不同溫度條件下水分和鹽分脅迫對畫眉草種子萌發(fā)的影響

萬琪，葉耘伶，唐麗，黃偉，紀(jì)佳怡，馮亞亭，駱凱，張瑞

（1. 海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院，海南 ?？?570228；2. 海南大學(xué)檔案館，海南 海口 570228）

畫眉草（Eragrostis pilosa），是禾本科畫眉草屬一年生暖季型草本植物，廣泛分布于熱帶和溫帶地區(qū)［1］。該草具有抗旱、抗病、耐高溫、耐瘠薄、耐粗放管理以及冬季無防護(hù)可越冬等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于園林綠化、固土護(hù)坡等［2-3］。因其分蘗能力強(qiáng)，生長迅速，極易形成較密集的植被覆蓋層，通常作為防風(fēng)固沙以及水土保持的優(yōu)選草種之一［4］。

種子萌發(fā)是高等植物生命周期中最為關(guān)鍵的階段，易受到多種外界環(huán)境因子的綜合影響，如光照、溫度、水分、鹽分等［5-6］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國干旱及半干旱土地面積超過國土面積的50%，鹽堿地面積約有1 億hm2，約占全國土地面積的10%［7］，嚴(yán)重影響了我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設(shè)［8］。加之，全球氣候變暖已成為人類的共識。有研究表明種子萌發(fā)對水分和鹽分脅迫的響應(yīng)與萌發(fā)溫度密切相關(guān)，如5 ℃/28 ℃下，NaCl 溶液對羊草（Leymus chinensis）種子萌發(fā)抑制作用最小，而在5 ℃/35 ℃下，對羊草種子萌發(fā)的抑制作用最大［9］。歪頭菜（Vicia unijuga）種子萌發(fā)的抗旱性（基礎(chǔ)水勢值，Ψb）隨溫度的升高呈先升后降的趨勢，20 ℃條件下種子發(fā)芽的Ψb最低，為-1.27 MPa［10］。在鹽脅迫條件下，低溫（10~20 ℃）對小麥（Triticum aestivum）種子萌發(fā)抑制效應(yīng)最強(qiáng)［11］。此外，相比高溫條件（25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃），低溫（15 ℃/5 ℃）顯著（P<0.05）降低甜高粱（Sorghum bicolor）種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢［12］。截至目前，圍繞畫眉草種子萌發(fā)的研究已有許多［4，13-14］，但關(guān)于溫度與水分或鹽分互作及種子萌發(fā)相應(yīng)參數(shù)報(bào)道較少。此外，相比大粒種子來說，畫眉草種子較小，前期建植困難。探究畫眉草種子萌發(fā)對環(huán)境因子如溫度、水分、鹽分等的需求，對于尋求畫眉草最佳建植方法和深入了解該物種的生態(tài)適應(yīng)性具有重要意義。

基于此，本研究在不同溫度條件下探究水分脅迫（PEG?6000）和鹽分脅迫（NaCl）對畫眉草種子萌發(fā)的影響，應(yīng)用水勢模型預(yù)測不同溫度條件下畫眉草種子萌發(fā)抗旱和耐鹽能力，為畫眉草在干旱、鹽堿地區(qū)成功建植和推廣提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試畫眉草種子購自北京百斯特草業(yè)有限公司（原產(chǎn)地為美國），于4 ℃條件下儲藏備用。種子萌發(fā)試驗(yàn)于2021年6~8月在海南大學(xué)海甸校區(qū)進(jìn)行，種子千粒重為（0.3985 ± 0.0098）g，屬于極小粒種子。挑選籽粒飽滿、大小均一的畫眉草種子進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

根 據(jù)Michel 和Kaufmann［15］的方法及計(jì)算公式，分別設(shè)置0（CK）、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8 MPa 的PEG-6000 溶 液 和0（CK）、-0.25、-0.75、-1.25 MPa 的NaCl 溶液。采用紙上萌發(fā)法（TP 法）在25、30、35 和40 ℃4 個恒溫條件下進(jìn)行。分別在25、30、35和40 ℃恒溫條件下進(jìn)行水分和鹽脅迫試驗(yàn)。將種子整齊放置于直徑為9 cm 的培養(yǎng)皿，分別加入4 mL 不同濃度的PEG?6000 和NaCl 溶液，將培養(yǎng)皿分別置于相應(yīng)溫度條件的恒溫人工培養(yǎng)箱，12 h 光照/12 h 黑暗，濕度80%。每個處理4 次重復(fù)，每個重復(fù)50 粒種子。試驗(yàn)期間，為確保培養(yǎng)皿內(nèi)溶液濃度相對恒定，用封口膜封口以防止水分蒸發(fā)，且每2 天更換1 次溶液。以胚根突破種皮作為判斷種子萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)束期以統(tǒng)計(jì)14 d 以上且所有處理連續(xù)3 d 不再有新萌發(fā)種子出現(xiàn)為準(zhǔn)。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算種子最終萌發(fā)率（Germination percentage）和萌發(fā)速率（Germina?tion rate）。第7 天測定幼苗胚根長和胚芽長，每重復(fù)測定10 株，計(jì)算其平均值。

