三種藥用甘草種子位置效應(yīng)對幼苗建植特性的影響

韓春，陸嘉惠，2，3*，周玲玲，牛清東，宋鳳，王躍，楊旭

(1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子 832003；3.石河子大學(xué)甘草研究所，新疆 石河子 832003)

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三種藥用甘草種子位置效應(yīng)對幼苗建植特性的影響

韓春1，陸嘉惠1，2，3*，周玲玲1，牛清東1，宋鳳1，王躍1，楊旭1

(1.石河子大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子 832003；3.石河子大學(xué)甘草研究所，新疆 石河子 832003)

通過對甘草屬3種植物，光果甘草、脹果甘草、烏拉爾甘草植株不同部位種子的萌發(fā)特性、幼苗生長特性、葉綠素含量、葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定和比較，探討了3種藥用甘草植株不同部位種子的萌發(fā)策略、幼苗的生長適應(yīng)性，為更清楚地認(rèn)識甘草屬植物種子萌發(fā)與幼苗建植策略提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明，1)光果甘草植株中、上部，脹果甘草和烏拉爾甘草植株中、下部種子具有較高的出苗率，是種子繁殖的主要保障，但存活率無差異。2)具有較高出苗率的種子萌發(fā)形成的幼苗具有較大的生物量、較長的根長，且根冠比也相對較高，其分配到地下部分生物量多于地上部分，發(fā)達(dá)的根系可增強幼苗的抗逆性和對環(huán)境的適應(yīng)性；而地上部分葉片的葉綠素相對含量、可變熒光(Fv)、最大熒光產(chǎn)量(Fm)、PSⅡ光化學(xué)效率(Fv/Fm)、PSⅡ潛在的光化學(xué)活性(Fv/F0)和光反應(yīng)階段電子傳遞的速率也相對較高，熒光動力學(xué)曲線也反映出其具有較強的熒光強度、電子捕獲和光能利用率，進(jìn)而增強了幼苗建植能力。3)具有較低出苗率的種子萌發(fā)形成的幼苗具有較高的株高，較多的葉片數(shù)，可以通過優(yōu)先占領(lǐng)空間和光源來維持生長。綜上所述，3種藥用甘草不同位置的種子具有不同種子萌發(fā)和幼苗生長策略，這對野生甘草自然種群的幼苗建植和種群更新有著重要的生態(tài)學(xué)意義。

藥用甘草；種子；位置效應(yīng)；幼苗建植

眾所周知，種子萌發(fā)、幼苗的生長和建植過程是植物生活史中最重要的階段，直接影響著種群的擴大和延續(xù)。長期以來人們熱衷于關(guān)注外界環(huán)境條件對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，如溫度[1]、光照[2]、競爭[3]和生境[4]等，也有關(guān)于對種子大小的研究，證實了大種子比小種子具有更高的萌發(fā)率、出苗率、存活率、幼苗生長速度和競爭能力等[5-7]。但親本種子生產(chǎn)的位置效應(yīng)對種子萌發(fā)和幼苗建植的影響往往被忽略，有文獻(xiàn)表明花序內(nèi)的部位差異會影響幼苗的存活率[8]，Buide[9]也發(fā)現(xiàn)二歧聚傘花序草本植物Sileneacutifolia近軸端花序的種子萌發(fā)率最低，而遠(yuǎn)軸端花序的種子萌發(fā)率最高。謝田朋等[10]通過對黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)幼苗建植的研究發(fā)現(xiàn)，黃帚橐吾花序基部種子的萌發(fā)開始時間比頂部種子早，幼苗的根冠比和光合速率表現(xiàn)出頂部大于基部的變化趨勢，這說明植株不同部位種子存在差異，且部位間種子的萌發(fā)和幼苗生長對策不同。

