魏玲玲, 何青山, 楊慧玲

(河南農(nóng)業(yè)大學生命科學學院，河南 鄭州 450002)

在自然條件下，有些植物的種子同時(或在較窄的時間范圍內(nèi))成熟，如中間錦雞兒(Caraganaintermedia)、老芒麥(Elymussibiricus)[1,2]；而另一些植物的種子成熟時間分布在較長的時間范圍內(nèi)，如白沙蒿(Artemisiasphaerocephala)[3].植物種子成熟的時間格局直接影響種子大小和休眠萌發(fā)特性[4]，對植物生活史策略有重要影響，在種群的維持和更新過程中具有關鍵作用.因此，種子成熟和散布時間被認為是植物對環(huán)境的適應方式，在植物生活史對策和生態(tài)適應機制方面具有重要的研究價值[5].在不同時間成熟的種子所經(jīng)歷的環(huán)境條件不同，這些環(huán)境因素會對種子生物學特性產(chǎn)生重要影響.環(huán)境因素[6](如溫度、光周期、光照強度、土壤水分和養(yǎng)分等)與植株內(nèi)在因素(如生長不同階段的營養(yǎng)物質(zhì)分配、激素調(diào)節(jié)和果實位置等)相互作用，從而決定種子重量、大小、種皮厚度和種子活力.GUTTERMAN等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在種子成熟過程中的光照周期長短是決定豆科植物OnonissiculaGuss.種皮透水性的關鍵因素：隨著光周期由長到短，種皮的吸水速率由快到慢.同時，不同成熟時間的種子在母株上成熟所經(jīng)歷的不同環(huán)境會決定種子萌發(fā)和休眠特性的差異.這種影響已經(jīng)在多個物種中得到證實，如馬齒莧(Portulacaoleracea)[8],美國風鈴草(CampanulaAmericana)[9]和一些灌木樹種[10].此外，母株的繁殖物候也通過影響種子外在和內(nèi)在(如種子內(nèi)部營養(yǎng)含量)因素而影響萌發(fā)行為[9].種子萌發(fā)與休眠特性決定種子的萌發(fā)時間和下一代的命運[6]，因此不同成熟時間引起的種子休眠與萌發(fā)特性的分化會分散植物種群內(nèi)個體之間種子在短時間內(nèi)大量萌發(fā)的風險，是植物適應異質(zhì)性生境的一種策略.光萼女婁菜(MelandriumfirmumSieb. et Zucc. Rohrb.)又名堅硬女婁菜或粗壯女婁菜，為1年生或2年生草本，花期在05-07月份，果期在08-09月份.光萼女婁菜株高40～100 cm，花集生于莖頂及葉腋部，假輪傘狀間斷式總狀花序，花瓣白色或粉紅色；蒴果長卵形，長8～9 mm；種子呈腎形，長約1 mm，黑褐色；生于林緣草甸、山地草甸及灌叢間，在我國北部有廣泛的分布[11，12].目前對光萼女婁菜的研究相對較少，主要研究集中其在藥理藥性方面[13]和植物分類學[14]方面，有關光萼女婁菜種子成熟的時間格局，特別是不同成熟時間的種子的萌發(fā)特性研究至今未見報道.光萼女婁菜具有長達5個月的花果期，引起植株之間甚至同一植株不同部位之間種子在成熟時間上產(chǎn)生很大的差異，這種差異可能對該物種適應異質(zhì)性生境具有重要意義.因此，為了解不同成熟時間對光萼女婁菜種子生物學特性的影響，本研究對不同時期成熟的光萼女婁菜種子大小和吸水特性以及不同時期成熟的光萼女婁菜種子休眠和萌發(fā)特性對環(huán)境因子的響應進行了研究.

