温度、光照及PEG胁迫对不同生态型醉马草种子萌发的影响

刘雪松

（甘肃中医药大学基础医学院，甘肃 兰州 730000）

醉马草(Achnatherum inebrians)是我国北方草原的主要烈性毒草之一，在甘肃、内蒙、青海、西藏等地区均有分布，在河北、山东、浙江等地也有少量分布[1-2]。其属于禾本科芨芨草属的多年生草本植物，因其对家畜有毒而不能被家畜采食，因此醉马草成为限制北方草原畜牧业生产的重要因素之一，但因醉马草也具有抗逆性强、扩散蔓延快的优良特性，因此也可作为生态环境建设和水土保持的良好草种进行合理利用[1]。近年来，兰州大学研究团队对其开展了大量研究，明确了其毒性是由内生真菌(Epichloë gansuensis,E.inebrians)产生，而内生真菌的存在也提高了醉马草的抗逆性和种群竞争力，为醉马草的可利用研究奠定了基础[3]。

种子萌发是植物进行种群延续的重要阶段，是植物生命史上的关键阶段[4-7]。种子的正常萌发和出苗均受外界环境因素如温度和光照的影响[8]。种子的萌发率和萌发指数与种子萌发时所具备的温度和光照有关，同一地区的不同物种以及不同地区的同一物种的种子，最适萌发温度都可能不同[9]。种子萌发时感知外界温度变化是种子检测植被冠层间隙和土壤埋藏深度的一种机制，这对植物生长具有十分重要的意义[10]。光照对种子萌发以及后续幼苗的生长具有非常重要的作用，不同植物在不同光照条件下种子的萌发行为和幼苗生长对光强的响应存在较大差异，而且幼苗在生长过程中能够通过形态变化来适应环境光强的变化，从而对不良环境产生适应性[11]。由于全球气候变化和过度放牧的影响，天然草地面临着温度升高、水分短缺等问题，这对草类植物的生长造成了威胁。因此，在不同生境条件下研究醉马草种子萌发的适应性对醉马草优良品种筛选和草种扩繁具有重要意义。

近年来，国内外对醉马草种子萌发和幼苗生长的研究主要集中在温度、水分、内生真菌、重金属和外源激素对其萌发的影响上[12-15]，而关于温度、光照和PEG三者互作对醉马草种子萌发的研究尚未见报道。本研究以不同采集地的醉马草种子为试验材料，利用PEG渗透调节剂模拟水分胁迫，研究光照、温度和水分条件互作对种子萌发的影响，明确多种环境因子相互作用对醉马草种子的萌发特性的影响，为进一步研究醉马草种群繁殖扩散的机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2013年9月分别自甘肃榆中和内蒙古阿拉善采集醉马草种子，清除杂质后自然风干后低温储存备用。渗透调节剂PEG-6000为分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

试验共设2个生态型处理，榆中(YZ)生态型和阿拉善(Alxa)生态型，3个温度处理10 ℃/20 ℃、15 ℃/25 ℃ 和 20 ℃/30 ℃ 变温 12 h/12 h)，2 个光照处理(完全光照和完全黑暗)，在不同温度和光照条件下设4个不同浓度PEG水分胁迫处理(0、-0.3、-0.6和-0.9 MPa)，以无菌水处理(0 MPa)为对照，每个处理设置4个重复[16]。

2015年7月20日，将低温保存的醉马草种子取出，筛选大小一致、健康饱满的种子，先用1%次氯酸(NaClO)浸泡5 min后，立即转移到70%乙醇浸泡2 min，然后用蒸馏水冲洗干净，在灭菌滤纸上晾干后利用纸上发芽法进行种子萌发试验。将直径为9 cm的培养皿底部铺上两层灭菌滤纸，均匀放入50粒种子，然后加入5 mL的PEG溶液，5 mL蒸馏水作为对照，称取每个培养皿的原始重量，做好标记记录。将培养皿中放入各温度和光照的的培养箱中培养，光强统一设置为5 000 lx，湿度统一设置为82%，连续培养21 d，每天用称重法补水并记录正常发芽的种子数目，每隔5 d更换一次无菌滤纸，并及时清理污染发霉的种子，21 d后从每个培养皿中随机选取5株幼苗，用游标卡尺测定并记录其胚芽长和胚根长。利用第14天萌发的数值计算发芽率(germination rate,GR,%)和发芽指数(germination index,GI)。

