古爾班通古特沙漠鈉豬毛菜種子異型性及其萌發行為研究

王夢茹,魏巖

(新疆農業大學草業與環境科學學院，新疆草地資源與生態重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

植物生活史中，種子萌發階段對環境的抵抗力最弱，不利于種子萌發的因素如環境脅迫、機械傷害和病蟲害等會減少新個體的產生和補充，從而影響種群的穩定性[1]。種子萌發的研究內容包括種子萌發的必需條件、對不同的非生物壓力的耐受性極限，因此研究種子萌發是解釋植物物種分布的必要條件[2-3]。

荒漠地區干旱少雨、溫度、濕度和降水的時間變異率大，空間分布的異質性程度高，蒸發強烈，并伴隨有土壤鹽堿化。這種嚴酷多變的生境條件對植物的生長、生存極為不利[4]。荒漠植物在嚴酷的生境下演化出了與之相適應的種子萌發對策來確保種子在適宜的時間和空間下萌發[5]。種子多型性是植物為了適應嚴酷和不可預測的環境，產生兩種或兩種以上可以在不同環境條件下萌發的種子[3,6-7]，其表現在不同類型的果實(種子)常在形狀、大小、顏色、外部結構等形態學特征以及散布、休眠、萌發、幼苗生長等生態行為具多種形態或形式[8-9]。種子異型性降低單次萌發的風險，提高幼苗的存活率，確保了種群成功建立和順利繁殖[9]。種子能否萌發、產生幼苗、成功建群，受到生態環境條件(水分、溫度、光照、氧氣、土壤鹽分、土壤酸堿度、化學物質等)的綜合影響，不同植物種子的萌發特性和對環境因子的響應存在差異[10]。

豬毛菜屬(Salsosa)植物在新疆有近20種，主要分布在干旱戈壁荒漠和沙漠，為旱生或旱中生鹽生植物。已報道分布于準噶爾荒漠的紫翅豬毛菜(Salsolaaffinis)[11]、無翅豬毛菜(Salsolakomarovii)[12]、散枝豬毛菜(Salsolabrachiata)[13]和褐翅豬毛菜(Salsolakorshinskyi)[14]具有種子異型性。鈉豬毛菜(Salsolanitraria)為一年生草本,在中國僅分布在新疆北部，主要分布于200～960 m的平原荒漠、輕度鹽堿地和丘間沙地。作者通過野外調查和實驗室觀察統計發現鈉豬毛菜植株具有3種形態的種子，表明鈉豬毛菜具有種子多型性。

本研究在野外采集標本鑒定的基礎上,在實驗室對種子形態進行對比，并對不同形態的種子進行萌發實驗，以研究鈉豬毛菜種子的形態差異和萌發特性，研究種子形態與萌發差異性的關系，為揭示其異型種子的萌發對策提供理論依據，并為新疆荒漠生態系統建設提供基礎資料。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及研究區概況

實驗材料為鈉豬毛菜，一年生草本。采集于新疆準噶爾盆地南緣阜康沙漠(E 87°40′26″，N 43°48′44″)，屬溫帶干旱荒漠，是新疆北部典型的沙漠生態系統。年降水量為 70～150 mm；冬季有積雪，春季和初夏降水。研究區的植被類型是以天然梭梭(Haloxylonammodendron)為主的灌木，以及地表零星分布的草本。

1.2 種子形態特征

將采集的成熟鈉豬毛菜植株在通風的室內風干并收集種子，置于紙袋中，儲藏于室溫條件下。通過觀察發現鈉豬毛菜產生3種顏色、大小及散布單位不同的種子，隨機選取不同類型種子若干粒，用萬分之一天平測量種子的質量，100粒×10組的平均值為百粒重(±標準誤差)，用體視顯微鏡Nikon SMZ1000和NIS Viewer測量單粒種子的直徑，記錄平均半徑(±標準誤差)。

