環境因子對木棉種子萌發的影響

鄭艷玲，馬煥成，* ，Scheller Robert，高 柱，鄭 元

(1．西南林業大學國家林業局西南地區生物多樣性保育重點實驗室，昆明 650204;2．Department of Environmental Science and Management，Portland State University，Portland，Oregon，97207，USA)

木棉(Bombax malabaricum DC．;B．ceiba L．;Gossampinus malabarica Merr．)是木棉科(Bombacaceae)木棉屬(Bombax Linn．)的一種落葉大喬木。該種分布于我國的江西、廣東、廣西、福建、臺灣、四川、貴州、云南等多省;同時印度、斯里蘭卡、印度尼西亞、菲律賓、澳大利亞均有分布。木棉全身是寶，其花、根、皮、木材和種子等都可以被利用，具有很高的經濟、藥用和觀賞價值［1］。

干熱河谷是我國西南地區的特殊生態系統類型，氣候表現為熱量充足，水分缺乏，干濕分明，氣溫全年較高，太陽輻射較強等特點［2］。由于生境條件的限制，干熱河谷地區植被覆蓋率低，水土流失嚴重，再加上人為的干擾破壞，干熱河谷的生態環境不斷惡化，因此，這一地區的生態環境恢復和建設勢在必行［2］。在以干、熱為顯著特點的干熱河谷，木棉是當地群落的優勢種或常見種［3-4］，反映其對當地氣候具有很好的適應性。但是，河谷內，木棉成年樹木生長良好，有大量結實，而其周圍卻很少有種苗出現。特殊生境的植物能較好地適應當地生境條件，其種子萌發行為在種群持續、種群動態和群落結構中起著關鍵作用［5］，我們推測，一些環境因素影響木棉種子萌發。

對木棉的研究，國內外集中于木棉的傳粉生物學、遺傳多樣性、組織培養、化學成分分析、纖維理化性質等方面［6-10］。但是木棉種子萌發方面的研究尚未見報道。因此，木棉種子萌發和幼苗生長的一些關鍵問題有待解決:種子萌發和幼苗生長的最適溫度是多少?它們對光照、熱激和干旱的敏感性如何?此外，大量研究表明，水楊酸(SA)可以誘導植物對多種脅迫產生一定抗性［11］，那么SA處理對木棉種子萌發的抗旱性及抗熱性又有何影響?本文通過對以上問題的研究，為實現木棉野外種群的建立和室內幼苗的高效生產提供科學依據，為應用該物種于干熱河谷地區的生態恢復提供基礎。

1 材料與方法

1．1 材料采集

木棉果實于2011年5月采集于云南省保山市隆陽區，將果實帶回實驗室自然風干，而后去除果皮和棉絮收集種子。

1．2 種子千粒重及含水量測定

隨機抽取50粒種子稱重，計算千粒重，設10個重復;種子含水量的測定采用烘干法，隨機取25粒種子，在105℃烘箱中烘10 h后稱重，計算種子水分含量，設5個重復。

1．3 種子吸脹實驗

隨機抽取25粒種子，稱其干重，浸泡于25℃恒溫水中，在前12 h內每隔2 h取出1次，用濾紙吸干表面水分后稱重，而后每隔12 h取出1次，計算各自的吸水率，吸水率=(種子總重量-干種子重量)/干種子重量，設3個重復。

1．4 種子生活力測定

按照ISTA種子檢驗規程［12］，采用四唑(TTC，1．0%)染色法測定木棉種子活力。將50粒種子置于35℃溫水中浸泡2 d后去皮，然后在35℃條件下用四唑溶液染色12 h，染完色后根據種胚的著色程度和部位，按照國際種子檢驗規程上的標準鑒定種子的生活力。實驗共設置4個重復。

