的研究方法，選取了0%(對(duì)照)，10%，20%三個(gè)PEG濃度。種子放于鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，分別加入適量PEG溶液。萌發(fā)試驗(yàn)在培養(yǎng)箱(溫度15～20℃，黑暗/光照：10 h/14 h)內(nèi)進(jìn)行，每3天更換一次濾紙和溶液，以維持溶液水勢不變。以胚芽長度為種子長度的1/2作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，從種子置于培養(yǎng)皿第二日開始每天記錄發(fā)芽種子數(shù)，連續(xù)7天培養(yǎng)皿內(nèi)沒有發(fā)芽種子視為萌發(fā)結(jié)束。

1.2.3種子大小測定 隨機(jī)選取飽滿健康的種子進(jìn)行試驗(yàn)，并用萬分之一的電子天平稱量每種植物種子的百粒重，重復(fù)3次，最后換算成單粒種。每一物種的單粒種子重量作為種子大小。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1萌發(fā)指標(biāo)及計(jì)算方法： 萌發(fā)率(Germination proportion)=(試驗(yàn)結(jié)束時(shí)萌發(fā)的種子總數(shù)/試驗(yàn)處理種子總數(shù))×100%；

萌發(fā)干旱耐受性(Drought tolerance during seed germination)=1-(對(duì)照下的萌發(fā)率-PEG處理的萌發(fā)率)/PEG處理的萌發(fā)率。

萌發(fā)干旱耐受性的取值范圍為0～1，其取值越接近1表明萌發(fā)干旱耐受性越高，其取值越接近0表明萌發(fā)干旱耐受性越低。

1.3.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法 使用R軟件計(jì)算物種間系統(tǒng)發(fā)育距離。使用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，用T檢驗(yàn)(T test)檢驗(yàn)顯著性水平，應(yīng)用一般線性回歸檢驗(yàn)種子大小和萌發(fā)率與萌發(fā)干旱耐受性的回歸關(guān)系以及物種間系統(tǒng)發(fā)育距離和萌發(fā)干旱耐受性差異的回歸關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 六種雜類草植物在不同干旱脅迫強(qiáng)度下的萌發(fā)率

2.1.1六種雜類草植物種間萌發(fā)率 六種雜類草植物萌發(fā)率在對(duì)照條件下，10% PEG干旱脅迫下，20% PEG干旱脅迫下差異均顯著(P<0.05，圖1)。

對(duì)照條件下，萌發(fā)率在75%～100%的物種有三個(gè)，萌發(fā)率最高的物種為尼泊爾蠅子草(Silenenepalensis)，對(duì)照條件下萌發(fā)率為97.96%；其次為天藍(lán)韭(Alliumcyaneum)，萌發(fā)率為83.50%，兩者萌發(fā)率差異不顯著；藍(lán)翠雀花(Delphiniumcaeruleum)萌發(fā)率為75.56%，顯著低于尼泊爾蠅子草(P<0.05)。萌發(fā)率在50%～75%的物種為蓬子菜(Galiumverum)(萌發(fā)率為68.35%)。萌發(fā)率在25%～50%的物種為青海當(dāng)歸(Angelicanitida)(萌發(fā)率為40.38%)。萌發(fā)率在0～25%的物種為半抱莖葶藶(Drabasubamplexicaulis)(萌發(fā)率為20.10%)，顯著低于其它5個(gè)物種(P<0.05，圖1a)。

10% PEG干旱脅迫下，萌發(fā)率在50%～75%的物種有天藍(lán)韭(萌發(fā)率為72.62%)，尼泊爾蠅子草(萌發(fā)率為63.37%)，藍(lán)翠雀花(萌發(fā)率為59.83%)。萌發(fā)率在25%～50%的物種為蓬子菜(萌發(fā)率為40.83%)。萌發(fā)率在0～25%之間的物種為青海當(dāng)歸(萌發(fā)率為24.00%)和半抱莖葶藶(萌發(fā)率為3.13%)，在該處理?xiàng)l件下半抱莖葶藶萌發(fā)率顯著低于其他5個(gè)物種(P<0.05，圖1b)。