1.3 種子的萌發特性

不同形態種子的萌發 隨機選取鈉豬毛菜種子若干，將種子置于直徑為90 mm、墊有2層濾紙的培養皿中，每個處理加入2 mL蒸餾水，分別置于5 ℃/15 ℃、10 ℃/20 ℃、 15 ℃/25 ℃、 20 ℃/30 ℃、 25 ℃/35 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培養箱中進行種子萌發試驗(每組25粒，4個重復)。根據數據結果選出鈉豬毛菜種子萌發的最適溫度。持續觀察14 d。種子的胚根突破種皮即為種子萌發。每隔24 h觀察種子的萌發情況，并記錄種子初始萌發時間、每日種子的萌發數，以及TG50，即每個處理的萌發率達到50%時的萌發天數。

萌發率=已萌發的種子數/總的種子數×100%

根據萌發實驗發現A型種子的萌發率高、萌發速度快，不休眠，而B、C型種子萌發率低，存在休眠。為弄清A型種子對鹽分的響應及B、C型種子的休眠類型，進行如下實驗：

1.3.1鹽分和苞片對A型種子萌發的影響 1)A型種子對鹽分的響應：種子萌發試驗選用的NaCl溶液的濃度分別為0(CK)、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、2.0、4.0 mol·L-1，將種子分別置于不同濃度的鹽分條件下萌發，每個處理加入2 mL不同濃度鹽溶液，持續觀察14 d。14 d后將未萌發的種子用蒸餾水沖洗干凈后分別放入培養皿中，加入蒸餾水進行復水萌發，持續觀察7 d，記錄鈉豬毛菜種子在不同鹽分條件下的萌發率，復水后的恢復萌發率及總萌發率。

恢復萌發率=(復水后萌發的種子數/總的種子數-鹽溶液中萌發的種子數)×100%

總萌發率=(鹽溶液中萌發的種子數+復水后萌發的種子數/總的種子數)×100%

2)散布結構對A型種子萌發的影響：將種子設兩個處理：a.帶苞片的種子；b.剝除苞片的種子(裸種子)。分別將兩種處理置于15 ℃/25 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培養箱中進行種子萌發。

3)種子吸脹實驗：分別將帶苞片的種子和裸種子兩種處理置于15 ℃/25 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培養箱中進行種子吸脹萌發，每個處理加入2 mL蒸餾水，每1 h測量各處理下的種子的質量直至吸脹穩定，記錄初始萌發時間。

1.3.2B、C型種子的萌發與打破休眠 1)低溫層積處理：將休眠的B型和C型種子、放入用蒸餾水洗凈的河沙(沙土濕度為11%)中，置于塑料盒內，封好后貯藏在4～5 ℃冰箱中。沙藏時間分別為0(對照)，4，8，12周。沙藏結束時，將種子用蒸餾水進行清洗，然后轉移至培養皿中，置于15 ℃/25 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培養箱中萌發。

2)劃破種皮：用解剖刀小心地將果皮和種皮劃破，置于15 ℃/25 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培養箱中萌發。

1.4 數據統計與分析

用Excel軟件對數據進行初步統計處理并進行正態性檢驗，數據不符合正態分布時，對其進行反正弦轉化，使用SPSS 19.0軟件對數據進行單因素(One-way ANOVA)方差分析，設定顯著水平為0.05，采用Excel軟件制圖表。

2 結果與分析

2.1 種子形態

鈉豬毛菜果實為胞果，具膜質翅，產生3種種子，所占比例為A∶B∶C=1.5∶1.5∶7.0；3種種子形態差異顯著(表1)。

表1 鈉豬毛菜的種子類型及特征 Table 1 Types and characteristics of S. nitraria

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Note:Different letters in the same column indicate significant differences atP<0.05 level. The same below.

2.2 種子對溫度的響應

圖1 鈉豬毛菜3種類型種子在不同溫度下的累積萌發率Fig.1 Cumulative germination percentages of Type A， Type B and Type C seeds of S. nitraria at different temperature 不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。Different letters indicate significant differences at P<0.05 level. The same below.

