節節麥小穗上不同粒位種子萌發對環境因子的響應

于海燕　李華通　崔海蘭等

中圖分類號：S 451 文獻標識碼：A DOI：10.16688/j.zwbh.2020211

節節麥Aegilops tauschii是禾本科Poaceae山羊草屬Aegilops雜草，分布在我國河北、河南、山東、陜西、山西等十幾個小麥主產省，嚴重威脅小麥產量和品質。節節麥分蘗多，繁殖系數高，生態適應性廣，與小麥擬態性強，上述特性有利于其傳播擴散并在與小麥的競爭中處于優勢地位。

種子萌發是許多植物生命周期中至關重要的階段，是雜草在其入侵區定殖、存活、傳播擴散的首要條件。節節麥花序穗狀，含（5）7～10 （13）個小穗，每小穗含3～4（5）朵小花，一般僅第1～3朵小花結實。小穗基部小花形成第1粒種子，其相鄰上部位置小花形成第2粒種子，第1粒種子比第2粒發育早，而第3朵小花通常不育、較少結實。節節麥成熟時穗部以小穗為單位節節脫落于土壤，種子秋季萌發出土，其萌發行為決定著生長早期植株與小麥的競爭能力。前人研究表明，植物花序或小穗不同位置的種子萌發行為在時間和空間上分散開，有利于避免同胞子代競爭，以保持物種存留和延續。田間觀察發現，雖然節節麥每個小穗含有2～3粒種子，但往往僅一粒種子出苗。節節麥同屬雜草圓柱山羊草Aegilops cylindrica小穗上不同粒位種子在生物學特性方面存在一定的差異，例如，不同粒位種子萌發對溫度等環境因素的響應不同。而同一個小穗不同粒位的節節麥種子萌發對環境因素的響應是否存在差別未見報道。

因此，本研究以節節麥小穗中第1粒位種子和第2粒位種子為研究對象，通過比較兩者萌發對pH、鹽脅迫和水分脅迫響應的差異，明確小穗中不同粒位種子萌發對環境因素的響應，為深入研究節節麥個體生物學及建立綜合有效的防控措施提供數據支撐。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試種子：節節麥種子采自我國河南省新鄉市、河北省邢臺市和山東省濱州市的冬小麥田，種群代號分別為HN-XX、HB-XT和SD-BZ。并于2017年

2018年在中國農業科學院植物保護研究所溫室繁種。每個種群選取成熟飽滿、大小均勻一致的小穗若干，剝出第1粒（S1）與第2粒（S2）粒位種子備用。上述種子均自然解除休眠且發芽率達到95%以上。

試劑及儀器：2-嗎啉乙磺酸（MES）、4-羥乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）、N-三甲基甘氨酸（tricine），Sig-ma;氫氧化鈉（NaOH）、氯化鈉（NaCl）、鄰苯二甲酸氫鉀（C₈H₅KO₄）、聚乙二醇6000（PEG6000），國藥集團化學試劑公司;鹽酸（HCl），北京化工廠。DELTA320型pH計，梅特勒托利多儀器有限公司;FA1004萬分之一天平，上海上平儀器有限公司;人工氣候培養箱，浙江托普儀器有限公司。

1.2試驗方法

1.2.1不同粒位種子萌發對pH的響應

設定系列緩沖液pH 3～10。供試pH緩沖液的配制方法參考王曉陽等。分別選取均勻一致的S1和S2種子20粒，用無菌水反復沖洗3次，晾干后置直徑9cm墊有雙層濾紙的同一玻璃培養皿中，加入5mL配好的緩沖液，用封口膜封口后置25/20℃（光照/黑暗）人工氣候培養箱中，L∥D=14 h∥10 h，光照強度為320 ）μmol/m²·s。每隔24h調查1次發芽率，以胚根長度大于3mm為發芽標準，每次調查移除發芽的種子，連續調查14 d。上述試驗設4次重復。

