低温对7个苜蓿品种种子萌发的影响

王晓龙， 杨 曌， 李 红， 米福贵， 来永才， 钟 鹏， 徐艳霞， 柴 华，李莎莎， 吴 玥， 张 杨， 宋敏超， 王 锐， 高海娟， 周景明

(1.黑龙江省农业科学院博士后科研工作站， 哈尔滨 150086；2.黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院， 黑龙江 齐齐哈尔 161005；3.内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 呼和浩特 010011)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)为多年生豆科饲草，因其具有适应范围广、营养价值高、固氮能力强、适口性好等特性，享有“牧草之王”的美誉[1]。目前，苜蓿已成为种植业结构调整及草牧业健康稳定发展的重要饲料作物，是被广泛种植利用的优质饲草之一[2]；但由于不同苜蓿品种对低温的抵抗能力不一致，因此深入了解苜蓿低温萌发特性，扩大苜蓿人工草地建设和改善环境，提高苜蓿在不同地域适应性十分重要[3-4]。

种子是作物生长的基础材料，种子萌发是植物生长发育的最初始阶段，也是最敏感阶段，种子萌发对温度的需求体现了其对环境适应的生态机制[5]。温度低于种子萌发适宜温度时，萌发速率减缓，到一定限度时仅有少量种子发芽[6]，且种子萌发质量及活力都会受到不同程度的影响。通常种子萌发条件有恒温萌发和变温萌发两种，变温条件下种子的萌发更贴近于自然界中的昼夜温差变化。恒温和变温对不同休眠类型的物种影响较大，变温幅度的增加可有效促进或抑制某些物种种子萌发[4]。近年来，国内外学者已进行大量关于苜蓿种子对温度胁迫响应的研究[7-9]，而本研究通过测定不同变温处理下苜蓿种子发芽率、发芽指数、简化活力指数等萌发指标，并对不同苜蓿萌发期耐低温性进行比较，探究苜蓿种子萌发对温度的响应，为我国北方地区苜蓿优良耐寒品种选育及适时播种提供参考。

1 材料及方法

1.1 试验材料及试验设计

试验收集国内外苜蓿材料7份，其中草原3号由内蒙古农业大学提供；公农2号和敖汉苜蓿由中国农业科学院草原研究所提供；龙牧801由黑龙江省农业科学院畜牧兽医分院提供；皇后苜蓿、420苜蓿、赛迪苜蓿由百绿(天津)国际草业有限公司提供。选取大小适中、饱满的苜蓿种子，分别置于4 ℃、4 ℃/18 ℃、18 ℃/25 ℃条件下萌发，以最适宜发芽温度25 ℃为对照(ck)。将培养皿洗净，放入双层滤纸，在智能人工培养箱中进行萌发，变温处理每隔12 h切换一次温度。每个培养皿中整齐摆放100粒苜蓿种子，4次重复。每日观察并记录萌发种子数，并统计发芽率[3]。

1.2 测定指标

发芽率(%)=(发芽种子个数/供试种子数)×100%。

发芽指数=∑Gt/Dt，式中Gt为t天的发芽数；Dt为相应的天数。

用游标卡尺测量每株苗的根长，求平均值。

简化活力指数=发芽率×生物量；

生物量=芽干物质量+根干物质量。

1.3 统计分析

采用Excel 2010软件进行数据处理，用Sigma Plot 12.5软件作图，SAS 9.0软件进行方差分析和主成分分析。

应用模糊数学隶属函数法[10-11]综合评价所测指标，求各指标隶属函数值。

若所测指标与苜蓿耐寒性呈正相关，则：

Fij=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

若所测指标与苜蓿耐寒性呈负相关，则：

Fij=1-(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

式中：Fij为i苜蓿j指标值；Xij为鉴定i苜蓿j指标隶属值；Ximax为所鉴定i苜蓿j指标最大值；Ximin为所鉴定i苜蓿j指标最小值。将i苜蓿各项指标的函数值进行累加，求平均隶属函数值，均值越大则该苜蓿的耐寒性越强。最后对7个苜蓿品种耐寒性进行比较，得出各品种抗寒性强弱顺序。