20% PEG干旱脅迫下，各物種萌發(fā)率均在0～25%之間。萌發(fā)率最高的物種為尼泊爾蠅子草，萌發(fā)率為20.12%，顯著高于其它5個(gè)物種(P<0.05)。其余物種萌發(fā)率均低于10%，其中天藍(lán)韭萌發(fā)率為6.94%，藍(lán)翠雀花萌發(fā)率為6.25%，蓬子菜萌發(fā)率1.14%，3個(gè)物種萌發(fā)率差異不顯著。完全不萌發(fā)的物種有青海當(dāng)歸和半抱莖葶藶，萌發(fā)率均為0(圖1c)。

圖1 六種雜類草植物種間萌發(fā)率比較Fig.1 Comparison of germination rates of six forbs species注：不同小寫字母代表不同物種間萌發(fā)率差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters showed significant differences among different species at the 0.05 level

2.1.2六種雜類草植物種子萌發(fā)率對(duì)PEG干旱脅迫的響應(yīng) 六種雜類草植物萌發(fā)率在三種處理間均差異顯著的物種為尼泊爾蠅子草和蓬子菜。尼泊爾蠅子草為對(duì)照條件下萌發(fā)率最高的物種，萌發(fā)率為97.96%；10%PEG干旱脅迫下萌發(fā)率為63.37%；20%PEG干旱脅迫下萌發(fā)率為20.12%，三種處理間差異顯著(P<0.01)(圖2f)。蓬子菜對(duì)照條件下萌發(fā)率為68.35%；10%PEG干旱脅迫下萌發(fā)率為40.83%；20%PEG干旱脅迫下萌發(fā)率為1.14%，三種處理間差異顯著(P<0.01)(圖2e)。

三種雜類草植物在10%PEG濃度下的萌發(fā)率顯著低于對(duì)照。除了蓬子菜和尼泊爾蠅子草，還有半抱莖葶藶。半抱莖葶藶為對(duì)照條件下萌發(fā)率最低的物種，對(duì)照條件下萌發(fā)率為20.10%；10%PEG干旱脅迫下萌發(fā)率為3.13%；20%PEG干旱脅迫下萌發(fā)率為0，三種處理間差異顯著(P<0.01)(圖2d)。

所有物種在20%PEG濃度下的萌發(fā)率都顯著低于對(duì)照(圖2)。除半抱莖葶藶，其它5個(gè)物種在20%PEG濃度下的萌發(fā)率都顯著低于10%PEG濃度(P<0.05)。

圖2 六種雜類草植物種子萌發(fā)率對(duì)PEG干旱脅迫的響應(yīng)Fig.2 Response of seed germination proportion of six forbs to PEG treatment注：不同小寫字母代表不同PEG濃度萌發(fā)率差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters showed significant differences of seed germination among PEG treatment at the 0.05 level

2.2 種子性狀和萌發(fā)干旱耐受性關(guān)系研究

種子大小和萌發(fā)干旱耐受性呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系(P=0.015；R2=0.809)，隨著種子質(zhì)量的增加，種子的抗旱性增加(圖3a)，半抱莖葶藶種子對(duì)干旱脅迫的耐受性最低，種子質(zhì)量為0.04 mg；青海當(dāng)歸種子對(duì)干旱脅迫的耐受性最高，種子重量為1.71 mg。

六種不同大小的雜類草植物種子初始萌發(fā)率差異顯著(圖1a)，尼泊爾蠅子草對(duì)照條件下萌發(fā)率為97.96%，而半抱莖葶藶萌發(fā)率僅為20.10%，反映了這些物種具有不同程度的休眠。然而種子萌發(fā)率(即休眠程度)和萌發(fā)干旱耐受性沒有顯著回歸關(guān)系(P=0.148,圖3b)。

圖3 種子性狀和萌發(fā)干旱耐受性回歸圖Fig.3 Relationship between seed traits and drought tolerance during germination

2.3 系統(tǒng)發(fā)育和萌發(fā)干旱耐受性關(guān)系研究

結(jié)果表明物種間系統(tǒng)發(fā)育距離和萌發(fā)干旱耐受性沒有顯著回歸關(guān)系(P=0.887,圖4)，這說明系統(tǒng)進(jìn)化對(duì)六種物種間萌發(fā)干旱耐受性分化沒有影響。

圖4 物種間系統(tǒng)發(fā)育距離和萌發(fā)干旱耐受性差異的回歸圖Fig.4 Relationship between phylogenetic distance and differences of drought tolerance during seed germination between species

