古尔班通古特沙漠钠猪毛菜种子异型性及其萌发行为研究

王梦茹,魏岩

(新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆草地资源与生态重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

植物生活史中，种子萌发阶段对环境的抵抗力最弱，不利于种子萌发的因素如环境胁迫、机械伤害和病虫害等会减少新个体的产生和补充，从而影响种群的稳定性[1]。种子萌发的研究内容包括种子萌发的必需条件、对不同的非生物压力的耐受性极限，因此研究种子萌发是解释植物物种分布的必要条件[2-3]。

荒漠地区干旱少雨、温度、湿度和降水的时间变异率大，空间分布的异质性程度高，蒸发强烈，并伴随有土壤盐碱化。这种严酷多变的生境条件对植物的生长、生存极为不利[4]。荒漠植物在严酷的生境下演化出了与之相适应的种子萌发对策来确保种子在适宜的时间和空间下萌发[5]。种子多型性是植物为了适应严酷和不可预测的环境，产生两种或两种以上可以在不同环境条件下萌发的种子[3,6-7]，其表现在不同类型的果实(种子)常在形状、大小、颜色、外部结构等形态学特征以及散布、休眠、萌发、幼苗生长等生态行为具多种形态或形式[8-9]。种子异型性降低单次萌发的风险，提高幼苗的存活率，确保了种群成功建立和顺利繁殖[9]。种子能否萌发、产生幼苗、成功建群，受到生态环境条件(水分、温度、光照、氧气、土壤盐分、土壤酸碱度、化学物质等)的综合影响，不同植物种子的萌发特性和对环境因子的响应存在差异[10]。

猪毛菜属(Salsosa)植物在新疆有近20种，主要分布在干旱戈壁荒漠和沙漠，为旱生或旱中生盐生植物。已报道分布于准噶尔荒漠的紫翅猪毛菜(Salsolaaffinis)[11]、无翅猪毛菜(Salsolakomarovii)[12]、散枝猪毛菜(Salsolabrachiata)[13]和褐翅猪毛菜(Salsolakorshinskyi)[14]具有种子异型性。钠猪毛菜(Salsolanitraria)为一年生草本,在中国仅分布在新疆北部，主要分布于200～960 m的平原荒漠、轻度盐碱地和丘间沙地。作者通过野外调查和实验室观察统计发现钠猪毛菜植株具有3种形态的种子，表明钠猪毛菜具有种子多型性。

本研究在野外采集标本鉴定的基础上,在实验室对种子形态进行对比，并对不同形态的种子进行萌发实验，以研究钠猪毛菜种子的形态差异和萌发特性，研究种子形态与萌发差异性的关系，为揭示其异型种子的萌发对策提供理论依据，并为新疆荒漠生态系统建设提供基础资料。

1 材料与方法

1.1 实验材料及研究区概况

实验材料为钠猪毛菜，一年生草本。采集于新疆准噶尔盆地南缘阜康沙漠(E 87°40′26″，N 43°48′44″)，属温带干旱荒漠，是新疆北部典型的沙漠生态系统。年降水量为 70～150 mm；冬季有积雪，春季和初夏降水。研究区的植被类型是以天然梭梭(Haloxylonammodendron)为主的灌木，以及地表零星分布的草本。

1.2 种子形态特征

将采集的成熟钠猪毛菜植株在通风的室内风干并收集种子，置于纸袋中，储藏于室温条件下。通过观察发现钠猪毛菜产生3种颜色、大小及散布单位不同的种子，随机选取不同类型种子若干粒，用万分之一天平测量种子的质量，100粒×10组的平均值为百粒重(±标准误差)，用体视显微镜Nikon SMZ1000和NIS Viewer测量单粒种子的直径，记录平均半径(±标准误差)。

1.3 种子的萌发特性

不同形态种子的萌发 随机选取钠猪毛菜种子若干，将种子置于直径为90 mm、垫有2层滤纸的培养皿中，每个处理加入2 mL蒸馏水，分别置于5 ℃/15 ℃、10 ℃/20 ℃、 15 ℃/25 ℃、 20 ℃/30 ℃、 25 ℃/35 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培养箱中进行种子萌发试验(每组25粒，4个重复)。根据数据结果选出钠猪毛菜种子萌发的最适温度。持续观察14 d。种子的胚根突破种皮即为种子萌发。每隔24 h观察种子的萌发情况，并记录种子初始萌发时间、每日种子的萌发数，以及TG50，即每个处理的萌发率达到50%时的萌发天数。