2 结果与分析

2.1 发芽动态变化

对苜蓿种子在变温条件下的萌发动态规律进行观测发现，变温处理下各苜蓿材料的萌发高峰期呈延迟趋势。与ck相比，变温(4 ℃/18 ℃)处理下各苜蓿材料种子萌发高峰期延迟1～2 d。变温4 ℃/18 ℃时，第2天种子开始萌发，第3～4天达到峰值，而对照组的品种第2天种子萌发已达到峰值，第3～4天种子萌发基本结束(图1)。尽管变温(4 ℃/18 ℃)处理较ck萌发峰值有所延后，但与恒温(4 ℃)处理相比，萌发峰值却提前3～4 d。

图1 不同温度下苜蓿种子每日的发芽率Fig.1 Germination rate of alfalfa seeds at different temperatures per day

2.2 发芽率

由图2可知，苜蓿种子在变温条件下的发芽率均较高，变温处理(18 ℃/25 ℃和4 ℃/18 ℃)下，发芽率分别为89%～98%和86%～93%。变温4 ℃/18 ℃处理时的种子发芽率显著低于ck，其中草原3号、公农2号、敖汉苜蓿、420苜蓿的发芽率较高，显著高于其他品种(p<0.05)。与恒温(4 ℃)相比，变温处理下的苜蓿种子发芽率明显增高，表明交替变温可促进种子发芽率，提高种子萌发率，缩短萌发时间。

注：不同小写字母表差异达显著水平(p>0.05)。下同。图2 不同温度下苜蓿种子发芽率的变化Fig.2 Changes in germination rate of alfalfa seeds at different temperatures

2.3 发芽指数

由图3可知，供试苜蓿ck组(25 ℃)的发芽指数在44.39～49.22之间。与ck相比，变温(18 ℃/25 ℃和4 ℃/18 ℃)处理的发芽指数分别下降35.06%～37.08%和58.65%～63.75%。同一变温(4 ℃/18 ℃)下，品种赛迪、420、公农2号和敖汉的发芽指数显著高于其他品种(p<0.05)。与恒温(4 ℃)相比，变温处理下的苜蓿种子发芽指数呈显著增高。

图3 不同温度下苜蓿种子发芽指数的变化Fig.3 Changes of germination index of seeds of alfalfa at different temperatures

2.4 简化活力指数

各品种在4 ℃/18 ℃和18 ℃/25 ℃变温处理下的简化活力指数分别在14.27～17.70和17.54～19.74之间，与ck相比，种子在变温下的简化活力指数有所升高，说明变温处理具有促进种子活力，增强发芽能力的作用。同一变温4 ℃/18 ℃下，品种间简化活力指数差异较大，草原3号和420苜蓿的简化活力指数较高，显著高于其他品种(p<0.05)。与恒温(4 ℃)相比，变温处理下的苜蓿种子简化活力指数呈显著增高(图4)。

图4 不同温度下苜蓿种子简化活力指数的变化Fig.4 Changes of simplified vigor index of alfalfa seeds at different temperatures

2.5 根 长

由图5可知，与ck相比，变温(18 ℃/25 ℃)处理下的根长有所增加，说明变温对苜蓿种子胚根生长具有促进作用。4 ℃/18 ℃处理时根长在0.81～1.89 cm之间，其中420苜蓿的根长最长，而草原3号和龙牧801的根长较短，同一变温下，秋眠性强的苜蓿胚根生长缓慢，这可能与品种自身的遗传特性有关。

图5 不同温度下苜蓿种子根长的变化Fig.5 Changes in root length of alfalfa seeds at different temperatures

