温度与PEG-6000模拟干旱对沙棘种子萌发的影响

程继铭，于思敏，马 佳，朱雅婷，闫兴富

(北方民族大学生物科学与工程学院/国家民委生态系统建模及应用重点实验室，宁夏 银川 750021)

植物种群更新受种子萌发的影响较大。植物种子萌发策略可根据环境因子的不同而做出相应变化，从而有利于种子避开不利环境的影响，例如通过提高种子萌发率而增加种子向幼苗转变的几率，从而增强对不利环境的适应[1]。温度和水分是限制植物种子萌发的主要因素[2]。种子在萌发过程中可通过对外界环境温度做出反应而对种子进行调节，从而对种子萌发、幼苗生长产生影响，进一步影响植物群落更新。适于植物种子萌发的温度往往在特定的范围[3]，超过特定温度范围对种子萌发不利，而在一定范围内，植物种子的萌发率随着温度升高而提高[4]。种子萌发的最适温度在不同植物间往往存在明显差异，例如，江孜沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)种子萌发最适温度为20～25 ℃[5]，猪毛菜(SalsolacollinaPall.)[6]、中华羊茅(FestucasinensisKeng.)[7]等种子最适萌发温度为25 ℃，勐腊毛麝香(Adenosmaretusilobum)种子最适萌发温度则更高(30 ℃)[8]；另有一些植物种子适宜的萌发温度相对较低，例如闫兴富等[9]发现，柠条锦鸡儿(CaraganakorshinskiiKom.)种子萌发率在15 ℃下最大，而明党参(ChangiumsmyrnioidesWolff.)种子萌发的最适温度甚至低至10 ℃[10]。

种子萌发受到水分的严重影响，研究中常常利用聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)模拟干旱胁迫探究植物种子应对干旱时所采取的策略[8,9]。种子是植物种群更新的初始阶段，其萌发容易受到干旱胁迫的影响。高浓度PEG溶液会强烈抑制种子萌发[11-13]，表现为种子的萌发参数随PEG溶液浓度增强而减小，例如当PEG浓度在15%时会严重抑制荻(Triarrhercasacchartflora)种子的萌发[14]，甚至苦马豆(Swainsoniasalsula)种子在超过10%浓度的PEG下不能萌发[12]。相反，也有高浓度的PEG模拟干旱胁迫不会对一些植物种子萌发产生严重影响的情况，例如岷谷木蓝(Indigoferalenticellata)[4]和黑豆(Glycinemax(L.) merr)种子[15]在PEG浓度高达30%时仍能够萌发。

沙棘(Hippophaerhamnoides)是一种耐旱、耐寒、耐贫瘠的先锋树种。沙棘根系发达，根蘖性较强，防风固沙能力良好，因此被广泛应用到水土保持和沙漠绿化中[16]。已有研究报道，温度对沙棘种子多个萌发参数有极显著影响，沙棘种子在30 ℃/20 ℃变温和30 ℃恒温条件下萌发得更好[17]。在一定浓度范围内，

表1 温度和PEG-6000模拟干旱胁迫对沙棘种子萌发影响的二因素方差分析

沙棘种子的萌发率和发芽势受PEG-6000溶液模拟干旱胁迫程度增加呈上升趋势，但当PEG浓度>16%时，萌发率等呈逐渐下降趋势[18]。在生态环境恶劣的干旱地区，沙棘种子萌发常常面临众多环境因子的多重胁迫作用，单一因素控制研究难以全面评价种子萌发对环境因子的响应。因此，本研究分别设置4个(15、20、25、30 ℃)不同温度条件，在各个温度条件下分别设置7个PEG-6000溶液浓度梯度(0、5%、10%、15%、20%、25%、30%)，研究沙棘种子萌发在不同温度和不同PEG-6000溶液模拟干旱胁迫及其与温度的交互作用中受到的影响，研究结果可为这一重要先锋树种的更新和种苗生产及其在防风固沙和水土保持等生产实践中应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

沙棘种子采自宁夏固原六盘山龙潭林场内的成年植株，2018年10月中旬，采摘成熟的沙棘果实，带回实验室后反复揉搓、冲洗，去除全部果肉，再用清水冲洗干净后置于铺有干净滤纸的实验台上自然风干，风干后将种子冷藏于4 ℃低温下备用。

1.2 试验设计

在人工气候箱(SPX-330-C型，上海琅玕实验设备有限公司生产)4个恒温条件(15、20、25、30 ℃)下，分别设置浓度为0、5%、10%、15%、20%、25%和30%的7个PEG-6000干旱处理，每个处理4个重复。试验选用饱满并且形态大小基本一致的沙棘种子，萌发基质为双层滤纸，将种子均匀放置于直径为110 mm的培养皿中，每培养皿放入40粒，播种完成后，用洗瓶将相应浓度的PEG溶液从培养皿边缘轻轻注入底部，直到溶液完全浸润滤纸。随后将培养皿分别置于对应条件的人工气候箱中，光照条件设置为光照/黑暗(14 h/10 h)。试验过程中为了排除水分蒸发对PEG浓度的影响，每隔2 d更换1次滤纸和相应浓度的PEG溶液。

