朱唇種子吸水特性及其在干旱脅迫下萌發(fā)特性

王　濤， 李文爽， 劉世勇， 李亞波， 張　利

( 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 四川 雅安 625014 )

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朱唇種子吸水特性及其在干旱脅迫下萌發(fā)特性

王濤， 李文爽， 劉世勇， 李亞波， 張利*

( 四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院， 四川 雅安 625014 )

摘要：種子粘液質(zhì)是植物在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境過(guò)程中形成的，該物質(zhì)對(duì)于種子的擴(kuò)散、定居、生存力的改善、萌發(fā)、幼苗生存乃至抵御有毒化學(xué)物質(zhì)毒害等都具有重要的生態(tài)學(xué)意義。朱唇為唇形科鼠尾草屬多年生草本植物，原產(chǎn)美洲熱帶地區(qū)，現(xiàn)已廣泛栽植于世界各地。為了理解朱唇種子表面的粘液物質(zhì)吸水特性和種子在干旱脅迫下的萌發(fā)特性，該研究以朱唇種子為材料，運(yùn)用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察以及種子萌發(fā)試驗(yàn)的方法，對(duì)種子和粘液層的形態(tài)結(jié)構(gòu)、粘液質(zhì)對(duì)種子萌發(fā)的影響進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：朱唇種子為卵形，表面為負(fù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，千粒重為(1.611±0.0084) g，無(wú)粘液種子吸水倍數(shù)為3，粘液種子吸水倍數(shù)為25，粘液層吸水倍數(shù)為122。粘液和無(wú)粘液種子及粘液層的重量都隨吸水時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但脫水過(guò)程要遠(yuǎn)長(zhǎng)于吸水過(guò)程。朱唇種子吸水2 h達(dá)到飽和，經(jīng)過(guò)36 h可干燥失水恢復(fù)原重。不同濃度PEG對(duì)朱唇種子的萌發(fā)均有影響，發(fā)芽勢(shì)隨PEG濃度升高而顯著降低。朱唇種子在5%PEG脅迫下發(fā)芽率最高達(dá)(90.00±8.66)%，20%PEG脅迫下發(fā)芽率最低為(76.67±10.41)%，低濃度PEG對(duì)朱唇種子萌發(fā)有一定促進(jìn)作用。這說(shuō)明朱唇種子為速萌型種子，其粘液質(zhì)在種子吸水過(guò)程中起到舉足輕重的作用，能保證短時(shí)間內(nèi)有充足的水分供其萌發(fā)。

關(guān)鍵詞：朱唇， 種子， 粘液， 萌發(fā)

種子產(chǎn)生粘液質(zhì)是植物在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境過(guò)程中形成的一種生存對(duì)策，這種產(chǎn)生粘液的種子稱為粘液繁殖體或粘液種子(袁軍文和蘭海燕，2011)。粘液物質(zhì)對(duì)于種子的擴(kuò)散、定居、生存力的改善、萌發(fā)、幼苗生存乃至抵御有毒化學(xué)物質(zhì)毒害等都具有重要的生態(tài)學(xué)意義(伍晨曦等，2009)。目前，對(duì)粘液種子的研究以十字花科(Brassicaceae)、車前科 (Plantaginaceae)和菊科(Asteraceae)等荒漠植物為主 (Gutterman & Shem，1997；劉志民等，2004；劉志民等，2005；谷麗麗等，2008；宋明方等，2009；伍晨曦等，2009)。此外，唇形科(Lamiaceae)很多植物都具有粘液種子，鼠尾草屬(SalviaL.)是包含粘液種子物種最為豐富的屬，也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)屬之一(Hedge，1970；Oran，1997；孫群等，2003，2004；Hatice et al，2011；Muoz et al，2012)。

