四種環(huán)境因子對小葉堿蓬種子發(fā)芽和幼苗生長的影響

彭鉬植，張 科，吉小敏，姜 黎2，*

（1.新疆林科院造林治沙研究所，新疆 烏魯木齊 830063；2.新疆精河荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，新疆 精河 833300；3.中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011）

小葉堿蓬（Suaeda microphyllaPall.）是藜科堿蓬屬多年生小灌木，產(chǎn)于新疆、中亞、俄羅斯等地，生于戈壁、沙丘、湖邊、鹽堿荒漠［1］，作為干旱區(qū)重要荒漠植物，其種群的健康狀態(tài)和更新擴大對抑制西北干旱區(qū)土壤沙化起著重要的作用。受全球氣候變暖以及人類的過度放牧的影響，荒漠植物面臨著環(huán)境溫度升高、水分短缺等問題，小葉堿蓬種群的繁衍受到了嚴重的威脅［2-3］。因此，研究在不同生境條件下小葉堿蓬種子發(fā)芽的特性對小葉堿蓬種群擴繁和人工種植具有重要意義。然而，目前有關小葉堿蓬的研究報道并不多見。

種子發(fā)芽作為植物生長的起始階段，是對環(huán)境脅迫抵抗力最弱的時期［4-5］，也是決定植物能否在環(huán)境中成功定植的最為關鍵的階段［6］。種子的發(fā)芽、成苗不僅受到自身發(fā)育的調(diào)控，還受外界環(huán)境條件，例如光照、溫度、干旱、鹽分等生態(tài)環(huán)境因子的影響［7-10］。溫度影響著種子發(fā)芽時的膜透性、膜結(jié)合蛋白以及水解酶的活性等，由此影響著萌發(fā)過程中種子對水分的吸收和能量的代謝［10-11］。種子發(fā)芽及幼苗期是植物對干旱脅迫和鹽脅迫最敏感的時期，干旱脅迫和鹽脅迫所造成的滲透勢失衡，以及鹽脅迫造成的離子毒害都會極大的影響種子的發(fā)芽，而在干旱和鹽堿環(huán)境下種子能夠發(fā)芽是植株在干旱和鹽堿脅迫下能夠生長發(fā)育的前提［10，12-13］因此，探討環(huán)境因子對種子發(fā)芽及幼苗的生長的影響用具有重要意義。本研究以小葉堿蓬為材料，通過研究其在不同溫度、光照、NaCl 溶液、PEG-6000 溶液下種子發(fā)芽及幼苗生長狀況，探討荒漠植物小葉堿蓬種子在發(fā)芽期和幼苗期對溫度、光照、鹽分和干旱四種環(huán)境因子的響應，為小葉堿蓬在干旱區(qū)的推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 小葉堿蓬種子采集

于2021年10月，在新疆阜康八一水庫，選擇長勢健康的小葉堿蓬植株，采集完全成熟的種子。將小葉堿蓬種子在室溫下晾干，保存于信封中備用。

1.2 發(fā)芽試驗

1.2.1 溫度發(fā)芽試驗

取2 張濾紙放入直徑6 cm 的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿加入25 粒小葉堿蓬種子，蒸餾水2.5 mL，分別置于20/5℃、25/10℃、30/15℃、35/20℃變溫、光照/黑暗交替12 h/12 h 的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每個溫度4 次重復。發(fā)芽過程中每日觀察記錄1 次發(fā)芽情況，以胚根露出種皮長度超過種子直徑一半為種子發(fā)芽標準，連續(xù)觀察記錄14日，計算其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢和幼苗芽長與根長。

1.2.2 光照發(fā)芽試驗

取2 張濾紙放入直徑6 cm 的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿加入25 粒小葉堿蓬種子，蒸餾水2.5 mL，分別置于四個變溫（20/5℃、25/10℃、3015℃、35/20℃）培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，4 次重復，將培養(yǎng)皿用錫紙包裹進行避光處理，14日后拆除錫紙，記錄發(fā)芽率、幼苗芽長、根長，與1.2.1步驟中光暗交替培養(yǎng)組進行對比。

1.2.3 干旱發(fā)芽試驗

取2 張濾紙放入直徑6 cm 的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿加入25 粒小葉堿蓬種子，加入6 組不同濃度的PEG-6000 溶液各2.5 mL，濃度分別為：5%、10%、15%、20%、25%、30%（W/W），蒸餾水為對照（CK），4次重復，置于25/10℃變溫、光照/黑暗交替12 h/12 h的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。發(fā)芽過程中每日觀察記錄1次發(fā)芽情況，種子發(fā)芽以胚根露出種皮長度超過種子直徑一半為標準，連續(xù)觀察記錄14日，計算其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢和幼苗芽長與根長。

