外源二聚丙三醇对非洲狗尾草种子萌发及幼苗生长的影响

刘金海， 蒋金娟， 罗富成， 徐 翠， 王鸿发， 马向丽

(1.云南农业大学动物科学技术学院， 云南 昆明 650201； 2.信阳职业技术学院, 河南 信阳 464000)

‘纳罗克’非洲狗尾草(Setariasphacelata‘Narok’)是禾本科狗尾草属(Setaria)多年生丛生型草本植物[1]，原产于非洲热带地区，是中国南方亚热带和暖温带地区草地建设、护坡护堤、矿区植被恢复和石漠化治理优选禾草之一[2]。目前‘纳罗克’非洲狗尾草已成为中国南方草地建设的骨干品种，被大面积种植，并进行规模化生产，生产区集中分布在云贵高原，但其仍存在开花成熟不一致、种子落粒性强、产量低、休眠程度深等缺点[3]。在大田生产条件下，‘纳罗克’非洲狗尾草种子产量一般为45～60 kg·hm-2，发芽率在10%左右[4]。在国外，‘纳罗克’非洲狗尾草种子的产量和质量也不高，在印度即使在最佳施肥条件下其产量为40.9～52.9 kg·hm-2[5]；在澳大利亚其大田种子产量一般为20～150 kg·hm-2[6]，发芽率为13.6%～57.0%，休眠率在28.5%～50.5%之间[7]。近年来，国内外围绕破除‘纳罗克’非洲狗尾草种子休眠、提高种子发芽率等问题已开展过多方面的研究，并得到各种打破种子休眠、有效促进种子发芽的方法[8-11]。罗富成[12]在研究‘纳罗克’非洲狗尾草种子内源萌发抑制物时发现，从其种壳和种胚中提取、鉴定和分离的二聚丙三醇(Diglycerol)对白菜(Brassicapekinensis)种子的萌发具有促进作用，且该作用在一定浓度范围内(1～10 000 mg·L-1)随浓度的提高而增强，存在于‘纳罗克’非洲狗尾草种子内部的这种化合物，可能是一种内源萌发促进剂。前人在研究种子内源抑制物时也发现了这种物质，但并未对该物质进行充分利用[13]。秦源源等[1]研究储藏年限对狗尾草种子活力的影响，发现狗尾草种子应在储藏2年内及时利用。综上，本研究选用存放1年和2年的‘纳罗克’非洲狗尾草种子，并用不同浓度的二聚丙三醇溶液培养，观测种子萌发和幼苗生长情况，旨在探讨该内源化合物对纳罗克非洲狗尾草种子的生物活性的影响，丰富种子生理学基础理论，为提高种子活力及其萌发性能寻找一条有效途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为云南农业大学草业科学实习基地收获后分别存放1年和2年的‘纳罗克’非洲狗尾草净种子，分别自2018年10月和2019年10月采收；二聚丙三醇标准品从美国进口(sigma上海阿拉丁生化科技有限公司)，由云南科仪化玻有限责任公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1种子预处理 从供试材料中，随机选取适量的狗尾草种子置于烧杯中，用10%的次氯酸钠溶液浸种10 min消毒，随后用蒸馏水冲洗3次，用滤纸吸干种子表面水分。

1.2.2种子发芽试验 按照云南省技术监督局[14]提供的方法进行种子发芽试验。首先用8种不同浓度的二聚丙三醇溶液[0(CK)，10，50，100，500，1 000，5 000，10 000 mg·L-1]各5 mL分别浸润铺有1个滤纸的培养皿，每个培养皿内均匀植入100粒已消毒的种子，每个浓度3次重复，然后将培养皿置于(25±1)℃的人工气候培养箱中进行幼苗培养，培育期为21 d，人工气候培养箱内每天光照、黑暗各12 h，光照强度为30 000 lx，相对湿度70%。萌发前10 d，每天将前一天多余的溶液倒掉，再给予3 mL相应的二聚丙三醇培养液，以保持种子湿润并处于原溶液浓度；培养10 d后，每隔 1 d加入1 mL溶液保持滤纸湿润即可。幼苗培养期间，每天定时观察记录种子发芽情况。

1.3 测定指标与方法

1.3.1种子发芽率及活力指标 参照发芽实验法[15]，试验第7 d统计种子发芽势，第21 d统计种子发芽率，并计算种子的发芽指数和活力指数[11]。计算公式如下：

发芽率(%)=发芽终期(21 d)发芽种子数÷供试种子数×100%

发芽势(%)=发芽初期(7 d)正常发芽种子数÷供试种子数×100%

发芽指数(GI)=Σ(Gt/Dt)

