工程擾動(dòng)下野生草本植物種子的休眠與萌芽特性

崔博濤，馬蕭蕭，蘆建剛，王排排，馬 蕊，劉士平

（1. 新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2. 三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

抽水蓄能電站在建設(shè)過程中包括開挖壩肩、填筑壩基、修筑上下水庫連接道路、填筑邊坡等施工環(huán)節(jié)［1］，這些頻繁的土方工程與人類活動(dòng)容易擾動(dòng)植物的生長與存活狀態(tài)［2］。特別在我國新疆寒冷、干旱的高海拔地區(qū)，土壤貧瘠且鹽堿化嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境相對(duì)惡劣，生物多樣性程度較低，因此工程擾動(dòng)區(qū)具有植被退化和荒漠化的隱患［3-4］。

近年來關(guān)于工程擾動(dòng)區(qū)的生態(tài)修復(fù)與重建成為了本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［5-6］。由于草本植物具有良好的保持水土、涵養(yǎng)水源作用，是工程干擾區(qū)生態(tài)恢復(fù)的“開路先鋒”，因此其原地保育是促進(jìn)當(dāng)?shù)刂脖蛔匀谎萏?、緩解植被退化的重要舉措［7］。但是大面積的原地栽培需要有足夠的種質(zhì)資源與可萌發(fā)的幼苗來支撐。另一方面，在當(dāng)?shù)貒?yán)酷的生境下，草本植物的種子萌發(fā)進(jìn)化出許多獨(dú)特的特性，在時(shí)間和空間上來適應(yīng)當(dāng)?shù)氐拿{迫環(huán)境［8］。因此探索工程擾動(dòng)區(qū)草本植物種子的萌發(fā)特性， 對(duì)于植被恢復(fù)、更新和重建具有重要的意義。

種子萌發(fā)是植物生活史的第一步，影響著幼苗的建植、存活和競爭，是決定種群動(dòng)態(tài)變化的關(guān)鍵因子［7］。可是，許多野生植物種群在更新過程中種子進(jìn)入了休眠狀態(tài)，影響了其大規(guī)模栽培與應(yīng)用，因此迫切需要對(duì)植物種子萌發(fā)的生理生態(tài)學(xué)特性進(jìn)行研究［9］。種子休眠是植物為應(yīng)對(duì)不良外界環(huán)境所產(chǎn)生的適應(yīng)性進(jìn)化，往往通過影響種胚萌發(fā)抑制物或者胚以外的結(jié)構(gòu)引起［10-12］。近年來國內(nèi)外很多學(xué)者為了解除草本植物種子的休眠，探索了去除種皮、低溫層積、機(jī)械破核、強(qiáng)酸強(qiáng)堿浸種、熱水浸種、液氮處理等方式，取得了良好的效果［13-15］。

為了促進(jìn)阜康抽水蓄能電站工程區(qū)野生草本植物的原地保育，本文選取了阜康抽水蓄能電站工程擾動(dòng)區(qū)的6 種野生草本植物為對(duì)象，分別是麻葉蕁麻（Urtica cannabina）、白屈菜（Chelidonium majus）、菊葉香藜（Dysphania schraderiana）、駱駝蓬（Peganum harmala）、禿瘡花（Dicranostigma leptopodum）和天仙子（Hyoscyamus niger），分別研究其種子萌芽的休眠特性，探討了上述草本植物種子解除休眠的各種方法，以期為指導(dǎo)工程擾動(dòng)區(qū)的植被恢復(fù)與重建及穩(wěn)定當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

阜康抽水蓄能電站地處新疆昌吉州白楊河上游［16］，海拔1 540 m ~ 2 400 m，位于87.98°E， 44.16°N，于2017年開工建設(shè)。所在地夏季炎熱干旱，冬季寒冷少雨，年平均氣溫為6.3℃，極端最低氣溫-37℃，極端最高氣溫41.5℃，年均降水量265.1 mm，年均蒸發(fā)量高達(dá)1 419.6 mm。土層以巖石、砂礫、巖質(zhì)土為主，工程建設(shè)后表土資源短缺，土壤貧瘠且鹽堿含量高。植被區(qū)劃屬于森林草原、草甸草原與溫帶荒漠的過渡區(qū)。

