溫度和干旱脅迫對川西北高寒沙區(qū)3種優(yōu)勢植物種子萌發(fā)的影響

(1.四川省林業(yè)科學研究院，成都 610081； 2.阿壩州林業(yè)科學技術研究所，四川 汶川 623000)

川西北高寒沙區(qū)降水少，蒸發(fā)強烈，多風沙，土地退化、沙化現(xiàn)象嚴重[1-2]。區(qū)內(nèi)植物長期在極端嚴酷荒漠條件下生存，形成了特殊的適應機制[3]?；哪参锬軌蝽樌敝巢⑸L發(fā)育與其特殊的種子萌發(fā)機制有關[4]。種子萌發(fā)情況受到自身因素和環(huán)境條件的影響[5-6]。溫度是影響種子萌發(fā)的關鍵環(huán)境因素之一[7-8]，不同物種以及同一物種不同生態(tài)型的種子萌發(fā)對溫度有不同的需求[9-10]。水是影響荒漠植物種子萌發(fā)最關鍵的環(huán)境因子。種子成熟后期極度脫水，種子萌發(fā)過程的啟動必須在水分充足的條件下經(jīng)過吸脹過程[4,6]。總的來說，種子萌發(fā)是各種因子相互作用的產(chǎn)物，但萌發(fā)對環(huán)境因子的響應程度受物種種類和物種生態(tài)型類型的影響[11-12]。

種子萌發(fā)是種子植物生活史中的關鍵階段，也是進行抗旱性研究的重要時期[13]。近年來，PEG模擬干旱脅迫開展種子萌發(fā)的研究備受眾多學者青睞[14-15]。本研究選擇川西北高寒沙區(qū)的3種優(yōu)勢植物金露梅(Potentillafruticosa)、鮮黃小檗(Berberisdiaphana)、大果圓柏(Sabinatibetica)為研究對象。在川西北高寒沙區(qū)，這3種植物分布范圍較廣，是良好的固沙植物。關于川西北高寒沙區(qū)這3種優(yōu)勢植物種子萌發(fā)的相關研究甚少。鑒于此，本研究從生態(tài)學的角度系統(tǒng)比較了金露梅、鮮黃小檗、大果圓柏等3種川西北常用治沙植物種子萌發(fā)對PEG濃度變化和溫度變化的響應，初步揭示這些高山植物對干旱脅迫(PEG)和溫度變化的響應，為充實高山植物對荒漠環(huán)境適應機制的資料，以及高寒沙地植被恢復提供科學的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本實驗材料金露梅、大果圓柏、鮮黃小檗種子于2014年11月采集于四川甘孜州理塘縣境內(nèi)的沙化草地，待種子自然干燥后，將其置于紗布中反復揉搓，種子分離后置于棕色瓶里密封，貯藏在4 ℃條件下備用。

1.2 種子在不同溫度和PEG溶液中的萌發(fā)

種子經(jīng)0.3%的高錳酸鉀消毒10 min，然后用蒸餾水沖洗干凈。采用2層紗布和1層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑10 cm)做發(fā)芽床，每皿分別加入7 mL 1/2 Hoagland溶液配制的5%、10%、20%的PEG-6000溶液(g/g)作為干旱處理[13]，只加7 mL 1/2 Hoagland溶液不加PEG-6000為對照(ck)。每個處理50粒飽滿、大小均勻的種子，重復3次。然后分別置入15，25，35 ℃的恒溫氣候箱中萌發(fā)，相對濕度60%，連續(xù)黑暗培養(yǎng)。

1.3 觀察與統(tǒng)計

萌發(fā)過程中，每天觀察萌發(fā)情況并做好相關記錄，連續(xù)5 d沒有種子繼續(xù)萌發(fā)時停止試驗。試驗結束后，采用以下公式計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、抗旱指數(shù)等指標[13,16]。

發(fā)芽率(%)=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(發(fā)芽高峰期發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt(式中：Gt為在時間t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為相對的發(fā)芽天數(shù))；

抗旱指數(shù)=干旱脅迫下種子發(fā)芽指數(shù)/對照種子萌發(fā)指數(shù)；

活力指數(shù)=S×GI(式中，S為幼苗鮮重，GI為發(fā)芽指數(shù))。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010軟件統(tǒng)計并計算各指標的平均值。利用SPSS 18.0軟件對測量數(shù)據(jù)進行方差分析，采用LSD法進行多重比較[17]。

