沿降雨梯度的檸條錦雞兒種子萌發(fā)的跨代可塑性研究

袁家梁, 趙麗敏, 李秧秧

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.內(nèi)蒙古卓資縣林業(yè)和草原局, 內(nèi)蒙古 卓資 012300; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所, 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

跨代可塑性(Transgenerational plasticity)是指當(dāng)父母代所經(jīng)歷的環(huán)境影響他們后代的表型[1]。跨代可塑性可能增加或降低后代的適應(yīng)性,適應(yīng)性跨代可塑性可能在植物適應(yīng)不同類型壓力和環(huán)境中起著十分重要的作用[2-3]。目前關(guān)于跨代可塑性的研究主要集中在環(huán)境信號(高溫、干旱、土壤壓實(shí)、鹽與養(yǎng)分脅迫、重金屬、高CO2、病蟲害等)與跨代可塑性強(qiáng)弱的關(guān)系、跨代可塑性的生態(tài)和進(jìn)化學(xué)意義及跨代可塑性產(chǎn)生的機(jī)制等方面[1-2]。

干旱是影響植物跨代可塑性的一個(gè)重要環(huán)境信號,關(guān)于干旱對植物跨代可塑性的影響已有較多研究,但大多數(shù)研究集中在植物苗期,而對于種子萌發(fā)期的跨代可塑性研究相對較少。種子萌發(fā)是植物生活史的一個(gè)重要階段,決定著植物的建成和幼苗的生長存活。水分是影響種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素,關(guān)于種子萌發(fā)對干旱的敏感性可通過水勢模型(Hydrotime model)來度量[4-5]。水勢模型涉及種群萌發(fā)的閾值水勢(ψb(50),MPa)、水勢常數(shù)(θH,MPa d)和標(biāo)準(zhǔn)差(σψb,MPa)三個(gè)參數(shù),其中ψb(50)是種子萌發(fā)的最低水勢,表征了種子萌發(fā)過程對干旱的敏感性;θH是種子為萌發(fā)需要積累的高于閾值水勢的MPa d,反映了種子萌發(fā)的快慢;σψb表示種子萌發(fā)的整齊度[5]。該模型已經(jīng)被廣泛用來研究雜草、草本植物、牧草、灌木等植物的萌發(fā)特性[6]。

種子萌發(fā)期的跨代可塑性與物種和親本遭受的環(huán)境梯度有關(guān)。智利的一種野生西紅柿種子和美國的長芒莧(Amaranthuspalmeri),當(dāng)母系遭受水分虧缺時(shí),其后代能在低的水勢下萌發(fā)[7-8]。澳大利亞的一種入侵植物美洲海灘芥(Cakileedentula),其在亞熱帶的萌發(fā)水勢閾值ψb(50)亦高于溫帶[9]。Zhang等[10]比較了低溫多雨的冷涼生境和高溫干旱的溫暖生境不同針茅屬植物種子萌發(fā)的水勢模型參數(shù),發(fā)現(xiàn)兩種生境針茅屬植物間的水勢模型參數(shù)無差異。南美巴塔哥尼亞高原北部一種高羊茅(Festucapallescens)沿降雨梯度上9個(gè)種群的閾值水勢ψb(50)并無顯著差異,但水勢常數(shù)θH不同,在分布梯度的兩端種群具有高的水勢常數(shù)θH,意味著在不是很適宜條件下種子萌發(fā)可能被阻止或延遲[11]。

