工程扰动下野生草本植物种子的休眠与萌芽特性

崔博涛，马萧萧，芦建刚，王排排，马 蕊，刘士平

（1. 新疆阜康抽水蓄能有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；2. 三峡大学 生物与制药学院，湖北 宜昌 443002）

抽水蓄能电站在建设过程中包括开挖坝肩、填筑坝基、修筑上下水库连接道路、填筑边坡等施工环节［1］，这些频繁的土方工程与人类活动容易扰动植物的生长与存活状态［2］。特别在我国新疆寒冷、干旱的高海拔地区，土壤贫瘠且盐碱化严重，生态环境相对恶劣，生物多样性程度较低，因此工程扰动区具有植被退化和荒漠化的隐患［3-4］。

近年来关于工程扰动区的生态修复与重建成为了本领域的研究热点［5-6］。由于草本植物具有良好的保持水土、涵养水源作用，是工程干扰区生态恢复的“开路先锋”，因此其原地保育是促进当地植被自然演替、缓解植被退化的重要举措［7］。但是大面积的原地栽培需要有足够的种质资源与可萌发的幼苗来支撑。另一方面，在当地严酷的生境下，草本植物的种子萌发进化出许多独特的特性，在时间和空间上来适应当地的胁迫环境［8］。因此探索工程扰动区草本植物种子的萌发特性， 对于植被恢复、更新和重建具有重要的意义。

种子萌发是植物生活史的第一步，影响着幼苗的建植、存活和竞争，是决定种群动态变化的关键因子［7］。可是，许多野生植物种群在更新过程中种子进入了休眠状态，影响了其大规模栽培与应用，因此迫切需要对植物种子萌发的生理生态学特性进行研究［9］。种子休眠是植物为应对不良外界环境所产生的适应性进化，往往通过影响种胚萌发抑制物或者胚以外的结构引起［10-12］。近年来国内外很多学者为了解除草本植物种子的休眠，探索了去除种皮、低温层积、机械破核、强酸强碱浸种、热水浸种、液氮处理等方式，取得了良好的效果［13-15］。

为了促进阜康抽水蓄能电站工程区野生草本植物的原地保育，本文选取了阜康抽水蓄能电站工程扰动区的6 种野生草本植物为对象，分别是麻叶荨麻（Urtica cannabina）、白屈菜（Chelidonium majus）、菊叶香藜（Dysphania schraderiana）、骆驼蓬（Peganum harmala）、秃疮花（Dicranostigma leptopodum）和天仙子（Hyoscyamus niger），分别研究其种子萌芽的休眠特性，探讨了上述草本植物种子解除休眠的各种方法，以期为指导工程扰动区的植被恢复与重建及稳定当地的生态系统等提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

阜康抽水蓄能电站地处新疆昌吉州白杨河上游［16］，海拔1 540 m ~ 2 400 m，位于87.98°E， 44.16°N，于2017年开工建设。所在地夏季炎热干旱，冬季寒冷少雨，年平均气温为6.3℃，极端最低气温-37℃，极端最高气温41.5℃，年均降水量265.1 mm，年均蒸发量高达1 419.6 mm。土层以岩石、砂砾、岩质土为主，工程建设后表土资源短缺，土壤贫瘠且盐碱含量高。植被区划属于森林草原、草甸草原与温带荒漠的过渡区。

1.2 种子采集

2022 年7 ~ 9 月，本文对新疆阜康抽水蓄能电站工程扰动区的草本植物种子进行了生态调查，根据物种的重要值来衡量物种的分布优势地位［17-18］：

重要值 = (相对多度 + 相对高度 + 相对盖度)/3(1)

然后选取6 种占优势的草本植物麻叶荨麻、白屈菜、菊叶香藜、骆驼蓬、秃疮花和天仙子采集其种子。根据种子大小差异选择不同的网袋，采集后放在通风条件下晾干1周后，揉搓去掉杂质，用风选机处理后，选取籽粒完整饱满的种子装入纸袋［17］。设置4个重复，称取种子的重量后，取部分新鲜种子用于萌发。