1.2 種子采集

2022 年7 ~ 9 月，本文對(duì)新疆阜康抽水蓄能電站工程擾動(dòng)區(qū)的草本植物種子進(jìn)行了生態(tài)調(diào)查，根據(jù)物種的重要值來衡量物種的分布優(yōu)勢(shì)地位［17-18］：

重要值 = (相對(duì)多度 + 相對(duì)高度 + 相對(duì)蓋度)/3(1)

然后選取6 種占優(yōu)勢(shì)的草本植物麻葉蕁麻、白屈菜、菊葉香藜、駱駝蓬、禿瘡花和天仙子采集其種子。根據(jù)種子大小差異選擇不同的網(wǎng)袋，采集后放在通風(fēng)條件下晾干1周后，揉搓去掉雜質(zhì)，用風(fēng)選機(jī)處理后，選取籽粒完整飽滿的種子裝入紙袋［17］。設(shè)置4個(gè)重復(fù)，稱取種子的重量后，取部分新鮮種子用于萌發(fā)。

1.3 新鮮種子萌發(fā)與休眠分析

為探索這6 種野生草本植物種子休眠特性，本文對(duì)新鮮的種子進(jìn)行了萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。在培養(yǎng)皿底部墊兩層濾紙，加入蒸餾水潤濕但以水不流出為宜，每個(gè)培養(yǎng)皿放50 粒種子，每個(gè)處理設(shè)置4 個(gè)重復(fù)，放入設(shè)置為12 h光/12 h暗，光強(qiáng)8 000 Lx，溫度15℃的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)30 d。當(dāng)胚根突破種皮達(dá)到種子長度的1/2 時(shí)即視為萌發(fā)，記錄萌發(fā)開始的時(shí)間，每天統(tǒng)計(jì)萌發(fā)種子數(shù)，并補(bǔ)充水分，持續(xù)觀察30 d。對(duì)沒有萌發(fā)的種子采用TTC（2，3，5－三苯基氯化四氮唑）檢測種子活力，計(jì)算種子萌發(fā)率［19］：

萌發(fā)率[12]= 萌發(fā)種子數(shù)/有生活力種子數(shù) × 100%(2)

1.4 種子萌發(fā)的最適溫度條件

由于6 種野生植物種子所處的生境很特殊，即使在種子開始萌發(fā)的春季，其溫度變幅也很大，一般為5 ~ 25℃。為了探究溫度及冷脅迫對(duì)這6 種野生植物種子萌發(fā)率的影響，本文分別設(shè)置了15℃/5℃、20℃/10℃和25℃/15℃（12 h 光/12 h 暗，光強(qiáng)8 000 Lx）三個(gè)變溫條件，將采集的新鮮種子進(jìn)行萌發(fā)4 w，統(tǒng)計(jì)萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)，計(jì)算公式如下［20］：

式中，G為每天測定的發(fā)芽數(shù)，Gx為第X天測定的發(fā)芽數(shù)。

1.5 種子解除休眠的方法探索

為了探索解除白屈菜、駱駝蓬、禿瘡花和天仙子種子休眠的方法，提高野生種子的萌發(fā)率，本文分別嘗試了冷藏、高低溫浸泡、聚乙二醇（PEG）模擬干旱等組合處理方式。分別將種子存放于溫度為4℃、相對(duì)濕度為30%的冰箱中，處理1 個(gè)月、2 個(gè)月和3個(gè)月后進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)（采用分次放入，集中取出的方式），然后將冷藏3個(gè)月的種子在25℃的清水中分別浸泡1d、2d 和3d，浸泡過程中每天換水，在25/15℃（12 h 光/12 h 暗，光強(qiáng)8 000 Lx）萌發(fā)4 w，統(tǒng)計(jì)其萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)［21］。

在PEG模擬干旱處理過程中，將冷藏3個(gè)月的6種野生植物種子分別浸泡在濃度為0 mg/mL、2 mg/mL、4 mg/mL、6 mg/mL、8 mg/mL、10 mg/mL 和12 mg/mL的PEG-6000 溶液中，25℃下處理2 d 后使用相同的方法萌發(fā)。熱浸泡處理實(shí)驗(yàn)，在6 mg/mL 的PEG 下，分別將駱駝蓬和天仙子的冷藏種子在30℃、35℃、40℃、45℃清水中浸泡處理0.5、1、2、4、8、16、24 h后，再在25℃下浸泡處理直到滿2 d，然后采取相同的萌發(fā)方式。

