不同种源截叶铁扫帚种子特性和萌发差异

2020-05-20

种子 2020年4期

(1.湖北省农业科学院畜牧兽医研究所/湖北省动物胚胎工程及分子育种重点实验室，武汉 430064；2.信阳农林学院园艺学院，河南信阳 464000)

截叶铁扫帚(Lespedezacuneata(Dum. Cours).G. Don)，又叫绢毛胡枝子、铁扫帚、截叶铁扫帚，是豆科胡枝子属多年生植物，产陕西、甘肃、山东、河南、湖北、四川等省区，生于海拔2 500 m以下的山坡路旁[1]。具有较强的抗旱和耐水淹能力，耐寒，自然条件下，即使缺少雪被也能抵御-15 ℃的严寒。耐贫瘠，在土壤有机质低于1%的条件下也能正常生长[2]。耐热、耐酸，在南方红壤丘陵岗地，夏季高温伏旱，温性豆科牧草白三叶、红三叶、紫花苜蓿难于越夏或生长不良的地区，截叶铁扫帚长势旺盛，且播种第2年植株分枝急剧增加，平均达590个，单株干重112.0～390.0 g[3-4]。早在1406年朱橚编写的《救荒草本》中就提到铁扫帚，“采叶炸熟，换水浸去苦味，净油盐调食”[5]。1965年，孙醒东在《重要绿肥作物栽培》中介绍截叶特扫帚既是优良饲草又是绿肥和水土保持植物[6]。朱佳文等则认为该草可以作为铅锌尾矿库重金属污染地植被恢复的先锋植物[7]。作为优异种质，1896年美国从我国引进截叶铁扫帚，之后开展了营养价值、栽培管理和遗传育种等方面的深入研究，并先后培育出“Sericea common”、“Arlington”、“ Caricea”等十多个品种。到70年代末期，美国东南部已种植40 000 km2用于干草生产，几百平方公里用于放牧家畜或土壤改良，240 km2用于种子生产[8]。

种子萌发是种苗建成及存活的关键过程，是完成植物生活史、实现种群更新和物种延续的重要环节，也是判断种子品质、确定播种量的一项重要指标[9]。目前，关于截叶铁扫帚种子方面的研究仅见于对硬实处理[10-11]，而针对不同种源地进行种子萌发差异和与种子大小相关分析未见报道。为此，本试验以来自不同地区的截叶铁扫帚为研究目标，从种子大小和萌发两方面进行分析，以期为野生种质资源的开发利用和新品种培育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料8份，其中2份为引进品种，其余均为国内收集的野生资源(见表1)。2018年种子成熟后收获，去荚、清选、整理、干燥后贮藏于4 ℃冰箱备用。

表1 材料来源

编号来源地东经北纬海拔/mJ-4云南昆明市小哨102°58′25°21′1960J-14神农架林区松柏镇110°39′31°44′1100J-15四川广元市利州区 105°53′32°28′632J-20河南信阳市浉河区107国道旁114°04′32°06′110J-21河南信阳市浉河区107国道旁114°04′32°06′110J-53引进美国品种,品种名“奥罗坦”(来自国家牧草长期库)———J-54引进美国品种,品种名“州际”(来自国家牧草长期库)———J-65广西省大新县全茗镇(来自中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所海南儋州热带牧草备份库)107°11′22°54′306

1.2 测定指标和方法

1.2.1种子特性

随机选健康、饱满一致的截叶铁扫帚种子100粒，用万分之一的分析天平准确称重，精确到0.000 1 g，重复8次取平均值，换算为千粒重。同时，随机取30粒种子，用游标卡尺测量种子的长和宽。

1.2.2发芽特性

采用纸上发芽法，随机选取成熟饱满、均匀一致的种子用1% NaClO处理5 min，蒸馏水冲洗3次后均匀放入铺有2层滤纸、直径为11 cm的玻璃培养皿中，在30 ℃下进行发芽，3次重复，每个重复100粒种子[12]。发芽期间每天补充水分保持滤纸湿润，记录发芽数，发芽标准为有正常、与种子本身等长的胚根且胚芽长度达种子一半。试验过程中如有发霉种子立刻取出，情况严重者更换培养皿。第7天随机取10个幼苗测胚芽长和初生根长，计算发芽率、发芽指数和活力指数。

