不同溫度條件下水分和鹽分脅迫對畫眉草種子萌發的影響

萬琪，葉耘伶，唐麗，黃偉，紀佳怡，馮亞亭，駱凱，張瑞

（1. 海南大學熱帶作物學院，海南 海口 570228；2. 海南大學檔案館，海南 海口 570228）

畫眉草（Eragrostis pilosa），是禾本科畫眉草屬一年生暖季型草本植物，廣泛分布于熱帶和溫帶地區［1］。該草具有抗旱、抗病、耐高溫、耐瘠薄、耐粗放管理以及冬季無防護可越冬等特點，被廣泛應用于園林綠化、固土護坡等［2-3］。因其分蘗能力強，生長迅速，極易形成較密集的植被覆蓋層，通常作為防風固沙以及水土保持的優選草種之一［4］。

種子萌發是高等植物生命周期中最為關鍵的階段，易受到多種外界環境因子的綜合影響，如光照、溫度、水分、鹽分等［5-6］。據統計，我國干旱及半干旱土地面積超過國土面積的50%，鹽堿地面積約有1 億hm2，約占全國土地面積的10%［7］，嚴重影響了我國農業發展和生態環境建設［8］。加之，全球氣候變暖已成為人類的共識。有研究表明種子萌發對水分和鹽分脅迫的響應與萌發溫度密切相關，如5 ℃/28 ℃下，NaCl 溶液對羊草（Leymus chinensis）種子萌發抑制作用最小，而在5 ℃/35 ℃下，對羊草種子萌發的抑制作用最大［9］。歪頭菜（Vicia unijuga）種子萌發的抗旱性（基礎水勢值，Ψb）隨溫度的升高呈先升后降的趨勢，20 ℃條件下種子發芽的Ψb最低，為-1.27 MPa［10］。在鹽脅迫條件下，低溫（10~20 ℃）對小麥（Triticum aestivum）種子萌發抑制效應最強［11］。此外，相比高溫條件（25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃），低溫（15 ℃/5 ℃）顯著（P<0.05）降低甜高粱（Sorghum bicolor）種子的發芽率和發芽勢［12］。截至目前，圍繞畫眉草種子萌發的研究已有許多［4，13-14］，但關于溫度與水分或鹽分互作及種子萌發相應參數報道較少。此外，相比大粒種子來說，畫眉草種子較小，前期建植困難。探究畫眉草種子萌發對環境因子如溫度、水分、鹽分等的需求，對于尋求畫眉草最佳建植方法和深入了解該物種的生態適應性具有重要意義。

基于此，本研究在不同溫度條件下探究水分脅迫（PEG?6000）和鹽分脅迫（NaCl）對畫眉草種子萌發的影響，應用水勢模型預測不同溫度條件下畫眉草種子萌發抗旱和耐鹽能力，為畫眉草在干旱、鹽堿地區成功建植和推廣提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試畫眉草種子購自北京百斯特草業有限公司（原產地為美國），于4 ℃條件下儲藏備用。種子萌發試驗于2021年6~8月在海南大學海甸校區進行，種子千粒重為（0.3985 ± 0.0098）g，屬于極小粒種子。挑選籽粒飽滿、大小均一的畫眉草種子進行種子萌發試驗。

1.2 試驗方法

根 據Michel 和Kaufmann［15］的方法及計算公式，分別設置0（CK）、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8 MPa 的PEG-6000 溶 液 和0（CK）、-0.25、-0.75、-1.25 MPa 的NaCl 溶液。采用紙上萌發法（TP 法）在25、30、35 和40 ℃4 個恒溫條件下進行。分別在25、30、35和40 ℃恒溫條件下進行水分和鹽脅迫試驗。將種子整齊放置于直徑為9 cm 的培養皿，分別加入4 mL 不同濃度的PEG?6000 和NaCl 溶液，將培養皿分別置于相應溫度條件的恒溫人工培養箱，12 h 光照/12 h 黑暗，濕度80%。每個處理4 次重復，每個重復50 粒種子。試驗期間，為確保培養皿內溶液濃度相對恒定，用封口膜封口以防止水分蒸發，且每2 天更換1 次溶液。以胚根突破種皮作為判斷種子萌發的標準，試驗結束期以統計14 d 以上且所有處理連續3 d 不再有新萌發種子出現為準。當試驗結束后，計算種子最終萌發率（Germination percentage）和萌發速率（Germina?tion rate）。第7 天測定幼苗胚根長和胚芽長，每重復測定10 株，計算其平均值。