活力指数(VI)=GI×S

式中：Dt为发芽时间(d)；Gt为与Dt相对应的每天发芽种子数；S为发芽试验结束时正常幼苗单株干重(g)。

1.3.2形态指标 种子萌发结束后，从各培养皿中随机选取10株正常生长的幼苗，用电子天平称其幼苗鲜、干重，用游标卡尺测定其苗长和根长，取其平均值，获得苗高和根长数据。然后将各处理的所有幼苗置于105℃烘箱中杀青15 min，再在80℃下干燥24 h至恒重后，测定幼苗单株干重。

1.3.3综合种子萌发能力评价法 采用模糊数学中的隶属函数法[16-17]对二聚丙三醇处理两种采收年限狗尾草种子的萌发能力进行综合评价。计算公式如下：

X1=(X—Xmin)/(Xmax—Xmin)

X2=1—(X—Xmin)/(Xmax—Xmin)

式中：X1表示不同处理下各指标呈正相关的隶属函数值，X2表示不同处理下各指标呈负相关的隶属函数值，X表示某一指标的测定值，Xmax和Xmin分别表示不同处理下各指标的最大值和最小值。

1.4 数据处理

数据整理和作图均利用Excel 2010软件完成，采用SPSS 22.0软件进行统计分析，Duncan’s法比较各处理间的差异，独立样本t检验比较不同年份间的差异，结果用“平均值±标准误”表示，P<0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子发芽率的影响

不同浓度的二聚丙三醇溶液对狗尾草种子的萌发具有“低浓度促进、高浓度抑制”的双重效应，但该效应在不同采收年限的种子之间存在着差异(图1)。在0～500 mg·L-1浓度范围内，种子发芽率随浓度的增大而提高，500 mg·L-1时发芽率达到最大值，二聚丙三醇(500 mg·L-1)处理存放1年的种子发芽率为71.00%，为对照(CK)的1.60倍(P<0.05)；存放2年，其种子发芽率为39.67%，是对照1.78倍(P<0.05)。在500～10 000 mg·L-1浓度范围内，种子的发芽率则随溶液浓度的增大而下降，浓度达到10 000 mg·L-1时存放2年的种子发芽率为16.33%，显著低于对照处理(P<0.05)，而对存放1年的种子抑制作用不显著。从种子存放年限来看，在相同二聚丙三醇浓度下，存放1年种子的发芽率均显著高于存放2年的种子(P<0.05)。

图1 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子发芽率的影响

2.2 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子发芽势的影响

与种子发芽率的变化趋势相似，随着二聚丙三醇浓度的增大，种子的发芽势整体呈现先升高后降低的趋势(图2)。存放1年的种子，发芽势的最大值出现在500 mg·L-1处理，为41.00%，是对照的1.78倍；而存放2年的种子在500 mg·L-1达到最大为21.33%，是对照的1.56倍(P<0.05)。当浓度为500～10 000 mg·L-1时，种子的发芽势则随溶液浓度的增大而下降，浓度为10 000 mg·L-1时，存放2年的种子发芽势为9.33%，显著低于对照(P<0.05)，存放1年的种子与对照差异不显著。无论是对照还是加入二聚丙三醇溶液处理，存放1年的种子发芽势均显著高于存放2年的种子(P<0.05)。

图2 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子发芽势的影响

2.3 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子发芽指数的影响

二聚丙三醇对存放1年和2年的狗尾草种子发芽指数的影响一致，均随着二聚丙三醇浓度的增大表现为先升高后降低的趋势(图3)，最大值均出现在500 mg·L-1，分别达到10.021和5.749，是各自对照的1.65倍和1.71倍(P<0.05)。当浓度为500～10 000 mg·L-1时，种子的发芽指数则随溶液浓度的增大而下降，升至10 000 mg·L-1时存放2年的种子发芽指数为2.315，较对照降低了31.25%(P<0.05)，对存放1年的种子发芽指数的抑制作用不显著。无论是对照还是加入二聚丙三醇溶液处理，存放1年的种子发芽指数均显著高于存放2年的种子(P<0.05)。

图3 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子发芽指数的影响

2.4 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子活力指数的影响

无论是存放1年还是2年的狗尾草种子，其活力指数均随着二聚丙三醇溶液浓度的增大呈现先升高后降低的趋势，最大值均出现在500 mg·L-1，存放1年和2年的种子活力指数分别为0.135和0.091，分别是各自对照的2.03和2.51倍(P<0.05)；当浓度为500～10 000 mg·L-1时，种子的活力指数则随溶液浓度的增大而下降，溶液浓度升至10 000 mg·L-1时，存放1年和2年的种子活力指数均小于对照处理，但差异不显著(图4)。对于两种年限的种子，在相同处理下存放1年的种子活力指数均显著高于存放2年的种子(P<0.05)。

