模擬酸雨及苔蘚植物化感條件下紫蘇種子萌發特性的研究

摘要：通過模擬酸雨脅迫及苔蘚化感作用兩種不同的生長環境，初步探討了模擬酸雨及3種苔蘚鳳尾蘚（Fissidens bryoides）、提燈蘚（Mnium hornum）、縮葉蘚（Ptychomitrium）種植水對紫蘇（Perilla frutescens）種子萌發特性的影響。結果表明，pH為5.0及以上的低濃度模擬酸雨環境對紫蘇種子的萌發及幼苗生長影響不大，但隨著酸化程度的加深，對紫蘇種子萌發的抑制作用明顯增加，當pH降到1.0時種子不發芽。紫蘇幼苗葉片POD活力隨脅迫時間的延長呈先升后降的趨勢。而葉片MDA含量除pH為5.0處理組與對照組相近外，其他脅迫濃度下均有顯著增加，說明pH低于5.0紫蘇幼苗生長受到較嚴重損害。在苔蘚種植水培養環境中，與對照組相比，紫蘇種子發芽率、發芽指數、活力指數均隨苔蘚植物種植水濃度的升高而升高，在濃度為100%時對種子萌發的促進效果最為顯著。

關鍵詞：紫蘇（Perilla frutescens）；種子萌發；生理指標；酸雨；化感作用

中圖分類號：Q949.777.6；Q945.79 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5336-04

Study on Germination Characteristics of Perilla frutescens under Simulation Environment of Acid Rain and Bryophyta

XIE Tian，JIANG An-na，WANG Man-jun，YAN Feng，FANG Yuan-ping，XIANG Jun

（Hubei Key Laboratory of Economic Forest Germplasm Improvement and Resources Comprehensive Utilization / College of Chemisitry and Life Sciences， Huanggang Normal University， Huanggang 438000，Hubei，China）

Abstract： By simulating two different growth environment， acid rain stress and moss allelopathy， the effects of acid rain and three bryophyte cultivate water （Fissidens bryoides，Mnium hornum，Ptychomitrium） on Perilla frutescens seed germination was studied. The results showed that the simulated acid rain with pH lower than 5.0 had little effect on P. frutescens seed germination and seedling growth； as the increasing of acidification， there was a significant inhibition of seed germination， and the seed could not germinate under the pH lower than 1.0. The POD activity in P. frutescens blade increased firstly and then decreased as the stress time prolonged， and the MDA content was decreased when pH was lower than 5.0， suggesting that P. frutescens seedling growth was affected by pH lower than 5.0. In the culture water environment， compared to the control， P. frutescens germination rate， germination index， vigor index increased as the bryophyte planting concentration increasing， and the treatment with the most significant effect was 100% bryophyte planting solution.

Key words： Perilla frutescens； seed germination； physical signs； acid rain； allelopathy

紫蘇（Perilla frutescens）別名赤蘇、紅蘇、紅紫蘇、香蘇等，系唇形科紫蘇屬一年生草本植物，是我國傳統的藥食兩用植物[1]，目前各地均有栽培。紫蘇全株均有很高的營養價值，其具有低糖、高纖維、高胡蘿卜素等特點；在醫療保健方面，紫蘇具有保護肝臟、降血脂、降血壓、預防癌變、提高記憶力、抗過敏及抗微生物等功效，是衛生部首批頒布的60種“藥食同源”品種之一，可以開發出多種保健食品，在醫藥和食品工業上具有廣泛的用途[2]。隨著紫蘇相關研究的深入及產品市場的拓展，對紫蘇的數量與質量要求越來越高。而種子往往被認為是植物生命周期的開始，幼苗的生長是天然更新過程中最敏感的階段，受環境影響較大。研究表明，紫蘇種子表面有較厚的蠟質層，種皮透水、透氣性差，從而導致其休眠期較長、發芽率較低[3]。紫蘇種植大多采用育苗移栽法生產，而當大面積栽培（如進行山坡荒地改造和生態恢復）時則需要撒播，發芽率很低。相關研究也指出，惡劣環境條件的脅迫會對植物種子萌發和幼苗生長造成很大的影響[4]。