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

采用Spss 20.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，按照Duncan 法進(jìn)行多重比較分析（P< 0.05，n= 4）后，通過Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 工程擾動(dòng)區(qū)6種野生種子的休眠特性分析

2022 年夏天對(duì)新疆阜康抽水蓄能電站工程擾動(dòng)區(qū)的生態(tài)調(diào)查結(jié)果表明，麻葉蕁麻、白屈菜、菊葉香藜、駱駝蓬、禿瘡花和天仙子這6種草本植物在當(dāng)?shù)胤植驾^廣，其重要值均超過了5%（表1），顯示其占優(yōu)勢(shì)地位。這6種野生草本植物均屬種子植物分5科6屬，其中白屈菜的重要值最高（表1）。

表1 工程擾動(dòng)區(qū)6種野生植物的新鮮種子萌芽特性Tab.1 Germination characteristics of fresh seeds of six wild herb plants in the engineering disturbance area

為了解這6 種野生植物種子的休眠特性，本文將采集的新鮮種子在15 ℃的恒溫條件下進(jìn)行了發(fā)芽實(shí)驗(yàn)初探。麻葉蕁麻、菊葉香藜種子萌發(fā)率較高，分別達(dá)到88.42%和65.14%，且其種子萌芽時(shí)間較短（表1），而且部分種子未萌發(fā)是因?yàn)橛休^高的死亡率，顯示這兩種草本植物沒有進(jìn)入休眠狀態(tài)。對(duì)比之下，天仙子、駱駝蓬和白屈菜的萌發(fā)率低，而且萌發(fā)的時(shí)間較長，新鮮的種子有重度休眠的特點(diǎn)。

2.2 不同溫度對(duì)6種野生植物種子萌發(fā)率的影響

由于阜康抽水蓄能電站所處的地域在春季氣溫的變幅很大，種子的萌發(fā)常受到低溫脅迫的影響［22］。為了探究溫度及冷脅迫對(duì)這6種野生植物種子萌發(fā)率的影響，本文將采集的新鮮種子分別在15/5℃、20/10℃和25/15℃三個(gè)變溫條件下萌發(fā)4 w 后，分析其萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)（圖1）。結(jié)果表明，適當(dāng)高溫有助于麻葉蕁麻和菊葉香藜的種子萌發(fā)，但是對(duì)于休眠種子作用不明顯（圖1）。

圖1 六種野生植物新鮮種子在不同溫度下的萌發(fā)率（A）和發(fā)芽指數(shù)（B）Fig.1 Germination rate （A） and germination index （B） of fresh seeds of six wild plants at different temperatures

2.3 冷藏與浸泡組合處理有助于當(dāng)?shù)匾吧N子解除休眠

由于部分野生的新鮮種子有不同程度的休眠特性，限制了他們?cè)谏鷳B(tài)修復(fù)和原地保育中的應(yīng)用。僅通過簡單的溫度處理作用有限（圖1），為了提高這些野生植物種子的萌發(fā)率，本文分別嘗試了低溫冷藏與清水浸泡來處理種子［23-24］。結(jié)果表明，冷藏處理對(duì)無休眠的種子麻葉蕁麻和菊葉香藜的萌發(fā)率沒有太大影響，卻能提高菊葉香藜的發(fā)芽指數(shù)，說明其發(fā)芽時(shí)間得到提前。可是，天仙子和白屈菜這兩種休眠的野生植物種子在冷藏后萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)均有小幅增高（圖2），說明低溫冷藏促進(jìn)了種子的萌發(fā)能力，可以在一定程度上起到解除休眠的作用。

圖2 六種野生植物種子在低溫冷藏處理后的萌發(fā)率（A）和發(fā)芽指數(shù)（B）Fig.2 Germination rate （A） and germination index （B） of six wild plant seeds after cold storage