图4 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子活力指数的影响

2.5 二聚丙三醇溶液对狗尾草株高的影响

利用不同浓度的二聚丙三醇溶液浇灌培养狗尾草种子，对幼苗的增高均有促进作用，无论是存放1年还是2年的种子，幼苗高度均随着溶液浓度的升高而逐渐增大，并在浓度为10 000 mg·L-1时达到最大值，分别为3.91 cm和3.75 cm，分别是各自对照(CK)的1.42倍和1.39倍(P<0.05，图5)。狗尾草幼苗生长的趋势与种子萌发指标不同，在同一浓度处理下，两种年限的种子幼苗生长均没有差异，生长趋势基本保持一致。

图5 二聚丙三醇溶液对狗尾草株高的影响

2.6 二聚丙三醇溶液对狗尾草根长的影响

二聚丙三醇浸种后，存放不同年限种子的幼苗根长均随着溶液浓度的增大而逐渐下降(图6)。在浓度为10 mg·L-1时就已经开始抑制根的生长，当溶液的浓度达到500 mg·L-1时，存放1年和2年的种子幼根长度均为1.78 cm，较各自的对照分别降低了47.80%和45.73%；浓度升至10 000 mg·L-1，其幼根长度下降至0.73 cm和0.70 cm，分别较对照降低了78.59%和78.66%(P<0.05)，可见二聚丙三醇溶液对种子幼根的生长有显著抑制作用。从种子存放年限来看，对照处理存放1年的种子根长显著高于存放2年的(P<0.05)，在二聚丙三醇浓度为100 mg·L-1时，存放1年的种子根长显著低于存放2年的(P<0.05)，而在其余浓度处理下，两种年限的种子根长均没有显著差异。

图6 二聚丙三醇溶液对狗尾草根长的影响

2.7 二聚丙三醇溶液对狗尾草幼苗鲜重和干重的影响

与种子萌发指标的变化趋势相似，随着二聚丙三醇浓度的增大，幼苗的鲜重和干重整体均呈现先升高后降低的趋势。存放1年和2年的种子，鲜重的最大值均出现在500 mg·L-1，分别达到28.80和16.73 mg，是对照的1.80和1.95倍(P<0.05)；当浓度为500～10 000 mg·L-1时，幼苗的鲜重则随溶液浓度的增大而下降，浓度升至10 000 mg·L-1时，对两种年限的苗鲜重均存在抑制作用，分别较对照降低了2.51%和7.75%(P<0.05，图7)。存放1年和2年的种子，干重的变化趋势与鲜重一致(图8)，在浓度为500 mg·L-1时达到最大值，分别是1.56和0.91 mg，分别是对照的1.90和1.82倍(P<0.05)；当浓度为500～10 000 mg·L-1时，幼苗的干重则随溶液浓度的增大而下降。浓度升至10 000 mg·L-1时对存放1年和2年的种子干重抑制作用不明显。无论是种子鲜重还是干重，在同一浓度处理下，存放1年的种子均显著高于存放2年的种子(P<0.05)。

图7 二聚丙三醇溶液对狗尾草鲜重的影响

图8 二聚丙三醇溶液对狗尾草干重的影响

2.8 二聚丙三醇对狗尾草种子萌发及幼苗生长效果的综合评价

为进一步明确不同浓度二聚丙三醇对狗尾草种子萌发过程的效应，采用隶属函数法对各处理的萌发指标和幼苗生长指标进行综合评价(表1)。平均隶属值越大，表明在此浓度下种子的萌发能力越好，经二聚丙三醇处理存放1年和2年的狗尾草种子，隶属值在浓度为500 mg·L-1时均达到最大，分别为0.921和0.908。

