石生委陵菜种子萌发对环境因素的响应

李 阳， 李 想， 丁芳兵， 李 倩， 王宇超， 魏 莹， 毛祝新

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

种子萌发与幼苗建植是植物生活史最关键也是最脆弱的环节[1-4]。种子萌发除了受到自身大小、寿命等内在因素的影响外，还受到诸多外在环境因素的影响，如温度、光照和水分条件等[5]。植物种子萌发需要特定的生态环境。在适宜的环境中，种子可以迅速萌发，从而占据环境中的空间、养分等资源，以此来维持种群的发展[6-7]。植物种子萌发所需环境因子的生态幅度也在一定程度上决定了该物种的分布和扩张。

石生委陵菜(PotentillarupestrisL.)为多年生草本；全株茎、叶、花梗和萼片均被柔毛和腺毛；花瓣白色，倒卵形；伞房花序；成熟果实有脉纹，花果期6—8月。石生委陵菜分布于我国黑龙江、内蒙古地区以及欧洲等海拔1 000 m的砾石坡上。石生委陵菜花型漂亮，适应砾石土坡等生长环境，是不可多得的石生植物。石生委陵菜的这一特征使其适宜应用于石生植物园等专类园的建设，砾石较多的边坡修复以及干旱半干旱地区植被恢复等建设中。此外石生委陵菜是我国委陵菜属的重要种质资源，对我国生物多样性、生态系统安全等方面具有重要作用。但目前国内外对石生委陵菜的相关研究较少。因此，研究石生委陵菜种子萌发对环境因素的响应，可以为石生委陵菜的开发利用与种质资源保护提供理论依据。

表1 温度对石生委陵菜发芽特征的影响

1 材料与方法

1.1 材 料

2018年9月于西安植物园收集石生委陵菜种子。收集后的种子放置于阴凉通风处保存。

1.2 试验方法

种子千粒重按照《林木种子检验规程》(GB 2772—1999)，采用百粒法测定[8]。选取100粒种子，10个重复。利用电子天平称重后计算出种子千粒重。

萌发试验采用培养皿滤纸法进行。选取30枚颗粒饱满，大小均匀一致的种子，先用 1%次氯酸 (NaClO) 浸泡 5 min 后，立即转移到70 %乙醇浸泡 2 min，再用蒸馏水冲洗干净，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，分别进行温度、光周期、水分胁迫下的种子萌发试验[9]。种子萌发以胚根突破种皮2 mm，或者子叶从种皮中出现为准。每日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目。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、发芽指数、发芽势等指标[10]。

种子发芽率(%)=(萌发种子数/供试种子总数)×100%;

种子发芽势(%)= (10 d萌发种子数/供试种子总数)×100%;

种子发芽指数= ∑(Gt/Dt);

式中：Gt为t天内种子萌发数，Dt为种子萌发天数。

1.2.1温度处理

设置4个恒温处理，分别为10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃。光照周期为12 h/12 h(光照/黑暗)，光照强度为250 μmol·(m2·s)-1。共4个处理，每处理5次重复。

1.2.2光周期处理

设置2个恒温处理，分别是：12 h/12 h，14 h/10 h。萌发温度：20 ℃。共2个处理，每处理5次重复。

1.2.3水分胁迫处理

首先按照Michel等[11]的方法，将PEG-6000配置成3个不同浓度梯度，分别为5% PEG-6000(溶质质量/溶液质量，下同)，10% PEG-6000，20% PEG-6000。因此共设置4个水分胁迫处理，分别是：对照(0% PEG)、5% PEG，10% PEG，20% PEG作为干旱胁迫处理。对照处理为等量蒸馏水。种子在各个处理中浸泡24 h后用蒸馏水反复漂洗4～5次，并用滤纸吸干种子表面水分后，放置于铺有双层滤纸直径为90 mm的培养皿中。每日根据实际情况往培养皿中酌量添加蒸馏水。萌发温度为20 ℃，光照周期为12 h/12 h(光照/黑暗)，光照强度为250 μmol·(m2·s)-1。共4个处理，每个处理3个重复。

1.3 数据分析

对所有数据进行One-way ANOVA方差分析，样本间的差异显著性用t-检验。整个数据分析利用SAS 9.0软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 种子的物理特征

石生委陵菜种子呈现浅棕色，在发芽过程中，会因为吸水而颜色变深。这与Whittington等[12]的研究结果相同。种子千粒重为(0.265 2±0.005 3)g。

