环境因素对新疆不同地区田旋花种子萌发的影响

王 颖，王 兰，马 艳，马小艳，

(1.塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300；2.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物学国家重点实验室，河南安阳455000)

0 引 言

1 材料与方法

1.1 材 料

田旋花种子于2017年采自新疆阿克苏地区阿拉尔市塔里木大学校园内(40.55° N，81.30° E，海拔1 100 m)和新和县塔什艾日克乡(41.55° N，82.61° E，海拔1 000 m)。将采集的田旋花种子自然风干后，置于纸袋中，室温干燥保存。

由于田旋花种子具有因种皮透性导致的物理休眠，试验前需对种子进行解除休眠的处理。试验采用砂纸打磨的方式解除杂草种子休眠[11]，进行发芽预试验，即挑选100粒成熟度好、大小一致的种子，置于垫有双层滤纸的玻璃培养皿(直径90 mm)中，加蒸馏水4 mL，每皿25粒种子，4次重复。除非另有说明(不同恒温和变温处理)，所有处理的培养皿均置于智能光照培养箱中培养(35℃/25℃，光照和黑暗比14∶10 h，湿度65±5%)[12]，每天记录发芽率，至达到最高发芽率的时间。以胚根露出种皮1 mm记为发芽种子。培养10 d后，阿拉尔市和新和县的田旋花种子发芽率分别为90.0%和60.5%，经砂纸打磨处理后绝大多数田旋花种子已解除休眠，可继续进行环境因子对种子萌发影响的试验。

1.2 方 法

1.2.1 温度

设置5、10、15、20、25、30、35、40、45和50℃10个恒温处理，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个变温处理，置于智能光照培养箱中培养，每天统计发芽种子的数量，共调查14 d。

1.2.2 盐浓度

设置0、12.5、25、50、100、150、200、250和300 mM 9个NaCl溶液浓度和0、12.5、25、50、100、150、200和250 mM 8个NaHCO3溶液浓度，置于智能光照培养箱中培养，每天统计发芽种子的数量，共调查14 d。

1.2.3 水势

用聚乙二醇(PEG)6000配置不同渗透势的水溶液，分别将0、112.6、169.8、214.1、251.5和284.5 g PEG6000溶解到1 L的蒸馏水中，配制成渗透势分别为0、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0的溶液，置于智能光照培养箱中培养，每天统计发芽种子的数量，共调查14 d。

1.2.4 pH

按照Chauhan & Johnson[13]所述的方法制备pH 5～10的缓冲溶液，具体为：2 mM的吗啉乙磺酸溶液，用1 mol/L的盐酸或氢氧化钠调节至pH为5和6；2 mM的N-(2-羟乙基)哌嗪-N'-2-乙烷磺酸溶液，用1 mol/L的氢氧化钠调节至pH为7和8；2 mM的三(羟甲基)甲基甘氨酸溶液，用1 mol/L的氢氧化钠调节至pH为9和10；用去离子水(pH 6.8)作为空白对照。置于智能光照培养箱中培养，每天统计发芽种子的数量，共调查14 d。

1.3 数据处理

所有的发芽试验均重复进行两次。经方差分析，两次试验的结果差异不显著，因此，在进一步分析之前将两组数据进行合并。利用SPSS 13.0统计软件对数据进行方差分析，并使用最小显著差数法(LSD)进行差异显著性分析，检验不同处理对田旋花种子萌发影响的差异性。

种子发芽率(%)计算公式为：发芽率=发芽种子数/总种子数×100%。

种子发芽速率(种子数/d)计算公式为：

其中Si是第i天发芽种子的数量，Di是培养天数。

利用非线性回归分析评估水势或盐碱度胁迫对萌发的影响，数据符合S型曲线模型[14]。具体为：G=Gmax/{1+exp[-(x-x50)/Grate]}，其中，G表示不同水势、盐碱度(x)条件下的发芽率，Gmax是理论最大发芽率(%)，x50是抑制中浓度，Grate表示斜率。

用判定系数(r2)判断非线性回归曲线拟合程度。所有检验过程都是双尾检验，显著性水平在P=0.05，数据表示为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 恒温对种子萌发的影响

研究表明，温度显著影响田旋花种子的萌发(P<0.05)，在5～50℃，随着温度的升高，阿拉尔市和新和县的种子发芽率均表现为先升高后降低。田旋花种子具有较强的耐低温能力，5℃条件下两个县市的种子均能发芽，发芽率分别为52%和14%；当温度上升到20～40℃时，阿拉尔市的种子发芽率达到了最大值，且20、25、30、35和40℃条件下的发芽率无显著差异；新和县的种子在温度上升到30～40℃时发芽率达到了最大值；当温度继续上升到45～50℃时，两个县市种子的发芽率均降低，仅为6%～16%，且随着培养时间的延长，高温导致多数已发芽种子腐烂。相同温度条件下，阿拉尔市田旋花种子的发芽率高于新和县种子的发芽率。图1

