李 陽， 李 想， 丁芳兵， 李 倩， 王宇超， 魏 瑩， 毛祝新

(1.陜西省西安植物園，陜西省植物研究所， 西安 710061；2.陜西省植物資源保護與利用工程技術(shù)研究中心， 西安 710061；3.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院， 西安 710300)

種子萌發(fā)與幼苗建植是植物生活史最關(guān)鍵也是最脆弱的環(huán)節(jié)[1-4]。種子萌發(fā)除了受到自身大小、壽命等內(nèi)在因素的影響外，還受到諸多外在環(huán)境因素的影響，如溫度、光照和水分條件等[5]。植物種子萌發(fā)需要特定的生態(tài)環(huán)境。在適宜的環(huán)境中，種子可以迅速萌發(fā)，從而占據(jù)環(huán)境中的空間、養(yǎng)分等資源，以此來維持種群的發(fā)展[6-7]。植物種子萌發(fā)所需環(huán)境因子的生態(tài)幅度也在一定程度上決定了該物種的分布和擴張。

石生委陵菜(PotentillarupestrisL.)為多年生草本；全株莖、葉、花梗和萼片均被柔毛和腺毛；花瓣白色，倒卵形；傘房花序；成熟果實有脈紋，花果期6—8月。石生委陵菜分布于我國黑龍江、內(nèi)蒙古地區(qū)以及歐洲等海拔1 000 m的礫石坡上。石生委陵菜花型漂亮，適應礫石土坡等生長環(huán)境，是不可多得的石生植物。石生委陵菜的這一特征使其適宜應用于石生植物園等專類園的建設(shè)，礫石較多的邊坡修復以及干旱半干旱地區(qū)植被恢復等建設(shè)中。此外石生委陵菜是我國委陵菜屬的重要種質(zhì)資源，對我國生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)安全等方面具有重要作用。但目前國內(nèi)外對石生委陵菜的相關(guān)研究較少。因此，研究石生委陵菜種子萌發(fā)對環(huán)境因素的響應，可以為石生委陵菜的開發(fā)利用與種質(zhì)資源保護提供理論依據(jù)。

表1 溫度對石生委陵菜發(fā)芽特征的影響

1 材料與方法

1.1 材 料

2018年9月于西安植物園收集石生委陵菜種子。收集后的種子放置于陰涼通風處保存。

1.2 試驗方法

種子千粒重按照《林木種子檢驗規(guī)程》(GB 2772—1999)，采用百粒法測定[8]。選取100粒種子，10個重復。利用電子天平稱重后計算出種子千粒重。

萌發(fā)試驗采用培養(yǎng)皿濾紙法進行。選取30枚顆粒飽滿，大小均勻一致的種子，先用 1%次氯酸 (NaClO) 浸泡 5 min 后，立即轉(zhuǎn)移到70 %乙醇浸泡 2 min，再用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙吸干種子表面的水分，放置于直徑為90 mm的鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中。將培養(yǎng)皿置于人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)，分別進行溫度、光周期、水分脅迫下的種子萌發(fā)試驗[9]。種子萌發(fā)以胚根突破種皮2 mm，或者子葉從種皮中出現(xiàn)為準。每日根據(jù)實際情況往培養(yǎng)皿中酌量添加蒸餾水。連續(xù)觀察培養(yǎng)皿中種子萌發(fā)情況，每天定時統(tǒng)計種子萌發(fā)數(shù)目。當連續(xù)5 d沒有種子萌發(fā)則視為萌發(fā)結(jié)束。最后統(tǒng)計種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢等指標[10]。

種子發(fā)芽率(%)=(萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%;

種子發(fā)芽勢(%)= (10 d萌發(fā)種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%;

種子發(fā)芽指數(shù)= ∑(Gt/Dt);

式中：Gt為t天內(nèi)種子萌發(fā)數(shù)，Dt為種子萌發(fā)天數(shù)。

1.2.1溫度處理

設(shè)置4個恒溫處理，分別為10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃。光照周期為12 h/12 h(光照/黑暗)，光照強度為250 μmol·(m2·s)-1。共4個處理，每處理5次重復。