種子最終萌發率=發芽終期全部正常幼苗數/供試種子數×100%

萌發速率＝1/t50，t50指運用Germinator 軟件包計算種子萌發數達到非硬實種子的50%所需的天數。

1.3 水勢模型計算方法

根據水勢模型描述種子萌發對水勢的響應：

式中：θH為水勢常數（MPa·h），表示達到發芽率g所需的累計水勢，ψ表示環境水勢，ψb（g）表示當發芽率達到g 時的基本水勢或理論閾值，tg表示當發芽率達到g 時所需的發芽時間（h）。

通過重復概率單位回歸分析（Repeated Probit）計算獲得種子萌發的基礎水勢，水勢時間值帶入間隔為0.1 MPa/h，直到所獲回歸方程殘差均方最小，根據上式計算水勢時間累積值。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 20.0 軟件，制圖采用Excel 2019 軟件進行數據處理。應用方差分析（ANOVA）檢驗各處理對測定參數的效應，若效應顯著，采用Duncan 多重比較法比較各處理間的均值。

2 結果與分析

2.1 不同溫度條件下畫眉草種子萌發對水分和鹽分脅迫的響應

雙因素方差分析結果表明，溫度、水分及兩者互作極顯著（P<0.01）影響畫眉草的萌發率和萌發速率。除溫度和鹽分互作不顯著影響畫眉草種子萌發率外，溫度、鹽分及兩者互作均極顯著（P<0.01）影響畫眉草的萌發率和萌發速率（表1）。

表1 溫度、水分/鹽分及其互作的畫眉草種子萌發率和萌發速率方差分析Table 1 Two?way ANOVA for the effects of temperature，water stress/salt stress and their interaction on seed germina?tion percentage and rate ofE. pilosa

畫眉草種子萌發率和萌發速率均隨水分和鹽分脅迫程度的增加呈下降趨勢，且下降幅度因溫度不同而異（表2）。水分脅迫條件下，在0、-0.2 和-0.4 MPa 下，畫眉草種子萌發率在30、35 和40 ℃之間無顯著差異，但均顯著高于25 ℃（P<0.05）；而在-0.6和-0.8 MPa 下，30 ℃條件下種子萌發率最高，顯著高于25 ℃和40 ℃；鹽分脅迫條件下，在-0.25、-0.75和-1.25 MPa 下，畫眉草種子萌發率在30、35 和40 ℃之間無顯著差異，但均顯著高于25 ℃。

表2 不同溫度條件下水分和鹽分脅迫畫眉草種子的萌發率和萌發速率Table 2 Effects of water stress and salt stress on seed germination and germination rate（1/t50）ofE. pilosaunder different temperatures

水分脅迫條件下，在0、-0.2 和-0.4 MPa 下，畫眉草種子萌發速率在30、35 和40 ℃均高于或顯著高于25 ℃（P<0.05）；在-0.6 MPa 下，30 ℃條件下的萌發速率顯著高于其他溫度條件下。鹽分脅迫條件下，在0、-0.25 MPa 下，畫眉草種子的萌發速率在30、35和40 ℃均顯著高于25 ℃，且35 ℃條件下種子的萌發速率最快；而在-0.75 和-1.25 MPa 下，各溫度條件下的萌發速率無顯著差異。