1．5 環境因子對種子萌發和幼苗生長的影響

每個處理各選50粒種子均勻置于鋪有兩層濾紙、直徑為10 cm的培養皿中于人工智能培養箱中進行萌發實驗，每天補充一定量蒸餾水，以保持濾紙濕潤。培養條件為光照時間12 h/d，光照強度2000 lx，除了檢測溫度和光照對種子萌發的影響外，其余實驗都在35℃下進行。不同環境因子的每個處理水平均設4個重復。

種子萌發以胚根突破種皮2 mm為標準，逐日統計發芽數，并于實驗的第10天稱量幼苗鮮重，計算萌發率、萌發指數和活力指數。其中萌發指數GI=∑(Gt/Dt)(Gt為第t日的萌發數，Dt為相應的萌發日數);活力指數VI=GI×S(S為萌發第10日的幼苗鮮重)。

1．5．1 溫度

培養溫度分別恒定在10、15、20、25、30、35、40 和45 ℃8 個水平。

1．5．2 光照

25℃和35℃恒溫條件下，在持續黑暗(在培養皿外包裹兩層錫箔紙)和正常光照(12 h/d，2000 lx)下將種子進行萌發。

1．5．3 干旱處理

聚乙二醇(PEG)是一種高分子滲透劑，被廣泛用來模擬干旱試驗。采用PEG(6000)進行干旱脅迫處理，并檢測水楊酸(SA)處理對抗旱性的影響。

種子在 PEG 中萌發:PEG(6000)水分脅迫溶液，質量濃度分別設 0(蒸餾水)、0．05、0．10、0．15、0．20 g/mL 5 個水平，與之相對應的溶液水勢梯度大約為 0、-0．10、-0．20、-0．40、-0．6［13］。

SA處理后再干旱脅迫:室溫下分別將種子在0、1、10、100 mg/L的SA溶液中浸泡24 h，然后在0．10 g/mL PEG中進行萌發。

1．5．4 熱激處理

熱激:種子在室溫吸脹24 h后，分別于35、42、47和51℃熱激2 h。

SA處理后再熱激:室溫下分別將種子在0、1、10、100 mg/L的SA溶液中浸泡24 h，然后在47℃熱激2 h。

1．6 數據處理與分析

數據統計分析在Microsoft Excel 2003中進行，萌發率、萌發指數和活力指數在不同處理間的差異性分析采用單因子方差分析(One-Way ANOVA)。

2 結果與分析

2．1 種子千粒重、含水量和種子吸脹

實驗表明，木棉種子的千粒重約為39．08 g，自然風干的種子含水量為10．62%。由圖1可以看出，種子在25℃溫水中浸泡24 h后含水量達到47．57%，而且觀察發現，48 h后胚根就陸續突破種皮。可見，木棉種皮透水性良好，不影響種子對水分的有效吸收。

圖1 木棉種子的吸水Fig．1 Water absorbing capacity of Bombax malabaricum seeds

2．2 種子生活力

四唑染色結果顯示，木棉有生活力的種子占64．0%，糜爛粒占14．0%，其余22．0%未染色部分都是飽滿種子，但失活原因還有待研究。

2．3 環境因子對種子萌發和幼苗生長的影響

2．3．1 溫度對木棉種子萌發和幼苗生長的影響

表1為不同溫度下木棉種子的萌發和幼苗生長情況。在15—35℃之間，隨著溫度升高，種子萌發速度加快(圖2)，萌發率依次提高，萌發指數和活力指數也依次顯著增加(表1)。截止到萌發第10天，15℃和35℃時的萌發率分別達到7．00%和61．50%。40℃條件下少數種子雖然從第2天開始萌發，但在第4天時根尖開始變褐、變軟，萌發的全部種子逐漸失活。在10℃和45℃條件下，沒有種子萌發。觀察發現，在萌發期間隨著萌發溫度升高，水分越多越不利，如35℃條件下，水分過多時已經萌發的種子會從根尖慢慢死亡，本實驗中以保持濾紙濕潤為宜。由此可見，高溫會影響種子萌發和幼苗生長，而且高溫高濕的影響作用更大。

