直立委陵菜種子萌發對環境因子的響應

李 陽，李 想，丁芳兵，李 倩

(1. 陜西省西安植物園(陜西省植物研究所)，陜西 西安 710061；2. 陜西省植物資源保護與利用工程技術研究中心，陜西 西安 710061；3. 陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300)

種子將植物的各個世代聯系起來，因此種子是植物生活史中最重要的階段。種子萌發特征決定了植物更新、幼苗存活以及種群的延續[1]。除種子大小、活力、成熟度以及休眠等內在因素外，種子萌發還受到外界環境因子的綜合影響。通常認為，溫度、光照和水分是影響種子萌發的主要環境因素[2]。種子萌發過程中，外界溫度起到至關重要的作用[3～5]。種子萌發實際上是一個代謝過程。溫度通過影響代謝過程中酶的活性來影響種子萌發結果。此外，光照等其他環境因子必須結合適宜的溫度才能對種子萌發起到干涉作用[6]。光周期通常被認為是提示外界環境是否適宜的萌發信號[7]。在自然環境中，溫度和光周期通常是相匹配的。水分環境也是種子萌發過程中一個重要的環境因子。得到足夠的水分，種子才能開始萌發。然而在自然生態系統中，在適宜萌發的季節其環境溫度和光周期通常符合種子萌發需求，但是水分脅迫即干旱是常發生的情況。在全球環境變化背景下，降水格局發生劇烈改變，原本適宜萌發的季節內發生干旱的情況將越來越激烈。因此，那些具有一定抗旱性的種子在這樣背景下可以保證種子萌發，進而影響種群動態和群落特征，最終對生態系統結構和功能造成一定的影響。

直立委陵菜(Potentillarecta)，薔薇科多年生草本植物。莖直立，高15～50 cm[8]，具有一定的觀賞性，常作為觀賞植物被引種。直立委陵菜在歐亞大陸廣泛分布[9,10]，具有很強的適應能力和競爭能力[11]，常常在分布地形成優勢種群[12,13]。此外，直立委陵菜因其具有較強的表型可塑性[14]和較大的種子產量入侵到北美洲多地[10,15,16]，對當地生態系統、農田生產產生較大影響[12,13,18]。直立委陵菜僅行有性生殖即僅依靠種子進行繁殖[19]。因此，研究其種子受控因素，有助于我們理解直立委陵菜種子萌發機制、種群繁殖對策以及入侵機理，為人工栽培、預防和控制入侵提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

直立委陵菜種子于2018年9-10月收集于陜西省西安植物園。于室外風干保存至第二年春天。

1.2 試驗方法

采用培養皿濾紙法進行溫度和光照強度對種子萌發特性研究。選取50粒飽滿，大小均勻一致的種子，用萬分之一天平稱重后，再用75%酒精消毒3 min，用蒸餾水沖洗干凈，用濾紙吸干種子表面的水分，放置于直徑為90 mm的鋪有兩層濾紙的培養皿中。將培養皿置于人工氣候箱內培養，氣候室內有效光量子密度為250 μmol·m-2·S-1。設置四組溫度：10℃，15℃，20℃，25℃。每個溫度再設置兩個光照長度：16 h/8 h(16 h光照/8小時黑暗)，12 h/12 h(12 h光照/12 h黑暗)。共8個處理，每個處理5個重復。

采用培養皿濾紙法進行干旱脅迫對種子萌發特性研究。首先配置3個PEG6000濃度，分別是：5%PEG(溶質質量/溶液質量，下同)，10%PEG，20%PEG濃度。選取50粒飽滿，大小均勻一致的種子，用75%酒精消毒3 min后，再用蒸餾水沖洗干凈，最后用濾紙吸干種子表面的水分，放置于蒸餾水或者不同濃度的 PEG6000溶液中，進行浸種處理。24 h后用蒸餾水反復漂洗4～5次，并將種子放置于直徑為90 mm的鋪有兩層濾紙的培養皿中。將培養皿置于人工氣候箱內培養。氣候箱內有效光量子密度為250 μmol·m-2·S-1，光暗周期為12 h/12 h, 晝夜溫度為25℃/20℃, 相對濕度為70%。以蒸餾水浸種24 h的種子作為對照組。共4個處理，每個處理3個重復。

