直立委陵菜种子萌发对环境因子的响应

李 阳，李 想，丁芳兵，李 倩

(1. 陕西省西安植物园(陕西省植物研究所)，陕西 西安 710061；2. 陕西省植物资源保护与利用工程技术研究中心，陕西 西安 710061；3. 陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300)

种子将植物的各个世代联系起来，因此种子是植物生活史中最重要的阶段。种子萌发特征决定了植物更新、幼苗存活以及种群的延续[1]。除种子大小、活力、成熟度以及休眠等内在因素外，种子萌发还受到外界环境因子的综合影响。通常认为，温度、光照和水分是影响种子萌发的主要环境因素[2]。种子萌发过程中，外界温度起到至关重要的作用[3～5]。种子萌发实际上是一个代谢过程。温度通过影响代谢过程中酶的活性来影响种子萌发结果。此外，光照等其他环境因子必须结合适宜的温度才能对种子萌发起到干涉作用[6]。光周期通常被认为是提示外界环境是否适宜的萌发信号[7]。在自然环境中，温度和光周期通常是相匹配的。水分环境也是种子萌发过程中一个重要的环境因子。得到足够的水分，种子才能开始萌发。然而在自然生态系统中，在适宜萌发的季节其环境温度和光周期通常符合种子萌发需求，但是水分胁迫即干旱是常发生的情况。在全球环境变化背景下，降水格局发生剧烈改变，原本适宜萌发的季节内发生干旱的情况将越来越激烈。因此，那些具有一定抗旱性的种子在这样背景下可以保证种子萌发，进而影响种群动态和群落特征，最终对生态系统结构和功能造成一定的影响。

直立委陵菜(Potentillarecta)，蔷薇科多年生草本植物。茎直立，高15～50 cm[8]，具有一定的观赏性，常作为观赏植物被引种。直立委陵菜在欧亚大陆广泛分布[9,10]，具有很强的适应能力和竞争能力[11]，常常在分布地形成优势种群[12,13]。此外，直立委陵菜因其具有较强的表型可塑性[14]和较大的种子产量入侵到北美洲多地[10,15,16]，对当地生态系统、农田生产产生较大影响[12,13,18]。直立委陵菜仅行有性生殖即仅依靠种子进行繁殖[19]。因此，研究其种子受控因素，有助于我们理解直立委陵菜种子萌发机制、种群繁殖对策以及入侵机理，为人工栽培、预防和控制入侵提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

直立委陵菜种子于2018年9-10月收集于陕西省西安植物园。于室外风干保存至第二年春天。

1.2 试验方法

采用培养皿滤纸法进行温度和光照强度对种子萌发特性研究。选取50粒饱满，大小均匀一致的种子，用万分之一天平称重后，再用75%酒精消毒3 min，用蒸馏水冲洗干净，用滤纸吸干种子表面的水分，放置于直径为90 mm的铺有两层滤纸的培养皿中。将培养皿置于人工气候箱内培养，气候室内有效光量子密度为250 μmol·m-2·S-1。设置四组温度：10℃，15℃，20℃，25℃。每个温度再设置两个光照长度：16 h/8 h(16 h光照/8小时黑暗)，12 h/12 h(12 h光照/12 h黑暗)。共8个处理，每个处理5个重复。

采用培养皿滤纸法进行干旱胁迫对种子萌发特性研究。首先配置3个PEG6000浓度，分别是：5%PEG(溶质质量/溶液质量，下同)，10%PEG，20%PEG浓度。选取50粒饱满，大小均匀一致的种子，用75%酒精消毒3 min后，再用蒸馏水冲洗干净，最后用滤纸吸干种子表面的水分，放置于蒸馏水或者不同浓度的 PEG6000溶液中，进行浸种处理。24 h后用蒸馏水反复漂洗4～5次，并将种子放置于直径为90 mm的铺有两层滤纸的培养皿中。将培养皿置于人工气候箱内培养。气候箱内有效光量子密度为250 μmol·m-2·S-1，光暗周期为12 h/12 h, 昼夜温度为25℃/20℃, 相对湿度为70%。以蒸馏水浸种24 h的种子作为对照组。共4个处理，每个处理3个重复。

