干旱脅迫對(duì)三裂葉豚草種子萌發(fā)及幼根生長(zhǎng)的影響

王玉瑩，袁夢(mèng)琦，吳生海，蘭雪涵，徐炳芳，張凱鵬，徐海峰，杜鳳國(guó)，4

(1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.長(zhǎng)春市凈月潭實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，吉林 長(zhǎng)春 130117；3.吉林省林業(yè)科學(xué)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130117；4.長(zhǎng)白山特色森林資源保育與高效利用國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132013)

三裂葉豚草(AmbrosiatrifidaL.)又稱大破布草，屬菊科(Compositae)豚草屬(AmbrosiaL.)1 a生高大粗壯草本植物，是很多國(guó)家公認(rèn)的野生有害雜草，有植物殺手的稱號(hào)[1]，已被列入《中華人民共和國(guó)入境植物檢疫性有害生物名錄》[2].在我國(guó)，三裂葉豚草主要分布在東北、華中、華北和華東地區(qū)，會(huì)給人身健康、農(nóng)業(yè)生態(tài)及城市綠化造成嚴(yán)重危害[3].目前，關(guān)于三裂葉豚草的研究主要集中在解剖結(jié)構(gòu)[4]、生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性[5]、危害及防治[6]、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[6-7]等方面，而其在干旱環(huán)境下的生長(zhǎng)情況未見(jiàn)報(bào)道.三裂葉豚草種子每株產(chǎn)量達(dá)2 000～6 000粒[6]，為三裂葉豚草繁殖、傳播和擴(kuò)散提供了保障.根能夠?qū)Ω珊淡h(huán)境做出響應(yīng)，可以在一定程度上保存植物水分[8].根系的形態(tài)受外部環(huán)境影響[9]，根的體積、表面積、平均直徑和根尖數(shù)等指標(biāo)是研究干旱脅迫對(duì)根系影響的主要指標(biāo)[10-11].

聚乙二醇(Polyethyleneglycol，PEG)是一種本身不能滲入種子活細(xì)胞內(nèi)且不會(huì)給種子增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的高分子化合物，使用PEG可以模擬植物干旱脅迫[12-13]，已經(jīng)在多種植物種子干旱脅迫研究中應(yīng)用.本研究使用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG模擬不同干旱強(qiáng)度，研究三裂葉豚草種子在干旱環(huán)境下的生長(zhǎng)狀況，可以為進(jìn)一步探究三裂葉豚草入侵?jǐn)U散原因及防控提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

試驗(yàn)材料為采自吉林省長(zhǎng)春市凈月開發(fā)區(qū)黎明村的成熟三裂葉豚草種子，試驗(yàn)藥品為高錳酸鉀和聚乙二醇，試驗(yàn)用品主要為培養(yǎng)皿、膠頭滴管和燒杯，試驗(yàn)儀器為WinRHIZO圖像掃描儀(Epson Expression 12000XL，日本).

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子處理

將三裂葉豚草種子放入1 L裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的KMnO4溶液的燒杯中消毒20 min；蒸餾水沖洗3～5次(沖洗干凈)，于陰涼處自然晾干；將種子與細(xì)沙混合放入4 ℃冰箱保存70 d，期間保持沙子輕度濕潤(rùn).

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在培養(yǎng)皿內(nèi)鋪上一層直徑110 mm的濾紙，選取沙藏后未發(fā)芽的三裂葉豚草種子，用純凈水將種子洗凈，每個(gè)培養(yǎng)皿隨機(jī)放入30粒.分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、5%、10%、15%、20%、25%的PEG溶液，用溶液將培養(yǎng)皿內(nèi)的濾紙浸透.每種質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)置3組重復(fù)，以不加蒸餾水為對(duì)照(CK).將培養(yǎng)皿放在恒溫培養(yǎng)箱中，溫度設(shè)置為24 ℃.試驗(yàn)期間，每日下午17：00向培養(yǎng)皿內(nèi)滴入2 mL溶液或蒸餾水，使濾紙保持輕度濕潤(rùn).以種子放入培養(yǎng)皿當(dāng)日為第1天，每日20：00記錄胚根露白[14](發(fā)芽)種子數(shù)量，記錄時(shí)間為10 d.在第10天的20：00由種子已經(jīng)發(fā)芽的各培養(yǎng)皿中隨機(jī)選取3株幼苗，使用圖像掃描儀掃描根系，根系生長(zhǎng)指標(biāo)為兩次幼苗根系掃描結(jié)果的平均值.