2.2 石生委陵菜种子萌发对温度的响应

通过方差分析得出，温度显著影响石生委陵菜种子发芽率(p<0.001)，发芽势(p<0.001)和发芽指数(p<0.001),见表1。其中，10 ℃的萌发温度下，石生委陵菜种子不发芽。15 ℃的萌发温度下，石生委陵菜已经开始发芽，但是发芽率、发芽势和发芽指数均显著低于在20 ℃或者25 ℃下的发芽特征。尽管20 ℃和25 ℃这两个萌发温度下，石生委陵菜种子的萌发特征差异不显著，但是20 ℃的萌发温度下的发芽率、发芽势和发芽指数相比较在25 ℃萌发温度下的各项萌发指数分别提高4.80%，9.61%，6.10%(表1)。

表3 水分胁迫对石生委陵菜种子萌发的影响

2.3 石生委陵菜种子萌发对光周期的响应

石生委陵菜最适萌发温度在20 ℃左右。因此，在光周期对石生委陵菜种子萌发特征的影响试验中，设置萌发温度为20 ℃。

通过方差分析得出，尽管光周期对石生委陵菜最终萌发率没有显著影响(p>0.05)，但是光周期显著提高了石生委陵菜的发芽势(p<0.05)和发芽指数(p<0.001)。t-检验结果表明，14 h/10 h的光周期相比较12 h/12 h的光周期，发芽势和发芽指数分别显著提高24.29%和56.49(表2)。

2.4 石生委陵菜种子萌发对水分胁迫的响应

通过方差分析得出，不同浓度的PEG溶液处理对石生委陵菜种子的发芽率(p>0.05)、发芽势(p>0.05)以及发芽指数(p>0.05)均没有显著影响(表3)。随着PEG溶液浓度增加，石生委陵菜种子的发芽率、发芽势和发芽指数均呈下降趋势。但是t-检验结果表明，对照(0 PEG溶液)、5% PEG溶液、10% PEG溶液、20% PEG溶液处理后的种子各项萌发特征均无显著差异(表3)。而石生委陵菜种子的发芽率、发芽势和发芽指数的标准误，在20% PEG溶液处理下表现最大。

3 结论与讨论

3.1 温度对石生委陵菜种子萌发的影响

本试验结果表明，石生委陵菜种子在15 ℃时已经开始萌发，在20 ℃时各项发芽特征均最高。在10 ℃萌发温度下，石生委陵菜种子萌发则被完全抑制。分析其原因在于种子萌发过程中需要进行一系列活跃的代谢反应。适宜的温度保证代谢反应所需要的酶的活性最高。如果外界环境高于或者低于该种子的最适萌发温度，都会通过改变种子体内膜的透性、膜结合的活性以及酶的活性从而抑制萌发[13]。种子的最适萌发温度因植物物种不同而不同，与植物的原生境有密切关系[14-15]。种子的这种萌发机制确保了大部分种子可以在适合的季节进行萌发，从而增大幼苗存活的机会[13]。

同时，石生委陵菜在15 ℃时已经开始萌发，20 ℃时各项萌发指标最高，而25 ℃时各项萌发指标开始呈下降趋势。这说明石生委陵菜种子的萌发对温度较为敏感，不适合在过冷或者过热地区生长。这可能限制了其分布。尽管委陵菜属植物大都分布较广，适应性较强[15-16]，但是石生委陵菜的分布较为狭窄。据文献报道，石生委陵菜分布在我国内蒙古、黑龙江等温度较低的高纬度地区，或者海拔较高的地段，而在中低纬度地区鲜有发现。其原因在于我国中低纬度地区春夏季节气温超过石生委陵菜的最适萌发温度，导致其在中低纬度等温暖地区萌发受阻，进而限制了其向温暖地区的扩张。在培育以及利用石生委陵菜时，要注意适当降低其萌发温度，保证其出苗率。此外，还需要进一步研究来证明石生委陵菜成体植株是否耐热，进而制定更为详细的针对石生委陵菜的保护和开发利用的管理对策。