1.2.4 鹽分發(fā)芽試驗

取2 張濾紙放入直徑6 cm 的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿加入25 粒小葉堿蓬種子，加入6 組不同濃度NaCl 溶液各2.5 mL，濃度分別為：50、100、200、300、400、800 mmol·L-1，蒸餾水為對照（CK），4 次重復。置于25/10℃變溫、光照/黑暗交替12 h/12 h 的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。發(fā)芽過程中每日觀察記錄1 次發(fā)芽情況，種子發(fā)芽以胚根露出種皮超過種子直徑一半為標準，連續(xù)觀察記錄14日，計算其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢和幼苗芽長與根長。

1.3 發(fā)芽和幼苗生長參數(shù)測定

發(fā)芽率=每個培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子總數(shù)/25×100%；發(fā)芽指數(shù)=∑G/t（G 為每日的發(fā)芽率，t為發(fā)芽的總天數(shù)）；發(fā)芽勢=第5 天累計發(fā)芽種子數(shù)/25×100%；幼苗芽長和根長采用游標卡尺測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS 16.0 統(tǒng)計分析軟件進行平均值和標準誤差分析，采用Ducan 檢驗對試驗數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果分析

2.1 溫度對小葉堿蓬種子發(fā)芽特征的影響

溫度顯著影響了小葉堿蓬種子發(fā)芽率、幼苗芽長和根長（表1）。20/5℃（低溫）或25/10℃能顯著降低小葉堿蓬種子發(fā)芽率。綜合比較，小葉堿蓬種子發(fā)芽受溫度影響的變化幅度較大，適宜的溫度區(qū)間較窄。在四組溫度條件下，30/15℃或35/20℃（高溫）條件小葉堿蓬種子發(fā)芽率相對較高，說明適當?shù)奶岣邷囟瓤梢蕴嵘∪~堿蓬種子發(fā)芽的活力。溫度對小葉堿蓬幼苗根長的影響是顯著的（P＜0.05），但對小葉堿蓬幼苗芽長的影響是不顯著的（P＞0.05）；盡管35/20℃的條件下小葉堿蓬有著較高的種子發(fā)芽率，但此溫度會導致根的生長延緩甚至是腐敗，不適宜幼苗的生長。綜合各項指標，30/15℃為小葉堿蓬最適的發(fā)芽和生長溫度。

表1 溫度對小葉堿蓬種子發(fā)芽率、芽長和根長的影響Tab.1 Effects of different temperatures on germination rate，bud length，and root length of S.microphylla

2.2 不同溫度下光照對小葉堿蓬種子發(fā)芽率的影響

如圖1所示，光照對小葉堿蓬種子發(fā)芽率的影響并不顯著（F=0.08，P＞0.05），光照和溫度的交互作用對小葉堿蓬種子發(fā)芽率的影響也是不顯著的（F=0.08，P＞0.05）。在同一溫度下，光暗交替與全黑暗條件相比，種子發(fā)芽率幾乎無差異，且隨著溫度越高兩者差異愈發(fā)不明顯。

圖1 光照對小葉堿蓬種子發(fā)芽率的影響Fig.1 Effect of light on germination rate of S.microphylla seeds under different temperatures

2.3 干旱對小葉堿蓬種子發(fā)芽特性的影響

由表2可知，干旱脅迫對小葉堿蓬種子發(fā)芽和幼苗生長的影響均是明顯的。小葉堿蓬種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、芽長和根長隨著干旱脅迫增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。與對照相比，5% PEG-6000 處理顯著增加了發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、芽長和根長，其中根長和芽長分別增加了80.13%和17.60%，說明了根對適度的干旱的響應比芽的響應更為敏感。當PEG-6000 濃度超過5%，小葉堿蓬種子的發(fā)芽就被顯著抑制，發(fā)芽時間延遲，其能夠耐受的最大PEG-6000的濃度為15%。

表2 干旱脅迫對小葉堿蓬種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、芽長和根長的影響Tab.2 Effects of drought stress on germination rate，germination index，germination potential，bud length，and root length of S.microphylla

2.4 鹽分對小葉堿蓬種子發(fā)芽特性的影響

鹽分顯著影響了小葉堿蓬種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、幼苗芽長和根長（表3）。即使是濃度較低的NaCl 溶液（50 mmol·L-1）也能顯著降低小葉堿蓬的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、幼苗芽長和根長。與對照相比，50 mmol·L-1的NaCl 處理下，小葉堿蓬幼苗的根長和芽長分別下降了77.36%和21.47%，說明了小葉堿蓬根對鹽脅迫的敏感程度高于芽。

表3 鹽分脅迫對小葉堿蓬種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、芽長和根長的影響Tab.3 Effects of salinity stress on germination rate，germination index，germination potential，bud length，and root length of S.microphylla

