少花蒺藜草異型種子形態差異及其萌發對溫度的響應

摘要：少花蒺藜草（Cenchrus spinifex）是我國主要入侵植物之一，其中種子異型性是少花蒺藜草在生境中迅速擴展的重要性狀。本文基于少花蒺藜草異型種子（M型和P型）的形態特征及其萌發對溫度變化的響應過程，研究異型種子在少花蒺藜草生態適應性中的作用。結果表明少花蒺藜草M型種子的千粒重、長度、寬度、曲線周長和曲線寬度都顯著大于P型種子（Plt;0.05），且萌發率、發芽勢及發芽指數等也顯著高于P型種子（Plt;0.05）。種子萌發時的可溶性糖含量顯著受萌發溫度的影響（Plt;0.05），隨著溫度升高，可溶性糖總體含量呈現先降低后升高的趨勢，兩類種子均在35℃時可溶性糖含量最高。除30℃外，P型種子的丙二醛（Malondialdehyde， MDA）含量高于M型種子（Plt;0.05），表明P型種子更易受到脅迫，生長發育表現劣于M型種子。少花蒺藜草種子萌發的適宜溫度為20～30℃，其中M型種子的最適萌發溫度為20～25℃，P型種子的最適萌發溫度是25～30℃。因此，M型種子是環境適宜時少花蒺藜草種群主要適應策略，P型種子在干熱環境下的萌發能力增強了少花蒺藜草對不良環境的生態適應性。

關鍵詞：少花蒺藜草；種子異型性；溫度；萌發

中圖分類號：S451" " " " 文獻標識碼：A" " " " 文章編號：1007-0435（2025）02-0451-06

Morphological Differences in Heterotypic Seeds of Cenchrus spinifex and Their Germination in Response to Temperature

LIU Tong-yu1#， SONG Lin-qian1#， CAO Jing2， RONG Yu-ping1*

（1.College of Grassland Science and Technology， China Agricultural University， Beijing 100193， China；

2.College of Grassland Science， Qingdao Agricultural University， Qingdao， Shandong Province 266109， China）

Abstract：Cenchrus spinifex is one of the major invasive plants in China， in which seed heterosis is an important trait for its rapid expansion in the habitat. In this paper， we investigated the role of seed heterosis of Cenchrus spinifex in the ecological adaptation based on the morphological characteristics of Cenchrus spinifex heterotypic seeds （M-type and P-type） and the process of their germination in response to temperature changes. The results showed that the thousand-seed weight， length， width， curve circumference and curve width of M-type seeds were significantly greater than those of P-type seeds （Plt;0.05）， and the germination rate， germination potential and germination index were also significantly higher than those of P-type seeds （Plt;0.05）. The soluble sugar content of seed germination was significantly affected by the germination temperature （Plt;0.05）， and the overall soluble sugar content showed a trend of decreasing and then increasing with the increase of temperature， and the soluble sugar content of both types of seeds was the highest at 35℃. The soluble sugar content of P-type seeds was significantly higher than that of P-type seeds （Plt;0.05）. Except for 30℃， the malondialdehyde content of P-type seeds was higher than that of M-type seeds （Plt;0.05）， indicating that P-type seeds were more susceptible to stress， and their growth and development performance was inferior to that of M-type seeds. The suitable temperature for the germination of Cenchrus spinifex seeds was 20-30℃， in which the optimum germination temperature of M-type seeds was 20-25℃ and that of P-type seeds was 25-30℃. Therefore， M-type seeds were the main adaptation strategy for Cenchrus spinifex populations when the environment was suitable， and the ability of P-type seeds to germinate in dry and hot environments enhanced the ecological adaptability of Cenchrus spinifex to adverse environments.