1 材料與方法

1.1種子的采集

本研究所用的光萼女婁菜種子采集于鄂爾多斯國家草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(39°29′ N, 110°11′ E)，海拔1 300 m.研究站位于毛烏素沙地的東南部，毛烏素沙地是中國四大沙地之一.該地區(qū)主要是固定沙丘和流動沙丘組成的沙地生態(tài)系統(tǒng)，年平均降水量345.8 mm，降水集中在05-09月份.

種子采集日期為2013-08-03，08-10，08-20，08-30，09-10，09-20和09-30，種子成熟的標志為果實上孔裂出現(xiàn).從光萼女婁菜第1批種子成熟開始(08-03)，到整株枯黃結(jié)束(09-30)，共計7次.種子采集時摘取已經(jīng)枯黃并且開始散布種子的果實(一般位于植株頂端)，將種子從果實中輕輕倒出，確保不損壞植株其它部分.采種所用光萼女婁菜植株總數(shù)大于50株，將每株上已經(jīng)成熟的種子全部收集.自第1次采種之后，對每株植株進行標記，以便下次在同株上繼續(xù)采種.將同一時間采集的種子清理雜質(zhì)，進行以下試驗.

1.2種子大小的測定

隨機選取不同時間成熟的光萼女婁菜種子各200粒，使用1/10000電子天平(Sartorius BP 221 S, Sartorius AG, Gottingen, Germany)測定重量，4個重復，測得的重量換算成種子千粒重.

1.3種子吸水特性

種子吸水特性試驗在室內(nèi)(氣溫18～25 ℃，相對濕度20 %～40 %)進行.將100粒種子置于盛有2.5 mL蒸餾水且墊有1層濾紙(Whatman No.1)的5 cm培養(yǎng)皿后開始計時，分別在吸水0.5,1,2,5,6,8,10,12,24,48,60 h后將種子取出，吸水紙吸干、稱重，再放回培養(yǎng)皿中，如此重復，直至種子萌發(fā)，試驗設3個重復.為了測定種子的吸水曲線，按下列公式計算種子吸水重量增加率Wr：

Wr=[(Wt-Wi)/Wi]×100

式中:Wi為種子原重量，Wt為種子吸水t時間后的種子重量.

1.4種子萌發(fā)測定

將不同日期成熟的種子分別置于直徑為50 mm的培養(yǎng)皿中，每個處理4個重復，每重復25粒種子.培養(yǎng)皿墊兩層濾紙(Whatman No.1)，加2.5 mL蒸餾水.為防止水分蒸發(fā)，將培養(yǎng)皿置于自封袋中，于培養(yǎng)箱(江南儀器GXZ-0328)中進行萌發(fā)試驗.

1.4.1 溫度和光照對種子萌發(fā)的影響 試驗的溫度梯度為：5/15,10/20,15/25,20/30,25/35 ℃ (溫度對應12 h黑暗/12 h光照).其中，5/15 ℃ 代表光萼女婁菜自然生境中4月和10月的氣溫，10/20 ℃代表5月和9月的氣溫，15/25 ℃代表6月和8月的氣溫，20/30 ℃代表7月中上旬的氣溫，25/35 ℃代表7月下旬的氣溫.光照條件為12 h黑暗/12 h光照和全黑暗.全黑暗處理則是將種子培養(yǎng)皿放于暗袋中.12 h黑暗/12 h光照條件的種子每天統(tǒng)計萌發(fā)率，以胚根萌出1 mm為萌發(fā)標志，將萌發(fā)的種子從培養(yǎng)皿移除，共統(tǒng)計20 d；全黑暗條件下的種子只在試驗結(jié)束時統(tǒng)計最終萌發(fā)率.

1.4.2 劃破種皮對種子萌發(fā)的影響 確保不損傷胚根的前提下，在胚根萌出部位將不同時期成熟的光萼女婁菜種子的種皮劃破.在15/25 ℃、12 h黑暗/12 h光照的條件下進行20 d的萌發(fā)試驗.

