不同種源野生花苜蓿種子特征及萌發特性研究

唐 芳,侯瑞虹,杜 柯,高佳荷,黃偉業,石鳳翎

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院,草地資源教育部重點實驗室,農業部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010018)

花苜蓿(MedicagoruthenicaL.)又名扁蓿豆、扁豆草等,為豆科苜蓿屬多年生草本植物[1]。其廣泛分布于溫帶和寒溫帶的典型草原、沙質草原等植被類型區,能夠適應低溫、干旱等不良環境[2]。因此,在改良草場、建植人工草地、退化草場的生態恢復、水土保持等方面發揮著重要的價值[3-5]。此外,花苜蓿不僅蛋白含量高,適口性好,且不含皂素,家畜過量采食不會發生膨脹病[6]。

種子是種群繁衍、擴散、生存的關鍵環節,種子的形態特征是物種遺傳的重要特征之一,種子的商品品質、物種的擴散能力、種子萌發及幼苗存活率等指標都深受其影響,也是高質量種子形成的重要物質基礎,對種群更新及環境的適應性都有重要意義[7-8]。近年來,花苜蓿越來越受到國內外學者們的關注,有關花苜蓿的研究報道多集中在遺傳多樣性、破除種子硬實、抗性評價以及響應非生物脅迫方面[9-12],而針對不同種源地種子特性的相關報道卻很少。本研究對21份不同種源野生花苜蓿種子特征及萌發特性進行分析,以期揭示不同種源野生花苜蓿種子性狀之間的差異及其與萌發特性間的相關性,挖掘野生花苜蓿優質種質資源,為花苜蓿新品種培育和種子生產提供理論指導和優異種質資源。

1 材料與方法

1.1 供試材料來源

供試材料為2021年9月在種子完熟期于野外采集的21份野生花苜蓿種質資源,地理信息及原生氣候條件詳見表1。采集后的莢果經通風晾干、剝離果皮并去除雜質,純凈種子于4℃低溫貯藏。

表1 花苜蓿種子采集信息Table 1 Collection information of Medicago ruthenica seed

1.2 測定指標及方法

1.2.1單莢粒數的測定 隨機選取每種源花苜蓿無裂莢的莢果10個,統計每莢種子粒數,3次生物學重復,共30個果莢,取平均值。

1.2.3種子硬實率的測定 隨機選取50粒種子,室溫條件下加蒸餾水浸泡48 h,統計未吸脹種子數,3次生物學重復。公式如下：

1.2.4種子形態指標的測定 利用電子數顯游標卡尺(精確度0.01 mm)分別測量21份扁蓿豆材料種子的長度、寬度及厚度。種子長度是種子縱向最大距離,寬度是橫向最大距離,厚度是腹面和背面的最大距離。從每份材料中隨機選取10粒種子,3次生物學重復,共30粒種子,取平均值。

1.2.5種子萌發試驗 試驗前將所有供試材料種子均用砂紙打磨,以破除硬實,用75%的酒精消毒30 s,蒸餾水沖洗1 min,再用2%的NaClO溶液浸泡10 min,蒸餾水沖洗1 min,備用。挑選籽粒飽滿、大小均勻一致的種子50粒,置于鋪有兩層濾紙的消毒培養皿(12 cm)中,每培養皿加入等量5 mL蒸餾水,3次重復,室溫下培養。每天定時記錄種子發芽數(發芽標準為胚根突破種皮即為萌發)并及時補充蒸發失去的水分。由于試驗前對所有種子已進行了破除硬實處理,加快了種子的發芽速度,在發芽第3天,已基本達到發芽高峰,在發芽第5天,所有供試種質資源發芽情況基本穩定,不再有新發芽種子,故本次試驗在發芽第3天測定發芽勢,第7天計算發芽率。公式如下：

1.3 數據分析及評價方法

利用ArcMap 10.6.1提取有關氣候數據,采用Excel進行數據整理,運用SPSS進行單因素及相關性分析,Origin作圖。

利用模糊數學隸屬函數法,對21份不同種源花苜蓿種子質量優劣進行綜合評價,公式如下所示。

若測定指標與種子質量優劣呈正相關關系,則隸屬函數值K=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin);若指標與種子質量優劣呈負相關關系,則隸屬函數值K=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

式中,X表示測定值,Xmax和Xmin分別表示指標的最大值和最小值。

隸屬函數值平均值=∑Kj/m。

2.2.2 上瞼下垂不同程度患者先天性心臟病發病率比較 結果(表 1)表明：重度組先天性心臟病的發病率(5.83%)高于輕度(1.15%)及中度組(2.46%)，差異有統計學意義(P<0.05)；中度與輕度組間差異無統計學意義。重度組復合先天性心臟病發生率高于輕度組，差異有統計學意義(P<0.05)。

式中,m為指標數量性狀,Kj為第j個性狀隸屬函數值。

2 結果與分析

2.1 單莢粒數與千粒重分析

從圖1可知,21份不同種源花苜蓿種子中有7份種質資源單莢粒數的均值大于3,其中7號和9號種子單莢粒數最多,分別為3.55和3.53;6號種子單莢粒數最少為1.95。在千粒重方面,10號和11號種子千粒重較大,分別為3.22和3.50 g。結合二者分析,單莢粒數與千粒重之間存在負相關關系。

