温度、盐分和光照对濒危植物盐桦(Belula halophila)种子萌发特性的影响

雷春英，张 浩，张丹丹，吉小敏，姜 黎*

(1.新疆林科院造林治沙研究所， 新疆 乌鲁木齐 830063； 2. 新疆精河荒漠生态系统国家定位观测研究站，新疆 精河 833300；3.中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011)

盐桦(BetulahalophilaChing)为桦木科桦木属植物，是一种罕见的木本盐生植物。因种群数量小，处于极度濒危状态，急需抢救，1999年被列为国家重点保护野生植物(二级)[1-3]。研究表明1年生盐桦幼苗的耐盐阈值约为1.8%，是一种抗盐能力极强的盐生植物[4]。但有研究表明相对较低的种子耐盐阈值(0.2%)[5-6]，可能是最终导致其灭绝的重要原因。目前关于其生境主要生态环境因子如何调控濒危植物盐桦种子的萌发研究甚少。因此，研究濒危植物盐桦种子的萌发特征对盐桦进行研究保护与合理开发具有重要意义。

萌发是种子能否产生正常苗的关键过程，受环境生态因子例如温度、水分、氧气、光照、土壤酸碱、土壤盐分、化学物质、埋深和生物条件的综合影响，且不同植物种子萌发特性及对各种环境因子的反应存在很大差别[7]。盐桦为新疆特有的濒危种，仅存于新疆阿勒泰地区，是一种抗盐能力极强的盐生植物，但其萌发阶段耐盐性较低[8]。在植物的生活周期中，种子阶段是最能忍受不利环境因素的阶段，种子适应环境变化的能力是植物适应环境变化的最重要体现。而种子萌发阶段是盐生植物生命周期的关键阶段，其萌发能力和耐盐能力往往影响着植物种群的分布范围。当前，国内外有关盐桦的研究主要集中在抗盐、组培与保育等方面[9-12]，然而作为新疆特有的濒危种，有关研究盐桦种子萌发特性对温度、盐分、光照的响应尚不清楚。因此，本文重点研究盐桦种子在不同温度、盐分和光照条件下的萌发特性，提出以下科学问题：(1)在不同温度处理下盐桦种子萌发如何响应？(2)在不同温度处理下盐桦种子萌发是否会对不同浓度盐表现出差异？(3)在不同温度处理下盐桦种子萌发是否会对不同光照表现出差异？本研究以期为利用盐碱地发展盐桦种植产业提供理论依据，同时为干旱区盐桦保护提供合理的保育策略。

1 材料与方法

1.1 盐桦种子采集

2019年7月，盐桦完全成熟的种子采集于中国科学院吐鲁番沙漠植物园。种子在室温下晾干后，清理干净。然后将清理干净的盐桦种子，分别保存于信封中备用。

1.2 萌发试验

1.2.1 温度萌发试验

种子萌发试验：2张滤纸放入培养皿(直径长5 cm)中，加入蒸馏水，分别置于20/5℃、25/10℃、30/15℃、35/20℃变温、光照-黑暗交替12 h/12 h的培养箱中培养。每天补充蒸发掉的水分。测定指标：萌发过程中每天观察记录1次萌发情况，种子萌发以胚根露出种皮为准，连续观察记录20 d，计算其萌发率、萌发指数和萌发率达到50%的时间。

1.2.2 盐分萌发试验

种子萌发试验：2张滤纸放入培养皿(直径长5 cm)中，分别加入不同浓度氯化钠(NaCl)溶液至滤纸饱和，每皿放入25粒种子，4次重复。分别设4个NaCl处理：50、100、200和300 mmol/L，均以蒸馏水为对照(CK)，再分别置于20/5℃、25/10℃、30/15℃、35/20℃变温、光照-黑暗交替12 h/12 h的培养箱中培养。每天补充蒸发掉的水分。测定指标：萌发过程中每天观察记录1次萌发情况，种子萌发以胚根露出种皮为准，连续观察记录20 d，计算其萌发率、萌发指数和萌发率达到50%的时间。