1.4.3 赤霉素(GA3)對種子萌發(fā)的影響 將不同時期成熟的光萼女婁菜種子置于2.5 mL不同濃度(0.1,0.01 mmol·L-1)處理的GA3溶液中連續(xù)萌發(fā)20 d，以蒸餾水為對照.采用15/25 ℃和12 h黑暗/12 h光照的條件進行萌發(fā)試驗.

1.5數(shù)據(jù)處理

在統(tǒng)計分析之前，對數(shù)據(jù)進行平方根和反正弦轉(zhuǎn)換，以保證方差齊性.采用單因素、雙因素和3因素方差分析比較，各處理之間的差異(5 %水平)；如果差異顯著，再采用Tukey’s HSD方法進行多重比較.通過統(tǒng)計軟件SPSS 17.0進行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1種子千粒重

成熟時間對光萼女婁菜種子千粒重影響顯著(F=77.199,P<0.001).種子千粒重隨著成熟時間的延后而逐漸增加，最大值出現(xiàn)在09-20(0.192 6 g) ，為最小值(08-03)的1.29倍；而后下降(圖1).9月末種子千粒重下降的可能原因是溫度降低，未成熟種子提前成熟所致.

數(shù)據(jù)為平均值±標準誤差，下同.不同字母表示不同成熟時間種子之間的千粒重差異顯著(P<0.01).

Data are mean±SE. The same as below. Different letters indicate significant differences between different seed ripening times(P<0.01).

圖1成熟時間對種子大小的影響

Fig.1Effectofdifferentripeningtimesonseedmass

2.2種子的吸水特性

光萼女婁菜種皮具有透水性，隨著吸水時間的增加，種子吸水重量也隨之增加(圖2).09-30成熟的種子重量增加率最大(達54%)，而09-20最小(22.37%).09-30和08-30在吸水后48 h開始萌發(fā)，而其他種子在吸水后60 h開始萌發(fā)(圖2).不同時期成熟種子的吸水曲線一致，在0～10 h為種子吸水快速期，20～70 h為種子吸水的慢速期.

G.萌發(fā)時間點.G. germination time point.

2.3種子萌發(fā)測定

2.3.1 溫度和光照對種子萌發(fā)的影響 3因素方差分析表明，光萼女婁菜種子萌發(fā)率受成熟時間(F=74.979,P<0.001)、溫度(F=56.873,P<0.001)和光照(F=517.579,P<0.001)條件的顯著影響，并且其交互作用也顯著(P<0.001).

不同成熟時間的種子對溫度和光照條件有不同的響應格局(圖3,圖中不同的大寫字母表示相同成熟時間的種子在不同溫度處理之間的萌發(fā)率差異顯著；不同的小寫字母表示在相同溫度下，不同成熟時間的種子之間的萌發(fā)率差異顯著,P<0.05).隨著成熟時間的延后，種子萌發(fā)率總體下降.在光照條件下，種子萌發(fā)的最適溫度范圍在10～30 ℃.在10/20 ℃條件下，08-03成熟的種子萌發(fā)率達到100 %.黑暗條件則對種子萌發(fā)有強烈的抑制作用，僅早期成熟的種子(08-03和08-10)有少量的萌發(fā).

2.3.2 種皮劃破對種子萌發(fā)的影響 雙因素方差分析表明，劃破種皮對光萼女婁菜的種子萌發(fā)率有顯著影響(F=609.245,P<0.001)，劃破種皮的種子萌發(fā)率顯著高于未劃破種皮的種子，但對于08-03成熟的種子2種處理間差異不顯著.劃破種皮的種子萌發(fā)率均在67 %以上，未劃破種皮種子萌發(fā)率的平均值僅為30% (圖4，圖中不同的大寫字母表示相同種皮處理下不同成熟時間的種子萌發(fā)率顯著差異；不同的小寫字母表示不同種皮處理下相同成熟時間的種子萌發(fā)率顯著差異,P<0.01).