2.6 萌发期抗寒性综合评价

主成分分析是将多项萌发指标转化成几个综合指标，以弥补单一指标对抗寒性评价的不足。根据特征值>1，累积贡献率≥85%的原则，本研究提取2个主成分，其中第一主成分(F1)特征值为2.105，贡献率为52.6%，特征向量中数值较大的指标为根长；第二主成分(F2)特征值为1.405，贡献率35.1%，对应的特征向量主要表现在发芽率。对应数值较大的指标是简化活力指数。以上2个主成分累计贡献率达87.7%。由主成分分析将4个单一指标转化为2个综合指标(F1、F2)，并且基本包含了所测指标的绝大部分信息(表1)。通过隶属函数法对不同品种的简化活力指数、根长和发芽率进行综合评价(表2)，最终评价得出各品种的抗寒强弱顺序依次为：龙牧801、草原3号、公农2号、皇后、敖汉、420、赛迪。

表1 主成分分析Table 1 Principal component analysis

表2 不同苜蓿萌发测试指标隶属函数值及综合评价Table 2 The subordinate function value and comprehensive evaluation of different alfalfa germination indexes

3 讨 论

苜蓿种子在萌发过程中会受到种子内因(种子自身生理活动)和外因(水分、氧气、温度)制约，其中温度条件适宜是植物种子萌发及生长发育的主要限制因子之一[12]，原因在于适宜的温度可有效提高种子吸胀速率，加快种子新陈代谢，温度过低不利于种子萌发。交替变温环境也会影响苜蓿种子萌发节律，与恒温(4 ℃)处理相比，变温4 ℃/18 ℃处理第2天种子开始萌发，第3～4天达到高峰期，整体提前3～4 d，这可能与变温引起种皮胀缩(促进吸水及气体交换)增强呼吸作用有关，故冷交替变温条件较持续低温更有利于种子萌发[13]。发芽率可直观表现苜蓿种子的发芽情况，发芽指数是种子的活力指标，即发芽指数越高，种子活力越高。相关研究表明，不同苜蓿品种的种子萌发温度也存在显著差异[14]。本研究中，4 ℃时仅龙牧801的发芽率大于50%，其他品种均低于50%，至于龙牧801苜蓿在低温条件下种子萌发能力较强的原因，可能与品种自身的遗传特性有关，有些品种较耐低温[15]。苜蓿种子发芽质量和活力有时也可用简化活力指数衡量，简化活力指数随温度降低整体呈下降趋势。与18 ℃/25 ℃变温相比，4 ℃/18 ℃变温条件下苜蓿种子发芽率和简化活力指数均明显降低，这与Mcelgunn[16]和彭运翔等[17]的研究结果趋于一致，说明冷交替变温会使苜蓿种子萌发率和活力下降，发芽能力减弱。

有效筛选耐寒种质材料，需选择适宜的指标对品种的耐低温萌发能力进行评价。郭郁频等[18]运用隶属函数法对5种三叶草耐低温萌发能力进行综合评价，筛选得出荷兰白、VNS和瑞文德三叶草种子表现出较强的耐低温萌发能力。而侯龙鱼等[19]则利用主成分分析法对6个苜蓿品种耐低温萌发能力进行评价，筛选出的中苜1号和中科2号品种耐低温萌发能力较强。本研究则主要通过隶属函数评价苜蓿种子萌发期耐寒性，初步判定龙牧801、草原3号、公农2号苜蓿的耐寒能力强于其他品种。

4 结 论

低温下，所有苜蓿材料种子发芽率、发芽指数、简化活力指数和根长均呈下降趋势，萌发高峰期随温度降低而后延。由主成分确定品种的简化活力指数、根长和发芽率可以作为评价指标鉴定苜蓿萌发期的抗寒性。各品种的抗寒强弱顺序依次为：龙牧801、草原3号、公农2号、皇后、敖汉、420、赛迪。