環境因素對新疆不同地區田旋花種子萌發的影響

王 穎，王 蘭，馬 艷，馬小艷，

(1.塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300；2.中國農業科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽455000)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 材 料

田旋花種子于2017年采自新疆阿克蘇地區阿拉爾市塔里木大學校園內(40.55° N，81.30° E，海拔1 100 m)和新和縣塔什艾日克鄉(41.55° N，82.61° E，海拔1 000 m)。將采集的田旋花種子自然風干后，置于紙袋中，室溫干燥保存。

由于田旋花種子具有因種皮透性導致的物理休眠，試驗前需對種子進行解除休眠的處理。試驗采用砂紙打磨的方式解除雜草種子休眠[11]，進行發芽預試驗，即挑選100粒成熟度好、大小一致的種子，置于墊有雙層濾紙的玻璃培養皿(直徑90 mm)中，加蒸餾水4 mL，每皿25粒種子，4次重復。除非另有說明(不同恒溫和變溫處理)，所有處理的培養皿均置于智能光照培養箱中培養(35℃/25℃，光照和黑暗比14∶10 h，濕度65±5%)[12]，每天記錄發芽率，至達到最高發芽率的時間。以胚根露出種皮1 mm記為發芽種子。培養10 d后，阿拉爾市和新和縣的田旋花種子發芽率分別為90.0%和60.5%，經砂紙打磨處理后絕大多數田旋花種子已解除休眠，可繼續進行環境因子對種子萌發影響的試驗。

1.2 方 法

1.2.1 溫度

設置5、10、15、20、25、30、35、40、45和50℃10個恒溫處理，以及15℃/5℃、20℃/10℃、25℃/15℃、30℃/20℃、35℃/25℃、40℃/30℃、45℃/35℃、50℃/40℃和55℃/45℃(光照和黑暗比14∶10 h)9個變溫處理，置于智能光照培養箱中培養，每天統計發芽種子的數量，共調查14 d。

1.2.2 鹽濃度

設置0、12.5、25、50、100、150、200、250和300 mM 9個NaCl溶液濃度和0、12.5、25、50、100、150、200和250 mM 8個NaHCO3溶液濃度，置于智能光照培養箱中培養，每天統計發芽種子的數量，共調查14 d。

1.2.3 水勢

用聚乙二醇(PEG)6000配置不同滲透勢的水溶液，分別將0、112.6、169.8、214.1、251.5和284.5 g PEG6000溶解到1 L的蒸餾水中，配制成滲透勢分別為0、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0的溶液，置于智能光照培養箱中培養，每天統計發芽種子的數量，共調查14 d。

1.2.4 pH

按照Chauhan & Johnson[13]所述的方法制備pH 5～10的緩沖溶液，具體為：2 mM的嗎啉乙磺酸溶液，用1 mol/L的鹽酸或氫氧化鈉調節至pH為5和6；2 mM的N-(2-羥乙基)哌嗪-N'-2-乙烷磺酸溶液，用1 mol/L的氫氧化鈉調節至pH為7和8；2 mM的三(羥甲基)甲基甘氨酸溶液，用1 mol/L的氫氧化鈉調節至pH為9和10；用去離子水(pH 6.8)作為空白對照。置于智能光照培養箱中培養，每天統計發芽種子的數量，共調查14 d。

1.3 數據處理

所有的發芽試驗均重復進行兩次。經方差分析，兩次試驗的結果差異不顯著，因此，在進一步分析之前將兩組數據進行合并。利用SPSS 13.0統計軟件對數據進行方差分析，并使用最小顯著差數法(LSD)進行差異顯著性分析，檢驗不同處理對田旋花種子萌發影響的差異性。

種子發芽率(%)計算公式為：發芽率=發芽種子數/總種子數×100%。

種子發芽速率(種子數/d)計算公式為：

其中Si是第i天發芽種子的數量，Di是培養天數。

利用非線性回歸分析評估水勢或鹽堿度脅迫對萌發的影響，數據符合S型曲線模型[14]。具體為：G=Gmax/{1+exp[-(x-x50)/Grate]}，其中，G表示不同水勢、鹽堿度(x)條件下的發芽率，Gmax是理論最大發芽率(%)，x50是抑制中濃度，Grate表示斜率。

用判定系數(r2)判斷非線性回歸曲線擬合程度。所有檢驗過程都是雙尾檢驗，顯著性水平在P=0.05，數據表示為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 恒溫對種子萌發的影響

研究表明，溫度顯著影響田旋花種子的萌發(P<0.05)，在5～50℃，隨著溫度的升高，阿拉爾市和新和縣的種子發芽率均表現為先升高后降低。田旋花種子具有較強的耐低溫能力，5℃條件下兩個縣市的種子均能發芽，發芽率分別為52%和14%；當溫度上升到20～40℃時，阿拉爾市的種子發芽率達到了最大值，且20、25、30、35和40℃條件下的發芽率無顯著差異；新和縣的種子在溫度上升到30～40℃時發芽率達到了最大值；當溫度繼續上升到45～50℃時，兩個縣市種子的發芽率均降低，僅為6%～16%，且隨著培養時間的延長，高溫導致多數已發芽種子腐爛。相同溫度條件下，阿拉爾市田旋花種子的發芽率高于新和縣種子的發芽率。圖1