发芽率(%)=(试验期正常发芽种子数/供试种子数)×100%；

发芽指数=∑Gt/Dt，式中，Gt为t时间内的发芽数，Dt为相应的发芽日数；

活力指数=发芽指数×(胚芽长+初生根长)。

萌发开始时间，即萌发时滞或延迟时间，就是培养开始到第1粒种子萌发所需时间。

1.3 数据处理

采用DPS 17.10统计软件对不同测定指标进行单因素方差分析(one-way, ANOVA)，并用Duncan法进行多重比较和差异显著性分析，对种子特征和发芽特性进行相关性分析，用Excel 2007软件完成所有数据整理和制图。

2 结果与分析

2.1 不同种源截叶铁扫帚种子特性变化

截叶铁扫帚为总状花序，通常2～4个腋生，而闭锁花簇生于叶腋，可结实。种子浅黄色，常有紫色花斑，倒卵形，种皮光滑。对不同种源地截叶铁扫帚种子研究发现(见表2)，其长度(F=8.389，p<0.01)、宽度(F=10.746，p<0.01)和千粒重(F=51.733，p<0.01)均差异极显著，其中来自美国的引进品种奥罗坦(J-53)和州际(J-54)种子较国内收集的野生种质资源外形要大，尤其在种子长度方面，两品种达2.00 mm以上，与大多材料差异显著(p<0.05)。种子宽度方面，同样以外来品种相对较大，J-54种子宽达1.41 mm，是宽度最小材料J-15的1.29倍。8份材料种子的千粒重在1.16～1.70 g之间，差异较大，其中J-54最重，为1.70 g，但与J-53和J-20差异不显著。

表2 截叶铁扫帚种子特性

编号长/mm宽/mm千粒重/gJ-41.80±0.16cde1.19±0.10cd1.28±0.04dJ-141.66±0.18e1.21±0.06bcd1.39±0.04cJ-151.71±0.13de1.09±0.05e1.16±0.02eJ-201.98±0.16abc1.17±0.11d1.66±0.03aJ-211.94±0.28bc1.27±0.11bc1.54±0.09bJ-532.13±0.18a1.29±0.10b1.64±0.02aJ-542.07±0.13ab1.41±0.11a1.70±0.03aJ-651.85±0.19cd1.19±0.11cd1.45±0.03c平均值1.89±0.181.23±0.091.48±0.04F11.0421.4780.083F28.389∗∗10.746∗∗51.733∗∗

注：同列不同小写字母表示不同处理之间差异显著(p<0.05)，下同。**极显著(p<0.01)；*显著(p<0.05)。

8份截叶铁扫帚种子性状的平均变异系数为6.49%(见表3)，其中种子长度变异系数最大，千粒重变异系数最小。在不同材料间，J-21种子性状的变异幅度较大，长、宽和千粒重变异系数分别为14.49%、8.28%和6.00%，说明该种质种子表型多样性最为丰富，而J-15变异幅度较小。

表3 截叶铁扫帚种子特性变异系数单位：%

编号长宽千粒重平均值J-48.668.363.496.84J-1410.714.882.856.15J-157.864.251.294.47J-208.319.671.516.50J-2114.498.286.009.59J-538.507.761.445.90J-546.478.071.765.43J-6510.138.892.217.08平均值9.397.522.576.49

表4 截叶铁扫帚种子发芽特性

编号发芽率/%发芽指数胚芽长/cm初生根长/cm活力指数 J-460.33±11.85b31.84±7.03e2.09±0.61e1.38±0.43bcd108.97±10.17eJ-1496.52±1.23a143.13±6.03bc2.71±0.40cd1.36±0.35bcd582.21±44.12cJ-1594.97±1.23a115.79±6.37d2.75±0.18Vcd1.04±0.30d443.75±52.02dJ-2093.90±1.04a133.40±5.74c3.33±0.47a1.56±0.42abc651.93±64.80bcJ-2192.70±2.33a138.27±7.58bc2.89±0.31bc1.68±0.44ab634.91±48.63bcJ-5394.57±1.72a141.59±10.17bc3.24±0.47ab1.81±0.38a727.29±143.62abJ-5497.60±0.62a155.10±4.65ab3.33±0.52a1.76±0.14a784.03±58.22aJ-6595.71±2.18a169.52±17.67a2.46±0.57de1.27±0.25cd629.42±15.23bc

