植物種子萌發(fā)行為和子葉功能的資源利用和能量輸出的權(quán)衡研究

葛加榮，欒艷新，沙 悅，王 媛，丁 鵬，潘 紅，季曉靜，葛雨祺，欒志慧

種子萌發(fā)是高等植物正常生長發(fā)育的重要起點(diǎn)，種子能否順利發(fā)芽，對(duì)植物種群的擴(kuò)散、占領(lǐng)新的分布區(qū)并通過有性繁殖更新種群及延續(xù)物種均起著重要作用［1］.植物種子萌發(fā)是一個(gè)快速和精密的過程，種子萌發(fā)調(diào)控機(jī)制與植物生長有著密不可分的關(guān)系.對(duì)種子萌發(fā)調(diào)控機(jī)制進(jìn)行深入研究，不僅可以更加深入地了解植物的適應(yīng)性和生存策略，也可以為植物種子加工和改良奠定基礎(chǔ)，并為生物學(xué)多方位的應(yīng)用研究提供素材.

植物在種子至幼苗生活史階段存在著兩大權(quán)衡：一個(gè)是種子繁殖和子葉生長之間的權(quán)衡，主要表現(xiàn)為植物對(duì)自身繁殖的成本.另一個(gè)則是種子萌發(fā)和子葉功能的資源利用和能量輸出的權(quán)衡，表現(xiàn)為幼苗建植的適合度［2］.一株植物從種子萌發(fā)到子葉幼苗建成，經(jīng)歷的一系列生命活動(dòng)中，由于資源存在定量的限制性，因此準(zhǔn)確合理地衡量，以及最佳地配置此階段的資源尤為重要［3-4］.

環(huán)境影響著種子萌發(fā)及幼苗出土，而種子埋深又是影響種子萌發(fā)和幼苗出土的諸多環(huán)境因素中的主要因素之一，埋深對(duì)種子的大小、發(fā)芽率、幼苗出土、定居等都有較強(qiáng)的選擇壓力，合適的埋深，可以為種子發(fā)芽和幼苗的出土提供一定的保護(hù)［5］.

松嫩草地的優(yōu)勢(shì)植物多為一年生或多年生單子葉和雙子葉草本植物，隨著全球溫度的升高，松嫩草地的生境破壞、鹽堿化日趨嚴(yán)重，本文特選取該生境優(yōu)勢(shì)植物，即一年生或多年生單子葉和雙子葉草本植物羽茅、麻花頭和飛廉作為研究對(duì)象，以不同埋深和不同培養(yǎng)天數(shù)的種子萌發(fā)行為和子葉生長作為研究內(nèi)容，探析植物在保持生存的情況下對(duì)自身發(fā)展進(jìn)行適應(yīng)性的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)有限的資源進(jìn)行合理分配的過程，為研究種群的生態(tài)適應(yīng)機(jī)制提供理論基礎(chǔ)［6］.

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及處理方式

用30～35℃溫水將羽茅、麻花頭、飛廉的種子浸泡2～6 h，使種子吸水充分.每30顆種子為一組放在一個(gè)透明的塑料杯中，分別進(jìn)行3種埋深處理，分別是0 cm、0.5 cm、3 cm，每種處理設(shè)置3組重復(fù)，并放在培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，培養(yǎng)箱條件設(shè)置為變溫25/15℃，光照/黑暗為12/12 h［7-8］.

待種子萌發(fā)的子葉露出土面，分別在種植5 d、15 d、30 d后，將新鮮子葉從實(shí)驗(yàn)沙中拔出，進(jìn)行子葉的動(dòng)態(tài)形態(tài)監(jiān)測和酶活性監(jiān)測.

