成統(tǒng) ,白雪,2,錢容,段柱標,席會鵬*,唐明勇,3*

1.中國科學院西雙版納熱帶植物園,種子創(chuàng)新研究院,熱帶植物資源可持續(xù)利用重點實驗室,云南 勐臘 666303；2.中國科學院大學生命科學學院,北京,100049；3.中國科學院大學西雙版納熱帶植物園,核心植物園經(jīng)濟植物中心,云南 勐臘 666303

輕木 (Ochroma lagopus) 是木棉科輕木屬常綠喬木；原產(chǎn)南美洲及西印度群島，厄瓜多爾、哥倫比亞、巴西、哥斯達黎加、危地馬拉等地均有分布；厄瓜多爾輕木的產(chǎn)量占世界首位[1]。我國于20 世紀60 年代開始在云南、海南等地引種輕木，但未能大面積推廣種植[2]。作為特殊的工業(yè)原料，干燥的輕木每立方米只有0.1～0.2t[3]，且導熱系數(shù)低、物理性能好是制造絕緣材料、隔音設備及部分飛機組件的良材[4]。輕木孔隙內(nèi)容納的大量空氣使得木材導熱性低、隔音性強，在航天、航海等領域發(fā)揮重要作用，在工業(yè)及民用領域也應用廣泛[5]；輕木具有多種重要的用途，但主要用于加工風力發(fā)電設備。2009 年在鄒壽青等種植于版納植物園的輕木，平均每天長7 cm，超過國際平均每天5 cm 的水平[1]。2020 年我國進口輕木的數(shù)量成倍增長，價格飆升4 倍；輕木國產(chǎn)化已迫在眉睫。目前我國云南、海南、廣東、福建等地開始試種。輕木原產(chǎn)地位于赤道附近，在我國種植會受到低溫制約；此外溫度也是影響種子萌發(fā)的關鍵因素之一[6]。

為了提高種子萌發(fā)率、探索輕木低溫耐受性和最佳種植區(qū)域，本研究初步闡明溫度和pH 值對輕木產(chǎn)業(yè)的影響。研究表明棉花種子萌發(fā)的最適溫度為28℃，10℃以下種子不萌發(fā)[7-9]。有研究報道輕木種子放入60～70℃熱水中，自然降溫到30℃后繼續(xù)浸泡20～48 h，發(fā)芽率為40%～60%[1]。李翠新等將輕木種子置于 65℃ 熱水中處理，直至水溫自然降溫至25℃，繼續(xù)浸泡24 h 后滅菌萌發(fā)，發(fā)芽率僅為17.9%[10]。為充分利用寶貴的輕木種子，提高種子萌發(fā)率是最有效的策略。其次，溫度作為一個重要的環(huán)境因子決定植物的生長發(fā)育；低溫環(huán)境下植物會受到冷害，嚴重時甚至死亡[11]。程嘉琪等[12]在低溫條件下，通過幼苗存活率、冷害指數(shù)、葉片數(shù)、株高及葉綠素含量五個指標對303 份黃瓜進行低溫耐受性評價，結果表明這五個指標基本符合正態(tài)分布，分析結果顯示冷害指數(shù)與幼苗存活率、葉片數(shù)、株高及葉綠素含量四個指標呈極顯著負相關。王紅飛等[13]利用6℃低溫處理黃瓜幼苗，以冷害指數(shù)和恢復指數(shù)為評價指標，得出適宜脅迫時間為 3～5 d。五種木本花卉低溫的耐受性研究表明，在低溫脅迫過程中，木本花卉的相對電導率均隨溫度的降低而持續(xù)上升，耐寒性依次為:臀果木>石斑木>肖蒲桃>桃葉石楠>香蒲桃，其低溫半致死溫度在-8.54℃～-6.07℃之間[14]。輕木作為外來植物引種到西雙版納，其對低溫的耐受性還有待細究。此外，目前國內(nèi)外鮮有對輕木生長最適pH 值和極端低溫耐受性的研究。冷芬等[15]采用盆栽試驗，探究不同土壤pH 值(4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5)對何首烏生長的影響；結果顯示何首烏在土壤pH 值為6.5～9.5 時能正常生長，pH 值為4.5 和5.5 時出現(xiàn)葉片枯萎脫落，少數(shù)不能存活；pH值=6.5 和pH 值=7.5 時生長達到峰值，表明土壤pH 值接近中性環(huán)境時何首烏長勢最佳。肖蒙等[16]對云南省森林土壤酸堿度現(xiàn)狀及影響因素分析發(fā)現(xiàn)云南省森林土壤質(zhì)地多為砂質(zhì)黏壤土，淋溶層與淀積層土壤pH 值分別在3.74～6.77 和4.30～6.59 之間，表明云南省森林土壤主要為酸性土壤。因此找到適宜輕木生長的pH 值范圍，對生產(chǎn)和研究都具有重要的意義。