種子最終萌發(fā)率=發(fā)芽終期全部正常幼苗數(shù)/供試種子數(shù)×100%

萌發(fā)速率＝1/t50，t50指運(yùn)用Germinator 軟件包計(jì)算種子萌發(fā)數(shù)達(dá)到非硬實(shí)種子的50%所需的天數(shù)。

1.3 水勢模型計(jì)算方法

根據(jù)水勢模型描述種子萌發(fā)對水勢的響應(yīng)：

式中：θH為水勢常數(shù)（MPa·h），表示達(dá)到發(fā)芽率g所需的累計(jì)水勢，ψ表示環(huán)境水勢，ψb（g）表示當(dāng)發(fā)芽率達(dá)到g 時的基本水勢或理論閾值，tg表示當(dāng)發(fā)芽率達(dá)到g 時所需的發(fā)芽時間（h）。

通過重復(fù)概率單位回歸分析（Repeated Probit）計(jì)算獲得種子萌發(fā)的基礎(chǔ)水勢，水勢時間值帶入間隔為0.1 MPa/h，直到所獲回歸方程殘差均方最小，根據(jù)上式計(jì)算水勢時間累積值。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 20.0 軟件，制圖采用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。應(yīng)用方差分析（ANOVA）檢驗(yàn)各處理對測定參數(shù)的效應(yīng)，若效應(yīng)顯著，采用Duncan 多重比較法比較各處理間的均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度條件下畫眉草種子萌發(fā)對水分和鹽分脅迫的響應(yīng)

雙因素方差分析結(jié)果表明，溫度、水分及兩者互作極顯著（P<0.01）影響畫眉草的萌發(fā)率和萌發(fā)速率。除溫度和鹽分互作不顯著影響畫眉草種子萌發(fā)率外，溫度、鹽分及兩者互作均極顯著（P<0.01）影響畫眉草的萌發(fā)率和萌發(fā)速率（表1）。

表1 溫度、水分/鹽分及其互作的畫眉草種子萌發(fā)率和萌發(fā)速率方差分析Table 1 Two?way ANOVA for the effects of temperature，water stress/salt stress and their interaction on seed germina?tion percentage and rate ofE. pilosa

畫眉草種子萌發(fā)率和萌發(fā)速率均隨水分和鹽分脅迫程度的增加呈下降趨勢，且下降幅度因溫度不同而異（表2）。水分脅迫條件下，在0、-0.2 和-0.4 MPa 下，畫眉草種子萌發(fā)率在30、35 和40 ℃之間無顯著差異，但均顯著高于25 ℃（P<0.05）；而在-0.6和-0.8 MPa 下，30 ℃條件下種子萌發(fā)率最高，顯著高于25 ℃和40 ℃；鹽分脅迫條件下，在-0.25、-0.75和-1.25 MPa 下，畫眉草種子萌發(fā)率在30、35 和40 ℃之間無顯著差異，但均顯著高于25 ℃。

表2 不同溫度條件下水分和鹽分脅迫畫眉草種子的萌發(fā)率和萌發(fā)速率Table 2 Effects of water stress and salt stress on seed germination and germination rate（1/t50）ofE. pilosaunder different temperatures

水分脅迫條件下，在0、-0.2 和-0.4 MPa 下，畫眉草種子萌發(fā)速率在30、35 和40 ℃均高于或顯著高于25 ℃（P<0.05）；在-0.6 MPa 下，30 ℃條件下的萌發(fā)速率顯著高于其他溫度條件下。鹽分脅迫條件下，在0、-0.25 MPa 下，畫眉草種子的萌發(fā)速率在30、35和40 ℃均顯著高于25 ℃，且35 ℃條件下種子的萌發(fā)速率最快；而在-0.75 和-1.25 MPa 下，各溫度條件下的萌發(fā)速率無顯著差異。

