无芒隐子草花序不同部位种子萌发期光照需求及抗旱性综合评价

陶奇波， 董小兵， 朱清文， 白梦杰， 孙秋瑾， 韩云华， 王彦荣

(草地农业生态系统国家重点实验室农业部草牧业创新重点实验室 草业科学国家级实验教学示范中心兰州大学草地农业科技学院， 甘肃 兰州 730020)

干旱是限制植物生长发育和产量提高的关键逆境因素，直接威胁着植物的正常生长和新陈代谢等生理活动[1-2]。当今全球约有1/3以上的土地处于干旱和半干旱地区，这些地区水分供应不足，严重影响了植物的光合作用、物质运输、蛋白质合成以及细胞伸长等生理过程，导致农作物减产严重[3]。我国是受干旱威胁最为严重的国家之一，尤其在西北干旱半干旱地区，降水稀少，蒸发量大，导致农作物面临减产甚至绝收的风险[4]。同时，干旱导致这些地区植被稀疏，生态环境脆弱，荒漠化问题十分突出。

种子萌发和幼苗生长阶段是植物生长发育过程中最重要的两个时期，该时期植物对环境因子最为敏感，决定着作物的生长以及产量[5]。在干旱与半干旱地区，种子的萌发往往受到水分条件的影响，导致萌发困难、出苗不整齐以及幼苗抗性弱等一系列问题，严重影响栽培草地的建植与利用[6]。光照亦是影响种子萌发与幼苗生长的重要环境因子，不同植物种子的萌发与幼苗生长对光照的反应差异较大[7]。因此，研究种子萌发对水分、光照等环境因子的响应对该地区的植被恢复、草业生产具有重要的意义。

无芒隐子草 (Cleistogenessongorica)为多年生旱生草本植物，是我国西北地区荒漠草地的建群种和优势种[8-9]。其具有耐旱、耐寒、耐践踏、适口性好以及青绿期长等优良特性，不仅可以用作优良的饲用植物，在城市绿化、荒漠地区生态恢复中亦具有广阔应用前景。据报道，无芒隐子草叶鞘内藏有小穗，而暴露于外部的花序位于生殖枝顶部[10]。不同部位的种子在大小、重量等方面均有着显著的差异[8]。以往有关无芒隐子草的研究主要集中在建植[11]以及种子生产技术[12-13]等方面。就其种子萌发生态学方面的研究则仅限于种子萌发的光温响应，以及盐分、埋深等的影响[14-15]，关于花序不同部位的种子对光照、水分及其互作的萌发响应尚未见报道。本试验采用生殖枝自上而下顶部、上部、中部以及底部4个部位的种子为试验材料，探究了光照、水分以及其交互作用对不同部位种子萌发与幼苗生长的影响，并运用模糊数学隶属法来评价不同部位无芒隐子草种子的抗旱性强弱，以期揭示无芒隐子草不同部位种子在萌发以及幼苗生长阶段对水分、光照需求的差异，为无芒隐子草在我国生态恢复、草畜产业发展中发挥更大作用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试无芒隐子草种子于2015年9月采自兰州大学驯化栽培的建植第2年的无芒隐子草种子生产田，该地位于甘肃省民勤县 (38°44′N, 103°1′E, 海拔1 307 m)。选取100个长势均匀且保留有健康、完整的顶穗与9个节间的生殖枝，自生殖枝顶端向底端分节，其中顶部花序为顶部，第1～3节为上部，4～6节为中部，7～9节为下部，按部位分别采收种子后装入纸袋储存于4℃下待用。

1.2 试验方法

1.2.1种子预处理 2015年12月10日开始萌发试验。选取大小均匀一致、籽粒饱满的花序各部位无芒隐子草种子，70%酒精消毒1 min后用蒸馏水冲洗5 min，晾干后开始试验。

1.2.2试验设计 试验设有水分胁迫与光照两个因子。利用聚乙二醇(PEG-6000)模拟水分胁迫，按照Michel和Kaufmann[16]的方法在25℃下将PEG-6000配置成质量分数约为10.7%，15.1%，18.3%以及20.8%的溶液，以蒸馏水为对照，此时各质量分数溶液对应的水势分别为0.0, -0.2, -0.4, -0.6以及-0.8 Mpa。光照处理为正常光照 (12 h光照/12 h黑暗)与黑暗 (24 h黑暗)两种处理，处理中光强度为5 000 lx。

