风车草种子休眠及萌发特性研究

李欣勇， 黄 迎， 张静文

(1.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所， 海南 儋州 571737；2.热带岛屿生态学教育部重点实验室，海南师范大学生命科学学院， 海南 海口 571158)

莎草科(Cyperaceae)莎草属(CyperusLinn.)植物约有600种，广泛分布于各大洲，尤以热带和亚热带地区种类较多。我国有62种，大多数分布于华南、华东、西南各省区，少数分布至东北、西北和华北地区；海南有23种、2变种和1亚种。莎草属植物多生长在潮湿处或沼泽地，部分为饲用资源，如油莎草(C.esculentusL.)；部分为优良的造纸资源，如纸莎草(C.papyrusL.)；部分可供药用，如香附子(C.rotundusL.)；部分植物根、茎、叶的通气组织十分发达，具有固土保水，净化水体的作用，如阔穗莎草(C.procerusRottb.)，刺鳞莎草(C.babakanSteud.)，毛轴莎草(C.pilosusVahl)等[1]。但由于莎草属种子普遍具有休眠，萌发率低，严重制约了这一重要资源的开发利用。

风车草(C.alternifoliusL.)为多年生草本，原产于非洲，广泛分布于森林、草原地区的大湖、河流边缘的沼泽中，在我国南北各地均有栽培。其植株茂密，丛生，茎秆粗壮，叶伞状，适应性强，对土壤要求不严格[1]，不仅可作为园林水体造景常用的观叶植物，还可种植在湿地中来净化水体，应用前景广阔。目前对风车草的研究主要集中在湿地群落构建[2-3]，净化水体[4-6]，修复土壤重金属污染[7]等环境工程方面，对于其萌发条件只有简单的研究[8]，并未对其休眠类型及萌发进行系统分类研究。风车草主要通过种子进行传播，种子萌发通常是植物生活史最为脆弱的阶段，容易受外界环境因子如光照、温度、水分等的影响。基于此，本研究以风车草种子为材料，探讨温度、光照、水分、层积、植物生长调节剂、人工老化处理对种子休眠及萌发的影响，深入了解风车草种子的休眠类型及其萌发特性，从而为风车草种子学研究提供参考，也为其开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用材料风车草种子由中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所种质资源库提供。

1.2 试验设计

1.2.1种子吸水率

取500粒种子，称重后置于三角瓶中，加蒸馏水100 mL，置于20 ℃恒温箱中，第2、4、8、24、36、48 h分别取出种子，用滤纸吸干种子表面水分称重，记录各次称量数据，最后计算种子吸水率。重复3次，计算平均值。

1.2.2种子萌发试验

萌发试验采用纸上萌发法，种子用0.1% HgCl2溶液浸泡消毒10 min，再用蒸馏水冲洗3次，用滤纸吸干种子表面水分，在12 cm×12 cm方形培养皿中放置2层用蒸馏水润湿的滤纸作为萌发床，将种子放在萌发床上，培养皿加盖放置在培养箱里，在试验期间保持滤纸湿润。每天变换一下培养皿在培养箱中的位置，确保所有种子暴露于同样环境，每天记录萌发数(以胚根突出种皮1 mm视为萌发)，计算各种子的萌发率、萌发时滞天数及萌发指数。

1.2.3温度与光照处理

温度设置11个处理，6个恒温(10、15、20、25、30、35 ℃)，5个变温(15 ℃/25 ℃，15 ℃/30 ℃，20 ℃/30 ℃，20 ℃/35 ℃，25 ℃/35 ℃)；其中变温为高温16 h/低温8 h。光照设置2个处理：全光照和全黑暗。黑暗处理是将培养皿用两层锡纸包裹起来以达到避光的目的，放在与光照相同的条件下。黑暗条件下的萌发数不需每天记录，以防止光照对种子萌发产生影响。每种处理3个重复，每个重复50粒种子，每天统计萌发个数，持续28 d。