每天根据实际情况往培养皿中酌量添加蒸馏水。连续观察培养皿中种子萌发情况，每天定时统计种子萌发数。当连续5 d没有种子萌发则视为萌发结束。最后统计种子发芽率(Gr) 、发芽势(Ge)、发芽指数(Gi)等指标[20]。

1.3 试验指标测定方法

种子发芽率(Gr)=(萌发种子数/供试种子数)×100%

种子发芽势(Ge)= (七天萌发种子数/供试种子数)×100%

种子发芽指数(Gi)= ∑(Gt/Dt)

式中： Gt为t天内种子萌发数，Dt为种子萌发天数。

1.4 数据分析

温度和光照时间对种子萌发特征的影响数据采用二因素方差分析；水分胁迫对种子萌发特征的影响数据采用单因素方差分析；种子大小和发芽率相关性采用一般线性回归分析；样本间的差异显著性用t-检验。整个数据分析利用SAS9.0软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 温度和光照对直立委陵菜发芽特征的影响

将温度和光照时长作为主效应进行二因素方差分析，其结果表明：发芽温度显著影响直立委陵菜种子的最终发芽率(P< 0.001，图1a)，发芽指数(P<0.001，图1b)，发芽势(P< 0.001，图1c)。25℃和20℃的萌发温度对直立委陵菜种子最终发芽率、发芽势和发芽指数没有显著影响。而在15℃的萌发温度下，直立委陵菜种子最终发芽率、发芽势、发芽指数均显著降低。在10℃的萌发温度下，直立委陵菜种子不发芽。通过最终发芽率、发芽势和发芽指数可以推断，直立委陵菜的最适萌发温度在20～25℃之间。

光照时长虽然没有显著影响直立委陵菜种子的最终发芽率(P> 0.05，图1a)，却显著影响发芽指数(P<0.05，图1b)和发芽势(P< 0.05，图1c)。16h/8h的光照时长显著增加6.10%的发芽势，26.00%的发芽指数。通过光照时长对种子萌发特征的影响可以推断，直立委陵菜的萌发过程中喜好长时间的光照。

2.2 干旱胁迫对直立委陵菜发芽指标的影响

不同PEG-6000浓度的溶液没有显著影响直立委陵菜的发芽率(P> 0.05)、发芽势(P>0.05)和发芽指数(P> 0.05)。然而，t-检验得出，经过10%和20%PEG-6000溶液处理后的种子，其发芽率、发芽势和发芽指数均显著低于对照处理。

图1 温度、光照周期对直立委陵菜种子发芽特征的影响(a.发芽率，b.发芽势，c.发芽指数)

图2 PEG浓度对直立委陵菜种子发芽特征的影响(a.发芽率，b.发芽势，c.发芽指数)

2.3 直立委陵菜种子大小和发芽特征关系

在测定不同温度和光照对直立委陵菜种子发芽特征影响时，首先测定每个培养皿中种子质量，并换算成千粒重。结果表明：直立委陵菜种子的千粒重为0.1722±0.003 g(P> 0.05，n=30)。但是，直接分析在不同温度和光照条件下所有直立委陵菜的最终发芽率与其千粒重并没有呈现出显著相关关系(P> 0.05，图3a)。而在25℃和20℃发芽温度以及16 h/8 h的光照条件下，直立委陵菜种子的千粒重和最终发芽率呈显著相关关系(P< 0.001，图3b)。

图3 直立委陵菜种子大小对发芽率的影响

3 讨论

种子是植物生活史中最关键的阶段。种子萌发及幼苗生长阶段对环境的适应能力决定了植物种群的繁衍与发展[21]。种子萌发受到自身因素和外界因素的共同作用。而影响种子萌发的外界环境因子因种子生物学特征不同而存在一定的差异[22]。

温度是影响植物种子萌发和出苗最重要的环境因子之一[22]。通常认为，低温环境抑制种子内部酶的活性，从而影响种子萌发；同样，高温环境可以导致酶失活，进而抑制种子萌发。但是不同种子的最适萌发温度不同，通常认为和物种原生境相关[21]。研究发现，直立委陵菜种子在15℃～25℃时均可以萌发，其萌发温度范围较为宽泛，有利于其扩散到不同温度带的生境中。直立委陵菜在15℃时已经开始萌发，表明其可以在早春较冷的环境中进行萌发，迅速占据环境中的空间、养分，为后期幼苗的生长和竞争奠定有利的基础。同时，直立委陵菜种子在15℃的萌发温度下，其各项萌发指标均显著低于在20℃和25℃萌发温度下的各项萌发指标；而20℃和25℃的萌发温度下，直立委陵菜种子萌发特征没有显著差异，这说明直立委陵菜的种子萌发适宜温度在20～25℃。

