节节麦小穗上不同粒位种子萌发对环境因子的响应

于海燕　李华通　崔海兰等

中图分类号：S 451 文献标识码：A DOI：10.16688/j.zwbh.2020211

节节麦Aegilops tauschii是禾本科Poaceae山羊草属Aegilops杂草，分布在我国河北、河南、山东、陕西、山西等十几个小麦主产省，严重威胁小麦产量和品质。节节麦分蘖多，繁殖系数高，生态适应性广，与小麦拟态性强，上述特性有利于其传播扩散并在与小麦的竞争中处于优势地位。

种子萌发是许多植物生命周期中至关重要的阶段，是杂草在其入侵区定殖、存活、传播扩散的首要条件。节节麦花序穗状，含（5）7～10 （13）个小穗，每小穗含3～4（5）朵小花，一般仅第1～3朵小花结实。小穗基部小花形成第1粒种子，其相邻上部位置小花形成第2粒种子，第1粒种子比第2粒发育早，而第3朵小花通常不育、较少结实。节节麦成熟时穗部以小穗为单位节节脱落于土壤，种子秋季萌发出土，其萌发行为决定着生长早期植株与小麦的竞争能力。前人研究表明，植物花序或小穗不同位置的种子萌发行为在时间和空间上分散开，有利于避免同胞子代竞争，以保持物种存留和延续。田间观察发现，虽然节节麦每个小穗含有2～3粒种子，但往往仅一粒种子出苗。节节麦同属杂草圆柱山羊草Aegilops cylindrica小穗上不同粒位种子在生物学特性方面存在一定的差异，例如，不同粒位种子萌发对温度等环境因素的响应不同。而同一个小穗不同粒位的节节麦种子萌发对环境因素的响应是否存在差别未见报道。

因此，本研究以节节麦小穗中第1粒位种子和第2粒位种子为研究对象，通过比较两者萌发对pH、盐胁迫和水分胁迫响应的差异，明确小穗中不同粒位种子萌发对环境因素的响应，为深入研究节节麦个体生物学及建立综合有效的防控措施提供数据支撑。

1材料与方法

1.1试验材料

供试种子：节节麦种子采自我国河南省新乡市、河北省邢臺市和山东省滨州市的冬小麦田，种群代号分别为HN-XX、HB-XT和SD-BZ。并于2017年

2018年在中国农业科学院植物保护研究所温室繁种。每个种群选取成熟饱满、大小均匀一致的小穗若干，剥出第1粒（S1）与第2粒（S2）粒位种子备用。上述种子均自然解除休眠且发芽率达到95%以上。

试剂及仪器：2-吗啉乙磺酸（MES）、4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）、N-三甲基甘氨酸（tricine），Sig-ma;氢氧化钠（NaOH）、氯化钠（NaCl）、邻苯二甲酸氢钾（C₈H₅KO₄）、聚乙二醇6000（PEG6000），国药集团化学试剂公司;盐酸（HCl），北京化工厂。DELTA320型pH计，梅特勒托利多仪器有限公司;FA1004万分之一天平，上海上平仪器有限公司;人工气候培养箱，浙江托普仪器有限公司。

1.2试验方法

1.2.1不同粒位种子萌发对pH的响应

设定系列缓冲液pH 3～10。供试pH缓冲液的配制方法参考王晓阳等。分别选取均匀一致的S1和S2种子20粒，用无菌水反复冲洗3次，晾干后置直径9cm垫有双层滤纸的同一玻璃培养皿中，加入5mL配好的缓冲液，用封口膜封口后置25/20℃（光照/黑暗）人工气候培养箱中，L∥D=14 h∥10 h，光照强度为320 ）μmol/m²·s。每隔24h调查1次发芽率，以胚根长度大于3mm为发芽标准，每次调查移除发芽的种子，连续调查14 d。上述试验设4次重复。