1.2.3 光照萌发试验

种子萌发试验：2张滤纸放入培养皿(直径长5 cm)中，分别置于20/5℃、25/10℃、3015℃、35/20℃变温、光照-黑暗交替12 h/12 h或全黑暗(锡纸包裹)。光照-黑暗交替12 h/12 h测定指标：萌发过程中每天观察记录1次萌发情况，种子萌发以胚根露出种皮为准，连续观察记录20 d，计算其萌发率。

1.3 萌发参数测定

萌发率=每天统计萌发种子数/供试种子数×100%；萌发指数=Σ(Gt/Dt)(Gt指在时间t日内的萌发数，Gt/为相应的萌发天数)；萌发率达到50% 时间(天)=萌发率达到50%的天数。

1.4 数据分析

使用SPSS 16.0 统计分析软件进行分析所有试验数据的平均值和标准误，并对所有试验数据进行差异显著，采用Ducan检验来比较处理间差异。

2 结果分析

2.1 温度对盐桦种子萌发特征的影响

温度显著影响了盐桦种子萌发率、萌发指数和萌发率达到50%时间(表1)。20/5℃(低温)或 35/20℃(高温)显著降低了盐桦种子萌发率和萌发指数，推迟了萌发率达到50%的时间。综合比较，盐桦种子萌发对温度的适应变化幅度较小，在20/5℃、25/10℃、30/15℃、35/20℃，盐桦种子萌发的适宜温度为25/10℃ 或 30/15℃，在此温度下，盐桦种子萌发率较高。

表1 温度对盐桦种子最终萌发率、萌发指数和萌发率达到50%时间的影响Table 1 Effects of temperature on germination percentage, germination index, and time 50% germination of B. halophila

2.2 不同温度下NaCl对盐桦种子萌发特性的影响

温度和盐分以及二者的交互作用对盐桦种子萌发的影响都是极显著的。在同一温度、光照下，盐桦种子的萌发率与萌发指数随着盐胁迫浓度增加呈现下降的趋势；温度和盐分对盐桦种子萌发的存在互作关系，20/5℃(低温)或 35/20℃(高温)均显著降低了盐桦种子萌发的耐盐性。盐桦种子萌发率和指数均受到NaCl的显著影响(图1)。在较低浓度NaCl(50 mmol/L)，盐桦种子萌发率并未显著降低萌发率；在较高浓度NaCl(100 mmol/L)，盐桦种子萌发率显著降低，降低程度受到20/5℃(低温)或 35/20℃(高温)急剧加强；即使在合适温度时(25/10℃)，100 mmol/L NaCl处理下，盐桦种子萌发率仅为52%，说明了盐桦对NaCl耐受性较低。

在合适温度时(25/10℃)，为便于研究盐桦种子萌发时的耐NaCl程度，分别测得盐桦在不同NaCl浓度处理下的萌发率后，以对照所对应的萌发率为基数，其他浓度下的萌发率与其相比，然后将萌发率与相对应的NaCl浓度之间，进行回归相关分析。NaCl胁迫下的萌发率，随NaCl溶液浓度的升高而降低，相对萌发率与NaCl溶液浓度表现出显著的负相关关系，其相关系数为R2=93%，回归方程为: y=-0.2447x+74.4052；根据已有文献，分别以盐桦种子的相对发萌发为50%、0%时所对应的NaCl浓度，作为种子萌发时，盐浓度的临界值、极限值，将其代入方程分别计算。由计算结果可知，盐桦种子对NaCl在萌发期的耐盐临界值为99.7 mmol/L、极限值为304.0 mmol/L。

2.3 不同温度下光照对盐桦种子萌发特性与幼苗生长的影响

如图2所示，温度极显著地影响盐桦种子萌发(F=106.06，P<0.001)，光照极显著地影响盐桦种子萌发(F=123.85，P<0.001)，光照和温度的交互作用对盐桦种子萌发的影响也显著(F=4.03，P<0.05)。在同一温度下，光暗交替与全黑暗条件相比，种子萌发率更高，且随着温度越低两者差异越大。

图1 NaCl对盐桦种子萌发率的影响Fig.1 Effects of NaCl on germination percent of B. halophila seeds

表2 不同温度下NaCl对盐桦种子萌发率和萌发指数的影响Table 2 Effects of NaCl on germination percentage, germination index, and time 50% germination of B. halophila under different temperature treatments