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用WPS 2019整理、計(jì)算，使用SPSS 20進(jìn)行顯著性分析.

指標(biāo)計(jì)算：種子發(fā)芽率，為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)芽種子數(shù)占種子總數(shù)的百分比；種子日相對(duì)發(fā)芽率，為當(dāng)日種子發(fā)芽數(shù)占種子總數(shù)的百分比；發(fā)芽勢(shì)，為前3 d種子累計(jì)發(fā)芽數(shù)占種子總數(shù)的百分比；發(fā)芽指數(shù)=∑(日發(fā)芽數(shù)/相應(yīng)發(fā)芽天數(shù))[15]；活力指數(shù)，為發(fā)芽指數(shù)乘平均初生根長(zhǎng)[16].

2 結(jié)果與分析

2.1 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)三裂葉豚草種子萌發(fā)進(jìn)程的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG對(duì)三裂葉豚草種子萌發(fā)的影響見(jiàn)圖1.由圖1可知：三裂葉豚草種子萌發(fā)率隨PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而逐漸降低.CK和5%、15%PEG處理的三裂葉豚草種子在第2天萌發(fā)率達(dá)到最高峰，分別為31.11%、7.78%和3.33%；10%PEG處理的三裂葉豚草種子在第9天萌發(fā)率達(dá)到最高峰，為3.32%；20%PEG處理的三裂葉豚草種子在第3天萌發(fā)率達(dá)到最高峰，為1.11%；25%PEG處理的三裂葉豚草種子均未萌發(fā).

圖1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG種子日相對(duì)發(fā)芽率

2.2 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)三裂葉豚草種子萌發(fā)指標(biāo)的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG處理下三裂葉豚草種子的萌發(fā)指標(biāo)見(jiàn)表1.由表1可知：三裂葉豚草種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)隨干旱脅迫強(qiáng)度的增大而逐漸降低.

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG處理的三裂葉豚草種子萌發(fā)指標(biāo)

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%和15%PEG溶液處理的三裂葉豚草種子發(fā)芽率與CK相比差異顯著(P<0.05)，10%和15%PEG處理的種子發(fā)芽率降幅較大，分別下降了64.47%和67.78%；10%與20%PEG處理的三裂葉豚草種子發(fā)芽率差異顯著；20%PEG處理與CK發(fā)芽率差異極顯著(P<0.01)，20%PEG處理的發(fā)芽率降幅最大，下降了75.66%；10%、15%、20%相鄰質(zhì)量分?jǐn)?shù)間PEG處理的三裂葉豚草種子發(fā)芽率差異不顯著.

質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%和20%PEG處理的三裂葉豚草種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與CK相比差異極顯著(P<0.01).10%、20%PEG處理的三裂葉豚草種子與5%PEG處理的三裂葉豚草種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)差異極顯著；5%PEG處理的三裂葉豚草種子與15%PEG處理的種子發(fā)芽勢(shì)相比差異顯著(P<0.05)，發(fā)芽勢(shì)下降了11.01%；10%、15%、20%PEG處理間三裂葉豚草種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)差異不顯著；5%PEG處理的三裂葉豚草種子與10%、15%PEG處理的三裂葉豚草種子活力指數(shù)差異顯著，活力指數(shù)分別下降了1.84%、1.53%；10%PEG處理的三裂葉豚草種子與15%PEG處理的種子活力指數(shù)差異不顯著.

PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)與三裂葉豚草種子萌發(fā)率間的關(guān)系見(jiàn)圖2.根據(jù)圖2方程可得R2=0.993 4，擬合方程為y=-0.012 4x3+0.657 3x2-11.734x+75.891.令y=0，可得x≈24.69，即PEG溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.69%時(shí)的三裂葉豚草種子發(fā)芽率為0.

