滇水金凤根系分泌物对其种子萌发的影响

朱佳鹏， 闻永惠， 季文丽， 汪 琼

(西南林业大学园林学院， 云南 昆明 650224)

种子萌发是贯穿整个植物生活史中非常重要且敏感、脆弱的环节，它对植物幼苗个体的存活和竞争有着极大的关系，同时也影响着植被的水平分布和生物多样性水平[1]。影响种子萌发的因素既包括光照、空气、水分等非生物因素，也包括细菌、真菌、遗传因子、内源激素和植物生长调节剂、根系分泌物等生物因素[2]。根系分泌物复杂、多组分，是植物与外界环境进行物质交换和信息传递的重要载体，也是根际间对话的主要调控者[3-5]。目前公认的植物根系分泌物主要包括有机酸类、酚酸及其衍生物类、黄酮类、萜类、生物碱类等14个大类[6]。宋亮等认为，低分子量有机酸对植物种子的萌发有显著的影响作用[7]。焦浩研究发现，大豆种子经过乙酸处理后，萌发率呈现先增高后降低趋势[8]。庄正等研究发现，低浓度(0.5～5 mmol·L-1)有机酸对杉木种子萌发有促进作用，高浓度(≥50 mmol·L-1)则表现为抑制作用[9]。

滇水金凤(ImpatiensuliginosaFranch.)[10]为凤仙花科凤仙花属一年生或多年生草本植物，分布于我国云南及广西一带，喜生长于潮湿林下、水沟边及溪流旁。其花色鲜艳、花期长、生物量大、根系发达且适应性强，具有较高的园林观赏价值和一定的药用价值[11]。据《滇南本草》记载：“水金凤，味辛，性寒。洗湿(热)、筋骨疼痛、疥癞癣疮。”全草可入药，有祛瘀消肿、止痛的功能。滇水金凤为种子繁殖植物，由于野生滇水金凤的生境和种子质量、形态差异较大，发芽过程中受到内、外因素的共同影响，导致发芽率较低且不同地区间发芽率存在较大差异。目前对凤仙花属植物发芽率的影响研究较少且多关注于盐、重金属、温度、水分胁迫等方面，对凤仙花属植物根系分泌物的影响尚未见报道[12]。本次研究采用水培法收集滇水金凤根系分泌物，通过模拟滇水金凤根系分泌物对其种子萌发的影响，以期为滇水金凤的引种驯化及大规模人工培育及连作提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

滇水金凤种子和幼苗均采集于云南省昆明市捞鱼河湿地公园(102°46′7.15″E，24°49′22.79″N)。

1.2 试验方法

1.2.1滇水金凤根系分泌物的提取

2018年10月采集捞鱼河滇水金凤幼苗，株高约10 cm，置于玻璃瓶中，每瓶5棵，共2瓶，各取500 mL蒸馏水水中栽培1周(定期补水)。除去植株，合并收集液过滤后置于旋转蒸发仪真空浓缩，用乙酸乙酯萃取2次，上层乙酸乙酯相为中性组分；用1 mol·L-1的HCl将下层水相pH值调至3.0后，再用等量的乙酸乙酯萃取2次，乙酸乙酯相为酸性组分；再用1 mol·L-1的NaOH将下层水相pH值调至8.0后，再用等量的乙酸乙酯萃取2次，乙酸乙酯相为碱性组分。合并酸、中、碱性乙酸乙酯相即为滇水金凤根系分泌物提取液。

1.2.2根系分泌物对种子萌发实验

选取优质饱满、大小均匀一致的滇水金凤种子，将其浸于0.4%高锰酸钾溶液里消毒15 min后，取出用蒸馏水反复冲洗干净。将种子置于30 ℃恒温水浴锅，用蒸馏水浸泡6 h，使其充分吸胀，备用。在每个培养皿中垫2层滤纸，均匀放入50粒滇水金凤种子，分别吸取5 mL不同浓度有机酸于培养皿中，蒸馏水作为空白对照组。每个处理均为3次重复，共6个处理，用蒸馏水配制不同浓度有机酸，分别为0、0.5、1、2、5、10 mmol·L-1(见表1)。将培养皿放入光照培养箱(25 ℃恒温，相对湿度79.6%，光期12 h，光强3 000 lx，每2 d更换1次滤纸，观察萌发记录)。以胚根突破种皮作为萌发标志，第14天后结束种子萌发实验。

表1 有机酸处理浓度及pH值

有机酸pH值浓度/(mmol·L-1)00.512510乙酸6.54.013.633.623.413.27丙酸6.54.023.653.593.463.35丁酸6.53.983.633.563.423.34戊酸6.54.013.613.563.453.31酒石酸6.53.222.852.782.652.51