采用标准萌发试验。各处理取50粒种子均匀置于铺有双层滤纸的直径为9 cm的培养皿中，在每个培养皿中加入6 mL蒸馏水或者相应浓度的PEG-6000溶液，并用封口膜封口，置于设置有目标光照条件的两个培养箱中进行萌发试验，设置培养箱温度为25℃恒温。每个处理设置4个重复。每天用称重法补充蒸发的水分，每3 d按照同样的加液方法更换一次滤纸并添加新的溶液。

1.3 指标测定

1.3.1萌发指标 种子发芽期间，每日记录种子发芽数，种子有明显的胚根“露白”即认定为发芽。持续记录21 d 结束。根据如下公式计算种子发芽指标[17-19]：

发芽率 (Germination percentage, GP,%) = (正常发芽种子数/供试种子数)×100%；

发芽势 (Germination energy, GE,%) = (试验第7日正常发芽种子数/供试种子数)×100%；

发芽指数 (Germination index, GI) = ∑ (Gt/Dt)，其中Gt指t时间内的发芽数，Dt指相应的发芽日数；

活力指数 (Vigor index, VI)=GI×Pl，其中Pl指平均胚芽长度；

T50=ti+(N/2-ni)(tj-ti) / (nj-ni)，其中N指最终发芽种子数目，ti与tj指当累积发芽数目满足ni

1.3.2幼苗生长指标 发芽试验结束时在每个培养皿中随机选取5株幼苗，测定并记录其胚芽长、胚根长。并按照如下公式计算根抑制率 (Inhibition of root,%)与芽抑制率 (inhibition of bud,%)[20]：

根抑制率=(处理根长-对照根长)/对照根长×100%；

芽抑制率=(处理芽长-对照芽长)/对照芽长×100%

1.3.3种子萌发期抗旱综合评价 用模糊数学隶属法对无芒隐子草花序4个部位的种子萌发期抗旱性进行综合评价[21]。运用公式Yij=(Xij-Xj,min) / (Xj,max-Xj,min)。式中，Yij为i部位种子的j指标的隶属函数值；Xij为i部位种子的j指标的平均值；Xj,min为各部位种子j指标平均值的最小值；Xj,max为各部位种子j指标平均值的最大值；j指标与抗旱性呈正相关；若j指标与抗旱性呈负相关，则用公式Yij=1-(Xij-Xj,min) / (Xj,max-Xj,min)。根据评价隶属函数值大小确定抗旱性强弱并排序，平均值越大，抗旱性越强。

1.4 数据分析

所有数据均用Excel 2007录入并作图，利用SPSS 19.0统计软件检验处理间的差异性，并进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 种子部位、光照与水分胁迫3因素方差分析

种子部位、光照条件与水分胁迫对无芒隐子草种子发芽率、发芽势、发芽指数等指标均具有极显著影响 (P<0.001) (表1)，3者的交互作用对活力指数有极显著影响，对发芽率与胚芽长度影响显著 (P<0.05)。种子部位与光照的交互作用对胚根长度无显著影响，对其他指标影响显著；光照与渗透胁迫的交互作用对发芽速率与胚根长度无明显影响；种子部位与渗透胁迫的交互作用对发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数与发芽速率均具有极显著影响，对幼苗生长指标影响不显著。

表1 种子部位、光照与水分胁迫对无芒隐子草种子萌发与幼苗生长的方差分析Table 1 ANOVA of seed position, light, osmotic stress and their interactions on seed germination and seedlinggrowth of C.songorica

注：***表示在0.001水平差异显著，**表示在0.01水平差异显著，*表示在0.05水平差异显著

Note: *** indicate significant difference at the 0.001 level; ** indicate significant difference at the 0.01 level; * indicate significant difference at the 0.05 level

2.2 光照与水分胁迫对不同部位无芒隐子草种子发芽的影响

2.2.1发芽率 光照、水分胁迫对无芒隐子草不同部位种子发芽率具有显著的影响 (图1)。各部位种子发芽率随着渗透势的减小而逐渐下降，高渗透势 (-0.2 Mpa)对种子发芽影响不显著，随着胁迫程

