不同溫度條件對(duì)3種車前屬植物種子萌發(fā)的影響

賈風(fēng)勤12

(1.烏魯木齊職業(yè)大學(xué)旅游學(xué)院,烏魯木齊 830002;2.烏魯木齊職業(yè)大學(xué)旅游發(fā)展研究所，烏魯木齊 830002)

在種子植物的生活史中，種子萌發(fā)是植物生長的基礎(chǔ)，也是植物繁殖過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，萌發(fā)特征影響著幼苗的存活能力和個(gè)體適合度[1]。作為幼苗建成的前提，種子萌發(fā)甚至決定某些植物的稀有性和分布范圍，深入分析種子萌發(fā)特點(diǎn)及其調(diào)控因子，不但可以明確其自然有性更新的原因，而且可以使人工控制種群更新成為現(xiàn)實(shí)[2]。

種子萌發(fā)受自身基因、生理和形態(tài)等屬性影響[3-5]，還與自然環(huán)境中非生物因子密切相關(guān)。溫度是影響種子萌發(fā)的重要因素之一，適宜的溫度可增強(qiáng)酶活性，促進(jìn)物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化，種皮透性改變，利于種子吸水和氣體交換。變溫有利于種子萌發(fā)，如李雄等研究發(fā)現(xiàn)，紫花針茅(Stipapurpurea)種子適宜的萌發(fā)溫度是變溫15 ℃/25 ℃[6]。張穎娟等認(rèn)為，變溫15 ℃/25 ℃也同樣有利于長葉紅砂(Reaumuriatrigyna)和紅砂(Reaumuriasoongorica)種子萌發(fā)[7]。而魚小軍等對(duì)條葉車前種子(Plantagolessingii)萌發(fā)研究認(rèn)為恒溫20 ℃最適宜該種子萌發(fā)[8]；黃振英等也發(fā)現(xiàn)梭梭(Haloxylonammodendron)種子最適萌發(fā)溫度為10 ℃[9]。劉有軍等研究發(fā)現(xiàn)，恒溫20 ℃和變溫為15/25 ℃均為碟果蟲實(shí)(Corispermumpatelliforme)萌發(fā)的最佳溫度[10]。劉自剛等[11]在對(duì)桔梗的研究中也認(rèn)為適宜水分條件下，變溫10 ℃/20 ℃和恒溫15～25 ℃條件下桔梗種子能夠良好萌發(fā)。事實(shí)上，植物都以個(gè)性化的萌發(fā)模式適應(yīng)著變化的環(huán)境，即使同一物種，產(chǎn)自不同地區(qū)的種群種子萌發(fā)特征也可能截然不同，如車前(Plantagoasiatica)[12]、紫花針茅[6]。所以，深入分析植物種子萌發(fā)特性有助于評(píng)估植物種群有性更新的適宜生態(tài)位，促進(jìn)植物資源管理[13]，有助于充分應(yīng)用植物具備的生態(tài)功能。

我國有車前科植物1屬約18種，新疆產(chǎn)11種，分布于全疆各地，也是天山天池景區(qū)常見植物。車前屬植物多為理想的藥用植物，或是優(yōu)良的防風(fēng)固沙植物。對(duì)車前屬植物的研究集中在藥用植物資源調(diào)查方法[14]，關(guān)于車前屬植物種子萌發(fā)的研究較少[6,15]。因此，本研究以分布在天山天池景區(qū)的3種車前屬植物包括小車前(plantagominuta)、車前(Plantagoasiatica)和大車前(Plantagomajor)為材料，通過溫度對(duì)其種子萌發(fā)影響的研究，旨在探索車前屬種子萌發(fā)對(duì)策和生態(tài)適應(yīng)性，為充實(shí)車前屬植物對(duì)高山草原和荒漠環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制及對(duì)景區(qū)植被保持和恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試種子