1.3 指标的测定和方法

每天定时对种子萌发情况进行详细记录，分别在第6天、第14天统计发芽势、发芽率和发芽指数。参照魏娟等[13]的方法，分别计算种子的发芽率、发芽势和发芽指数。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2003软件进行处理和作图，采用SPSS 24.0软件进行方差统计分析。

2 结果与分析

2.1 滇水金凤根系分泌物测定

将提取液置于IKA旋转蒸发仪中真空浓缩后，经0.45μm微孔滤膜过滤后取1.5 mL样品经液相色谱-离子阱质谱仪测定其成分及相对含量，其主要成分有：乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、酒石酸等5种有机酸，液相色谱图见图1，滇水金凤根系分泌物的含量检测见表2。

注：A、B、C、D、E分别为乙酸、丙酸、丁酸、酒石酸、戊酸。

2.2 5种不同浓度有机酸对滇水金凤种子发芽率的影响

发芽率可以直接反映种子的出苗情况，不同浓度的有机酸处理液对滇水金凤种子的发芽率也有很大影响。由图2可知，在浓度为0.5～10 mmol·L-1范围内，滇水金凤的种子发芽率总体上随乙酸、丙酸、丁酸、戊酸浓度的变化呈现先上升后下降的趋势，但在酒石酸处理下的种子发芽率呈先缓慢下降再上升的趋势。醋酸对滇水金凤平均发芽率的促进作用最明显，达到28.4%，高于对照23.33%，丁酸、丙酸、酒石酸、戊酸的平均发芽率分别为24.4%、21.6%、22.4%、24.8%。5种有机酸处理下滇水金凤种子发芽率达到最大所对应的浓度分别为乙酸(1 mmol·L-1)、丙酸(0.5 mmol·L-1)、丁酸(1 mmol·L-1)、酒石酸(10 mmol·L-1)、戊酸(0.5 mmol·L-1)，发芽率分别为36%、30.33%、34.33%、26.33%、39%，均远高于对照组23.33%。在0.5～2 mmol·L-1乙酸、丙酸、丁酸处理下，滇水金凤种子发芽率均有明显促进作用。当丙酸、丁酸、戊酸浓度为10 mmol·L-1时，滇水金凤种子发芽率降至最低，分别为9.33%、2%、3.67%。

注：A、B、C、D、E分别为乙酸、丙酸、丁酸、酒石酸、戊酸；ck表示清水对照；T 1、T 2、T 3、T 4、T 5分别表示0.5 mmol·L-1、1 mmol·L-1、2 mmol·L-1、5 mmol·L-1、10 mmol·L-1；不同小写字母表示处理间差异显著(p<0.05)。下同。

表2 滇水金凤根系分泌物的含量检测

序号化合物名称分子式检测强度加合物 H+ Na+1乙酸CH3COOH61.028437986.252YN2丙酸CH3CH2COOH75.044143485.039YN3丁酸C4H8O289.0597989145.903YY4戊酸CH3CH2CH2CH2COOH103.0754415842.013YY5酒石酸C4H6O6151.0237320102.734YN

注：Y表示Yes，N表示No。

2.3 5种不同浓度有机酸对滇水金凤发芽势的影响

发芽势决定了出苗的整齐程度，芽势越高的种子播种后发芽越整齐，因此发芽势是反映种子品质的重要指标之一[14]。由图3可知，在0.5～10 mmol·L-1范围内，滇水金凤种子发芽势随乙酸、丙酸、丁酸、酒石酸、戊酸浓度的变化总体呈先上升后下降的趋势。醋酸对滇水金凤平均发芽势的促进作用最明显，达到17.6%，高于对照11.33%，丁酸、丙酸、酒石酸、戊酸的平均发芽势分别为14%、14.07%、17.07%、12.13%。有机酸处理下滇水金凤种子发芽势达到最大，所对应的浓度分别为乙酸(1 mmol·L-1)、丙酸(2 mmol·L-1)、丁酸(0.5 mmol·L-1、2 mmol·L-1)、酒石酸(0.5 mmol·L-1)、戊酸(0.5 mmol·L-1)，发芽势分别为26.33%、24.67%、20%、23.33%、18.33%，均远高于对照组11.33%。在0.5～5 mmol·L-1的乙酸、丁酸和酒石酸处理下，滇水金凤种子发芽势得到明显提高，当丙酸、丁酸、戊酸浓度为10 mmol·L-1时，滇水金凤种子发芽势降为0。