1.2.4水分处理

模拟干旱条件设置0、5%、10%、15%、20%的聚乙二醇(PEG-6000)水溶液，分别用10 mL 对应溶液代替标准萌发实验中的蒸馏水，放置在设有种子最适萌发温度的培养箱中，对照为同温度下的蒸馏水处理。为保持培养皿内水势不变，每2 d更换一次滤纸和溶液，每种处理3个重复，每个重复50粒种子，每天统计萌发个数，持续28 d。

1.2.5植物生长调节剂处理

采用100 μmol·L-1的赤霉素(GA3)、50 μmol·L-1的氟啶酮(FL)和1 μmol·L-1、10 μmol·L-1、100 μmol·L-1的褪黑素(MLT)5个处理，每处理加10 mL的生长调节剂。温度设置为萌发不好的温度，为保持激素浓度不变，每2 d更换一次滤纸和溶液，对照为蒸馏水处理，每个处理3个重复，每个重复50粒种子，每天统计萌发个数，持续28 d。

1.2.6低温层积处理

随机取足够量的种子置于培养皿中，加入适量的水，用封口膜密封，于4 ℃冰箱分别层积2、4、6个月。每隔5 d翻动检查一次，保持种子湿润。室温下干燥贮藏未经层积处理的种子为对照，置于25 ℃光照条件下进行萌发实验，以上处理均设置4个重复，每个重复50粒种子，每天统计萌发个数，持续28 d。

1.2.7人工老化处理

取带盖的盒子，在盒子里加入适量的水，盒子口部用纱布罩住，将足够量的种子装入纱网袋中，置于纱布上，盖上盖子，以保证盒子内的相对湿度为100%，放入45 ℃的老化箱中。将种子在老化箱中分别放置24、36、48、60、72、84、96 h，每12 h取一次种子进行标准萌发试验，直至萌发率显著降低，步骤同1.2.2，若96 h后的萌发率还是很高可放在老化箱中继续老化，每24 h取一次种子进行标准萌发试验，直至萌发率显著降低。

1.2.8测定指标与数据处理

吸水率(%)=[(浸种后种子重量—浸种前种子重量)/浸种前种子重量]×100%；

萌发率(%)=(试验结束时已萌发种子数/供试种子总数)×100%；

萌发速率(%)=( 1/T50)×100%，式中：T50为种子发芽率达到最终发芽率50%所需的时间。

所有数据的统计分析均采用SPSS 19.0软件进行，多重比较采用Duncan法，Excel 2013软件作图，所有数值均以平均值±标准误差 (Mean±SE)表示。

2 结果与分析

2.1 种子吸水率

风车草种子吸水率随吸水时间的增加，呈先快速增加后缓慢增加的趋势(图1)。浸种时间在8 h之内时，吸水率呈快速增加趋势，8 h的吸水率为12.2%；浸种时间从8 h增加到36 h时，吸水率呈缓慢增加趋势，最终吸水率为15.6%。

2.2 光照、温度对风车草种子萌发的影响

风车草在光照条件下除10 ℃时没有萌发外，其余温度下均有萌发，恒温条件下25 ℃的萌发率为70%，显著高于其它温度的萌发率(p<0.05)；而在变温条件下萌发率显著上升，除20 ℃/30 ℃外的其他4个变温的萌发率差异不显著(p>0.05)，均在85%以上，显著高于恒温条件下的萌发率(p<0.05)。黑暗条件下，风车草只在15 ℃/25 ℃、15 ℃/30 ℃和20 ℃/30 ℃时萌发，且萌发率均低于20%，显著低于光照条件下的萌发率(p<0.05)，说明风车草是萌发喜光性植物，其种子萌发需要光照条件(图2)。光照条件下，随着温度的上升，风车草的萌发速率呈增加趋势，35 ℃、20 ℃/35 ℃和25 ℃/35 ℃间的萌发速率差异不显著，显著高于其它温度时的萌发速率(p<0.05)(图2)。综上所述，风车草的最佳萌发温度为光照条件下的20 ℃/35 ℃或25 ℃/35 ℃。