表1 各指标的隶属函数值及综合排序

3 讨论

3.1 二聚丙三醇溶液对狗尾草种子萌发的影响

关于种子萌发内源抑制物的研究已有较多报道，前人已研究证明，内源抑制物的存在是引起种子休眠的主要原因之一[18-19]，而醇、酯、赤霉素等打破种子休眠的效果明显[20-22]。本研究所选用的二聚丙三醇能打破狗尾草种子的休眠促进其萌发，并与醇、酯、赤霉素等的作用有相似之处[23-25]，故本研究选用狗尾草种子的内源化合物来进一步验证对其种子自身活力的影响，在生产上可以考虑使用该化合物提高出苗率。研究结果表明，存放1年和2年的狗尾草种子萌发指标、苗鲜重和干重均有明显的变化，且随着二聚丙三醇浓度的增大表现出“低浓度促进、高浓度抑制”的现象。植物生长靠根系吸收养分，根生长受到一定程度的抑制后，植株生长消耗种子本身储存的营养物质，本试验在高浓度二聚丙三醇下抑制根的生长，但幼苗生长没有受到抑制，可能是种子本身储存的养分较多，幼苗不再横向生长只纵向生长，故植株的鲜干重随二聚丙三醇浓度增大而降低，与种子萌发指标的趋势一致。这与罗富成等[26]采用外源激素处理狗尾草种子的研究结果相似，宋佳琦等[27]用外源生长素处理紫花苜蓿(MedicagosativaL. ‘Xinmu No.4’)、马向丽等[28]研究赤霉素对狗尾草种子的影响时也出现相似结果。此外，狗尾草种子采收后存放的年限不同，二聚丙三醇溶液对种子萌发的促进效果不同，即对存放一年的种子促进效果显著高于存放两年的种子，该结果与马天等[29]的试验结果相符，这可能与狗尾草种子休眠期8个月，存放2年种子发生劣变，活力水平与萌发能力开始大幅度下降有关[12]，也可能与种子休眠的释放过程以及存放条件有关[30]，说明存放时间很大程度影响了种子的寿命。因此，种子休眠自然释放完毕应及时利用，否则影响种子的种用价值，即使采用外源激素甚至其内源萌发促进剂二聚丙三醇处理，促进效果也将受到影响。

3.2 二聚丙三醇溶液对狗尾草幼苗生长的影响

同一内源物质对种子生长的不同部位作用不尽相同[31]。本试验表明，狗尾草幼芽和幼根的生长对二聚丙三醇的响应模式不同，即随着二聚丙三醇溶液浓度的提高，对幼芽的生长有促进作用，对幼根的生长却有抑制作用，这种差异可能是由于幼苗的不同组织器官对二聚丙三醇的敏感度不同所引起。二聚丙三醇溶液对狗尾草幼根生长表现出抑制作用，浓度越高抑制作用越强，可能与种子自身存在抑制物有关，该内源物与抑制幼根生长的某些物质存在着协同作用，也可能与该物质在根部的富集有关，这一现象与燕志强等[32]研究青蒿素对狗尾草幼苗生长、张秋菊等研究返魂草(SeneciocannabifoliusLess.)种子提取液、张跃进等[33]研究黄精(PolygonatumsibiricumDelar. ex Redoute)种子甲醇提取物对白菜种子萌发及幼苗生长发现类似情况；又因狗尾草种子是休眠种子，在采收后期可能在根生长的部位脱落酸含量太高，再加入二聚丙三醇溶液，二者在种子发育时逐渐积累形成双重作用抑制根的生长，邓建梅等[34]研究黄花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge)甲醇提取液对狗尾草幼苗生长、朱强等[35]研究狗尾草水提取物对小麦(TriticumaestivumL.)种子的萌发及幼苗生长时也发现类似现象，而且在试验进行过程中，该化合物只是抑制根的生长，并没有影响种苗的成活率，至于根的抑制现象有待进一步研究。基于狗尾草幼芽和幼根生长对二聚丙三醇的响应模式相左，结合其对种子萌发的显著促进效应，生产上可采用低浓度(500 mg·L-1)的二聚丙三醇溶液处理种子，解除种子休眠。

3.3 不同浓度的二聚丙三醇处理狗尾草种子的综合评价

隶属函数的分析方法避免了单个指标的偏向性和局限性，提高了评价结果的准确性，能更好的揭示种子的生长状况[36]，用综合得分值量化了不同年份及浓度对狗尾草种子萌发的效应。综合评价认为，适宜浓度的二聚丙三醇溶液对狗尾草种子的萌发及幼苗生长有一定的促进作用，而在高浓度处理下则会抑制种子萌发，最终影响出苗整齐度，这与陈毅凡等[37]用黄腐酸处理镉胁迫下的小麦种子得出的效果相似。本试验表明，存放1年和2年的种子在浓度为500 mg·L-1时隶属函数值均最大。从种子存放年限来看，存放1年的种子萌发指标均显著高于存放2年的种子，因此种子在采收后应及时有效利用‘纳罗克’狗尾草种子，否则处于休眠状态，影响种子的利用价值。

4 结论

适宜浓度的二聚丙三醇溶液(500 mg·L-1)对存放1年和2年的种子萌发指标和鲜干重均有明显的促进作用，且存放1年的显著高于2年的种子，狗尾草幼芽和幼根的生长对二聚丙三醇响应模式相反。综合隶属函数评价法进一步验证了，采用低浓度(500 mg·L-1)的二聚丙三醇溶液处理种子，能够解除种子休眠，对其萌发有较好的促进作用。