隨水分和鹽分脅迫的增加，畫眉草幼苗生長整體上表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制（圖1）。同一水分脅迫條件下，胚芽長隨溫度的升高而降低，而胚根長則呈先增加后減小的趨勢。其中，除-0.6 MPa 條件下，幼苗胚根長表現(xiàn)為35 ℃顯著（P< 0.05）高于30 ℃外，其他水分條件下，30 ℃時畫眉草幼苗生長均表現(xiàn)最佳。當(dāng)水分脅迫達(dá)-0.8 MPa 時，30 ℃條件下幼苗胚芽長和胚根長分別為0.4 cm 和3.4 cm，而當(dāng)溫度達(dá)40 ℃時，幼苗不生長。同一鹽分脅迫條件下，胚根長隨溫度的升高呈先增加后減小趨勢，且在30 ℃時幼苗生長表現(xiàn)最佳，在-0.75 MPa 下，30 ℃條件下幼苗胚芽長和胚根長分別為1.1、2.7 cm。

圖1 不同溫度條件下水分和鹽分脅迫畫眉草幼苗的胚芽長和胚根長Figure 1 Effect of water stress and salt stress on growth of seedling shoot and root ofE. pilosaunder different temperatures

2.2 基于Probit 分析估計(jì)不同溫度條件下畫眉草種子萌發(fā)基礎(chǔ)水勢

由重復(fù)Probit 回歸分析獲得畫眉草種子萌發(fā)的基礎(chǔ)水勢值（ψb（50））隨溫度的升高呈先降低后升高的趨勢。水分脅迫條件下，種子萌發(fā)所需的基礎(chǔ)水勢值表現(xiàn)為25 ℃>40 ℃>35 ℃>30 ℃，其中以30 ℃處理最低，為-0.75 MPa，表明在30 ℃條件下有利于畫眉草種子在干旱環(huán)境下萌發(fā)。鹽分脅迫條件下，種子萌發(fā)所需的基礎(chǔ)水勢值表現(xiàn)為25 ℃>30 ℃>40 ℃>35 ℃，其中以35 ℃時最低，為-0.78 MPa，表明在35 ℃條件下有利于其在鹽堿環(huán)境萌發(fā)。此外，水分脅迫條件下畫眉草種子萌發(fā)所需的θH值隨溫度升高呈下降趨勢，具體表現(xiàn)為25 ℃（16.5）>30 ℃（15.5）>35 ℃（9.0）>40 ℃（6.5），而鹽分脅迫條件下θH值則隨溫度升高而增加，具體表現(xiàn)為25 ℃（3.0）<30 ℃（5.0）<35 ℃（7.0）=40 ℃（7.0）（表3）。

表3 基于重復(fù)Probit 回歸估計(jì)不同溫度條件下畫眉草種子萌發(fā)的基礎(chǔ)水勢Table 3 Estimation of water potential value based on repeated probit analysis ofE. pilosaunder different temperatures

3 討論

溫度是影響種子萌發(fā)的關(guān)鍵環(huán)境因子，通過改變種子萌發(fā)過程中膜的通透性、膜結(jié)合蛋白能力以及影響種子內(nèi)部的酶活性和物質(zhì)代謝，進(jìn)而影響種子萌發(fā)及幼苗生長［16-19］。本研究發(fā)現(xiàn)25 ℃顯著降低畫眉草種子萌發(fā)率，而40 ℃雖促進(jìn)畫眉草種子的萌發(fā)，卻抑制幼苗生長，與馬亞杰等［20］關(guān)于環(huán)境因素對牛筋草種子萌發(fā)的影響結(jié)果相似，這可能是由于高溫雖能促進(jìn)種子萌發(fā)，但溫度過高導(dǎo)致后期幼苗生長過程中蒸騰加劇、氣孔關(guān)閉，造成光合作用減弱，進(jìn)而減緩或抑制幼苗生長。此外，畫眉草種子萌發(fā)率和萌發(fā)速率隨水分和鹽分脅迫的增加呈下降趨勢，這與齊淑艷等［21］關(guān)于入侵植物牛膝菊（Galinsoga parviflora）種子、黃勇等［22］對石竹（Dianthus chinensis）種子、王景瑞等［23］對干旱荒漠區(qū)4 種一年生植物種子及徐曼等［24］對長穗偃麥草（Elytrigia elongate）種子萌發(fā)的研究結(jié)果相似。