輕木被廣泛應用于航天、航海、工業(yè)及民用領域，當前主要用于制造風力發(fā)電機葉片。在低碳經(jīng)濟和低碳生活背景下風力發(fā)電的規(guī)模逐漸增大，輕木需求量也隨之增加。我國所需輕木主要來自厄瓜多爾，市場多被歐美等國壟斷，因此輕木國產(chǎn)化已迫在眉睫。然而，國內(nèi)缺少豐富的種質(zhì)資源，且輕木種子自然條件下難萌發(fā)，因此本研究的首要目的是高效地利用有限的種子資源，降低推廣初期的種質(zhì)資源限制。其次，探索輕木低溫耐受性和最適土壤pH 值，指導選擇適合推廣種植的區(qū)域，也是實現(xiàn)輕木國產(chǎn)化的關鍵。本研究通過實驗探究輕木種子的最佳萌發(fā)條件、苗木生長的最適pH 值和輕木對低溫的耐受性，有利于高效利用種子資源、選擇最適宜的地區(qū)推廣種植輕木，為輕木國產(chǎn)化奠定基礎，同時完善輕木種植技術，增加國內(nèi)的輕木產(chǎn)量，打破歐美壟斷輕木市場的局面，對國民經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本實驗所用的輕木種子采自中國科學院西雙版納熱帶植物園（21° 54'N,101° 46'E，海拔580 m）。

0.2%的升汞用于種子滅菌，種子萌發(fā)及培養(yǎng)所用的培養(yǎng)基為1/2 MS 培養(yǎng)基，添加5 g·L-1瓊脂粉，10 g·L-1蔗糖、300 mg·L-1頭孢霉素、200 mg·L-1替卡西林鈉，調(diào)節(jié)pH 值至5.8。探索最適pH 值所用栽培土為營養(yǎng)土和紅土1:1 混成。調(diào)節(jié)土壤pH 值的試劑是用酸或堿調(diào)節(jié)至特定pH 值的澆灌用水。采用SPSS、Excel 和Sigma plot 進行數(shù)據(jù)分析和作圖。

1.2 研究方法

1.2.1 種子最佳萌發(fā)條件探索

(1)采種：在中國科學院西雙版納熱帶植物園采集成熟的輕木果實，剝離出種子后置于4℃冰箱長期儲存。（2）配置1/2 MS 固體培養(yǎng)基。（3）浸種：將準備播種的種子放入15 ml 離心管中，加水至12 ml 處，蓋緊蓋子，上下劇烈搖晃，丟棄漂浮的不飽滿種子，重復3 次。將選種的水倒掉，重新加入無菌水浸泡種子15 h。（4）滅菌：在超凈工作臺上倒出無菌水，加入0.2 %升汞浸泡滅菌30 min，期間搖動3～5 次，再用無菌水清洗種子3 次，最后加入無菌水蓋好蓋子取出。（5）水浴加熱：為提高種子利用率，設計實驗探索萌發(fā)條件。先將種子浸泡過夜，然后設置室溫、45℃、55℃、70℃、85℃、100℃共6 個溫度梯度，每個梯度分別水浴30 min、40 min、50 min 后統(tǒng)計萌發(fā)率。（6）播種：取水浴加熱后的種子，播種至1/2 MS 固體培養(yǎng)基，將種子下胚軸一端1/3～1/2 長度插入培養(yǎng)基中，每組包含3 個重復，每個重復播種50 顆種子，每組5 瓶，每瓶10 顆種子。（7）萌發(fā)與統(tǒng)計：置于16 h 光照，8 h黑暗條件下萌發(fā)，培養(yǎng)室溫度為24±1℃,3 d 后種子開始萌發(fā)，5-7 d 集中萌發(fā)，播種后10 d 后統(tǒng)計萌發(fā)數(shù)。重復3 次，統(tǒng)計3 次重復數(shù)據(jù)后進行結果分析。