朱唇(Salviacoccinea)為唇形科(Lamiaceae)鼠尾草屬多年生草本植物，原產(chǎn)美洲熱帶地區(qū)(Ersin et al，2009)。由于朱唇具有治療血崩、高熱和腹痛不適的功效，并且花色艷麗、觀賞周期長(zhǎng)、易栽培而廣泛栽植于世界各地，在我國(guó)云南南部及東南部已逸為野生(Li & Hedge，1994)。朱唇種子為典型的粘液種子，但目前國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的研究。本文以朱唇種子為材料，通過(guò)探討其形態(tài)特征、粘液吸水特性及聚乙二醇(PEG)模擬干旱脅迫下種子的萌發(fā)情況，以期為朱唇規(guī)范化種植提供理論依據(jù)，也為鼠尾草屬植物粘液種子的研究提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1 供試材料

朱唇種子采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)鼠尾草種質(zhì)資源圃，憑證標(biāo)本藏于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物標(biāo)本館(SAU)，編號(hào)WT20110601。

1.2 方法

1.2.1 種子預(yù)處理一部分種子在去離子水中浸泡2 h，然后用濕紗布磨去表面的粘液層，60 ℃烘干，即得無(wú)粘液種子；另一部分種子60 ℃烘至恒重，稱為粘液種子。

1.2.2 種子形態(tài)特征的觀察采用游標(biāo)卡尺測(cè)量種子的長(zhǎng)和寬。取干燥種子，置于離子濺射儀中噴金鍍膜，在JSM-5900LV型掃描電鏡下觀察、照相。分別取粘液及無(wú)粘液種子，在去離子水中浸泡3 h，待吸水飽和后連同未浸泡的種子一起置于體視顯微鏡下觀察、拍照。種子形態(tài)特征描述參考劉長(zhǎng)江等(2004)規(guī)定的術(shù)語(yǔ)。

1.2.3 種子重量稱量不同狀態(tài)種子100?！?次，計(jì)算平均值(Vanesa et al，2008)。各特征值計(jì)算公式如下：粘液層重量=粘液種子重量-無(wú)粘液種子重量；無(wú)粘液種子吸水倍數(shù)=(無(wú)粘液種子吸水飽和后重量-無(wú)粘液種子重量)/無(wú)粘液種子重量；粘液種子吸水倍數(shù)=(種子吸水飽和后重量-種子重量)/種子重量；粘液層吸水倍數(shù)=(種子吸水飽和后重量-無(wú)粘液種子吸水飽和后重量)/ 粘液層重量。重量單位為g，吸水倍數(shù)取整數(shù)位。

圖 1　不同狀態(tài)下的種子　A. 全貌(比例尺=500 μm)； B. 表面 (比例尺=10 μm); C. 自然干燥的種子(比例尺=1 cm); D. 無(wú)粘液種子吸水后 (比例尺=1 cm); E. 粘液種子吸水后的 (比例尺=1 cm); F. 粘附沙子(比例尺=1 cm)。Fig. 1　Appearances of seed under different conditions　A. Appearance of the seed (Bar=500 μm); B. Surface of the seed under electron microscope (Bar=10 μm); C. Dry seed (Bar=1 cm); D. Seed without mucilage after water absorption (Bar=1 cm); E. Seed with mucilage after water absorption (Bar=1 cm)； F. Seed with sand mucilage after water absorption (Bar=1 cm).

1.2.4 吸水和脫水動(dòng)態(tài)特征的觀察按照伍晨曦等(2009)的方法。繪制種子和粘液層的吸水和脫水動(dòng)態(tài)圖。

1.2.5 干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)影響的測(cè)定采用聚乙二醇(PEG-6000，分析純)模擬干旱條件測(cè)定種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率。設(shè)置聚乙二醇濃度梯度為5%、10%、20%，蒸餾水做對(duì)照(CK)。將種子20粒置于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，加入5 mL不同濃度的聚乙二醇溶液，每2 d更換1次濾紙，25 ℃暗培養(yǎng)。每2 d記錄萌發(fā)數(shù)量，以露出胚根2 mm為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，并移走已經(jīng)萌發(fā)的種子，連續(xù)3 d無(wú)新萌發(fā)即視為萌發(fā)結(jié)束。計(jì)算不同處理下種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率。計(jì)算公式如下：