温度不仅影响田旋花种子的发芽率，而且影响种子的发芽速率。当温度从5℃上升到35℃时，两个县市的发芽速率从4.9～7.8种子数/d上升到57.8～74.0种子数/d，即高温可以促进种子的萌发，但是，当温度继续升高时，与35℃条件下相比，40℃条件下种子的发芽速率略有降低，当温度继续上升到50℃时，两个县市的发芽速率明显降低，仅为4.5～7.5种子数/d，过高的温度会导致田旋花种子萌发延迟。图1

注：柱形图：发芽率；折线图：发芽速率。下同

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

图1 恒温下不同地区田旋花种子萌发变化
Fig. 1 Effects of constant temperature on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.2 变温对种子萌发的影响

研究表明，两个县市田旋花种子在15℃/5℃～45℃/35℃的变温条件下均可发芽，且随着温度的逐渐升高，发芽率表现为先升高后降低的凸型变化趋势，温度为40℃/30℃时发芽率达到最大值。在15℃/5℃、20℃/10℃、25℃/15℃、30℃/20℃、35℃/25℃、40℃/30℃和45℃/35℃条件下，阿拉尔市种子的发芽率无显著差异，达到91%以上，然而种子的发芽速率随着温度的升高逐渐增加，当温度为15℃/5℃时，种子发芽速率26.2种子数/d，当温度达40℃/30℃时，发芽速率最高，达78.1种子数/d；当温度进一步升高时，发芽速率略有降低；当温度继续上升到55℃/45℃时，田旋花种子仍可萌发，但高温可导致种子腐烂，不能正常生长，且种子发芽速率仅为17.3种子数/d。新和县田旋花种子的发芽率和发芽速率随温度的升高表现出相同的变化趋势，均在40℃/30℃时达到峰值。图2

图2 变温下不同地区田旋花种子萌发变化
Fig. 2 Effects of alternating temperature on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.3 盐碱度对种子萌发的影响

研究表明，当NaCl浓度为12.5 mmol/L时，阿拉尔市和新和县种子发芽率分别为75%和70%，随着NaCl浓度的增加，两个县市田旋花种子的发芽率降低，当NaCl浓度增加到250 mmol/L时，种子发芽率明显降低，仅为5%～19%，当NaCl浓度大于300 mmol/L时，两个县市的田旋花种子不萌发；当NaHCO3浓度为12.5 mmol/L时，阿拉尔市和新和县种子发芽率为50%和56%，随着NaHCO3浓度的增加，两个县市田旋花种子的发芽率降低，当NaHCO3浓度分别增加到200 mmol/L时，种子发芽率明显降低仅为1%～7%，当NaHCO3浓度大于250 mmol/L时，两个县市田旋花种子不萌发。

根据S型曲线模型可知，NaCl对阿拉尔市和新和县的田旋花种子萌发的抑制中浓度(50%的种子萌发被抑制所需的浓度)分别为212.8和115.8 mmol/L，而NaHCO3对两个县市的田旋花种子萌发抑制中浓度分别为132.5和66.86 mmol/L。图3

2.4 水势对种子萌发的影响

研究表明，随着水势的降低，田旋花种子的发芽率逐渐降低。当水势为0 MPa时，阿拉尔市和新和县种子发芽率分别为84%和51%。随着水势的降低，田旋花种子的发芽率逐渐降低，当水势达到-0.4 MPa时，新和县种子的发芽率明显降低，仅为15%，当水势达-0.6 MPa时，新和县种子不能发芽；然而当水势达到-1.0 MPa时，阿拉尔市的田旋花种子仍有少量可以发芽，但发芽率仅为2%。

根据S型曲线模型可知，不同地区的田旋花种子对干旱胁迫的耐受程度不同，50%的种子萌发被抑制所需的水势，阿拉尔市为-0.49 MPa，而新和县为-0.27 MPa，上述结果表明，阿拉尔市的田旋花种子对干旱胁迫的耐受性更强，这可能与种子采集地的土壤含水量有关。位于沙漠绿洲腹地的新和县，水资源较为丰富，年均降水量约70～140 mm，且田旋花种子采自可灌溉的农田系统，而位于沙漠边缘的阿拉尔市年均降水量仅40～80 mm，而年均蒸发量却高达1 800～2 500 mm，种子采自仅依靠天然降水的荒地，因此，阿拉尔市的田旋花种群所面临的干旱风险远高于新和县的种群，导致阿拉尔市的田旋花种子对土壤干旱的耐受性更强。图4