1.3 种子萌发参数的计算

本试验萌发判定标准为：胚根伸出种皮2 mm，在每天同一时间段对种子萌发情况进行观察、记录，记录后将萌发的种子取出。持续观察，待连续2周不再有种子萌发时试验结束。本试验采用种子活力参数有：萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数，计算公式如下：

萌发率(%)=(n/N)×100%；式中，n为萌发种子数，N为所用种子总数。

萌发速率=∑(100Gi/n×ti)；式中，n为每重复所用种子数，Gi为在ti天(ti= 0，1，2，3…，∞)内萌发种子数[19]。

萌发值=MDG×PV；式中，MDG为平均每天萌发种子数，PV为萌发试验中平均每天的萌发种子数最大值[20]。

萌发指数=∑Gt/Dt；式中，Gt为t天的萌发种子数，Dt为萌发试验天数。

活力指数=萌发率×(Lr+Ls)；式中，Lr为幼苗根的长度(cm)，Ls为幼苗茎长度(cm)[19](本研究中幼苗根的长度由胚根长代替)。

1.4 数据处理

在统计分析之前，将试验全部数据进行平方根转换。在SPSS 13.0软件中利用二因素方差分析，分析不同温度和不同干旱胁迫对种子萌发参数的影响，用最小显著差法(LSD)分析种子萌发参数在不同温度和PEG浓度处理间的差异显著性；用Excel 2007软件处理数据，用SigmaPlot 10.0软件作图，图表中所有数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 温度和PEG模拟干旱胁迫对沙棘种子萌发的影响

从表1可以看出，温度、PEG模拟干旱胁迫及二者交互作用对沙棘种子的萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数均具有极显著影响(p<0.01)。在温度和PEG模拟干旱胁迫二者共同作用下，种子在低温(15 ℃)且受到低浓度PEG干旱胁迫时，萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数反而有所提高，但随着PEG浓度继续升高，这些萌发参数呈逐渐下降的趋势。而在其它温度下，随着干旱胁迫加剧，萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数均呈逐渐下降的趋势。

表2 温度对沙棘种子萌发的影响

2.2 不同温度下种子的萌发特征

从表2可以看出，在不同温度下，沙棘种子萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数随着温度升高均呈先增大后减小的趋势。在25 ℃下，萌发率达最大值(95.8%)，显著大于15 ℃的80.0%(p<0.05)。萌发速率和萌发指数分别在25 ℃下达最大值(268.9和2.7)，均显著大于30 ℃下的213.5和274.5(p<0.05)。萌发值和活力指数在25 ℃下达最大值(6.1和294.4)，显著大于15 ℃下的1.7和200.8 (p<0.05)。萌发率、萌发值和活力指数在较低温度(15 ℃)下显著小于20、25、30 ℃ 3个温度条件(p<0.05)；萌发速率和萌发指数在25 ℃下，与较高温度(30 ℃)下差异显著(p<0.05)。沙棘种子萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数均在25 ℃下最大，表明25 ℃为沙棘种子萌发的最适宜温度。

2.3 不同温度下种子萌发对PEG溶液处理的响应

从图1可以看出，沙棘种子的萌发参数随着温度升高和干旱胁迫加剧，总体呈下降趋势。在较低温度(15 ℃)条件下，沙棘种子萌发受到低浓度PEG溶液的促进，例如种子萌发率在对照(80.0%)和10%PEG处理(85.6%)下显著低于5%PEG处理(93.1%)(p<0.05)，但萌发率随着PEG浓度的继续增大逐渐减小；萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数也均在5%PEG浓度时最大(分别为246.9、2.53、2.47和243.2)。当温度在20 ℃以上时，种子萌发率随着PEG浓度增大持续减小，萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数也均随PEG浓度升高呈逐渐下降趋势。在较低温度(15 ℃)和较高温度(30 ℃)下，15%以上浓度PEG溶液处理种子的萌发率分别从76.3%和70.6%骤降到23.1%和41.9%。在15、25、30 ℃下，PEG溶液浓度高于20%后，种子萌发参数急剧下降；当PEG溶液浓度达到25%时，种子萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数全部降至0。在20 ℃下，当PEG 浓度为25%时，种子萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数分别为60.0%、121.6、0.45、1.22和140.8；表明在20 ℃时，沙棘种子耐受PEG干旱胁迫能力最强。

3 讨 论

植物种群更新受种子萌发影响较大，种子在萌发过程中如何应对不利环境对植物生存有重要意义[21]。植物群落所处环境的温度条件决定着种子命运[22]，在一定耐受限度内，种子内部代谢反应随着温度升高而加快，有利于种子萌发，当超过一定范围后，温度过低和过高都会对种子萌发产生不利影响[10]。例如，蒙古莸(Caryopterismongholica)种子在低于25 ℃时萌发受到严重抑制[23]，低温环境会降低种子活性，导致种子萌发时间增加，大大降低种子的萌发率，甚至造成幼苗发育不良，严重时会引起幼苗死亡[3]，而有研究结果指出，明党参种子萌发受到15 ℃以上温度的严重抑制[10]。