萌发率=已萌发的种子数/总的种子数×100%

根据萌发实验发现A型种子的萌发率高、萌发速度快，不休眠，而B、C型种子萌发率低，存在休眠。为弄清A型种子对盐分的响应及B、C型种子的休眠类型，进行如下实验：

1.3.1盐分和苞片对A型种子萌发的影响 1)A型种子对盐分的响应：种子萌发试验选用的NaCl溶液的浓度分别为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，将种子分别置于不同浓度的盐分条件下萌发，每个处理加入2 mL不同浓度盐溶液，持续观察14 d。14 d后将未萌发的种子用蒸馏水冲洗干净后分别放入培养皿中，加入蒸馏水进行复水萌发，持续观察7 d，记录钠猪毛菜种子在不同盐分条件下的萌发率，复水后的恢复萌发率及总萌发率。

恢复萌发率=(复水后萌发的种子数/总的种子数-盐溶液中萌发的种子数)×100%

总萌发率=(盐溶液中萌发的种子数+复水后萌发的种子数/总的种子数)×100%

2)散布结构对A型种子萌发的影响：将种子设两个处理：a.带苞片的种子；b.剥除苞片的种子(裸种子)。分别将两种处理置于15 ℃/25 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培养箱中进行种子萌发。

3)种子吸胀实验：分别将带苞片的种子和裸种子两种处理置于15 ℃/25 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培养箱中进行种子吸胀萌发，每个处理加入2 mL蒸馏水，每1 h测量各处理下的种子的质量直至吸胀稳定，记录初始萌发时间。

1.3.2B、C型种子的萌发与打破休眠 1)低温层积处理：将休眠的B型和C型种子、放入用蒸馏水洗净的河沙(沙土湿度为11%)中，置于塑料盒内，封好后贮藏在4～5 ℃冰箱中。沙藏时间分别为0(对照)，4，8，12周。沙藏结束时，将种子用蒸馏水进行清洗，然后转移至培养皿中，置于15 ℃/25 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培养箱中萌发。

2)划破种皮：用解剖刀小心地将果皮和种皮划破，置于15 ℃/25 ℃(光/暗=12 h/12 h)光照培养箱中萌发。

1.4 数据统计与分析

用Excel软件对数据进行初步统计处理并进行正态性检验，数据不符合正态分布时，对其进行反正弦转化，使用SPSS 19.0软件对数据进行单因素(One-way ANOVA)方差分析，设定显著水平为0.05，采用Excel软件制图表。

2 结果与分析

2.1 种子形态

钠猪毛菜果实为胞果，具膜质翅，产生3种种子，所占比例为A∶B∶C=1.5∶1.5∶7.0；3种种子形态差异显著(表1)。

表1 钠猪毛菜的种子类型及特征 Table 1 Types and characteristics of S. nitraria

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。

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

2.2 种子对温度的响应

图1 钠猪毛菜3种类型种子在不同温度下的累积萌发率Fig.1 Cumulative germination percentages of Type A， Type B and Type C seeds of S. nitraria at different temperature 不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。Different letters indicate significant differences at P<0.05 level. The same below.

钠猪毛菜3种类型种子的萌发存在显著差异(图1)。A型种子适宜萌发的温度范围较广，在5种温度条件下的萌发率均大于90%，15 ℃/25 ℃、20 ℃/30 ℃、25 ℃/35 ℃条件下萌发率均可达到100%(图2)，并且A型种子在15 ℃/25 ℃条件下萌发速率最快，8～10 d全部萌发完毕；B型种子在最适温度下(15 ℃/25 ℃)的萌发率为56.7%，在其他4种温度下的萌发率低于50%；C型种子在5种温度下的萌发率均低于5.3%，B、C型种子存在休眠。

2.3 A型种子对盐分的响应

A型种子在不同盐分条件下持续萌发14 d后，其萌发率如图4，种子的萌发率随盐分的升高而降低，当盐浓度达到1.4 mol·L-1时，种子仍可萌发，萌发率为2%。与0 mol·L-1(CK)相比，A型种子在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)条件下萌发差异不显著；在0.4 mol·L-1(62%，P=0.001),0.6 mol·L-1(54%，P=0.001)条件下萌发差异显著；当浓度达到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)时差异极显著，盐浓度为2.0和4.0 mol·L-1种子不萌发。

图2 钠猪毛菜A型种子在不同变温下的累积萌发率Fig.2 Cumulative germination percentages of Type A seeds of S. nitraria at different temperature

图3 钠猪毛菜A型种子在不同变温条件下的TG50Fig.3 Effects of different temperature on TG50 of Type A seeds of S. nitraria

将钠猪毛菜A型种子在溶液中萌发14 d后，转至蒸馏水中继续萌发，其恢复萌发率如表2，0.05～0.40 mol·L-1恢复萌发率随盐浓度呈递增趋势，当盐浓度达到0.60 mol·L-1时恢复萌发率有所降低；A型种子的总萌发率随盐溶液浓度的升高而降低，萌发速率也随之降低；0.05～1.00 mol·L-1，A型种子的恢复萌发比率均大于50%，1.2～4.0 mol·L-1，A型种子的恢复萌发比率均小于50%。