每天根據實際情況往培養皿中酌量添加蒸餾水。連續觀察培養皿中種子萌發情況，每天定時統計種子萌發數。當連續5 d沒有種子萌發則視為萌發結束。最后統計種子發芽率(Gr) 、發芽勢(Ge)、發芽指數(Gi)等指標[20]。

1.3 試驗指標測定方法

種子發芽率(Gr)=(萌發種子數/供試種子數)×100%

種子發芽勢(Ge)= (七天萌發種子數/供試種子數)×100%

種子發芽指數(Gi)= ∑(Gt/Dt)

式中： Gt為t天內種子萌發數，Dt為種子萌發天數。

1.4 數據分析

溫度和光照時間對種子萌發特征的影響數據采用二因素方差分析；水分脅迫對種子萌發特征的影響數據采用單因素方差分析；種子大小和發芽率相關性采用一般線性回歸分析；樣本間的差異顯著性用t-檢驗。整個數據分析利用SAS9.0軟件進行處理。

2 結果與分析

2.1 溫度和光照對直立委陵菜發芽特征的影響

將溫度和光照時長作為主效應進行二因素方差分析，其結果表明：發芽溫度顯著影響直立委陵菜種子的最終發芽率(P< 0.001，圖1a)，發芽指數(P<0.001，圖1b)，發芽勢(P< 0.001，圖1c)。25℃和20℃的萌發溫度對直立委陵菜種子最終發芽率、發芽勢和發芽指數沒有顯著影響。而在15℃的萌發溫度下，直立委陵菜種子最終發芽率、發芽勢、發芽指數均顯著降低。在10℃的萌發溫度下，直立委陵菜種子不發芽。通過最終發芽率、發芽勢和發芽指數可以推斷，直立委陵菜的最適萌發溫度在20～25℃之間。

光照時長雖然沒有顯著影響直立委陵菜種子的最終發芽率(P> 0.05，圖1a)，卻顯著影響發芽指數(P<0.05，圖1b)和發芽勢(P< 0.05，圖1c)。16h/8h的光照時長顯著增加6.10%的發芽勢，26.00%的發芽指數。通過光照時長對種子萌發特征的影響可以推斷，直立委陵菜的萌發過程中喜好長時間的光照。

2.2 干旱脅迫對直立委陵菜發芽指標的影響

不同PEG-6000濃度的溶液沒有顯著影響直立委陵菜的發芽率(P> 0.05)、發芽勢(P>0.05)和發芽指數(P> 0.05)。然而，t-檢驗得出，經過10%和20%PEG-6000溶液處理后的種子，其發芽率、發芽勢和發芽指數均顯著低于對照處理。

圖1 溫度、光照周期對直立委陵菜種子發芽特征的影響(a.發芽率，b.發芽勢，c.發芽指數)

圖2 PEG濃度對直立委陵菜種子發芽特征的影響(a.發芽率，b.發芽勢，c.發芽指數)

2.3 直立委陵菜種子大小和發芽特征關系

在測定不同溫度和光照對直立委陵菜種子發芽特征影響時，首先測定每個培養皿中種子質量，并換算成千粒重。結果表明：直立委陵菜種子的千粒重為0.1722±0.003 g(P> 0.05，n=30)。但是，直接分析在不同溫度和光照條件下所有直立委陵菜的最終發芽率與其千粒重并沒有呈現出顯著相關關系(P> 0.05，圖3a)。而在25℃和20℃發芽溫度以及16 h/8 h的光照條件下，直立委陵菜種子的千粒重和最終發芽率呈顯著相關關系(P< 0.001，圖3b)。

圖3 直立委陵菜種子大小對發芽率的影響

3 討論

種子是植物生活史中最關鍵的階段。種子萌發及幼苗生長階段對環境的適應能力決定了植物種群的繁衍與發展[21]。種子萌發受到自身因素和外界因素的共同作用。而影響種子萌發的外界環境因子因種子生物學特征不同而存在一定的差異[22]。

