植物種子萌發行為和子葉功能的資源利用和能量輸出的權衡研究

葛加榮，欒艷新，沙 悅，王 媛，丁 鵬，潘 紅，季曉靜，葛雨祺，欒志慧

種子萌發是高等植物正常生長發育的重要起點，種子能否順利發芽，對植物種群的擴散、占領新的分布區并通過有性繁殖更新種群及延續物種均起著重要作用［1］.植物種子萌發是一個快速和精密的過程，種子萌發調控機制與植物生長有著密不可分的關系.對種子萌發調控機制進行深入研究，不僅可以更加深入地了解植物的適應性和生存策略，也可以為植物種子加工和改良奠定基礎，并為生物學多方位的應用研究提供素材.

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

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

松嫩草地的優勢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、鹽堿化日趨嚴重，本文特選取該生境優勢植物，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象，以不同埋深和不同培養天數的種子萌發行為和子葉生長作為研究內容，探析植物在保持生存的情況下對自身發展進行適應性的調整，實現對有限的資源進行合理分配的過程，為研究種群的生態適應機制提供理論基礎［6］.

1 材料及方法

1.1 實驗材料及處理方式

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透明的塑料杯中，分別進行3種埋深處理，分別是0 cm、0.5 cm、3 cm，每種處理設置3組重復，并放在培養箱內培養，培養箱條件設置為變溫25/15℃，光照/黑暗為12/12 h［7-8］.

待種子萌發的子葉露出土面，分別在種植5 d、15 d、30 d后，將新鮮子葉從實驗沙中拔出，進行子葉的動態形態監測和酶活性監測.

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，最后調節pH為7.0.

隨機取10粒種子并沿種胚中央小心切開，將其中一半放入培養皿中，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，通過稱量和計算得到種子鮮重.用筆在稱量濾紙上標清種子類別，包裹后放入烘箱中在130℃下烘烤40 min停止，重復至少3次，直至數據不再發生變化為止［10］.

1.4 種子發芽

將新鮮的種子在變溫25/15℃，光照/黑暗為12/12 h條件的培養箱中進行培育，用蒸餾水濕潤，記錄每天種子的發芽情況.計算0～30 d的發芽率，對比不同埋深對發芽的影響.

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準加入磷酸鈉緩沖液，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.對照組試管置于暗處，剩余7個試管均放在25℃，光強為4 500 Lux的光照箱內照光15 min立即遮光，終止反應，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.

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，隨后取出迅速轉移到冰中，待其徹底冷卻后，向各管再加入檸檬酸緩沖液.對照管中加入2 mL的3，5-二硝基水楊酸，并于40℃恒溫水浴中保溫15 min，然后向各管加入預熱40℃的1%的淀粉溶液搖勻，繼續放置在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 數據分析

使用Microsoft Excel 2013計算最終發芽率.數據分析采用GraphPad Prism 9處理，結果表示為平均值和標準差（P＜0.05）.

2 結果與分析

2.1 不同埋深對種子萌發行為的影響

羽茅、麻花頭和飛廉種子含水量會影響種子的基礎萌發能力，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，其萌發率相對較低.

土壤埋深是植物生長的一個重要環境因素，不同的埋深條件可能導致植物采取不同的生長策略.種子萌發行為因為埋深不同而不同，結果顯示，當埋深處于0.5 cm時，種子萌發行為較突出，發芽率較高，此時飛廉種子發芽率為50%，在0 cm埋深處理及3 cm埋深處理的發芽率分別為10%和3.3%.羽茅在0.5 cm埋深時的發芽率最高，達93.3%，其發芽率最低的是0 cm埋深處理，為26.7%.而麻花頭比較特殊，在埋深0 cm時發芽率最高，為60%，與0.5 cm埋深的差異不大.

由以上結果可見，種子埋過深或過淺都不利于發芽，埋深過淺種子可能缺乏保護，容易被風干，埋深過深可能阻礙種子吸收營養和水分，使種子遭受過重的壓力，導致發芽失敗.所以只有選擇合適的埋深深度，才能確保種子順利發芽.種子萌發是植物群落演替和更新的基礎，對維持生態系統的穩定性和健康至關重要.理解種子在不同深度的土壤中的萌發行為有助于預測和控制植被的分布和豐度，進一步影響整個生態系統的結構和功能.此外，種子萌發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行為有助于揭示植物如何適應不同的土壤環境.

