牛心朴子种子萌发特性及对干旱胁迫的响应

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院/农业部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室/草地资源教育部重点实验室， 呼和浩特 010010)

牛心朴子(Cynanchumhancockianum(Maxim.) Al. Iljinski.)是萝摩纲萝摩科鹅绒藤属(CynanchumL.)的半灌木，地理分布较广，常出现在我国北方地区。虽然在草地里是以毒草的身份出现(在草地遭遇灾害时争夺优良草种的生存空间和条件，且对家畜有毒害作用)，但研究表明，牛心朴子具有杀虫活性，抗植物病毒活性，具有抑菌、除草、降风固沙作用，可作为优良蜜源和饲草；医用研究表明，牛心朴子具有镇痛、抗炎、抗菌、抗肿瘤，提高免疫能力，止咳平喘等多种作用[1]。牛心朴子除含有一些无机元素外，还含有生物碱、黄酮醇类、糖类、脂肪酸和甾醇类等[2]。在形态及生理上表现为根系非常发达，繁殖系数高，生命力强，具有耐干旱、高温、强光等特点[3]。由于是适应沙化环境而保存下来的生态型植物，牛心朴子具有极强的荒漠适应能力[1,4]。前人关于牛心朴子主要的研究焦点在提取体内的化学物质使其发挥医疗作用，及在干旱胁迫下植物体内起关键作用的化学物质的研究上，鲜见对牛心朴子种子萌发方向的研究。因此，本试验从种子萌发的角度去研究种子的繁殖更新特性，着重摸清种子在温度、光照、水分环境下的萌发状况，以期为牛心朴子的繁殖提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

2016年9月于呼和浩特市的郊区合创农业开发园区中引种圃收集成熟牛心朴子种子。经清选干净完整的成熟种子放于室温下干燥至恒温后贮藏。种子萌发试验等相关实验于2017年4—5月在内蒙古农业大学草地资源教育部重点实验室等地点进行。

1.2 方 法

1.2.1种子形态特征观察

挑选粒大饱满的牛心朴子种子作为试验材料，观察其基本特征，如颜色、表面纹饰及性状等，并及时拍照记录。随机选取1 000粒种子进行称重，重复3次取其平均即为种子的千粒重。

1.2.2种子休眠特性测定

在25 ℃恒温条件下，种子不做任何处理进行萌发实验。以双层滤纸作为发芽床，用蒸馏水浸湿后放入培养皿中，随后将种子整齐放入，每个培养皿放50粒种子，3次重复。加入保证种子吸胀萌发所需的足够水分，每24 h观察种子发芽、霉烂状况并补充水分。参照《国际种子检验规程》[5]及我国《牧草种子检验规程》[6]，试验以胚根突破种皮作为发芽的标准。直到无种子萌发结束试验，统计发芽种子数量，确定牛心朴子种子休眠状况。

1.2.3恒温条件对种子萌发的影响

牛心朴子种子均不存在休眠现象，发芽率可达100.00%，故将温度设置为恒温10，15，20，25，30，35 ℃共计6个梯度试验(光照条件约为8 000 lx，湿度为66%)，每个处理3次重复，每重复随机数取50粒种子，并同样以双层润湿的滤纸作为发芽床进行发芽试验。发芽开始后，每天记录种子发芽数、霉烂数，直至无新萌发种子出现为止。

1.2.4光照对种子萌发的影响

在筛选出的最适萌发温度条件下进行2个不同光照处理试验。以自然光照为对照组，同时以牛皮纸袋套住培养皿制造黑暗条件。2个处理均以双层润湿的滤纸作为发芽床，每个培养皿数取50粒种子，3次重复。每天记录新发芽的种子数并补充适量的蒸馏水，确保种子正常萌发的水分条件。

1.2.5种子萌发对干旱胁迫的耐性

在最适的温度和光照条件下，使用聚乙二醇溶液(PEG-6000)模拟干旱胁迫环境。 设置0%(ck)，5%(相当于-0.1 MPa水势[7])，10%(相当于-0.2 MPa水势[7])，15%(相当于-0.4 MPa水势[7])，20%(相当于-0.6 MPa水势[7])5个浓度梯度的PEG处理，每个处理选取30粒种子，3次重复。以不同浓度的PEG溶液润湿的双层滤纸作为种子发芽床。播种后将所有培养皿放入人工培养箱中进行发芽试验。每天记录种子发芽数、发霉数，并按照浓度梯度及时补充相应的溶液。

根据种子发芽试验每天记录的数据计算各相关发芽指标，公式如下[8-10]：

发芽率(%)=(n/N)×100%，式中：n为最终达到的正常发芽种子数，N为供试种子总数；

相对发芽率 (%)=(胁迫处理的发芽率/对照的发芽率)×100%；

表3 牛心朴子发芽指标对不同浓度PEG的响应

PEG浓度/%发芽指标发芽率/%相对发芽率/%发芽势/%萌发指数发芽指数萌发胁迫指数萌发抗旱指数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=胚根长度/胚芽长度；