實(shí)驗(yàn)所用的小車前種子于2017年6月采自天山天池景區(qū)的北部沙漠景區(qū)，車前和大車前種子于2017年8月采自天山天池景區(qū)天池核心區(qū)和燈桿山景區(qū)，于種子成熟尚未脫落或少量脫落時(shí)進(jìn)行采集。將采集的種子自然風(fēng)干后，清理干凈，放置于實(shí)驗(yàn)室(平均溫度為23 ℃)環(huán)境中保存?zhèn)溆?。?shí)驗(yàn)前對(duì)3種植物供試種子采用TTC法進(jìn)行活力快速測定，經(jīng)檢測種子活力均為96%以上。

1.2 種子萌發(fā)

先將種子進(jìn)行分揀，盡量去除空粒種子。設(shè)置3個(gè)變溫(15 ℃/25 ℃、20 ℃/30 ℃、25 ℃/35 ℃)和3個(gè)恒溫(20 ℃、25 ℃、30 ℃)條件，所有萌發(fā)在光照12 h/黑暗12 h的培養(yǎng)條件下進(jìn)行。3種車前屬植物每個(gè)溫度條件設(shè)置5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取50～100粒種子(小車前種子為50粒)，置于墊有2層濾紙的90 mm培養(yǎng)皿中。每皿加入5 mL蒸餾水，萌發(fā)期間及時(shí)補(bǔ)充蒸餾水，以保證種子萌發(fā)所需水分，實(shí)驗(yàn)持續(xù)7 d。每天統(tǒng)計(jì)萌發(fā)情況，以胚根長為2 mm作為標(biāo)準(zhǔn)判斷種子是否萌發(fā)。計(jì)算公式為：

萌發(fā)率(%)=(7 d累計(jì)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(規(guī)定4 d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)；

式中：Gt為與Dt相對(duì)應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)；Dt為發(fā)芽天數(shù)。

萌發(fā)時(shí)滯(d)為萌發(fā)開始時(shí)間，即第一粒種子萌發(fā)所需要的天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

用SPSS Statistics 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和差異性分析，用Tukey法進(jìn)行多重比較。采用Graphpad Prims 5.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)3種車前屬植物種子發(fā)芽起始時(shí)間的影響

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，在不同培養(yǎng)溫度條件下，3種車前屬植物種子發(fā)芽起始時(shí)間有所不同(圖1，表1)，無明顯規(guī)律。小車前種子在恒溫條件下發(fā)芽起始時(shí)間較相對(duì)應(yīng)的變溫條件快，變溫(15 ℃/25 ℃、25 ℃/35 ℃)顯著延遲萌發(fā)起始時(shí)間，在恒溫20 ℃和25 ℃培養(yǎng)條件下培養(yǎng)1 d即可開始萌發(fā)，但變溫15 ℃/25 ℃和25 ℃/35 ℃時(shí)，培養(yǎng)2.8 d和2.6 d種子才萌發(fā)；變溫培養(yǎng)條件也顯著延遲了車前種子發(fā)芽時(shí)間，尤其在15 ℃/25 ℃培養(yǎng)條件下，培養(yǎng)4 d才可萌發(fā)；大車前種子發(fā)芽起始時(shí)間與小車前和車前略有不同，除變溫15 ℃/25 ℃和25 ℃/35 ℃培養(yǎng)條件外，恒溫20 ℃也顯著延遲萌發(fā)起始時(shí)間，均達(dá)到30 ℃培養(yǎng)條件下發(fā)芽起始時(shí)間的3倍。

同一培養(yǎng)溫度條件對(duì)3種車前屬植物發(fā)芽起始時(shí)間的影響效應(yīng)也有所不同，但總體情況為小車前種子萌發(fā)起動(dòng)較快(除25 ℃/35 ℃)，車前和大車前則明顯延遲，且存在顯著差異。

