皱叶酸模种子萌发对光照和温度的响应

乐靖宇，冯金慧，刘瑞曦，邓志军

(1.生物资源保护与利用湖北省重点实验室(湖北民族大学)，湖北 恩施 445000；2.恩施州特色植物资源种质工程技术研究中心(湖北民族大学)，湖北 恩施 445000)

种子萌发一般被视为种子植物生活史的开端.种子的萌发特性除了受控于自身的遗传特性外，还受到温度、光照等环境因子的影响.大部分种子都存一个适宜萌发温度范围，温度过高或过低都不萌发[1].根据种子萌发行为对光照条件的响应，可将种子分为需光性、忌光性和光中性三类种子[2].对于需光性种子来说，光是调控其萌发的主要环境因子，感知光信号的受体主要是光敏色素[3].光敏色素是一类吸收红光-远红光的可逆转光受体，存在两种类型，红光吸收型(Pr)和远红光吸收型(Pfr)，两者可相互转化，Pr吸收红光后转化为Pfr，Pfr吸收远红光后转化为Pr，Pfr是生理活性型[4].光敏色素同时也是温度受体，即光温二受体.Pfr可不依赖于光，仅受温度影响也可转化为Pr，称之为热逆转或暗逆转[5].光照和温度可通过光敏色素共同调控种子休眠与萌发[2,6].目前，光、温信号协同调控种子休眠与萌发的具体机制还知之甚少.

皱叶酸模(Rumexcrispus)为蓼科(Polygonaceae)酸模属多年生草本植物，种子初夏成熟，多生于田边、路旁、河滩及沟边湿地等处，遍布欧亚和北美各地，在医药[7-11]、环保[12-13]、食品[14-18]等方面均具有重要的应用价值.酸模属多种植物的种子历来就是研究光照调控种子萌发机制的理想材料[19-21].

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试皱叶酸模种子于2018年6月采自湖北省恩施市湖北民族大学，去除果皮和杂质后充分混匀，于室内平铺成一薄层阴干，7 d后用于下述试验，剩余种子置于4 ℃冰箱密封保存.

1.2 初始萌发测试

设置交替光照[12 h light /12 h dark,PPFD=121 μmol/(m2·s)]和全黑暗(铝箔纸严密包裹)两种光照条件，每种光照条件下设置10、15、20、25、30 ℃等5个温度梯度.每个处理均设4次重复，每次重复50粒种子.将种子播于垫有两层滤纸的培养皿(直径为9 cm)中，添加适量蒸馏水后放入设置好光照和温度条件的光照培养箱中培养.每天晚上统计并记录萌发种子数，统计时关闭窗帘和荧光灯，在绿光灯下进行.以胚根突破种皮2 mm作为萌发的标准.按下列公式计算各萌发参数.

式中，G表示萌发率,GP表示发芽势,GI表示发芽指数.n表示发芽种子数，nt表示第t天发芽的种子数，N表示供试种子总数.Gt为每日发芽种子数，Dt表示相应发芽天数.

1.3 光暗交替处理萌发测试

分别在15 ℃和25 ℃两种恒温条件下进行光暗交替处理萌发测试.① 光照转黑暗处理.在交替光照[12 h light /12 h dark，PPFD=121 μmol/(m2·s)]条件下培养1、2、3、4 d后转到全黑暗(铝箔纸严密包裹)条件下继续培养；② 黑暗转光照处理.在全黑暗条件下培养1、2、3、4、5、6、7、8 d后转到交替光照条件下继续培养.其余萌发测试条件和方法同前述初始萌发测试一样.

1.4 统计分析

统计分析和做图均使用R软件(R version 3.5.2,2018)完成.萌发率、发芽势和发芽指数均使用单因素方差分析方法和Student-Newman-Keuls(S-N-K,P=0.05)方法进行多重比较，光照和温度交互作用采用双因素方差分析方法.萌发率数据在统计分析前先进行反正弦转化.文中的统计数值均以(平均值±标准误)表示，小数点后面保留两位有效数字.

2 结果分析

2.1 温度和光照对皱叶酸模种子萌发的影响

不管是在交替光照条件下还是在全黑暗条件下，新采收的皱叶酸模种子在15～25 ℃条件下均可萌发，而在较低的10 ℃和较高的30 ℃则均几乎无萌发(如表1所示).温度和光照对新采收的皱叶酸模种子的萌发具有极显著的影响(如表1所示).种子的萌发率、发芽势和发芽指数在交替光照和全黑暗条件下均随着培养温度升高呈现先升后降的变化趋势，且除了几乎无萌发的10 ℃和30 ℃外，在相同温度条件下，交替光照条件下的萌发率、发芽势和发芽指数远高于全黑暗条件下的相应萌发参数值.综合萌发率、发芽势和发芽指数来看，皱叶酸模种子在交替光照条件下的最适萌发温度为25 ℃，在全黑暗条件下的最适萌发温度为20 ℃.双因素方差分析显示，温度和光照处理对皱叶酸模种子萌发具有极显著的交互作用(P<0.01;如表2所示).