式中：Gt为t天的发芽个数，Dt为发芽的相应天数)

1.3 数据分析

试验数据用SPSS 17.0软件进行方差分析，用Microsoft Excel 2007进行数据汇总和图表制作。

2 结果与分析

2.1 光照对醉马草种子萌发和幼苗生长的影响

2.1.1 不同温度和PEG胁迫对醉马草种子发芽率的影响

在温度一定时，随着PEG浓度的升高，醉马草种子的发芽率逐渐降低，但两种醉马草种子都有承受一定程度水分胁迫的能力。YZ醉马草种子在3种温度条件下发芽率均在-0.6和-0.9 MPa水分条件下显著降低(P＜ 0.05)；在10 ℃/20 ℃温度下，Alxa醉马草种子发芽率在-0.9 MPa水分条件下显著 降低 (P＜ 0.05)，而在 15 ℃/25 ℃ 和 20 ℃/30 ℃条件下，种子发芽率在-0.6 MPa条件下显著降低，且均显著低于对照处理(P＜ 0.05)。当PEG浓度一定时，YZ醉马草种子的发芽率随温度的上升呈先上升后下降的趋势，15 ℃/25 ℃时种子发芽率达到最高。Alxa醉马草种子发芽率在-0.3 MPa水分胁迫下随温度的升高呈先上升后下降的趋势，且在15 ℃/25 ℃时达到最大值；在-0.6和-0.9 MPa渗透胁迫下，种子的发芽率随温度的升高呈逐渐降低的趋势，这说明YZ醉马草种子有较强的吸水力(表1)。

2.1.2 不同温度和PEG胁迫对醉马草种子发芽指数的影响

光照条件下，当温度一定时，两种醉马草种子的发芽指数随着PEG浓度的升高显著降低，且均显著低于对照处理(P＜ 0.05)。当溶液渗透势一定时，两种醉马草种子发芽指数随着温度的升高呈现先增大后减小的趋势，且都在15 ℃/25 ℃条件下达到最大值，说明15 ℃/25 ℃条件为两种醉马草种子萌发最适宜的温度(表2)。

2.1.3 不同温度和PEG胁迫对醉马草幼苗胚根长的影响

光照条件下，在同一PEG溶液浓度胁迫下，两种醉马草种子的胚根长随着温度的上升呈现先上升后下降的趋势，且均在15 ℃/25 ℃条件下达到最大值。YZ醉马草的胚根长随温度的变化与对照差异不显著，而Alxa醉马草在15 ℃/25 ℃条件下的胚根长显著大于10/20 ℃(P＜ 0.05)。在同一温度条件下，两种醉马草种子的胚根长随着水分胁迫的增加而减小(表3)。

2.1.4 不同温度和PEG胁迫对醉马草幼苗胚芽长的影响

当PEG溶液浓度一定时，两种醉马草种子的胚芽长随着温度的升高均呈现先上升后下降的趋势，且都在15 ℃/25 ℃条件下达到最大值；YZ醉马草的胚芽长在3个温度处理下差异不显著(P＞ 0.05)，而Alxa醉马草在水势为-0.3 MPa时，15 ℃/25 ℃温度下的胚芽长显著高于10 ℃/20 ℃和对照(P＜ 0.05)。当温度一定时，两种醉马草的胚芽长均随着PEG溶液浓度的增加而降低，且在相同水势条件下Alxa醉马草的胚芽长均高于YZ醉马草(表4)。

表1 光照条件下不同温度和PEG胁迫对两种醉马草种子发芽率的影响Table 1 Effects of different temperatures and levels of PEG stress on the germination rates of the seeds of two ecotypes of Achnatherum inebrians held under the same light conditions %