光是调节种子萌发的重要环境信号[7]，但不同植物种子萌发所需要的光周期不同。通常情况下，较小种子的萌发需要长时间光照刺激[33,24]。笔者研究证实了这个观点。作为一种比较小的种子(种子千粒重：0.1722±0.003 g)，直立委陵菜种子在萌发过程中表现出对长光照的喜好。分析其原因可能在于，相比较而言，小种子体内所蕴含的养分物质较少，更需要准确地在环境适宜情况下启动萌发，来保证萌发的成功。所以，小种子对光周期信号的依赖性更强。此外，根据silvertown的“大小--数量”权衡规律，植物尤其是入侵植物通常产生大量且未完全发育的种子，这些种子需要经过种子自身的需光发育[24]。相比较完全发育种子，未完全发育的种子的质量通常要小。这种“需光发芽”策略可以保证该植物具有可以产生更多后代的可能。此外，研究也证明了温度可以改变其他环境因子如光照条件对种子萌发特征的影响[8]。例如，在笔者研究中，直立委陵菜种子在较高温度(25℃)萌发时，对光照时长要求不显著。但随着温度降低，较长光照时间(16 h/8 h)可以弥补因为低温(15℃)而带来萌发特征的降低趋势。光照时长和温度对直立委陵菜种子萌发特征的这种互补效应可能导致其萌发过程对环境依赖性降低。这可能是直立委陵菜可以在欧亚大陆广泛分布，并能成功入侵到北美等地的原因之一。

水分是种子萌发的首要条件[25]。在干旱半干旱地区，水分对种子萌发及幼苗生长的影响更为重要[26]。种子在萌发过程中，通过调节保护酶活性及体内渗透调节物质来抵消水分胁迫的影响。随着水分胁迫的增加，种子的萌发特征均呈现下降趋势。但是不同植物对水分胁迫的耐受性不同，可能与其原生境有关[21]。研究的结果表明，经过轻度干旱胁迫的种子，其萌发特征和对照差异不显著，说明直立委陵菜种子在萌发过程中抗一定程度的干旱。但是随着干旱程度的增加，其萌发特征受到显著抑制。这又说明直立委陵菜适应一定程度的干旱胁迫，但抗干旱能力有限。直立委陵菜种子萌发过程对干旱的耐受特点与其原生境息息相关。直立委陵菜原产于我国比较干旱的西部地区，因此其在萌发过程中可以忍受一定程度的水分胁迫。这一特性也导致其可以从干旱地区向湿润地区的扩散入侵。

除外界因素外，种子自身的内在因素也影响着其发芽特征。根据笔者研究结果，在适宜环境中，直立委陵菜种子的大小显著影响其发芽率。这说明相对来说大的种子蕴含更多的养分，可以保证种子在萌发过程中所需的养分。而大种子在种子萌发特征上的优势，也为后期幼苗成功定植、种群动态发展提供了有利条件[21]。在笔者实验中，在其他环境条件下，直立委陵菜种子大小和发芽率并没有呈现出显著相关性，分析其原因可能是不利的发芽环境尤其是低温显著抑制了直立委陵菜种子的萌发。

4 结论

直立委陵菜种子的萌发特征与其生活环境有关。在我国，直立委陵菜主要分布在西部地区的草地生境中[27]。通常情况下，西部地区的光照条件比较好，而水分是主要的限制因子[26]。因此直立委陵菜的种子具有一定的抗干旱能力。直立委陵菜种子萌发过程中耐一定程度的干旱、以及种子萌发过程中对温度和光照的互补性需求，导致其萌发率较高[16]。再加之其较大的种子产量[16]，可能是直立委陵菜在欧亚大陆广泛分布且在多个地区形成优势种群并能成功入侵到北美的主要因素之一。