溫度不僅影響田旋花種子的發芽率，而且影響種子的發芽速率。當溫度從5℃上升到35℃時，兩個縣市的發芽速率從4.9～7.8種子數/d上升到57.8～74.0種子數/d，即高溫可以促進種子的萌發，但是，當溫度繼續升高時，與35℃條件下相比，40℃條件下種子的發芽速率略有降低，當溫度繼續上升到50℃時，兩個縣市的發芽速率明顯降低，僅為4.5～7.5種子數/d，過高的溫度會導致田旋花種子萌發延遲。圖1

注：柱形圖：發芽率；折線圖：發芽速率。下同

Note: Columnar graph: Germination percentage; Fold line diagram: Germination rate. The same as below

圖1 恒溫下不同地區田旋花種子萌發變化
Fig. 1 Effects of constant temperature on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.2 變溫對種子萌發的影響

研究表明，兩個縣市田旋花種子在15℃/5℃～45℃/35℃的變溫條件下均可發芽，且隨著溫度的逐漸升高，發芽率表現為先升高后降低的凸型變化趨勢，溫度為40℃/30℃時發芽率達到最大值。在15℃/5℃、20℃/10℃、25℃/15℃、30℃/20℃、35℃/25℃、40℃/30℃和45℃/35℃條件下，阿拉爾市種子的發芽率無顯著差異，達到91%以上，然而種子的發芽速率隨著溫度的升高逐漸增加，當溫度為15℃/5℃時，種子發芽速率26.2種子數/d，當溫度達40℃/30℃時，發芽速率最高，達78.1種子數/d；當溫度進一步升高時，發芽速率略有降低；當溫度繼續上升到55℃/45℃時，田旋花種子仍可萌發，但高溫可導致種子腐爛，不能正常生長，且種子發芽速率僅為17.3種子數/d。新和縣田旋花種子的發芽率和發芽速率隨溫度的升高表現出相同的變化趨勢，均在40℃/30℃時達到峰值。圖2

圖2 變溫下不同地區田旋花種子萌發變化
Fig. 2 Effects of alternating temperature on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.3 鹽堿度對種子萌發的影響

研究表明，當NaCl濃度為12.5 mmol/L時，阿拉爾市和新和縣種子發芽率分別為75%和70%，隨著NaCl濃度的增加，兩個縣市田旋花種子的發芽率降低，當NaCl濃度增加到250 mmol/L時，種子發芽率明顯降低，僅為5%～19%，當NaCl濃度大于300 mmol/L時，兩個縣市的田旋花種子不萌發；當NaHCO3濃度為12.5 mmol/L時，阿拉爾市和新和縣種子發芽率為50%和56%，隨著NaHCO3濃度的增加，兩個縣市田旋花種子的發芽率降低，當NaHCO3濃度分別增加到200 mmol/L時，種子發芽率明顯降低僅為1%～7%，當NaHCO3濃度大于250 mmol/L時，兩個縣市田旋花種子不萌發。

根據S型曲線模型可知，NaCl對阿拉爾市和新和縣的田旋花種子萌發的抑制中濃度(50%的種子萌發被抑制所需的濃度)分別為212.8和115.8 mmol/L，而NaHCO3對兩個縣市的田旋花種子萌發抑制中濃度分別為132.5和66.86 mmol/L。圖3

2.4 水勢對種子萌發的影響

研究表明，隨著水勢的降低，田旋花種子的發芽率逐漸降低。當水勢為0 MPa時，阿拉爾市和新和縣種子發芽率分別為84%和51%。隨著水勢的降低，田旋花種子的發芽率逐漸降低，當水勢達到-0.4 MPa時，新和縣種子的發芽率明顯降低，僅為15%，當水勢達-0.6 MPa時，新和縣種子不能發芽；然而當水勢達到-1.0 MPa時，阿拉爾市的田旋花種子仍有少量可以發芽，但發芽率僅為2%。

根據S型曲線模型可知，不同地區的田旋花種子對干旱脅迫的耐受程度不同，50%的種子萌發被抑制所需的水勢，阿拉爾市為-0.49 MPa，而新和縣為-0.27 MPa，上述結果表明，阿拉爾市的田旋花種子對干旱脅迫的耐受性更強，這可能與種子采集地的土壤含水量有關。位于沙漠綠洲腹地的新和縣，水資源較為豐富，年均降水量約70～140 mm，且田旋花種子采自可灌溉的農田系統，而位于沙漠邊緣的阿拉爾市年均降水量僅40～80 mm，而年均蒸發量卻高達1 800～2 500 mm，種子采自僅依靠天然降水的荒地，因此，阿拉爾市的田旋花種群所面臨的干旱風險遠高于新和縣的種群，導致阿拉爾市的田旋花種子對土壤干旱的耐受性更強。圖4