1.2.2光周期處理

設(shè)置2個恒溫處理，分別是：12 h/12 h，14 h/10 h。萌發(fā)溫度：20 ℃。共2個處理，每處理5次重復。

1.2.3水分脅迫處理

首先按照Michel等[11]的方法，將PEG-6000配置成3個不同濃度梯度，分別為5% PEG-6000(溶質(zhì)質(zhì)量/溶液質(zhì)量，下同)，10% PEG-6000，20% PEG-6000。因此共設(shè)置4個水分脅迫處理，分別是：對照(0% PEG)、5% PEG，10% PEG，20% PEG作為干旱脅迫處理。對照處理為等量蒸餾水。種子在各個處理中浸泡24 h后用蒸餾水反復漂洗4～5次，并用濾紙吸干種子表面水分后，放置于鋪有雙層濾紙直徑為90 mm的培養(yǎng)皿中。每日根據(jù)實際情況往培養(yǎng)皿中酌量添加蒸餾水。萌發(fā)溫度為20 ℃，光照周期為12 h/12 h(光照/黑暗)，光照強度為250 μmol·(m2·s)-1。共4個處理，每個處理3個重復。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對所有數(shù)據(jù)進行One-way ANOVA方差分析，樣本間的差異顯著性用t-檢驗。整個數(shù)據(jù)分析利用SAS 9.0軟件進行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子的物理特征

石生委陵菜種子呈現(xiàn)淺棕色，在發(fā)芽過程中，會因為吸水而顏色變深。這與Whittington等[12]的研究結(jié)果相同。種子千粒重為(0.265 2±0.005 3)g。

2.2 石生委陵菜種子萌發(fā)對溫度的響應

通過方差分析得出，溫度顯著影響石生委陵菜種子發(fā)芽率(p<0.001)，發(fā)芽勢(p<0.001)和發(fā)芽指數(shù)(p<0.001),見表1。其中，10 ℃的萌發(fā)溫度下，石生委陵菜種子不發(fā)芽。15 ℃的萌發(fā)溫度下，石生委陵菜已經(jīng)開始發(fā)芽，但是發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均顯著低于在20 ℃或者25 ℃下的發(fā)芽特征。盡管20 ℃和25 ℃這兩個萌發(fā)溫度下，石生委陵菜種子的萌發(fā)特征差異不顯著，但是20 ℃的萌發(fā)溫度下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)相比較在25 ℃萌發(fā)溫度下的各項萌發(fā)指數(shù)分別提高4.80%，9.61%，6.10%(表1)。

表3 水分脅迫對石生委陵菜種子萌發(fā)的影響

2.3 石生委陵菜種子萌發(fā)對光周期的響應

石生委陵菜最適萌發(fā)溫度在20 ℃左右。因此，在光周期對石生委陵菜種子萌發(fā)特征的影響試驗中，設(shè)置萌發(fā)溫度為20 ℃。

通過方差分析得出，盡管光周期對石生委陵菜最終萌發(fā)率沒有顯著影響(p>0.05)，但是光周期顯著提高了石生委陵菜的發(fā)芽勢(p<0.05)和發(fā)芽指數(shù)(p<0.001)。t-檢驗結(jié)果表明，14 h/10 h的光周期相比較12 h/12 h的光周期，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)分別顯著提高24.29%和56.49(表2)。

2.4 石生委陵菜種子萌發(fā)對水分脅迫的響應

通過方差分析得出，不同濃度的PEG溶液處理對石生委陵菜種子的發(fā)芽率(p>0.05)、發(fā)芽勢(p>0.05)以及發(fā)芽指數(shù)(p>0.05)均沒有顯著影響(表3)。隨著PEG溶液濃度增加，石生委陵菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢。但是t-檢驗結(jié)果表明，對照(0 PEG溶液)、5% PEG溶液、10% PEG溶液、20% PEG溶液處理后的種子各項萌發(fā)特征均無顯著差異(表3)。而石生委陵菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的標準誤，在20% PEG溶液處理下表現(xiàn)最大。