2.2 不同種源花苜蓿種子發芽率與發芽勢

發芽率是評判種子質量優劣的一項重要指標。研究表明,21份不同種源花苜蓿種子發芽率具有顯著差異(圖2),平均發芽率為87.17%,其中,有2份供試種子的發芽率低于80.00%,11份分布在80.00%～90.00%中,8份達到90.00%以上。14號種子的發芽率最高,高達97.33%;21號種子的發芽率最低,為69.33%。

為了進一步探究種子生活力強弱以及出苗是否一致,對不同種源花苜蓿種子的發芽勢進行測定。圖3表明,21份供試材料的發芽勢具有顯著差異,3份種子發芽勢高于90.00%,分別為9號、12號、17號,其中9號種子的發芽勢最高,為92.67%;3號、5號、1號種子的發芽勢較低,其中3號的發芽勢最低,為41.33%。

圖1 不同種源花苜蓿種子單莢粒數與千粒重Fig.1 The number of seeds per pod and 1000-grain weight of Medicago ruthenica seeds from different provenances注：不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。下同Note：Different lowercase letters indicate a significant difference at the 0.05 level.The same as below

圖2 不同種源花苜蓿種子發芽率Fig.2 Germination rate of M. ruthenica seeds from different provenances

2.3 不同種源花苜蓿種子的硬實率

硬實是指種皮致密、不透水或透水性差而不能吸脹發芽且保持原來大小狀態的種子[14]。對21份不同種源花苜蓿種子硬實率的測定結果表明(圖4),野生花苜蓿種子平均硬實率高達94.00%,存在嚴重的硬實現象。在21份材料中,有18份種子硬實率達90.00%及以上,其中18號種子的硬實率最高,達98.67%;11號,12號和15號材料的種子硬實率相對較低,為88.00%。

圖3 不同種源花苜蓿種子發芽勢Fig.3 Germination potential of M. ruthenica seeds from different provenances

圖4 不同種源花苜蓿種子的硬實率Fig.4 Hardness rate of M. ruthenica seeds from different provenances

2.4 不同種源花苜蓿種子形態指標

由表2可知,不同種源野生花苜蓿種子的長、寬、厚均存在顯著差異,種子長度均值為2.47 mm,變化范圍在2.15～2.87 mm之間,種子寬度均值為1.77 mm,變化范圍在1.63～1.95 mm,其中,11號材料的種子長和種子寬均為最大,6號材料最小。種子厚度均值為0.93 mm,變化范圍在0.72～1.04 mm,其中,1號材料種子最厚,21號種子最薄。

表2 不同種源花苜蓿種子形態指標Table 2 Seed morphological indicators of M.ruthenica from different provenances

2.5 不同種源花苜蓿種子性狀相關性分析

為了較全面地探究花苜蓿種子特征及萌發特性之間的相關性,本研究對不同種源21份花苜蓿種質資源的8個種子特征指標與4個生境信息結合進行相關性分析。由表3可知,發芽率與發芽勢、千粒重、單莢粒數以及種子形態指標均呈正相關關系,其中,與種子厚度呈極顯著正相關關系(P<0.01),即種子越飽滿,發芽率越高。發芽勢與千粒重、種子寬度及經緯度均呈顯著正相關關系(P<0.05),與種子長度呈極顯著正相關關系(P<0.01)。硬實率與千粒重、種子長度與寬度以及生境地指標均呈負相關關系,但未達顯著水平。千粒重與種子長度、寬度均呈極顯著正相關關系(P<0.01),與種子厚度呈顯著正相關關系(P<0.05)。單莢粒數與千粒重、種子長度與寬度均呈負相關關系,但未達顯著水平。

2.6 綜合評價

為了更加全面的評價21份不同種源花苜蓿種子質量優劣,本研究對千粒重、發芽率、發芽勢、硬實率、單莢粒數5個指標進行多指標綜合評價,計算各個指標的隸屬函數值,將每份材料各項指標的隸屬函數值相加,取其平均值。根據各材料隸屬函數平均值大小確定種子質量優劣,平均值越大,種子質量越好。由于硬實率的高低對花苜蓿的人工栽培利用具有負向影響,故在進行隸屬函數分析時,硬實率按負向效應計算。由表4可知,12號種子平均隸屬值達0.79,排名第一,質量最好;21號種子平均隸屬值僅達0.27,質量最差。

