木麻黄种子老化特征及其影响因素

王 玉， 黄 潇， 郝清玉

(热带岛屿生态学教育部重点实验室，海南省热带动植物生态学重点实验室，海南师范大学生命科学学院， 海口 571158)

种子老化是自然界的普遍现象，将导致发芽率、活力、生活力降低，抑制种胚正常发育以及幼苗生长[1-2]。种子老化是一个逐渐发生的过程，一旦成熟，即开始走向老化，而且这一过程是不可逆的[3]。种子老化按发生方式的不同可以分为自然老化和人工老化等[4]。人工老化是通过高温、高湿法加速供试种子生理生化劣变，从而更直接、迅速地考察和判定其老化特性[5-6]。自然老化所需时间较长，人工老化时间较短并且可以控制，人工老化效果较好，与种子的自然老化相吻合，故常用人工老化代替自然老化来对种子活力进行研究[7]，但李稳香和颜启传[8]对杂交水稻自然老化种子与人工老化种子性能差异研究表明，杂交水稻的人工老化与自然老化机制有所不同，表现出细胞膜受损程度、发芽率、生长性能、植株高度、生育期等有所差异。种子老化速率受温度、湿度、水分、盐等环境因素的影响[7]，并且高温和高湿共同作用的结果比单一作用更强[4]。种子老化与贮藏环境相关[9-10]，如果贮藏条件适宜，老化进程较慢，若恶劣，则会加速衰老和劣变[11]。种子也是多种有益菌和病原菌的传递载体[12]，在高温、高湿环境中，种子携带的微生物多样性更加丰富[13]，若保存条件不佳，会因有害微生物的活动而引起种子生活力的降低和丧失[14-15]，从而加速种子老化。除环境和微生物影响种子老化外，种子的生物学特性也是决定其抗老化能力的主要因素，如：高温(45±1)℃、高湿(95%相对湿度)，96 h老化后，3个大豆品种均无发芽能力，而绿豆和红小豆所有品种的发芽率在88%以上，仍然具有种用价值[16]。种子老化机理涉及众多复杂的生理生化反应过程，其中包括：膜脂过氧化，保护酶钝化，蛋白质降解，相关基因表达紊乱以及核酸降解等生理生化反应[16-18]，质膜完整性降低，内部保护酶系统活性减弱，有毒有害物质累积等[19]。马元成和王彦龙[7]在种子老化研究进展中将种子老化理论概况为：氧化损伤理论、脂质过氧化模型和“生命速率”氧化理论。

木麻黄(CasuarinaequisetifoliaL.)具有良好抗旱性能[20]，幼龄阶段生长迅速，抗风性能强，且耐土壤贫瘠等，因此木麻黄已成为我国华南和东南沿海地区重要的生态防护林和用材林树种，对沿海沙地的植被恢复起到不可替代的作用[21]。但研究发现，木麻黄林下存在天然更新困难[22-24]，及无法实现天然更新[25]的问题。研究表明，木麻黄种子雨雨量充足，散播时间长，新鲜种子的萌发率约为50%，但种子雨的平均萌发率较低(11.31%)[25]，因此，推测木麻黄自然生境种子雨老化可能是影响木麻黄天然更新的因素之一。目前关于种子老化方面的研究很多，但木麻黄种子老化的研究尚未见报道。本研究以木麻黄自然老化和人工老化相结合的方法，探究木麻黄种子老化的特征及其影响因素，以期为种子老化、天然更新障碍等机理提供基础理论依据，为木麻黄海防林植被恢复与重建等提供技术支持。

1 试验地区概况及研究方法

1.1 试验区域概况

试验区域位于海南省海口市后尾村附近的木麻黄沿海防护林，东经110°26′30.71″，北纬20°02′36.73″，属于热带季风气候。全年日照时间长，辐射能量大，年平均日照时数达2 000 h以上，太阳辐射量可达110 000～120 000卡。年平均气温24.3 ℃。年平均降水量2 067 mm，年平均蒸发量1 834 mm，常年风向以东南风和东北风为主，年平均风速3.4 m·s-1。土壤为滨海沙土，土壤贫瘠，土壤pH值为6.1。木麻黄林分密度为1 750株·hm-2，平均胸径为7.27 cm，平均树高为9.33 m，凋落物厚度为6.00 cm，郁闭度为0.80，光照度为11 524 lx。