檸條(CaraganakorshinskiiKom.)是我國北方干旱半干旱地區(qū)的主要多年生灌木,因其耐旱、耐寒、耐貧瘠和耐風(fēng)沙,有極強(qiáng)的生命力和適應(yīng)性,且生物量高、營養(yǎng)豐富、適口性好,被廣泛用做牲畜的優(yōu)質(zhì)飼草飼料。關(guān)于其種子萌發(fā)特性已有一些研究[12-13],但其種子萌發(fā)過程是否具有跨代可塑性并不清楚。研究檸條種子萌發(fā)過程的跨代可塑性對于揭示檸條對干旱的適應(yīng)性機(jī)制和檸條合理引種有一定的指導(dǎo)價(jià)值。為此,我們采集了不同降雨梯度上的檸條種子,利用水勢模型研究了其種子萌發(fā)過程對干旱的敏感性,試圖說明檸條在萌發(fā)過程中是否產(chǎn)生適應(yīng)性跨代可塑性。假設(shè):不同種源種子對水分有效性的響應(yīng)不同,干旱地區(qū)來源種子不僅具有更低的萌發(fā)水勢閾值,且具有高的標(biāo)準(zhǔn)差,從而使部分種子進(jìn)入休眠而在水分來臨時(shí)萌發(fā),以適應(yīng)干旱地區(qū)的多變低水環(huán)境。

1 材料與方法

1.1 種子收集及萌發(fā)試驗(yàn)

沿降雨梯度從黃土高原、鄂爾多斯高原及青藏高原四個(gè)采樣點(diǎn)采集檸條成熟種子,四個(gè)采樣點(diǎn)分別位于陜西省安塞縣、陜西省神木市、內(nèi)蒙古涼城縣、青海省共和縣,其多年平均降雨量從549 mm下降至246 mm。于2021年7—8月種子成熟時(shí)進(jìn)行隨機(jī)采收,采樣地基本情況及種子特征詳見表1。采集后的種子放置室溫儲(chǔ)藏8個(gè)月供萌發(fā)試驗(yàn)所用。

表1 采樣地及種子基本特征Table 1 Basic traits of seed-collecting sites and seeds

為防止種子霉變,試驗(yàn)前使用1%次氯酸鈉溶液對種子表面消毒1.5 min后用蒸餾水反復(fù)沖洗。由于種子萌發(fā)時(shí)的溫度會(huì)影響其水時(shí)間模型參數(shù),且檸條種子萌發(fā)的最適溫度為15℃～20℃[13]和30℃[15],故本研究在3個(gè)溫度梯度(20℃、25℃、30℃)和5個(gè)水勢梯度(0,-0.25,-0.4,-0.6,-0.8 MPa)下進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)。不同水勢梯度溶液使用PEG6000配制[16],所有PEG溶液在使用前用蒸汽壓滲透計(jì)(VAPRO 5520,Wescor,Logan,USA)進(jìn)行校正。每個(gè)水勢梯度4個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)25粒種子。種子被放置在9 cm直徑的培養(yǎng)皿中,以雙層濾紙作為萌發(fā)基質(zhì),使用7 ml不同濃度PEG溶液潤濕濾紙,為了防止霉變及在發(fā)芽試驗(yàn)期間保持培養(yǎng)基水勢恒定,每48小時(shí)更換一次濾紙及PEG溶液,培養(yǎng)皿使用封口膜進(jìn)行密封,以防止水分流失。萌發(fā)實(shí)驗(yàn)在黑暗的培養(yǎng)箱中進(jìn)行,當(dāng)胚根突破種皮2 mm時(shí)認(rèn)為已經(jīng)萌發(fā),將其取出并計(jì)數(shù),監(jiān)測頻率視處理而定。當(dāng)連續(xù)至少7天未觀測到種子萌發(fā)時(shí),終止試驗(yàn)。試驗(yàn)分三批次(溫度重復(fù))進(jìn)行。種子累積發(fā)芽率為萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后累積萌發(fā)的種子數(shù)占所用種子總數(shù)的百分比。萌發(fā)速率(t50)為達(dá)到最大發(fā)芽率的50%所需的時(shí)間。

1.2 水勢模型參數(shù)計(jì)算

為進(jìn)一步了解水勢降低對種子萌發(fā)的影響,Bradford[4]在Gummerson[17]工作的基礎(chǔ)上提出了水勢模型:

θH=[ψ-ψb(g)]tg

(1)