2.2 溫度對(duì)3種車前屬植物種子萌發(fā)進(jìn)程的影響

6種培養(yǎng)溫度下小車前、車前和大車前的種子萌發(fā)進(jìn)程變化趨勢相近，即均呈現(xiàn)隨培養(yǎng)時(shí)間延長，種子萌發(fā)率逐漸增加。其中，大車前在20 ℃/30 ℃和25 ℃的培養(yǎng)溫度下種子萌發(fā)呈快速且集中的特點(diǎn)，在20 ℃/30 ℃培養(yǎng)條件下所有種子在第4天即全部萌發(fā)，在25 ℃則提前至第3天；車前在20 ℃/30 ℃培養(yǎng)條件萌發(fā)更為集中(萌發(fā)率為100%)，在25 ℃時(shí)萌發(fā)趨勢與大車前相近，但萌發(fā)率約為85%。

圖1 3種車前屬植物種子萌發(fā)進(jìn)程受培養(yǎng)溫度的影響效應(yīng)

表1 3種車前屬植物種子萌發(fā)率受培養(yǎng)溫度的影響效應(yīng)

注：不同小寫字母表示同一植物種的萌發(fā)率在培養(yǎng)溫度間差異顯著；不同大寫字母表示不同植物種在同一培養(yǎng)溫度間差異顯著。

2.3 溫度對(duì)3種車前屬植物種子萌發(fā)率的影響

由表1可知，3種車前屬植物種子萌發(fā)率表現(xiàn)出相同規(guī)律，即種子萌發(fā)最適宜的變溫環(huán)境為20 ℃/30 ℃，恒溫培養(yǎng)條件為25 ℃；同時(shí)無論在變溫培養(yǎng)條件下還是在恒溫培養(yǎng)條件下，3種車前屬植物種子萌發(fā)率均表現(xiàn)出隨培養(yǎng)溫度遞增萌發(fā)率先增后降的變化趨勢。

通過表1還可知，3種車前屬植物種子萌發(fā)率受培養(yǎng)溫度的影響效應(yīng)也有所不同。小車前和車前種子在變溫20 ℃/30 ℃培養(yǎng)條件下萌發(fā)率均為最高，且顯著高于其他培養(yǎng)溫度；大車前種子在變溫20 ℃/30 ℃和25 ℃/35 ℃、恒溫25 ℃和30 ℃培養(yǎng)條件下萌發(fā)率均超過90%，且以25 ℃時(shí)萌發(fā)率最高為100%，但4種培養(yǎng)溫度間萌發(fā)率無顯著差異。較低的變溫(15 ℃/25 ℃)和較高的恒溫(30 ℃)顯著抑制小車前種子萌發(fā)，車前種子不適宜在變溫15 ℃/25 ℃和恒溫20 ℃條件下萌發(fā)，恒溫20 ℃也不利于大車前種子萌發(fā)。

在同一培養(yǎng)溫度條件下，3種車前屬植物間萌發(fā)率對(duì)培養(yǎng)條件的響應(yīng)有所不同，其中，大車前在變溫(20 ℃/30 ℃培養(yǎng)條件下其萌發(fā)率與車前無顯著差異)和部分恒溫培養(yǎng)條件下的萌發(fā)率要顯著高于小車前和車前，表明大車前種子萌發(fā)所需的溫度條件比較寬泛。

2.4 溫度對(duì)3種車前屬植物種子萌發(fā)特征的影響

種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)是評(píng)價(jià)一定條件下種子萌發(fā)優(yōu)劣的常用指標(biāo)之一。由圖2可知，3種車前屬植物種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)表現(xiàn)出與萌發(fā)率相一致的變化規(guī)律，即變溫環(huán)境20 ℃/30 ℃、恒溫25 ℃時(shí)，種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均為最高；并且在3個(gè)變溫和3個(gè)恒溫培養(yǎng)條件中，3種車前屬植物種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均表現(xiàn)出隨培養(yǎng)溫度遞增呈先增后降的趨勢。

