射干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)

germination potential

射干(IrisBelancandachinensis(L.) DC.)是鸢尾科(Iridaceae)射干属(BelamcandaAdans)的多年生草本植物，具有重要的观赏价值，也是人们所熟知的中药材，以根状茎入药，具有清热解毒，利咽消痰，散血消肿的作用[1]。射干在生态习性上对温度、光照和干旱等外界环境的适应性极强[2]。

朱金英[3]和崔晓敬[4]等分别对射干的栽培技术进行了详细的总结归纳。而在中草药层面，针对射干治疗哮喘的研究尤为突出[5]。随着射干需求量的增加，野生射干资源呈减少趋势，已不能满足人类需要[6]。前人对射干繁殖更新方面的研究较少，且鲜见对其种子萌发特性方面的研究。在我国北方城市，如内蒙古自治区呼和浩特市，属温带大陆性季风气候，其主要特点是光照充足，且降水少。干旱会导致植物的繁殖更新受到限制，因此本研究一方面要探究射干种子的萌发特性，另一方面要摸清射干种子对干旱的响应，以求解决射干引种驯化中的扩繁问题，且为其繁殖更新提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用种子2017年10月采集于呼和浩特市郊区合创农业开发园区引种圃中的射干植株。在收获及清选后将粒大饱满的种子置室温下干燥贮藏，萌发试验于2018年3—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 试验方法

1.2.1种子形态特征

选取发育良好且成熟饱满的种子置于显微镜下，观察种子颜色、性状及表面纹饰等基本特征，并以拍照记录。试验采用千粒法，随机数取3份1 000粒的供试种子，分别使用精度为万分之一的天平进行称重，取其平均值即为种子的千粒重。

1.2.2种子适宜萌发温度条件的筛选

通过预实验得知，室温干燥贮藏的射干种子几乎不存在休眠。试验在人工培养箱中进行，设置恒温10，15，20，25，30，35 ℃及变温20/30 ℃共6个温度处理，每个处理设置3个重复，每重复随机数取50粒种子，采用纸上发芽方式，以2层润湿的滤纸作为发芽床进行发芽试验。每隔24 h浇适量的水使发芽床保持湿润状态，并记录其发芽数直至无萌发种子出现为止。

参照《国际种子检验规程》[7]及我国《牧草种子检验规程》[8]，将种子新鲜胚根伸出超过种子长度以上视为发芽，以便对种子发芽情况进行统计，每天记录发芽的种子数直至无萌发种子出现为止。

根据发芽试验记录的数据按公式计算各相关发芽指标如下：

发芽率[9]=(n/N)×100%

式中，n为最终达到的正常发芽种子数，N为供试种子数;

发芽指数[9]=∑Gt/Dt

式中，Gt为在t日内发芽数，Dt为发芽日数；

发芽势[9]=(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；

相对发芽率(%)=(胁迫处理的发芽率/对照的发芽率)×100%；

胚根/胚芽=胚根长度/胚芽长度；

萌发胁迫指数[10]=胁迫下种子发芽指数/对照种子发芽指数；

萌发抗旱指数[11]=胁迫下种子萌发指数/对照种子萌发指数；

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。

1.2.3发芽过程中对光的反应

在筛选出最适的发芽温度条件下，于人工培养箱中进行2种光照对比发芽试验。发芽床采用2层湿润滤纸的纸上发芽。光照处理将人工培养箱光强调至33%，黑暗处理为不透光牛皮纸遮于培养皿外侧。每个处理设置3个重复，每重复随机选取50粒种子。每天记录种子发芽数、霉烂数，及时补充水分保持发芽床湿润。测定指标同1.2.2。

表3 不同浓度PEG处理对射干种子萌发指标的影响

PEG浓度/%发芽率/%发芽势/%发芽指数相对发芽率萌发胁迫指数萌发抗旱指数071.11b48.89b2.99b1.00b1.00b1.00a587.78a52.22a3.58a1.23a1.20a0.98b1060.00c44.44c2.84c0.84c0.95c0.85c1525.56d12.22d1.22d0.36d0.41d0.72d202.22e0.00e0.06e0.03e0.02e0.00e

1.2.4发芽对干旱胁迫耐性研究

室温条件下，选取粒大饱满的射干种子，用蒸馏水冲洗干净，采取聚乙二醇溶液(PEG-6000)模拟干旱胁迫，设0%(对照)、5%、10%、15%、20%共5个不同浓度溶液去代替清水培养液，将种子置于垫2层滤纸的发芽床上作为纸上发芽。每处理3个重复，每个重复50粒种子。每天记录种子的发芽及发霉腐烂的种子数，并及时补充培养液。测定指标同1.2.2。

1.3 数据处理

采用Excel 2016软件进行试验数据统计及作图，用SAS 9.0中Duncans检验样本间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 射干种子形态特征