表3 花苜蓿種子性狀相關性分析Table 3 Correlation analyses on M. ruthenica seed indicators

表4 隸屬函數綜合評價Table 4 Comprehensive evaluation of membership function

3 討論

種子質量是衡量牧草產量與品質優劣的重要基礎與前提,而發芽率、千粒重、硬實率等又是衡量種子質量的重要指標[15]。種子萌發是決定所有農作物繁衍與生存的關鍵。發芽率主要反映種子的生活力,發芽勢則主要反映種子的發芽速率和出苗的整齊度[16],發芽率越高,表示種子的活力越強;發芽勢越高,則表示種子發芽越快,種子生命力越強,且出苗越整齊。田宏等[17]研究發現,不同種源截葉鐵掃帚(Lespedezacuneata)種子發芽率和發芽指數無論與種子長、寬還是千粒重均呈正相關關系。于春雷等[18]研究發現,種子質量與采集地的緯度及海拔顯著相關。本研究與2位學者的試驗結果基本一致,21份不同種源花苜蓿種子發芽率與發芽勢、硬實率、千粒重和單莢粒數相關性均不顯著,但發芽勢與種子采集地的經緯度呈顯著正相關關系,說明花苜蓿種子特征及萌發特性與自身生長環境或遺傳背景息息相關。

已有研究表明,花苜蓿種子硬實率高達80.00%以上,自然發芽率僅有20.00%[19],本研究中,21份不同種源花苜蓿種子平均硬實率高達94.00%,最高達98.67%,比報道的硬實率更高。在牧草栽培利用時,不同的利用目的,其硬實率的高低代表的意義也不同[20-21]。以人工栽培育種為主時,若硬實率過高,則存在出苗障礙問題,需在播種前對種子進行破除硬實處理。因此,低硬實率的種質資源為較優資源,可節約用種、節省勞力、降低種植成本。在自然條件下,硬實率越高,則種子對自身保護能力越強,代表種子對不良環境的適應能力越強,種子壽命也越長,有利于植物的遠距離傳播和種群繁衍,對種質資源的保存十分重要[22]。因此,在種質資源保護及生態修復利用時,高硬實率的種質資源為較優資源。在利用硬實率這一指標評價種子質量優劣時,應結合實際利用目的進行合理運用。在本研究中,花苜蓿種子質量評價的目的為篩選較優資源用于后續栽培育種利用,因此低硬實率的種子質量較好。牧草種子的高硬實率嚴重影響種子萌發以及出苗的一致性,因此,破除花苜蓿硬實十分重要。伊風艷等[23]在探究破除花苜蓿種子硬實方法的試驗中,采用了切割、砂紙打磨、酸處理等7種物理及化學破除方法,結果表明,切割、砂紙打磨、濃硫酸處理等方法均可有效破除花苜蓿種子硬實,其中,切割處理能夠完全破除種子硬實,使種子發芽率達到99.00%。本研究中,選用了砂紙打磨法破除硬實,經砂紙打磨,21份不同種源花苜蓿種子平均發芽率達87.17%,有效提高了野生花苜蓿種子的發芽率。需注意的是,砂紙打磨法操作簡單,但只適用于種子量較少時,否則將耗費大量的人力及時間。

張娜等[24]研究發現,不同種源血人參(IndigoferastachyodesLindl.)種子的千粒重與硬實率呈負相關關系。本研究中,不同種源花苜蓿種子也表現出相同趨勢,千粒重越大,種子越飽滿,種皮相對容易吸脹萌發,故硬實率越低。與種子采集地的生境信息結合進行相關性分析發現,生態環境越好的地區,即水分、光照條件較為優越的地區,例如草原,林地等,每個莢果中包含的種子數量越多,但種子較小;生態環境越差的地區,如沙地、護坡、退化草場等,每個莢果中包含的種子數量越少,但種子較大。該研究結果說明,不同種源花苜蓿種子在長期適應生態環境時導致種子特性存在一定的差異。當環境較好時,花苜蓿以擴大群體為主,故種子較小但數量較多。當環境條件較差時,花苜蓿以生存為主,大種子更有利于生存,故種子較大但數量較少。

我國野生花苜蓿種質資源具有豐富的遺傳多樣性。本研究通過對不同種源野生花苜蓿種質材料進行研究,發現無論是不同種源或是相近種源之間,不同材料的種子特征及萌發特性均有差異,這些差異可能是種子在長期適應其生長環境時所致,也可能是因種子自身遺傳變異所致。內蒙古做為花苜蓿自然分布地區之一,早在20世紀90年代,國外學者Campbell等[25]已將內蒙古溫帶草原和荒漠草原地區收集的90份種子引入美國的馬里蘭州,并對其生長特性及與苜蓿的遺傳多樣性展開研究,發現花苜蓿蘊藏豐富的抗逆基因資源。目前,我國在花苜蓿的抗性研究方面還處于初級階段,對花苜?？鼓婊蛸Y源的挖掘和利用還有廣闊的研究空間。未來需要加大研究力度,合理利用花苜蓿在內蒙古廣泛分布,野生資源較為豐富的這一優勢,不斷挖掘評價與利用優質種質資源。

4 結論

不同種源野生花苜蓿種子在發芽率、硬實率、千粒重等方面均存在差異,且各指標之間均存在一定的相關性。本次研究中,11號材料的種子千粒重最大,7號材料的種子單莢粒數最多,14號材料種子的發芽率最高,9號材料種子的發芽勢最高,12號材料種子的硬實率最低。結合隸屬函數總體綜合評價,12號材料種子排名第一,質量最優;21號種子排名最后,質量較差,利用價值最低。