度的增加，各部位种子的发芽率受到的抑制作用显著增大 (P<0.05)。无芒隐子草种子萌发需要光照，在黑暗条件下种子萌发显著受抑制 (P<0.05)。各部位种子发芽率自高到低依次为中部>上部>底部>顶部，叶鞘中包藏的种子发芽率显著高于顶穗上的种子。

图1 光照与水分胁迫对无芒隐子草花序不同部位 (A：顶部；B：上部C：中部D：底部)种子发芽率的影响Fig.1 Effects of light and osmotic stresses on seed germination percentage of C.songorica seeds in different spike positions (A:top; B:upper; C:middle; D:bottom)注：不同小写字母表示各渗透势间差异显著 (P<0.05)，下同Note: Different letters indicate significant difference between osmotic stress at the 0.05 level, the same below

2.2.2发芽势 不同光照与水分胁迫对不同部位无芒隐子草种子发芽势的影响如图2所示，水分胁迫与光照对无芒隐子草种子发芽势影响显著 (P<0.05)。与发芽率变化趋势相同，高渗透势对发芽势影响不明显，随着渗透势降低各部位种子发芽势显著降低。这说明由PEG-6000模拟的干旱胁迫环境抑制了无芒隐子草种子的萌发，尤其在渗透势达到-0.8 Mpa时，各部位种子发芽势较对照均降低了50%以上。

图2 光照与水分胁迫对无芒隐子草花序不同部位 (A：顶部；B：上部C：中部D：底部)种子发芽势的影响Fig.2 Effects of light and osmotic stress on seed germination energy of C.songorica seeds in different spike positions (A:top; B:upper; C:middle; D:bottom)

2.2.3发芽指数与活力指数 如图3、图4所示,在光照条件下，各部位种子发芽指数与活力指数均随干旱胁迫的加重而显著降低 (P<0.05)。在黑暗条件下，高渗透势 (-0.2 Mpa)对中部种子发芽指数与活力指数影响不显著，而低渗透势则会显著降低各部位种子的发芽指数与活力指数，在渗透势低至-0.6Mpa时，各部位种子的发芽指数与活力指数较对照降低了50%以上。

图3 光照与水分胁迫对无芒隐子草花序不同部位 (A：顶部；B：上部C：中部D：底部)种子发芽指数的影响Fig.3 Effects of light and osmotic stress on seed germination index of C.songorica seeds in different spike positions(A:top; B:upper; C:middle; D:bottom)

图4 光照与水分胁迫对无芒隐子草花序不同部位 (A：顶部；B：上部C：中部D：底部)种子活力指数的影响Fig.4 Effects of light and osmotic stress on seed vigor index of C.songorica seeds in different spike positions(A:top; B:upper; C:middle; D:bottom)

2.2.4发芽速率 (T50) 在本试验中，运用达到最终发芽数所需要天数的一半 (T50)来表征种子的发芽速率，T50数值越大，则发芽速率越慢。光照与水分胁迫对顶部种子的发芽速率无显著影响 (图5)。上部种子在渗透势达到-0.6 Mpa时发芽速率较对照未见显著变化，但当渗透势达到-0.8 Mpa时，T50数值显著增大 (P<0.05)，表明此时种子发芽速率显著降低。中部种子与下部种子在渗透势到达-0.6 Mpa时T50即显著上升。各部位种子发芽速率一般表现为中部种子>下部种子>上部种子>顶部种子。光照对顶部种子与下部种子发芽速率影响不显著，但对于上部种子与中部种子，光照则显著增加其发芽速率。

图5 光照与水分胁迫对无芒隐子草花序不同部位 (A：顶部；B：上部C：中部D：底部)种子发芽速率 (T50)的影响Fig.5 Effects of light and osmotic stress on seed germination rate (T50) of C.songorica seeds in different spike positions (A: top; B:upper; C:middle; D:bottom)