發(fā)芽勢(shì)(%)=2 d內(nèi)發(fā)芽數(shù)/20?！?00%；發(fā)芽率(%)=發(fā)芽總數(shù)/20?！?00%

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示，應(yīng)用Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算和做圖，采用Duncan氏法進(jìn)行多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1 種子形態(tài)及粘液

朱唇種子為卵形(圖1：A)，表面光滑無(wú)毛，棕色有深褐色斑點(diǎn)，長(zhǎng)度為(1.75～2.82)mm，平均(2.49±0.26)mm，寬度為(1.15～1.38)mm，平均(1.28±0.06)mm，長(zhǎng)寬比為1.95。掃描電鏡結(jié)果顯示其表皮紋飾為負(fù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖1：B)。體視顯微鏡下觀察粘液和無(wú)粘液種子發(fā)現(xiàn)它們?cè)谖次畷r(shí)無(wú)明顯區(qū)別；無(wú)粘液種子在吸水后僅體積略膨大，外形與干燥種子無(wú)明顯區(qū)別(圖1：C、D)；粘液種子吸水后體積明顯增大且表面被乳白色半透明的粘液包裹(圖1：E)，萌發(fā)孔處略向內(nèi)凹。為了表明種子粘液具有較強(qiáng)的粘性，將吸水后的粘液種子置于細(xì)沙中翻滾，從圖1：F可以發(fā)現(xiàn)種子完全被沙子包裹，表明粘液粘性較強(qiáng)。

2.2 種子重量

稱重結(jié)果表明，朱唇種子在不同狀態(tài)下重量不盡相同。無(wú)粘液種子為[(0.0011±7.64)×10-6]g，吸水飽和后為(0.0042±0.0002)g；粘液種子為[(0.0014±1.76)×10-5]g，吸水飽和后為(0.0355±0.0035)g；種子千粒重為(1.611±0.0084)g；粘液層為[(0.0003±1.01)×10-5]g。粘液層占粘液種子質(zhì)量的18.57%，但吸水量卻占粘液種子總吸水量的88.61%。無(wú)粘液種子吸水倍數(shù)為3，粘液種子吸水倍數(shù)為25，粘液層吸水倍數(shù)為122。

2.3 種子及粘液層吸水和脫水動(dòng)態(tài)特征

粘液和無(wú)粘液種子及粘液層的重量都隨吸水時(shí)間的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)。粘液種子和粘液層在2 h內(nèi)迅速吸水，2 h后重量不再增加。無(wú)粘液種子在40 min內(nèi)迅速吸水，1 h后達(dá)到飽和，此后重量不再增加(圖2)。粘液和無(wú)粘液種子及粘液層的脫水試驗(yàn)基本就是吸水試驗(yàn)的反轉(zhuǎn)，但是脫水過(guò)程要遠(yuǎn)長(zhǎng)于吸水過(guò)程。其中粘液種子和粘液層在12 h內(nèi)脫水，12～36 h緩慢脫水至干燥。無(wú)粘液種子脫水迅速，2 h就能達(dá)到干燥(圖3)。

圖 2　種子及粘液層吸水動(dòng)態(tài)曲線Fig. 2　Time-course of water suction of seed and the mucilage

2.4 干旱脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響

結(jié)果表明，不同濃度PEG對(duì)朱唇種子的萌發(fā)均有影響(圖4)。發(fā)芽勢(shì)隨PEG濃度升高而顯著降低(表1)，CK和5%PEG的發(fā)芽勢(shì)最高達(dá)(85.00±10.00)%和(71.67±2.89)%，10%、 20%PEG發(fā)芽勢(shì)分別為(43.33±10.41)%和0%，表明PEG明顯阻礙了朱唇種子的萌發(fā)。根據(jù)發(fā)芽率試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)PEG脅迫對(duì)朱唇種子的發(fā)芽勢(shì)無(wú)顯著影響，5%PEG下發(fā)芽率最高達(dá)(90.00±8.66)%，CK、10%、20%PEG下發(fā)芽率分別為(88.33±5.77)%、(86.67±5.77)%和(76.67±10.41)%，表明種子粘液對(duì)調(diào)節(jié)發(fā)芽有一定影響。朱唇種子在不同程度干旱脅迫下萌發(fā)速率不同，從圖4看出隨著干旱脅迫程度的增強(qiáng)種子萌發(fā)時(shí)間也隨之滯后，且發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率也有不同程度的下降趨勢(shì)。