1.3 新鲜种子萌发与休眠分析

为探索这6 种野生草本植物种子休眠特性，本文对新鲜的种子进行了萌发实验。在培养皿底部垫两层滤纸，加入蒸馏水润湿但以水不流出为宜，每个培养皿放50 粒种子，每个处理设置4 个重复，放入设置为12 h光/12 h暗，光强8 000 Lx，温度15℃的光照培养箱中培养30 d。当胚根突破种皮达到种子长度的1/2 时即视为萌发，记录萌发开始的时间，每天统计萌发种子数，并补充水分，持续观察30 d。对没有萌发的种子采用TTC（2，3，5－三苯基氯化四氮唑）检测种子活力，计算种子萌发率［19］：

萌发率[12]= 萌发种子数/有生活力种子数 × 100%(2)

1.4 种子萌发的最适温度条件

由于6 种野生植物种子所处的生境很特殊，即使在种子开始萌发的春季，其温度变幅也很大，一般为5 ~ 25℃。为了探究温度及冷胁迫对这6 种野生植物种子萌发率的影响，本文分别设置了15℃/5℃、20℃/10℃和25℃/15℃（12 h 光/12 h 暗，光强8 000 Lx）三个变温条件，将采集的新鲜种子进行萌发4 w，统计萌发率和发芽指数，计算公式如下［20］：

式中，G为每天测定的发芽数，Gx为第X天测定的发芽数。

1.5 种子解除休眠的方法探索

为了探索解除白屈菜、骆驼蓬、秃疮花和天仙子种子休眠的方法，提高野生种子的萌发率，本文分别尝试了冷藏、高低温浸泡、聚乙二醇（PEG）模拟干旱等组合处理方式。分别将种子存放于温度为4℃、相对湿度为30%的冰箱中，处理1 个月、2 个月和3个月后进行萌发实验（采用分次放入，集中取出的方式），然后将冷藏3个月的种子在25℃的清水中分别浸泡1d、2d 和3d，浸泡过程中每天换水，在25/15℃（12 h 光/12 h 暗，光强8 000 Lx）萌发4 w，统计其萌发率和发芽指数［21］。

在PEG模拟干旱处理过程中，将冷藏3个月的6种野生植物种子分别浸泡在浓度为0 mg/mL、2 mg/mL、4 mg/mL、6 mg/mL、8 mg/mL、10 mg/mL 和12 mg/mL的PEG-6000 溶液中，25℃下处理2 d 后使用相同的方法萌发。热浸泡处理实验，在6 mg/mL 的PEG 下，分别将骆驼蓬和天仙子的冷藏种子在30℃、35℃、40℃、45℃清水中浸泡处理0.5、1、2、4、8、16、24 h后，再在25℃下浸泡处理直到满2 d，然后采取相同的萌发方式。

1.6 数据处理方法

采用Spss 20.0 软件进行数据方差分析，按照Duncan 法进行多重比较分析（P< 0.05，n= 4）后，通过Microsoft Excel 2010 软件进行图表制作。

2 结果与分析

2.1 工程扰动区6种野生种子的休眠特性分析

2022 年夏天对新疆阜康抽水蓄能电站工程扰动区的生态调查结果表明，麻叶荨麻、白屈菜、菊叶香藜、骆驼蓬、秃疮花和天仙子这6种草本植物在当地分布较广，其重要值均超过了5%（表1），显示其占优势地位。这6种野生草本植物均属种子植物分5科6属，其中白屈菜的重要值最高（表1）。

表1 工程扰动区6种野生植物的新鲜种子萌芽特性Tab.1 Germination characteristics of fresh seeds of six wild herb plants in the engineering disturbance area

为了解这6 种野生植物种子的休眠特性，本文将采集的新鲜种子在15 ℃的恒温条件下进行了发芽实验初探。麻叶荨麻、菊叶香藜种子萌发率较高，分别达到88.42%和65.14%，且其种子萌芽时间较短（表1），而且部分种子未萌发是因为有较高的死亡率，显示这两种草本植物没有进入休眠状态。对比之下，天仙子、骆驼蓬和白屈菜的萌发率低，而且萌发的时间较长，新鲜的种子有重度休眠的特点。

