車前種子黏液對其劣變和萌發抗逆性的影響

葉曉倩， 劉瑞曦， 馮金慧， 鄧仕明， 李吉濤， 鄧志軍

(1. 生物資源保護與利用湖北省重點實驗室， 湖北民族大學， 湖北 恩施 445000； 2. 恩施州特色植物資源種質工程技術研究中心， 湖北民族大學， 湖北 恩施 445000； 3. 湖北民族大學林學園藝學院， 湖北 恩施 445000)

種子黏液是由種皮外層細胞中的高爾基體產生并分泌到細胞腔或細胞壁的一些具有強親水性的酸性(果膠)和中性(阿拉伯糖、纖維素、甘露糖、鼠李糖和木糖)多糖[1-2]。研究發現，至少37目110科230屬的被子植物的種子具有黏液[3-4]。種子黏液可以促進種子成熟和傳播，可以通過保濕并激活種子的修復機制來保持種子庫的有效性，可以通過減少氧擴散來維持種子休眠，可以通過調節水分和氧氣的吸收促進種子萌發，還可以通過直接或間接提供營養促進幼苗生長[5]。尤其是在沙漠條件下，種子黏液使很多荒漠植物在干旱少雨條件下能夠及時快速萌發成苗[6]。

在自然條件下，種子最終能否萌發成苗，既取決于種子活力的保持能力，也取決于種子的萌發抗逆性。目前，已知種子黏液有利于種子傳播與萌發成苗，特別是有利于種子在干旱等逆境條件下的萌發成苗，而種子黏液對種子活力保持的影響，以及種子黏液在種子活力保持與萌發抗逆性之間的關系中的作用還尚未明確。對這方面的研究將有助于進一步全面認識種子黏液的生態意義。

車前(Plantagoasiatica)為車前科(Plantaginaceae)車前屬多年生草本植物，全國廣泛分布[7]。車前種子及全草皆可入藥[8]，且在園林綠化中也有廣闊應用前景[9]。車前和同屬的小車前(P.minuta)[10]、長葉車前(P.lanceolata)[11]、平車前(P.depressa)[12]、鹽生車前(P.maritimasubsp.Ciliata)[13]和北美車前(P.virginica)[14]的種子表面均具有黏液，這似乎是車前屬植物的共有特征。目前已知，北美車前[14]和小車前[15]種子的黏液均有利于其在干旱環境下萌發成苗，而種子黏液對車前種子萌發抗逆性和活力保持的影響則未見報道。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

車前種子于2018年6月采自湖北省鶴峰縣木林子國家級自然保護區。采回的種子在室溫下陰干一周，測定含水量((8.36±0.02)%)后裝入聚乙烯密封袋并置于4℃冰箱中保存備用。

1.2 種子黏液去除

將種子平鋪在用蒸餾水充分濕潤的雙層濾紙上，在10℃黑暗條件下培養4 h，使種子表面黏液物質充分吸水軟化，然后將吸脹后的種子裹在四層醫用紗布間用手輕輕揉搓以使黏液物質與種子充分分離，再通過蒸餾水清洗去除黏液，最后平鋪在干燥濾紙上于10℃黑暗條件下陰干，直至含水量降至與初始含水量相近水平。

1.3 人工加速老化處理

參照Liu等[16]的方法將保留和去除黏液的車前種子分別置于40℃和100%相對濕度下進行人工加速老化處理。在老化處理0，2，4，6，8，10，12，14，16，18 d后取樣，并在指定的最適溫度下進行萌發測試。

1.4 模擬干旱處理

參照Michael和Kaufaman[17]的方法，配制水勢分別為0，-3，-4，-5，-7，-8，-9，-10 MPa的PEG-6000溶液來模擬不同程度的干旱條件，然后用這些不同水勢的PEG-6000溶液在指定的最適溫度下同步培養保留和去除黏液的車前種子。

1.5 模擬鹽脅迫處理

用0，50，75，100，125，150，175，200 mmol·L-1的NaCl溶液來模擬不同程度的鹽脅迫條件，然后用這些不同濃度的NaC l溶液在指定的最適溫度下培養保留和去除黏液的車前種子。

1.6 萌發測試

新采收的種子分別在5,10,15,20,25,30,35,40℃恒溫，以及15℃/25℃和20℃/30℃變溫(每天低溫和高溫各12 h)和交替光照(12 h黑暗/12 h光照，光照強度為121 μmol·m-2·s-1，變溫條件下的低溫與高溫時間段分別對應于黑暗與光照時間段)條件下測試初始萌發，以選定種子萌發的最適溫度。