豆科(Leguimnosae)甘草屬(Glycyrrhiza)植物全世界約20種[11-12]，光果甘草(Glycyrrhizaglabra)、脹果甘草(Glycyrrhizainflata)、烏拉爾甘草(Glycyrrhizauralensis)是《中國藥典》[13]收載的藥用甘草的3種甘草原植物。目前對這3種藥用甘草的有性生殖過程的相關(guān)報道較多，如甘草屬植物的傳粉機制和繁育系統(tǒng)[14]、有性生殖過程及生殖敗育[15]、種子結(jié)實特性[16]等。前期對甘草屬幾種植物繁殖資源分配模式和種子生產(chǎn)格局的研究也發(fā)現(xiàn)，3種藥用甘草(烏拉爾甘草、脹果甘草、光果甘草)種子生產(chǎn)模式存在位置效應(yīng)[17]，在植株不同部位繁殖資源投入和繁殖成功有明顯差異。但這種種子生產(chǎn)的位置效應(yīng)是否對甘草子代幼苗建植也有影響，尚不清楚，綜合種子生產(chǎn)和幼苗建植能力的分析，才能更全面理解和認(rèn)識甘草屬植物有性繁殖的“位置效應(yīng)”的生態(tài)學(xué)內(nèi)涵。本研究通過室內(nèi)種子萌發(fā)和盆栽控制實驗，分析植株不同部位種子的萌發(fā)、幼苗生長狀況和光合能力，探討種子生產(chǎn)的位置效應(yīng)對子代建植能力的影響，具體擬解決以下2個問題：1)植株不同部位的種子萌發(fā)特性、幼苗存活及生長特性是否也存在差異？2)如果存在，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是什么，對種群建植和物種更新的適應(yīng)意義是什么？

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取種植30年左右，處于半野生狀態(tài)的甘草居群。光果甘草、烏拉爾甘草居群位于石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站(123°45′ E，44°45′ N)，脹果甘草居群位于石河子150團(tuán)(123°45′ E，45°6′ N)。海拔350～450 m，年平均氣溫6～10 ℃，無霜期平均155～186 d，≥10 ℃年有效積溫3000～3500 ℃，平均年降水量300～500 mm，平均年蒸發(fā)量1500～2000 mm。

1.2 實驗材料

甘草屬植物有幾個至數(shù)十個腋生總狀花序，小花排列稠密，花序長度約為5～20 cm(不同種甘草有差異)。開花順序由下向上漸次開花，每個小花均產(chǎn)生一個果莢，胚珠多數(shù)，果熟期9-10月。于2014年9-10月，在果熟期采集完整植株，帶回實驗室進(jìn)行取樣。3種甘草各選取5株完整植株作為5個重復(fù)，從植株下部第一個花序著生部位開始，將植株平均分為上、中、下3部分，取種子備用。

1.3 實驗方法

1.3.1 種子萌發(fā)試驗 本研究種子采集自野生、半野生狀態(tài)下的甘草屬3種植物(光果甘草、脹果甘草、烏拉爾甘草)[18]，每種甘草標(biāo)記5株，為5個重復(fù)；每株植株各部位隨機選取30粒無蟲害的種子，共計90粒，每種甘草5個重復(fù)，共計450粒種子，進(jìn)行種子萌發(fā)和幼苗生長實驗。用85%的濃H2SO4處理30～90 min后，用無菌水沖洗3遍，0.1%的HgCl2消毒10 min。然后進(jìn)行室內(nèi)盆栽試驗，每盆種15粒種子。用實驗站周圍草甸土作為盆內(nèi)基質(zhì)，過篩除雜以除去其他雜質(zhì)和種子庫?；ㄅ?內(nèi)徑20 cm，深度20 cm)裝土后再在土上蓋一層沙。將甘草種子均勻撒在沙上后再蓋一層細(xì)沙以防止種子被水沖走。室內(nèi)溫度(25±5) ℃，每天光照12 h (10:00-22:00)，隔2 d澆水一次，每天統(tǒng)計一次種子萌發(fā)數(shù)、幼苗出土數(shù)和幼苗死亡數(shù)，10 d后計算不同部位種子的出苗率，50 d后統(tǒng)計存活率。

1.3.2 幼苗建植指標(biāo)測定

出苗率(emergence percentage)=(每盆萌發(fā)出土的幼苗總數(shù)/每盆播種的種子總數(shù))×100%

存活率(survival percentage)=(每盆試驗結(jié)束前建成植株的個體總數(shù)/每盆出土的幼苗總數(shù))×100%

1.3.3 葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)測定 播種50 d后，每種甘草每個部位各隨機選取50株健康幼苗，編號，對每株幼苗單獨進(jìn)行葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)測定，每株幼苗取倒數(shù)第2片完全展開的葉片，避開中脈進(jìn)行測定。用英國產(chǎn)葉綠素測定儀(SPAD)測定葉綠素相對含量。用連續(xù)激發(fā)式熒光儀(PEA, Hansatech, 英國)進(jìn)行葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)測定。葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)參數(shù)測定前葉片暗處理20 min，測定時間為9:30-12:30。葉綠素?zé)晒庵饕ㄒ韵聟?shù):F0(初始熒光)、Fm(最大熒光)、Fv(可變熒光，F(xiàn)v=Fm-Fo)、Fv/Fm(原初光能轉(zhuǎn)化率)和Fv/Fo(PSⅡ潛在的光化學(xué)活性)。