圖 3　種子及粘液層脫水動(dòng)態(tài)曲線Fig. 3　Time-course of dehydration process of seed and the mucilage

圖 4　PEG對(duì)朱唇種子萌發(fā)的影響Fig. 4　Drought stress effects on germination of seed

PEG-6000發(fā)芽勢(shì)Germinationvigor(%)發(fā)芽率Germinationrate(%)CK85.00±10.00A88.33±5.77A5%71.67±2.89A90.00±8.66A10%43.33±10.41B86.67±5.77A20%0.00±0.00C76.67±10.41A

注：*不同字母表示差異極顯著(α=0.01)。

Note: Different letters present significant differences (α= 0.01).

3討論

朱唇原產(chǎn)美洲熱帶地區(qū)，該地區(qū)屬于熱帶草原氣候。粘液種子無(wú)疑為克服這種惡劣氣候提供了有利條件。本研究發(fā)現(xiàn)雖然粘液層僅占種子質(zhì)量的18.57%，但其吸水量卻占到種子總吸水量的88.61%，粘液層對(duì)種子吸水的貢獻(xiàn)之大是普通種子所不具備的，也是其適應(yīng)干旱條件下最重要的保障。此外，種子在吸水后粘液層迅速膨脹，并且這種粘液會(huì)黏附周圍的沙石，使其體積和重量都大大增加，這一現(xiàn)象可能對(duì)防止昆蟲(chóng)的啃食和被風(fēng)吹動(dòng)有重要的意義，保證了種子的發(fā)芽和成活(黃振英等，2001；Gutterman，1993)。

鼠尾草屬是唇形科中最大的屬，主要分布于中南美洲(約500種)、西亞-地中海沿岸(約200種)和東亞(約100種)(Walker et al，2004)的熱帶至亞熱帶的干旱或高原地區(qū)，該區(qū)域只有雨季和旱季，雨季天氣變化無(wú)常，旱季干燥炎熱，種子要萌發(fā)就需要在短時(shí)間內(nèi)大量吸水且保水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。這種特性在鼠尾草屬植物(孫群等，2003，2004；劉麗等，2006；Muoz et al，2012)及其他干旱區(qū)植物(黃振英等，2001；伍晨曦等，2009)中已有發(fā)現(xiàn)。朱唇也是如此：種子吸水至飽和僅需2 h，而脫水至干燥則要36 h。但這種特性的產(chǎn)生是因環(huán)境變化而來(lái)，還是因有此特性而適應(yīng)更廣闊的地理范圍，還需結(jié)合生物地理學(xué)和該屬的系統(tǒng)發(fā)育做進(jìn)一步研究。

水分是種子萌發(fā)的必要條件，也是劃分氣候類型的主要指標(biāo)(Gutterman，1993)。本文采用PEG模擬干旱條件測(cè)定朱唇種子的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率，研究發(fā)現(xiàn)朱唇種子在正常水分供給條件下萌發(fā)時(shí)間短且出苗一致，這與小車前(Plantagominuta) (伍晨曦等，2009)等速萌型種子發(fā)芽情況一致。隨著脅迫程度的增加種子發(fā)芽變得滯后，但CK和5%聚乙二醇條件下種子的發(fā)芽勢(shì)差異不顯著，這可能與粘液物質(zhì)有調(diào)節(jié)萌發(fā)的作用有關(guān)(黃振英等，2001；Gutterman，1993)。本研究還發(fā)現(xiàn)，5%聚乙二醇有促進(jìn)朱唇種子發(fā)芽的特點(diǎn)，這與同屬植物丹參(孫群等，2003，2004)相似，也為朱唇的播種育苗提供一個(gè)有利手段。