圖3在光照(A)和黑暗(B)條件下，不同成熟時間的光萼女婁菜種子在不同溫度下的萌發(fā)率

Fig.3Effectofripeningtime,temperatureandlightconditionsonGerminationofseedsofMelandriumfirmumthatmaturedatdifferenttimesatdifferenttemperatureregimesunderlight(A)anddark(B)conditions

圖4劃破種皮對不同時期成熟的光萼女婁菜種子萌發(fā)率的影響

Fig.4Effectofseedscarificationongerminationrateofseedsfromdifferentripeningtimes

2.3.3 GA3處理對種子萌發(fā)的影響 雙因素方差分析表明，成熟時間(F=81.648,P<0.001)和GA3濃度(F=8.989,P<0.001)對光萼女婁菜種子萌發(fā)率有顯著影響，兩者交互作用影響也顯著(F=2.743,P=0.001).

同一成熟時間條件下，GA3處理對08-03, 08-10, 08-20, 08-30, 09-10成熟的種子萌發(fā)率沒有顯著影響.然而，GA3處理顯著降低了09-20和09-30成熟的種子萌發(fā)率.在相同GA3濃度處理下，08-03成熟的種子萌發(fā)率均比其他時間成熟的種子萌發(fā)率高(圖5,圖中不同大寫字母表示相同成熟時間的種子在不同GA3濃度之間萌發(fā)率顯著差異；不同小寫字母表示相同GA3濃度下，不同成熟時間的種子萌發(fā)率差異,P<0.01).

3 結(jié)論與討論

種子成熟時的環(huán)境因素(如日照長度、溫度、光質(zhì)和光強等)對許多植物的休眠水平有重要影響.光萼女婁菜種子的發(fā)育時間長短存在很大差異，不同時間成熟的種子所經(jīng)歷的環(huán)境因素各不相同，因而在種子特性上可能存在較大差異.本研究的結(jié)果證實，不同成熟時間的光萼女婁菜種子在形態(tài)、萌發(fā)與休眠特性方面存在很大差異，這種差異性可能是光萼女婁菜適應異質(zhì)性生境的有效機制.

圖5GA3對光萼女婁菜種子不同時期成熟萌發(fā)率的影響

Fig.5EffectofGA3treatmentongerminationofseedsfromdifferentripeningtimes

對于同一物種來說，種子大小的差異存在于不同的年際間，不同的地理種群間以及不同個體間，甚至存在于同一株植物中.光萼女婁菜先成熟的種子在初夏開花(05-06月)，夏季成熟(08月)，由于夏季炎熱，日照長，土壤水分蒸發(fā)量大，對種子生物量的積累是不利的，所以早期成熟的種子千粒重低；后成熟的種子在夏季開花(07-08月)，秋季成熟(09月)，由于秋季氣溫適宜，晝夜溫差大，而且土壤水分不易蒸發(fā)，對種子生物量的積累有利，所以后期成熟的種子千粒重增加.但是，進入深秋(09月底)，光萼女婁菜整株迅速枯黃并死亡，生長代謝急劇減緩至停止，導致09-30成熟的種子發(fā)育時間過短，物質(zhì)積累不充分，種子千粒重有所下降.另外，種子在植株上的位置也會對生長發(fā)育有影響[15].種子成熟的位置是從植株頂端到基部，養(yǎng)分和光合產(chǎn)物的運輸方向是由主莖到末梢，種子離主莖越遠，種子越小[16].光萼女婁菜先成熟的種子位于植株頂端，因此植株位置效應可能也是不同成熟時間的種子之間差異的重要原因.

光萼女婁菜種子千粒重與吸水量存在負相關，質(zhì)量越小的種子，種子吸水重量增加率越大(圖2).這一現(xiàn)象可能與以下2點原因有關：第1，小種子內(nèi)所含親水物質(zhì)所占比例比大種子的可能要多；第2，在不同時間成熟的種子中，大種子的種皮發(fā)育更充分，具有更加厚重致密的種皮結(jié)構(gòu)(自身不親水)，且致密的種皮不易使種子內(nèi)部水分散失，所以大種子的含水量較高；而小種子種皮發(fā)育不充分，親水的種胚在種子質(zhì)量當中所占比例更大，且種子內(nèi)部的水分在種子成熟后易透過種皮散失，所以大種子的含水量較低.