表2 光照条件下不同温度和PEG胁迫对两种醉马草种子发芽指数的影响Table 2 Effects of different temperatures and levels of PEG stress on the germination index of the seeds two ecotypes of Achnatherum inebrians germinated under the same light conditions

表3 光照条件下不同温度和PEG胁迫对两种醉马草胚根长的影响Table 3 Effects of different temperatures and levels of PEG stress on the radicle length of seedlings of two ecotypes of Achnatherum inebrians germinated under the same light conditions mm

2.2 黑暗条件下温度变化对两种醉马草种子萌发和幼苗生长的影响

2.2.1 黑暗条件下温度变化对两种醉马草种子萌发的影响

黑暗条件下，两种醉马草种子的发芽率随着温度的升高均呈现逐渐升高的趋势，3个温度条件下两种醉马草的发芽率无显著差异(P＞ 0.05)，YZ醉马草种子的发芽率稍高于Alxa醉马草(图1)。在10 ℃/20和15 ℃/25 ℃条件下，Alxa醉马草种子的发芽指数显著高于YZ醉马草(P＜ 0.05)。YZ醉马草种子的发芽指数随温度的升高逐渐增大，且3个温度处理的差异均显著(P＜ 0.05)；而Alxa醉马草种子的发芽指数则随温度的升高先增加后下降，在温度为15 ℃/25 ℃时，发芽指数达到最大，与10 ℃/20 ℃ 处理相比差异显著 (P＜ 0.05)，与 20 ℃/30 ℃处理无显著差异(图1)。

表4 光照条件下不同温度和PEG胁迫对两种醉马草胚芽生长的影响Table 4 Effects of different temperatures and levels of PEG stress on the plumule length of seedlings of two ecotypes of Achnatherum inebrians germinated under the same light conditions mm

图1 黑暗条件下温度变化对两种醉马草种子萌发的影响Figure 1 Effects of different temperatures on the seed germination of two ecotypes of Achnatherum inebrians

2.2.2 黑暗条件下温度变化对醉马草幼苗生长的影响

3个温度条件下，Alxa醉马草的胚根长显著大于YZ 醉马草的胚根长 (P＜ 0.05)。

YZ醉马草的胚根长随温度的升高逐渐增大，且各温度处理之间无显著差异；Alxa醉马草的胚根长则随温度的变化先增加后降低，在15 ℃/25 ℃条件下达到最大值，与10 ℃/20 ℃处理差异显著(P＜0.05)，但与 20 ℃/30 ℃ 处理无显著差异 (P＞ 0.05)(图2)。黑暗条件下，YZ醉马草与Alxa醉马草的胚芽长均随温度的升高而逐渐增大，且Alxa醉马草的胚芽长显著大于YZ醉马草的胚芽长(P＜ 0.05)；在20 ℃/30 ℃条件下，YZ醉马草的胚芽长显著高于 10 ℃/20 ℃ 处理 (P＜ 0.05)；而在 15 ℃/25 和 20 ℃/30 ℃条件下，Alxa醉马草的胚芽长显著高于10 ℃/20 ℃ 处理 (P＜ 0.05) (图2)。

图2 黑暗条件下温度变化对两种醉马草幼苗生长的影响Figure 2 Effects of different temperatures on seedling growth in two ecotypes of Achnatherum inebrians held under dark conditions

3 讨论与结论

种子萌发需要适宜的水分、充足的氧气、合适的温度或光照等环境因子，这些环境因子彼此关联，共同发挥作用以影响种子活力[17-18]。种子的萌发除了与环境因子相关外，还与种子本身的遗传特性及适应环境的能力有关[19-21]。本研究发现不同生态型的醉马草种子对温度和水分胁迫的响应有差异，Alxa醉马草在同一温度和水分条件下生长地更好，这说明Alxa醉马草种子具有较强的抗逆生长能力，这种抗逆性可能与Alxa醉马草种子的遗传特性和适应能力有关。

