干旱胁迫对三裂叶豚草种子萌发及幼根生长的影响

王玉莹，袁梦琦，吴生海，兰雪涵，徐炳芳，张凯鹏，徐海峰，杜凤国，4

(1.北华大学林学院，吉林 吉林 132013；2.长春市净月潭实验林场，吉林 长春 130117；3.吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130117；4.长白山特色森林资源保育与高效利用国家林业局重点实验室，吉林 吉林 132013)

三裂叶豚草(AmbrosiatrifidaL.)又称大破布草，属菊科(Compositae)豚草属(AmbrosiaL.)1 a生高大粗壮草本植物，是很多国家公认的野生有害杂草，有植物杀手的称号[1]，已被列入《中华人民共和国入境植物检疫性有害生物名录》[2].在我国，三裂叶豚草主要分布在东北、华中、华北和华东地区，会给人身健康、农业生态及城市绿化造成严重危害[3].目前，关于三裂叶豚草的研究主要集中在解剖结构[4]、生物学和生态学特性[5]、危害及防治[6]、风险评估[6-7]等方面，而其在干旱环境下的生长情况未见报道.三裂叶豚草种子每株产量达2 000～6 000粒[6]，为三裂叶豚草繁殖、传播和扩散提供了保障.根能够对干旱环境做出响应，可以在一定程度上保存植物水分[8].根系的形态受外部环境影响[9]，根的体积、表面积、平均直径和根尖数等指标是研究干旱胁迫对根系影响的主要指标[10-11].

聚乙二醇(Polyethyleneglycol，PEG)是一种本身不能渗入种子活细胞内且不会给种子增加营养物质的高分子化合物，使用PEG可以模拟植物干旱胁迫[12-13]，已经在多种植物种子干旱胁迫研究中应用.本研究使用不同质量分数PEG模拟不同干旱强度，研究三裂叶豚草种子在干旱环境下的生长状况，可以为进一步探究三裂叶豚草入侵扩散原因及防控提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料及仪器

试验材料为采自吉林省长春市净月开发区黎明村的成熟三裂叶豚草种子，试验药品为高锰酸钾和聚乙二醇，试验用品主要为培养皿、胶头滴管和烧杯，试验仪器为WinRHIZO图像扫描仪(Epson Expression 12000XL，日本).

1.2 试验方法

1.2.1 种子处理

将三裂叶豚草种子放入1 L装有质量分数为3%的KMnO4溶液的烧杯中消毒20 min；蒸馏水冲洗3～5次(冲洗干净)，于阴凉处自然晾干；将种子与细沙混合放入4 ℃冰箱保存70 d，期间保持沙子轻度湿润.

1.2.2 试验设计

在培养皿内铺上一层直径110 mm的滤纸，选取沙藏后未发芽的三裂叶豚草种子，用纯净水将种子洗净，每个培养皿随机放入30粒.分别加入质量分数为0、5%、10%、15%、20%、25%的PEG溶液，用溶液将培养皿内的滤纸浸透.每种质量分数设置3组重复，以不加蒸馏水为对照(CK).将培养皿放在恒温培养箱中，温度设置为24 ℃.试验期间，每日下午17：00向培养皿内滴入2 mL溶液或蒸馏水，使滤纸保持轻度湿润.以种子放入培养皿当日为第1天，每日20：00记录胚根露白[14](发芽)种子数量，记录时间为10 d.在第10天的20：00由种子已经发芽的各培养皿中随机选取3株幼苗，使用图像扫描仪扫描根系，根系生长指标为两次幼苗根系扫描结果的平均值.

1.3 数据处理

试验数据使用WPS 2019整理、计算，使用SPSS 20进行显著性分析.

指标计算：种子发芽率，为试验结束时发芽种子数占种子总数的百分比；种子日相对发芽率，为当日种子发芽数占种子总数的百分比；发芽势，为前3 d种子累计发芽数占种子总数的百分比；发芽指数=∑(日发芽数/相应发芽天数)[15]；活力指数，为发芽指数乘平均初生根长[16].

2 结果与分析

2.1 不同强度干旱胁迫对三裂叶豚草种子萌发进程的影响

不同质量分数PEG对三裂叶豚草种子萌发的影响见图1.由图1可知：三裂叶豚草种子萌发率随PEG质量分数的增大而逐渐降低.CK和5%、15%PEG处理的三裂叶豚草种子在第2天萌发率达到最高峰，分别为31.11%、7.78%和3.33%；10%PEG处理的三裂叶豚草种子在第9天萌发率达到最高峰，为3.32%；20%PEG处理的三裂叶豚草种子在第3天萌发率达到最高峰，为1.11%；25%PEG处理的三裂叶豚草种子均未萌发.