隨著工業的快速發展和礦物燃料消耗的增多，酸雨發生的頻率越來越高，發生的范圍也不斷擴大。研究表明，酸雨對植物種子萌發和幼苗生長均會產生較大的影響[5，6]。而酸雨是否會對紫蘇種子萌發及幼苗生長造成影響及其影響程度如何目前未見報道。在環境問題日益嚴峻的今天，苔蘚植物作為一類對環境條件特別敏感的高等植物類群，對其生態功能的研究開始興起[7]。苔蘚植物在涵養水源、營養循環、環境指示、天然更新及次生代謝物積累等方面都發揮著不容忽視的作用[8]；同時，其作為生態系統的主要地被植物，不僅在物理結構上對種子和幼苗產生影響，而且可能對種子萌發和幼苗的建成存在化感作用[9，10]。化感作用（Allelopathy）是指植物通過向環境釋放次生化學物質而對鄰近植物（包括微生物）的生長發育產生直接或間接的有害或有益影響。Steijlen等[11]發現赤莖蘚（Pleurozium schreberi）對歐洲赤松種子萌發存在明顯的抑制作用，且認為是一種化學影響。杜桂森等[12]用5種苔蘚植物配子體的水提液分別培養5種作物種子，發現羊角蘚（Herpetineuron toccoae）、山羽蘚（Abietinella abietilla）、塔蘚（Hylocomium splendens）和細葉金發蘚（Polytrichum longisetum）對種子萌發均有不同的促進作用，而溫帶光萼苔（Porella platiphylla）則有不同程度的抑制作用。Equihua等[13]用苔蘚浸提液和新鮮植物體對帚石楠（Calluna vulgaris）的種子進行了處理，發現沒有化感作用。可見苔蘚植物對種子萌發的影響作用不盡相同。目前，關于苔蘚植物種植水對紫蘇種子萌發的化感作用研究鮮有報道。本研究通過模擬兩種不同的生長環境（酸雨脅迫及苔蘚化感作用），初步探討模擬酸雨及3種苔蘚植物種植水對紫蘇種子萌發特性的影響，為紫蘇在不同環境下大面積栽培提供科學依據，對坡地利用及生態重建具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試種子及苔蘚 紫蘇種子由湖北蘄春李時珍生物有限公司提供。新鮮鳳尾蘚（Fissidens bryoides）、提燈蘚（Mnium hornum）及縮葉蘚（Ptychomitrium）均采自湖北省黃岡市龍王山。

1.1.2 藥品和化學試劑 愈創木酚，30%H2O2，三氯乙酸，硫代巴比妥酸（0.6%TBA）溶液，20 mmoL/L KH2PO4（pH 6.0），100 mmol/L磷酸緩沖液（pH 6.0），70%乙醇等。

1.1.3 主要儀器和設備 722型分光光度計；HH-2數顯恒溫水浴鍋（常州國華電器有限公司生產）；YP1201N型電子天平（上海舜宇恒平科學儀器有限公司）；AB204-N型分析天平[梅特勒托利多儀器（上海）有限公司]；飛鴿牌系列高速冷凍離心機；具塞試管、研缽、培養皿、濾紙等。

1.2 方法

1.2.1 模擬酸雨對紫蘇種子萌發及幼苗生長的影響 挑選子粒飽滿、大小一致的紫蘇種子，用蒸餾水沖洗3遍后放入盛有30%H2O2的燒杯中消毒20 min，再用蒸餾水徹底沖洗。將種子分為6組，分別用pH為1.0、2.0、3.0、4.0、5.0的模擬酸雨溶液和蒸餾水（對照）浸泡24 h，待種子充分吸水膨脹后將其整齊地排列在鋪有2層濾紙的培養皿（直徑12.5 cm）中，每皿50粒，每個濃度梯度重復3次。每粒種子之間留有均勻的間距，以保證與模擬酸雨溶液的良好接觸；且生長空間應足夠，以防止種子發霉后相互感染。將培養皿放入25 ℃培養箱中進行暗培養，每天噴淋1次上述6種溶液，液體噴淋量隨紫蘇幼苗的生長從5 mL到10 mL逐漸增加，共培養10 d。每天觀察發芽種子的生長狀況并進行發芽指標和生理指標的測定。

1.2.2 苔蘚植物種植水對紫蘇種子萌發的影響

1）苔蘚植物種植水的制備。將野外采集的3種新鮮苔蘚用自來水沖洗，去掉夾在其中的其他苔蘚和雜質，再用蒸餾水沖洗干凈，陰干后稱重，取相同重量的苔蘚分別置于3個盛有等量蒸餾水的培養皿中培養4 d。4 d后各培養皿中的液體即為相應的苔蘚植物種植水。