图2 光照对盐桦种子萌发率的影响Fig.2 Effects of light on germination percent of B. halophila seeds under different temperature注：不同的小写字母表示不同光照条件间差异显著(P < 0.05)。

3 讨论

许多研究重点报道了有关盐桦的组织培养、幼苗生长和生理生态的研究[13-17]。本研究最先报道了有关盐桦对温度、盐分和光照的种子萌发与幼苗生长响应，试验结果表明，温度过低或过高均显著地影响了盐桦种子萌发；温度和盐分、温度与光照对盐桦种子萌发存在互作关系，低温或高温均显著降低了盐桦种子萌发的耐盐性；在同一温度下，光暗交替与全黑暗条件相比，种子萌发率差异达到显著水平。

3.1 温度

种子对温度、光照的响应是其萌发的重要环节。15～25℃是盐生植物种子萌发的最适温度范围，5～15℃和25～35℃的变温不利于种子萌发[18]。植物利用昼夜温度上的变化，使种子在一年中最适季节、最适时间萌发，昼夜温度的变化对盐生植物的种子萌发有促进作用[19]。研究结果表明盐桦种子萌发对温度的适应变化范围较狭窄，盐桦种子萌发的适宜温度为25/10℃或30/15℃，在此温度下，盐桦种子萌发率较高。温度显著地影响盐桦种子的萌发速率，但温周期过高或过低，萌发率均较低。阿勒泰地区初春时，温度过低抑制了盐桦萌发速率，阻止了种群更新，这也是引起盐桦濒危的原因之一。

3.2 盐分

盐分抑制种子萌发机制可能是盐离子毒害和离子渗透共同作用引起的毒害[20]。当外界盐浓度超出细胞所能承受极限值时，势必使得细胞造成伤害，引起细胞膜结构受损、细胞失水、生理代谢速率下降等，从而抑制种子萌发，并且与盐浓度呈正相关，盐分浓度越高，对种子萌发的抑制作用越强[21,22]。研究表明盐桦种子萌发率和环境盐分浓度存在密切关系，即使在适温度时(25/10℃)，100 mmol/L NaCl处理下，盐桦种子萌发率为52%，说明了盐桦对NaCl耐性较低。随着盐浓度的增加发芽率逐渐降低，并在300 mmol/L的高盐环境中无法萌发。这表明盐桦种子在萌发过程中会受到盐碱环境的抑制，这与有关盐桦种子萌发时期耐盐阈值仅为0.2%的研究结果一致[6]。盐渍环境下种子萌发是盐生植物生长的关键及敏感阶段，其萌发能力和耐盐能力往往影响着植物种群的分布范围[18]。研究表明1年生盐桦幼苗的耐盐阈值约为1.8%[4]，盐桦尽管较耐盐碱，但其种子在土壤盐碱度较高地区很难自然萌发更新。因此，相对较低的种子耐盐阈值和自然界萌发时为低温时期，可能是最终导致其灭绝的重要原因。

3.3 光照

光照为植物种子萌发过程中的重要生态环境影响因子之一，但光照不是调控种子萌发的必要条件[19]。光照影响盐生植物种子萌发的机制不同与植物基因有关。许多报道有关盐生植物种子萌发过程中对光照的影响不敏感，例如梭梭(Haloxylonammodendron(C. A. Mey.) Bunge)种子[19]、囊果碱蓬(SuaedaphysophoraPall.)[23]种子在光照与黑暗条件下的发芽率的差异不显著。但盐桦萌发过程在光照与黑暗条件下的萌发的差异均达到显著水平，对光照敏感，属于光敏感种子，可能与盐桦种皮厚有关，阻止了种子对光的感应，从而致使盐桦种子萌发过程中某些特有的感光酶因感受不到光或感受的光强度不够，而不能很快被激活，表现为萌发受到抑制。因此，本研究表明光照是盐桦种子萌发的主要生态环境因子。

综上所述，温度与盐分是盐桦种子萌发的最主要两个限制性生态环境因子，同样光照也是主要生态因子。仅当温度相对较高、盐分积累减弱的晚春时期，盐桦种子才具最强的萌发活力。