去除黏液和保留黏液種子經人工加速老化處理、模擬干旱處理、鹽脅迫處理后在選定的最適恒溫下進行萌發測試。每個處理設4次重復，每次重復50粒種子，以胚根突破種皮2 mm作為萌發完成的標準，連續5 d不再有新增加的萌發種子后結束萌發測試，統計最終萌發率。萌發速率以從培養開始到萌發率達最終萌發率的50%時所用的時間(T50)表示，T50值與萌發速率成反比，即T50值越小，萌發速率越大。具體計算方法是，先對種子累積萌發率隨培養時間的變化進行曲線回歸，然后通過回歸方程計算出T50值。通過下式計算種子萌發率：

種子萌發率(%)=萌發的種子數/供試種子數×100

1.7 數據處理與分析

統計分析和作圖均使用R軟件(R i386 3.5.2)完成。所有的萌發率數據和T50數據均采用單因素方差分析(One-way ANOVA，P=0.05)，并進行Student-Newman-Keuls驗后多重比較(P=0.05)。文中所有統計數據均以“平均值±標準誤”形式表示。

2 結果與分析

2.1 溫度對新鮮成熟車前種子萌發的影響

如圖1所示，溫度對新鮮成熟車前種子萌發具有顯著影響(P<0.05)。車前種子除了在5℃和40℃恒溫條件下無萌發外，在其他溫度下均有不同數量的萌發。在25℃與30℃恒溫及15℃/25℃與20℃/30℃變溫條件下的萌發率間無顯著差異，均在94%以上，且均顯著高于其他溫度條件下的萌發率。選定25℃作為人工加速老化處理、模擬干旱處理、鹽脅迫處理后的萌發測試溫度。

圖1 新鮮成熟車前種子在幾個恒溫、交替變溫和交替光照條件下的萌發率

2.2 去除黏液和保留黏液種子萌發對人工加速老化的響應

隨著老化處理時間的延長，去除黏液和保留黏液種子的萌發率(圖2A)和萌發速率(圖2B，萌發速率與T50值成反比)均呈逐漸下降趨勢，保留黏液種子老化8 d后萌發率即顯著下降，而去除黏液種子則直到老化12 d后萌發率才發生顯著下降，兩種種子均在老化18 d后幾乎不再有種子萌發(圖2A)。經6 d的老化處理后，去除黏液和保留黏液種子的萌發率無顯著差異(圖2A)，但去除黏液種子的萌發速率卻顯著高于保留黏液種子(P<0.05，圖2B)；經10 d和12 d的老化處理后，去除黏液種子的萌發率和萌發速率均顯著高于保留黏液種子(P<0.05，圖2A，B)；經14 d的老化處理后，去除黏液種子的萌發率顯著高于保留黏液種子(P<0.05，圖2A)，但兩者的萌發速率間卻無顯著差異(圖2B)；對于其他老化處理，兩種種子在萌發率和萌發速率方面均無顯著差異(圖2A，B)。

圖2 車前種子的萌發率(A)和萌發速率(B)隨人工加速老化處理的變化

2.3 去除黏液和保留黏液種子萌發對干旱脅迫的響應

隨著PEG-6000溶液水勢的降低(即干旱脅迫增強)，不管種子有無黏液，車前種子的萌發率(圖3A)和萌發速率(圖3B)均呈下降趨勢。所不同的是，保留黏液種子的萌發率在水勢降至-5 MPa時開始顯著下降，隨后則相對緩慢地下降；而去除黏液種子萌發率則當水勢降至-7 MPa時才顯著下降，但隨后卻相對更加快速地下降，當水勢小于等于-9 MPa時均不再有種子萌發(圖3A)。在-5 MPa水勢條件下去除黏液種子的萌發率顯著高于保留黏液種子(P<0.05)，而在-7 MPa水勢條件下保留黏液種子的萌發率則顯著高于去除黏液種子(P<0.05)，在其他水勢條件下兩者的萌發率均無顯著差異(圖3A)；而從萌發速率來看，除了在-8 MPa水勢條件下保留黏液種子的萌發速率顯著高于去除黏液種子外(P<0.05)，在其他水勢條件下兩者均無顯著差異(圖3B)。

圖3 車前種子萌發率(A)和萌發速率(B)隨干旱脅迫處理的變化

2.4 去除黏液和保留黏液種子萌發對鹽脅迫的響應

隨著NaCl溶液濃度的升高(鹽脅迫增強)，去除黏液和保留黏液種子的萌發率(圖4A)和萌發速率(圖4B)均具有相似的變化趨勢。均當NaCl溶液濃度升高至175 mmol·L-1的時候，萌發率才急劇下降，而當NaCl溶液濃度升高至200 mmol·L-1時種子均幾乎不再萌發(圖4A)。從萌發速率來看，僅在75 mmol·L-1的NaCl溶液培養下保留黏液種子的萌發率速率顯著高于去除黏液種子(P<0.05)，其余各濃度NaCl溶液處理下兩種種子的萌發速率均無顯著差異(圖4B)。