Key words：Cenchrus spinifex；Seed heterogeneity；Temperature；Germination

少花蒺藜草（Cenchrus spinifex）俗名草蒺藜，是一種生長在北美洲和熱帶海岸沙地上的一年生禾本科植物，20世紀40年代傳入我國，對農業生產和環境造成極大的危害，在未來氣候變化情景下，可能擴大其分布范圍并加劇其危害程度［1-2］。目前，國外主要對蒺藜草屬的水牛草（C.ciliaris）研究較多，包含其對干旱脅迫和恢復的適應性［3］和葉綠體全基因組的研究［4］等。國內對少花蒺藜的研究主要集中在入侵現狀、適應機制、生物學特征和其對干旱脅迫的生理響應等方面［5-8］。對種子萌發起決定性作用的溫度因子，會影響萌發過程中產生的水解酶、膜結合蛋白等［9］。曲波等［10］通過設定溫度、土壤濕度、土壤基質和光照為不同變量，探究少花蒺藜草的最適萌發環境，研究發現少花蒺藜草種子在25℃萌發情況最好，在20℃下種子幾乎不發芽，30℃為萌發的最高溫度。少花蒺藜草種子具有異型性，即球形刺苞中通常含兩粒種子，其中一粒相對較大、外形似芒果且有一小部分露在刺苞外，稱為M型種子；另一粒相對較小、外形似李子，稱之為P型種子［11］。種子的異型性是植物的一種生態學表現，在種子傳播能力、種子發芽與休眠特性、種子庫的保持性及幼苗生長特征等方面有所體現［12］。霍艷利等［13］用10個水分梯度和5種光照強度探究少花蒺藜草異型種子萌發特性，發現種子發芽率表現為刺苞gt;M型種子gt;P型種子，而當濕度梯度增大時，刺苞和兩類種子的萌發率都呈上升趨勢，然后下降。雖然有研究進行過少花蒺藜草在不同溫度下的發芽實驗［11］，但較少關注異型種子生理特性（如可溶性糖、丙二醛）在種子萌發過程中的作用。為了更深入研究少花蒺藜草異型種子萌發過程中對溫度的響應，本實驗在測定不同溫度異型少花蒺藜草種子萌發指標的基礎上，進一步測定了在不同溫度下異型種子生理指標的變化，對少花蒺藜草異型種子萌發進行深入探討，以期揭示異型種子的形態特征及溫度和種子類型對萌發的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2019年9月在內蒙古通遼市科爾沁地區（43°35' N，122°17' E）采集少花蒺藜草小穗，置于紙袋中陰干，室溫保存直至2022年6月實驗開始。實驗時挑取小穗大并具有2粒種子的刺苞，剝離刺苞獲得M和P型種子。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 異型種子形態特征測定 從約1000粒M和P型種子中隨機選取M和P型種子各100粒，用WinSEEDLE種子掃描儀掃描后，用種子分析系統軟件（WinSEEDLE 2011a，Regent instruments Inc.，Canada）進行綜合分析測定，得到種子曲線周長、寬，種子直線長度和寬度等種子測量基本信息。

1.2.2 種子千粒重測定 隨機取100粒為一組，共取8組，即為8個重復，用萬分之一天平測定8組種子重量，根據結果計算8個組平均重量（x ?），然后計算標準差（S）及變異系數（C）。種子的變異系數一般不超過4.0%，若超過4.0%則再取八個重復稱重，并計算十六個重復的標準差。將平均重量乘10，即為種子的千粒重。

1.2.3 種子發芽指標測定 少花蒺藜草種子用0.5%高錳酸鉀溶液浸泡消毒10 min進行預處理，發芽床選用紙床，采取紙上發芽（Top of paper， TP）的方法，將種子置于兩層濕潤的濾紙的培養皿中，將培養皿放置于培養箱中，讓少花蒺藜草在其中萌發生長，試驗的每一組都以50顆種子為材料，設6個重復。胚根伸出種皮1毫米即被認為是發芽，觀察種子萌發的起始日期。從開始發芽之日起，每天于相同時間觀察發芽情況并記錄，根據如下公式計算種子萌發指標［14］。