2.2 不同温度对6种野生植物种子萌发率的影响

由于阜康抽水蓄能电站所处的地域在春季气温的变幅很大，种子的萌发常受到低温胁迫的影响［22］。为了探究温度及冷胁迫对这6种野生植物种子萌发率的影响，本文将采集的新鲜种子分别在15/5℃、20/10℃和25/15℃三个变温条件下萌发4 w 后，分析其萌发率和发芽指数（图1）。结果表明，适当高温有助于麻叶荨麻和菊叶香藜的种子萌发，但是对于休眠种子作用不明显（图1）。

图1 六种野生植物新鲜种子在不同温度下的萌发率（A）和发芽指数（B）Fig.1 Germination rate （A） and germination index （B） of fresh seeds of six wild plants at different temperatures

2.3 冷藏与浸泡组合处理有助于当地野生种子解除休眠

由于部分野生的新鲜种子有不同程度的休眠特性，限制了他们在生态修复和原地保育中的应用。仅通过简单的温度处理作用有限（图1），为了提高这些野生植物种子的萌发率，本文分别尝试了低温冷藏与清水浸泡来处理种子［23-24］。结果表明，冷藏处理对无休眠的种子麻叶荨麻和菊叶香藜的萌发率没有太大影响，却能提高菊叶香藜的发芽指数，说明其发芽时间得到提前。可是，天仙子和白屈菜这两种休眠的野生植物种子在冷藏后萌发率和发芽指数均有小幅增高（图2），说明低温冷藏促进了种子的萌发能力，可以在一定程度上起到解除休眠的作用。

图2 六种野生植物种子在低温冷藏处理后的萌发率（A）和发芽指数（B）Fig.2 Germination rate （A） and germination index （B） of six wild plant seeds after cold storage

虽然冷藏处理可以增强天仙子、白屈菜种子的萌发能力，但是提高的幅度有限。为了进一步提高这些野生休眠种子的萌发能力，本文将这6 种野生种子冷藏3个月后，分别在25℃的清水中浸泡1d、2d和3d。结果发现，经浸泡处理2d 后，两种罂粟科植物白屈菜和秃疮花的萌发率和发芽指数发生了大幅度增加（图3），其萌发率提高了近6 倍，说明浸泡处理在解除白屈菜和秃疮花的休眠中发挥了关键作用。此外，重度休眠种子骆驼蓬经浸泡后发芽能力也有所提高。

图3 六种野生植物种子在低温冷藏和浸泡处理后的萌发率（A）和发芽指数（B）Fig.3 Germination rate （A） and germination index （B） of six wild plant seeds after cold storage and soaking

2.4 模拟干旱胁迫提高了当地野生植物种子的萌发率

阜康抽水蓄能电站工地处于严重的干旱地带，当地野生植物种子的萌发受到严重影响。为了模拟当地的干旱环境，本文采取不同浓度的PEG-6000 进行浸种处理，观察其对野生种子萌发的影响，并判断其是否有助于种子解除休眠［25］。结果表明，在6 mg/mL 的作用浓度下，重度休眠的天仙子和骆驼蓬的萌发能力得到明显提升（图4），但它对麻叶荨麻、菊叶香藜、白屈菜和秃疮花种子的萌发作用不明显。当PEG 浓度超过10 mg/mL，6 种野生植物的种子的萌发率和发芽指数均会降低，但是不同的野生植物种子，对PEG 的耐受能力不一样（图4）。

2.5 高温浸泡处理可进一步提高野生休眠种子的萌发率

野生的天仙子与骆驼蓬种子因为进入了重度休眠状态，萌发能力有限，不能直接在生态修复和原地保育中应用。为了解除其休眠状态，进一步提高这些种子的萌发能力，本文将冷藏的骆驼蓬和天仙子种子在浓度为6 mg/mL 的PEG 下，分别置于30℃、35℃、40℃、45℃环境下进行高温浸泡处理一段时间后，再进行萌发实验［26］。结果表明，高温处理能明显提高天仙子与骆驼蓬种子的萌发率和发芽指数，但是随高温处理时间的增加其变化趋势却不相同（图5）。天仙子在45℃下处理24 h 后，其萌发率可以达到近90%，其发芽指数也是最高的（图5B）；但是对于骆驼蓬而言，高温处理2 h 后，便达到最高的萌发状态，随着时间的延长，其发芽率和发芽指数均有降低的趋势。