雖然冷藏處理可以增強(qiáng)天仙子、白屈菜種子的萌發(fā)能力，但是提高的幅度有限。為了進(jìn)一步提高這些野生休眠種子的萌發(fā)能力，本文將這6 種野生種子冷藏3個(gè)月后，分別在25℃的清水中浸泡1d、2d和3d。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)浸泡處理2d 后，兩種罌粟科植物白屈菜和禿瘡花的萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)發(fā)生了大幅度增加（圖3），其萌發(fā)率提高了近6 倍，說明浸泡處理在解除白屈菜和禿瘡花的休眠中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。此外，重度休眠種子駱駝蓬經(jīng)浸泡后發(fā)芽能力也有所提高。

圖3 六種野生植物種子在低溫冷藏和浸泡處理后的萌發(fā)率（A）和發(fā)芽指數(shù)（B）Fig.3 Germination rate （A） and germination index （B） of six wild plant seeds after cold storage and soaking

2.4 模擬干旱脅迫提高了當(dāng)?shù)匾吧参锓N子的萌發(fā)率

阜康抽水蓄能電站工地處于嚴(yán)重的干旱地帶，當(dāng)?shù)匾吧参锓N子的萌發(fā)受到嚴(yán)重影響。為了模擬當(dāng)?shù)氐母珊淡h(huán)境，本文采取不同濃度的PEG-6000 進(jìn)行浸種處理，觀察其對(duì)野生種子萌發(fā)的影響，并判斷其是否有助于種子解除休眠［25］。結(jié)果表明，在6 mg/mL 的作用濃度下，重度休眠的天仙子和駱駝蓬的萌發(fā)能力得到明顯提升（圖4），但它對(duì)麻葉蕁麻、菊葉香藜、白屈菜和禿瘡花種子的萌發(fā)作用不明顯。當(dāng)PEG 濃度超過10 mg/mL，6 種野生植物的種子的萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)均會(huì)降低，但是不同的野生植物種子，對(duì)PEG 的耐受能力不一樣（圖4）。

2.5 高溫浸泡處理可進(jìn)一步提高野生休眠種子的萌發(fā)率

野生的天仙子與駱駝蓬種子因?yàn)檫M(jìn)入了重度休眠狀態(tài)，萌發(fā)能力有限，不能直接在生態(tài)修復(fù)和原地保育中應(yīng)用。為了解除其休眠狀態(tài)，進(jìn)一步提高這些種子的萌發(fā)能力，本文將冷藏的駱駝蓬和天仙子種子在濃度為6 mg/mL 的PEG 下，分別置于30℃、35℃、40℃、45℃環(huán)境下進(jìn)行高溫浸泡處理一段時(shí)間后，再進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)［26］。結(jié)果表明，高溫處理能明顯提高天仙子與駱駝蓬種子的萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)，但是隨高溫處理時(shí)間的增加其變化趨勢(shì)卻不相同（圖5）。天仙子在45℃下處理24 h 后，其萌發(fā)率可以達(dá)到近90%，其發(fā)芽指數(shù)也是最高的（圖5B）；但是對(duì)于駱駝蓬而言，高溫處理2 h 后，便達(dá)到最高的萌發(fā)狀態(tài)，隨著時(shí)間的延長，其發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均有降低的趨勢(shì)。

圖5 天仙子（A， B）種子和駱駝蓬（C， D）種子在高溫浸種后的萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)Fig.5 The germination rate and germination index of Hyoscyamus niger （A， B） and Peganum harmala （C， D） seeds after soaking at high temperature