射干种子呈近球形，长约2 mm，宽约0.5 mm，千粒重为(9.099±0.201)g，种皮呈现黑棕色，表面光滑，有光泽。

2.2 种子发芽最适温度的确定

在自然光照的情况下，设置了不同的温度梯度对射干种子进行萌发试验。以发芽率，发芽指数和发芽势作为测定指标。在不同温度条件下，射干种子的发芽率、发芽势和发芽指数3个指标表现显著性差异。由表1可知，恒温10 ℃、30 ℃及35 ℃均不利于射干种子萌发，发芽率最低且与其他温度条件的发芽率存在显著性差异；恒温25 ℃发芽率虽优于上述3个温度处理，但仍显著低于20 ℃和25 ℃恒温条件及20 ℃/30 ℃变温条件下的发芽率，3种温度条件下的发芽率分别高达92.22%、97.78%及94.33%。进一步结合发芽指数指标来看，恒温20 ℃处理显著高于其他温度条件，为3.77，变温20 ℃/30 ℃次之，达3.67。但再结合发芽势看来，恒温25 ℃下的种子发芽势仅为40.00%，显著低于恒温20 ℃。筛选种子最适温度条件时，发芽率可作为首要考虑指标。但综合其发芽率、发芽势和发芽指数3个指标后，最终确定射干种子最适萌发温度为恒温20 ℃。

表1 自然光照条件下，不同温度对射干萌发的影响

温度/℃发芽势/%发芽率/%发芽指数100.00c12.22c0.31d1537.78b92.22a3.09b2064.44a97.78a3.77a2540.00b57.78b1.87c301.11c2.22d0.2d350.00c0.00d0.00d20/3060.56ab94.33a3.67ab

注：表中同列不同字母表示差异显著(p<0.05)。下同。

2.3 光照条件对种子发芽的影响

在筛选出的最适温度条件下进行黑暗条件下的萌发试验，以自然光为对照。从表2可以看出，自然光照下射干种子的3个发芽指标均显著高于黑暗条件下的值。黑暗条件下的发芽率极低，仅为36.00%。由此可知，光照条件对于射干种子的发芽影响极大。

表2 20 ℃条件下，2种不同的光照条件对射干种子发芽指标的影响

光照发芽势%发芽率%发芽指数黑暗条件27.00b36.00b1.15b自然光64.44a97.78a3.77a

2.4 种子发芽对PEG胁迫的耐性

2.4.1PEG处理对种子萌发指标的影响

通过0%、5%、10%、15%及20% 5个浓度的PEG处理，射干种子在萌发过程中表现出了较明显的差异。如表3所示，种子的发芽率、发芽势、发芽指数、相对发芽率以及萌发胁迫指数在5%PEG下均明显高于对照，发芽率可高达87.78%；当PEG浓度为10%及以上时，萌发指标在数值上开始发生了明显的降低。而萌发抗旱指数则随着PEG浓度的增加而呈现下降的趋势。萌发抗旱指数可表征种子在萌发过程中抗旱时间的长短，PEG浓度的升高可以明显缩短种子的抗旱时间。综合来看，低浓度的干旱胁迫可以在一定程度上促进种子的萌发。

2.4.2种子发芽率与PEG浓度的关系

当种子发芽率分别下降到50%和25%时，所对应的干旱胁迫作为种子萌发的临界值和极限值[12]。对发芽率和PEG浓度进行相关分析可知，二者呈明显的负相关关系。因此用一元线性回归对方程进行拟合，可预测出射干种子在抵抗干旱胁迫时的临界值为10%(实际值为9.8%)，以及极限值为15%(实际值为16.1%)。

图1 种子发芽率与PEG浓度之间的线性关系

2.4.3PEG处理对种子胚根长以及胚芽长的影响

根系的发达程度可以表征植物的抗旱能力。如图2 A所示，射干种子的胚根长随着PEG浓度的升高而表现出逐渐降低的趋势，对照的胚根长为32.56 mm，20% PEG处理下胚根长为0 mm；胚根的不断降低说明其长度与干旱程度之间存在着负相关关系。

而从图2 B中可以看出，随着PEG浓度的升高，种子的胚芽呈先升高后降低的变化趋势。显示出低水平的干旱会促进胚芽的伸长，而高水平的干旱程度则会对种子胚芽的伸长起到抑制作用。胚芽在5%处理下达到最大值，为2.78 mm，方差分析显示，明显高于对照，当PEG浓度升至10%，胚芽的伸长被明显抑制，低于对照，且当PEG浓度逐渐升高，胚芽长会呈更明显的下降趋势，当PEG浓度为20%时，胚芽的伸长完全被抑制。