温度对种子休眠也有重要的影响，可以打破种子休眠，改变种子休眠形式，或者影响无休眠种子的萌发速率[22-23]。本研究发现，当PEG浓度为0 Mpa时，无论光照与否，两种醉马草种子在3个温度条件下都能萌发，萌发率均达到85%以上，说明醉马草种子萌发在对温度变化具有较宽适应性。一定的渗透胁迫范围内，在15 ℃/25 ℃温度下两种醉马草种子的发芽率与发芽指数都达到最大，说明此温度适宜于醉马草种子萌发，超过该温度则会降低醉马草种子的生命力，这与万志文等[24]对醉马草的研究结果相似。当光照时，在15 ℃/25 ℃温度下两种醉马草种子的胚根和胚芽长都达到最大值，可能是因为温度激发了种子体内代谢酶的活性，促进了贮藏物质的转化和胚的生长，变温同时也加速了种皮的机械变化，有利于水分进入从而促进种子萌发[25]。在本研究中，温度的变化对两种醉马草种子发芽率的影响不是很大，种子发芽指数却与温度变化紧密联系，且在黑暗条件下这种现象更为明显，这表明黑暗条件下醉马草种子的活力受温度的影响较大；在一定的渗透胁迫范围内随着温度的上升，醉马草的发芽率和发芽指数都有所增加，表明适宜的温度可以减弱PEG胁迫对种子萌发的影响，这与刘鸿芳等[26]对胡枝子(Lespedeza bicolor)的研究结果相似。

光照是影响种子萌发的重要环境因子，对某些种子的萌发是所必须的，如对叶榕(Ficus hispida)、益母草(Leonurus artemisia)的种子[27-29]；而对有斑百合(Lilium concolor)、川百合(L.davidii)、毛百合(L.dauricum)种子的萌发有明显的促进作用[19]。本研究发现当水分胁迫为0 Mpa，温度为15/25 ℃，光照处理的YZ醉马草种子的发芽指数明显高于黑暗处理，但发芽率无差异，而Alxa醉马草种子的发芽率和发芽指数在光照和黑暗处理下均无差异，这说明醉马草种子的发芽率大小与有无光照无关，有无光照都能萌发，光照不是醉马草种子萌发所必需的条件，这与薛焱和王迎春[30]、黄振英等[31]、孙卫邦等[32]和段春华等[33]对长叶红沙(Reaumuria trigyna)、梭梭 (Haloxylon ammodendron)、皱叶醉鱼草(Buddleja crispa)和醉马草的研究结果相似。黑暗条件下，不同温度处理对两种醉马草种子的发芽率没有显著差异，但随着温度的升高呈上升趋势，说明在黑暗条件下温度对醉马草种子的萌发有一定的促进作用，这与杨利平等[19]对百合属(Lilium)6种植物种子萌发的研究结果相似。

在植物生命史中，种子萌发期是最为重要的时期，此阶段对外界水分的变化最为敏感[19]。本研究发现，不同浓度的PEG均会不同程度的抑制醉马草种子的萌发，且随着渗透势的降低对种子萌发的抑制作用更强，这与张会灵等[34]在PEG胁迫下对辣椒(Capsicum annuum)种子萌发的影响研究结果相似，却与辛福梅等[35]对巨柏(Cupressus gigantea)种子萌发的研究结果相反，可能因为醉马草种子对水分的变化较为敏感及种子本身的生理特性不同。

综上所述，本研究首次在温度、光照和PEG三者相结合的处理下探讨对不同生态型醉马草萌发的影响，研究结果表明最适宜两种醉马草种子萌发的温度为15 ℃/25 ℃，光照不是种子萌发所必需的环境条件，低浓度的PEG也会抑制种子的萌发；黑暗条件下，YZ醉马草种子适宜萌发的温度变化范围较广，Alxa醉马草种子萌发的速度和整齐度较好，种子的活力较强；无论是在光照、温度或是水分胁迫条件下，Alxa醉马草的胚根与胚芽长都高于YZ醉马草，说明Alxa醉马草更具有较强的抗逆性和适应性。