图3 5种不同浓度有机酸对滇水金凤发芽势的影响

2.4 5种不同浓度有机酸对滇水金凤发芽指数的影响

发芽指数能够反映种子的活力特征，一般认为，发芽指数越高，种子的活力越强[15]。由图4可知，在0～10 mmol·L-1范围内，滇水金凤种子发芽指数随乙酸、丙酸、丁酸、戊酸浓度的变化呈先上升后下降的趋势，而酒石酸则与此相反。醋酸对滇水金凤平均发芽指数的促进作用最明显，达到8.46，高于对照(5.89)。丁酸、丙酸、酒石酸、戊酸的平均发芽指数分别为6.79、5.61、8.15、6.78。有机酸处理下滇水金凤种子发芽指数达到最大，所对应的浓度分别为：乙酸(1 mmol·L-1)、丙酸(2 mmol·L-1)、丁酸(2 mmol·L-1)、酒石酸(0.5 mmol·L-1)、戊酸(0.5 mmol·L-1)，发芽指数分别为：11.51、13.07、9.02、9.02、9.99，均高于对照组(5.89)。在0.5～5mmol·L-1乙酸、丙酸、戊酸处理下，滇水金凤种子发芽指数得到提高，当有机酸浓度达到10 mmol·L-1时，除酒石酸外，其余4种酸处理下的发芽指数均呈现大范围下降，丙酸、丁酸、戊酸分别达到1.39、0.2、0。

图4 5种不同浓度有机酸对滇水金凤发芽指数的影响

3 讨论和结论

大量研究表明，根系分泌物[16]是植物适应长期外界环境胁迫的一种作用机制,在许多环境的胁迫下，植物可以通过根系释放有机酸到根际周围,改变根际周围环境的原有理化性质。根系分泌物对种子萌发的作用总体表现为低促高抑的双重效应。杨海婧等研究发现，小麦根系分泌物的水相浸提液对麻花艽种子萌发及胚根生长有轻微的促进作用[17]。高欣欣等在研究烤烟中发现，其根系分泌物主要成分(延胡索酸、丁二酸、烟碱)对烟草种子发芽率均有抑制作用，并且随着浓度的增加而逐渐加强[18]。赵旭等在研究古黄芪根系分泌物中发现，古黄芩的根系分泌物对其种子萌发和幼苗生长具有显著抑制作用[19]。

本实验采集滇水金凤幼苗通过水培实验收集根系分泌物，研究滇水金凤根系分泌物化学成分及模拟滇水金凤根系分泌物对其种子萌发的影响。结果表明：滇水金凤根系分泌物主要成分为乙酸、丁酸、丙酸、酒石酸、戊酸等5种有机酸。5种有机酸对滇水金凤种子平均萌发的促进作用顺序为：乙酸>戊酸>丁酸>酒石酸>丙酸，5种有机酸萌发的最佳浓度分别为：1 mmol·L-1(乙酸)、0.5 mmol·L-1(丙酸)、0.5 mmol·L-1(丁酸)、10 mmol·L-1(酒石酸)、0.5 mmol·L-1(戊酸)。在0～10 mmol·L-1的浓度处理范围内，随着5种有机酸处理浓度的增加，乙酸、丁酸、丙酸、戊酸对滇水金凤种子萌发呈现低促高抑作用，这与王树起等[20]、曹光球等[21]、王思龙等[22]的研究结果一致。总体来说，在0.5～2 mmol·L-1浓度范围时，5种有机酸均对滇水金凤种子发芽率、发芽势、发芽指数有促进作用。5种有机酸萌发的最佳浓度分别为：乙酸(1 mmol·L-1)、丙酸(0.5 mmol·L-1)、丁酸(0.5 mmol·L-1)、酒石酸(10 mmol·L-1)、戊酸(0.5 mmol·L-1)。当浓度为10 mmol·L-1时，丙酸、丁酸、戊酸的发芽率、发芽势、发芽指数完全被抑制。在酒石酸处理下，滇水金凤种子萌发随酒石酸浓度增高而先降低后升高，这与刘春燕等[23]的研究结果不一致。张永福等[24]研究发现，pH值为3～11处理对凤仙花种子的萌发影响不大，推测一方面酒石酸能够在较低pH下提供滇水金凤种子合适的酸碱环境，刺激和增强萌发代谢的酶促反应，李佛莲等[25]利用浓硫酸的酸蚀作用处理华西小石积的种子外种皮能够提高其萌发率；另外一方面，较低的pH有利于蔗糖水解为葡萄糖，加快种子对营养物质的吸收，从而促进种子的萌发[26]。本实验初步探讨了5种有机酸对滇水金凤种子萌发的影响，由于本实验仅以模拟滇水金凤根系分泌物的5种有机酸的单一因素进行分析，不能系统阐述滇水金凤根系分泌物对其自身种子萌发的综合作用机理，后期的工作中需应用不同方法为滇水金凤根系分泌物对其自身种子萌发的作用机理进行下一步研究。