綜上所述，本文系統(tǒng)地研究了朱唇種子和粘液質(zhì)吸水和脫水特性以及干旱脅迫下發(fā)芽特性，結(jié)果表明朱唇種子為速萌型種子其粘液質(zhì)在種子吸水過(guò)程中起到舉足輕重的作用，保證短時(shí)間內(nèi)能有充足的水分供其萌發(fā)，低濃度PEG對(duì)朱唇種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用。

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Water absorption properties ofSalviacoccineaseed and its germination characteristics under drought stress

WANG Tao， LI Wen-Shuang， LIU Shi-Yong， LI Ya-Bo， ZHANG Li*

(CollegeofSciences，SichuanAgriculturalUniversity， Ya’an 625014， China )

Abstract:Producing mucilage is a survival strategy of plants that formed in the long-term process of their environment adaptation， and the seeds producing mucilage are called mucilaginous seeds or mucus propagule. Studies show that mucilage has important ecological significance for the dispersal， settlement， viability improvement， germination， survival of seedlings and even the resistance toward the poisoning of toxic chemicals of seeds. Salvia coccinea is a perennial herb (Lamiaceae: Salvia) originating in the tropical regions of the American continent. Due to its high medicinal and ornamental value， S. coccinea is widely cultivated throughout the world. In order to understand the water absorption properties of mucilage on the seeds of S. coccinea and germination characteristics of S. coccinea seed under drought stress. In the present study， seeds of S. coccinea were studied on the morphology and water absorption of seed coat mucilage and seed germination under the drought stress which was created with different concentrations of PEG. The study methods were light micro-scope， scanning electron microscopy observation and seed germination test. The results showed that seeds of S. coccinea were spherical;1 000-grains weight of the seeds was (1.611±0.0084) g; seeds without mucilage were able to absorb an amount of water of 3 times of their own dry weights; seeds were 25 times of their own dry weights; mucilage was 122 times of its own dry weight. The results indicated that the weights of mucilaginous seeds， non-mucilaginous seeds and mucilage layer increased with the extension of time， but the process of dehydration was much longer than that of absorption. Water absorption of the seeds reached saturation 2 h after watering， and the water saturated seeds were dehydrated to their original dry weights in 36 h after being exposed to air at room temperature. PEG of different concentrations had various impacts on the seed germination of S. coccinea， and the germination potential decreased significantly with the increase of PEG concentration. Seed germination rate was as high as (90.00±8.66)% under 5% PEG and as low as (76.67±10.41)% under 20% PEG. In conclusion， S. coccinea seeds are characterized by fast germination. Mucilage plays a decisive role in the water absorption process of seeds and ensures sufficient moisture supply for seed germination in a short time.

Key words:Salvia coccinea， seed， mucilage， germination

中圖分類號(hào)：Q945.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3142(2016)04-0430-05

作者簡(jiǎn)介：王濤(1986-)，男，天津人，在讀博士生，主要從事植物分類學(xué)和植物生理生化研究，(E-mail) wangtaotjau@hotmail.com。*通訊作者： 張利，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植物資源評(píng)價(jià)與利用研究，(E-mail) zhang8434@sina.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2014GA810004)；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014GA810004)；四川省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(14NZ0018)；四川省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(13CX02806098)； 國(guó)家科技部科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金(12C26215105863)[Supported by the National spark Plan of China(2014GA810004); Technology R & D Program of Sichuan(2014GA810004); Sichuan Fund for Agriculaural Scientific and Technological Achilevement Transformation(14NZ0018); Sichuan Technological Innovation Foundation for Small and Medium Enterprises(13CX02806098)； Technological Innovation Foundation for Small and Medium Enterprises of Ministry of Science and Technology(12C26215105863)]。

*收稿日期:2014-10-04修回日期： 2014-12-27

DOI:10.11931/guihaia.gxzw201407008

王濤，李文爽，劉世勇，等. 朱唇種子吸水特性及其在干旱脅迫下萌發(fā)特性[J]. 廣西植物， 2016， 36(4)：430-434

WANG T，LI WS，LIU SY，et al. Water absorption properties ofSalviacoccineaseed and its germination characteristics under drought stress[J]. Guihaia， 2016， 36(4)：430-434