式中ψ表示種子所處環(huán)境水勢(MPa),ψb(g)表示水勢閾值(MPa),即給定種子萌發(fā)百分比g所能夠萌發(fā)的最低水勢,tg為達(dá)到萌發(fā)百分比g所需要的時(shí)間(d)。θH(MPad)為水勢常數(shù),表示種子吸脹到胚根出現(xiàn)所需的累積水勢時(shí)間,通常認(rèn)為θH是一個(gè)常數(shù)。將公式1進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)換,可以得到公式2:

(2)

公式2表明1/tg是ψ的線性函數(shù),其斜率為1/θH,截距為ψb(g)。因?yàn)棣菻為常數(shù),所以對于任意g其斜率相等,ψb(g)隨著g變化,對于一般物種而言,ψb(g)在種群的分布為正態(tài)分布。為了對不同g下的ψb(g)進(jìn)行估計(jì),將公式1轉(zhuǎn)換得到公式3:

ψb(g)=ψ-θH/tg

(3)

將觀測的發(fā)芽時(shí)間數(shù)據(jù)在概率尺度上線性化并對ψb(g)進(jìn)行回歸,可以得到下述公式4:

(4)

自此,便可獲得水勢模型的三個(gè)參數(shù):θH、ψb(50)及σψb。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用雙因素方差分析比較不同種源、萌發(fā)溫度及其相互作用對檸條種子萌發(fā)特征的影響,若差異顯著使用LSD法進(jìn)行多重比較。種子萌發(fā)曲線使用drcSeedGerm包中的時(shí)間-事件模型進(jìn)行擬合,使用drmte函數(shù)分別對每一溫度下的水勢進(jìn)行參數(shù)擬合[18]。所有數(shù)據(jù)處理均在R(ver. 4.2.0)中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同檸條種源沿降雨梯度的種子萌發(fā)特征

沿從南到北降雨梯度,檸條種子千粒重、單粒體積及種子生活力均呈現(xiàn)下降趨勢,內(nèi)蒙涼城檸條種子的千粒重、單粒體積及種子生活力為陜西安塞檸條種子的93.4%,94.1%和78.3%,其千粒重和種子生活力顯著下降(P<0.05);青海共和檸條種子的千粒重、單粒體積及種子生活力僅為陜西安塞檸條種子的80.3%,84.3%和89.1%,三者均顯著低于陜西安塞種子(P<0.05)(表1)。

20℃下無水分脅迫時(shí),陜西安塞檸條種子的累積發(fā)芽率為93%,而青海共和的檸條種子累積發(fā)芽率僅為77%,30℃下陜西安塞和青海共和種子累積發(fā)芽率則分別為73%和56%(圖1),進(jìn)一步證明了檸條種子質(zhì)量隨從南到北降雨梯度上的降低。隨種子萌發(fā)過程中水分脅迫程度增加,4個(gè)種源檸條種子累積發(fā)芽率明顯降低,且萌發(fā)速率(t50)變慢(圖1)。20℃、25℃和30℃下,4個(gè)種源的平均累積發(fā)芽率分別為58%±3%、74%±1%和32%±4%,且萌發(fā)速率分別為3.52±0.23 d、3.52±0.19 d及4.99±0.37 d(圖1),表明25℃是檸條種子萌發(fā)的最適溫度。

2.2 種源和溫度對檸條種子萌發(fā)的水勢模型參數(shù)的影響

種源對水勢常數(shù)θH有顯著影響(P<0.05),對閾值水勢ψb(50)的影響接近顯著(P=0.062),但對標(biāo)準(zhǔn)差σψb無顯著影響。溫度極顯著影響水勢模型的3個(gè)參數(shù)(P<0.01),但種源和溫度的交互作用對水勢模型的3個(gè)參數(shù)無顯著影響(表2)。溫度對水勢模型3個(gè)參數(shù)的影響大于種源的影響。

表2 種源和溫度對水勢模型影響的雙因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis of seed sources and temperature on the hydrotime model parameters