1.2 種子活力的檢測

以濃度為9.078 g/L的KH2PO4為母液Ⅰ，濃度為9.472 g/L的Na2HPO4為母液Ⅱ，將母液Ⅰ和母液Ⅱ以2∶3的比例配制，得到500 mL pH為7.5的磷酸鹽緩沖液后，稱量TTC（2，3，5-氯化三苯基四氮唑）0.5 g，將TTC溶解于以上磷酸鹽緩沖液中，得到濃度為0.1%的TTC溶液，最后調(diào)節(jié)pH為7.0.

隨機(jī)取10粒種子并沿種胚中央小心切開，將其中一半放入培養(yǎng)皿中，皿中倒入TTC溶液，浸泡種子，在恒溫箱（35℃）中保溫30 min后，棄TTC溶液，并用清水沖洗種子2次，觀察并記錄種胚染色的程度［9］.

1.3 種子干重的測定

設(shè)置50粒種子為一組，稱量濾紙重量并記錄后，再放上種子，通過稱量和計(jì)算得到種子鮮重.用筆在稱量濾紙上標(biāo)清種子類別，包裹后放入烘箱中在130℃下烘烤40 min停止，重復(fù)至少3次，直至數(shù)據(jù)不再發(fā)生變化為止［10］.

1.4 種子發(fā)芽

將新鮮的種子在變溫25/15℃，光照/黑暗為12/12 h條件的培養(yǎng)箱中進(jìn)行培育，用蒸餾水濕潤，記錄每天種子的發(fā)芽情況.計(jì)算0～30 d的發(fā)芽率，對(duì)比不同埋深對(duì)發(fā)芽的影響.

1.5 SOD酶活性

取新鮮的羽茅、麻花頭、飛廉種子各0.5 g，及5 d、15 d、30 d的羽茅、麻花頭和飛廉的新鮮子葉，每組至少3株，放入研缽中.

每個(gè)研缽按每克鮮葉加入3 mL濃度為0.05 mol/L、pH為7.8的磷酸鈉緩沖液的標(biāo)準(zhǔn)加入磷酸鈉緩沖液，并加入適量的石英砂，置于冰上研磨成勻漿，然后將勻漿液轉(zhuǎn)移到5 mL離心管中，8 500 rpm、4℃條件下離心30 min，所得上清液即為SOD酶粗提液［11］.

向每組依次加入磷酸鈉緩沖液，蛋氨酸-磷酸鈉緩沖液、NBT溶液、酶液及核黃素溶液，并充分混勻.對(duì)照組試管置于暗處，剩余7個(gè)試管均放在25℃，光強(qiáng)為4 500 Lux的光照箱內(nèi)照光15 min立即遮光，終止反應(yīng)，于560 nm波長下測定吸光值［11］.

1.6 淀粉酶活性

取新鮮的羽茅、麻花頭、飛廉種子各0.5 g，及5 d、15 d、30 d的羽茅、麻花頭、飛廉的新鮮子葉，每組至少3株，放入研缽內(nèi).

加入2 mL蒸餾水并放入少許石英砂，研磨成勻漿，再用3 mL蒸餾水清洗研缽，將清洗得到的液體一同倒入離心管并搖勻，室溫中放置15 min，在4℃、10 000 rpm條件下離心30 min，留上清液.

取3支試管，1支為對(duì)照管，2支為測定管，每管各加0.5 mL以上提取所得酶液，于70℃恒溫水浴鍋中先加熱15 min，隨后取出迅速轉(zhuǎn)移到冰中，待其徹底冷卻后，向各管再加入檸檬酸緩沖液.對(duì)照管中加入2 mL的3，5-二硝基水楊酸，并于40℃恒溫水浴中保溫15 min，然后向各管加入預(yù)熱40℃的1%的淀粉溶液搖勻，繼續(xù)放置在40℃水浴鍋中，接著向測定管中快速加入3，5-二硝基水楊酸以終止酶的活力，并于100℃煮5 min，冷卻后加入10 mL蒸餾水，立即于540 nm波長下測定吸光值［12］.

