紫花地丁种子萌发对干旱胁迫的响应

安忻蕾，严佳玥，魏 岩，陆 倩

（新疆农业大学草业学院 / 新疆草地资源与生态重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830052）

种子萌发是植物生活史中最为敏感的时期[1]，外界环境等因素对其影响很大，因此这也是植物种群更新繁衍的一个重要环节[2]。水分、温度、光照、氧气、土壤酸碱和土壤盐分等是影响种苗建植的关键[3-4]。在养分、温度、光照等条件均适宜的情况下，具有生理活性的种子萌发的主要限制因素是水分[5]，其不仅影响萌发开始时间，同时也决定着植物种子发芽率、发芽速率。干旱胁迫不利于种子萌发，同时也会影响种子的吸水膨胀。以往的研究表明轻度干旱处理对种子萌发和出苗具有促进作用，而高浓度的 PEG 溶液对种子萌发具有强烈的抑制作用[6-7]。此外，种子大小的差异决定所含能量的多少，也会影响种子萌发、幼苗生长和存活[8-9]。Westoby[10]通过对澳大利亚西南部的20 种植物的研究发现植物的萌发率、存活率、幼苗根长都与种子大小有关。潘慧超等[11]研究表明华北驼绒藜(Ceratoides arborescens)大种子的萌发率、根长、幼苗高度大于小种子[11]。Leishman 和Westoby[12]对29 种植物的研究发现在干旱条件下大种子比小种子具有高的发芽率、出苗率和成活率。

种子萌发对外界环境胁迫具有高度脆弱性，种子萌发被认为是植物生命周期中最关键、最脆弱的阶段[13]。因此植物表现出复杂多样的萌发行为和萌发策略，来提高物种的适合度。在具有混合型交配系统的物种中，其中通过两种不同类型和功能的花即两型花进行繁殖的一类植物具有一种独特的混合交配系统。紫花地丁(Viola philippica)属于两型花植物，同一植株上产生能进行异花授粉的开花受精花CH (chasmogamous)和完全自花授粉的闭花受精花CL (cleistogamous)两种花型[14]，分别产生CH 种子和CL 种子。这种繁殖行为是一种“两头下注”的生殖策略，以此来提高植物对异质环境的适应能力和种群繁殖率[15]。目前关于紫花地丁种子萌发特性的研究大多局限于对一种种子展开萌发试验，而关于紫花地丁两种种子萌发的探索研究相对较少，且研究关注焦点主要集中在光照、温度、盐分、储藏方式对于其两种种子萌发的影响。苏雪等[16]研究发现CH 种子对光照条件敏感。孙慧芳等[17]研究发现紫花地丁两种种子萌发的最适温度为变温20 ℃/30 ℃，在 低 浓 度(0.05～0.10 mol·L-1) NaCl 溶 液中CL 种子的萌发率和种子活力大于CH 种子。但关于干旱胁迫环境对紫花地丁两种种子萌发的影响缺乏系统研究。干旱胁迫对紫花地丁CH 种子和CL 种子萌发有何影响，CH 种子和CL 种子的响应是否存在差异？为此，本文对紫花地丁CH 和CL 种子对干旱胁迫的响应进行对比，进一步完善对紫花地丁两种种子萌发特性的认识，为揭示其二态繁育系统的适合度优势及生活史进化机制提供资料。

1 材料与方法

1.1 研究材料

供试种子紫花地丁的开放花种子(CH)和闭锁花种子(CL) 采收自新疆准噶尔盆地南缘(43°80′N，87°56′ E，海拔830 m)，在蒴果微裂但种子尚未弹出时采收。将采集的新鲜种子净种后自然风干，放入纸袋内，室内贮藏备用。试验于2021 年6 月至7 月进行。

1.2 研究方法

1.2.1两种种子形态及大小

随机选取成熟饱满CH 种子和CL 种子各25粒，使用游标卡尺测量其长度和宽度，重复4 次；种子重量的测定以每种类型种子500 粒为一组，使用万分之一天平称重，重复4 次。并观察两种种子形态。