鈉豬毛菜3種類型種子的萌發存在顯著差異(圖1)。A型種子適宜萌發的溫度范圍較廣，在5種溫度條件下的萌發率均大于90%，15 ℃/25 ℃、20 ℃/30 ℃、25 ℃/35 ℃條件下萌發率均可達到100%(圖2)，并且A型種子在15 ℃/25 ℃條件下萌發速率最快，8～10 d全部萌發完畢；B型種子在最適溫度下(15 ℃/25 ℃)的萌發率為56.7%，在其他4種溫度下的萌發率低于50%；C型種子在5種溫度下的萌發率均低于5.3%，B、C型種子存在休眠。

2.3 A型種子對鹽分的響應

A型種子在不同鹽分條件下持續萌發14 d后，其萌發率如圖4，種子的萌發率隨鹽分的升高而降低，當鹽濃度達到1.4 mol·L-1時，種子仍可萌發，萌發率為2%。與0 mol·L-1(CK)相比，A型種子在0.05 mol·L-1(87%，P=0.901)，0.1 mol·L-1(77%，P=0.202)，0.2 mol·L-1(68%，P=0.256)條件下萌發差異不顯著；在0.4 mol·L-1(62%，P=0.001),0.6 mol·L-1(54%，P=0.001)條件下萌發差異顯著；當濃度達到0.8 mol·L-1(22%，P<0.001)，1.0 mol·L-1(10%，P<0.001)，1.2 mol·L-1(8%，P<0.001)，1.4 mol·L-1(2%，P<0.001)時差異極顯著，鹽濃度為2.0和4.0 mol·L-1種子不萌發。

圖2 鈉豬毛菜A型種子在不同變溫下的累積萌發率Fig.2 Cumulative germination percentages of Type A seeds of S. nitraria at different temperature

圖3 鈉豬毛菜A型種子在不同變溫條件下的TG50Fig.3 Effects of different temperature on TG50 of Type A seeds of S. nitraria

將鈉豬毛菜A型種子在溶液中萌發14 d后，轉至蒸餾水中繼續萌發，其恢復萌發率如表2，0.05～0.40 mol·L-1恢復萌發率隨鹽濃度呈遞增趨勢，當鹽濃度達到0.60 mol·L-1時恢復萌發率有所降低；A型種子的總萌發率隨鹽溶液濃度的升高而降低，萌發速率也隨之降低；0.05～1.00 mol·L-1，A型種子的恢復萌發比率均大于50%，1.2～4.0 mol·L-1，A型種子的恢復萌發比率均小于50%。

2.4 散布結構對A型種子萌發的影響

兩種不同處理下種子的萌發情況如圖5，帶苞片的種子與裸種子的萌發率存在顯著差異(F=205.44，P<0.001)，帶苞片種子14 d后萌發率為56%，裸種子的萌發率為100%。

吸脹試驗結果表明(圖6)，裸種子在吸水1 h后胚根出現，此時質量為初始重量的1.71倍，帶苞片的種子吸水8 h后開始萌發，質量為初始重量的2.08倍。

2.5 B、C型種子的萌發與打破休眠

圖4 鈉豬毛菜A型種子在不同濃度NaCl溶液下的累積萌發率Fig.4 Cumulative germination percentages of Type A seeds of S. nitraria at different saline solution

萌發實驗表明，鈉豬毛菜的B型種子和C型種子萌發率低于A型種子，其中紅色B型種子在15 ℃/25 ℃條件下萌發率為56.7%，為非深度休眠；而黃色C型種子在15 ℃/25 ℃條件下萌發率僅為5.3%，為深度生理休眠。

本實驗采用低溫層積處理打破休眠。B型種子層積4周后，萌發率為93.6%，證明低溫層積處理可以有效打破B型種子的休眠；層積12周后萌發率為12.0%，與無處理種子差異不顯著(F=1.33，P=0.330)，低溫層積處理對于打破C型種子休眠的效果不顯著；劃破種皮可以有效打破C型種子休眠，萌發率為66.7%，與低溫層積處理對比差異顯著(F=26.445，P<0.001)(圖7)。

表2 鈉豬毛菜A型種子在不同濃度NaCl溶液中的萌發率、復水后的恢復萌發率和最終萌發率 Table 2 Germination percentage of type A seeds of S. nitraria at different concentration of NaCl solution and germination after transferred to distilled water and total germination

TG50：每個處理的萌發率達到50%時的萌發天數Germination days when the germination rate of each treatment reached 50%.