1.7 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel 2013計(jì)算最終發(fā)芽率.數(shù)據(jù)分析采用GraphPad Prism 9處理，結(jié)果表示為平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（P＜0.05）.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同埋深對(duì)種子萌發(fā)行為的影響

羽茅、麻花頭和飛廉種子含水量會(huì)影響種子的基礎(chǔ)萌發(fā)能力，羽茅種子含水量12.49%±0.02%，麻花頭種子含水量13.10%±0.04%，飛廉種子含水量15.25%±0.03%.飛廉種子含水量較高，其萌發(fā)率相對(duì)較低.

土壤埋深是植物生長的一個(gè)重要環(huán)境因素，不同的埋深條件可能導(dǎo)致植物采取不同的生長策略.種子萌發(fā)行為因?yàn)槁裆畈煌煌Y(jié)果顯示，當(dāng)埋深處于0.5 cm時(shí)，種子萌發(fā)行為較突出，發(fā)芽率較高，此時(shí)飛廉種子發(fā)芽率為50%，在0 cm埋深處理及3 cm埋深處理的發(fā)芽率分別為10%和3.3%.羽茅在0.5 cm埋深時(shí)的發(fā)芽率最高，達(dá)93.3%，其發(fā)芽率最低的是0 cm埋深處理，為26.7%.而麻花頭比較特殊，在埋深0 cm時(shí)發(fā)芽率最高，為60%，與0.5 cm埋深的差異不大.

由以上結(jié)果可見，種子埋過深或過淺都不利于發(fā)芽，埋深過淺種子可能缺乏保護(hù)，容易被風(fēng)干，埋深過深可能阻礙種子吸收營養(yǎng)和水分，使種子遭受過重的壓力，導(dǎo)致發(fā)芽失敗.所以只有選擇合適的埋深深度，才能確保種子順利發(fā)芽.種子萌發(fā)是植物群落演替和更新的基礎(chǔ)，對(duì)維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康至關(guān)重要.理解種子在不同深度的土壤中的萌發(fā)行為有助于預(yù)測和控制植被的分布和豐度，進(jìn)一步影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能.此外，種子萌發(fā)是植物生命周期的重要階段.研究種子在不同深度的土壤中的萌發(fā)行為有助于揭示植物如何適應(yīng)不同的土壤環(huán)境.

2.2 不同埋深對(duì)幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

在種子萌發(fā)成幼苗的初期，子葉發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.檢測子葉的根、莖長度對(duì)于評(píng)估幼苗的生長狀況、健康狀況、預(yù)測生長潛力等方面具有重要意義.因此，本研究測量不同埋深羽茅、麻花頭和飛廉幼苗根、莖長度，結(jié)果分別如圖1、圖2、圖3所示.隨著埋深的增加，羽茅、麻花頭和飛廉子葉的根長和莖長都呈現(xiàn)出顯著的增長趨勢(shì)（P＜0.05）.

圖1 不同埋深羽茅子葉根、莖長度差異（P＜0.05）

圖2 不同埋深麻花頭子葉根、莖長度差異（P＜0.05）

圖3 不同埋深飛廉子葉根、莖長度差異（P＜0.05）

通過觀察子葉根、莖長度的變化，發(fā)現(xiàn)一定的基質(zhì)壓力對(duì)子葉的生長具有積極的促進(jìn)作用，可以有效地促進(jìn)子葉根、莖的生長，從而幫助子葉順利破土而出.了解不同埋深對(duì)植物子葉根、莖長度的影響，可以為種植者提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)他們合理安排種植深度.

2.3 不同時(shí)期不同埋深對(duì)子葉功能的影響

子葉可為幼苗提供必要的營養(yǎng)物質(zhì)，確保幼苗正常生長，子葉還能通過自身的生長促進(jìn)幼苗的發(fā)育，為其提供一個(gè)安全、適宜的生長環(huán)境.通過對(duì)種子淀粉酶活性及SOD酶活力進(jìn)行測定，羽茅種子淀粉酶活力為4.65 mg/g，種子SOD酶活力為60 000 U/g，麻花頭種子淀粉酶活力為2.706 mg/g，種子SOD酶活力為240 000 U/g，飛廉種子淀粉酶活力為14.49 mg/g，種子SOD酶活力為333 333.33 U/g.