種子萌發(fā)是種子對逆境脅迫最為敏感的時期，在干旱或鹽堿環(huán)境下，溫度過高或過低對種子造成的傷害或?qū)ΨN子萌發(fā)的抑制作用更大［11］。當(dāng)水分脅迫低于-0.6 MPa 時，在25、35 和40 ℃溫度條件下畫眉草種子萌發(fā)率顯著（P<0.05）低于30 ℃條件下，且在30 ℃條件下種子萌發(fā)的基礎(chǔ)水勢最低，為-0.75 MPa，表明在30 ℃條件下畫眉草種子萌發(fā)時對干旱脅迫的耐受性最強(qiáng)，較低溫度或較高溫度降低了畫眉草種子萌發(fā)時的耐旱性。唐偉等［10］研究發(fā)現(xiàn)，在較低水勢（-1.0~-0.6 MPa）條件下，20 ℃時歪頭菜種子萌發(fā)和幼苗生長顯著（P<0.05）高于15 ℃和25 ℃，表明適宜的萌發(fā)溫度能夠一定程度緩解水分脅迫對種子萌發(fā)的抑制作用。此外，畫眉草種子萌發(fā)的耐鹽性在不同溫度條件下表現(xiàn)各異，特別是低溫顯著（P<0.05）降低了其萌發(fā)階段的耐鹽性，與雷春英等［25］對瀕危植物鹽樺（Belula halophila）的研究結(jié)果相似。王志恒等［12］發(fā)現(xiàn)，隨鹽分脅迫增加，低溫（15 ℃/5 ℃）對甜高粱（Sorghum bicolor）種子萌發(fā)的抑制作用較高溫（25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃）更大。藺吉祥等［11］研究也表明，隨鹽分脅迫增加，低溫條件下（10~20 ℃）小麥種子的萌發(fā)率顯著（P<0.05）低于15~25 ℃，而高溫25~35 ℃則與15~25 ℃無顯著（P>0.05）差異。與上述研究結(jié)果一致，低溫（25 ℃）和高鹽（-1.25 MPa）雙重脅迫對畫眉草種子萌發(fā)抑制作用更強(qiáng)，而在較高溫度條件下有利于種子在鹽脅迫環(huán)境順利萌發(fā)，究其原因可能是在低溫條件下，種子吸水難度增加，抗氧化物酶活性降低，胚的生長受到抑制，且種子在低溫環(huán)境下容易被誘導(dǎo)休眠，一定程度上降低了種子萌發(fā)的耐鹽性［26］。

水 勢 模 型（hydrotime model）是 由Gummerson［27］提出，用于描述萌發(fā)速度與水勢梯度之間的關(guān)系，用以預(yù)測脅迫條件下種子的萌發(fā)策略。本研究發(fā)現(xiàn)，畫眉草種子萌發(fā)的基礎(chǔ)水勢值（ψb（50））隨溫度的升高呈先降低后升高的趨勢，表明適宜的溫度條件能夠降低種子萌發(fā)對水分的需求。此外，相同溫度條件下畫眉草種子萌發(fā)對水分的需求即基礎(chǔ)水勢值因脅迫類型不同而存在差異，這可能是由于PEG 處理對種子萌發(fā)的抑制作用主要?dú)w因于滲透效應(yīng)，而NaCl 處理除滲透效應(yīng)外還存在離子效應(yīng)等［28］。本研究結(jié)果表明，水勢為-0.2 MPa PEG 處理?xiàng)l件下，畫眉草種子的萌發(fā)率和萌發(fā)速率在不同溫度條件下均低于-0.25 MPa NaCl，說明在高滲環(huán)境下水分脅迫對種子萌發(fā)的抑制作用大于鹽分脅迫，與張紫薇等［29］對藜麥（Chenopo?dium quinoa）種 子 和張 紅 香等［28］對 大 麥（Hordeum vulgare）種子的研究結(jié)果一致，究其原因可能是種子在NaCl 脅迫下能夠從溶液中吸收少量的無機(jī)離子以增加細(xì)胞溶液濃度來進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，而PEG 是大分子物質(zhì)，不能自由進(jìn)入細(xì)胞從而使種子內(nèi)部形成較低的水勢，因而萌發(fā)抑制作用更強(qiáng)［30］。

4 結(jié)論

水分、鹽分脅迫及其與溫度交互作用顯著影響畫眉草種子萌發(fā)和幼苗生長，25 ℃抑制種子萌發(fā)，而40 ℃雖能促進(jìn)種子萌發(fā)，但卻抑制其幼苗生長。隨水分和鹽分脅迫強(qiáng)度的增加，畫眉草種子的萌發(fā)率和萌發(fā)速率均呈降低趨勢，其中，低溫是影響種子萌發(fā)抗旱性的主要因素，而高溫加劇了鹽分脅迫對種子的傷害。