2.2 不同埋深對幼苗形態指標的影響

在種子萌發成幼苗的初期，子葉發揮著至關重要的作用.檢測子葉的根、莖長度對于評估幼苗的生長狀況、健康狀況、預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出顯著的增長趨勢（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，發現一定的基質壓力對子葉的生長具有積極的促進作用，可以有效地促進子葉根、莖的生長，從而幫助子葉順利破土而出.了解不同埋深對植物子葉根、莖長度的影響，可以為種植者提供科學依據，指導他們合理安排種植深度.

2.3 不同時期不同埋深對子葉功能的影響

子葉可為幼苗提供必要的營養物質，確保幼苗正常生長，子葉還能通過自身的生長促進幼苗的發育，為其提供一個安全、適宜的生長環境.通過對種子淀粉酶活性及SOD酶活力進行測定，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植物生長和發育的重要信息.淀粉酶是植物中負責分解淀粉的酶，其活性水平可以反映植物對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果如圖4、圖5、圖6所示.

圖4 不同埋深不同時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境中，由于氧氣缺乏、濕度增加等環境壓力，導致淀粉酶的活性降低，從而減少了對淀粉的分解和利用.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深層的低氧、高濕環境，是通過提高淀粉酶的活性增加對淀粉的分解和利用，以獲取更多的能量和營養物質.飛廉子葉的淀粉酶活性變化趨勢與羽茅相近.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.這一結果進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育.

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

表1 不同埋深不同時期羽茅子葉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酶活力受時間和埋深的影響極為顯著.飛廉子葉的SOD酶活力在不同時期也有顯著的變化，但與埋深的關系不大.

此外，幼苗的根、莖長度與淀粉酶活性大小之間存在反比關系.即初期的種子萌發行為越強，子葉的淀粉酶活性越弱.以上變化趨勢提示，隨著萌發的進行，子葉開始生長，需要更多的能量和營養物質支持其發育.如果淀粉酶活性過高，會導致淀粉過度降解，產生的葡萄糖過多，這可能會對子葉的生長產生負面影響.因此，子葉可能通過調節淀粉酶活性來平衡能量和營養物質的供應，以滿足自身生長的需求.這種平衡機制對于種子的正常萌發和幼苗的生長具有重要意義.

3 結論與討論

種子需要吸收和利用有限的資源，例如水分、養分和能量，以完成萌發并成長為健康的植物［13］.在種子萌發的過程中，子葉中的養分和能量被用于支持種子的生長和發育.因此，在資源有限的情況下，種子萌發和幼苗生長之間存在一種資源競爭的關系.在這種情況下，如何合理地分配資源成為一個重要的問題.種子和子葉之間的資源分配可能會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，子葉中的水分可能會被更多地用于支持種子的生長.此外，種子的萌發和子葉的功能之間也存在相互作用.子葉中的養分和能量不僅被用于支持種子的生長，同時也對種子的萌發過程產生影響.

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象，設置不同生境如設置埋深為0 cm、0.5 cm、3 cm條件下，分別監測不同發育時期種子、子葉和幼苗的形態和生理指標，監測酶活性的變化，探討相關植物如何通過合理的資源管理來提高種子的萌發率和植物的生長質量.結果發現，一定的基質壓力可促進種子萌發，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系：種子萌發行為越強，對應子葉的淀粉酶活性越弱.淀粉酶活性反應植物體內能量代謝的水平，這一結果表明，在有限的資源條件下，植物種子的萌發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衡關系，即子葉通過調節淀粉酶活性來平衡能量和營養物質的供應，以滿足自身生長的需求.

資源的權衡涉及到植物如何根據環境條件和自身需求在能量供應上進行優化和平衡.子葉作為種子內儲存養分的器官，對于調節資源的分配和供應起著關鍵作用.該結論強調了子葉通過調節淀粉酶活性來平衡能量和營養物質的供應，從而滿足自身生長的需求.這種調控機制可能涉及多種因素，如環境信號、激素調節和基因表達等，這需要進一步研究來深入了解其背后的機制和影響因素.該結論不僅增加了對子葉功能的理解，而且提供了研究資源權衡過程的新視角，同時具有一定的實際應用價值.了解子葉如何通過調節淀粉酶活性來平衡能量和營養物質的供應，可以更好地理解植物的生長規律和應對環境變化的能力，為通過改進種子處理、調整種植條件、開發新型肥料，提高作物的生長和產量等農業生產的優化提供依據.此外，通過監測植物各階段幼苗形態及生理學指標，分析不同種子萌發和子葉生長的相關性，有助于認識和闡明物種進化及其生態適應，對于預測植物的發芽和出土、全球變暖對植物生長發育及分布的影響、認識野生植物資源利用策略等均具有理論指導意義和生產實踐價值.