3 結(jié)論與討論

3.1 溫度對石生委陵菜種子萌發(fā)的影響

本試驗結(jié)果表明，石生委陵菜種子在15 ℃時已經(jīng)開始萌發(fā)，在20 ℃時各項發(fā)芽特征均最高。在10 ℃萌發(fā)溫度下，石生委陵菜種子萌發(fā)則被完全抑制。分析其原因在于種子萌發(fā)過程中需要進行一系列活躍的代謝反應。適宜的溫度保證代謝反應所需要的酶的活性最高。如果外界環(huán)境高于或者低于該種子的最適萌發(fā)溫度，都會通過改變種子體內(nèi)膜的透性、膜結(jié)合的活性以及酶的活性從而抑制萌發(fā)[13]。種子的最適萌發(fā)溫度因植物物種不同而不同，與植物的原生境有密切關(guān)系[14-15]。種子的這種萌發(fā)機制確保了大部分種子可以在適合的季節(jié)進行萌發(fā)，從而增大幼苗存活的機會[13]。

同時，石生委陵菜在15 ℃時已經(jīng)開始萌發(fā)，20 ℃時各項萌發(fā)指標最高，而25 ℃時各項萌發(fā)指標開始呈下降趨勢。這說明石生委陵菜種子的萌發(fā)對溫度較為敏感，不適合在過冷或者過熱地區(qū)生長。這可能限制了其分布。盡管委陵菜屬植物大都分布較廣，適應性較強[15-16]，但是石生委陵菜的分布較為狹窄。據(jù)文獻報道，石生委陵菜分布在我國內(nèi)蒙古、黑龍江等溫度較低的高緯度地區(qū)，或者海拔較高的地段，而在中低緯度地區(qū)鮮有發(fā)現(xiàn)。其原因在于我國中低緯度地區(qū)春夏季節(jié)氣溫超過石生委陵菜的最適萌發(fā)溫度，導致其在中低緯度等溫暖地區(qū)萌發(fā)受阻，進而限制了其向溫暖地區(qū)的擴張。在培育以及利用石生委陵菜時，要注意適當降低其萌發(fā)溫度，保證其出苗率。此外，還需要進一步研究來證明石生委陵菜成體植株是否耐熱，進而制定更為詳細的針對石生委陵菜的保護和開發(fā)利用的管理對策。

3.2 光周期對石生委陵菜種子萌發(fā)的影響

光照是影響種子萌發(fā)的重要調(diào)控因子[17-19]。光照對種子萌發(fā)的影響主要通過調(diào)控種子體內(nèi)原初遠紅光吸收型光敏素(Pfr)和紅光吸收型光敏素(Pr)來實現(xiàn)。而不同植物種子中Pfr含量以及對Pfr/Pr耐受范圍不同，因此光對植物種子萌發(fā)的影響也不同[13,19]。目前研究發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)受到光照影響的植物種子超過930種，其中672種植物的種子因光照而促進萌發(fā)[20]。光照對植物種子萌發(fā)的影響主要是通過向種子提示適宜萌發(fā)環(huán)境的信號從而導致種子結(jié)束休眠而實現(xiàn)的[21]。