如图3所示，随着PEG浓度的升高，胚根/胚芽呈明显的下降趋势，对照的胚根/胚芽明显高于其他处理，可见干旱胁迫对射干种子胚根的影响抑制作用显著高于胚芽。

2.5 种子发芽计数时间的确定

在上述试验所筛选出射干最适的发芽条件，即恒温20 ℃，自然光条件下去观察种子的发芽情况。在整个萌发试验过程中，置种第5天即有种子萌发，当发芽持续到第8天时，有超过60%的种子萌发。因此，推荐将射干种子初次计数时间定为置种的第8天。同时第12天后再无新种子有发芽动势。综合考虑其它环境条件可能对种子发芽产生的影响，推荐将射干末次计数时间延缓至置种后第15天。

图2 PEG浓度对射干种子胚根及胚芽长度的影响

图3 PEG处理对种子胚根/胚芽比值的影响

3 讨 论

温度作为种子萌发的先决条件，对植物萌发过程的影响也很显著。试验结果显示，射干种子以恒温20 ℃为分界线，过低与过高温度条件都会对种子萌发表现出不同程度的影响。恒温10 ℃、30 ℃及35 ℃的3个发芽指标均显著低于恒温20 ℃的处理。15 ℃与20/30 ℃处理虽发芽率不显著低于20 ℃处理，但因其发芽势较低，即发芽速度慢且发芽不整齐，故该温度处理不建议被用作射干的最适萌发温度。25 ℃虽是室温，也是大量种子萌发的最适温度[13-15]，但射干在该温度下，3个发芽指数均表现不优。因此推荐射干种子的最适萌发温度为恒温20 ℃。

光照对种子萌发的影响不止体现在复杂的生理过程上，同时也是受到调控的信号传递和基因表达过程[16]。种子根据对光照的需要与否，分为需光种子、嫌光种子[17]。本试验结果表明，光照对射干种子的正面影响十分显著，然而该种子在黑暗情况下发芽率极低，且发芽高峰期滞后，可见适当的增加光照对种子萌发具有一定的促进作用。可将射干种子归为需光种子。关于光照对射干种子萌发的研究尚未可见，但本试验结果与樊璐等[18]对有髯鸢尾研究结果不尽相同。

种子萌发对干旱环境的响应反映了植物种子适应逆境的能力[19]。利用PEG溶液模拟土壤干旱水平，可达到方便易操作的目的。试验采用4种不同PEG溶液浓度与清水作对比，结果显示，各个浓度PEG溶液处理均对射干种子萌发过程产生了不同程度的延缓作用。总体来看，随着PEG浓度的升高，发芽势、发芽率和发芽指数、相对发芽率、萌发胁迫指数呈先升高后下降趋势，在5%PEG处理下以上指标达到最大值，而当PEG浓度逐渐上高至10%时，以上萌发指标则呈显著的降低趋势，可见低水平的干旱可以促进射干种子萌发而高水平的干旱会抑制其萌发；萌发抗旱指数表征种子在抵抗干旱时间上的长短，随着PEG浓度的增加，该指标呈明显下降的趋势，说明干旱会明显的缩短射干种子抗旱时间，其关键原因是由于环境中水势降低，导致细胞失水，细胞代谢活动下降所致[20]。其中，20%浓度PEG处理的种子明显出现受抑制状态，发芽率仅为2.22%，说明射干种子能正常萌发的临界水分胁迫在PEG浓度为20%以下(相当于-0.6 MPa水势[21])。对射干种子的发芽率与PEG浓度之间的相关关系进行一元回归方程的拟合，得出该种子所能抵抗干旱的临界值为PEG浓度10%(相当于-0.2 MPa水势[21])，而极限值为15%(相当于-0.4 MPa水势[21])，该处理下的射干种子的发芽率明显降低，发芽高峰期也有所滞后，评价种子发芽水平的首要指标是发芽率，因此可以看出，15%的PEG溶液对射干的萌发过程已产生一定程度的负面影响。综合来看，射干种子对干旱胁迫有一定的忍耐能力。这一结论与李燕[22]的研究结果相仿。

4 结 论

射干种子最适的萌发温度为恒温20 ℃，属于需光种子；随着PEG浓度的升高，发芽率、发芽势、发芽指数、相对发对率、萌发胁迫指数、胚芽长均呈现先升高后降低的趋势，且在5%PEG下达到最大值，即低干旱水平可促进种子萌发及抗旱能力，高干旱水平会起到抑制作用；随着PEG浓度的升高，萌发抗旱指数、胚根长明显降低，即该两种指标与PEG浓度呈负相关关系；胚根/胚芽亦会随着PEG浓度升高而增大，即干旱胁迫对胚根的抑制作用会显著高于对胚芽的影响。用一元线性回归拟合种子发芽率和PEG浓度，预测出射干种子所能抵御的水分渗透势临界值为-0.2 MPa，极限值为-0.4 MPa。推荐射干种子萌发初次计数时间为置床后的第8天，末次计数时间为置床后的第15天。