几种锦鸡儿属植物种子硬实特性及萌发对温度和水势的响应

袁 祯，陈大立，罗鑫萍，杨凌杰，胡小文

（兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室 / 兰州大学草地农业生态系统国家重点实验室 /兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020）

豆科(Leguminosae)锦鸡儿属(Caragana)植物主要分布于亚洲和欧洲干旱、半干旱荒漠区，具有固氮、耐旱等特性，是防风固沙、保持水土的优良植物[1-4]。此外，锦鸡儿属植物还具有一定的饲用、薪炭、蜜源、入药等用途[5]，在干旱与半干旱地区具有潜在的栽培与利用价值。

种子萌发与幼苗建植是植物生活史中最为脆弱的阶段，也是限制野生植物资源栽培利用的关键环节[4]。对于原产温带的大多数野生豆科植物而言，其种子普遍存在硬实特性[6]，萌发率低、建植难，在一定程度制约了这一资源的开发与利[7-8]。有研究发现，刺叶锦鸡儿(C. acanthophylla)、荒漠锦鸡儿(C. roborovskyi)等物种存在硬实特性[9]。但也有研究发现，锦鸡儿属植物种子通常不存在硬实特性，较易萌发[10-11]。这一争议一方面可能是由于研究物种不同，另一方面也可能受到种子采集地环境、试验种子状态(如是否经过贮藏)等因素的影响。但截至目前，尚未见研究从上述角度就锦鸡儿属植物的硬实特性开展系统的比较研究。

此外，未存在休眠或休眠破除后的种子能否建植成功，与其萌发对环境的需求密切相关[12]。温度和水势是影响荒漠地区植物种子萌发并进而成功建植的主要环境因子[13]。一般认为，研究种子萌发对温度的需求特性有利于其调整萌发时机，以在特定生境下最大程度地增加幼苗的存活[6]。如白毛锦鸡儿(C. licentiana)、甘蒙锦鸡儿(C. opulens)、中间锦鸡儿(C. intermedia)种子萌发的最低温和最适温与其地理分布和生境密切相关[14]。水势是限制干旱荒漠区植物种子萌发与幼苗成功建植的另一重要因素[15-16]。种子萌发对水势的响应通常反映了其对特殊生境的适应特性，如Zeng等[17]认为，萌发缓慢、不耐旱是干旱荒漠区植物对干旱区降水量少且不确定的一种适应策略。因而，研究种子萌发对于环境条件如水势、温度等的需求，无论对于寻求种子适宜的建植方法，还是深入了解不同物种之于环境的生态适应性都具有重要意义。但截至目前，有关锦鸡儿属植物种子萌发需求的比较研究主要局限于白皮锦鸡儿(C. leucophloea)、草原锦鸡儿(C. pumila)少数几种物种上[10,14,18]，且上述研究所用物种多采自于不同地方的不同物种，其在萌发需求上的差异可能来自母本环境与物种遗传背景的共同影响。

基于此，本研究以引种至甘肃省民勤沙生植物园的15种锦鸡儿属植物种子为材料，拟回答以下几个问题：1)锦鸡儿属植物种子是否存在硬实特性？如果有，贮藏对其有何影响？2)种子萌发对温度和水势等环境因子的需求在种间是否存在分异？

1 材料与方法

1.1 试验材料及采集地概况

供试种分别于2014年和2016年采集于甘肃省民勤县沙生植物园，清选干燥后立即用于试验(种子采集后不超过1周)，其余种子于室内贮存备用，贮存条件为相对含水量20%～45%，温度16～22 ℃，种子样品详细信息如表1所列。此外，由于所收集的参试物种种子数量有限，因此在研究种子硬实特性、种子萌发对温度水势响应时所用物种不同。

民勤沙生植物园(102°59′ E，38°34′ N)位于中国西北部腾格里沙漠西缘，温带大陆性极干旱气候，降水稀少，风大沙多，气候干燥，光照充足；年平均日照时间2 833.1 h；年平均气温7.4 ℃；年平均降水量110 mm，且大多集中在7月-9月，年平均蒸发量2 485 mm[19]。