2.3 光照与水分胁迫对不同部位无芒隐子草种子幼苗生长的影响

2.3.1胚根长度与胚芽长度 无芒隐子草花序各部位种子胚根长度随着渗透势的降低呈现先升高后降低的趋势 (表2)。-0.4 Mpa渗透势下胚根长度显著高于对照 (P<0.05)，表明适度的干旱胁迫会对无芒隐子草各部位种子的胚根生长产生促进作用，然而随着渗透势的降低，胚根长度则显著下降。渗透胁迫对胚芽的生长则始终起到抑制作用，但是对于上部种子与中部种子，轻度的干旱胁迫对于胚芽生长的抑制作用并不明显。黑暗条件下，各部位种子的胚根与胚芽长度均显著低于光照条件，上部、中部与下部种子之间胚根长度与胚芽长度无显著差异，但是其均高于顶穗产生的种子。

2.3.2根抑制率与芽抑制率 通过分析根抑制率与芽抑制率的变化规律，可以进一步了解在PEG-6000模拟干旱胁迫的过程中对无芒隐子草花序不同部位种子幼苗生长的促进或者抑制作用 (表3)。芽抑制率始终为负值，表明干旱胁迫对胚芽的生长始终起到抑制作用。在光照条件下，除上部种子与中部种子外，其余部位的种子在-0.4～-0.8 Mpa渗透势下芽抑制率均无显著性差异，表明-0.4 Mpa的渗透势已经对这些部位种子的胚芽生长产生较大的影响。在黑暗条件下，-0.2 Mpa与-0.4 Mpa下芽抑制率差异不显著，之后随着渗透势的降低，对胚芽的抑制程度显著加强。花序各部位种子根抑制率均在-0.4 Mpa渗透势处理下达到最大值，表明该渗透势会显著提高无芒隐子草胚根的生长情况。花序中部种子与下部种子的根抑制率在-0.6 Mpa下依然是正值，表明这两个部位的种子耐旱性最强。当渗透势低至-0.8 Mpa，则根抑制率均为负值，表明在此处理下根的生长受到了明显的抑制作用。

表2 光照与水分胁迫对无芒隐子草花序不同部位种子胚根长度与胚芽长度的影响Table 2 Effects of light and osmotic stress on radicle length and plumule length of C.songorica seeds in different spike positions

注：同行不同字母表示差异显著 (P<0.05)，下同

Note: Different letters in the same row indicate significant difference at the 0.05 level, the same below

表3 光照与水分胁迫对无芒隐子草花序不同部位种子根抑制率与芽抑制率的影响Table 3 Effects of light and osmotic stress on inhibition of root and inhibition of bud of C.songorica seeds in different spike positions

2.4 不同部位耐水分胁迫综合评价

用模糊函数隶属法对4个部位种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、T50、胚根长与胚芽长等指标进行了综合评价，得到4个部位种子的隶属函数总平均值。由表4可以看出，几个部位种子的平均值由高到低依次为中部>下部>上部>顶部，同时叶鞘中包藏的种子隶属函数总平均值差异不大，但是均远远高于顶穗产生的种子，这也表明鞘藏穗上种子的抗旱性要远高于顶穗上的种子。

表4 无芒隐子草花序不同部位种子耐水分胁迫指标隶属值及综合评价Table 4 Subordinate function values of water stress and comprehensive evaluation of seeds from different spike positions

