牛心樸子種子萌發特性及對干旱脅迫的響應

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院/農業部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室/草地資源教育部重點實驗室， 呼和浩特 010010)

牛心樸子(Cynanchumhancockianum(Maxim.) Al. Iljinski.)是蘿摩綱蘿摩科鵝絨藤屬(CynanchumL.)的半灌木，地理分布較廣，常出現在我國北方地區。雖然在草地里是以毒草的身份出現(在草地遭遇災害時爭奪優良草種的生存空間和條件，且對家畜有毒害作用)，但研究表明，牛心樸子具有殺蟲活性，抗植物病毒活性，具有抑菌、除草、降風固沙作用，可作為優良蜜源和飼草；醫用研究表明，牛心樸子具有鎮痛、抗炎、抗菌、抗腫瘤，提高免疫能力，止咳平喘等多種作用[1]。牛心樸子除含有一些無機元素外，還含有生物堿、黃酮醇類、糖類、脂肪酸和甾醇類等[2]。在形態及生理上表現為根系非常發達，繁殖系數高，生命力強，具有耐干旱、高溫、強光等特點[3]。由于是適應沙化環境而保存下來的生態型植物，牛心樸子具有極強的荒漠適應能力[1,4]。前人關于牛心樸子主要的研究焦點在提取體內的化學物質使其發揮醫療作用，及在干旱脅迫下植物體內起關鍵作用的化學物質的研究上，鮮見對牛心樸子種子萌發方向的研究。因此，本試驗從種子萌發的角度去研究種子的繁殖更新特性，著重摸清種子在溫度、光照、水分環境下的萌發狀況，以期為牛心樸子的繁殖提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

2016年9月于呼和浩特市的郊區合創農業開發園區中引種圃收集成熟牛心樸子種子。經清選干凈完整的成熟種子放于室溫下干燥至恒溫后貯藏。種子萌發試驗等相關實驗于2017年4—5月在內蒙古農業大學草地資源教育部重點實驗室等地點進行。

1.2 方 法

1.2.1種子形態特征觀察

挑選粒大飽滿的牛心樸子種子作為試驗材料，觀察其基本特征，如顏色、表面紋飾及性狀等，并及時拍照記錄。隨機選取1 000粒種子進行稱重，重復3次取其平均即為種子的千粒重。

1.2.2種子休眠特性測定

在25 ℃恒溫條件下，種子不做任何處理進行萌發實驗。以雙層濾紙作為發芽床，用蒸餾水浸濕后放入培養皿中，隨后將種子整齊放入，每個培養皿放50粒種子，3次重復。加入保證種子吸脹萌發所需的足夠水分，每24 h觀察種子發芽、霉爛狀況并補充水分。參照《國際種子檢驗規程》[5]及我國《牧草種子檢驗規程》[6]，試驗以胚根突破種皮作為發芽的標準。直到無種子萌發結束試驗，統計發芽種子數量，確定牛心樸子種子休眠狀況。

1.2.3恒溫條件對種子萌發的影響

牛心樸子種子均不存在休眠現象，發芽率可達100.00%，故將溫度設置為恒溫10，15，20，25，30，35 ℃共計6個梯度試驗(光照條件約為8 000 lx，濕度為66%)，每個處理3次重復，每重復隨機數取50粒種子，并同樣以雙層潤濕的濾紙作為發芽床進行發芽試驗。發芽開始后，每天記錄種子發芽數、霉爛數，直至無新萌發種子出現為止。

1.2.4光照對種子萌發的影響

在篩選出的最適萌發溫度條件下進行2個不同光照處理試驗。以自然光照為對照組，同時以牛皮紙袋套住培養皿制造黑暗條件。2個處理均以雙層潤濕的濾紙作為發芽床，每個培養皿數取50粒種子，3次重復。每天記錄新發芽的種子數并補充適量的蒸餾水，確保種子正常萌發的水分條件。

1.2.5種子萌發對干旱脅迫的耐性

在最適的溫度和光照條件下，使用聚乙二醇溶液(PEG-6000)模擬干旱脅迫環境。 設置0%(ck)，5%(相當于-0.1 MPa水勢[7])，10%(相當于-0.2 MPa水勢[7])，15%(相當于-0.4 MPa水勢[7])，20%(相當于-0.6 MPa水勢[7])5個濃度梯度的PEG處理，每個處理選取30粒種子，3次重復。以不同濃度的PEG溶液潤濕的雙層濾紙作為種子發芽床。播種后將所有培養皿放入人工培養箱中進行發芽試驗。每天記錄種子發芽數、發霉數，并按照濃度梯度及時補充相應的溶液。