2.2 不同种源截叶铁扫帚发芽特性变化

2.2.1不同种源截叶铁扫帚种子发芽特性

发芽率是鉴别种子质量好坏的重要指标，是确定该种子能否作为播种材料以及适宜播种量的基础。由表4可见，不同种源截叶铁扫帚种子发芽率差异相对较小，除J-4发芽率(60.33%)稍低外，其余7份材料发芽率均高达90%以上，且差异不显著。为了进一步研究不同材料种子发芽的速度和整齐程度，试验对发芽指数进行了测定，结果发现，J-65的发芽指数最高，为169.52，除与J-54差异不显著外，与其它6份材料差异均达显著水平(p<0.05)。发芽指数相对较高的材料还有J-14、J-20、J-21和J-53，而J-4发芽指数与发芽率表现相同，是所有材料中最低的，仅为31.84。

截叶铁扫帚的胚芽长度在不同种源材料间差异较大，其中野生资源J-20和2个引进品种表现突出，均达3.0 cm以上；而J-4长势最差，仅为最高值的62.76%。初生根长方面，各材料变化与胚芽长略有不同，但仍以引进品种和来自河南信阳的种质资源相对较好，而J-15根系生长最差，平均长度仅1.04 cm。综合幼苗生长状况，不同种源的截叶铁扫帚活力指数变化较大，但总体以引进品种J-54和J-53表现最好，分别为784.03和727.29，尤其是前者与6份野生资源差异达显著水平(p<0.05)。所有材料中，J-4在发芽率、发芽指数和活力指数方面均表现较差。

2.2.2不同种源截叶铁扫帚种子发芽累积

不同种源截叶铁扫帚种子在发芽过程中，萌发开始所需时间略有差异(见图1)，除J-4和J-14萌发起始稍晚外，其余材料均在第2天就有种子萌发。萌发速度方面，J-65和J-54相对较快，分别在第3天和第4天发芽率均已超过50%；J-14、J-21和J-53较之稍慢，但也在第5天发芽率超过一半。8份材料，J-4发芽率最低，萌发速度也最慢，直至试验结束发芽率仅有60%，而其余材料均高达90%以上。萌发所需的历期(即萌发的种子中第一粒和最后一粒发芽的时间差)，以J-53最短，仅用11 d就达发芽最高值，其次为J-54和J-64，均为14 d，而发芽时间最长的是J-4，高达19 d。

图1 不同种源截叶铁扫帚种子发芽累积

2.3 种子特征与发芽特性的相关性

对8份不同种源截叶铁扫帚种子特征和发芽特性进行相关性分析，结果(表5)发现，截叶铁扫帚种子千粒重与种子长、宽均呈正相关，且相关程度分别达极显著(p<0.01)和显著水平(p<0.05)。种子开始萌发时间、50%发芽率的萌发时间与种子长、宽和千粒重均呈负相关，但差异不显著。种子大小无论是长宽还是千粒重虽然与发芽率和发芽指数正相关，但均未达显著水平；而种子开始萌发时间和发芽率达50%时间与这两发芽指标表现为负相关，其中后者与发芽率和发芽指数的相关系数为0.96和1.00，达极显著水平(p<0.01)。与大多研究结果相似，截叶铁扫帚种子大小与种苗生长相关性较高，其中种子长、宽极显著影响初生根长度(p<0.01)，而千粒重则与胚芽长度、初生根长度和活力指数均显著正相关(p<0.05)，其中与初生根长度相关系数达0.89，达极显著水平(p<0.01)。