发芽指数=∑Gt/Dt，式中：Gt为在t日内发芽数，Dt为发芽日数；

萌发胁迫指数=胁迫下种子发芽指数/对照种子发芽指数；

萌发抗旱指数=胁迫下种子萌发指数/对照种子萌发指数；

发芽势(%)=(n*/N)×100%，式中：n*为发芽实验初期种子发芽数，N为供试种子数；

种子萌发指数= (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分别为第2，4，6，8天的种子发芽率。

各种相对指标均为干旱胁迫处理与对照的比值。

1.3 数据处理

采用Excel 2016软件对种子发芽数据进行统计，用SAS 9.0软件进行不同处理间的显著性分析。

2 结果与分析

2.1 种子形态特征

牛心朴子种子外果皮有细直纹，种子表面黄褐色，形状扁平且呈长圆形，长约9 mm，宽约6 mm，种毛白色绢质，种子千粒重为(5.455±0.087)g。

2.2 种子萌发最适恒温条件的筛选

从表1可以看出，牛心朴子种子在15～35 ℃范围内均能完成自身的萌发过程，此温度范围可以保证在我国较大部分地区春夏季均可达到种子萌发条件，且可供萌发的时间较长。且牛心朴子种子的最低发芽温度较低，在10 ℃即可发芽。在20 ℃、25 ℃和30 ℃温度条件下，种子的发芽率和发芽势均极显著(p<0.01)高于其他处理，尤其在25 ℃条件下的发芽指数表现极为突出。 而在10 ℃、15 ℃和35 ℃条件下，3个发芽指标均受到不同程度的影响，发芽率和发芽指数虽仍然能达到50%以上，但发芽指数却极显著小于其他3个处理，说明该温度条件下，种子的活力明显受到影响。在10 ℃时，种子的3个指标均呈现出极小值。在该温度下，种子的萌发状况明显受到抑制，仅能保证种子初步的萌发过程，并不能作为牛心朴子的适宜发芽条件。

表1 不同的温度处理对牛心朴子发芽指标的影响

温度/℃发芽指标发芽率/%发芽势/%发芽指数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：同列不同大写字母表示差异极显著(p<0.01)；相同大写字母表示差异极不显著(p>0.01)。 下同。

2.3 光照条件对种子萌发的影响

牛心朴子种子在黑暗和自然光2种光照条件下的萌发状况见表2。从发芽率和发芽势2个指标可以看出，牛心朴子种子在2个光照条件下没有明显差别；但结合发芽指数来看，黑暗条件下的发芽指数极显著低于自然光照下的值。由此可见，无光条件明显影响了种子的活力。

表2 不同光照条件对牛心朴子发芽指标的影响

光照条件发芽指标发芽率%发芽势%发芽指数黑暗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 种子萌发对干旱胁迫的响应

2.4.1干旱对种子萌发指标的影响

如表3所示，对照组的发芽率、发芽势和发芽指数均为最高。当PEG浓度为5%时，种子的发芽率、发芽势和发芽指标明显降低。PEG浓度从5%升到10%时，3个指标的下降程度不明显；其他处理随着PEG溶液浓度的升高，种子的发芽率、相对发芽率、发芽势和发芽势指数3个指标呈极显著下降趋势。当PEG浓度上升至20%时，种子的发芽率仅为4.44%，同时发芽势和发芽指数也明显受到限制。萌发胁迫指数与萌发抗旱指数分别表征了牛心朴子抗旱性在胁迫强度和胁迫时间上的差异。首先从萌发胁迫指数来看，随着PEG浓度的增加，牛心朴子的萌发胁迫指数显示出了明显的下降趋势，尤其在20%PEG下，萌发胁迫指数仅为0.01；在萌发抗旱指数上看，当PEG为5%时指数较ck有明显的增加，而当浓度达到10%以上时，牛心朴子的萌发抗旱指数则呈明显的下降趋势，由此说明适当的干旱可以在抗旱时间上有着一定的延长作用，而超过该浓度抗旱时间就会逐渐下降。可见牛心朴子在面临干旱胁迫时，会表现出较弱的忍耐能力，且所能抵抗的干旱胁迫的最大PEG浓度为20%。因此水分可能会成为制约该种子萌发的关键因子。

2.4.2干旱对种子胚根、胚芽及胚根/胚芽的影响

抗旱的植物几乎都具有根系发达的特征。从图1可以看出，随着PEG溶液浓度升高，牛心朴子的胚根呈先升高后降低的趋势，在5%PEG处理下，胚根的长度达到最大，为79.26 mm，当浓度增加为10%时，胚根长度明显变短，为63.50 mm，已短于对照胚根长(71.84 mm)；由此看出，低胁迫水平(PEG浓度5%)可以促进胚根的伸长，而高胁迫水平则会抑制胚根的伸长；对于胚芽来说，随着PEG浓度的不断升高，胚芽呈逐渐降低的变化趋势，且当浓度由10%升至15%时，牛心朴子的胚芽长降低十分明显，当浓度升至20%时胚芽长为0 mm；表明牛心朴子的胚芽长与PEG浓度呈负相关关系，也即干旱胁迫水平越高，胚芽长则越小。