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)PEG與三裂葉豚草種子發(fā)芽率間的關(guān)系

2.3 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)三裂葉豚草幼根生長(zhǎng)的影響

不同PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)三裂葉豚草幼根生長(zhǎng)的影響見(jiàn)圖3.由圖3可知：隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，三裂葉豚草的根表面積、投影面積及體積呈下降趨勢(shì).CK根表面積為8.02 cm2，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%PEG處理的三裂葉豚草幼根表面積分別為6.76、3.65、3.16 cm2，10%和15%PEG處理的降幅較大，且與CK差異顯著(P<0.05)，其余各組間均無(wú)顯著差異(P>0.05)；CK根平均投影面積為2.55 cm2，5%、10%、15%PEG處理的三裂葉豚草根投影面積分別為2.15、1.16、1.01 cm2，10%和15%PEG處理的降幅較大，且與CK差異顯著，其余各組間均無(wú)顯著差異；CK根體積為0.18 cm3，5%、10%、15%PEG處理的三裂葉豚草根體積分別為0.15、0.11、0.04 cm3，15%PEG處理的降幅較大，且與CK差異顯著，其余各組間均無(wú)顯著差異.

不同字母表示差異顯著(P<0.05).

隨著PEG質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，三裂葉豚草的根長(zhǎng)、根尖數(shù)、根分叉數(shù)、根平均直徑均有不同變化.CK根長(zhǎng)為29.45 cm，經(jīng)過(guò)5%、10%、15%PEG處理的三裂葉豚草根長(zhǎng)分別為25.38、9.41、25.64 cm，分別降低了13.80%、68.05%、12.94%，10%PEG處理的根長(zhǎng)降幅較大，且與CK差異顯著(P<0.05)，其余各組間均無(wú)顯著差異(P>0.05)；CK根尖數(shù)為27個(gè)，經(jīng)過(guò)5%、10%、15%PEG處理的三裂葉豚草根尖數(shù)與CK相比分別降低了10.98%、46.49%、26.20%，10%PEG處理的根尖數(shù)降幅較大，其余各組間均無(wú)顯著差異；經(jīng)過(guò)5%PEG處理的根分叉數(shù)與CK相比增長(zhǎng)了11.08%，經(jīng)過(guò)10%PEG處理的根分叉數(shù)與CK相比降低了44.44%，經(jīng)過(guò)15%PEG處理的根分叉數(shù)與CK相比增長(zhǎng)了32.29%，其各組間均無(wú)顯著差異；CK根平均直徑為0.91 mm，經(jīng)過(guò)5%、10%、15%PEG處理的根平均直徑分別為0.96、0.78、0.83 mm，CK、5%、10%PEG處理的根平均直徑與15%PEG處理的根平均直徑差異顯著，其余各組間均無(wú)顯著差異.

圖4 極度、極重度干旱脅迫解除后種子平均日相對(duì)發(fā)芽率

2.4 極度、極重度干旱脅迫解除后三裂葉豚草種子萌發(fā)情況

用蒸餾水反復(fù)沖洗20%、25%PEG處理后未發(fā)芽的三裂葉豚草種子，直到種子表面無(wú)黏膩，即沖洗干凈為止.將各重復(fù)組三裂葉豚草種子放入鋪有一層用蒸餾水浸濕過(guò)濾紙的培養(yǎng)皿，將培養(yǎng)皿放入恒溫培養(yǎng)箱中，在相同培養(yǎng)條件觀察三裂葉豚草種子萌發(fā)狀況，試驗(yàn)于第10天結(jié)束.結(jié)果顯示：20%PEG處理的種子在解除極度脅迫后的第2天可以萌發(fā)，且首次萌發(fā)率為6.67%，在種子恢復(fù)萌發(fā)的第3天，日萌發(fā)率最高為33.33%，第10天累計(jì)萌發(fā)率為76.67%；25%PEG處理的種子在解除極重度脅迫后恢復(fù)萌發(fā)的第2天具有發(fā)芽能力，且首次萌發(fā)率為3.33%，在種子恢復(fù)萌發(fā)的第5天，日萌發(fā)率最高為30%，第10天累計(jì)萌發(fā)率為50%.