2 結果與分析

2.1 溫度對3種植物種子萌發(fā)的影響

不同溫度對金露梅、鮮黃小檗、大果圓柏3種植物種子萌發(fā)的影響(見表1)。從表1可以看出，大果圓柏種子在該方法處理條件下，沒有萌發(fā)，該種子的萌發(fā)條件需要進一步開展研究。

35 ℃各干旱脅迫條件下其余2種植物種子萌發(fā)率均為0。在15 ℃和25 ℃條件下，金露梅種子分別在第9天和第5天開始萌發(fā)。在25 ℃條件下，金露梅種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)最高，分別為48%，28.32%，1.42。15 ℃和25 ℃條件下鮮黃小檗種子分別在第13天和第16天開始萌發(fā)，有明顯的發(fā)芽高峰，主要集中在第13天到第21天，其種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)均在15 ℃條件下最高，分別為60.00%，0.58，1.62，3.08。說明金露梅屬25 ℃適溫型種子，鮮黃小檗種子萌發(fā)的最適溫度為15 ℃左右。

2.2 干旱脅迫對2種植物種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響

從表1可以看出，不同PEG處理顯著影響了金露梅和鮮黃小檗萌發(fā)的發(fā)芽勢與發(fā)芽率。從發(fā)芽率來看，鮮黃小檗種子萌發(fā)對干旱脅迫比較敏感，各PEG濃度處理條件下均顯著低于對照。同一溫度條件下鮮黃小檗種子發(fā)芽率呈下降趨勢，15 ℃時10%、20%PEG濃度處理植物種子，鮮黃小檗種子發(fā)芽率分別比對照下降了26.67%，96.67%；15 ℃時金露梅種子發(fā)芽率隨PEG濃度的增加呈上升趨勢，25 ℃時金露梅和鮮黃小檗植物種子發(fā)芽率隨PEG濃度的增加均呈下降趨勢，只是金露梅的下降幅度較小。就發(fā)芽勢而言，隨著PEG濃度的增加，2種植物的發(fā)芽勢均呈下降趨勢，20%PEG濃度處理與對照形成顯著差異。

表1 溫度和干旱脅迫對2種植物種子萌發(fā)的影響 (mean±SE)

溫度(℃)PEG濃度(%) 金露梅 鮮黃小檗 發(fā)芽率(%)發(fā)芽勢(%)發(fā)芽指數(shù)活力指數(shù)發(fā)芽率(%)發(fā)芽勢(%)發(fā)芽指數(shù)活力指數(shù)15044.00±2.31a27.33±1.34a1.39±0.05a0.030±0.002a60.00±9.45a0.58±0.11a1.62±0.35a3.08±0.98a530.12±1.15b24.00±1.15a1.02±0.03b0.018±0.001b50.67±3.39b0.37±0.06b1.25±0.08b1.92±0.30b1031.33±2.91b18.33±1.76b0.98±0.13b0.016±0.003b44.00±5.03c0.11±0.06c1.12±0.17b1.19±0.34c2035.16±4.37c16.00±3.46b0.94±0.12b0.011±0.007b2.00±0.96d0.01±0.003d0.04±0.01c0.004±0.0003d25048.00±1.15a28.32±4.81a1.42±0.25a0.028±0.006a52.00±7.68a0.29±0.06a1.13±0.25a1.76±0.72a533.33±2.67b20.06±1.45b1.23±0.31a0.022±0.008ab34.00±3.31b0.18±0.07b0.75±0.08ab0.69±0.28b1030.67±1.19b17.32±1.76b0.98±0.04b0.014±0.002c23.33±4.77c0.13±0.04c0.47±0.09bc0.59±0.11b2013.00±2.64c5.67±3.68c0.35±0.03c0.001±0.0001d4.67±1.05d0.02±0.009d0.11±0.01c0.17±0.16c350～2000

注：表中同列不同小寫字母表示差異在p<0.05下顯著水平。

2.3 干旱脅迫對2種植物種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

由表1可知，金露梅和鮮黃小檗種子萌發(fā)的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)在不同濃度PEG條件下存在顯著差異。高濃度PEG對2種植物的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)抑制作用較強。在5%PEG處理中，25 ℃條件下金露梅種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別是對照的79.67%、78.57%，鮮黃小檗種子的發(fā)芽指數(shù)是對照的66.37%，活力指數(shù)是對照的39.20%；在20%PEG處理中，25 ℃條件下金露梅種子的發(fā)芽指數(shù)是對照的24.64%，活力指數(shù)是對照的3.57%，鮮黃小檗種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)分別是對照的9.73%、9.66%。結果表明2種植物種子的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都因PEG濃度的增加而降低。