由圖2可知，3種車前屬植物種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)受培養(yǎng)溫度的影響效應(yīng)也有所不同。變溫(20 ℃/30 ℃)、恒溫(20 ℃和25 ℃)培養(yǎng)條件使小車前種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)顯著增加，車前種子也表現(xiàn)出相同的萌發(fā)特征；變溫(20 ℃/30 ℃)培養(yǎng)條件下大車前種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)顯著高于其他5個(gè)培養(yǎng)溫度，這與其萌發(fā)率受培養(yǎng)溫度影響的變化趨勢不一致。變溫(15 ℃/25 ℃和25 ℃/35 ℃)和恒溫(30 ℃)顯著降低了小車前種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)；對(duì)于車前種子而言，在培養(yǎng)溫度依次為20 ℃/30 ℃、25 ℃、30 ℃和25 ℃/35 ℃、20 ℃和15 ℃/25 ℃條件下，其發(fā)芽勢呈顯著下降趨勢，但其發(fā)芽指數(shù)則無相似表現(xiàn)；20 ℃/30 ℃、25 ℃和30 ℃培養(yǎng)條件下大車前種子發(fā)芽勢無顯著差異，但要顯著高于其他培養(yǎng)溫度，其發(fā)芽指數(shù)則在25 ℃培養(yǎng)條件下為最高，與其他培養(yǎng)溫度間的發(fā)芽指數(shù)存在顯著差異。

注：不同小寫字母表示同一植物種的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)在培養(yǎng)溫度間差異顯著；不同大寫字母表示不同植物種在同一培養(yǎng)溫度間差異顯著。 圖2 3種車前屬植物種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)受培養(yǎng)溫度的影響效應(yīng)

3 討 論

根據(jù)種子的發(fā)芽起始時(shí)間、萌發(fā)進(jìn)程等可將植物種子萌發(fā)類型劃分為爆發(fā)型、過渡型、緩萌型和低萌型[16-17]，大量研究表明，爆發(fā)型的萌發(fā)過程是一種帶有很大風(fēng)險(xiǎn)的萌發(fā)對(duì)策[8,10]。在本研究中大車前種子在20 ℃/30 ℃、25 ℃/35 ℃、25 ℃和30 ℃ 4個(gè)培養(yǎng)溫度下均表現(xiàn)為爆發(fā)型，萌發(fā)率均超過90%；車前種子在20 ℃/30 ℃時(shí)大量且集中的萌發(fā)，這種帶有很大風(fēng)險(xiǎn)的爆發(fā)型萌發(fā)其實(shí)也是植物對(duì)進(jìn)化過程中的一種適應(yīng)策略。在自然生長條件下，車前和大車前在長達(dá)10～20 cm穗狀花序上會(huì)產(chǎn)生上千個(gè)小種子(每個(gè)車前果實(shí)中有種子5～6枚，大車前則有6～30枚)且種子表面光滑無任何附屬結(jié)構(gòu)，大量成熟后的種子便被密集貯藏在母株周圍，形成有限空間內(nèi)種子密度非常大的土壤種子庫。這也意味著從種子萌發(fā)到幼苗建植過程中時(shí)刻存在空間、時(shí)間、資源上的劇烈競爭。這種爆發(fā)型萌發(fā)方式有可能是通過在一定程度上減少土壤種子庫種子數(shù)量以保證未萌發(fā)種子有效萌發(fā)；也能通過種內(nèi)競爭淘汰弱小幼苗，保證強(qiáng)壯個(gè)體良好生長，從而有利于種群的建立和延續(xù)，成為增大物種適合度的一種生態(tài)策略。