1.3.4 幼苗生長指標(biāo)的測定 每株幼苗單獨進(jìn)行生長指標(biāo)的測定，包括葉片數(shù)、株高(地上部分高度)、根長、地上部分生物量(鮮重)、地下部分生物量(鮮重)。生物量用OHAUS(上海奧豪斯有限公司)1/1000電子天平進(jìn)行稱量。

根冠比(root-shoot ratio)=地下部分的生物量/地上部分的生物量×100%

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件整理所有數(shù)據(jù)，通過SPSS 19.0統(tǒng)計分析。采用One-way ANOVA分析方法檢測植株不同部位間差異的顯著性，采用Duncan新復(fù)極差法(SSR)進(jìn)行多重比較，分析3種甘草植株不同部位的種子萌發(fā)情況、生物量、根冠比、株高、根長、葉片數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異(P=0.05)。用Bivariate Correlation對葉綠素含量與生物量的相關(guān)性進(jìn)行分析，找到最適回歸模型，然后采用冪函數(shù)(power)Y=aXb回歸方程對幼苗葉綠素含量與生物量之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。用Origin 9.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株不同部位種子萌發(fā)及幼苗存活情況

由圖1A可看出，光果甘草植株中上部種子的出苗率高于植株下部種子的出苗率，脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子的出苗率高于植株上部種子的出苗率。由圖1B可以看出，3種甘草植株不同部位種子的存活率均無顯著差異，說明種子生產(chǎn)的位置效應(yīng)影響種子的萌發(fā)及幼苗存活。

2.2 種子生產(chǎn)的位置效應(yīng)對幼苗生物量與生長特性的影響

2.2.1 對幼苗生物量和根冠比的影響 由圖2A可看出，光果甘草植株中上部種子萌發(fā)形成的幼苗總生物量高于植株下部種子萌發(fā)形成幼苗的總生物量，而脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗總生物量高于植株上部種子萌發(fā)形成幼苗的總生物量。由圖2B可以看出，光果甘草植株中上部種子萌發(fā)形成的幼苗根冠比相對較高，與植株下部種子萌發(fā)形成的幼苗相比具有顯著差異(P<0.05)。脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗根冠比相對較高，與植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗相比具有顯著差異(P<0.05)。

2.2.2 對幼苗生長特性的影響 由圖3可以看出，3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗生長特性不同。光果甘草植株下部種子萌發(fā)形成的幼苗株高較高、葉片數(shù)較多， 與植株中、上部種子萌發(fā)形成的幼苗相比都具有顯著差異(P<0.05)，而植株中上部種子萌發(fā)形成的幼苗根長較長。脹果甘草和烏拉爾甘草是植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗株高較高、葉片數(shù)較多，植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗根長較長。

圖1 3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)特性比較(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.1 Comparisons of the seed germination traits at different positions of three species of Glycyrrhiza (mean±SE) 不同小寫字母表示同種類甘草不同部位間的差異顯著(P<0.05)，下同。Different lowercase letters show significant difference (P<0.05) at different positions of plant in same species of Glycyrrhiza. The same below.

圖2 3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗總生物量和根冠比的比較(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.2 Comparisons of the total biomass and the root-shoot ratio of seedlings from different positions seed of three species of Glycyrrhiza (mean±SE)

圖3 3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗株高、根長和葉片數(shù)的比較(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Fig.3 Comparisons of the plant height, root length and the number of leaves of seedlings from different positions of three species of Glycyrrhiza (mean±SE)