雖然種皮具有透水性，但是種皮依然是光萼女婁菜種子萌發(fā)的限制因素之一(圖4)，即種皮的機械結(jié)構(gòu)依然阻礙種胚突破種皮.20 d的GA3處理并不能使種子萌發(fā)率有所提升(圖5)，說明種子需要通過更長更復雜的生理后熟作用(需要經(jīng)歷春季的低溫層積作用)才能打破其生理休眠[17].

不同時間成熟的光萼女婁菜種子的萌發(fā)與休眠特性不同，這與種子發(fā)育過程中所經(jīng)歷的外界環(huán)境條件(如溫度、降水和日照長度等)密切相關[4].首先，光萼女婁菜先成熟的種子萌發(fā)率高于晚成熟的種子(圖3)，這可能是因為先成熟的種子發(fā)育時外界的溫度較高.這一結(jié)果與一些已有研究相類似.例如，MEYER等[18]發(fā)現(xiàn)，從溫度低的生境中采集Artemisiatridentata種子中在15 ℃具有更深的休眠，而從溫度高的生境中采集的該種子不具有休眠.其次，光萼女婁菜種子先成熟的種子和晚成熟的種子所經(jīng)歷的日照長度也不相同.GUTTEERMAN[19]發(fā)現(xiàn)，馬齒莧(Portulacaoleracea)母株發(fā)育時的光周期影響種子的萌發(fā)率，種子在短日照下發(fā)育時比長日照下發(fā)育具有更高的萌發(fā)率.這與我們研究結(jié)果相反，說明日照長度可能不是解釋2者種子萌發(fā)率差異的主要原因.最后，光萼女婁菜種子先成熟的種子萌發(fā)率高于晚成熟的種子，可能與2種種子發(fā)育時不同的營養(yǎng)物質(zhì)分配有關.種子在不同成熟時間的發(fā)育過程中所處環(huán)境條件的差異會引起種子在萌發(fā)和休眠特性上產(chǎn)生差異.GALLOWAY[9]對美國風鈴草(CampanulaAmericana)的研究也得出相似的結(jié)論：早成熟的種子比晚成熟的種子萌發(fā)率更高，因為2者的內(nèi)含物和化學成分不同.光萼女婁菜種子的不同成熟時間格局和生理休眠特性決定了種子萌發(fā)對環(huán)境的溫度和光照的響應格局(圖3-A,圖3-B).如果土壤水分充足，較早(08-03，08-10和08-20)成熟的光萼女婁菜種子可以在8月和9月份的溫度條件下大量萌發(fā).而9月之后成熟的種子，則不會在9月和10月的溫度條件下大量萌發(fā).在溫帶內(nèi)陸氣候下，植物需要經(jīng)歷漫長而寒冷的冬季，如果種子在成熟當年隨著降雨出現(xiàn)而萌發(fā)，那么種子必須形成足夠抵御嚴寒的植株體來度過冬季.較早成熟并萌發(fā)的光萼女婁菜的種子有相對較長的生長時間和較適宜的溫度來進行幼苗的建成；而較晚成熟的種子如果萌發(fā)，則可能不會在秋季低溫等環(huán)境條件下形成有效過冬的植株.光萼女婁菜的成熟時間和萌發(fā)對溫度的響應格局，有效地降低了種子的消耗.

光萼女婁菜種子萌發(fā)對光照條件敏感，在完全黑暗的條件下幾乎不能萌發(fā)(圖3-B)，因此散落到土壤深層的種子不會大量萌發(fā)，具備形成持久的土壤種子庫的潛力.另外，光萼女婁菜的果實為蒴果，呈長卵形，開口向上，果實中的種子到第2年才可以完全散布，因此，光萼女婁菜又具有氣生種子庫.土壤種子庫和氣生種子庫能夠?qū)⒐廨嗯畩洳朔N子萌發(fā)在時間和空間上分散，有效降低了種子1次性大量萌發(fā)的風險，是種群在嚴酷多變的環(huán)境中有效的適應策略.