3 討論

種子萌發(fā)階段是植物生活史的重要階段，而種子萌發(fā)階段的抗旱性強(qiáng)弱是影響該階段成功與否的重要因子。研究結(jié)果表明，不同濃度的PEG干旱脅迫對(duì)六種高寒草甸雜類草植物種子的萌發(fā)都具有一定的抑制作用。種子的萌發(fā)率隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加而下降，這與相關(guān)的研究結(jié)果一致[19-20]。較低濃度PEG(10%)干旱脅迫處理下，天藍(lán)韭、藍(lán)翠雀花、青海當(dāng)歸雖然有下降趨勢，但與對(duì)照差異不顯著，這三個(gè)物種可能對(duì)該程度的干旱脅迫有一定的耐受性；而半抱莖葶藶、蓬子菜、尼泊爾蠅子草與對(duì)照下的萌發(fā)率差異顯著，這幾個(gè)物種的萌發(fā)率在較低PEG干旱脅迫下就發(fā)生了顯著的變化。較高濃度PEG(20%)干旱脅迫處理下，六種雜類草植物種子萌發(fā)率都與對(duì)照差異顯著。其中半抱莖葶藶種子萌發(fā)率下降最多，10%PEG干旱脅迫下降至對(duì)照處理下的1/4，20%PEG干旱脅迫下降至0，該物種對(duì)干旱脅迫最為敏感。

種子大小是植物的關(guān)鍵性狀，決定著種子內(nèi)部儲(chǔ)藏物質(zhì)以及相關(guān)的耐受性。通常來說，質(zhì)量大的種子會(huì)具有更強(qiáng)的耐受性和存活能力[21-22]，而小種子物種在數(shù)量和傳播方式方面更具有優(yōu)勢[23]。本研究結(jié)果表明，種子萌發(fā)階段對(duì)干旱脅迫的耐受性隨著種子質(zhì)量的增加而增加，大種子物種在萌發(fā)階段具有較高的干旱耐受性，而小種子物種的萌發(fā)更容易受到干旱脅迫的影響。半抱莖葶藶種子質(zhì)量為0.04 mg，對(duì)干旱脅迫的耐受性最低，青海當(dāng)歸種子重量為1.71 mg，對(duì)干旱脅迫的耐受性最高。郭有燕和付錦雪對(duì)種群內(nèi)不同大小種子抗旱性的研究中有相似的發(fā)現(xiàn)[12-13]。大種子物種萌發(fā)階段在干旱脅迫或其它逆境條件下的耐受性，部分抵消了小種子的數(shù)量優(yōu)勢，為逆境條件下大種子物種的建植成功提供了機(jī)會(huì)[24]。

六種不同大小的雜類草植物種子初始萌發(fā)率差異顯著，尼泊爾蠅子草對(duì)照條件下萌發(fā)率為97.96%，而半抱莖葶藶萌發(fā)率僅為20.10%，反映了這些物種具有不同程度的休眠。但在不同程度的干旱脅迫下，即使這些物種具有不同程度的休眠，種子大小和萌發(fā)干旱耐受性之間仍保持著顯著正相關(guān)關(guān)系。

一般而言，系統(tǒng)進(jìn)化歷史可以影響物種特性的分化[25]。然而，我們的研究中沒有發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)化歷史影響物種萌發(fā)耐旱性的分化。這可能是因?yàn)槊劝l(fā)耐旱性像其他萌發(fā)特性一樣，有著一定的本地適應(yīng)性或者環(huán)境可塑性[26]，從而導(dǎo)致我們研究的物種間萌發(fā)耐旱性可能出現(xiàn)了趨同化，最終掩蓋了系統(tǒng)進(jìn)化歷史的影響。

4 結(jié)論

不同濃度PEG處理對(duì)六種雜類草植物種子萌發(fā)都有不同程度的抑制作用。隨著PEG濃度的增加，種子的萌發(fā)率呈降低趨勢。其中較低濃度PEG(10%)脅迫處理對(duì)部分植物的種子萌發(fā)具有顯著的抑制作用，而較高濃度的PEG(20%)脅迫處理對(duì)六種雜類草植物種子萌發(fā)均有顯著的抑制作用。種子大小和干旱耐受性正相關(guān)，隨著種子質(zhì)量的增加，種子萌發(fā)階段的抗旱性增加；而萌發(fā)率和系統(tǒng)發(fā)育距離與萌發(fā)干旱耐受性沒有顯著相關(guān)性。綜上，可以優(yōu)先考慮大種子物種作為退化草地恢復(fù)中抗旱物種。