2.3 種子生產(chǎn)的位置效應(yīng)對幼苗葉綠素含量及葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.3.1 對葉綠素相對含量的影響 3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量(SPAD值)與植株總生物量的相關(guān)性分析見圖4。光果甘草植株中部(R2=0.61，P<0.01)和上部(R2=0.59，P<0.01)種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量與植株總生物量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)也較高(圖4A)，且植株中上部種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量高于植株下部種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量。脹果甘草幼苗葉綠素相對含量(SPAD值)與植株總生物量的相關(guān)性系數(shù)很低(圖4B)，但植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量高于植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量。烏拉爾甘草植株中部(R2=0.53，P<0.01)和下部(R2=0.62，P<0.01)種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量與植株生物量有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)也較高(圖4C)，且植株中下部所結(jié)種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量高于植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量(P<0.05)。

圖4 3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗葉綠素相對含量 (SPAD值)與幼苗生物量的關(guān)系Fig.4 The relationship between chlorophyll relative content (SPAD value) and seedling biomass of seedlings at different positions of three species of Glycyrrhiza A: 光果甘草 G. glabra; B: 脹果甘草 G. inflata; C: 烏拉爾甘草 G. uralensis.

2.3.2 對葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響 由表1數(shù)據(jù)可知，3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗的初始熒光(F0)沒有顯著差異，光果甘草植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗最大熒光產(chǎn)量(Fm)和可變熒光(Fv)明顯高于植株下部種子萌發(fā)形成的幼苗，脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗最大熒光產(chǎn)量(Fm)和可變熒光(Fv)高于植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗，且有顯著差異(P<0.05)。3種甘草幼苗的Fv/Fm值集中在0.80～0.85，F(xiàn)v/F0值均在4.83～5.22之間，表明幼苗沒有受到顯著的光脅迫，幼苗PSⅡ系統(tǒng)光能轉(zhuǎn)換效率處于正常水平。光果甘草在植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗的PSⅡ系統(tǒng)光能轉(zhuǎn)換效率高于植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗的PSⅡ系統(tǒng)光能轉(zhuǎn)換效率，無顯著差異。脹果甘草和烏拉爾甘草在植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗的PSⅡ系統(tǒng)光能轉(zhuǎn)換效率較高，與植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗的PSⅡ系統(tǒng)光能轉(zhuǎn)換效率相比都具有顯著差異(P<0.05)。光果甘草植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗Fv/F0值高于植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗，而脹果甘草和烏拉爾甘草則是植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗Fv/F0值高于植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗，具有顯著差異(P<0.05)。說明光果甘草植株上部，脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗PSⅡ潛在的光化學(xué)活性高，有活性的PSⅡ反應(yīng)中心的數(shù)量也多，光能轉(zhuǎn)化率也較高。

表1 3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的比較Table 1 Comparisons of the chlorophyll fluorescence parameter of seedlings at different positions of three species of Glycyrrhiza

F0: 初始熒光Initial fluorescence;Fm: 最大熒光Maximal fluorescence;Fv: 可變熒光Variable fluorescence;Fv/Fm: PSⅡ最大光化學(xué)效率Maximal photochemical efficiency of PSⅡ;Fv/F0: PSⅡ潛在活性Potential activity of PSⅡ. 同列不同小寫字母表示同種甘草植株不同部位在0.05水平上差異顯著。Different lowercase letters in the same column indicate the significant differences among different positions of plant at 0.05 level.

圖5 3種甘草不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的比較Fig.5 The fast chlorophyll fluorescence induction curves of seedlings leaves at different positions of three species of Glycyrrhiza A: 光果甘草 G. glabra; B: 脹果甘草 G. inflata; C: 烏拉爾甘草 G. uralensis.O：初始熒光Initial fluorescence；J：2 ms時的熒光Fluorescence at 2 ms；I：30 ms時的熒光Fluorescence at 30 ms；P：最大熒光Maximal fluorescence.

2.3.3 對葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)的影響 3種甘草不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線見圖5。由圖5可以看出，3種甘草健康功能葉片的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線屬于典型的快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線(O-J-I-P曲線)。相同葉面積的光照條件下，雖到達(dá)P點的時間也無差異，但光果甘草植株中上部種子萌發(fā)形成的幼苗葉片熒光信號強于植株下部種子萌發(fā)形成的幼苗葉片熒光信號(圖5A)，而脹果甘草(圖5B)和烏拉爾甘草(圖5C)則是植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗的葉片熒光信號強于植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗葉片熒光信號，尤其表現(xiàn)在I～P相階段差異明顯。