溫度是影響植物種子萌發(fā)的最主要原因之一[18]，綜合其在種子萌發(fā)中發(fā)揮的作用，可概括為直接影響萌發(fā)和調(diào)控休眠[19,20]。本研究中的實(shí)驗(yàn)材料車前和大車前種子均具休眠特性[14]，預(yù)實(shí)驗(yàn)表明在10 ℃/20 ℃變溫環(huán)境下，車前和大車前種子萌發(fā)率為0；當(dāng)溫度升高5 ℃即15 ℃/25 ℃后，其種子萌發(fā)率分別為6.58%和79.11%；當(dāng)溫度繼續(xù)升高5 ℃(20 ℃/30 ℃)后，其萌發(fā)率分別達(dá)到最高值100.00%和98.80%，表現(xiàn)出不同溫度直接影響種子萌發(fā)效應(yīng)的顯著差異。小車前種子在變溫培養(yǎng)條件(10 ℃/20 ℃、15 ℃/25 ℃、20 ℃/30 ℃、25 ℃/35 ℃)和恒溫條件(20 ℃、25 ℃)下，其種子萌發(fā)率均超過50%；但當(dāng)溫度升高至30 ℃時(shí)其種子萌發(fā)率呈顯著下降趨勢，僅為35.64%，對(duì)未萌發(fā)種子進(jìn)行活性檢測顯示超過90%的種子胚為紅色，表明其依舊為有活力種子。研究表明，當(dāng)溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，納羅克非洲狗尾草種子會(huì)進(jìn)入次生休眠[21]，新鮮小車前種子具休眠特性[22]，本研究的結(jié)果顯示，隨培養(yǎng)溫度梯度增加小車前種子萌發(fā)經(jīng)歷了從萌發(fā)-再休眠的過程，這種萌發(fā)特征反映出溫度調(diào)控休眠的特性。另外，大量研究表明變溫處理較恒溫環(huán)境更有利于大多數(shù)種子萌發(fā)[6,23]，還可促進(jìn)未成熟或淺休眠種子萌發(fā)[8,24]。本研究中，20 ℃/30 ℃變溫較其他培養(yǎng)溫度條件更有利于車前屬3種植物種子萌發(fā)，原因可能是變溫激發(fā)了酶的活性，有利于貯藏物種的轉(zhuǎn)化和胚的生長；同時(shí)變溫還可加速種皮的機(jī)械變化，使水分和空氣易于進(jìn)入而促進(jìn)種子萌發(fā)。這種效應(yīng)通常被認(rèn)為是具有較強(qiáng)休眠特性的野生物種的種子對(duì)自然環(huán)境的一種適應(yīng)性，具有重要的生態(tài)學(xué)意義[25,26]。

植物種子萌發(fā)率的不同除了受自身種子特性影響外，物種的地理分布和生態(tài)分布也影響著種子萌發(fā)對(duì)溫度的響應(yīng)[27]。產(chǎn)于高海拔的紫花針茅種子在變溫10 ℃/20 ℃時(shí)有較高萌發(fā)率(為74.0%)，而產(chǎn)于低海拔的紫花針茅在15 ℃溫度下發(fā)芽率較高[6]。內(nèi)蒙古吉蘭泰地區(qū)的梭梭種子最適萌發(fā)溫度為25 ℃[28]，而吐魯番沙漠植物園的梭梭種子最適萌發(fā)溫度為10 ℃[9]。在本研究的3種車前屬植物中，大車前分布范圍遍及平原綠洲，在水分充足條件下，溫度對(duì)其種子萌發(fā)的限制不顯著，在實(shí)驗(yàn)設(shè)置的6個(gè)溫度條件下其萌發(fā)率最低為56.99%(20 ℃培養(yǎng)條件)，最高為100%(25 ℃培養(yǎng)條件)；車前則分布的海拔為1 000～2 000 m，種子在20 ℃/30 ℃、25 ℃/35 ℃的變溫環(huán)境和25 ℃、30 ℃的恒溫環(huán)境下萌發(fā)率為高，這2種生長在平原綠洲和山地草原的植物種，適宜其種子萌發(fā)的溫度范圍隨著海拔升高相對(duì)縮小，萌發(fā)溫度上的差異使得物種的生態(tài)位在空間上的分化變大，降低種間競爭，有利于提高物種多樣性。小車前種子采自北部沙漠景區(qū)，其種子萌發(fā)率在高溫環(huán)境下(30 ℃)顯著下降，這與荒漠一年生植物碟果蟲實(shí)種子萌發(fā)對(duì)溫度的響應(yīng)相一致[10]，這也是小車前種子對(duì)荒漠地區(qū)不可預(yù)測的環(huán)境的一種重要的萌發(fā)策略，通過種子延遲萌發(fā)或保持休眠狀態(tài)的緩萌策略以減少種子萌發(fā)和幼苗生長過程中遇到的死亡風(fēng)險(xiǎn)，確保物種的延續(xù)[23]。