圖4 車前種子萌發率(A)和萌發速率(B)隨鹽脅迫處理的變化

3 討論

種子劣變是一種自然現象，同時受到自身遺傳因素和外界環境條件的影響。本研究通過人工老化處理模擬自然劣變，從而探討種子黏液對種子活力保持的作用。結果顯示，隨著老化程度的加深，去除黏液種子的萌發速率和萌發率幾乎均高于保留黏液種子，說明黏液物質的存在不利于種子生活力的保持。已有的研究表明，保留黏液種子的吸水量顯著高于去除黏液種子的吸水量[14-15]。因此，在人工老化(高溫高濕)條件下，保留黏液的車前種子的吸水量肯定高于去除黏液種子，使保留黏液種子的呼吸作用更強，從而加速種子內貯藏物質的消耗，最終導致生活力喪失。同時，呼吸作用的增強會放出更多的熱量，進而導致種子表面及種子間的微生物活動增強，從而產生更多的熱量，最終致使種子發霉變質。

對于干旱環境下的種子而言，水分是其萌發成苗的決定因子[18]。種子黏液可通過調節水分吸收來調控種子萌發，以適應多變的水分環境，從而增強種子的抗旱性[5]。伍晨曦等[15]發現，在低滲透脅迫(-0.33～-0.15 MPa)下，小車前保留黏液種子的發芽勢和萌發率均顯著高于去除黏液種子；而在高滲透脅迫(-1.15～-0.73 MPa)下，種子黏液的有無對種子萌發率無顯著影響。羅輝等[14]則發現，僅在高滲透脅迫(-1.21～-0.58 MPa)下，保留黏液的北美車前種子的萌發率顯著高于去除黏液種子。但在本研究中，隨著滲透脅迫的加劇，種子黏液對于車前種子萌發抗旱性的影響，在萌發率和萌發速率兩個方面具有不同的表現，在-4～0 MPa水勢條件下，兩種種子在萌發率和萌發速率上均無顯著差異；在相對較低滲透脅迫(-5 MPa)下時，保留黏液種子的萌發率顯著低于去除黏液種子；在相對中等水平的滲透脅迫(-7 MPa)下時，保留黏液種子的萌發率顯著高于去除黏液種子；而在相對較高滲透脅迫(-8 MPa)下時，兩種種子的萌發率無顯著差異，只是保留黏液種子的萌發速率顯著高于去除黏液種子。由此可以推斷，萌發速率比萌發率對滲透脅迫的響應更為敏感，種子黏液在較低滲透脅迫下似乎阻礙種子萌發，僅在較高滲透脅迫下才表現出促進萌發的作用。

種子萌發期對鹽敏感，鹽脅迫會抑制種子萌發[19]。車前種子[20]、小車前種子[21]的萌發率均隨著鹽溶液濃度的升高而降低。在本研究中，車前種子的萌發率隨著鹽濃度的升高大致呈下降趨勢，直至幾乎不能萌發。從萌發率來看，在相同鹽濃度下保留或去除黏液對車前種子的萌發率沒有顯著影響，從萌發速率來看，僅在75 mmol·L-1的NaCl溶液培養下保留黏液種子的萌發速率顯著高于去除黏液種子。由此可見，從對萌發速率的影響來看，車前種子黏液可增強種子對輕微鹽脅迫的萌發抗性。鹽脅迫對植物的危害常表現為水分脅迫，外界與細胞間不當的滲透勢差迫使細胞失水，嚴重時甚至發生質壁分離、細胞死亡等現象[22]。種子黏液通過調節水分，消除不當滲透差，防止種子過度失水，從而達到減緩鹽害的目的[23]。可以看出，車前種子的黏液對于種子在干旱和鹽脅迫下的萌發具有一定的調節作用，在較低程度的干旱和鹽脅迫條件下，黏液物質的存在保證種子表面有足夠的有效水分，減緩了干旱和鹽脅迫對種子萌發的不利影響，從而保障了種子正常吸水萌發。

4 結論

車前種子黏液物質的存在，一方面，不利于種子活力的保持，加速其老化，而另一方面，又在一定程度上提高了種子對輕微干旱脅迫和鹽脅迫的抗性。