表 1 供试种基本信息Table 1 Basic seed information

1.2 试验内容

1.2.1 硬实率测定

采用纸上萌发法测定所有供试种种子硬实率，随机数取25粒种子置于垫有双层滤纸、直径为11 cm的干净培养皿中，4次重复，将培养皿置于20 ℃(光照12 h，黑暗12 h)条件下培养，适时补充水分以保持萌发床湿润，持续统计4周，第28天统计未吸胀种子数(种子吸水2周后，所有参试物种的吸水种子数目不再增加)。种子室温贮藏半年后再进行硬实率测定，方法同上。

硬实率 = 硬实种子数/供试种子数 × 100%。

1.2.2 种子萌发对温度的响应

按1.2.1方法数取柠条锦鸡儿(C. korshinskii)、多刺锦鸡儿(C. spinosa)、粉刺锦鸡儿(C. pruinosa)、边塞锦鸡儿(C. bongardiana)、红花锦鸡儿(C. rosea)、荒漠锦鸡儿、中间锦鸡儿、甘蒙锦鸡儿、狭叶锦鸡儿(C. stenophylla)共9种供试物种种子，置于5、10、15、20、25、30、35、40、45 ℃(光照12 h，黑暗12 h)条件下进行培养，适时补充水分以保持萌发床湿润，以“露白”为萌发标准，逐日统计萌发数，统计至21 d后连续3 d内无萌发种子视为萌发结束，最多统计4周。由于供试种种子数量有限，萌发温度梯度设置因种而异，具体如图1所示。

图 1 温度对9种锦鸡儿属植物种子萌发率的影响Figure 1 Effects of temperature on the seed germination of 9 Caragana species

萌发率 = 萌发种子数/供试种子数 × 100%；

式中：Gt为第t天的萌发数，Dt表示萌发天数。

1.2.3 种子萌发对水势的响应

随机数取一定量的柠条锦鸡儿、多刺锦鸡儿、粉刺锦鸡儿、边塞锦鸡儿、红花锦鸡儿、荒漠锦鸡儿共6种供试物种种子置于20 ℃进行萌发试验，方法同1.2.2。按照Michel和Kaufmann[20]的方法配置不同浓度的PEG-6000溶液模拟不同水势(0.0、-0.4、-0.8、-1.2 MPa)，试验期间，为保持溶液水势恒定，每2 d换一次溶液及滤纸。以“露白”为萌发标准，逐日统计萌发数，统计至21 d后连续3 d无萌发种子视为萌发结束，最多统计4周。

萌 发 抗 旱 指 数(PI) = 1.00 × nd2+ 0.75 × nd4+0.50 × nd6+ 0.25 × nd8。

式 中：nd2、nd4、nd6、nd8分 别 表 示 第2、4、6、8天种子的萌发率。

萌 发 抗 旱 指 数 相 对 值(GDRI) = PI1/ PI2，其中，PI1表示干水势迫条件下种子萌发抗旱指数，PI2表示对照种子萌发抗旱指数。

参照侯建华等[21]采用的模糊数学隶属函数法，计算萌发抗旱指数的隶属函数值，具体如下：

式中：X、Xmin、Xmax分别为萌发抗旱指数相对值的测定值，最小值和最大值。先求出不同水势胁迫下萌发抗旱指数的隶属值，再累加求平均值，该值越大，说明抗旱性越强。

1.3 数据处理

所有数据均采用SPSS 21.0数据分析软件进行统计分析，采用双因素方差分析方法分析物种、温度、水势及其互作对种子萌发参数的影响；采用单因素方差分析方法分析不同温度或不同水势对种子萌发参数的影响，用Duncan法对均值作多重比较。用Excel 2010制作图表。