陜西安塞的水勢常數(shù)θH顯著低于其他3個(gè)地點(diǎn),陜西安塞和神木的水勢閾值ψb(50)表現(xiàn)出低于內(nèi)蒙涼城和青海共和的趨勢,且安塞和神木的水勢閾值ψb(50)顯著低于青海共和,4個(gè)種源的標(biāo)準(zhǔn)差σψ b無顯著差異(圖2)。隨溫度增加,水勢常數(shù)θH顯著降低,30℃下的θH顯著低于20℃(P<0.05);水勢閾值ψb(50)則為先降低后升高,三個(gè)溫度下均有顯著差異(P<0.05);標(biāo)準(zhǔn)差σψb也表現(xiàn)出先降低后升高,30℃下的σψ b顯著高于其他兩個(gè)溫度(圖3)。在種子萌發(fā)的最適溫度(25℃),其萌發(fā)的水勢閾值ψb(50)和標(biāo)準(zhǔn)差σψ b最低。

圖2 不同種源檸條種子萌發(fā)的水時(shí)間模型常數(shù)Fig.2 Hydrotime model parameters for the 4 seed sources of C. korshinskii注:不同小寫字母表示種源間差異顯著Note:Different lowercase letters indicate a significant difference among different seed sources at P<0.05

圖3 不同萌發(fā)溫度下檸條種子萌發(fā)的水時(shí)間模型參數(shù)Fig.3 Hydrotime model parameters for Caragana korshinskii seeds under different germination temperatures注:小寫字母表示不同溫度間的差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate a significant difference between different temperatures at P<0.05

2.3 水勢模型參數(shù)與種子質(zhì)量、種源地氣象因子間的相關(guān)關(guān)系

水勢模型參數(shù)和種子特征,如種子千粒重、種子單粒體積、種子生活力間并無顯著相關(guān)性,與年降雨量間亦無顯著相關(guān)性,但與年均溫存在接近顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.052)(表3,圖4),年均溫度越高,種子萌發(fā)的水勢閾值越低,種子萌發(fā)過程越耐旱。

圖4 水勢閾值ψb(50)與年均溫間相關(guān)關(guān)系Fig.4 Pearson correlation between average annual temperature and water potential threshold ψb(50)

表3 水勢模型參數(shù)與種子性狀及氣候條件的Pearson相關(guān)性Table 3 Pearson correlation between hydrotime model parameters and seed traits,climate variables

3 討論

3.1 降雨梯度上檸條種源對水勢模型參數(shù)的影響

本研究中,陜西安塞種源的水勢常數(shù)θH顯著低于其他3個(gè)地點(diǎn),陜西安塞和神木的水勢閾值ψb(50)顯著低于青海共和,4個(gè)種源的標(biāo)準(zhǔn)差σψb無顯著差異(圖2)。López等[11]研究了巴塔哥尼亞高原北部一種高羊茅9個(gè)種群沿降雨梯度上種子萌發(fā)的水勢模型參數(shù)變化,發(fā)現(xiàn)在分布梯度的兩端種群具有高的水勢常數(shù)θH,且種群間ψb(50)和σψb無顯著差異,他們認(rèn)為微環(huán)境對植物生理行為的影響更大,而宏觀降雨尺度的影響相對較小。本研究中,水勢常數(shù)θH和年均降雨量及年均溫度的相關(guān)性并不顯著(表3),說明安塞種子萌發(fā)的水勢常數(shù)低主要可能與微環(huán)境有關(guān),安塞種子通過快速萌發(fā)來適應(yīng)其立地條件。