3 讨论

在种子萌发过程中，水分是起决定性作用的动力因素，其直接参与种皮的吸水膨胀以及幼胚萌发至形态建成等的一系列物理、生化过程[22]。在干旱胁迫下，由于水分匮乏，种子的萌发活性会受到抑制，且随着干旱胁迫的加强，抑制作用会愈加显著[23]。本研究发现，无芒隐子草花序上、中、下部位种子发芽率、发芽势以及发芽指数等指标虽然随着胁迫程度的加剧而呈下降趋势，但是适度的干旱胁迫下，以上指标较对照并无显著差异，甚至会对其各部位种子的胚根生长起到显著的促进作用，表明这些部位产生的无芒隐子草种子具有较强的抗旱性，适宜的干旱胁迫反倒会对其胚根的生长起到一定程度的“引发”作用。对于顶穗上的种子来说，发芽率、发芽指数与活力指数等指标在-0.2Mpa渗透势处理下即显著低于对照处理，表明该部位种子抗旱性相对较弱，对干旱胁迫更加敏感。低浓度PEG溶液处理中华羊茅 (Festucasinensis)种子可以促进其胚根与胚芽的生长，增大根芽比，而高浓度PEG则始终抑制其生长[17]，与本试验取得了一致的结果。相似的结果亦可见梁国玲[24]等人对法恩苇状羊茅 (Festucaarundincea)等4种羊茅属植物种子萌发特性的影响研究。然而，干旱胁迫对无芒隐子草各部位种子胚芽的生长则一直起到抑制作用。-0.6Mpa干旱胁迫对荒漠植物柠条 (Caraganakorshinskii)、花棒 (Hedysarumscoparium)与白沙蒿 (Artemisiasphaerocephala)胚根生长起到显著促进作用，而对胚芽生长则一直起到抑制作用[25]，与本试验取得了一致的结论。余玲[26]等人在野大麦 (Hordeumbrevisubulatum)上的研究表明，干旱胁迫对胚根与胚芽生长始终起到抑制作用，可能的原因在于物种不同，幼苗对干旱胁迫的响应模式也不同。无芒隐子草作为荒漠上的旱生植物，对干旱有着极佳的适应性，适宜的干旱程度不会显著降低其萌发能力，反而有助于其生长。

光照亦是影响种子萌发的重要因素之一[27-28]。本研究认为，无芒隐子草种子属于需光性种子，在完全黑暗环境下，种子发芽率、发芽势、发芽指数以及活力指数等指标均具有一定程度的下降，同时其胚根长度与胚芽长度亦有显著降低。常水晶[29]等人的研究表明，光照对钠猪毛菜 (Salsolanitraria)种子萌发有显著促进作用，在黑暗条件下基本不能萌发。亦有研究表明，囊果碱蓬 (Suaedaphysophora)[30]、黄顶菊 (Flaveriabidentis)[31]等物种中，光照对种子萌发并无显著影响。宋兆伟[32]等人对沙芥 (Pugioniumcornutum)和斧翅沙芥 (Pugioniumdolabratum)的研究表明，光照会抑制这两种植物种子的萌发，相同的结果在望天树 (Parashoreachinensis)[33]等物种上也有报道。

耐水分胁迫性是一个受多种因素影响的复杂数量性状。本试验研究发现，无芒隐子草花序4个部位种子对某一具体指标的反映并不相同。因此，单一指标难以全面准确概况其耐水分胁迫能力强弱。本研究采取隶属函数值法，以期消除单项指标评价的片面性，又由于平均值为[0,1]区间上的纯数，使各部位种子耐水分胁迫差异具有可比性[34]。通过采用隶属函数值法，对无芒隐子草花序不同部位种子的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数以及发芽速率、生长指标进行综合评价，认为各部位种子耐水分胁迫由高到低依次为：中部>下部>上部>顶部，上、中、下部位种子间的平均值差异不大，但均远大于顶部种子。表明鞘藏小穗上的种子抗旱性较强，在实际应用中更加具有推广价值。同时，李欣勇[8]认为无芒隐子草鞘藏小穗上的种子占种子总产量的95%以上。因此，从种子的产量和质量两方面考虑，在实际生产中，需要重点关注鞘藏小穗上的种子，以提高无芒隐子草栽培草地的建植成功率。

4 结论

综上所述，适度的水分胁迫不会对无芒隐子草鞘藏小穗上的种子萌发特性产生显著影响，但会促进种子胚根生长。水分胁迫对无芒隐子草种子胚芽生长一直起到抑制作用，当渗透势低至-0.6 Mpa，花序各部位种子萌发指标均显著低于对照处理。光照对无芒隐子草花序各部位种子的萌发均至关重要，在黑暗条件下，种子发芽率、发芽势等指标显著降低，胚根长与胚芽长显著低于光照条件，即其生长受到了抑制。运用隶属函数值法评价不同部位种子的抗旱性，认为无芒隐子草花序各部位种子抗旱性由高到低依次为：中部>下部>上部>顶部。考虑到种子产量与质量两方面因素，认为在实际生产中，鞘藏穗上的种子在种子生产中起主导作用。