图1 不同质量分数PEG种子日相对发芽率

2.2 不同强度干旱胁迫对三裂叶豚草种子萌发指标的影响

不同质量分数PEG处理下三裂叶豚草种子的萌发指标见表1.由表1可知：三裂叶豚草种子的发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数随干旱胁迫强度的增大而逐渐降低.

表1 不同质量分数PEG处理的三裂叶豚草种子萌发指标

质量分数为5%、10%和15%PEG溶液处理的三裂叶豚草种子发芽率与CK相比差异显著(P<0.05)，10%和15%PEG处理的种子发芽率降幅较大，分别下降了64.47%和67.78%；10%与20%PEG处理的三裂叶豚草种子发芽率差异显著；20%PEG处理与CK发芽率差异极显著(P<0.01)，20%PEG处理的发芽率降幅最大，下降了75.66%；10%、15%、20%相邻质量分数间PEG处理的三裂叶豚草种子发芽率差异不显著.

质量分数为5%、10%、15%和20%PEG处理的三裂叶豚草种子的发芽势、发芽指数、活力指数与CK相比差异极显著(P<0.01).10%、20%PEG处理的三裂叶豚草种子与5%PEG处理的三裂叶豚草种子发芽势、发芽指数差异极显著；5%PEG处理的三裂叶豚草种子与15%PEG处理的种子发芽势相比差异显著(P<0.05)，发芽势下降了11.01%；10%、15%、20%PEG处理间三裂叶豚草种子发芽势、发芽指数差异不显著；5%PEG处理的三裂叶豚草种子与10%、15%PEG处理的三裂叶豚草种子活力指数差异显著，活力指数分别下降了1.84%、1.53%；10%PEG处理的三裂叶豚草种子与15%PEG处理的种子活力指数差异不显著.

PEG质量分数与三裂叶豚草种子萌发率间的关系见图2.根据图2方程可得R2=0.993 4，拟合方程为y=-0.012 4x3+0.657 3x2-11.734x+75.891.令y=0，可得x≈24.69，即PEG溶液质量分数为24.69%时的三裂叶豚草种子发芽率为0.

图2 不同质量分数PEG与三裂叶豚草种子发芽率间的关系

2.3 不同强度干旱胁迫对三裂叶豚草幼根生长的影响

不同PEG质量分数对三裂叶豚草幼根生长的影响见图3.由图3可知：随着PEG质量分数的升高，三裂叶豚草的根表面积、投影面积及体积呈下降趋势.CK根表面积为8.02 cm2，质量分数为5%、10%、15%PEG处理的三裂叶豚草幼根表面积分别为6.76、3.65、3.16 cm2，10%和15%PEG处理的降幅较大，且与CK差异显著(P<0.05)，其余各组间均无显著差异(P>0.05)；CK根平均投影面积为2.55 cm2，5%、10%、15%PEG处理的三裂叶豚草根投影面积分别为2.15、1.16、1.01 cm2，10%和15%PEG处理的降幅较大，且与CK差异显著，其余各组间均无显著差异；CK根体积为0.18 cm3，5%、10%、15%PEG处理的三裂叶豚草根体积分别为0.15、0.11、0.04 cm3，15%PEG处理的降幅较大，且与CK差异显著，其余各组间均无显著差异.

不同字母表示差异显著(P<0.05).

随着PEG质量分数的升高，三裂叶豚草的根长、根尖数、根分叉数、根平均直径均有不同变化.CK根长为29.45 cm，经过5%、10%、15%PEG处理的三裂叶豚草根长分别为25.38、9.41、25.64 cm，分别降低了13.80%、68.05%、12.94%，10%PEG处理的根长降幅较大，且与CK差异显著(P<0.05)，其余各组间均无显著差异(P>0.05)；CK根尖数为27个，经过5%、10%、15%PEG处理的三裂叶豚草根尖数与CK相比分别降低了10.98%、46.49%、26.20%，10%PEG处理的根尖数降幅较大，其余各组间均无显著差异；经过5%PEG处理的根分叉数与CK相比增长了11.08%，经过10%PEG处理的根分叉数与CK相比降低了44.44%，经过15%PEG处理的根分叉数与CK相比增长了32.29%，其各组间均无显著差异；CK根平均直径为0.91 mm，经过5%、10%、15%PEG处理的根平均直径分别为0.96、0.78、0.83 mm，CK、5%、10%PEG处理的根平均直径与15%PEG处理的根平均直径差异显著，其余各组间均无显著差异.