2.4 不同PEG濃度對2種植物抗旱指數(shù)的影響

由圖1和圖2可知，2種植物抗旱指數(shù)對干旱脅迫產(chǎn)生了不同響應。15 ℃條件下，金露梅抗旱指數(shù)受干旱脅迫的影響較小，抗旱指數(shù)均在0.70左右，鮮黃小檗受干旱脅迫的影響較大，當PEG濃度為20%時，抗旱指數(shù)接近0，金露梅的抗旱指數(shù)顯著高于鮮黃小檗的抗旱指數(shù)。25 ℃條件下，2種指數(shù)的抗旱指數(shù)受干旱脅迫的影響均較大，隨著干旱脅迫的加劇，2種植物均呈直線下降的趨勢，金露梅的抗旱指數(shù)從0.87降到0.24，鮮黃小檗的抗旱指數(shù)從0.64降到0.10。有研究者用抗旱指數(shù)對不同植物種子萌發(fā)的抗旱性比較，證明抗旱指數(shù)越大，植物抗旱性越強[13,18]。因此由本實驗可知，金露梅的抗旱性略強于鮮黃小檗。

圖1 15℃抗旱指數(shù)比較

圖2 25℃抗旱指數(shù)比較

3 討 論

3.1 溫度對2種植物種子萌發(fā)的影響

萌發(fā)所需的溫度條件與其原產(chǎn)地的生態(tài)條件和現(xiàn)處生存環(huán)境有關[19]。植物種子的萌發(fā)率、萌發(fā)速率和萌發(fā)進程等指標受溫度影響極大[20]。不同的植物種子萌發(fā)需要不同的溫度，其最適萌發(fā)溫度也不同。本研究表明：大果圓柏種子在該實驗處理條件下沒有萌發(fā)。2種溫度條件下均是金露梅種子最早開始萌發(fā)，且在25 ℃時萌發(fā)情況最佳，15 ℃時鮮黃小檗種子的萌發(fā)情況最佳。35 ℃時金露梅和鮮黃小檗種子均沒萌發(fā)。金露梅廣泛分布于北溫帶地區(qū)，通常要求較高的萌發(fā)溫度范圍[21]。有研究者研究金露梅種子萌發(fā)特性時得出，金露梅種子適宜萌發(fā)溫度在10～30 ℃之間，最適萌發(fā)溫度為25 ℃[22-23]。本試驗中金露梅種子萌發(fā)的適宜溫度范圍與其基本一致。呂海英等[24]對小檗種子萌發(fā)特性研究結果表明，鮮黃小檗最適溫度為10～25 ℃，不在此溫度范圍內(nèi)，種子萌發(fā)率降低或萌發(fā)期延長。這與本研究中的鮮黃小檗種子萌發(fā)較適合溫度在15～25 ℃結果基本一致。

3.2 干旱脅迫對2種植物種子萌發(fā)的影響

水分是影響種子萌發(fā)關鍵的生態(tài)因子[4,16]，對干旱荒漠植物的影響尤為重要[25]。在干旱條件下，植物存活的關鍵在于種子是否具有活力及幼苗能否繼續(xù)生長[16,26]。本試驗結果表明：不同濃度PEG對2種植物種子的萌發(fā)均具有一定的抑制作用，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)隨PEG濃度的增加總體呈下降趨勢(表1)，這與相關研究結果一致[11,27]。干旱脅迫條件下，在15 ℃時金露梅種子發(fā)芽率呈上升趨勢，鮮黃小檗在輕度干旱脅迫時，種子發(fā)芽率與對照差異不顯著。說明金露梅和鮮黃小檗有一定的抗旱性。

3.3 干旱脅迫對2種植物抗旱指數(shù)的影響

種子萌發(fā)的萌發(fā)率、抗旱指數(shù)、活力指數(shù)等在比較不同物種種子抗旱性方面得到了廣泛應用[18,28-29]。從本研究來看，萌發(fā)率、抗旱指數(shù)、活力指數(shù)三者單獨評價兩種植物的抗旱性順序不完全一致[12]。這是由于抗旱性是一個受多種因素影響的復雜數(shù)量性狀，不同物種對某一具體指標的抗旱性反應不一定相同[12]。