2）種子發芽及處理。紫蘇種子經消毒（70%乙醇中浸泡15 min，蒸餾水漂洗3次）后，挑選子粒飽滿、大小相近的種子播種于鋪有3層濾紙的培養皿（直徑9 cm）中，每皿50粒。濾紙已滴加蒸餾水（對照）或不同濃度梯度（1%、10%、100%）的苔蘚植物種植水8 mL，每個處理重復3次。25 ℃恒溫條件下暗培養10 d。每天記錄種子發芽數。發芽結束后，從每個重復中選出20個發芽較整齊且具有代表性的種子，用鑷子將其胚根取下，測量胚根長，取其平均值[1]。

1.3 發芽指標和生理指標的測定

試驗測定的紫蘇種子發芽指標有發芽率、發芽指數及活力指數，各發芽指標的測定參照文獻[1]的方法進行。生理指標有紫蘇幼苗葉片過氧化物酶（POD）活力和丙二醛（MDA）含量。POD活力的測定采用愈創木酚比色法[1個酶活力單位（U）定義為每分鐘每克樣品OD470 nm的變化值]；MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸法[14]。采用SPSS 17.0統計軟件和Excel 2003對試驗數據進行處理并作圖。

種子發芽率=發芽種子數/供試種子數×100%；

發芽指數=∑（Gt/Dt），

式中，Gt為第t天的發芽種子數，Dt為相應的發芽時間（d）；

活力指數=S×（Gt/Dt），

式中，S為胚根長度（cm）。

2 結果與分析

2.1 模擬酸雨脅迫對紫蘇種子萌發及幼苗生長的影響

2.1.1 模擬酸雨脅迫對紫蘇種子發芽率和發芽指數的影響 由表1可知，紫蘇種子發芽率和發芽指數隨著模擬酸雨溶液pH的下降而降低。當溶液pH為2.0時，在培養過程中出現了較嚴重的發霉及部分芽死亡現象，種子發芽率和發芽指數與對照相比差異極顯著，其中發芽率僅為對照的57.1%；當溶液pH為1.0時，種子不發芽，可能是種子已經被高濃度模擬酸雨溶液殺死。Fan等[15]研究發現，模擬酸雨溶液pH 2.0可能是抑制種子萌發與幼苗生長的閾值，這與本研究結果一致。當溶液pH為5.0時，種子發芽率和發芽指數與對照無顯著差異，表明溶液在該酸度下對種子萌發無影響。因此，種植環境pH 低于5.0不宜進行紫蘇栽培。

2.1.2 模擬酸雨脅迫對紫蘇幼苗葉片POD活力的影響 由圖1可知，紫蘇幼苗葉片POD活力隨脅迫時間的延長總體上呈先上升后下降的趨勢。脅迫初期3個處理組的POD活力都高于對照組，但在第十天時都逼近對照組，表明種子受酸雨脅迫后，機體啟動應激修復機制，POD活力上升清除體內的活性氧，但隨著處理時間的延長，種子積累過多的活性氧超過了其耐受能力，從而對植物本身產生了傷害，影響了生理代謝，導致POD活力下降[4]。

2.1.3 模擬酸雨脅迫對紫蘇幼苗葉片MDA含量的影響 MDA是植物體內膜脂過氧化的產物，其含量的高低反映了細胞膜脂過氧化程度的大小，含量越高表明細胞膜脂過氧化程度越高，細胞膜結構完整性越差[4]。由圖2可知，紫蘇幼苗葉片MDA含量隨著模擬酸雨溶液pH的降低而增加。在試驗處理的10 d內，與對照組相比，除pH為5.0的處理組外，其他處理組紫蘇幼苗葉片MDA含量明顯增加，表明模擬酸雨溶液pH在4.0及以下時引起了不同程度的細胞膜損傷，其活性氧積累導致紫蘇幼苗葉片不同程度的膜脂過氧化，且模擬酸雨溶液pH越低，膜脂過氧化程度越高。第四天時，pH為3.0的處理組紫蘇幼苗葉片MDA含量約為對照的3倍。

2.2 苔蘚植物種植水對紫蘇種子萌發的影響

2.2.1 不同濃度苔蘚植物種植水對紫蘇種子發芽率的影響 由圖3可知，與對照組相比，用不同濃度的3種苔蘚植物種植水培養紫蘇種子，種子發芽率都有不同程度的提高（1%濃度組除外），且隨種植水濃度的升高而升高；在濃度為100%時最高，鳳尾蘚和提燈蘚種植水處理組紫蘇種子發芽率均達到90.5%，縮葉蘚種植水處理組為89.3%。因此，本試驗選取的3種苔蘚植物對紫蘇種子萌發均有一定的促進作用。由方差分析可知，相同苔蘚植物種植水處理下，不同濃度種植水對紫蘇種子萌發的促進作用差異不顯著。