3 讨论

种子作为植物个体发育的一个特定阶段，既是植物遗传信息的保存者与传递者，又是植物在环境胁迫下保证物种繁衍的适应性策略。在自然选择和进化的双重压力下，物种为了延续后代，适应地产生了不同大小的种子。种子大小的变异是对种子所处环境的适应，并且在一定程度上降低了未来风险[13]。一般认为，较大种子会增加后代在群落中的生存适合度和丰富度，而较小种子会提高其后代在群落更新中的贡献[14]。种子的变异不仅存在植被间、物种间，还普遍存在种群内和植株内[15]。Michaels等研究发现，物种内种子大小变异系数平均在10%～50%之间[16]，Hare则发现，同一物种内有68%～77%的变异发生在个体内，只有9%～13%发生在个体间[17]。通常，同一物种对不同生境会表现出不同的反应，高柱等对收集的中国西南地区31份木棉居群种子研究发现，种子变异系数为10.45%～28.85%，形态差异丰富，采集区内东面收集的种子较北面圆，但西南种源地的种子千粒重最大[18]。田宏等[19]对来自全国的28份狼尾草资源研究表明狼尾草种子的长、宽和千粒重在不同来源的材料间均存在极显著差异(p<0.01)，其最大种子千粒重是最小的3.56倍。本研究中，8份不同种源截叶铁扫帚种子长、宽和千粒重在种内差异显著，尤其是种子长度，变异系数为6.47%～14.49%；千粒重尽管平均变异系数较低，但在各材料间表现差异较大，其中栽培品种J-53和J-54种子较多数野生资源要大，说明在品种培育过程中，长期有效选择可使新品种具备粒大饱满、高产优质的潜能，这与张力君等[20]的研究结果相一致。

表5 截叶铁扫帚种子特征与发芽特性的相关性

相关系数长宽千粒重萌发时间50%发芽率时间发芽率发芽指数胚芽长初生根长宽0.70千粒重0.86∗∗0.74∗萌发时间-0.60-0.18-0.46发芽达50%时间-0.30-0.33-0.510.62发芽率0.210.200.41-0.62-0.96∗∗发芽指数0.300.330.53-0.60-1.00∗∗0.94∗∗胚芽长0.690.490.78∗-0.63-0.610.680.59初生根长0.87∗∗0.84∗∗0.89∗∗-0.26-0.240.140.240.64活力指数0.590.560.77∗-0.66-0.93∗∗0.89∗∗0.92∗∗0.83∗0.56

种子大小和种子萌发不但是植物生活史中的2个关键特征，而且常被用来评价一定范围内种子的品质[21]。研究表明，种子大小可通过影响种子萌发，从而影响幼苗生长、植被建成、最终为整个群落结构[22]。Hendrix发现，美洲防风(Pastinacasativa)同一植株上的不同种子萌发率与其大小呈显著正相关[23]；Greipsson等研究36个沙滨草(Leymusarenarius)种群发现，小种子种群的萌发率是大种子种群的50%，在同一种群内和同一果序内不同大小种子的萌发能力与种子大小呈显著正相关[24]；Hopper等在大豆的种群研究中也发现，小种子萌发明显慢于大种子[25]。但也有研究表明，种子大小与发芽率相关性不显著[26]，甚至在鸡脚草中得出较小和较大种子都降低了萌发率，而中等大小的种子才具备较高的萌发率[27]。在本研究中，8份截叶铁扫帚种子大小无论是长、宽还是千粒重均与发芽率和发芽指数正相关，与萌发时间和发芽率达50%时间负相关，但相关系数较低，未达显著水平。由此说明，不管是野生种还是栽培种，种子大小对截叶铁扫帚种子萌发影响不明显。

种子大小虽然对萌发影响各有差异，但对幼苗生长发育研究结果大体一致。研究表明，大小不同的小叶锦鸡儿种子在萌发率和出苗率方面不存在差异，但却与幼苗个体大小、叶茎根生物量呈极显著的正相关[28]。在玉米中，无论是采用标准发芽还是抗冷测定，结果均显示不同分级种子的发芽率、发芽势、发芽指数差别不显著，但大粒玉米活力指数、苗干重显著高于小粒种子[29]；在不同草种间，同样存在类似结果，种子大小与胚芽鞘长度、苗高、根长之间的相关关系显著[30]。本试验中，截叶铁扫帚种子的长、宽与初生根长极显著正相关，而千粒重与胚芽长、根长和活力指数均呈显著正相关，这可能因为种子越大，胚所占比例就越小，相对所含贮藏营养物质就越多，从而为幼苗初期生长提供了充足的资源，以致最大可能地用于生长。