光萼女婁菜通過種子成熟的時間格局調(diào)節(jié)種子的休眠萌發(fā)特性，進而影響植株的生活史周期，為種群的維持和更新提供了多種的選擇.

參考文獻：

[1]陳河龍,王 贊,孫桂芝. 中間錦雞兒結(jié)實習性[J].草業(yè)科學,2007,24(2):20-25.

[2]韓建國,毛培勝,牛忠聯(lián),等. 老芒麥種子發(fā)育過程中的生理生化變化[J].草地學報,2000,8(4):237-244.

[3]YANG X, DONG M, HUANG Z. Role of mucilage in the germination ofArtemisiasphaerocephala(Asteraceae) achenes exposed to osmotic stress and salinity[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2010,48(2-3):131-135.

[4]KEBLAWY E A, RAWAI A A. Effects of seed maturation time and dry storage on light and temperature requirements during germination in invasiveProsopisjuliflora[J].Flora,2006,201(2): 135-143.

[5]TEVIS L J R. Germination and growth of ephemerals induced by sprinkling a sandy desert[J].Ecology,1958,39(4):681-688.

[6]BASKIN C C, BASKIN J M. Seeds: Ecology, biogeography and evolution of dormancy and germination[M]. San Diego: Academic Press, 1998.

[7]GUTTERMAN Y, EVENARI M. The influence of day length on seed coat colour, an index of water permeability, of the desert annualOnonissiculaGuss[J]. Journal of Ecology, 1972,60(3):713-719.

[8]GUTTERMAN Y. The influence of the photoperiodic regime and red-far red light treatments ofPortulacaoleraceaL. plants on the germinability of their seeds[J]. Oecologia, 1974, 17: 27-38.

[9]GALLOWAY L F. The effect of maternal phenology on offspring characters in the herbaceous plantCampanulaAmericana[J]. Journal of Ecology. 2002,90:851-858.

[10] FENNER M. Seeds: the ecology of regeneration in plant communities [M]. 2nd ed. Wallingford UK: CABI publishing, 1992.27-59.

[11] 《內(nèi)蒙古植物志》編輯委員會. 內(nèi)蒙古植物志 [M]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古人民出版社,1985.

[12] 中國科學院中國植物志編輯委員會. 中國植物志[M]. 北京：科學出版社,1996.

[13] 徐富一,池鮮英,李恩淑,等. 硬葉女婁菜止痛、消炎及對關節(jié)炎效能的研究[J].河南醫(yī)學院學報,2003,18(1):31-32.

[14] 趙一之,馬 平. 內(nèi)蒙古女婁菜屬(石竹科)二新種[J]. 植物分類學報,1989,27(3):225-227.

[15] GUTTERMAN Y. Survival adaptations and strategies of annuals occurring in the Judean and Negev Deserts of Israel[J]. Israel Journal of Plant Sciences,2002,50(3):165-175.

[16] SUSKO D J, LOVETT-DOUST L. Patterns of seed mass variation and their effects on seedling traits inAlliariapetiolata(Brassicaceae)[J].American Journal of Botany,2000,87(1):56-66.

[17] BASKIN J M, Baskin C C. A classification system for seed dormancy[J]. Seed Science Research,2004,14(1):1-16.

[18] MEYER S E, MONSEN S B, MCARTHUR E D. Germination response ofArtemisiatridentata(Asteraceae) to light and chill: patterns of between population variation[J]. Botany Gazette, 1990,151: 176-183.

[19] DORNE A J. Variation in seed germination inhibition ofChenopodiumbonus-henricusin relation to altitude of plant growth[J]. Canadian Journal of Botany,1981,59: 1893-1901.