對不同調查時間下節節麥Sl和S2的發芽率進行曲線擬合，回歸模型如下：

G代表不同調查時間（t）下的發芽率，G_max代表最大發芽率，t₅₀代表發芽率達到最大發芽率50%時所需的時間，e代表曲線斜率，然后根據公式（2）得到S1和S2在不同pH水平下的萌發速率（V）。

1.2.2不同粒位種子萌發對鹽脅迫的響應

配制0、20、60、120、180、240、300、360、420 mmol/L和480 mmol/L的NaCl系列溶液。于玻璃培養皿中，加入5mL上述NaCl溶液進行鹽分脅迫試驗，種子發芽方法及S1和S2在不同鹽濃度下萌發速率的計算方法同1.2.1。上述試驗設4次重復。

1.2.3不同粒位種子萌發對水分脅迫的響應

試驗采用PEG6000溶液模擬水分脅迫。分別用1L無菌水溶解0.0、72.5、143.2、192.6、233.0、284.0g和327.9g PEG6000，使各處理的水分滲透勢為0.0、-0.1、-0.3、-0.5、-0.7、-1.0、-1.3、-1.6、-2.0 MPa。于玻璃培養皿中，加入5mL上述PEG6000溶液進行水分脅迫試驗，種子發芽方法及Sl和S2在不同水分滲透勢下萌發速率的計算方法同1. 2.1。上述試驗設4次重復。

同時對不同滲透勢下節節麥Sl和S2的最終發芽率進行曲線擬合，回歸模型如下：

G代表不同滲透勢（x）下的最終發芽率，G_max代表最大發芽率，x₅₀代表發芽率達到最大發芽率50%時的滲透勢，e代表曲線斜率。

1.3數據分析

采用SPSS 21.0軟件對所有試驗數據進行統計分析。利用SigmaPlot 12.5軟件的三參量非線性回歸模型進行曲線擬合，得到曲線方程、t₅₀和x₅₀。

2結果與分析

2.1不同粒位種子萌發對pH的響應

pH變化對3個供試種群種子萌發率及萌發速率無明顯影響，但相同pH條件下不同粒位種子萌發對pH的響應存在差異。從發芽率來看，在供試pH范圍內，雖然S1和S2均能萌發，且發芽率均超過70%，但相同pH時3個供試種群S2的發芽率均高于其相應種群的Sl（圖1）。如HN-XX種群在pH為8時Sl的萌發率為73. 75%，此時該種群S2萌發率達95%（圖lb），其他兩個種群S2的發芽率也均超過90%（圖1a和1c）。從萌發速率來看，在供試pH緩沖液為3～10時，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3個種群S2的萌發速率均明顯高于相同pH時的S1;上述3個種群S1的平均萌發速率分別為0. 59、0.67^-1d和0. 60 d^-1;而S2的平均萌發速率分別為1. 04、1.29 d^-1和1.08d^-1（表1）。

2.2不同粒位種子萌發對鹽脅迫的響應

鹽脅迫影響節節麥種子萌發，高濃度NaCl處理不同粒位節節麥種子萌發存在差異。從發芽率來看，Sl受鹽脅迫的影響較大，表現為隨NaCl濃度增大，其發芽率顯著降低（P<0.05）;而S2的發芽率在不同NaCl濃度下相對較高（圖2）。從萌發速率來看，隨NaCl濃度的升高，S1和S2的萌發速率均降低。在供試NaCl濃度為0～480 mmol/L下，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3個種群Sl的平均萌發速率分別為0. 41、0.41d^-1和0. 36 d^-1;而S2的平均萌發速率分別為0. 60、0.64 d^-1和0. 62d^-1（表2）。由此可見，在供試NaCl濃度下，S2萌發對鹽脅迫的耐受性高于S1。