3 結(jié)論與討論

植物生長(zhǎng)離不開水，而干旱會(huì)導(dǎo)致植物失水[16].通過(guò)對(duì)三裂葉豚草干旱脅迫的研究可以得到如下結(jié)論：

1)三裂葉豚草種子的各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)隨著PEG溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低，但20%PEG處理有個(gè)別種子未萌發(fā)，25%PEG處理的種子均未萌發(fā).由此說(shuō)明，干旱會(huì)抑制三裂葉豚草種子萌發(fā)，且在極重度干旱下種子不萌發(fā).本研究結(jié)論與齊淑艷等[17]對(duì)牛膝菊(GalinsogaparvifloraCav.)、袁夢(mèng)琦等[16]對(duì)豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)、楊永志等[18]對(duì)常夏石竹(DianthusplumariusL.)干旱脅迫條件下種子萌發(fā)研究所得結(jié)果一致；而孔佳茜等[19]對(duì)大麻(CannabissativaL.)、楊利艷等[20]對(duì)藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)等干旱脅迫條件下種子萌發(fā)結(jié)果顯示，一定程度的干旱脅迫能促進(jìn)種子萌發(fā).

2)由三裂葉豚草根系指標(biāo)測(cè)定結(jié)果可知：根表面積、投影面積及體積均隨PEG溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而降低.由三裂葉豚草幼根根長(zhǎng)測(cè)定結(jié)果可知：與CK相比，輕度和重度干旱脅迫對(duì)根長(zhǎng)影響不顯著，中度干旱脅迫會(huì)使根長(zhǎng)顯著變短；重度干旱脅迫下，三裂葉豚草幼根根尖數(shù)大于中度干旱脅迫，說(shuō)明中度干旱脅迫抑制根生長(zhǎng)的情況最嚴(yán)重；5%、15%PEG處理的三裂葉豚草幼根分叉數(shù)大于CK，原因可能是三裂葉豚草為適應(yīng)生境而需要吸收盡可能多的水分，進(jìn)而增加了側(cè)根和不定根的生長(zhǎng)數(shù)量.

3)三裂葉豚草種子解除干旱脅迫后依然具有萌發(fā)能力.由三裂葉豚草種子解除干旱脅迫的萌發(fā)試驗(yàn)可知，種子在極重度干旱下不萌發(fā)；在極度干旱下個(gè)別種子不萌發(fā)，但當(dāng)環(huán)境中水分條件充足時(shí)，種子依然具有萌發(fā)能力.干旱程度越輕，恢復(fù)萌發(fā)能力越強(qiáng)、萌發(fā)時(shí)長(zhǎng)越短；干旱程度越重，恢復(fù)萌發(fā)后萌發(fā)率越低，恢復(fù)萌發(fā)時(shí)間越長(zhǎng)，能力越弱.

綜上所述，在良好的水分條件下，三裂葉豚草種子具有較高的發(fā)芽率和良好的根系生長(zhǎng).然而，缺水會(huì)抑制種子萌發(fā)，根的生長(zhǎng)也會(huì)隨著環(huán)境的變化而發(fā)生相應(yīng)變化.由此可知，三裂葉豚草具有很強(qiáng)的適應(yīng)性.三裂葉豚草種子在不同干旱條件下發(fā)芽率不同，但都具備發(fā)芽能力，并且在解除干旱后，也具有很強(qiáng)的發(fā)芽能力，應(yīng)加強(qiáng)防治.

由于三裂葉豚草能更好地適應(yīng)干旱環(huán)境，建議手動(dòng)拔除或剪掉尚未結(jié)果實(shí)的三裂葉豚草.如果是成片發(fā)生，可以通過(guò)機(jī)械鏟除.由于三裂葉豚草與豚草為同科同屬，因此，可以借鑒豚草的防治經(jīng)驗(yàn).例如，南京引入豚草的天敵——廣聚螢葉甲(OphraellacommunaLesage)對(duì)豚草進(jìn)行生物防治，收到了較好的生防效果[21]；也可以嘗試在三裂葉豚草侵入地種植花棒(HedysarumscopariumFisch.et Mey.)、檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)和沙地柏(SabinavulgarisAntoine)等灌木，這3種灌木為多年生，具有耐旱和適應(yīng)性強(qiáng)、生長(zhǎng)快、根系發(fā)達(dá)、吸水性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以快速形成茂盛的植物體，與三裂葉豚草競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、水分，進(jìn)而抑制三裂葉豚草的生長(zhǎng)發(fā)育.檸條錦雞兒對(duì)菊科的烏丹蒿(ArtemisiawudanicaLiou et W.Wang)具有化感作用，能夠抑制其種子萌發(fā)及幼根生長(zhǎng)[22]，但是否對(duì)三裂葉豚草具有化感作用，有待進(jìn)一步研究.