图1 PEG溶液对胚根、胚芽的影响

如表4所示，除20%浓度的PEG处理外，其他几个浓度处理下，牛心朴子的胚根/胚芽长随着PEG浓度的增大而逐渐增大，且均高于对照组的胚根/胚芽比值(1.45)，说明各个浓度的PEG处理对牛心朴子胚芽的抑制作用较胚根明显。而20%PEG处理，完全抑制了胚芽的生长。

表4 PEG溶液对胚根/胚芽的影响

PEG浓度(%)胚根/胚芽变异系数01.45±0.11a0.0851.70±1.05a0.49101.79±0.21a0.15151.94±0.43a0.19200.00±0.00b0.00

2.5 种子萌发计数时间的确定

从图2可以看出，牛心朴子从种子开始置床到萌发结束共历时8 d。在置种的第2天就有种子完成吸胀而新生胚根，到第3天时发芽22粒种子，发芽率超过70%，在第5天种子全部萌发完毕。因此推荐牛心朴子种子萌发的初次计数时间为置床后第3天，虽然在第5天种子萌发结束，但考虑其他不可控因素的影响，将末次计数时间推迟至置床后的第8天。

图2 牛心朴子种子发芽粒数和累计发芽率随置床时间的变化情况

3 讨 论

种子萌发作为植物生活史的开端，对植物本身的繁殖更新具有十分重要的作用，在种子萌发过程中不仅受自身内部的影响，而且更容易受外界环境条件的影响。温度、水分、光照条件是众多环境因子中起到关键作用的几种因子。不同的温度条件会影响不同植物种子的萌发，适当的温度会诱发种子快速萌发[12]。本试验结果显示，牛心朴子种子在15～35 ℃范围内发芽率较高，且发芽速度也很快。在恒温20 ℃和25 ℃下，牛心朴子种子的发芽率达到100.00%，同时发芽速度也达到最快(98.89%) ；种子的发芽指数反映种子的活力大小，在该温度下，牛心朴子种子的活力明显较其他处理高，即种子活力非常旺盛。而在10 ℃时种子的发芽率仅为6.67%，但也可保证先有少部分的种子开始了萌发过程，在我国北方地区4月初的气温可达到10 ℃左右，已满足小部分牛心朴子种子的萌发温度条件，早于较多数植物萌发时间，这样可以提供牛心朴子更多的繁殖更新的机会和条件。张风娟等[11]研究表明，黄顶菊向河北以南地区具有很强的扩散能力，原因是早春该地区的温度均大于10 ℃。

本试验显示，种子在黑暗和自然光照条件下发芽率等非常高，且发芽速度也很快，但结合上述发芽指数来看，在自然光照条件下种子的活力极显著高于黑暗条件下。而发芽率是评价种子萌发的关键，所以整体上说，光照条件对种子萌发的影响不显著。由此可见，牛心朴子种子在土壤表面和深层均可以很好的萌发，只是在深层土壤中种子的活力相对来说较小，同时在密闭的光照较弱的林下也会有牛心朴子的出现。

在我国北方地区，干旱少雨是制约很多植物生长发育的关键因子。利用聚乙二醇(PEG-6000)溶液模拟干旱环境可以起到方便且容易控制的作用。本试验表明，随着PEG浓度的升高，种子萌发率呈现出逐渐下降的趋势。当PEG浓度升至15%时，种子的发芽率开始降低至50%以下，与对照组呈极显著差异，发芽速度和种子活力同时也受到了很大的影响。种子的萌发胁迫指数和萌发干旱指数表征种子可以忍受干旱胁迫的强度和时间，随着PEG浓度的增加种子萌发胁迫指数会逐渐降低。在5%PEG处理下，牛心朴子的抗旱时间和胚根长均显著大于对照，可见低胁迫水平对种子胚根伸长和种子萌发抗旱时间有一定的促进作用。可能是在一定浓度的干旱胁迫下，为了减弱种子萌发过程中由于渗透作用对细胞膜产生的伤害，种子内部自动启动的自我保护机制，可以加快膜修复进而提高种子发芽率；也有可能是一定浓度范围内的干旱胁迫可以促进种子内部酶的活性，可以加快种子萌发过程中的新陈代谢。由此可见，牛心朴子可以忍受一定程度的干旱胁迫，在我国北方地区容易存活。陈翠云等[3]针对牛心朴子对干旱胁迫下渗透调节机制进行研究，认为可溶性糖中的海藻糖可能起到了主要作用，很好地验证了牛心朴子对干旱胁迫的忍耐能力。

综合来看，牛心朴子适应能力较强，可满足在干旱且寒冷的北方地区早春萌发的自身条件。

4 结 论

牛心朴子种子在15～35 ℃温度范围内均可萌发，且20～30 ℃为种子萌发的最适温度条件；种子对光照的反应差异不显著，在自然光和黑暗条件下均有极高的发芽率和发芽速度；随着PEG浓度的增加，胚芽长以及萌发指标均明显降低，胚根长则先升高再降低，胚根/胚芽呈现明显增大趋势；种子在面临干旱胁迫时有一定的忍耐能力，可抵抗浓度为15%以下的PEG胁迫；种子的初次计数时间为置种后的第3天，末次计数时间为第8天。