子葉和種子中的淀粉酶活性可以提供有關(guān)植物生長和發(fā)育的重要信息.淀粉酶是植物中負(fù)責(zé)分解淀粉的酶，其活性水平可以反映植物對(duì)淀粉的利用效率和生長狀況.羽茅、麻花頭和飛廉子葉淀粉酶活力檢測結(jié)果如圖4、圖5、圖6所示.

圖4 不同埋深不同時(shí)期的羽茅子葉淀粉酶活性差異（P＜0.05）

圖5 不同埋深不同時(shí)期的麻花頭子葉淀粉酶活性差異（P＜0.05）

圖6 不同埋深不同時(shí)期的飛廉子葉淀粉酶活性差異

從圖4、圖5、圖6可以看出，羽茅子葉在淺層土壤中的淀粉酶活性相對(duì)較高，但隨著土壤埋深的增加，這種活性逐漸降低.該變化表明，羽茅子葉在較深的土壤環(huán)境中，由于氧氣缺乏、濕度增加等環(huán)境壓力，導(dǎo)致淀粉酶的活性降低，從而減少了對(duì)淀粉的分解和利用.相反，麻花頭子葉的淀粉酶活性隨著土壤埋深的增加而顯著升高.這表明麻花頭子葉為了適應(yīng)深層的低氧、高濕環(huán)境，是通過提高淀粉酶的活性增加對(duì)淀粉的分解和利用，以獲取更多的能量和營養(yǎng)物質(zhì).飛廉子葉的淀粉酶活性變化趨勢(shì)與羽茅相近.值得注意的是，無論是羽茅、麻花頭還是飛廉，其子葉的淀粉酶活性均高于種子階段的淀粉酶活性.這一結(jié)果進(jìn)一步凸顯了子葉在植物生長過程中的重要作用.在種子萌發(fā)和幼苗生長階段，子葉作為重要的能量來源，需要更高的酶活性支持其快速生長和發(fā)育.

SOD酶是植物代謝的關(guān)鍵酶，其可以保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷，維持植物正常的代謝和生長.羽茅、麻花頭和飛廉子葉SOD酶活力檢測結(jié)果如表1、表2、表3所示.

表1 不同埋深不同時(shí)期羽茅子葉SOD酶活力影響的方差分析表

表2 不同埋深不同時(shí)期麻花頭子葉SOD酶活力影響的方差分析表

表3 不同埋深不同時(shí)期飛廉子葉SOD酶活力影響的方差分析表

從表1、表2、表3可以看出，羽茅和麻花頭子葉的SOD酶活力受時(shí)間和埋深的影響極為顯著.飛廉子葉的SOD酶活力在不同時(shí)期也有顯著的變化，但與埋深的關(guān)系不大.

此外，幼苗的根、莖長度與淀粉酶活性大小之間存在反比關(guān)系.即初期的種子萌發(fā)行為越強(qiáng)，子葉的淀粉酶活性越弱.以上變化趨勢(shì)提示，隨著萌發(fā)的進(jìn)行，子葉開始生長，需要更多的能量和營養(yǎng)物質(zhì)支持其發(fā)育.如果淀粉酶活性過高，會(huì)導(dǎo)致淀粉過度降解，產(chǎn)生的葡萄糖過多，這可能會(huì)對(duì)子葉的生長產(chǎn)生負(fù)面影響.因此，子葉可能通過調(diào)節(jié)淀粉酶活性來平衡能量和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，以滿足自身生長的需求.這種平衡機(jī)制對(duì)于種子的正常萌發(fā)和幼苗的生長具有重要意義.