2 结果与分析

2.1 种子硬实率

荒漠锦鸡儿、刺叶锦鸡儿种子硬实率相对较高，分别为63%和14%，树锦鸡儿(C. arborescens)、川西锦鸡儿(C. erinacea)、柠条锦鸡儿、小叶锦鸡儿(C. microphylla)、灰毛小叶锦鸡儿(C. microphylla var. cinarea)、甘蒙锦鸡儿、中间锦鸡儿、红花锦鸡儿、多刺锦鸡儿均不存在硬实，其余物种硬实率均低于10% (表1)。干贮6个月能不同程度地降低所有锦鸡儿植物种子的硬实率，其中荒漠锦鸡儿、刺叶锦鸡儿硬实率分别由63%、14%显著下降至37%、5% (P ＜ 0.05) (表1)。

表 2 物种、温度及其互作对9种锦鸡儿属植物种子萌发率和萌发指数的影响Table 2 Effects of species, temperature, and their interaction on the seed germination and germination index of 9 Caragana species

2.2 种子萌发对温度的响应

温度、物种及其互作均显著影响种子的萌发率和萌发指数(P ＜ 0.001) (表2)。所有物种种子萌发率、萌发指数均随温度上升呈现先上升而后下降的趋势(图1、图2)。种子萌发的温度阈值因物种而异，除边塞锦鸡儿在5 ℃条件下有少量萌发外，其余物种均不萌发；10 ℃显著降低了大部分物种种子的萌发率(与萌发率最高时的温度相比)，但对粉刺锦鸡儿、红花锦鸡儿种子萌发率无显著影响。参试种种子萌发的最适温度都介于15～30 ℃，如边塞锦鸡儿、红花锦鸡儿、甘蒙锦鸡儿最适萌发温度为15 ℃；粉刺锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、中间锦鸡儿、狭叶锦鸡儿最适萌发温度为25 ℃；柠条锦鸡儿、多刺锦鸡儿最适萌发温度为30 ℃。因种而异，高温不同程度抑制种子的萌发。如相对于其他物种，25 ℃时甘蒙锦鸡儿种子的萌发率显著下降；而多刺锦鸡儿、粉刺锦鸡儿与边塞锦鸡儿种子的萌发在40 ℃时才显著受到抑制。

就萌发指数而言，其对温度的响应也因物种而异(图2)，如粉刺锦鸡儿、边塞锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、中间锦鸡儿、狭叶锦鸡儿25 ℃时萌发指数最大，红花锦鸡儿、甘蒙锦鸡儿15 ℃时萌发指数最大，而柠条锦鸡儿、多刺锦鸡儿分别于30、35 ℃时萌发指数最大。

2.3 种子萌发对水势的响应

水势、物种及其互作均显著影响种子的萌发率和萌发指数(P ＜ 0.001) (表3)。所有参试锦鸡儿种子萌发率、萌发指数均随水势胁迫程度的增加呈下降趋势(图3、图4)。6种参试种中，红花锦鸡儿和柠条锦鸡儿较耐旱，其萌发抗旱指数隶属函数值分别为0.53和0.52，边塞锦鸡儿、粉刺锦鸡儿、多刺锦鸡儿和荒漠锦鸡儿萌发抗旱指数隶属函数值分别为0.48、0.32、0.31和0.26。此外，粉刺锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、多刺锦鸡儿在水势为 -1.2 MPa时萌发率较低(＜ 20%)。就萌发指数而言，红花锦鸡儿和柠条锦鸡儿种子萌发指数相对较高，而其余物种种子萌发指数普遍较低。

图 2 温度对9种锦鸡儿属植物种子萌发指数的影响Figure 2 Effects of temperature on the seed germination index of 9 Caragana species

表 3 物种、水势及其互作对锦鸡儿属植物种子萌发率和萌发指数的影响Table 3 Effects of species, water potential, and their interaction on the seed germination and germination index of Caragana species

图 3 水势胁迫对6种锦鸡儿属植物种子萌发率的影响Figure 3 Effects of water potential on the seed germination of 6 Caragana species