3 討論

3.1 溫度

種子對溫度的感應是其發(fā)芽的重要環(huán)節(jié)［4-6］。對許多鹽生植物來說，20～30℃是種子發(fā)芽的最適溫度范圍，而5～15℃和30～35℃的溫度不利于種子發(fā)芽［4-6］。植物可以感應晝夜溫度的變化，晝夜溫度的變化對鹽生植物的種子發(fā)芽具有促進作用，使種子在能夠在一年中最適的季節(jié)和最適的時間發(fā)芽［10］，故本研究采用晝夜變溫條件對小葉堿蓬種子的發(fā)芽特性進行研究。結(jié)果表明，小葉堿蓬種子發(fā)芽和幼苗根的生長對溫度的適應變化范圍較狹窄，溫度較低時（20/5℃、25/10℃）小葉堿蓬種子的發(fā)芽受到嚴重抑制，而當溫度過高時（35/20℃），則嚴重影響著小葉堿蓬幼苗根的生長。比較不同溫度處理組之間的種子發(fā)芽和幼苗生長情況得出小葉堿蓬種子發(fā)芽的最適宜溫度為30/15℃，且小葉堿蓬對低溫脅迫尤為敏感。干旱荒漠地區(qū)初春時，溫度過低抑制了小葉堿蓬發(fā)芽速率，阻止了種群更新，這可能是引起小葉堿蓬瀕危的原因之一。

3.2 光照

光照可作為植物種子發(fā)芽過程中的重要影響因子，但卻并不是調(diào)控種子發(fā)芽的必要條件［5-6，10］。光照影響鹽生植物種子發(fā)芽的機制與植物基因有關［5-6，10］。許多報道有關鹽生植物種子發(fā)芽過程中對光照的影響敏感，例如羅布麻（Apocynum venetum）［5］、鹽樺（Belula halophila）［6］在光照與黑暗條件下的種子發(fā)芽率的差異顯著。但小葉堿蓬發(fā)芽過程在光照與黑暗條件下的差異不大，對光照不敏感，屬于非光敏感型種子。這可能與小葉堿蓬種皮較厚有關，種皮阻止了種子對光的感應，致使小葉堿蓬種子發(fā)芽過程中某些特有的感光酶因感受不到光或感受的光強度不夠，而不能很快被激活，表現(xiàn)為發(fā)芽受到抑制。因此，光照不是小葉堿蓬種子發(fā)芽過程中對其產(chǎn)生主要影響的生態(tài)環(huán)境因子。

3.3 干旱

水分是影響干旱荒漠植物種子發(fā)芽、種群穩(wěn)定的主要生態(tài)因子之一［12-13］?；哪参锓N子的發(fā)芽特性是其對生存環(huán)境長期適應的結(jié)果［14-16］，小葉堿蓬種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、芽長和根長隨著干旱脅迫增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；與對照相比，5%PEG-6000 處理顯著促進小葉堿蓬種子的發(fā)芽，這在其他鹽生植物中也曾有過報道［8］，這可能是由于適度的干旱促進了種子淀粉酶活性的提高引起的；同時，在5% PEG-6000 處理下，根長和芽長分別增加了80.13%和17.60%，說明適度的干旱脅迫還能促進小葉堿蓬幼苗的生長，這一現(xiàn)象符合“干生根、濕生芽”規(guī)律。

3.4 鹽分

鹽脅迫可以通過造成鹽離子毒害和離子滲透勢失衡的方式抑制植物種子的發(fā)芽［17-18］。當外界鹽濃度超出細胞所能承受極限值時，就會造成細胞膜結(jié)構(gòu)受損、細胞失水、生理代謝速率下降，從而抑制種子發(fā)芽，并且毒害作用與鹽濃度呈正相關，鹽分濃度越高，對種子發(fā)芽的抑制作用越強［19-21］。本研究表明，小葉堿蓬種子發(fā)芽過程中對環(huán)境中的鹽脅迫較為敏感，50 mmol·L-1NaCl 處理下，小葉堿蓬種子發(fā)芽率僅為11%，隨著鹽濃度的增加發(fā)芽率逐漸降低，在200 mmol·L-1NaCl 的高鹽環(huán)境中小葉堿蓬無法發(fā)芽，與堿蓬屬其它植物相比，如囊果堿蓬在200 mmol·L-1NaCl 處理下發(fā)芽率依舊可以達到50%［7］，小葉堿蓬耐鹽性相對較低。鹽漬環(huán)境下種子發(fā)芽是鹽生植物生長的關鍵及敏感階段，其發(fā)芽能力和耐鹽能力往往影響著植物種群的分布范圍。因此，相對較低的種子耐鹽閾值和自然界發(fā)芽時為低溫時期，可能是最終導致其瀕危的重要原因。

4 結(jié)論

綜上所述，溫度、水分與鹽分可作為小葉堿蓬種子發(fā)芽期和幼苗期的主要限制性生態(tài)環(huán)境因子，而光照不作為主要生態(tài)因子。小葉堿蓬耐鹽和耐旱性較差，但適宜的水分脅迫能顯著促進小葉堿蓬發(fā)芽和幼苗生長。