根據種子發芽試驗每天記錄的數據計算各相關發芽指標，公式如下[8-10]：

發芽率(%)=(n/N)×100%，式中：n為最終達到的正常發芽種子數，N為供試種子總數；

相對發芽率 (%)=(脅迫處理的發芽率/對照的發芽率)×100%；

表3 牛心樸子發芽指標對不同濃度PEG的響應

PEG濃度/%發芽指標發芽率/%相對發芽率/%發芽勢/%萌發指數發芽指數萌發脅迫指數萌發抗旱指數0100.00±0.00a98.89±0.02a29.83±0.29a100.00±0.00a98.89±0.02a29.83±0.29a100.00±0.00a564.44±0.04b56.67±0.06b6.15±0.49b64.44±0.04b56.67±0.06b6.15±0.49b64.44±0.04b1057.78±0.05b54.44±0.02b5.36±0.36b57.78±0.05b54.44±0.02b5.36±0.36b57.78±0.05b1537.78±0.15c31.11±0.10c3.06±1.03c37.78±0.15c31.11±0.10c3.06±1.03c37.78±0.15c204.44±0.08d3.33±0.06d0.20±0.35d4.44±0.08d3.33±0.06d0.20±0.35d4.44±0.08d

胚根/胚芽=胚根長度/胚芽長度；

發芽指數=∑Gt/Dt，式中：Gt為在t日內發芽數，Dt為發芽日數；

萌發脅迫指數=脅迫下種子發芽指數/對照種子發芽指數；

萌發抗旱指數=脅迫下種子萌發指數/對照種子萌發指數；

發芽勢(%)=(n*/N)×100%，式中：n*為發芽實驗初期種子發芽數，N為供試種子數；

種子萌發指數= (1.00)Rd 2+(0.75)Rd 4+(0.5)Rd 6+(0.25)Rd 8；式中：Rd 2，Rd 4，Rd 6，Rd 8分別為第2，4，6，8天的種子發芽率。

各種相對指標均為干旱脅迫處理與對照的比值。

1.3 數據處理

采用Excel 2016軟件對種子發芽數據進行統計，用SAS 9.0軟件進行不同處理間的顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 種子形態特征

牛心樸子種子外果皮有細直紋，種子表面黃褐色，形狀扁平且呈長圓形，長約9 mm，寬約6 mm，種毛白色絹質，種子千粒重為(5.455±0.087)g。

2.2 種子萌發最適恒溫條件的篩選

從表1可以看出，牛心樸子種子在15～35 ℃范圍內均能完成自身的萌發過程，此溫度范圍可以保證在我國較大部分地區春夏季均可達到種子萌發條件，且可供萌發的時間較長。且牛心樸子種子的最低發芽溫度較低，在10 ℃即可發芽。在20 ℃、25 ℃和30 ℃溫度條件下，種子的發芽率和發芽勢均極顯著(p<0.01)高于其他處理，尤其在25 ℃條件下的發芽指數表現極為突出。 而在10 ℃、15 ℃和35 ℃條件下，3個發芽指標均受到不同程度的影響，發芽率和發芽指數雖仍然能達到50%以上，但發芽指數卻極顯著小于其他3個處理，說明該溫度條件下，種子的活力明顯受到影響。在10 ℃時，種子的3個指標均呈現出極小值。在該溫度下，種子的萌發狀況明顯受到抑制，僅能保證種子初步的萌發過程，并不能作為牛心樸子的適宜發芽條件。

表1 不同的溫度處理對牛心樸子發芽指標的影響

溫度/℃發芽指標發芽率/%發芽勢/%發芽指數106.67±0.00C6.67±0.00C0.17±0.00D1577.78±0.15B66.67±0.06B4.19±0.73C20100.00±0.00A90.00±0.09A9.41±0.14B25100.00±0.00A98.89±0.02A29.83±0.29A3095.56±0.08A94.44±0.07A9.73±3.99B3564.44±0.08B61.11±0.11B6.02±0.92C