隨水分和鹽分脅迫的增加，畫眉草幼苗生長整體上表現為先促進后抑制（圖1）。同一水分脅迫條件下，胚芽長隨溫度的升高而降低，而胚根長則呈先增加后減小的趨勢。其中，除-0.6 MPa 條件下，幼苗胚根長表現為35 ℃顯著（P< 0.05）高于30 ℃外，其他水分條件下，30 ℃時畫眉草幼苗生長均表現最佳。當水分脅迫達-0.8 MPa 時，30 ℃條件下幼苗胚芽長和胚根長分別為0.4 cm 和3.4 cm，而當溫度達40 ℃時，幼苗不生長。同一鹽分脅迫條件下，胚根長隨溫度的升高呈先增加后減小趨勢，且在30 ℃時幼苗生長表現最佳，在-0.75 MPa 下，30 ℃條件下幼苗胚芽長和胚根長分別為1.1、2.7 cm。

圖1 不同溫度條件下水分和鹽分脅迫畫眉草幼苗的胚芽長和胚根長Figure 1 Effect of water stress and salt stress on growth of seedling shoot and root ofE. pilosaunder different temperatures

2.2 基于Probit 分析估計不同溫度條件下畫眉草種子萌發基礎水勢

由重復Probit 回歸分析獲得畫眉草種子萌發的基礎水勢值（ψb（50））隨溫度的升高呈先降低后升高的趨勢。水分脅迫條件下，種子萌發所需的基礎水勢值表現為25 ℃>40 ℃>35 ℃>30 ℃，其中以30 ℃處理最低，為-0.75 MPa，表明在30 ℃條件下有利于畫眉草種子在干旱環境下萌發。鹽分脅迫條件下，種子萌發所需的基礎水勢值表現為25 ℃>30 ℃>40 ℃>35 ℃，其中以35 ℃時最低，為-0.78 MPa，表明在35 ℃條件下有利于其在鹽堿環境萌發。此外，水分脅迫條件下畫眉草種子萌發所需的θH值隨溫度升高呈下降趨勢，具體表現為25 ℃（16.5）>30 ℃（15.5）>35 ℃（9.0）>40 ℃（6.5），而鹽分脅迫條件下θH值則隨溫度升高而增加，具體表現為25 ℃（3.0）<30 ℃（5.0）<35 ℃（7.0）=40 ℃（7.0）（表3）。

表3 基于重復Probit 回歸估計不同溫度條件下畫眉草種子萌發的基礎水勢Table 3 Estimation of water potential value based on repeated probit analysis ofE. pilosaunder different temperatures

3 討論

溫度是影響種子萌發的關鍵環境因子，通過改變種子萌發過程中膜的通透性、膜結合蛋白能力以及影響種子內部的酶活性和物質代謝，進而影響種子萌發及幼苗生長［16-19］。本研究發現25 ℃顯著降低畫眉草種子萌發率，而40 ℃雖促進畫眉草種子的萌發，卻抑制幼苗生長，與馬亞杰等［20］關于環境因素對牛筋草種子萌發的影響結果相似，這可能是由于高溫雖能促進種子萌發，但溫度過高導致后期幼苗生長過程中蒸騰加劇、氣孔關閉，造成光合作用減弱，進而減緩或抑制幼苗生長。此外，畫眉草種子萌發率和萌發速率隨水分和鹽分脅迫的增加呈下降趨勢，這與齊淑艷等［21］關于入侵植物牛膝菊（Galinsoga parviflora）種子、黃勇等［22］對石竹（Dianthus chinensis）種子、王景瑞等［23］對干旱荒漠區4 種一年生植物種子及徐曼等［24］對長穗偃麥草（Elytrigia elongate）種子萌發的研究結果相似。