表1 溫度對木棉種子萌發率、萌發指數和活力指數的影響Table 1 Effect of temperature on germination percentage，germination index and vigor index of Bombax malabaricum

結果表示為平均值±標準差，同一行內字母不同代表在0．05水平上差異顯著;

2．3．2 光照對木棉種子萌發和幼苗生長的影響

表2顯示，25℃萌發時，光照對萌發率和活力指數無顯著影響;35℃時，光照對萌發率、萌發指數和活力指數都無顯著影響。經觀察，兩種溫度下完全黑暗時產生的幼苗均為黃化苗。

2．3．3 干旱脅迫對種子萌發和幼苗生長的影響

(1)PEG脅迫對木棉種子萌發和幼苗生長的影響如表3所示，PEG濃度為0．05 g/mL時，種子萌發率雖與對照無顯著差異，但萌發指數和活力指數都顯著低于對照。隨著脅迫程度的提高，種子的萌發率、萌發指數和活力指數都顯著降低，PEG濃度為0．15 g/mL時，種子就不能萌發。表明木棉在種子萌發階段對干旱比較敏感。

圖2 不同溫度條件下木棉種子萌發進程Fig．2 Seed germination percentage of Bombax malabaricum in different temperatures

表2 光照對木棉種子萌發率、萌發指數和活力指數的影響Table 2 Effect of light on germination percentage，germination index and vigor index of Bombax malabaricum

表3 不同濃度聚乙二醇(PEG)對木棉種子萌發率、萌發指數和活力指數的影響Table 3 Effect of Polyethylene glycol(PEG)on germination percentage，germination index and vigor index of Bombax malabaricum

(2)SA處理對種子萌發抗旱性的影響

由表4可以看出，1—100 mg/L SA處理后的萌發率、萌發指數和活力指數中，除10 mg/L SA處理后萌發指數顯著高于對照外，其余指標均未比對照有所提高，甚至還顯著低于對照。表明，SA處理并不能顯著提高木棉種子萌發時的抗旱性，甚至對抗旱性有負面影響。

表4 水楊酸(SA)對木棉在0．1 g/mL PEG中萌發率、萌發指數和活力指數的影響Table 4 Effect of salicylic acid(SA)on germination percentage，germination index and vigor index of Bombax malabaricum in 0．1 g/mL PEG

2．3．4 熱激對種子萌發的影響

(1)不同熱激溫度對種子萌發的影響

將室溫下吸脹24 h的種子分別在35、42、47、51℃熱激2 h后進行萌發，結果顯示，隨著溫度升高，萌發率依次顯著降低(圖3)。

(2)SA處理對種子萌發抗熱性的影響

表5表明，不同濃度的SA處理后，種子的萌發率、萌發指數和活力指數較對照都顯著下降。因此，SA處理不利于提高種子萌發階段的抗熱性。

3 結論與討論

種子重量是與植物的適應能力有關的一個很重要的性狀［14-16］，它被認為是在大量小種子和少量大種子之間的進化折中。在一定的能量限度內，種子重量和數量具有一種反向關系［17］。尤其在逆境或有高度競爭壓力的環境中，大種子將會有更高的幼苗建植機會，因為它們能為幼苗的早期生長提供更多的儲藏物質［18-19］。然而，在相同條件下，小種子有更大的傳播、散布和拓殖優勢，因此能夠占據更多的生態位［20］。經測定，木棉種子比同屬的長果木棉(Bombax insigne)及吉貝屬的吉貝(Ceiba pentandra)種子都小，可以推測，木棉是通過種子數量和較高的種子散布能力在種間獲得競爭優勢的。除種間種子大小表型的進化外，由于物種內產生小種子同樣有利于占據更多生態位，大種子有利于在競爭中占據優勢，因此物種內也趨向于產生大小不等的種子［21］。據觀察，不同居群間木棉種子的重量也存在一定差異，具體的遺傳變異程度有待進一步研究。