3.2 光周期对石生委陵菜种子萌发的影响

光照是影响种子萌发的重要调控因子[17-19]。光照对种子萌发的影响主要通过调控种子体内原初远红光吸收型光敏素(Pfr)和红光吸收型光敏素(Pr)来实现。而不同植物种子中Pfr含量以及对Pfr/Pr耐受范围不同，因此光对植物种子萌发的影响也不同[13,19]。目前研究发现，萌发受到光照影响的植物种子超过930种，其中672种植物的种子因光照而促进萌发[20]。光照对植物种子萌发的影响主要是通过向种子提示适宜萌发环境的信号从而导致种子结束休眠而实现的[21]。

本研究结果表明，石生委陵菜种子在适宜的温度和充足的水分条件下，光照虽然没有改变种子最终发芽率，但保证了种子萌发的整齐性，这在一定程度上说明石生委陵菜萌发过程对光的喜好。而石生委陵菜种子的这一特性，可能与其长期生存环境息息相关。首先，石生委陵菜多生长在砾石生境中，其种子在自然情况下可能长期暴露在光照下。在长期的适应和进化过程中，在长光照条件下萌发得更好的石生委陵菜种群被保留了下来，因此在萌发过程中对长光照的需求这一特征也被保留下来。其次，石生委陵菜种子很小、且呈椭圆形，很难进入土壤深层[22]。因为本身所含养分有限，较小的种子萌发后是否能存活、生长，更取决于外界环境条件是否适宜。再加之，如果被埋藏在土壤深层，即使萌发也很难长出地面。因此，较小的种子通常需要光照作为信号提示外界环境是否适宜萌发[23-24]。结合石生委陵菜生长的原生境——砾石环境属于贫瘠生境来分析，其种子更需要光照长短来提示其外界环境中的温度、水分等因子是否适宜，从而保证幼苗的成功定植以及种群的发展。

尽管在温度、水分均为最适条件下，光照时间没有影响到石生委陵菜种子的最终发芽率，却显著影响到其萌发整齐度和萌发速度(发芽势和发芽指数)，这对植物种群，尤其是生活在贫瘠或者存在激烈竞争环境中的植物种群来说意义更为重要。一旦外界环境适合萌发，其种子迅速而且尽可能多的萌发可使该植物种群可以迅速占领环境中的水分、养分等资源，从而提高幼苗的存活率以及子代数目，进而壮大种群。并通过“提前占有资源”这一途径，来压抑群落中其他植物物种的发展，从而在长时间尺度上占据更为优势的地位[16]。因此在贫瘠或者竞争激烈环境中，迅速萌发可能比高发芽率对种群发展的贡献更大。

3.3 水分胁迫对石生委陵菜种子萌发的影响

水是植物种子萌发的必备条件之一[25]。种子萌发过程中的一切代谢活动都需要水的参与，因此种子萌发过程中对外界水分变化最为敏感[26]。研究表明，随着干旱胁迫的增强，种子萌发呈下降趋势，甚至会停止萌发[27]。通常认为，水分胁迫下植物种子的萌发特性与其原生境密切相关[28]。原生境中降水量较小、干旱程度较大的植物种子在萌发过程中对干旱的耐受程度也比较高[29-32]。在本研究中，石生委陵菜种子原生境是砾石山坡环境，属于干旱胁迫比较严重的生境。因此，本研究发现，随着PEG浓度的增加，石生委陵菜种子的发芽率、发芽势和发芽指数并没有和对照处理呈现出显著差异，但石生委陵菜种子的各项发芽特征均呈下降趋势。此外，尽管随着PEG浓度的增加，石生委陵菜种子的各项萌发特征的平均值没有显著差异，但是在20% PEG溶液处理条件下，其种子萌发特征的标准差均大幅度增加，即种子萌发特征差异很大。这说明在20% PEG溶液处理条件下，仍有部分种子受到水分胁迫影响。这进一步说明如果PEG浓度再增加，也就是环境中水分胁迫再增强，石生委陵菜种子的萌发必将受到抑制。但是，通过本实验的结果可以得出，石生委陵菜的种子在萌发过程中受到外界水分状况的影响较小，耐旱能力较强。

综上所述，石生委陵菜种子的最适萌发温度为20 ℃，喜光，具有较强的耐干旱能力。其最适萌发温度的限制可能是导致石生委陵菜没有广泛分布的主要原因。根据石生委陵菜耐干旱且喜光的属性，可将其应用在砾石边坡、干旱半干旱地区植被恢复中。但是需要做进一步的实验来验证石生委陵菜成体植物对温度是否敏感，从而制定更详细针对石生委陵菜保护、开发和利用的政策。