注：三角：阿拉尔；方形：新和。下同

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

图3 不同NaCl或NaHCO3浓度下不同地区田旋花种子发芽率变化
Fig. 3 Effects of NaCl or NaHCO3on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

图4 不同水势下不同地区田旋花种子发芽率变化
Fig. 4 Effects of water potential on seed germination of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) in different areas

2.5 pH值对种子萌发的影响

研究表明，在pH值5～10，两个县市的田旋花种子均能正常萌发，但酸性(pH 5和6)和中性(pH 7)环境有利于田旋花种子发芽，碱性条件下(pH 8～10)田旋花种子发芽率略有降低。当pH值为5时，阿拉尔市和新和县种子的发芽率分别为94%和69%，当pH值增加到7时，两个县市的发芽率分别为93%和58%，而当pH值达到8时，阿拉尔市和新和县种子发芽率分别降低为81%和46%。pH值不是限制田旋花种子萌发的主要因素。图5

图5 不同pH值处理下田旋花种子发芽率变化
Fig. 5 Germination percentage of field bindweed (ConvolvulusarvensisL.) with different pH values

3 讨 论

研究表明，田旋花种子萌发受多种环境因素的影响。温度是影响种子萌发的主要因素之一，田旋花种子的发芽温度范围较宽，在5和50℃条件下，种子均可以萌发，且在30～40℃范围内达到最大发芽率。温度不仅影响田旋花种子的发芽率，同时还影响种子的发芽速率，提高温度可以促进种子的萌发，而过高的温度会导致田旋花种子的萌发延迟，这是由于种子在萌发过程中进行着活跃的代谢反应，在一定温度范围内，随温度的升高种子萌发进程加快[15]，但过低和过高的温度会使膜的透性、膜结合的活性和酶变性而影响萌发[16-17]。另外，温度对种子萌发具有最低温、最适温及最高温三基点，其中种子萌发的最适温度与植物的原生境有密切关系[15]。

前人研究表明，对于大多数杂草种子来说，与恒温处理相比，变温条件下更有利于种子的萌发，如龙葵(Solanumnigrum)[18]、东方龙葵(S.ptycanthum)[19]和Myagrumperfoliatum[20]。Thompson等[21]研究发现，仅仅1℃的温度变化就可以促进植物种子的萌发。与变温相比，相对恒定的温度更有利于雀麦(Bromusjaponicus)种子的萌发[22]。研究发现，恒温和变温处理对田旋花种子的影响相当，如10℃和15℃/5℃条件下，阿拉尔市田旋花种子的发芽率分别为41%和39%，差异不显著，说明温度的变化不是影响田旋花种子萌发的主要因素，而温度的高低才是决定田旋花种子萌发的关键环境因子。

阿拉尔市和新和县田旋花种子的发芽率均随着水势的降低而逐渐降低，当水势达-1.0 MPa时，只有少量的田旋花种子能萌发，这一结果与付咪咪等[27]研究的干旱胁迫对黄秋葵(Abelmoschusesculentus)种子萌发的影响结果相似。虽然土壤含水量是影响种子发芽和幼苗萌发的重要因素之一，但是，由于农田灌溉或降雨，干旱胁迫通常不能成为限制农作物生长的限制因素，同时，也不能成为农田杂草发生危害的限制因子。

国外研究报道表明，种子萌发所需的土壤酸碱度范围较宽，在土壤pH值为4～10时，许多杂草种子都可以萌发[28-30]。新疆土壤盐渍化较为严重，农田土壤的pH值一般在8～9，但此酸碱范围内田旋花种子均可以萌发，土壤pH不是农田系统中杂草种子萌发的一个限制因素。

4 结 论

室内模拟实验条件下，阿拉尔市、新和县田旋花种子在5～50℃恒温条件下均可萌发，且在30～40℃范围内达到最大发芽率；种子在15℃/5℃～45℃/35℃的变温条件下均可发芽，且当温度为40℃/30℃时发芽率最高。盐碱胁迫可降低田旋花种子的发芽率，当NaCl浓度大于300 mmol/L或NaHCO3浓度大于250 mmol/L时，两个县市的田旋花种子不能萌发；同时，田旋花种子的萌发受水势的影响较大，当水势达-0.6 MPa时，新和县田旋花种子已不能萌发，当水势达到-1.0 MPa时，阿拉尔市田旋花种子的萌发率仅为2%；pH值5～10，两个县市的田旋花种子均能正常萌发。温度、盐碱和水势均是影响新疆不同地区田旋花种子萌发的关键环境因素，而农田生态系统中，干旱胁迫和pH不是限制田旋花萌发的主要因素。