对不同调查时间下节节麦Sl和S2的发芽率进行曲线拟合，回归模型如下：

G代表不同调查时间（t）下的发芽率，G_max代表最大发芽率，t₅₀代表发芽率达到最大发芽率50%时所需的时间，e代表曲线斜率，然后根据公式（2）得到S1和S2在不同pH水平下的萌发速率（V）。

1.2.2不同粒位种子萌发对盐胁迫的响应

配制0、20、60、120、180、240、300、360、420 mmol/L和480 mmol/L的NaCl系列溶液。于玻璃培养皿中，加入5mL上述NaCl溶液进行盐分胁迫试验，种子发芽方法及S1和S2在不同盐浓度下萌发速率的计算方法同1.2.1。上述试验设4次重复。

1.2.3不同粒位种子萌发对水分胁迫的响应

试验采用PEG6000溶液模拟水分胁迫。分别用1L无菌水溶解0.0、72.5、143.2、192.6、233.0、284.0g和327.9g PEG6000，使各处理的水分渗透势为0.0、-0.1、-0.3、-0.5、-0.7、-1.0、-1.3、-1.6、-2.0 MPa。于玻璃培养皿中，加入5mL上述PEG6000溶液进行水分胁迫试验，种子发芽方法及Sl和S2在不同水分渗透势下萌发速率的计算方法同1. 2.1。上述试验设4次重复。

同时对不同渗透势下节节麦Sl和S2的最终发芽率进行曲线拟合，回归模型如下：

G代表不同渗透势（x）下的最终发芽率，G_max代表最大发芽率，x₅₀代表发芽率达到最大发芽率50%时的渗透势，e代表曲线斜率。

1.3数据分析

采用SPSS 21.0软件对所有试验数据进行统计分析。利用SigmaPlot 12.5软件的三参量非线性回归模型进行曲线拟合，得到曲线方程、t₅₀和x₅₀。

2结果与分析

2.1不同粒位种子萌发对pH的响应

pH变化对3个供试种群种子萌发率及萌发速率无明显影响，但相同pH条件下不同粒位种子萌发对pH的响应存在差异。从发芽率来看，在供试pH范围内，虽然S1和S2均能萌发，且发芽率均超过70%，但相同pH时3个供试种群S2的发芽率均高于其相应种群的Sl（图1）。如HN-XX种群在pH为8时Sl的萌发率为73. 75%，此时该种群S2萌发率达95%（图lb），其他两个种群S2的发芽率也均超过90%（图1a和1c）。从萌发速率来看，在供试pH缓冲液为3～10时，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3个种群S2的萌发速率均明显高于相同pH时的S1;上述3个种群S1的平均萌发速率分别为0. 59、0.67^-1d和0. 60 d^-1;而S2的平均萌发速率分别为1. 04、1.29 d^-1和1.08d^-1（表1）。

2.2不同粒位种子萌发对盐胁迫的响应

盐胁迫影响节节麦种子萌发，高浓度NaCl处理不同粒位节节麦种子萌发存在差异。从发芽率来看，Sl受盐胁迫的影响较大，表现为随NaCl浓度增大，其发芽率显著降低（P<0.05）;而S2的发芽率在不同NaCl浓度下相对较高（图2）。从萌发速率来看，随NaCl浓度的升高，S1和S2的萌发速率均降低。在供试NaCl浓度为0～480 mmol/L下，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3个种群Sl的平均萌发速率分别为0. 41、0.41d^-1和0. 36 d^-1;而S2的平均萌发速率分别为0. 60、0.64 d^-1和0. 62d^-1（表2）。由此可见，在供试NaCl浓度下，S2萌发对盐胁迫的耐受性高于S1。