1.2.2 極端低溫耐受性探索

育苗分組：無菌苗至長出4-6 片真葉后，選取長勢均勻的幼苗分組備用。（2）冰箱預冷：低溫培養(yǎng)箱溫度降低至實驗所需溫度需要一個小時，需提前打開調(diào)節(jié)溫度備用。（3）低溫處理：將幼苗分批進行低溫處理。（4）統(tǒng)計分析：低溫處理3d 后取出，放回培養(yǎng)室（24 ± 1℃）繼續(xù)培養(yǎng)至植株恢復生長后統(tǒng)計死亡率、葉片損傷率、恢復時間。采用SPSS、Excel 和Sigma plot 進行數(shù)據(jù)分析和作圖。首先定義冷害等級和恢復等級(見圖1)，計算冷害指數(shù)和恢復指數(shù)；再以冷害指數(shù)和恢復指數(shù)為評價指標。

圖1 根據(jù)凍害和恢復程度定義冷害等級和恢復等級Fig.1 Defining cold damage levels and recovery levels according to the intensity of frost damage and recovery

預處理顯示，4℃和6℃均有部分葉片受輕微凍害，因此設置0℃、2℃、4℃、6℃四個溫度進行低溫耐受性鑒定評價；此外，預實驗發(fā)現(xiàn)無菌苗和土培苗的低溫耐受性存在差別，因此增設兩者之間的對比試驗。冷害指數(shù)和恢復指數(shù)計算公式如下：

1.2.3 最適pH 值探索

將營養(yǎng)土和紅土按照1:1 混合配置栽培土。待種子萌發(fā)長出根后再移栽到花盆中。將澆灌水裝入桶中，用鹽酸調(diào)節(jié)到指定 pH 值后澆灌，持續(xù)澆灌四個月。最后每隔十天統(tǒng)計一次株高，二十天統(tǒng)計一次莖粗，三個月后統(tǒng)計葉片數(shù)并根據(jù)株高計算節(jié)間長度。文獻報道顯示云南區(qū)土壤淀積層土壤pH 值在4.30～6.59 之間[17]。因此本實驗設置4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0 七個pH 值梯度進行實驗處理，每個pH 值6 棵植株，每個pH 梯度包含3 個生物學重復。處理前輕木苗株高約15 cm。

2 結果與分析

2.1 通過萌發(fā)率分析最佳熱處理溫度

不同溫度處理萌發(fā)結果顯示室溫和45 度處理的萌發(fā)率較低，但是隨著水浴時間的延長，萌發(fā)率逐漸提高；55℃時種子萌發(fā)率可超過90%，其中處理50 min 的種子萌發(fā)率最高。70℃和85℃處理后種子萌發(fā)率均低于50%，且隨著處理時間的增加萌發(fā)率降低。100℃處理過的種子幾乎不能萌發(fā)（見表1）。初步結果顯示處理溫度對種子萌發(fā)率影響較大，但相同溫度下不同處理時間的萌發(fā)率差異較小。

表1 不同溫度處理后種子萌發(fā)率Tab.1 Seed germination rate after different temperature treatments

為進一步探索最佳萌發(fā)溫度又每間隔5 度設置溫度梯度，從室溫、45℃～80℃ 九個溫度對種子進行熱處理。結果顯示：室溫條件下輕木種子萌發(fā)率僅為34.25%，45℃處理萌發(fā)率為49.33%，50℃處理萌發(fā)率為63.33%，55℃處理萌發(fā)率為80.58%，60℃處理萌發(fā)率為78.67%，65℃處理萌發(fā)率為52.35%，70℃處理萌發(fā)率為41.33%，75℃處理萌發(fā)率為26.53%，80℃處理萌發(fā)率為16.47%；處理溫度對輕木萌發(fā)率有顯著性影響 (見圖2)。萌發(fā)率最高的水浴溫度為55℃，其次是60℃和50℃，萌發(fā)率最低的水浴溫度是80℃。

圖2 不同溫度處理后的種子萌發(fā)情況Fig.2 Seed germination rate after different temperature treatments

水浴溫度由室溫增加到55℃時，隨著水浴溫度的增加，萌發(fā)率逐漸提高；水浴溫度由55℃增加到80℃時，萌發(fā)率持續(xù)降低。水浴溫度達到85℃時，萌發(fā)出的幼苗子葉有損傷且萌發(fā)率顯著降低。