3 討論與結(jié)論

3.1 位置效應(yīng)對植株不同部位種子萌發(fā)及幼苗存活的影響

眾所周知，植物自然更新保證了種群的繁衍、延續(xù)及群落的組成與穩(wěn)定，甘草屬植物的自然更新主要有種子繁殖和無性繁殖2種方式。然而，在自然環(huán)境中野生甘草實生苗卻很少見，主要是通過根莖上休眠芽來進(jìn)行無性生殖(克隆生殖)[12]，這種繁殖方式對提高物種的環(huán)境適應(yīng)能力，維持群落的穩(wěn)定有著極其重要的作用。但是，種子更新能夠提高或維持種群的遺傳多樣性，對種群的擴散和進(jìn)化十分重要[19]。本研究結(jié)果表明，脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子具有較高的出苗率，可能對種群擴散的貢獻(xiàn)率更大。這與前期的繁殖資源分配模式研究結(jié)果一致(脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部具有較高繁殖資源投入，座果率和結(jié)實率也較高，且種子品質(zhì)相對較好)，與陳思羽等[20]對大豆(Glycinemax)植株不同冠層種子活力的研究結(jié)果也相似。而這2種甘草植株上部種子出苗率都較低，幼苗存活率卻與植株中下部種子無差異，其原因可能與種子活力有關(guān)。在繁殖資源受限的情況下，為保證子代繁殖成功，在植株上部選擇性的敗育部分種子，使其余種子具有較高活性，是植物在種子生產(chǎn)過程中對種子數(shù)量和質(zhì)量的權(quán)衡。相反，光果甘草卻是植株中、上部種子比植株下部種子相比有較高的出苗率、但存活率無差異，認(rèn)為其原因與繁殖資源分配策略有關(guān)。有關(guān)研究表明，植物體分配給營養(yǎng)生長和生殖生長的資源與其個體大小有關(guān)，植株大小不僅影響繁殖構(gòu)件的數(shù)量和大小，還可影響果實與種子的敗育水平以及后代的生存力[21-23]。光果甘草植株較高大，在生殖過程的初期營養(yǎng)生長和生殖生長競爭激烈，雖然在植株下部具有較高的座果率和結(jié)籽率，但受資源競爭的影響，植株下部種子儲藏的初始能量也較少，種子活性低，出苗率和存活率也較低。而隨著植株中、后期的生長，通過敗育部分種子，減少種子數(shù)量，提高種子活力，緩解了資源競爭的壓力，從而提高種子的出苗率和存活率，有利于增加子代的存活機會，以減小繁殖資源限制對植物繁殖成功的影響，提高了子代幼苗的成功建植率。

3.2 位置效應(yīng)對幼苗生長和建植特性的影響

幼苗通過改變其自身生活史、形態(tài)及生理特征，提高環(huán)境因子限制時的競爭力和幼苗存活力[24]，能使植物適應(yīng)各種不利的生存環(huán)境，對幼苗的散布與拓殖具有重要意義[25]。比如在極端干旱的荒漠環(huán)境中，植物通常具有發(fā)達(dá)的根系，較大的根冠比，可以增強植物的抗旱和抗瘠薄能力[26]。在本研究中，光果甘草植株中上部種子萌發(fā)形成的幼苗比植株下部種子萌發(fā)形成的幼苗總生物量大，而脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗均比植株上部種子萌發(fā)形成的幼苗總生物量大，同時根冠比較高，根也較長。說明這些部位種子萌發(fā)后將較多資源分配到地下部分，不僅增大了幼苗對水分和養(yǎng)分的吸收量，增強了幼苗的抗旱和抗瘠薄能力，而且對無性繁殖能力較強的甘草來講，發(fā)達(dá)的根系對種群的擴大和延續(xù)也具有重要意義[27]，這與荒漠植物駱駝刺(Alhagisparsifolia)[26]的生殖策略一致。而出苗率低的種子萌發(fā)后將相對較多的資源投入到地上部分的生長，較高的株高和較多的葉片數(shù)可以較早地占領(lǐng)空間，搶先獲得光源來維持生長，提高建植成功率。由此可見，3種甘草不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗，采取了不同的生物量分配策略，來提高生存適合度和建植能力。