圖5 鈉豬毛菜A型種子在不同處理下的累積萌發率Fig.5 Accumulative germination percentage of Type A of S. nitraria seeds at different treatments

圖6 苞片對鈉豬毛菜A型種子吸水與萌發的影響Fig.6 Influence of the presence or absence of bracts on imbibition and germination of Type A of S. nitraria

3 討論

圖7 鈉豬毛菜B、C型種子在不同處理下的累積萌發率Fig.7 Accumulative germination percentage of Type B and Type C of S. nitraria seeds at different treatments

種子萌發是植物生活史的關鍵階段，萌發的時間和空間決定了植株個體存活和種群動態，在適宜的環境中，植物在種子萌發階段完善其生理機能并適應波動變化的環境，可避開不可預測的環境對幼苗的損傷。新疆具有豐富的鹽生植物資源，其中很多藜科植物具有種子異型性，例如濱藜屬(Atriplex)[16]、韃靼濱藜(Atriplextatarica)[17]、鹽角草屬(Salicornia)[18-19]、藜屬(Chenopodium)[20]、豬毛菜屬等。豬毛菜屬植物普遍具有種子異型性，例如紫翅豬毛菜[11-12]、褐翅豬毛菜[14]、散枝豬毛菜[13]、無翅豬毛菜[15]。

本實驗中，鈉豬毛菜同一植株可產生3種類型的種子，其形態、萌發特性存在差異。綠色A型種子萌發，紅色B型和黃色C型種子休眠。根據Baskin等[21]的種子休眠分類系統，B型種子為非深度生理休眠，C型種子為深度生理休眠。豬毛菜屬Salsolavolkensii[22]、紫翅豬毛菜[12]，同樣具有綠色種子萌發而黃色種子休眠的現象。

具有易傳播的散布體結構的種子，通常它的萌發率較高且很少休眠，但是這種種子其幼苗的存活率低；與之相反，傳播能力低的種子具有休眠現象，幼苗更具存活的機會。本實驗中，鈉豬毛菜A、B型果實具有翅，其傳播距離遠，可以散布到更適宜的環境中或者更為惡劣的環境下，這種散布機制稱為“冒險型傳播策略”，而C型果實沒有翅，成熟后掉落在母株附近，稱為“保護型傳播策略”。植物的集合繁殖體包含不同萌發能力的種子，保證每個時期只有一到兩種類型可以萌發，避免了種內競爭[5]。

部分荒漠植物為能夠成功繁殖，采取了多種萌發策略，在環境良好的年份，種子萌發，成熟并且繁殖后代，而環境惡劣的年份，若種子萌發，幼苗存活率低，種子選擇休眠。本實驗中，鈉豬毛菜的褐色A型種子，在適宜的環境中種子迅速萌發，是機會主義萌發策略；紅色B型種子表現為淺度休眠，降水充足的條件下，一部分種子萌發，其余的種子形成種子庫，屬于下注萌發策略；黃色C型種子在適宜的條件下僅有少部分種子萌發，絕大部分種子在母株周圍形成地下種子庫，為謹慎萌發策略。同一植株的種子在形態和生理上的變異使得種子的萌發、傳播和幼苗定居達到最佳，減少了同胞子代之間的競爭，減少了適合度的時空變異，使植物在高度不穩定的環境中具有優勢[9]。作為有性繁殖的策略，鈉豬毛菜種子多型性這一特性使其在高度不穩定的環境中具有競爭優勢，減少了時空變化對物種成功繁育的影響，因此，鈉豬毛菜可以在古爾班通古特沙漠成功定居。