表1 光照和温度对皱叶酸模种子萌发率、发芽势和发芽指数的影响Tab.1 Effects of light and temperature on germination rate,germination potential and germination index of Rumex crispus seeds

表2 光照和温度对皱叶酸模种子萌发影响的双因素方差分析Tab.2 Two-factor covariance analysis on the effect of light and temperature on the Rumex crispus seed germination

2.2 在不同培养温度下皱叶酸模种子萌发对光暗交替处理的响应

为研究皱叶酸模种子萌发的光温敏感性，在种子可萌发温度范围(15 ℃～25 ℃)内，选择较低温(15 ℃)和较高温(25 ℃)进行光暗交替实验.对于交替光照转全黑暗处理，15 ℃和25 ℃条件下的实验结果相类似，先在交替光照条件下预培养1 d后再转到全黑暗条件下继续培养，其最终累积萌发率显著低于交替光照对照组(P<0.05)，并显著高于全黑暗对照组(P<0.05)；而先在交替光照条件下预培养大于1 d时间后再转到全黑暗条件下继续培养，其最终累积萌发率均与交替光照对照组无显著差异(P>0.05)，但都显著高于全黑暗对照组(P<0.05;如图1A,C所示).

L：交替光照对照组；D：全黑暗对照组；L1～L4：在交替光照条件下预培养1～4 d后转到全黑暗条件下继续培养；D1～D8：在全黑暗条件下预培养1～8 d后转到交替光照条件下继续培养.标有相同小写英文字母的数据间无显著差异(P=0.05,n=4).图1 光暗交替处理对皱叶酸模种子萌发的影响Fig.1 Effects of light and dark alternation on Rumex crispus seed germination

而对于全黑暗转交替光照处理，15 ℃和25 ℃条件下的实验结果却显示出极大不同.在25 ℃条件下，不管在全黑暗条件下预培养多久(1～8 d)，转到交替光照条件下继续培养后都能达到很高的累积萌发率，与交替光照对照组无显著差异(P>0.05)，并都远高于全黑暗对照组(P<0.05;如图1D所示)；而在15 ℃条件下，当在全黑暗条件下预培养时间大于等于6 d时，转到交替光照条件下继续培养后的累积萌发率显著低于交替光照对照组(P<0.05)，且在全黑暗条件下预培养的时间越长(≥6 d)，最后的累积萌发率越低，但在本实验中始终显著高于全黑暗对照组(P<0.05)；在全黑暗条件下预培养时间小于等于5 d时，转到交替光照条件下继续培养后的累积萌发率则与交替光照对照组无显著差异(P>0.05;如图1B所示).

3 讨论

因受储藏时间、温度、水分等多种环境因子的影响，种子萌发的适温范围和光敏感性均会随着休眠释放而发生改变[1,22].在本研究中，15 ℃～25 ℃交替光照条件下培养的皱叶酸模种子的萌发率均远高于全黑暗条件下培养的萌发率，表明新采收的皱叶酸模种子应属于需光性种子，并且光照和温度之间存在极显著的交互作用(如表2所示).

光敏色素存在不具生理活性的红光吸收型(Pr)和具有生理活性的远红光吸收型(Pfr)两种类型，两者之间可相互转化[23].当种子被白光或红光照射后，光敏色素从Pr向Pfr转变，经过一系列的生理生化反应，最终促进种子萌发[2]；而当吸胀种子被黑暗或远红光处理后，Pfr向Pr转变，从而减弱光敏色素的信号转导，进而抑制种子萌发[24].光敏色素是光温二受体，在调控种子休眠萌发过程中可整合光温信号通路[2]，且不同的光敏色素反应具有不同的温度效应参数[23].

在本研究中，不管是在较低的15 ℃还是在较高的25 ℃条件下，仅交替光照预培养1 d的皱叶酸模种子的萌发在一定程度上会受到随后全黑暗培养的抑制，而当在交替光照下预培养时间长于1 d时，其萌发则不会受到随后全黑暗培养的影响，最终萌发率均能达到和交替光照培养对照组相当的高水平(如图1A,C所示).该结果似乎表明，光敏色素对种子萌发光敏性的调控具有时间依赖性.

另外，在本研究中，仅在较低的15 ℃条件下，且全黑暗预培养时间大于等于6 d时，后续的交替光照培养无法完全抵消之前全黑暗预培养对萌发的抑制作用，且全黑暗预培养的时间越长，这种萌发抑制作用越强，越不易被后续交替光照培养所逆转；而在较高的25 ℃条件下，全黑暗预培养对萌发的抑制均能被后续的交替光照培养所抵消，而使最终累积萌发率达到和交替光照对照组相同的水平(如图1B,D所示).这可能是因为，在较高温25 ℃黑暗预培养下，具有生理活性的Pfr生成少量的无生理活性的Pr，因而随后的光照处理可重新生成活性Pfr，促进种子萌发；而在较低温黑暗预培养下，生成大量具生理活性的Pr，因而随后的光照处理无法全部转换为活性的Pfr，从而种子萌发受到一定程度抑制，且随着黑暗预培养时间延长及随后的光照时间缩短，萌发抑制效果越明显.可见，皱叶酸模种子在较高温的黑暗预培养中，热逆转速度似乎更慢.但也有研究表明，热逆转速度随着温度升高而加快[25-26].因此，关于光温整合信号调控其种子萌发的生理和分子机制，需要进一步研究其中的光敏色素信号通路.