種子萌發(fā)過程中的水勢閾值ψb(50)反映了種子萌發(fā)過程對干旱的敏感性。Lai等[19]研究認(rèn)為內(nèi)蒙古高原檸條錦雞兒、中間錦雞兒與小葉錦雞種子萌發(fā)的耐旱程度隨其生境降雨量的增加而降低。澳大利亞的一種入侵植物美洲海灘芥,其在亞熱帶的萌發(fā)水勢閾值ψb(50)亦高于溫帶[9],Zhang等[10]比較了低溫多雨的冷涼生境和高溫干旱的溫暖生境不同針茅屬植物種子萌發(fā)的水勢模型參數(shù),發(fā)現(xiàn)兩種生境針茅屬植物間的水勢模型參數(shù)無差異。但在本研究中,年降雨量高的陜西安塞和神木種子萌發(fā)的水勢閾值ψb(50)顯著低于干旱的青海共和。不同植物種子萌發(fā)對水分的響應(yīng)并不相同,這可能與其生境對種子萌發(fā)的選擇壓力有關(guān)。隨降雨量降低,檸條的繁殖方式從有性繁殖向無性繁殖轉(zhuǎn)變[20],可能不需要通過降低種子萌發(fā)過程的水勢閾值ψb(50)來增加萌發(fā)過程中的抗旱性,因?yàn)橄啾扔跓o性繁殖,跨代產(chǎn)生可塑性的成本可能更高[1,21]。我們的結(jié)果并不支持干旱地區(qū)具有更低的萌發(fā)水勢閾值這一假設(shè),這與關(guān)于動(dòng)植物跨代可塑性的薈萃分析表明:一年生植物表現(xiàn)出更強(qiáng)的跨代可塑性,而多年生植物幾乎沒有跨代可塑性[22]一致。干旱地區(qū)的檸條也并未通過種子萌發(fā)過程中高的標(biāo)準(zhǔn)差來適應(yīng)其多變低水環(huán)境。

3.2 萌發(fā)溫度對水勢模型參數(shù)的影響

隨萌發(fā)溫度從20℃增加到25℃,水勢閾值ψb(50)顯著降低,但當(dāng)萌發(fā)溫度從25℃增加至30℃,水勢閾值ψb(50)和標(biāo)準(zhǔn)差σψb顯著增加,30℃的水勢常數(shù)θH顯著低于20℃(圖3)。因此,相對于最適萌發(fā)溫度,溫度降低或升高均導(dǎo)致水勢閾值ψb(50)增大。這與在紅花[23]、狗尾草屬物種[24]、馬鈴薯[25]、埃塞俄比亞芥[26]、鷹嘴豆[27]、波斯甜瓜[28]等的研究結(jié)果一致。低溫下較高的水勢常數(shù)θH與水勢閾值ψb(50)可能主要與低溫延遲了種子萌發(fā)過程有關(guān)。低溫導(dǎo)致種子充分吸水滯后,同時(shí)降低了種子的代謝活力,使種子無法在低水勢下突破種皮,從而延遲或阻止了胚根伸出。種子在較低溫度下對干旱脅迫的耐受力低,也為其在早春較低的溫度條件下的種子萌發(fā)提供了保障,這些幸存于土壤種子庫的休眠種子一旦遇有降水即可開始萌發(fā),種子在春季低溫期間的提早萌發(fā)可保證幼苗根系充分發(fā)育的時(shí)間,增強(qiáng)幼苗對夏季降雨間隔期內(nèi)強(qiáng)烈干旱的耐受能力,進(jìn)而增大幼苗存活和建立的機(jī)會(huì)。溫度增加(30℃)通過降低萌發(fā)過程的水勢常數(shù)θH,從而加快種子的萌發(fā)速率。較高的水勢閾值ψb(50)表明檸條種子萌發(fā)在高溫下對干旱脅迫的敏感性增加,遇到少量水即可萌發(fā),從而提高了其在夏季干熱生境的適合度,是其在溫度相對較高的環(huán)境中成功定居和種群更新的重要保障。最適溫度25℃下,檸條種子的水勢閾值ψb(50)和標(biāo)準(zhǔn)差σψb最低,表明在該溫度下檸條種子萌發(fā)最為耐旱且萌發(fā)最為整齊,溫度降低或者增加均導(dǎo)致種子萌發(fā)不整齊。