圖3 不同溫度下熱激2 h對木棉種子萌發率的影響Fig．3 Effect of heat shock for 2 h at different temperature on germination percentage of Bombax malabaricum圖中直線代表±標準差

表5 SA處理對木棉種子在47℃熱激2 h后萌發的影響Table 5 Effect of SA on germination percentage，germination index and vigor index of Bombax malabaricum after heat shock for 2 h at 47 ℃

干熱河谷在熱帶大陸季風和西南暖濕氣流雙重影響下，季節性干旱的特征尤為突出。其冬半年為旱季，此期間各干熱河谷的降水量一般在50—150 mm，占全年總降水量的8%—18%，且持續時間長達半年以上(11月—翌年5月);而雨季降水量占全年總降水量的82%—92%，降水集中，但持續時間較短(6—10月)［22］。由于蒸發量很高，不少地區不僅旱季干旱，雨季也出現嚴重的水分虧缺現象［23］。此外，干熱河谷的年均氣溫一般較高，極端最高氣溫普遍達40℃以上。干熱河谷氣溫高，地溫則更高，尤其是在旱季后期，極端最高地面溫度一般在70℃以上［24］。因此，“干”、“熱”是干熱河谷地區氣候的顯著特點。木棉能夠生長在干熱河谷這樣嚴酷的環境中，能夠正常開花結實，而在野外卻發現大樹周圍很少有幼苗出現。在種子植物的生活史中，種子萌發階段是植物對環境脅迫抵抗力最弱的時期，任何不利于種子萌發的因素存在都會直接影響到植物種群新個體的產生與補充，影響到種群的穩定性［25-26］。活力檢測結果表明64%的木棉種子是有活力的，因此，幼苗的缺失必定是萌發的失敗或萌發后幼苗的死亡所導致的，而這與環境因子密切相關。本文研究了木棉種子的基本物理特性，并且針對干熱河谷干和熱的特點，重點研究了種子萌發和幼苗生長對干旱和熱激的響應。

研究結果表明，木棉種子吸水無障礙且光照對其種子萌發無影響，然而，種子萌發對高溫和干旱卻較敏感而且高溫高濕對萌發后的種子也有致死效應。結合木棉種子成熟物候期和環境條件來看，木棉種子于5月左右開始成熟散落，而6—10月便是干熱河谷的雨季和高溫季節，此時，足夠的水分及木棉種子快速吸水的特性保證了種子的充分吸脹。然而，研究結果顯示種子在40℃時萌發率會顯著下降，萌發后的種子也不能成活，因此，高溫(包括地溫和氣溫)是限制木棉種子在雨季萌發及萌發后幼苗存活的關鍵因子。此外，種子活力會因受到雨季高溫高濕的影響而喪失或下降，從而導致種子在隨后適宜環境下萌發的失敗或幼苗活力的下降，而且到了旱季，干旱又成了限制種子萌發和幼苗生長的關鍵因子。這也就解釋了為什么野外木棉樹木結實正常而幼苗少的原因。

SA是一種酚類化合物，作為一種信號分子，在植物體內參與多種代謝調控，可以誘導植物對高溫、低溫、干旱、重金屬、鹽害等產生一定抗性［11］。作者對三棱櫟(Trigonobalanus doichangensis)的研究中也發現，SA處理可以提高其種子萌發時的抗熱性［27］;然而本研究表明，不同濃度的SA處理并不能提高木棉種子萌發時的抗旱和抗熱性，甚至對其有一定抑制作用，具體作用機理有待研究。有報道:外源SA的效應取決于多種因素，如植物物種和發育時期，施用方式和濃度以及植物內源SA水平［11］。

以上結果表明木棉種子能在較寬的溫度范圍內(15—35℃)萌發，而且溫度越高，萌發越快，幼苗長勢也越好。干熱河谷地區，干旱和高溫是限制木棉種子萌發的關鍵因子，而且SA處理并不能提高種子萌發時的抗旱和抗熱性。

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