2.3 不同植物生长调节剂对风车草种子萌发的影响

植物生长调节剂试验在15 ℃(由2.2结果得出萌发不好温度)下进行，结果表明，植物生长调节剂可显著提高风车草种子的萌发率(p<0.05)。GA3、FL和MLT处理均可将风车草种子萌发率提高到80%以上，显著高于对照(图3)。

2.4 水分胁迫对风车草种子萌发的影响

水分胁迫试验是在种子适宜的萌发温度条件下进行的，由2.2的结果得出，风车草在20 ℃/35 ℃下进行水分处理试验。结果表明，随PEG浓度增加，风车草种子萌发率呈下降趋势，10% PEG胁迫后的萌发率已显著低于对照(p<0.05)，20% PEG胁迫后的萌发率为64%，显著低于其它处理(p<0.05)(图4)。

2.5 低温层积对风车草植物种子萌发的影响

低温层积可显著提高风车草种子萌发率，对照种子萌发率仅为30%，层积2个月后的种子萌发率达到78%，显著高于对照(p<0.05)。层积4个月与层积2个月的种子萌发率差异不显著(p>0.05)，显著高于层积6个月的种子萌发率(p<0.05)(图5)。

2.6 人工老化对风车草植物种子萌发的影响

随着老化时间的延长，风车草的种子萌发率呈下降趋势，老化24 h后其萌发率便显著低于对照(p<0.05)，老化24～168 h时，风车草种子萌发率下降缓慢，均在60%以上；老化时间超过168 h后，风车草种子萌发率显著下降，老化192 h后其萌发率仅为25%，显著低于老化168 h时的萌发率(p<0.05)(图6)。

3 讨 论

3.1 风车草种子的休眠类型

Baskin等[9]将种子休眠分为物理休眠、生理休眠、形态休眠、形态生理休眠与复合休眠5种类型。本研究表明，风车草种子可以吸收一定水分，表明水分不是限制风车草种子萌发的主要因素，即风车草种子不存在物理休眠。另外，在风车草种子萌发过程中，胚在种子内部无明显生长，表明胚未在萌发期间进一步发育或分化，即风车草种子不存在形态休眠。综上认为，风车草种子具有生理休眠。生理休眠又分为浅度、中度和深度休眠[10]，本研究中，通过变温、生长调节剂和低温层积2个月均可显著提高风车草种子萌发率，说明风车草属于浅度生理休眠。

3.2 休眠破除

种子萌发是经多种酶催化后发生一系列物质转化和能量传递[11]，而与酶的活性息息相关的就是温度，温度过高和过低都会影响酶的活性，对种子萌发不利[12]。且大多数种子的休眠在变温条件下会更容易解除，有的甚至只在变温下萌发[13]。变温可加快酶的催化作用，促进贮藏物质的转化，其次变温利于种壳软化，使种胚利于突破种皮，促进萌发。如变温可加快条叶百合种子(Liliumcallosum)的萌发[14]；颜红波[15]对22种禾本科种子研究发现，恒温和变温条件下的萌发率有显著差异，恒温下的萌发率显著低于变温。本研究也表明，变温更有利于打破风车草种子的休眠，萌发率显著高于恒温条件下的萌发率，风车草的最适萌发温度为20 ℃/35 ℃或25 ℃/35 ℃。

赤霉素(GA3)能取代一些种子对低温后熟的需求，通常可解除种子的浅度生理休眠[16]；靳祖石等[17]发现，150 mg·L-1赤霉素溶液浸泡薄叶鸡蛋参(Codonopsisconvolvulacea)种子12 h后可显著提高种子萌发。氟啶酮(FL)是一种脱落酸抑制剂，可破除因存在脱落酸而抑制种子萌发产生的休眠，一方面可以阻碍脱落酸合成，使其含量降低，另一方面脱落酸的减少间接促进赤霉素的合成，促进种胚突破种皮[18]，如东北红豆杉(Taxuscuspidata)种子萌发中期施加氟啶酮可显著降低种子内源脱落酸的含量，促进种子萌发[19]。褪黑素(MLT)对水分和脂类有较强的亲和力，易于穿透种皮和细胞膜，进入种子细胞内部，不仅能减轻外部不良环境引起的氧化伤害，还能增强保护性酶活，从而提高种子的活力和萌发率，如褪黑素能提高黄瓜(Cucumissativus)对低温与干旱的抗性[20-21]，促进NaCl胁迫下狼尾草(Pennisetumalopecuroides)的萌发势和萌发率[22]。本研究表明，赤霉素、氟啶酮和褪黑素均可破除风车草种子在低温下的休眠，显著提高其萌发率，这可能是因为赤霉素是解除风车草种子休眠的主要因素，外源添加赤霉素可直接提高其种子内部赤霉素含量，促进种子萌发；而外源添加氟啶酮则是阻碍了其种子内脱落酸的合成，间接提高了其赤霉素含量，从而促进了种子萌发；褪黑素可提高风车草种胚的生长能力，增强种子保护性酶活，从而解除了风车草种子在低温下的休眠。