图 4 水势胁迫对6种锦鸡儿属植物种子萌发指数的影响Figure 4 Effects of water potential on the seed germination index of 6 Caragana species

3 讨论与结论

3.1 种子硬实特性

硬实特性普遍存在于野生豆科植物中，但硬实率因物种、生长环境不同而异[22]。本研究发现，参试的15种锦鸡儿属植物中，除刺叶锦鸡儿、荒漠锦鸡儿具有较高的硬实率外(＞ 10%)，其他13种硬实率较低或不存在硬实，因而种子是否存在硬实及硬实程度高低与物种密切相关。此外，基于前人对锦鸡儿属植物硬实特性的研究发现，已有报道的24种锦鸡儿属植物中，仅有7种存在硬实特性，这一结果表明，锦鸡儿属多数物种不存在硬实特性。分布于温带地区的大部分豆科植物种子普遍存在硬实特性，然而本研究重点关注同一生境的植物种子其硬实特性表现如何，研究发现，来自同一生境的15种锦鸡儿属植物种子中只有两种有硬实特性，即这种差异可能与种子自生结构（如栅栏层紧密程度等）等有关，但具体原因还有待进一步研究。

除物种自身的遗传背景外，种子成熟时的环境，收获后的贮藏条件、贮藏时间，种子本身的成熟度、含水量、大小、形状及颜色都能影响种子的硬实率[23]。如室温干贮可解除牧豆树(Prosopis juliflora)种子的硬实[24]。本研究发现，室内贮藏半年不同程度地降低了所有锦鸡儿属植物种子的硬实率，如荒漠锦鸡儿与刺叶锦鸡儿种子硬实率分别由原来的63%、14%显著下降至37%、5%。与此一致，刺叶锦鸡儿经室内干贮1、6、8年后萌发率由46.4%分别增至59.4%、72.9%、70.4%[25]。因而，在评价种子硬实特性时应考虑种子的状态如是否经过贮藏等因素的影响。此外，种子成熟期间的气候条件也在一定程度上影响其硬实特性。如黄芪(Astragalus membranaceus)种子成熟期若气候凉爽，其种子硬实率低，而高温干燥条件下成熟的种子其硬实率高[26]。本研究测试物种均采自位于温带荒漠区的民勤，降水稀少，气候干燥，太阳辐射强烈，理论上有利于种子硬实的形成，而本研究15种参试种中仅有两种物种硬实率较高(＞ 10%)，具体原因还有待深入研究。

3.2 种子萌发对温度的响应

种子萌发是植物生活史的关键环节，研究环境因子对种子萌发的影响对种群的繁殖更新具有重要意义[27]。温度是影响种子萌发的一个关键因素，温度过低或过高均不利于种子萌发[28]。如2 ℃ /5 ℃变温完全抑制草原锦鸡儿和狭叶锦鸡儿种子的萌发[29]。本研究也发现除边塞锦鸡儿在5 ℃时有少量萌发外，包括狭叶锦鸡儿在内的其余物种均不萌发。Lai等[18]研究发现25 ℃ /35 ℃时柠条锦鸡儿种子萌发率高达90%。与此一致，本研究也发现柠条锦鸡儿种子萌发较耐高温，30 ℃为其萌发最适温，40 ℃时其萌发率仍高达59%。但也有研究表明柠条锦鸡儿种子的最适萌发温度为15～20 ℃，30 ℃显著抑制其种子萌发[13]。此外，甘蒙锦鸡儿在5 ℃和30 ℃时萌发率分别为40%、66%[14]，而本研究发现其在5 ℃和30 ℃时萌发率分别为0、5%。这一差异一方面可能是由于上述研究所用物种均为经过贮藏的种子，而本研究所用物种均为新鲜未贮藏种子；另一方面由于采集环境如温度等的差异，同一物种的种子萌发特性可能存在较大变异，如有研究表明生长在英国的紫羊茅(Festuca rubra)种子萌发的最低温为4.7 ℃，而分布在青藏高原东缘的紫羊茅种子萌发的最低温为0.11 ℃[30-31]。