2.4 散布结构对A型种子萌发的影响

两种不同处理下种子的萌发情况如图5，带苞片的种子与裸种子的萌发率存在显著差异(F=205.44，P<0.001)，带苞片种子14 d后萌发率为56%，裸种子的萌发率为100%。

吸胀试验结果表明(图6)，裸种子在吸水1 h后胚根出现，此时质量为初始重量的1.71倍，带苞片的种子吸水8 h后开始萌发，质量为初始重量的2.08倍。

2.5 B、C型种子的萌发与打破休眠

图4 钠猪毛菜A型种子在不同浓度NaCl溶液下的累积萌发率Fig.4 Cumulative germination percentages of Type A seeds of S. nitraria at different saline solution

萌发实验表明，钠猪毛菜的B型种子和C型种子萌发率低于A型种子，其中红色B型种子在15 ℃/25 ℃条件下萌发率为56.7%，为非深度休眠；而黄色C型种子在15 ℃/25 ℃条件下萌发率仅为5.3%，为深度生理休眠。

本实验采用低温层积处理打破休眠。B型种子层积4周后，萌发率为93.6%，证明低温层积处理可以有效打破B型种子的休眠；层积12周后萌发率为12.0%，与无处理种子差异不显著(F=1.33，P=0.330)，低温层积处理对于打破C型种子休眠的效果不显著；划破种皮可以有效打破C型种子休眠，萌发率为66.7%，与低温层积处理对比差异显著(F=26.445，P<0.001)(图7)。

表2 钠猪毛菜A型种子在不同浓度NaCl溶液中的萌发率、复水后的恢复萌发率和最终萌发率 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：每个处理的萌发率达到50%时的萌发天数Germination days when the germination rate of each treatment reached 50%.

图5 钠猪毛菜A型种子在不同处理下的累积萌发率Fig.5 Accumulative germination percentage of Type A of S. nitraria seeds at different treatments

图6 苞片对钠猪毛菜A型种子吸水与萌发的影响Fig.6 Influence of the presence or absence of bracts on imbibition and germination of Type A of S. nitraria

3 讨论

图7 钠猪毛菜B、C型种子在不同处理下的累积萌发率Fig.7 Accumulative germination percentage of Type B and Type C of S. nitraria seeds at different treatments

种子萌发是植物生活史的关键阶段，萌发的时间和空间决定了植株个体存活和种群动态，在适宜的环境中，植物在种子萌发阶段完善其生理机能并适应波动变化的环境，可避开不可预测的环境对幼苗的损伤。新疆具有丰富的盐生植物资源，其中很多藜科植物具有种子异型性，例如滨藜属(Atriplex)[16]、鞑靼滨藜(Atriplextatarica)[17]、盐角草属(Salicornia)[18-19]、藜属(Chenopodium)[20]、猪毛菜属等。猪毛菜属植物普遍具有种子异型性，例如紫翅猪毛菜[11-12]、褐翅猪毛菜[14]、散枝猪毛菜[13]、无翅猪毛菜[15]。

本实验中，钠猪毛菜同一植株可产生3种类型的种子，其形态、萌发特性存在差异。绿色A型种子萌发，红色B型和黄色C型种子休眠。根据Baskin等[21]的种子休眠分类系统，B型种子为非深度生理休眠，C型种子为深度生理休眠。猪毛菜属Salsolavolkensii[22]、紫翅猪毛菜[12]，同样具有绿色种子萌发而黄色种子休眠的现象。

具有易传播的散布体结构的种子，通常它的萌发率较高且很少休眠，但是这种种子其幼苗的存活率低；与之相反，传播能力低的种子具有休眠现象，幼苗更具存活的机会。本实验中，钠猪毛菜A、B型果实具有翅，其传播距离远，可以散布到更适宜的环境中或者更为恶劣的环境下，这种散布机制称为“冒险型传播策略”，而C型果实没有翅，成熟后掉落在母株附近，称为“保护型传播策略”。植物的集合繁殖体包含不同萌发能力的种子，保证每个时期只有一到两种类型可以萌发，避免了种内竞争[5]。