發芽率=全部萌發的種子/被測種子的數量×100%

發芽勢=

萌發過程中日萌發種子最高峰時萌發的種子數/被測種子數量

×100%

發芽指數G_I=∑（G_t?D_t ）

式中：G_t為第t天的發芽數；D_t為G_t所對應的天數。

1.2.4 可溶性糖含量測定 在萌發過程中的1-5天及萌發開始前，分別取M和P型每類種子2～5粒，采用蒽酮比色法［15］測定異型種子的可溶性糖含量。

1.2.5 丙二醛含量測定 在萌發過程中的1-5天及萌發開始前，分別取M和P型每類種子2～5粒，采用TBA（硫代妥酸法）［16］測定異型種子的丙二醛含量。

1.2.6 數據統計與分析 使用Excel對數據進行預處理，采用單因素方差分析（One-way ANOVA）以及最小顯著差異法（LSD法）多重比較（α=0.05）對不同特征間進行顯著性分析。所有統計分析均在IBM SPSS Statistics 26中運行，數據作圖采用Graphpad Pism 9.5。

2 結果與分析

2.1 種子形態特征分析

少花蒺藜草M型種子千粒重（8.75±0.15） g，曲線周長為（33.72±7.66） mm、曲線寬度為（20.28±2.97） mm、長度為（24.95±1.58） mm以及寬度為（18.59±2.28） mm，P型種子千粒重為（5.70±0.12） g，曲線周長為（22.27±5.09） mm、曲線寬度為（9.96±1.99） mm、長度為（17.67±1.51） mm以及寬度為（8.83±2.04） mm（表1）。少花蒺藜草M型種子千粒重顯著高于P型種子（Plt;0.05），少花蒺藜草M型種子的曲線周長、曲線寬度、長度與寬度均顯著長于P型種子（Plt;0.05）（表1）。

2.2 不同類型種子的萌發特性

2.2.1 溫度變化及種子類型對少花蒺藜草種子萌發的影響 溫度、種子類型及其互作都對種子的發芽率有極顯著影響（Plt;0.05）。在恒溫條件下，M型種子在5個溫度下的發芽率都較高，20℃下發芽率最高，萌發率為90.33%。P型種子的發芽率低于M型種子，其在30℃下發芽率最高，萌發率為82%。高溫處理與低溫處理均降低了種子的萌發率（圖1a）。溫度、種子類型及其互作對少花蒺藜草異型種子的發芽指數有顯著性影響（Plt;0.05）。30℃種子的發芽指數最高，M型種子為36.375，P型種子為22.84（圖1b）。溫度和種子類型對少花蒺藜草異型種子的發芽勢有顯著性影響（Plt;0.05）；溫度和種子類型對少花蒺藜草種子的發芽勢的交互作用不顯著（Pgt;0.05）。25℃種子的發芽勢最高，M型發芽勢為81.67%，P型為58.67%（圖2）。

2.2.2 溫度變化及種子類型對少花蒺藜草可溶性糖含量的影響 溫度變化對可溶性糖含量有極顯著影響（Plt;0.05），種子類型對可溶性糖含量無顯著影響，溫度和種子類型對少花蒺藜草種子可溶性糖含量有交互作用（圖3，Plt;0.05）。

從總體含量上來看，15℃和35℃下萌發的少花蒺藜草種子可溶性糖含量較高（圖3）；從峰值出現和趨勢變化情況上來看，15℃和20℃下萌發的少花蒺藜草M型種子可溶性糖含量都在萌發第3天達到峰值，而P型種子則都是在第4天達到峰值（圖4）。M型種子在不同溫度下可溶性糖含量變化趨勢有較大差異，在25℃和35℃時，M型種子在萌發第1天達到峰值，后面呈現下降趨勢，在30℃下M型種子則是在第4天達到峰值（圖4a）。但P型種子在25℃，30℃和35℃下萌發的P型種子可溶性糖含量變化趨勢基本呈現一致狀態，都是在萌發第1天達到峰值，后面呈現下降趨勢（圖4b）。

2.2.3 溫度變化及種子類型對少花蒺藜草丙二醛含量的影響 溫度變化對丙二醛含量無顯著影響，種子類型對丙二醛含量有顯著影響（Plt;0.05），溫度和種子類型對少花蒺藜草種子丙二醛含量的交互作用不顯著（圖6）。在五個溫度下，少花蒺藜草的M型和P型種子丙二醛含量都呈現出先上升后下降的趨勢（圖5）。M型種子在15℃和35℃時含量變化平緩但總體含量較高，在20℃，25℃，30℃下含量變化劇烈但總體含量卻較低（圖5a）。P型種子在30℃和35℃時含量變化平緩但總體含量較高，在15℃，20℃，25℃下含量變化劇烈但總體含量卻較低（圖5b）。從總體含量上來看，35℃下少花蒺藜草種子的丙二醛含量最高，20℃下少花蒺藜草種子的丙二醛含量最低，P型種子的丙二醛含量比M型種子高（圖6）。