种子萌发对不同温度的适应往往与植物群落分布地域紧密相关。沙棘果实在成熟之后不易自然脱落，可以留存至第2年春季，此时北方大部分地区温度普遍较低，低温抑制沙棘种子萌发[17]。种子萌发受抑制后，可进入土壤种子库，留待温度升高后迅速萌发，从而建立幼苗。另外在早春低温下，一部分萌发的种子可确保幼苗在夏季高温来临之前形成粗壮根系，提高幼苗的存活率[4]，这可能是植物种群对环境不同的适应策略。当温度升高时，沙棘种子迅速萌发建立幼苗，减少在萌发过程中能量和水分的散失，有利于抵抗高温下的干旱胁迫，避免高温造成大量种子损失，影响种群更新。本研究发现，沙棘种子的萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数随着温度升高，呈先增大后减小的趋势，而且均在25 ℃下最大，有利于沙棘种子萌发。这和金兰等[24]报道俄罗斯大果沙棘在25 ℃时萌发率最高的结果一致，这可能是沙棘种子在进化演变中对环境温度选择适应的结果。

水分是影响种群稳定更新的主要环境因子之一[9]。种子与所分布的自然生长环境长期作用后，可能会逐渐适应其分布地区的生态环境[1]。在干旱胁迫下，种子通过加快自身代谢，调节内部渗透压以适应水分胁迫，增强种子对干旱的耐受性[25]，这可能是种子对水分胁迫采取的一种策略。在干旱地区，由于没有确切的雨水保障，严重影响种子的萌发，进一步影响种子转变为幼苗，甚至可能导致幼苗建成后面临大量死亡的风险[26]，严重影响植物种群更新。大量研究结果表明，种子萌发参数随着PEG浓度增大均呈下降趋势[13,22,27]，但也存在种子经过低浓度PEG溶液处理后萌发受到促进的现象[25,27]。郑艳玲等[28]报道，随着温度逐渐升高，种子萌发建立幼苗速率加快，但萌发阶段对干旱胁迫的感应更加灵敏。任志军等[18]报道，沙棘种子在PEG浓度超过16%以后萌发会受到抑制，当浓度达到20%时萌发参数下降明显。本研究发现，在温度较低(15 ℃)时，沙棘种子萌发受到低浓度PEG溶液的促进；随着温度逐渐上升，沙棘种子各萌发参数均随PEG浓度增大而减小；当PEG溶液浓度超过15%时，沙棘种子萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数急剧下降，甚至在20%以上的PEG胁迫(除20 ℃)下种子已不再萌发。表明沙棘种子萌发受到较高温度下干旱胁迫的严重影响。

研究发现，在不同温度和PEG模拟干旱胁迫共同作用下，沙棘种子对干旱胁迫的耐受性在20 ℃下最强，在15、25、30 ℃下，PEG浓度超过20%后种子不再萌发。Gorai等研究表明，Henophytondeserti种子萌发在较低温度下比较高温度对PEG胁迫耐受性更强[29]。本研究结果与之相符。汪建军等通过对中华羊茅研究发现，在较低温度(15 ℃和20 ℃)下，中华羊茅种子萌发过程中胚根和胚芽的生长受到轻度干旱胁迫的促进，低浓度PEG溶液有效地提高了中华羊茅种子的抗旱性[7]；也有学者报道，橘梗(Platycodongrandiflorum)种子的萌发率受到较高温度下干旱胁迫影响而持续降低，当温度较低(10 ℃)时轻度干旱胁迫对其种子萌发具有一定的促进作用[13]。低温下种子萌发受到轻度干旱胁迫促进这一策略，可使沙棘这一先锋树种在春季低温萌发后为幼苗根系发育提供充足时间[13, 29]，增强幼苗对夏季强烈干旱的耐受能力，提高幼苗度过不利生存环境的几率；当夏季温度较高时，沙棘种子对干旱胁迫较为敏感的特性可降低种子萌发几率，使其能够进入土壤种子库，为种群更好生存提供了保障。

综上所述，沙棘种子萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数均随着温度逐渐升高呈先升高后降低的趋势，且均在25 ℃下达到最大值，说明25 ℃是沙棘种子萌发的最适宜温度。在20 ℃时，沙棘种子能耐受高达20%PEG模拟干旱胁迫，这说明沙棘种子在20 ℃下对干旱胁迫的耐受性更强。温度和PEG模拟干旱胁迫共同作用对沙棘种子的萌发率、萌发速率、萌发值、萌发指数和活力指数均具有极显著影响。无论是低温下轻度干旱胁迫使种子萌发得到促进，还是随着温度升高加剧干旱胁迫从而使种子萌发参数逐渐降低，都是沙棘在长期进化过程中对环境选择适应的策略。