部分荒漠植物为能够成功繁殖，采取了多种萌发策略，在环境良好的年份，种子萌发，成熟并且繁殖后代，而环境恶劣的年份，若种子萌发，幼苗存活率低，种子选择休眠。本实验中，钠猪毛菜的褐色A型种子，在适宜的环境中种子迅速萌发，是机会主义萌发策略；红色B型种子表现为浅度休眠，降水充足的条件下，一部分种子萌发，其余的种子形成种子库，属于下注萌发策略；黄色C型种子在适宜的条件下仅有少部分种子萌发，绝大部分种子在母株周围形成地下种子库，为谨慎萌发策略。同一植株的种子在形态和生理上的变异使得种子的萌发、传播和幼苗定居达到最佳，减少了同胞子代之间的竞争，减少了适合度的时空变异，使植物在高度不稳定的环境中具有优势[9]。作为有性繁殖的策略，钠猪毛菜种子多型性这一特性使其在高度不稳定的环境中具有竞争优势，减少了时空变化对物种成功繁育的影响，因此，钠猪毛菜可以在古尔班通古特沙漠成功定居。

温度的变化影响种子萌发进程，例如细胞的代谢、细胞膜的渗透性、膜结合蛋白酶的活性。低温条件下，种子代谢缓慢，萌发受到抑制，当温度逐渐升高，萌发率随之升高；但高温导致种子酶发生变形，萌发率降低[4]。荒漠地区温度波动大，以至于荒漠植物种子可萌发的温度范围较广，但不同物种有不同的最适萌发温度，白梭梭(Haloxylonpersicum)的最适温度为25 ℃/15 ℃[23]，野榆钱菠菜(Atriplexaucheri)为5 ℃/25 ℃[24]，驼绒藜(Ceratoideslatens)为25 ℃/35 ℃和20 ℃/30 ℃[25]。在本试验中，A型种子的萌发温度范围广，5种变温条件下均可萌发且萌发率大于90%，最适萌发温度为15 ℃/25 ℃。材料采集地4月气温逐渐回升，月均温为12.1 ℃，钠猪毛菜的萌发策略可保证A型种子在环境适宜时可大量萌发并且具有较高的幼苗存活率。在荒漠地区的早春，昼夜温差大，不同年份温度波动大[2]，B、C型种子的休眠特性，保证在环境突变时延缓萌发，降低风险。

具有多型性种子的植物一般出现在干旱、沙漠、盐渍土地区和扰动强烈的地区,一般为旱生、盐生植物[26]。通常藜科植物在无盐条件下萌发能力最大，但是一定的盐分可以促进盐生植物的生长。相关研究发现钠猪毛菜，耐盐临界值达0.577 mol·L-1[27]。古尔班通古特沙漠风沙土中养分偏低,盐碱性较弱,全盐含量均值<0.16%[28]。钠猪毛菜种子具有极强的耐盐性,因此在自然界中,钠猪毛菜能够在平原荒漠、丘间沙地以及轻度盐碱地上分布。本实验中，钠猪毛菜种子在NaCl溶液浓度为2.0和4.0 mol·L-1时萌发率为0，高浓度的盐降低了种子的水合作用，由于渗透作用抑制了种子的萌发以及根的生长。将其转移至蒸馏水中恢复萌发，钠猪毛菜种子在萌发时具有高盐诱导休眠现象。荒漠环境中，随着气温的升高，土壤蒸发量逐渐增大，而降水量远低于蒸发量，使得土壤盐分累积，钠猪毛菜种子在高盐浓度的环境下休眠，次年春季，采集地开始降水，稀释土壤盐分，种子恢复萌发。

植物的苞片有助于种子在风或水中的传播，同时也可以控制种子的萌发时间[29]。如果植物的种子在同一时间萌发，植物幼苗生长期一旦发生旱涝或者土壤盐浓度增加，种群将面临灭绝的危险。相关研究发现无翅猪毛菜的花被片含有脱落酸，抑制种子的萌发,去除花被片后种子萌发[15]；戟叶滨藜(Atriplexprostrata)种子具有暂时苞片，秋冬低温条件下，暂时苞片抑制了种子的萌发，春季苞片脱落，抑制解除[30]。本实验中，具有苞片的A型种子在有苞片包被的情况下萌发率为56%，存在萌发抑制，去除苞片的种子，萌发率为100%。同样的，古尔班通古特沙漠的褐翅猪毛菜A型种子不去翅处理下的萌发率为61.8%，去翅后萌发率为84.5%[14]。由于该地区冬季温度低，不利于幼苗的生长，钠猪毛菜的苞片促使种子在冬季维持休眠，当环境适宜时，抑制解除，种子开始萌发，与无苞片种子相比，苞片是胚根突破生长的屏障，阻碍了胚进行水分的吸收，从而抑制或延缓种子的萌发。

4 结论

钠猪毛菜的异型种子萌发具有不整齐性。A型种子萌发温度范围广，在15 ℃/25 ℃温度周期中快速萌发，并且具有极强的耐盐性，苞片延缓种子的萌发；B、C型种子具有不同的休眠类型，低温层积可有效地打破B型种子的休眠，C型种子通过划破种皮打破休眠。这种萌发策略反映了该种植物对荒漠突变环境的适应性表现，保证幼苗的存活率和种群的稳定性。