種子萌發是種子對逆境脅迫最為敏感的時期，在干旱或鹽堿環境下，溫度過高或過低對種子造成的傷害或對種子萌發的抑制作用更大［11］。當水分脅迫低于-0.6 MPa 時，在25、35 和40 ℃溫度條件下畫眉草種子萌發率顯著（P<0.05）低于30 ℃條件下，且在30 ℃條件下種子萌發的基礎水勢最低，為-0.75 MPa，表明在30 ℃條件下畫眉草種子萌發時對干旱脅迫的耐受性最強，較低溫度或較高溫度降低了畫眉草種子萌發時的耐旱性。唐偉等［10］研究發現，在較低水勢（-1.0~-0.6 MPa）條件下，20 ℃時歪頭菜種子萌發和幼苗生長顯著（P<0.05）高于15 ℃和25 ℃，表明適宜的萌發溫度能夠一定程度緩解水分脅迫對種子萌發的抑制作用。此外，畫眉草種子萌發的耐鹽性在不同溫度條件下表現各異，特別是低溫顯著（P<0.05）降低了其萌發階段的耐鹽性，與雷春英等［25］對瀕危植物鹽樺（Belula halophila）的研究結果相似。王志恒等［12］發現，隨鹽分脅迫增加，低溫（15 ℃/5 ℃）對甜高粱（Sorghum bicolor）種子萌發的抑制作用較高溫（25 ℃/15 ℃和35 ℃/25 ℃）更大。藺吉祥等［11］研究也表明，隨鹽分脅迫增加，低溫條件下（10~20 ℃）小麥種子的萌發率顯著（P<0.05）低于15~25 ℃，而高溫25~35 ℃則與15~25 ℃無顯著（P>0.05）差異。與上述研究結果一致，低溫（25 ℃）和高鹽（-1.25 MPa）雙重脅迫對畫眉草種子萌發抑制作用更強，而在較高溫度條件下有利于種子在鹽脅迫環境順利萌發，究其原因可能是在低溫條件下，種子吸水難度增加，抗氧化物酶活性降低，胚的生長受到抑制，且種子在低溫環境下容易被誘導休眠，一定程度上降低了種子萌發的耐鹽性［26］。

水 勢 模 型（hydrotime model）是 由Gummerson［27］提出，用于描述萌發速度與水勢梯度之間的關系，用以預測脅迫條件下種子的萌發策略。本研究發現，畫眉草種子萌發的基礎水勢值（ψb（50））隨溫度的升高呈先降低后升高的趨勢，表明適宜的溫度條件能夠降低種子萌發對水分的需求。此外，相同溫度條件下畫眉草種子萌發對水分的需求即基礎水勢值因脅迫類型不同而存在差異，這可能是由于PEG 處理對種子萌發的抑制作用主要歸因于滲透效應，而NaCl 處理除滲透效應外還存在離子效應等［28］。本研究結果表明，水勢為-0.2 MPa PEG 處理條件下，畫眉草種子的萌發率和萌發速率在不同溫度條件下均低于-0.25 MPa NaCl，說明在高滲環境下水分脅迫對種子萌發的抑制作用大于鹽分脅迫，與張紫薇等［29］對藜麥（Chenopo?dium quinoa）種 子 和張 紅 香等［28］對 大 麥（Hordeum vulgare）種子的研究結果一致，究其原因可能是種子在NaCl 脅迫下能夠從溶液中吸收少量的無機離子以增加細胞溶液濃度來進行滲透調節，而PEG 是大分子物質，不能自由進入細胞從而使種子內部形成較低的水勢，因而萌發抑制作用更強［30］。

4 結論

水分、鹽分脅迫及其與溫度交互作用顯著影響畫眉草種子萌發和幼苗生長，25 ℃抑制種子萌發，而40 ℃雖能促進種子萌發，但卻抑制其幼苗生長。隨水分和鹽分脅迫強度的增加，畫眉草種子的萌發率和萌發速率均呈降低趨勢，其中，低溫是影響種子萌發抗旱性的主要因素，而高溫加劇了鹽分脅迫對種子的傷害。