3 結(jié)論與討論

種子需要吸收和利用有限的資源，例如水分、養(yǎng)分和能量，以完成萌發(fā)并成長為健康的植物［13］.在種子萌發(fā)的過程中，子葉中的養(yǎng)分和能量被用于支持種子的生長和發(fā)育.因此，在資源有限的情況下，種子萌發(fā)和幼苗生長之間存在一種資源競爭的關(guān)系.在這種情況下，如何合理地分配資源成為一個(gè)重要的問題.種子和子葉之間的資源分配可能會(huì)受到多種因素的影響.例如，在干旱條件下，種子可能需要更多的水分支持萌發(fā)，子葉中的水分可能會(huì)被更多地用于支持種子的生長.此外，種子的萌發(fā)和子葉的功能之間也存在相互作用.子葉中的養(yǎng)分和能量不僅被用于支持種子的生長，同時(shí)也對(duì)種子的萌發(fā)過程產(chǎn)生影響.

因此，本研究以羽茅、麻花頭、飛廉等子葉出土型單子葉和雙子葉植物為研究對(duì)象，設(shè)置不同生境如設(shè)置埋深為0 cm、0.5 cm、3 cm條件下，分別監(jiān)測不同發(fā)育時(shí)期種子、子葉和幼苗的形態(tài)和生理指標(biāo)，監(jiān)測酶活性的變化，探討相關(guān)植物如何通過合理的資源管理來提高種子的萌發(fā)率和植物的生長質(zhì)量.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一定的基質(zhì)壓力可促進(jìn)種子萌發(fā)，壓力過小或過大皆不利于子葉破土.除麻花頭外，子葉莖長與淀粉酶活性大小成反比關(guān)系：種子萌發(fā)行為越強(qiáng)，對(duì)應(yīng)子葉的淀粉酶活性越弱.淀粉酶活性反應(yīng)植物體內(nèi)能量代謝的水平，這一結(jié)果表明，在有限的資源條件下，植物種子的萌發(fā)行為和子葉功能在資源利用和能量輸出之間存在一定的權(quán)衡關(guān)系，即子葉通過調(diào)節(jié)淀粉酶活性來平衡能量和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，以滿足自身生長的需求.

資源的權(quán)衡涉及到植物如何根據(jù)環(huán)境條件和自身需求在能量供應(yīng)上進(jìn)行優(yōu)化和平衡.子葉作為種子內(nèi)儲(chǔ)存養(yǎng)分的器官，對(duì)于調(diào)節(jié)資源的分配和供應(yīng)起著關(guān)鍵作用.該結(jié)論強(qiáng)調(diào)了子葉通過調(diào)節(jié)淀粉酶活性來平衡能量和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，從而滿足自身生長的需求.這種調(diào)控機(jī)制可能涉及多種因素，如環(huán)境信號(hào)、激素調(diào)節(jié)和基因表達(dá)等，這需要進(jìn)一步研究來深入了解其背后的機(jī)制和影響因素.該結(jié)論不僅增加了對(duì)子葉功能的理解，而且提供了研究資源權(quán)衡過程的新視角，同時(shí)具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.了解子葉如何通過調(diào)節(jié)淀粉酶活性來平衡能量和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)，可以更好地理解植物的生長規(guī)律和應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的能力，為通過改進(jìn)種子處理、調(diào)整種植條件、開發(fā)新型肥料，提高作物的生長和產(chǎn)量等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)化提供依據(jù).此外，通過監(jiān)測植物各階段幼苗形態(tài)及生理學(xué)指標(biāo)，分析不同種子萌發(fā)和子葉生長的相關(guān)性，有助于認(rèn)識(shí)和闡明物種進(jìn)化及其生態(tài)適應(yīng)，對(duì)于預(yù)測植物的發(fā)芽和出土、全球變暖對(duì)植物生長發(fā)育及分布的影響、認(rèn)識(shí)野生植物資源利用策略等均具有理論指導(dǎo)意義和生產(chǎn)實(shí)踐價(jià)值.