注：同列不同大寫字母表示差異極顯著(p<0.01)；相同大寫字母表示差異極不顯著(p>0.01)。 下同。

2.3 光照條件對種子萌發的影響

牛心樸子種子在黑暗和自然光2種光照條件下的萌發狀況見表2。從發芽率和發芽勢2個指標可以看出，牛心樸子種子在2個光照條件下沒有明顯差別；但結合發芽指數來看，黑暗條件下的發芽指數極顯著低于自然光照下的值。由此可見，無光條件明顯影響了種子的活力。

表2 不同光照條件對牛心樸子發芽指標的影響

光照條件發芽指標發芽率%發芽勢%發芽指數黑暗94.44±0.04a90.00±0.09a9.33±0.51B自然光10.00±0.00a98.89±0.02a29.83±0.29A

2.4 種子萌發對干旱脅迫的響應

2.4.1干旱對種子萌發指標的影響

如表3所示，對照組的發芽率、發芽勢和發芽指數均為最高。當PEG濃度為5%時，種子的發芽率、發芽勢和發芽指標明顯降低。PEG濃度從5%升到10%時，3個指標的下降程度不明顯；其他處理隨著PEG溶液濃度的升高，種子的發芽率、相對發芽率、發芽勢和發芽勢指數3個指標呈極顯著下降趨勢。當PEG濃度上升至20%時，種子的發芽率僅為4.44%，同時發芽勢和發芽指數也明顯受到限制。萌發脅迫指數與萌發抗旱指數分別表征了牛心樸子抗旱性在脅迫強度和脅迫時間上的差異。首先從萌發脅迫指數來看，隨著PEG濃度的增加，牛心樸子的萌發脅迫指數顯示出了明顯的下降趨勢，尤其在20%PEG下，萌發脅迫指數僅為0.01；在萌發抗旱指數上看，當PEG為5%時指數較ck有明顯的增加，而當濃度達到10%以上時，牛心樸子的萌發抗旱指數則呈明顯的下降趨勢，由此說明適當的干旱可以在抗旱時間上有著一定的延長作用，而超過該濃度抗旱時間就會逐漸下降。可見牛心樸子在面臨干旱脅迫時，會表現出較弱的忍耐能力，且所能抵抗的干旱脅迫的最大PEG濃度為20%。因此水分可能會成為制約該種子萌發的關鍵因子。

2.4.2干旱對種子胚根、胚芽及胚根/胚芽的影響

抗旱的植物幾乎都具有根系發達的特征。從圖1可以看出，隨著PEG溶液濃度升高，牛心樸子的胚根呈先升高后降低的趨勢，在5%PEG處理下，胚根的長度達到最大，為79.26 mm，當濃度增加為10%時，胚根長度明顯變短，為63.50 mm，已短于對照胚根長(71.84 mm)；由此看出，低脅迫水平(PEG濃度5%)可以促進胚根的伸長，而高脅迫水平則會抑制胚根的伸長；對于胚芽來說，隨著PEG濃度的不斷升高，胚芽呈逐漸降低的變化趨勢，且當濃度由10%升至15%時，牛心樸子的胚芽長降低十分明顯，當濃度升至20%時胚芽長為0 mm；表明牛心樸子的胚芽長與PEG濃度呈負相關關系，也即干旱脅迫水平越高，胚芽長則越小。

圖1 PEG溶液對胚根、胚芽的影響

如表4所示，除20%濃度的PEG處理外，其他幾個濃度處理下，牛心樸子的胚根/胚芽長隨著PEG濃度的增大而逐漸增大，且均高于對照組的胚根/胚芽比值(1.45)，說明各個濃度的PEG處理對牛心樸子胚芽的抑制作用較胚根明顯。而20%PEG處理，完全抑制了胚芽的生長。

表4 PEG溶液對胚根/胚芽的影響

PEG濃度(%)胚根/胚芽變異系數01.45±0.11a0.0851.70±1.05a0.49101.79±0.21a0.15151.94±0.43a0.19200.00±0.00b0.00

2.5 種子萌發計數時間的確定

從圖2可以看出，牛心樸子從種子開始置床到萌發結束共歷時8 d。在置種的第2天就有種子完成吸脹而新生胚根，到第3天時發芽22粒種子，發芽率超過70%，在第5天種子全部萌發完畢。因此推薦牛心樸子種子萌發的初次計數時間為置床后第3天，雖然在第5天種子萌發結束，但考慮其他不可控因素的影響，將末次計數時間推遲至置床后的第8天。