溫度是影響植物種子萌發和出苗最重要的環境因子之一[22]。通常認為，低溫環境抑制種子內部酶的活性，從而影響種子萌發；同樣，高溫環境可以導致酶失活，進而抑制種子萌發。但是不同種子的最適萌發溫度不同，通常認為和物種原生境相關[21]。研究發現，直立委陵菜種子在15℃～25℃時均可以萌發，其萌發溫度范圍較為寬泛，有利于其擴散到不同溫度帶的生境中。直立委陵菜在15℃時已經開始萌發，表明其可以在早春較冷的環境中進行萌發，迅速占據環境中的空間、養分，為后期幼苗的生長和競爭奠定有利的基礎。同時，直立委陵菜種子在15℃的萌發溫度下，其各項萌發指標均顯著低于在20℃和25℃萌發溫度下的各項萌發指標；而20℃和25℃的萌發溫度下，直立委陵菜種子萌發特征沒有顯著差異，這說明直立委陵菜的種子萌發適宜溫度在20～25℃。

光是調節種子萌發的重要環境信號[7]，但不同植物種子萌發所需要的光周期不同。通常情況下，較小種子的萌發需要長時間光照刺激[33,24]。筆者研究證實了這個觀點。作為一種比較小的種子(種子千粒重：0.1722±0.003 g)，直立委陵菜種子在萌發過程中表現出對長光照的喜好。分析其原因可能在于，相比較而言，小種子體內所蘊含的養分物質較少，更需要準確地在環境適宜情況下啟動萌發，來保證萌發的成功。所以，小種子對光周期信號的依賴性更強。此外，根據silvertown的“大小--數量”權衡規律，植物尤其是入侵植物通常產生大量且未完全發育的種子，這些種子需要經過種子自身的需光發育[24]。相比較完全發育種子，未完全發育的種子的質量通常要小。這種“需光發芽”策略可以保證該植物具有可以產生更多后代的可能。此外，研究也證明了溫度可以改變其他環境因子如光照條件對種子萌發特征的影響[8]。例如，在筆者研究中，直立委陵菜種子在較高溫度(25℃)萌發時，對光照時長要求不顯著。但隨著溫度降低，較長光照時間(16 h/8 h)可以彌補因為低溫(15℃)而帶來萌發特征的降低趨勢。光照時長和溫度對直立委陵菜種子萌發特征的這種互補效應可能導致其萌發過程對環境依賴性降低。這可能是直立委陵菜可以在歐亞大陸廣泛分布，并能成功入侵到北美等地的原因之一。

水分是種子萌發的首要條件[25]。在干旱半干旱地區，水分對種子萌發及幼苗生長的影響更為重要[26]。種子在萌發過程中，通過調節保護酶活性及體內滲透調節物質來抵消水分脅迫的影響。隨著水分脅迫的增加，種子的萌發特征均呈現下降趨勢。但是不同植物對水分脅迫的耐受性不同，可能與其原生境有關[21]。研究的結果表明，經過輕度干旱脅迫的種子，其萌發特征和對照差異不顯著，說明直立委陵菜種子在萌發過程中抗一定程度的干旱。但是隨著干旱程度的增加，其萌發特征受到顯著抑制。這又說明直立委陵菜適應一定程度的干旱脅迫，但抗干旱能力有限。直立委陵菜種子萌發過程對干旱的耐受特點與其原生境息息相關。直立委陵菜原產于我國比較干旱的西部地區，因此其在萌發過程中可以忍受一定程度的水分脅迫。這一特性也導致其可以從干旱地區向濕潤地區的擴散入侵。

除外界因素外，種子自身的內在因素也影響著其發芽特征。根據筆者研究結果，在適宜環境中，直立委陵菜種子的大小顯著影響其發芽率。這說明相對來說大的種子蘊含更多的養分，可以保證種子在萌發過程中所需的養分。而大種子在種子萌發特征上的優勢，也為后期幼苗成功定植、種群動態發展提供了有利條件[21]。在筆者實驗中，在其他環境條件下，直立委陵菜種子大小和發芽率并沒有呈現出顯著相關性，分析其原因可能是不利的發芽環境尤其是低溫顯著抑制了直立委陵菜種子的萌發。

4 結論

直立委陵菜種子的萌發特征與其生活環境有關。在我國，直立委陵菜主要分布在西部地區的草地生境中[27]。通常情況下，西部地區的光照條件比較好，而水分是主要的限制因子[26]。因此直立委陵菜的種子具有一定的抗干旱能力。直立委陵菜種子萌發過程中耐一定程度的干旱、以及種子萌發過程中對溫度和光照的互補性需求，導致其萌發率較高[16]。再加之其較大的種子產量[16]，可能是直立委陵菜在歐亞大陸廣泛分布且在多個地區形成優勢種群并能成功入侵到北美的主要因素之一。