2.3不同粒位種子萌發對水分脅迫的響應

隨著滲透勢降低節節麥種子萌發率降低，不同粒位節節麥種子萌發對水分脅迫的響應存在差異。從發芽率來看，在滲透勢分別為-0.7～-1.3 MPa、-0.5～-1.6 MPa和-1.0～-1.6 MPa時，HB-XT、HN-XX和SD-BZ種群S2的發芽率顯著高于Sl（P<0.05）。此外，將不同滲透勢下3個節節麥種群的發芽率進行曲線擬合，模擬得出，HB-XT、HN-XX和SD-BZ的S1分別在滲透勢為-0.83、-0. 69 MPa和-1.28 MPa時發芽率達到最大發芽率的50%，而S2分別在滲透勢為-1.56、-1.65 MPa和-1. 75 MPa時發芽率達到最大發芽率的50%（圖3）。從萌發速率來看，隨滲透勢的下降，Sl和S2的萌發速率均降低。在供試滲透勢為0～-2.0 MPa下，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3個種群S1的平均萌發速率分別為0. 38、0.42 d^-1和0. 33 d^-1;而S2的平均萌發速率分別為0. 51、0.49d^-1和0.51 d^-1（表3）。由此可見，在供試滲透勢下，S2較Sl萌發更能耐受水分脅迫。

3討論

節節麥小穗上不同粒位種子萌發對環境因子的響應存在差異，其同屬雜草圓柱山羊草也存在類似現象，這可能與種子的體積大小有一定關系。觀察發現，節節麥小穗不同粒位的種子在表型上有一定的差異，即S2比Sl體積大，這可能是S2抗逆性強的主要原因。有報道表明，少花蒺藜草Cenchrusspinifer同一個刺果中，裸露在外側的M型種子在表型上比半包裹在內側的P型種子大，且M型種子對鹽脅迫的耐受性顯著高于P型種子。婆羅門參Tragopogon Pratensis subsp.Pratensis單株可產生兩種不同顏色的穎果，顏色較深的種子表面粗糙，而顏色較淺的種子表面光滑，與顏色較淺的種子相比，顏色較深的種子不僅質量較重而且發芽率較高。藜Chenopodium album產生的棕色種子體積大，萌發快，對鹽脅迫耐受性較高，而其產生的黑色種子對鹽脅迫敏感。對于節節麥而言，S2體積較大、營養物質豐富，可為種胚突破種皮提供更多的能量，使發芽對環境脅迫有較高的耐受性。

節節麥S1和S2萌發對pH的要求不高，這與之前報道的節節麥種子（帶穎殼）的萌發特性相似。此外，豬殃殃Galium spurium、看麥娘Alo-pecurus aequalis等雜草萌發適應的pH的范圍也較寬。低滲透勢影響了節節麥S1和S2的萌發，這可能是由于低滲透勢不利于種子萌發過程中相關酶的激活或分解，也可能是低滲透勢限制了種子用于其萌發的營養物質運輸和利用。鹽脅迫對節節麥S1的萌發有顯著影響，隨著鹽濃度的升高，其發芽率逐漸降低，薺菜Capsella bursa-pastoris、豬殃殃、牛筋草Eleusine indica等雜草也具有類似的萌發特性。這種現象可能與鹽脅迫產生的滲透作用、有毒離子、氧化脅迫等有關。例如，滲透脅迫可通過減緩種子的吸脹過程從而延緩高粱種子的代謝激活和萌發。有毒離子會影響種胚的活力，引起酶和其他大分子物質的結構破壞、細胞器和質膜的損傷，也可能影響呼吸作用等過程。此外，氧化脅迫是影響種子萌發的重要因素，鹽脅迫可通過干擾活性氧產生和清除的動態平衡來延緩或抑制種子萌發。

節節麥S1和S2萌發速率存在差異，S2較S1萌發快可能是植物適應環境長期進化的結果。田間條件下，節節麥小穗從穗軸脫落，存在于土壤種子庫，當環境條件適宜時種子開始萌發，S1和S2萌發速率的差異使小穗上的種子能夠延長其萌發時間，避免自身不同種子之間的競爭，為其在土壤更好地定植創造條件。在種子萌發過程中，當遇到不利的環境時，如果S2萌發后由于環境脅迫未長成幼苗，萌發相對較晚的S1仍有機會長成植株，這將為其種群在逆境下生存提供保障。