注：三角：阿拉爾；方形：新和。下同

Note: triangle: Aral; square: Xinhe. The same as below

圖3 不同NaCl或NaHCO3濃度下不同地區田旋花種子發芽率變化
Fig. 3 Effects of NaCl or NaHCO3on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

圖4 不同水勢下不同地區田旋花種子發芽率變化
Fig. 4 Effects of water potential on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.5 pH值對種子萌發的影響

研究表明，在pH值5～10，兩個縣市的田旋花種子均能正常萌發，但酸性(pH 5和6)和中性(pH 7)環境有利于田旋花種子發芽，堿性條件下(pH 8～10)田旋花種子發芽率略有降低。當pH值為5時，阿拉爾市和新和縣種子的發芽率分別為94%和69%，當pH值增加到7時，兩個縣市的發芽率分別為93%和58%，而當pH值達到8時，阿拉爾市和新和縣種子發芽率分別降低為81%和46%。pH值不是限制田旋花種子萌發的主要因素。圖5

圖5 不同pH值處理下田旋花種子發芽率變化
Fig. 5 Germination percentage of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) with different pH values

3 討 論

研究表明，田旋花種子萌發受多種環境因素的影響。溫度是影響種子萌發的主要因素之一，田旋花種子的發芽溫度范圍較寬，在5和50℃條件下，種子均可以萌發，且在30～40℃范圍內達到最大發芽率。溫度不僅影響田旋花種子的發芽率，同時還影響種子的發芽速率，提高溫度可以促進種子的萌發，而過高的溫度會導致田旋花種子的萌發延遲，這是由于種子在萌發過程中進行著活躍的代謝反應，在一定溫度范圍內，隨溫度的升高種子萌發進程加快[15]，但過低和過高的溫度會使膜的透性、膜結合的活性和酶變性而影響萌發[16-17]。另外，溫度對種子萌發具有最低溫、最適溫及最高溫三基點，其中種子萌發的最適溫度與植物的原生境有密切關系[15]。

前人研究表明，對于大多數雜草種子來說，與恒溫處理相比，變溫條件下更有利于種子的萌發，如龍葵(Solanumnigrum)[18]、東方龍葵(S.ptycanthum)[19]和Myagrumperfoliatum[20]。Thompson等[21]研究發現，僅僅1℃的溫度變化就可以促進植物種子的萌發。與變溫相比，相對恒定的溫度更有利于雀麥(Bromusjaponicus)種子的萌發[22]。研究發現，恒溫和變溫處理對田旋花種子的影響相當，如10℃和15℃/5℃條件下，阿拉爾市田旋花種子的發芽率分別為41%和39%，差異不顯著，說明溫度的變化不是影響田旋花種子萌發的主要因素，而溫度的高低才是決定田旋花種子萌發的關鍵環境因子。

阿拉爾市和新和縣田旋花種子的發芽率均隨著水勢的降低而逐漸降低，當水勢達-1.0 MPa時，只有少量的田旋花種子能萌發，這一結果與付咪咪等[27]研究的干旱脅迫對黃秋葵(Abelmoschusesculentus)種子萌發的影響結果相似。雖然土壤含水量是影響種子發芽和幼苗萌發的重要因素之一，但是，由于農田灌溉或降雨，干旱脅迫通常不能成為限制農作物生長的限制因素，同時，也不能成為農田雜草發生危害的限制因子。

國外研究報道表明，種子萌發所需的土壤酸堿度范圍較寬，在土壤pH值為4～10時，許多雜草種子都可以萌發[28-30]。新疆土壤鹽漬化較為嚴重，農田土壤的pH值一般在8～9，但此酸堿范圍內田旋花種子均可以萌發，土壤pH不是農田系統中雜草種子萌發的一個限制因素。

4 結 論

室內模擬實驗條件下，阿拉爾市、新和縣田旋花種子在5～50℃恒溫條件下均可萌發，且在30～40℃范圍內達到最大發芽率；種子在15℃/5℃～45℃/35℃的變溫條件下均可發芽，且當溫度為40℃/30℃時發芽率最高。鹽堿脅迫可降低田旋花種子的發芽率，當NaCl濃度大于300 mmol/L或NaHCO3濃度大于250 mmol/L時，兩個縣市的田旋花種子不能萌發；同時，田旋花種子的萌發受水勢的影響較大，當水勢達-0.6 MPa時，新和縣田旋花種子已不能萌發，當水勢達到-1.0 MPa時，阿拉爾市田旋花種子的萌發率僅為2%；pH值5～10，兩個縣市的田旋花種子均能正常萌發。溫度、鹽堿和水勢均是影響新疆不同地區田旋花種子萌發的關鍵環境因素，而農田生態系統中，干旱脅迫和pH不是限制田旋花萌發的主要因素。