1.2 研究方法

1.2.1木麻黄种子采集及萌发

老化试验所用的木麻黄种子于2019年9月种子成熟期采于试验区，采集木麻黄新鲜球果，室内晾干后经过脱粒净种、自然干燥后备用。种子萌发采用纸间法，将各种老化处理的种子均匀置于铺有双层充分湿润滤纸的培养皿(直径90 mm)中，培养20 d，每日定量向培养皿补充蒸馏水并记录萌发的种子数。萌发的种子以胚芽或胚根长度长于种子的长度为准。实验室自然老化和水分反复胁迫老化试验每皿50粒，木麻黄原生境种子老化试验每皿30粒，重复3次。

种子抗老化能力用种子发芽率来表示，相同老化时间，种子发芽率越低，表明其抗老化能力越差。另外，随着老化时间的延长，种子发芽率的变化曲线等同于种子老化的变化曲线。

1.2.2实验室自然存放条件下种子老化

将试验用的种子不经任何密封或保存处理，直接放置在实验室内任其自然老化。试验期间，每周随机取种一次，用于萌发试验，共持续27周。

1.2.3木麻黄原生境条件下种子老化

为了探究原生境不同微生态环境对木麻黄种子老化的影响，分别将木麻黄种子网袋置于林冠、林缘和林窗中的树上和树下的木麻黄凋落物中，种子老化的处理方式详见表1。其中，对照组为实验室自然条件下存放，探究良好存放条件下种子的自然老化速率；木麻黄原生境种子老化试验主要模拟种子雨散落到不同微生境的自然老化速率。为了便于老化种子的回收，将试验种子装入(7 cm×5.5 cm)100目尼龙网袋中，热封网袋口，每袋种子不少于200粒，每个试验组合10袋，共120 袋。每3天从各处理中取回1袋，共取10次。每次取回的种子，每袋随机分为两部分，一半种子取回后立刻进行萌发，另一半水分平衡24 h后进行萌发。

表1 种子老化实验处理方式

1.2.4水分反复胁迫条件下种子老化

水分反复胁迫老化是指种子处于干、湿交替条件下对种子老化的影响，其中用30%的聚乙二醇(PEG)溶液浸泡种子来模拟种子干旱胁迫。种子老化处理分为潮湿、干旱和干、湿交替处理，共计6个处理组，其中1个为对照组，不同处理组的处理时间详见表2。该老化试验同样将种子装入(7 cm×5.5 cm)100目尼龙网袋中，热封网口，每袋50粒，每个处理3个重复(3袋)，共18袋。老化结束后，将种子水分平衡48 h后，置于30 ℃培养箱进行种子萌发。

表2 种子老化处理方法

1.2.5数据处理及分析

使用Microsoft Excel 2019软件及SPSS 19.0软件统计分析数据，Origin 2017软件制图。对种子萌发率等数据间差异显著性使用一般线性模型单变量方差分析(Duncan 多重比较)，差异显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 实验室条件下自然老化对种子发芽率的影响

如图1所示，在实验室自然存放的条件下，截止到试验末期(27周)，发芽率曲线一直呈小幅波动变化，并没有出现逐渐递减的变化趋势。试验期内，种子发芽率的变化范围为42.0%～72.0%，其中最小值出现在第8周，最大值则出现在第10周。发芽率最小值虽然显著低于最大值，但发芽率最小值仅显著低于其他8个周次的发芽率，与其他18个周次的发芽率则无显著差异；发芽率最大值也仅显著高于其他3个周次的发芽率，与其他23个周次的发芽率无显著差异。

2.2 木麻黄原生境条件下自然老化对种子发芽率的影响

如图2 a所示，在原生境自然条件下，处理1的种子发芽率曲线呈缓慢递减的趋势，而ck和处理2的种子发芽率曲线则呈波动变化趋势，表明ck和处理2种子尚未出现老化迹象。总体来看，挂在树上的处理1和处理2发芽率曲线均明显高于ck，且试验期内处理1和处理2的平均发芽率显著高于ck(p<0.01)。

从图2 b～图2 d可知，放置在林下的木麻黄种子，无论是哪种生境条件下，随着老化时间的延长，其发芽率均呈快速递减的趋势，表明置于林下的木麻黄种子老化迅速。从发芽率曲线的变化过程可以看出，木麻黄种子的老化可划分为快速老化(2周内)和缓慢老化(2周后)2个进程。置于凋落物不同层次的种子发芽率曲线基本上是腐殖质中的位于最上面，凋落物上的位于最下面，凋落物中的则介于两者中间，表明种子的老化速度是凋落物上>凋落物中>腐殖质中。另外，与林窗和林缘相比，在林冠下凋落物不同层次的种子发芽率递减速度较为缓慢，表明林冠下种子老化速度相对较慢。