低温层积可软化种壳，在层积过程中使种子内部的生理指标发生变化，使生理不成熟种子变成生理成熟状态，进入待萌发状态[18]。低温层积可打破很多莎草科植物种子的生理休眠，如矮苔草(Carexhumilis)、披针叶苔草(C.lanceolata)、嵩草(Kobresiamyosuroides)、苔草(Carexduriuscula)等[18,23]。本研究也表明，低温层积可显著提高风车草种子的萌发率，仅层积2个月便可解除休眠，提高萌发率达78%。然而本研究发现，低温层积6个月后，风车草种子的萌发率有一定下降，这可能是由于风车草属于浅度生理休眠，长时间的低温会诱导其进入二次休眠，从而降低种子萌发率，这与王彦荣等[24]对骆驼蒿(Peganumnigellastrum)种子的研究结果一致。

3.3 光照、水分胁迫和人工老化对风车草种子萌发的影响

光照对种子萌发的影响由多个因素共同决定[25]，对于有些种子，光照是萌发的必要环境因子，光照可促进种子萌发，如光照可显著促进有斑百合(L.concolorSalisb. var.pulchellum)、川百合(L.davidiiDuchartre)和毛百合(Liliumdauricum)的萌发[14]；对某些植物种子的萌发没有显著影响，如梭梭(Haloxylonammodendron)种子无论有没有光照都会萌发，萌发率不存在显著性差异[26]；有的甚至具有一定的抑制作用，如柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)在光照条件下的萌发率和萌发速率显著低于黑暗条件下的萌发率和萌发速率[25]。本研究结果表明，风车草在黑暗条件下只在15 ℃/25 ℃、15 ℃/30 ℃和20 ℃/30 ℃时萌发，且萌发率显著低于光照条件下的萌发率，说明风车草属于萌发喜光性植物，播种时适宜浅播。

水分是一切生命活动所必需的，也是种子萌发的基础，种子必须在充足水分条件下才能吸胀萌发[9]。本研究发现，风车草在10% PEG胁迫后的种子萌发率已显著低于对照，说明风车草在种子萌发期的抗旱性较弱，这可能是由于风车草多生长于河流边缘的沼泽或湿地等水分充足的环境中，长期的生存环境导致其种子萌发时需要保证充足的水分。

一般来说，种子活力最大的时候也就是种子生理成熟的时候，之后活力不断下降，直至种子死亡，这种随贮藏时间的增加而发生的不可逆的过程称为种子老化[27]；种子活力的高低又代表着种子经长时间储藏后的耐储藏性[28]。本研究发现，风车草在老化24 h后其萌发率便显著下降，老化192 h后萌发率仅为25%，表明风车草种子的抗老化能力较弱，也预示其可能属于短暂土壤种子库，其种子活力在土壤种子库中具体能持续多久，还需进一步研究。

4 结 论

1) 风车草种子具有浅度生理休眠。

2) 变温、赤霉素、氟啶酮、褪黑素和低温层积处理均可有效破除其种子休眠。

3) 风车草种子最适萌发温度为20 ℃/35 ℃或25 ℃/35 ℃，风车草为萌发喜光性植物，适宜浅播。

4) 风车草种子萌发期的抗旱性和种子抗老化能力较弱，播种时需保证充足的水分。