图5 天仙子（A， B）种子和骆驼蓬（C， D）种子在高温浸种后的萌发率和发芽指数Fig.5 The germination rate and germination index of Hyoscyamus niger （A， B） and Peganum harmala （C， D） seeds after soaking at high temperature

3 讨论

3.1 阜康抽水蓄能电站工地野生植物种子萌发能力与种子大小的关系

阜康抽水蓄能电站地处寒冷、干旱的温带草原与荒漠的过渡区，植被的建成受到各种非生物胁迫因素的影响［27］。当地野生植物的种子大小分布范围广（表1），但是从本文的研究来看，基本分为两个类型：一类是小种子型，如麻叶荨麻和菊叶香藜的种子，它们具有萌发时间短、萌发率高的特点，只要短暂的降雨就能完成其生活史；二类是大种子型，这些野生植物种子为了避免受到干旱胁迫， 选择了缓慢萌发或者进入休眠状态，减少了大部分幼苗同时受害的危险，表现出对干旱、寒冷、强光及营养贫瘠环境的适应性进化，这与鲁延芳［17］等报道的结果一致。而且在这种恶劣的环境中，主要以横向进化为主［28］，因为本研究所采用的6 种野生植物，分为5个科，其亲缘关系较远，可是它们形成了多样的萌发特性和生存机制来适应外界多变的环境胁迫。当地野生植物千粒重较小的种子虽然具有较高的萌芽率，却没有很强的比较优势（表1），这也证实了大粒种子在当地胁迫环境中较容易实现种群更新和扩展， 其种子萌发策略有利于在当地广泛分布［29］。

3.2 不同的野生植物种子休眠类型及解除休眠的方法存在差异

虽然大粒种子的休眠特性和延缓萌发特性可以避开当地恶劣的生存环境，但是不利于种子的大规模繁殖及当地的生态恢复与种群重建。为了打破其休眠特性，本文主要进行了水分、温度、光照等条件的尝试。在研究中我们发现，不同的野生植物种子休眠的机制差异很大。罂粟科植物白屈菜和秃疮花在种子浸泡过程中会产生一层黄色的油状物质［30］（图片未显示），可能正是这个原因导致其进入休眠；而骆驼蓬和天仙子则可能是通过种皮的厚度与致密性来影响休眠的［13］，因此高温浸泡处理有助于其萌发。

3.3 野生植物种子的休眠与萌芽特性与其对应的生态环境相关

种子休眠受多种因素的影响，除了种子自身的结构及遗传因素外，还受到温度、水分、空气、光照等环境因素的制约［12-13，15］。因此种子萌发离不开基因型和生活环境的相互作用。本研究比较了新疆阜康抽水蓄能电站的6 种野生草本植物的萌发能力，发现它们存在不同程度的休眠，但是改变温度和水分条件可以打破其休眠特性。由于当地处于特殊的寒旱生境，温度和水分供应可能是导致种子进入休眠的重要因素，在一定程度上解释了改变温度和水分条件可以促进其萌发的原因，说明了当地生态环境对野生植物的休眠和萌发特性的作用。

3.4 对萌芽特性的考查有待进一步优化

本研究只对阜康抽水蓄能电站分布较广的6种野生植物种子的萌发率和发芽指数进行了探索，对温度和水分影响下的休眠特性进行了分析，以及对萌发率和发芽势进行了分析，但未对去除种皮、低温层积、机械破核、强酸强碱、液氮处理等因素进行充分探讨，在后续实验中种子萌发机理、种子对盐分胁迫及对氧气、激素等条件的响应还有待进一步研究。

4 结论

本研究对阜康抽水蓄能电站分布较广的6 种野生草本植物的萌发能力进行了探讨，发现麻叶荨麻和菊叶香藜种子可以快速萌发，可在当地的生态修复中直接使用。另外四种野生植物种子，如白屈菜、骆驼蓬、秃疮花和天仙子均存在一定的休眠特性，且冷藏与浸泡、模拟干旱及高温处理有助于这些种子解除休眠作用。经过这些方法的组合处理后，所有的野生草本植物种子的萌发能力均达到90%左右，为该地的种群恢复与重建奠定了基础。