圖2 牛心樸子種子發芽粒數和累計發芽率隨置床時間的變化情況

3 討 論

種子萌發作為植物生活史的開端，對植物本身的繁殖更新具有十分重要的作用，在種子萌發過程中不僅受自身內部的影響，而且更容易受外界環境條件的影響。溫度、水分、光照條件是眾多環境因子中起到關鍵作用的幾種因子。不同的溫度條件會影響不同植物種子的萌發，適當的溫度會誘發種子快速萌發[12]。本試驗結果顯示，牛心樸子種子在15～35 ℃范圍內發芽率較高，且發芽速度也很快。在恒溫20 ℃和25 ℃下，牛心樸子種子的發芽率達到100.00%，同時發芽速度也達到最快(98.89%) ；種子的發芽指數反映種子的活力大小，在該溫度下，牛心樸子種子的活力明顯較其他處理高，即種子活力非常旺盛。而在10 ℃時種子的發芽率僅為6.67%，但也可保證先有少部分的種子開始了萌發過程，在我國北方地區4月初的氣溫可達到10 ℃左右，已滿足小部分牛心樸子種子的萌發溫度條件，早于較多數植物萌發時間，這樣可以提供牛心樸子更多的繁殖更新的機會和條件。張風娟等[11]研究表明，黃頂菊向河北以南地區具有很強的擴散能力，原因是早春該地區的溫度均大于10 ℃。

本試驗顯示，種子在黑暗和自然光照條件下發芽率等非常高，且發芽速度也很快，但結合上述發芽指數來看，在自然光照條件下種子的活力極顯著高于黑暗條件下。而發芽率是評價種子萌發的關鍵，所以整體上說，光照條件對種子萌發的影響不顯著。由此可見，牛心樸子種子在土壤表面和深層均可以很好的萌發，只是在深層土壤中種子的活力相對來說較小，同時在密閉的光照較弱的林下也會有牛心樸子的出現。

在我國北方地區，干旱少雨是制約很多植物生長發育的關鍵因子。利用聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬干旱環境可以起到方便且容易控制的作用。本試驗表明，隨著PEG濃度的升高，種子萌發率呈現出逐漸下降的趨勢。當PEG濃度升至15%時，種子的發芽率開始降低至50%以下，與對照組呈極顯著差異，發芽速度和種子活力同時也受到了很大的影響。種子的萌發脅迫指數和萌發干旱指數表征種子可以忍受干旱脅迫的強度和時間，隨著PEG濃度的增加種子萌發脅迫指數會逐漸降低。在5%PEG處理下，牛心樸子的抗旱時間和胚根長均顯著大于對照，可見低脅迫水平對種子胚根伸長和種子萌發抗旱時間有一定的促進作用。可能是在一定濃度的干旱脅迫下，為了減弱種子萌發過程中由于滲透作用對細胞膜產生的傷害，種子內部自動啟動的自我保護機制，可以加快膜修復進而提高種子發芽率；也有可能是一定濃度范圍內的干旱脅迫可以促進種子內部酶的活性，可以加快種子萌發過程中的新陳代謝。由此可見，牛心樸子可以忍受一定程度的干旱脅迫，在我國北方地區容易存活。陳翠云等[3]針對牛心樸子對干旱脅迫下滲透調節機制進行研究，認為可溶性糖中的海藻糖可能起到了主要作用，很好地驗證了牛心樸子對干旱脅迫的忍耐能力。

綜合來看，牛心樸子適應能力較強，可滿足在干旱且寒冷的北方地區早春萌發的自身條件。

4 結 論

牛心樸子種子在15～35 ℃溫度范圍內均可萌發，且20～30 ℃為種子萌發的最適溫度條件；種子對光照的反應差異不顯著，在自然光和黑暗條件下均有極高的發芽率和發芽速度；隨著PEG濃度的增加，胚芽長以及萌發指標均明顯降低，胚根長則先升高再降低，胚根/胚芽呈現明顯增大趨勢；種子在面臨干旱脅迫時有一定的忍耐能力，可抵抗濃度為15%以下的PEG脅迫；種子的初次計數時間為置種后的第3天，末次計數時間為第8天。