3 討論

3.1 阜康抽水蓄能電站工地野生植物種子萌發(fā)能力與種子大小的關(guān)系

阜康抽水蓄能電站地處寒冷、干旱的溫帶草原與荒漠的過渡區(qū)，植被的建成受到各種非生物脅迫因素的影響［27］。當(dāng)?shù)匾吧参锏姆N子大小分布范圍廣（表1），但是從本文的研究來看，基本分為兩個(gè)類型：一類是小種子型，如麻葉蕁麻和菊葉香藜的種子，它們具有萌發(fā)時(shí)間短、萌發(fā)率高的特點(diǎn)，只要短暫的降雨就能完成其生活史；二類是大種子型，這些野生植物種子為了避免受到干旱脅迫， 選擇了緩慢萌發(fā)或者進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少了大部分幼苗同時(shí)受害的危險(xiǎn)，表現(xiàn)出對(duì)干旱、寒冷、強(qiáng)光及營養(yǎng)貧瘠環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)化，這與魯延芳［17］等報(bào)道的結(jié)果一致。而且在這種惡劣的環(huán)境中，主要以橫向進(jìn)化為主［28］，因?yàn)楸狙芯克捎玫? 種野生植物，分為5個(gè)科，其親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，可是它們形成了多樣的萌發(fā)特性和生存機(jī)制來適應(yīng)外界多變的環(huán)境脅迫。當(dāng)?shù)匾吧参锴ЯＶ剌^小的種子雖然具有較高的萌芽率，卻沒有很強(qiáng)的比較優(yōu)勢(shì)（表1），這也證實(shí)了大粒種子在當(dāng)?shù)孛{迫環(huán)境中較容易實(shí)現(xiàn)種群更新和擴(kuò)展， 其種子萌發(fā)策略有利于在當(dāng)?shù)貜V泛分布［29］。

3.2 不同的野生植物種子休眠類型及解除休眠的方法存在差異

雖然大粒種子的休眠特性和延緩萌發(fā)特性可以避開當(dāng)?shù)貝毫拥纳姝h(huán)境，但是不利于種子的大規(guī)模繁殖及當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)恢復(fù)與種群重建。為了打破其休眠特性，本文主要進(jìn)行了水分、溫度、光照等條件的嘗試。在研究中我們發(fā)現(xiàn)，不同的野生植物種子休眠的機(jī)制差異很大。罌粟科植物白屈菜和禿瘡花在種子浸泡過程中會(huì)產(chǎn)生一層黃色的油狀物質(zhì)［30］（圖片未顯示），可能正是這個(gè)原因?qū)е缕溥M(jìn)入休眠；而駱駝蓬和天仙子則可能是通過種皮的厚度與致密性來影響休眠的［13］，因此高溫浸泡處理有助于其萌發(fā)。

3.3 野生植物種子的休眠與萌芽特性與其對(duì)應(yīng)的生態(tài)環(huán)境相關(guān)

種子休眠受多種因素的影響，除了種子自身的結(jié)構(gòu)及遺傳因素外，還受到溫度、水分、空氣、光照等環(huán)境因素的制約［12-13，15］。因此種子萌發(fā)離不開基因型和生活環(huán)境的相互作用。本研究比較了新疆阜康抽水蓄能電站的6 種野生草本植物的萌發(fā)能力，發(fā)現(xiàn)它們存在不同程度的休眠，但是改變溫度和水分條件可以打破其休眠特性。由于當(dāng)?shù)靥幱谔厥獾暮瞪?，溫度和水分供?yīng)可能是導(dǎo)致種子進(jìn)入休眠的重要因素，在一定程度上解釋了改變溫度和水分條件可以促進(jìn)其萌發(fā)的原因，說明了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境對(duì)野生植物的休眠和萌發(fā)特性的作用。

3.4 對(duì)萌芽特性的考查有待進(jìn)一步優(yōu)化

本研究只對(duì)阜康抽水蓄能電站分布較廣的6種野生植物種子的萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行了探索，對(duì)溫度和水分影響下的休眠特性進(jìn)行了分析，以及對(duì)萌發(fā)率和發(fā)芽勢(shì)進(jìn)行了分析，但未對(duì)去除種皮、低溫層積、機(jī)械破核、強(qiáng)酸強(qiáng)堿、液氮處理等因素進(jìn)行充分探討，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中種子萌發(fā)機(jī)理、種子對(duì)鹽分脅迫及對(duì)氧氣、激素等條件的響應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究對(duì)阜康抽水蓄能電站分布較廣的6 種野生草本植物的萌發(fā)能力進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)麻葉蕁麻和菊葉香藜種子可以快速萌發(fā)，可在當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)修復(fù)中直接使用。另外四種野生植物種子，如白屈菜、駱駝蓬、禿瘡花和天仙子均存在一定的休眠特性，且冷藏與浸泡、模擬干旱及高溫處理有助于這些種子解除休眠作用。經(jīng)過這些方法的組合處理后，所有的野生草本植物種子的萌發(fā)能力均達(dá)到90%左右，為該地的種群恢復(fù)與重建奠定了基礎(chǔ)。