2.2 低溫耐受性分析

2.2.1 低溫處理無菌苗

溫度不僅影響種子萌發(fā)，而且在植物的生長發(fā)育過程中還發(fā)揮著重要的作用。植物在低溫條件下會遭到不同程度的傷害，嚴重時甚至會導致植株死亡。冷處理的無菌苗在培養(yǎng)室恢復7d 后統(tǒng)計不同溫度處理苗的恢復等級。冷害等級達到3 級的幼苗共計60 棵恢復等級均為0 級，說明冷害達到3 級時，已嚴重損壞植株正常生理機能，植株不能繼續(xù)存活；8℃處理恢復指數(shù)均為3 級，說明2 月齡的無菌苗都能耐受8℃低溫（見表2）。以0℃、2℃、4℃的低溫處理2 月的無菌苗，記錄損傷情況（見圖3），處理3 天后統(tǒng)計冷害等級（見表2）。0℃和2℃處理受害較嚴重，分別有91.67%和66.6%的苗達到2 級及以上的冷害；4℃、6℃、8℃處理幾乎無3 級冷害，達到1 級以上冷害的比例分別為12.07%、8.33%和0（見表2）。

表2 低溫處理后植物的冷害等級和恢復等級統(tǒng)計表Tab.2 Evaluation of cold damage and recovery levels after low temperature treatment

圖3 不同低溫條件下無菌苗冷害程度和恢復情況Fig.3 Comparison of cold damage and recovery levels of sterile-culture seedlings under different low temperature conditions

據(jù)表2 和表3 統(tǒng)計低溫處理后的幼苗死亡率、冷害指數(shù)、恢復指數(shù) (見圖3I-K)。3 天后不同溫度處理的幼苗存活率、冷害指數(shù)及恢復指數(shù)差異顯著 (見圖3)，冷害指數(shù)變化范圍在 0～87.22% 之間，恢復指數(shù)變化范圍為 11.9%～100%，這表明3d 是低溫脅迫后鑒定輕木低溫耐受性的適宜天數(shù)。冷害指數(shù)在0℃為87.22%，2℃為60.32%，4℃為7.76%，6℃為5.00%，8℃為0 (見圖3I)；恢復指數(shù)在0℃為11.90%，2℃為34.39%，4℃為84.48%，6℃為98.33%，8℃為100% (見圖3J)。

0℃低溫脅迫后死亡率高達79.24%，剩余未死亡植株損傷嚴重，不能正常生長；2℃低溫脅迫后，死亡率為35.83%，未死亡植株損傷也較為嚴重；4℃低溫脅迫后，死亡率降至6.28%，未死亡植株中仍有30.23%不能恢復至3 級；6℃和8℃低溫脅迫后，未發(fā)現(xiàn)死亡植株，6℃低溫處理下有極少部分葉片輕微損傷，8℃低溫處理下未發(fā)現(xiàn)葉片損傷（見圖3K）。

2.2.2 低溫處理土培苗

為結合野外實際栽培情況，選擇8℃、6℃、5℃、4℃溫度梯度處理株高20～30 cm 的土培苗，相同溫度下對土培幼苗的損傷強于對無菌苗的損傷（見圖4）。6℃低溫會損傷輕木葉片但不致死，葉片損傷一定程度影響植株的生長，8℃低溫對輕木幾乎無影響。5℃處理死亡率33.33%；4℃處理死亡率58.33%，比相同溫度下無菌苗的死亡率高52.05%，表明土培苗的低溫耐受性更差。

圖4 不同低溫條件下土培苗損傷和恢復情況Fig.4 Comparisons of cold damage and recovery levels of soil-culture seedlings under different low temperature conditions

2.2.3 低溫半致死溫度分析

0 ℃、2 ℃低溫處理2～3 月的無菌苗的死亡率分別為79.24%，35.83%（見圖3K），根據(jù)溫度與致死率之間的函數(shù)關系式y(tǒng)=-37.1x +114.8 計算，0～2 ℃下輕木無菌苗的低溫半致死溫度為1.75 ℃。4 ℃、5 ℃低溫處理15～30 cm 土培苗，死亡率分別為33.33%，58.33%（見圖4E），根據(jù)溫度與致死率函數(shù)關系式y(tǒng)=-25x+158 計算，4～5 ℃下輕木幼苗的土培苗低溫半致死溫度為4.32 ℃。