3 討論

種子大小的差異是植物對環境長期適應的結果，是植物重要的生存策略之一［17］。研究發現同一植物體型較大的種子可以儲存更多的營養物質，能夠占據更大的空間，與土壤接觸面積亦隨之變大，因而具有更高的種子萌發率、生長速度和存活競爭力［17-19］。本實驗M型種子的重量、曲線周長、曲線寬度、長度與寬度均極顯著大于P型種子，并且M型種子在萌發實驗中的萌發率，生長速度均高于P型種子，表明少花蒺藜草M型種子在生境中有更強的適應性與競爭力。

溫度對種子活力的影響可通過種子發芽率和活力指數反映。劉露萍等［20］研究表明少花蒺藜草種子萌發溫度范圍為15～40℃，最適萌發溫度為25℃，萌發的臨界溫度在10～15℃。王坤芳等［21］研究表明少花蒺藜草幼苗在15～30℃均能正常生長，且隨溫度的升高，生長速度越快。在本實驗中，少花蒺藜草種子在15～35℃下均正常發芽，與上述研究結果一致；M型種子在20℃下發芽率最高，在25～30℃下發芽勢和發芽指數較高；P型種子在30℃下發芽率最高，在25～30℃下發芽勢和發芽指數較高；15℃下M和P型種子的發芽率、發芽勢和發芽指數都最低。本研究綜合考慮發芽率、發芽勢、發芽指數等指標在不同溫度下的變化，表明在20～30℃下，M型種子發芽表現較好；在25～30℃下，P型種子發芽表現較好。

糖對細胞具有重要意義且能為生命活動提供能量，從萌發到光合起始，可溶性糖是一種重要的呼吸底物［22］。在種子萌發期間，大分子多糖（如淀粉）分解生成的可溶性糖，也是以呼吸作用為主的底物，其數量與淀粉的分解及呼吸作用密切相關。已有的研究結果顯示，在萌發期間，可溶性糖的濃度是一個動態的平衡狀態。試驗結果表明，各溫度處理間的可溶性糖含量均呈現出先上升后下降的特點，達到峰值時間不同的原因有可能與其不同溫度下淀粉分解速率及呼吸速率差異性有關［23］。本研究發現，15℃和35℃時少花蒺藜草種子的可溶性糖含量較高，可能是可溶性糖在極端條件下還可以作為滲透調節物質，通過分解或積累物質達到調節細胞滲透平衡的作用，從而緩解低溫對種子造成的傷害［24］。高溫則促進了各種代謝過程，并將一些中間產物轉變為可溶性糖［25］，因此35℃下少花蒺藜草種子可溶性糖也較高。丙二醛是細胞膜過氧化反應的最后代謝產物，過度激活會損傷細胞膜和細胞。它的特征是毒害細胞的膜系、蛋白和DNA，最后使細胞膜退化，失去細胞的功能。膜受損的程度與丙二醛的含量成正比，丙二醛含量越高，膜受損程度越大［26］。本研究中M型和P型種子均在35℃時丙二醛含量最高，表明兩類種子的細胞膜在35℃時受損較大，影響種子萌發。P型種子的種子丙二醛含量在萌發溫度是30℃時最低，表明P型種子抗熱能力強，可以在較高的環境溫度下萌發。

4 結論

少花蒺藜草M型種子由于個體大，其萌發性能總體優于P型種子。綜合考慮不同溫度下種子的發芽指標、可溶性糖含量及丙二醛含量，少花蒺藜草種子的最適萌發溫度范圍是20～30℃，其中M型種子的最適萌發溫度為20～25℃，P型種子的最適萌發溫度是25～30℃。M型種子的萌發特性優于P型種子，但是在高溫條件下P型種子的萌發特性優于M型種子，增強了少花蒺藜草的環境適應能力。

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（責任編輯" 付宸）