3.3 位置效應(yīng)對幼苗葉綠素含量及熒光特性的影響

葉綠素作為光合作用的光敏催化劑，其含量是植物適應(yīng)和利用環(huán)境因子的重要指標(biāo)[28]，能夠反映植物適應(yīng)環(huán)境變化所形成的生存對策[29]，因此可用葉綠素含量、熒光參數(shù)作為判斷植物生長和抗逆性強弱的指標(biāo)[30]。本研究結(jié)果表明，光果甘草植株中上部，烏拉爾甘草植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗生物量與葉綠素相對含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性系數(shù)的大小也恰好反映了幼苗生物量的大小。說明光果甘草和烏拉爾甘草植株不同部位種子的差異是影響幼苗葉綠素的合成與生長速率的直接原因。但脹果甘草幼苗植株生物量與葉綠素相對含量無相關(guān)性，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能與室內(nèi)培養(yǎng)條件下光照強度沒有達(dá)到脹果甘草生長所需，3種甘草中脹果甘草對光照要求最高[12]，所以導(dǎo)致脹果甘草幼苗葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線P點時葉綠素?zé)晒鈴姸纫沧钊?1762～1774 mV)，低于光果甘草和烏拉爾甘草(1749～1878 mV)，說明光照強度影響了葉綠素含量的合成。這也符合3種甘草對野外環(huán)境的適應(yīng)策略，脹果甘草對光照要求較高，使其主要分布于光照充足的區(qū)域。烏拉爾甘草對光照要求相對較低，使其成為一個廣布種。光果甘草雖光照要求較低，但對水分要求較高，多分布于水多的綠洲[31]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)的大小和變化往往用于判斷和推測植物對環(huán)境因子的抗逆性和對環(huán)境的適應(yīng)能力[32-33]。本研究結(jié)果表明，光果甘草植株中上部，脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗比植株其他部位種子萌發(fā)形成的幼苗具有更高的Fm、Fv、Fv/Fm和Fv/F0，說明這些部位種子萌發(fā)形成的幼苗具有更高的PSⅡ電子受體還原能力、熒光產(chǎn)量、光能轉(zhuǎn)換效率和潛在的光化學(xué)活性。較高的PSⅡ光化學(xué)效率和PSⅡ潛在的光化學(xué)活性可增強幼苗對光的利用效率與碳同化能力，同時也增強了其耐鹽、耐干旱以及與同類或者其他物種的競爭力[34]。

葉綠素?zé)晒獾膭恿W(xué)曲線變化在一定程度上反映了植物對環(huán)境的響應(yīng)[35]，通過對3種甘草植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線的分析，可深入了解植株不同部位種子萌發(fā)形成的幼苗對環(huán)境的響應(yīng)。本研究中的幼苗的葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線屬于典型的OJIP相，說明幼苗沒受到脅迫[36]。植物葉片在經(jīng)一段時間的暗適應(yīng)后，光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的初級醌受體(QA)、次級醌受體(QB)及質(zhì)體醌(PQ)庫等均完全失去電子而被氧化，此時光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)的受體接受電子的能力最大，葉片受光照射后的熒光產(chǎn)量最小，即此時處于初始熒光相“O”點(Fo)。當(dāng)對植物葉片以強光照射時后，光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心被激發(fā)后產(chǎn)生的電子經(jīng)由光系統(tǒng)傳給QA，將其還原生成QA-，而QB不能及時從QA-接受電子將它氧化，造成QA-大量積累，使熒光強度迅速上升至“J”點。此后，QB不斷接受來自QA-的電子，形成QB2-，導(dǎo)致QA和光系統(tǒng)完全進(jìn)入還原狀態(tài)，此時光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)反應(yīng)中心處于完全關(guān)閉狀態(tài)，不再接受光量子，熒光產(chǎn)量達(dá)到最高，使熒光增強到P點[37]。因此，通過對動力學(xué)曲線的不同階段分析和比較，可以推測不同植物的潛在光合能力。本研究結(jié)果表明，光果甘草植株中上部，脹果甘草和烏拉爾甘草植株中下部種子萌發(fā)形成的幼苗與其他部位種子萌發(fā)形成的幼苗相比，無論是在初級醌受體(QA)不斷被還原階段，還是在次級醌受體(QB)不斷被還原階段都具有較強的熒光產(chǎn)量。說明其具有相對較強的電子傳遞和捕獲能力，而且具有較多的反應(yīng)中心數(shù)目和較大的質(zhì)體醌(PQ)庫，利用光能的效率和潛力也高，在相同自然條件下其具有更高的光合能力，使幼苗的生長和建植更具有優(yōu)勢。