一般认为，种子萌发对温度的需求通常与其所处的环境条件密切相关[6]。Rosbakh和Poschlod[32]研究发现，种子萌发最低温与其生境年均温呈显著负相关关系。但Hu等[33]研究表明，与采自阿拉善的物种相比，采自青藏高原的物种种子萌发具有较低的最低温与最适温。本研究中除边塞锦鸡儿在5 ℃有少量萌发外，其余参试物种均不萌发，这可能是因为本研究中大多数物种主要分布于干旱荒漠区[34]，相对较高的萌发温度需求有利于其在温暖湿润的雨季萌发，从而避免早春萌发遭遇干旱闪苗的风险。与此一致，本研究中大多数物种萌发最适温相对较高(＞ 25 ℃)，因而有利于其在雨季快速萌发建植。但值得注意的是，参试物种中甘蒙锦鸡儿、边塞锦鸡儿、红花锦鸡儿萌发最适温仅为15 ℃，远低于其他物种。这可能与其特殊的生境有关，如甘蒙锦鸡儿主要分布于高海拔区域(3 400 m)[34]，生境温度相对较低，较高的萌发温度需求反而不利于其在相对寒冷的生境快速建植。红花锦鸡儿主要分布在半湿润地区[34]，降雨量相对充沛，因而相对较低的萌发温度需求有利于其在早春季节萌发。

3.3 种子萌发对水势的响应

随水势胁迫程度增强，种子萌发率、萌发指数均呈下降趋势[35-36]。与此一致，本研究发现，6种锦鸡儿属植物种子萌发率、萌发指数均随水势降低呈下降趋势，但其下降幅度因物种而异。根据种子萌发抗旱指数隶属函数值，6种参试种中红花锦鸡儿抗旱性能最佳，其余物种抗旱程度依次为柠条锦鸡儿 ＞ 边塞锦鸡儿 ＞ 粉刺锦鸡儿 ＞ 多刺锦鸡儿 ＞ 荒漠锦鸡儿。

一般认为，水势胁迫下植物种子的萌发特性与其生境密切相关[37]。如Lai等[18]对柠条锦鸡儿、中间锦鸡儿与小叶锦鸡儿的研究发现，种子萌发的耐旱程度随其生境降雨量的增加而降低。韩瑾[38]通过对47种旱生植物的研究指出，水势胁迫下生境相对恶劣的植物种子其萌发率与对照相比无显著差异，而生境相对较好的植物种子其萌发率在水势胁迫时受到明显抑制。与此相反，本研究所有参试物种中，分布在半湿润地区的红花锦鸡儿其萌发最耐旱，而分布在干旱荒漠区的多刺锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、粉刺锦鸡儿其种子萌发对水势胁迫较为敏感。这可能是由于分布在半湿润区的植物，水势并非影响其种子萌发并进而成功建植的限制因子，因而种子即使在相对干旱的条件下萌发，也不易遭遇极端干旱环境导致幼苗死亡；而对于降雨量较少且多变的干旱荒漠区，种子萌发后幼苗极易遭遇干旱而导致闪苗。因而，种子在水分相对充足的条件下萌发可降低闪苗的风险，并进而提高幼苗的建植率。Zeng等[17]研究指出，水势胁迫下种子萌发缓慢、萌发率低是干旱荒漠区优势物种保证幼苗存活的萌发对策。本研究中分布于干旱荒漠区的边塞锦鸡儿、粉刺锦鸡儿、荒漠锦鸡儿、多刺锦鸡儿这种缓慢萌发的特性或许就是上述萌发对策的体现。

综上所述，本研究中大部分锦鸡儿属植物种子不存在硬实，室温贮藏显著影响种子硬实率的评价，以后的研究中应予以考虑。此外，参试植物中柠条锦鸡儿最耐高温，红花锦鸡儿最耐旱，在干旱半干旱地区植被恢复以及水土保持中可予以考虑。