本研究結(jié)果表明，石生委陵菜種子在適宜的溫度和充足的水分條件下，光照雖然沒有改變種子最終發(fā)芽率，但保證了種子萌發(fā)的整齊性，這在一定程度上說明石生委陵菜萌發(fā)過程對光的喜好。而石生委陵菜種子的這一特性，可能與其長期生存環(huán)境息息相關(guān)。首先，石生委陵菜多生長在礫石生境中，其種子在自然情況下可能長期暴露在光照下。在長期的適應和進化過程中，在長光照條件下萌發(fā)得更好的石生委陵菜種群被保留了下來，因此在萌發(fā)過程中對長光照的需求這一特征也被保留下來。其次，石生委陵菜種子很小、且呈橢圓形，很難進入土壤深層[22]。因為本身所含養(yǎng)分有限，較小的種子萌發(fā)后是否能存活、生長，更取決于外界環(huán)境條件是否適宜。再加之，如果被埋藏在土壤深層，即使萌發(fā)也很難長出地面。因此，較小的種子通常需要光照作為信號提示外界環(huán)境是否適宜萌發(fā)[23-24]。結(jié)合石生委陵菜生長的原生境——礫石環(huán)境屬于貧瘠生境來分析，其種子更需要光照長短來提示其外界環(huán)境中的溫度、水分等因子是否適宜，從而保證幼苗的成功定植以及種群的發(fā)展。

盡管在溫度、水分均為最適條件下，光照時間沒有影響到石生委陵菜種子的最終發(fā)芽率，卻顯著影響到其萌發(fā)整齊度和萌發(fā)速度(發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù))，這對植物種群，尤其是生活在貧瘠或者存在激烈競爭環(huán)境中的植物種群來說意義更為重要。一旦外界環(huán)境適合萌發(fā)，其種子迅速而且盡可能多的萌發(fā)可使該植物種群可以迅速占領(lǐng)環(huán)境中的水分、養(yǎng)分等資源，從而提高幼苗的存活率以及子代數(shù)目，進而壯大種群。并通過“提前占有資源”這一途徑，來壓抑群落中其他植物物種的發(fā)展，從而在長時間尺度上占據(jù)更為優(yōu)勢的地位[16]。因此在貧瘠或者競爭激烈環(huán)境中，迅速萌發(fā)可能比高發(fā)芽率對種群發(fā)展的貢獻更大。

3.3 水分脅迫對石生委陵菜種子萌發(fā)的影響

水是植物種子萌發(fā)的必備條件之一[25]。種子萌發(fā)過程中的一切代謝活動都需要水的參與，因此種子萌發(fā)過程中對外界水分變化最為敏感[26]。研究表明，隨著干旱脅迫的增強，種子萌發(fā)呈下降趨勢，甚至會停止萌發(fā)[27]。通常認為，水分脅迫下植物種子的萌發(fā)特性與其原生境密切相關(guān)[28]。原生境中降水量較小、干旱程度較大的植物種子在萌發(fā)過程中對干旱的耐受程度也比較高[29-32]。在本研究中，石生委陵菜種子原生境是礫石山坡環(huán)境，屬于干旱脅迫比較嚴重的生境。因此，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著PEG濃度的增加，石生委陵菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)并沒有和對照處理呈現(xiàn)出顯著差異，但石生委陵菜種子的各項發(fā)芽特征均呈下降趨勢。此外，盡管隨著PEG濃度的增加，石生委陵菜種子的各項萌發(fā)特征的平均值沒有顯著差異，但是在20% PEG溶液處理條件下，其種子萌發(fā)特征的標準差均大幅度增加，即種子萌發(fā)特征差異很大。這說明在20% PEG溶液處理條件下，仍有部分種子受到水分脅迫影響。這進一步說明如果PEG濃度再增加，也就是環(huán)境中水分脅迫再增強，石生委陵菜種子的萌發(fā)必將受到抑制。但是，通過本實驗的結(jié)果可以得出，石生委陵菜的種子在萌發(fā)過程中受到外界水分狀況的影響較小，耐旱能力較強。

綜上所述，石生委陵菜種子的最適萌發(fā)溫度為20 ℃，喜光，具有較強的耐干旱能力。其最適萌發(fā)溫度的限制可能是導致石生委陵菜沒有廣泛分布的主要原因。根據(jù)石生委陵菜耐干旱且喜光的屬性，可將其應用在礫石邊坡、干旱半干旱地區(qū)植被恢復中。但是需要做進一步的實驗來驗證石生委陵菜成體植物對溫度是否敏感，從而制定更詳細針對石生委陵菜保護、開發(fā)和利用的政策。