2.3 探索輕木生長最適pH 值

種植于不同pH 值環(huán)境的苗每隔10 d 統(tǒng)計一次株高，每隔20 d 統(tǒng)計一次莖粗，計算平均值作折線圖分析生長趨勢。結果顯示隨著時間的推移，各組間差異越來越明顯，2021 年6 月13 日開始統(tǒng)計至10 月11 日共120 d。pH 值 6.0 時長勢最佳，株高平均增長量188.67 cm，而pH 值4.0 時，株高平均增長量僅102.00 cm，pH 值 6.0 比pH 4.0 多增長84.97%。從圖5 中能看出8 月22 日至9 月21 日株高增長量明顯高于其他時段。

圖5 不同土壤pH 下的株高變化趨勢Fig.5 Variation trends of plant height under different soil pH

生長120 d 后，不同pH 值環(huán)境下的輕木植株高度有顯著差異，pH 值 6.0 時平均株高達到最大值204.00 cm，pH 值 6.0 和 pH 6.5 值差異不顯著，pH值 4.0 時平均株高為117.33 cm，整體株高排序pH 值6.0 >pH 值6.5 >pH 值5.5 >pH 值5.0 >pH 值7.0 >pH 值4.5 >pH 值4.0 (圖6F)。莖粗方面，pH值4.0 和pH 值4.5 時顯著低于其余實驗組，其余實驗組無顯著差異。葉片數(shù)差異不顯著，pH 值 6.0、pH 值 6.5 和pH 值 7.0 三組略高于其他組。節(jié)間長度變化趨勢與株高一致 (圖6H)。

圖6 不同pH 土壤下輕木的株高、莖粗、葉片數(shù)和節(jié)間長度差異Fig.6 Comparisons of plant height,stem diameter,and internode length under different pH soils

3 討論

55℃恒溫水浴處理輕木種子50 min 后，種子萌發(fā)較快且萌發(fā)率達到最高，平均萌發(fā)率超過80%，該處理種子利用率極高；其次是60℃和50℃，50℃、55℃、60℃下的萌發(fā)率差異不顯著；而常溫浸種后種子萌發(fā)率僅有34%。因此育苗過程中可采用50℃～60℃水浴處理50 min 進行催芽。熱處理是通過加速種子破殼因而提高種子萌發(fā)率；但是處理溫度過高（>60℃）時會導致胚的活力降低，因此溫度太高種子萌發(fā)率會降低。

冷處理實驗0℃、2℃、4℃低溫處理2 月齡無菌苗的死亡率分別為79.24%、35.83%和6.28%，低溫半致死溫度為1.75℃。8℃低溫對土培苗幾乎無影響，6℃時葉片有局部損傷（見圖4）。西雙版納生態(tài)站的氣象資料顯示，2008—2018 年西雙版納地區(qū)年均溫在17℃～29℃，日均溫在10℃以上的持續(xù)期在350～365 d[17]，低于6℃極罕見，版納地區(qū)較高的積溫和罕見極端低溫因此適合推廣種植輕木。輕木雖然是原產(chǎn)于赤道附近的熱帶植物，但對低溫具有一定的耐受性，未來可以逐漸往高緯度和高海拔地區(qū)種植馴化，增加推廣種植面積。本研究發(fā)現(xiàn)無菌苗比土培苗更耐低溫，原因可能是無菌苗有培養(yǎng)瓶保護，冷處理的時候溫度變化較緩慢，且不易脫水；土培苗裸露在空氣中，溫度變化較快；受冷風影響葉片明顯失水。

不同pH 值處理結果表明輕木最適生長pH 值是6.0-7.0 之間，有研究顯示西雙版納地區(qū)土壤pH 值普遍低于5.0[18]，因此在輕木推廣種植過程應盡可能選擇pH 值較高的區(qū)域并通過適當施加熟石灰等提高土壤pH 值。輕木上漲周期為四年，超過四年木材密度又會超標；而收購需要輕木直徑達到35cm 以上密度小于0.2g·cm-3，因此在整個生長過程中必須保證持續(xù)快速生長，研究結果表明pH 值對輕木生長速率影響較大（見圖6），選擇pH 值適宜的土地種植輕木是實現(xiàn)輕木國產(chǎn)化種植的關鍵。