2.3不同粒位种子萌发对水分胁迫的响应

随着渗透势降低节节麦种子萌发率降低，不同粒位节节麦种子萌发对水分胁迫的响应存在差异。从发芽率来看，在渗透势分别为-0.7～-1.3 MPa、-0.5～-1.6 MPa和-1.0～-1.6 MPa时，HB-XT、HN-XX和SD-BZ种群S2的发芽率显著高于Sl（P<0.05）。此外，将不同渗透势下3个节节麦种群的发芽率进行曲线拟合，模拟得出，HB-XT、HN-XX和SD-BZ的S1分别在渗透势为-0.83、-0. 69 MPa和-1.28 MPa时发芽率达到最大发芽率的50%，而S2分别在渗透势为-1.56、-1.65 MPa和-1. 75 MPa时发芽率达到最大发芽率的50%（图3）。从萌发速率来看，随渗透势的下降，Sl和S2的萌发速率均降低。在供试渗透势为0～-2.0 MPa下，HB-XT、HN-XX和SD-BZ 3个种群S1的平均萌发速率分别为0. 38、0.42 d^-1和0. 33 d^-1;而S2的平均萌发速率分别为0. 51、0.49d^-1和0.51 d^-1（表3）。由此可见，在供试渗透势下，S2较Sl萌发更能耐受水分胁迫。

3讨论

节节麦小穗上不同粒位种子萌发对环境因子的响应存在差异，其同属杂草圆柱山羊草也存在类似现象，这可能与种子的体积大小有一定关系。观察发现，节节麦小穗不同粒位的种子在表型上有一定的差异，即S2比Sl体积大，这可能是S2抗逆性强的主要原因。有报道表明，少花蒺藜草Cenchrusspinifer同一个刺果中，裸露在外侧的M型种子在表型上比半包裹在内侧的P型种子大，且M型种子对盐胁迫的耐受性显著高于P型种子。婆罗门参Tragopogon Pratensis subsp.Pratensis单株可产生两种不同颜色的颖果，颜色较深的种子表面粗糙，而颜色较浅的种子表面光滑，与颜色较浅的种子相比，颜色较深的种子不仅质量较重而且发芽率较高。藜Chenopodium album产生的棕色种子体积大，萌发快，对盐胁迫耐受性较高，而其产生的黑色种子对盐胁迫敏感。对于节节麦而言，S2体积較大、营养物质丰富，可为种胚突破种皮提供更多的能量，使发芽对环境胁迫有较高的耐受性。

节节麦S1和S2萌发对pH的要求不高，这与之前报道的节节麦种子（带颖壳）的萌发特性相似。此外，猪殃殃Galium spurium、看麦娘Alo-pecurus aequalis等杂草萌发适应的pH的范围也较宽。低渗透势影响了节节麦S1和S2的萌发，这可能是由于低渗透势不利于种子萌发过程中相关酶的激活或分解，也可能是低渗透势限制了种子用于其萌发的营养物质运输和利用。盐胁迫对节节麦S1的萌发有显著影响，随着盐浓度的升高，其发芽率逐渐降低，荠菜Capsella bursa-pastoris、猪殃殃、牛筋草Eleusine indica等杂草也具有类似的萌发特性。这种现象可能与盐胁迫产生的渗透作用、有毒离子、氧化胁迫等有关。例如，渗透胁迫可通过减缓种子的吸胀过程从而延缓高粱种子的代谢激活和萌发。有毒离子会影响种胚的活力，引起酶和其他大分子物质的结构破坏、细胞器和质膜的损伤，也可能影响呼吸作用等过程。此外，氧化胁迫是影响种子萌发的重要因素，盐胁迫可通过干扰活性氧产生和清除的动态平衡来延缓或抑制种子萌发。

节节麦S1和S2萌发速率存在差异，S2较S1萌发快可能是植物适应环境长期进化的结果。田间条件下，节节麦小穗从穗轴脱落，存在于土壤种子库，当环境条件适宜时种子开始萌发，S1和S2萌发速率的差异使小穗上的种子能够延长其萌发时间，避免自身不同种子之间的竞争，为其在土壤更好地定植创造条件。在种子萌发过程中，当遇到不利的环境时，如果S2萌发后由于环境胁迫未长成幼苗，萌发相对较晚的S1仍有机会长成植株，这将为其种群在逆境下生存提供保障。