图4 极度、极重度干旱胁迫解除后种子平均日相对发芽率

2.4 极度、极重度干旱胁迫解除后三裂叶豚草种子萌发情况

用蒸馏水反复冲洗20%、25%PEG处理后未发芽的三裂叶豚草种子，直到种子表面无黏腻，即冲洗干净为止.将各重复组三裂叶豚草种子放入铺有一层用蒸馏水浸湿过滤纸的培养皿，将培养皿放入恒温培养箱中，在相同培养条件观察三裂叶豚草种子萌发状况，试验于第10天结束.结果显示：20%PEG处理的种子在解除极度胁迫后的第2天可以萌发，且首次萌发率为6.67%，在种子恢复萌发的第3天，日萌发率最高为33.33%，第10天累计萌发率为76.67%；25%PEG处理的种子在解除极重度胁迫后恢复萌发的第2天具有发芽能力，且首次萌发率为3.33%，在种子恢复萌发的第5天，日萌发率最高为30%，第10天累计萌发率为50%.

3 结论与讨论

植物生长离不开水，而干旱会导致植物失水[16].通过对三裂叶豚草干旱胁迫的研究可以得到如下结论：

1)三裂叶豚草种子的各项萌发指标随着PEG溶液质量分数的增大而降低，但20%PEG处理有个别种子未萌发，25%PEG处理的种子均未萌发.由此说明，干旱会抑制三裂叶豚草种子萌发，且在极重度干旱下种子不萌发.本研究结论与齐淑艳等[17]对牛膝菊(GalinsogaparvifloraCav.)、袁梦琦等[16]对豚草(AmbrosiaartemisiifoliaL.)、杨永志等[18]对常夏石竹(DianthusplumariusL.)干旱胁迫条件下种子萌发研究所得结果一致；而孔佳茜等[19]对大麻(CannabissativaL.)、杨利艳等[20]对藜麦(ChenopodiumquinoaWilld.)等干旱胁迫条件下种子萌发结果显示，一定程度的干旱胁迫能促进种子萌发.

2)由三裂叶豚草根系指标测定结果可知：根表面积、投影面积及体积均随PEG溶液质量分数的升高而降低.由三裂叶豚草幼根根长测定结果可知：与CK相比，轻度和重度干旱胁迫对根长影响不显著，中度干旱胁迫会使根长显著变短；重度干旱胁迫下，三裂叶豚草幼根根尖数大于中度干旱胁迫，说明中度干旱胁迫抑制根生长的情况最严重；5%、15%PEG处理的三裂叶豚草幼根分叉数大于CK，原因可能是三裂叶豚草为适应生境而需要吸收尽可能多的水分，进而增加了侧根和不定根的生长数量.

3)三裂叶豚草种子解除干旱胁迫后依然具有萌发能力.由三裂叶豚草种子解除干旱胁迫的萌发试验可知，种子在极重度干旱下不萌发；在极度干旱下个别种子不萌发，但当环境中水分条件充足时，种子依然具有萌发能力.干旱程度越轻，恢复萌发能力越强、萌发时长越短；干旱程度越重，恢复萌发后萌发率越低，恢复萌发时间越长，能力越弱.

综上所述，在良好的水分条件下，三裂叶豚草种子具有较高的发芽率和良好的根系生长.然而，缺水会抑制种子萌发，根的生长也会随着环境的变化而发生相应变化.由此可知，三裂叶豚草具有很强的适应性.三裂叶豚草种子在不同干旱条件下发芽率不同，但都具备发芽能力，并且在解除干旱后，也具有很强的发芽能力，应加强防治.

由于三裂叶豚草能更好地适应干旱环境，建议手动拔除或剪掉尚未结果实的三裂叶豚草.如果是成片发生，可以通过机械铲除.由于三裂叶豚草与豚草为同科同属，因此，可以借鉴豚草的防治经验.例如，南京引入豚草的天敌——广聚萤叶甲(OphraellacommunaLesage)对豚草进行生物防治，收到了较好的生防效果[21]；也可以尝试在三裂叶豚草侵入地种植花棒(HedysarumscopariumFisch.et Mey.)、柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)和沙地柏(SabinavulgarisAntoine)等灌木，这3种灌木为多年生，具有耐旱和适应性强、生长快、根系发达、吸水性强的特点，可以快速形成茂盛的植物体，与三裂叶豚草竞争营养物质、水分，进而抑制三裂叶豚草的生长发育.柠条锦鸡儿对菊科的乌丹蒿(ArtemisiawudanicaLiou et W.Wang)具有化感作用，能够抑制其种子萌发及幼根生长[22]，但是否对三裂叶豚草具有化感作用，有待进一步研究.