2.2.2 不同濃度苔蘚植物種植水對紫蘇種子發芽指數的影響 由圖4可知，當用濃度為1%的苔蘚植物種植水培養紫蘇種子時，種子發芽指數與對照組相比基本沒有變化，而濃度為10%和100%時種子發芽指數較對照組明顯升高。其中，鳳尾蘚組和提燈蘚組種植水濃度100%時，紫蘇種子發芽指數均達到最大，縮葉蘚組種植水濃度為10%和100%時，種子發芽指數相當。

2.2.3 不同濃度苔蘚植物種植水對紫蘇種子活力指數的影響 由圖5可知，用不同濃度的3種苔蘚植物種植水培養紫蘇種子時，種子活力指數均高于對照組，且隨著種植水濃度的升高而升高。當種植水濃度為100%時，紫蘇種子活力指數均達到最大，但3種苔蘚植物種植水對紫蘇種子活力指數的影響程度不同。

2.2.4 不同種類苔蘚植物種植水對紫蘇種子發芽率的影響 由圖6可知，與對照組相比，苔蘚植物種植水濃度為1%時，3種苔蘚植物種植水對紫蘇種子萌發均沒有影響。隨著種植水濃度的升高，3種苔蘚植物對紫蘇種子萌發的促進作用逐漸增強，而不同種類苔蘚對其促進作用程度不同：濃度為10%時，提燈蘚種植水處理組的種子發芽率最高；種植水濃度為100%時，鳳尾蘚和提燈蘚種植水處理組對種子萌發的促進作用最強，種子發芽率均最高，而縮葉蘚種植水處理組的種子發芽率與10%濃度組相同。由方差分析可知，相同濃度種植水處理下，不同種類苔蘚植物種植水對紫蘇種子萌發的促進作用差異不顯著。

3 小結與討論

種子的萌發除了與自身因素如種子的生命力、成熟而完整的胚、充足的營養儲備等有關以外，還與外界環境因素密切相關。本研究發現，隨著模擬酸雨溶液pH的降低，紫蘇種子的發芽率和發芽指數均顯著下降，幼苗受脅迫程度加深；當模擬酸雨溶液pH下降到2.0及以下時，紫蘇種子的發芽率大幅降低，且出現嚴重的發霉、死苗現象；pH為5.0的低濃度模擬酸雨環境適宜紫蘇生長，這與馬玉濤等[1]報道的紫蘇種子萌發pH適宜范圍（5.0～6.3）較窄的結果基本一致。紫蘇葉片膜脂過氧化產物MDA含量均隨著模擬酸雨溶液pH的降低而增加。在試驗處理的10 d內，與對照組相比，除pH為5.0的處理組外，其他處理組紫蘇葉片MDA含量均顯著增加。因此，pH為5.0以下的模擬酸雨溶液對紫蘇種子萌發及生長影響較大，可見紫蘇對酸雨脅迫的耐受能力不強，在酸雨地區種植紫蘇要考慮種植環境的酸堿度。

苔蘚植物生境的多樣性和對惡劣環境的適應性遠遠高于維管植物，同時多數苔蘚植物都能產生豐富的次生代謝物質，且具有較強的生物活性[10]。由于苔蘚種類、植物種子特性各不相同，苔蘚的化感作用對不同植物種子萌發的影響作用也不同。目前關于苔蘚植物對不同植物種子萌發的影響也有不少研究。在試驗材料的選取上多是選用苔蘚植物水提液[12]，考慮到苔蘚植物主要是通過其分泌物來影響其周圍環境，因此本研究選用苔蘚植物種植水，即培養過苔蘚的液體。二者的內容物不同，前者的主要成分是苔蘚的代謝物和苔蘚的組成成分，而后者是苔蘚植物的分泌物，較前者成分簡單。從這方面來說，苔蘚植物種植水更符合自然條件下苔蘚在植物天然更新過程中發揮的作用。

本研究表明，鳳尾蘚、提燈蘚、縮葉蘚種植水對紫蘇種子萌發均有不同程度的促進作用，且種植水濃度越高促進作用越明顯。因此可以推斷，在這3種苔蘚的代謝物中的某種或幾種化學物質能夠打破紫蘇種子的休眠，促進其萌發，至于到底是何種物質以及其具體的影響機理還需要進一步的研究。本研究為在苔蘚生長的坡地進行大面積紫蘇種子撒播提供了一定的理論支撐，至少對其早期的萌發有著積極的影響。而苔蘚伴生的生境對紫蘇幼苗生長及其成分的影響還有待繼續深入研究。

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（責任編輯 張利艷）