溫度的變化影響種子萌發進程，例如細胞的代謝、細胞膜的滲透性、膜結合蛋白酶的活性。低溫條件下，種子代謝緩慢，萌發受到抑制，當溫度逐漸升高，萌發率隨之升高；但高溫導致種子酶發生變形，萌發率降低[4]。荒漠地區溫度波動大，以至于荒漠植物種子可萌發的溫度范圍較廣，但不同物種有不同的最適萌發溫度，白梭梭(Haloxylonpersicum)的最適溫度為25 ℃/15 ℃[23]，野榆錢菠菜(Atriplexaucheri)為5 ℃/25 ℃[24]，駝絨藜(Ceratoideslatens)為25 ℃/35 ℃和20 ℃/30 ℃[25]。在本試驗中，A型種子的萌發溫度范圍廣，5種變溫條件下均可萌發且萌發率大于90%，最適萌發溫度為15 ℃/25 ℃。材料采集地4月氣溫逐漸回升，月均溫為12.1 ℃，鈉豬毛菜的萌發策略可保證A型種子在環境適宜時可大量萌發并且具有較高的幼苗存活率。在荒漠地區的早春，晝夜溫差大，不同年份溫度波動大[2]，B、C型種子的休眠特性，保證在環境突變時延緩萌發，降低風險。

具有多型性種子的植物一般出現在干旱、沙漠、鹽漬土地區和擾動強烈的地區,一般為旱生、鹽生植物[26]。通常藜科植物在無鹽條件下萌發能力最大，但是一定的鹽分可以促進鹽生植物的生長。相關研究發現鈉豬毛菜，耐鹽臨界值達0.577 mol·L-1[27]。古爾班通古特沙漠風沙土中養分偏低,鹽堿性較弱,全鹽含量均值<0.16%[28]。鈉豬毛菜種子具有極強的耐鹽性,因此在自然界中,鈉豬毛菜能夠在平原荒漠、丘間沙地以及輕度鹽堿地上分布。本實驗中，鈉豬毛菜種子在NaCl溶液濃度為2.0和4.0 mol·L-1時萌發率為0，高濃度的鹽降低了種子的水合作用，由于滲透作用抑制了種子的萌發以及根的生長。將其轉移至蒸餾水中恢復萌發，鈉豬毛菜種子在萌發時具有高鹽誘導休眠現象。荒漠環境中，隨著氣溫的升高，土壤蒸發量逐漸增大，而降水量遠低于蒸發量，使得土壤鹽分累積，鈉豬毛菜種子在高鹽濃度的環境下休眠，次年春季，采集地開始降水，稀釋土壤鹽分，種子恢復萌發。

植物的苞片有助于種子在風或水中的傳播，同時也可以控制種子的萌發時間[29]。如果植物的種子在同一時間萌發，植物幼苗生長期一旦發生旱澇或者土壤鹽濃度增加，種群將面臨滅絕的危險。相關研究發現無翅豬毛菜的花被片含有脫落酸，抑制種子的萌發,去除花被片后種子萌發[15]；戟葉濱藜(Atriplexprostrata)種子具有暫時苞片，秋冬低溫條件下，暫時苞片抑制了種子的萌發，春季苞片脫落，抑制解除[30]。本實驗中，具有苞片的A型種子在有苞片包被的情況下萌發率為56%，存在萌發抑制，去除苞片的種子，萌發率為100%。同樣的，古爾班通古特沙漠的褐翅豬毛菜A型種子不去翅處理下的萌發率為61.8%，去翅后萌發率為84.5%[14]。由于該地區冬季溫度低，不利于幼苗的生長，鈉豬毛菜的苞片促使種子在冬季維持休眠，當環境適宜時，抑制解除，種子開始萌發，與無苞片種子相比，苞片是胚根突破生長的屏障，阻礙了胚進行水分的吸收，從而抑制或延緩種子的萌發。

4 結論

鈉豬毛菜的異型種子萌發具有不整齊性。A型種子萌發溫度范圍廣，在15 ℃/25 ℃溫度周期中快速萌發，并且具有極強的耐鹽性，苞片延緩種子的萌發；B、C型種子具有不同的休眠類型，低溫層積可有效地打破B型種子的休眠，C型種子通過劃破種皮打破休眠。這種萌發策略反映了該種植物對荒漠突變環境的適應性表現，保證幼苗的存活率和種群的穩定性。