3.3 水勢模型參數(shù)與種子性狀和氣候條件的關(guān)系

本研究中,盡管在從南到北的降雨梯度上,檸條種子質(zhì)量顯著降低,但種子萌發(fā)的水勢模型參數(shù)與種子質(zhì)量性狀(千粒重、單粒體積和種子生活力)均無顯著相關(guān)性(表3),意味著種子性狀不是影響檸條不同種源水勢模型參數(shù)的主要因素。對新熱帶森林的演替早期種而言,隨種子質(zhì)量增加,水勢閾值ψb(50)降低,意味著大種子萌發(fā)過程的抗旱性更強(qiáng),因而更易生長在光照和溫度高的大林窗中[29]。Arene等[30]的Meta分析發(fā)現(xiàn)對一年生植物,種子質(zhì)量和臨界水勢ψb(50)呈負(fù)相關(guān),即種子質(zhì)量越大,臨界水勢越低,而對多年生植物,種子質(zhì)量和臨界水勢ψb(50)無關(guān)。多年生植物可能依賴于相對長的壽命和適應(yīng)性(如存儲(chǔ)器官、大的根系、休眠芽或極端抗旱性),使其能在不利季節(jié)存活[31],這些適應(yīng)性降低了種子萌發(fā)階段的相對重要性,所以導(dǎo)致種子大小和臨界水勢無關(guān)。檸條為多年生植物,其相對強(qiáng)的抗旱性[32-33]和在降雨量低的地區(qū)主要依賴于無性繁殖的繁殖方式可能是其種子質(zhì)量和臨界水勢無相關(guān)性的重要原因。

水勢模型參數(shù)中,僅水勢閾值ψb(50)和年均溫呈接近顯著負(fù)相關(guān),年均溫越高,閾值水勢ψb(50)越低。袁禎等[15]也發(fā)現(xiàn)分布在半濕潤地區(qū)的紅花錦雞兒萌發(fā)最耐旱,而分布在干旱荒漠區(qū)的多刺錦雞兒、荒漠錦雞兒和粉刺錦雞兒其種子萌發(fā)對水勢脅迫最為敏感,與本結(jié)果相似,但與物種間發(fā)現(xiàn)的萌發(fā)基礎(chǔ)溫度越低,萌發(fā)的水勢閾值越低不一致[6]。在降雨量少、年均溫低的地區(qū),種子萌發(fā)后幼苗極易遭遇干旱而導(dǎo)致閃苗,低的年均溫導(dǎo)致萌發(fā)的水勢閾值增加,從而使萌發(fā)發(fā)生在濕潤條件下,因而高水勢閾值是一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)降低的特征,可能是這類地區(qū)檸條種子萌發(fā)過程的重要適應(yīng)性對策。年均溫較高的安塞和神木盡管萌發(fā)溫度高可能增加萌發(fā)水勢閾值,但其種子在7月成熟,此時(shí)蒸發(fā)強(qiáng)烈,因而降低水勢閾值ψb(50)從而加快種子萌發(fā)可能是其適應(yīng)性選擇結(jié)果,萌發(fā)時(shí)水勢閾值與萌發(fā)季節(jié)水分條件的關(guān)系可能更大,此外,土壤和立地條件等也可能影響水勢閾值,對此值得更進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

沿降雨梯度上種源對種子萌發(fā)的水勢常數(shù)θH和水勢閾值ψb(50)均有影響。降雨量高的陜西安塞種源的水勢常數(shù)θH顯著低于其他3個(gè)種源,且其水勢閾值ψb(50)顯著低于干旱的青海共和種源。干旱地區(qū)檸條種子并不具有更低的萌發(fā)水勢閾值和高的標(biāo)準(zhǔn)差,表明沿降雨梯度上不同種源檸條種子萌發(fā)過程中并不具有適應(yīng)性跨代可塑性。不同種源檸條種子萌發(fā)的水勢閾值ψb(50)主要決定于年均溫而非種子性狀,年均溫相對高地區(qū)的檸條種子(陜西安塞和神木)主要通過降低水勢閾值ψb(50)從而加快種子萌發(fā)來適應(yīng)其生境,而年均溫低的地區(qū)(青海共和)則通過增加水勢閾值來適應(yīng)其生境。