试验期内种子各老化天数的平均发芽率结果表明(图3)，悬挂在树干上的处理1和处理2的发芽率较高，分别为63.556%和61.500%，显著高于ck(54.944%)。置于林下不同凋落物层的种子发芽率显著低于ck，其中置于林缘中腐殖质层的处理8种子发芽率最高，为22.5%，显著高于其他林下处理；置于林窗下凋落物上的处理3的种子发芽率最低，仅为6.667%，显著低于其他林下处理组。结果表明，置于林下凋落物上和凋落物中的种子老化速度明显，且显著快于ck和树上的种子。

林下各处理不同老化时间种子平均发芽率的结果(图4)表明，置于林下凋落物中3 d的发芽率与ck无显著差异(p<0.01)，但随着老化时间的延长，6、9 d和15 d的发芽率发生快速降低，且彼此之间差异显著，由3 d的53.457%，降为6 d的27.840%，9 d的15.185%和15 d的6.173%。之后，发芽率发生小幅波动，并缓慢降低，30 d时降低到2.963%。

2.3 水分反复胁迫对种子发芽率的影响

从图5可知，处理组3和处理4的发芽率较低，分别为15.33%和19.33%，显著低于ck(32%)，其中处理3和处理4均为水分反复胁迫处理组，分别为：蒸馏水浸泡(8 h)→PEG溶液浸泡(16 h)→蒸馏水浸泡(8 h)→PEG溶液浸泡(16 h)和蒸馏水浸泡(16 h)→PEG溶液浸泡(8 h)→蒸馏水浸泡(16 h)→PEG溶液浸泡(8 h)。处理1、2和处理5与ck的发芽率则无显著差异，表明水分反复胁迫会加速木麻黄种子老化，而连续2 d的水泡(处理1)，2 d的PEG干旱胁迫(处理2)和1次干湿交替胁迫(处理5)均不会显著加速种子老化。

3 讨论与结论

种子老化不仅影响种子萌发与幼苗生长，也会影响植物生长后期的产量与品质[1-2]。置于实验室和悬挂在树上的木麻黄种子自然老化不明显，而置于木麻黄林下不同凋落物层中的种子则发生快速老化，其中老化速度为林窗下>林缘下>林冠下，凋落物上>凋落物中>腐殖质中，这充分表明加速木麻黄种子老化的原因是种子所处的微生态环境的异质性，其中，水分生态因子的急剧变化是一个重要原因。无论是室内还是室外原生境，水分生态因子相对稳定的环境，如ck组、树上、林冠下和腐殖质层，有利于木麻黄种子保持活力，而林窗-凋落物表层，因水分生态因子的激烈波动则会显著加速种子的老化。高温和木麻黄化感物质对其老化应该没有什么直接影响，因为木麻黄凋落物浸提液对种子萌发没有显著影响，设定温度对种子的发芽率也没有显著影响[26]。湿润环境对种子老化的影响也很有限，因为最底层腐殖质层的湿度要高于上面凋落物中和凋落物表层，然而发芽率则相反。在高温、高湿及各种微生物共同作用下，霉菌的浸染是否会加速种子的老化，尚有待深入研究。

杨彬等[25]对本研究区木麻黄种子雨时空动态研究结果表明，每2周收集一次的种子雨平均发芽率较低，仅11.31%，且种子雨发芽率出现大幅震荡波动，最高发芽率为30.00%，显著低于同期新鲜种子的发芽率(58.43%)。两者之间的差异可以通过本研究种子老化的原因进行解释，因为种子雨的收集周期与种子快速老化的周期相重合，且种子雨收集网是直接铺在木麻黄凋落物上的，因此至少有1/2的种子雨已经历了6 d种子老化的快速期，因而种子雨的平均发芽率才会如此低。种子雨发芽率出现大幅波动表明木麻黄原生境生态因子的异质性，尤其是气温，晴天-雨天交替变化导致种子老化速度不同，从而影响种子雨发芽率。

木麻黄种子在经反复水分胁迫后种子萌发率明显比其他处理组低，其原因是种子萌发需要吸水，但是反复胁迫使种子吸水被打断，使种子萌发受到抑制或发芽延迟[27]。在短时间内补水即可恢复萌发，长时间缺少或者水分反复胁迫会降低种子萌发率，其中水分反复胁迫对种子萌发率影响最大。海南降雨较为频繁，气温也较高，种子被雨水浸泡后会因为高温、阳光直射导致水分蒸发而受到胁迫，致使木麻黄种子老化加速，推测海南的特殊气候环境可能是加速木麻黄种子老化的原因。

综上所述，木麻黄原生境条件下，种子雨若在短时间内因缺少适宜萌发的环境而不能萌发，则会因快速老化而影响其发芽率，从而影响木麻黄天然更新。