本實驗結(jié)果表明，甘草自然種群的花與果實存在位置效應(yīng)，并且植株不同部位種子的萌發(fā)和幼苗的建植特性不同，但這種差異是否會在以后的生長中消失還有待進(jìn)一步研究。此外，已有研究表明種子的萌發(fā)特征、幼苗的生長和建成過程還與植物物種本身的遺傳特性有關(guān)[38]，不同遺傳類型可能會導(dǎo)致生長特性的差異，如花粉來源與子代種子萌發(fā)與幼苗生長具有很大相關(guān)性[39]。甘草屬植物由于開花時序的差異，可能造成植株不同部位的花粉來源不同，這也可能導(dǎo)致種子遺傳特性的差異，從而影響種子萌發(fā)、幼苗生長和幼苗光合特性。因此，對植株不同結(jié)實位置的花粉流進(jìn)行研究，可為甘草屬植物植株不同部位的繁殖策略、種群的適應(yīng)性進(jìn)化研究提供更全面的資料。

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Effects of seed position on seedling establishment in three medicinal licorice species

HAN Chun1, LU Jia-Hui1,2,3*, ZHOU Ling-Ling1, NIU Qing-Dong1, SONG Feng1, WANG Yue1, YANG Xu1

1.CollegeofLifeSciencesofShiheziUniversity,Shihezi832003,China; 2.TheKeyLaboratoryOasisEco-agriculture,XinjiangProductionandConstructionGroup,Shihezi832003,China; 3.InstituteofLicoriceofShiheziUniversity,Shihezi832003,China

The position effect of seeds within a plant is a common phenomenon, but its influence on seed germination and seedling establishment is not well known. The objective of this study was to determine whether there were differences in seed germination strategies and seedling growth among seeds obtained from different (upper, middle, and lower) positions of the plant for three medicinal licorice species (Glycyrrhizaglabra,Glycyrrhizainflata,Glycyrrhizauralensis).Seeds were collected from different positions on the plant, and then seed germination, seedling growth, seedling chlorophyll content, and chlorophyll fluorescence were measured. The main findings can be summarized as follows: 1) InG.glabra, the seedling emergence rates were higher for seeds from upper and middle positions than for seeds from the lower position. ForG.inflateandG.uralensis, the seedling emergence rates were higher for seeds from middle and lower positions than for those from the upper position. The seedling survival rate did not differ significantly among the different collection positions. 2) The seedlings from the seeds with a high seedling emergence rate had higher total biomass, root length, and root∶shoot ratio than those of other seedlings, and a larger proportion of their biomass was allocated to below-ground parts, which can enhance seedling resistance and environmental adaptability. The seedling chlorophyll content and chlorophyll fluorescence parameters (Fv,Fm,Fv/Fm,Fv/F0, electron transmission speed in the light reaction) were also higher in seedlings from seeds with a high seedling emergence rate. In addition, the fluorescence kinetics curve showed that these seedlings had a strong fluorescence intensity and high electron and light capture rates, which can enhance seedling establishment. In contrast, the seedlings from seeds with a low seedling emergence rate had greater plant height and more leaves to occupy space and intercept light. These results indicate that the seeds from different positions on the plant have different germination and seedling growth strategies, which are of great ecological significance for seedling establishment and population regeneration of wild licorice plants.

medicinal licorice; seed; positional effect; seedling establishment

10.11686/cyxb2016344

2016-09-14；改回日期：2016-11-14

國家自然科學(xué)基金(31260042)資助。

韓春(1991-)，男，甘肅武威人，在讀碩士。E-mail:wwhanchun@163.com

*通信作者Corresponding author. E-mail：jiahuil@shzu.edu.cn

http://cyxb.lzu.edu.cn

韓春, 陸嘉惠, 周玲玲, 牛清東, 宋鳳, 王躍, 楊旭. 三種藥用甘草種子位置效應(yīng)對幼苗建植特性的影響. 草業(yè)學(xué)報, 2017, 26(7): 128-137.

HAN Chun, LU Jia-Hui, ZHOU Ling-Ling, NIU Qing-Dong, SONG Feng, WANG Yue, YANG Xu. Effects of seed position on seedling establishment in three medicinal licorice species. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(7): 128-137.