1.2.2模拟干旱胁迫对种子吸水率影响测定

模拟干旱条件以5%、10%、15%、20%、25%的PEG-6000 水溶液处理，以蒸馏水处理为对照。在培养0.5、1、2、4、8、10、12、14、16、18、20、22、24、28、32、36、40、48、54、60 和66 h 时，测定种子萌发需水量。每个处理4 个重复，每个重复50 粒种子，将两种种子置于垫有两层滤纸的9 cm 培养皿中，每个培养皿中加入10 mL 溶液。以种子重量占吸水试验前种子重量的百分数表示，计算种子的吸水率。测定时将50 粒种子自培养皿中全部取出，将种子表面水分用滤纸吸干，使用万分之一天平进行称重记录种子重量变化，分析比较不同类型种子的吸水差异。

1.2.3 适宜条件下干旱胁迫对种子萌发的影响

采用培养皿纸上发芽试验[18]，以5%、10%、15%、20%、25% 的PEG 水溶液处理，以蒸馏水处理为对照，每个处理4 个重复，每个重复25 粒种子。将两种种子置于垫有两层滤纸的9 cm 培养皿中，每个培养皿中加入10 mL 溶液。发芽试验于30 ℃光照12 h，20 ℃黑暗12 h 的光照培养箱中进行[16-17]。试验期间，每天统计种子发芽数。7 d 统计发芽势，14 d 统计发芽率，测量幼苗胚芽(包括胚轴和顶芽)与初生根长度。

1.3 数据统计和分析

使用Excel 进行数据统计，使用SPSS 26.0 进行统计分析，用单因素(one-way ANOVA)方差分析验证相同浓度不同种子间差异和相同种子不同处理间的差异，用双因素(two-way ANOVA)方差分析验证不同紫花地丁CH 种子和CL 种子的差异性。采用Excel 软件绘制图表。

2 结果与分析

2.1 两种种子形态及大小

紫花地丁两型花的果实均为蒴果，果实成熟后三裂，在蒴果内包含数枚种子。产生的两种种子均呈褐色、倒卵形；从形状上看，紫花地丁开放花与闭锁花两种形态的种子并没有显著差异。但CH 种子的长度及千粒重显著大于CL 种子(P＜ 0.05)，而CH种子与CL 种子的宽度无显著差异(P ＞0.05) (表1)。

表1 紫花地丁开放花和闭锁花种子形态特征Table 1 Characteristics of chasmogamous (CH) and cleistogamous (CL) seeds of Viola philippica

2.2 种子累计吸水率对模拟干旱胁迫的响应

CH 种子和CL 种子的累计吸水率随模拟干旱胁迫的加剧呈降低趋势(图1)。紫花地丁的两种种子遇水后前1 h 进入吸胀吸水期，快速吸水，CH 种子的对照组和低浓度(5%～10%) 处理的种子吸水率达到43.32%～44.33%；高浓度(15%～25%) 处理的种子吸水率较低，为28.83%～31.39%。CL 种子的对照组和低浓度(5%～10%) 处理的种子吸水率达到42.18%～43.26%；高浓度(15%～25%) 处理的种子吸水率较低，为27.89%～34.73%。1 h 后种子进入缓慢吸水期，吸水速度增加缓慢。24 h 起对照组和低浓度(5%～10%)处理的CH 种子和CL 种子进入生长吸水期，吸水率再次增加。对照组的CH 种子在种子吸水达到60 h 开始萌发，此时吸水后的CH种子质量增加到未吸水种子质量的1.12 倍。CL 种子在种子吸水达到66 h 开始萌发，此时吸水后的CL 种子质量增加到未吸水种子质量的1.13 倍。而高浓度(15%～25%)处理的种子吸水率仍然缓慢增加，未进入生长吸水期。

图1 紫花地丁开放花和闭锁花种子在不同PEG 浓度下的吸水进程Figure 1 Water absorption of chasmogamous (CH) and cleistogamous (CL) seeds of Viola philippica under treatment with different PEG concentrations

2.3 种子萌发对模拟干旱胁迫的响应

紫花地丁不同类型种子的发芽率具有显著差异(P＜ 0.05)，种子类型、PEG 浓度以及两者交互对CH种子和CL 种子的发芽率有显著作用(P＜ 0.05) (表2)。

表2 不同类型种子及不同PEG 浓度对萌发影响的二因素方差分析Table 2 Results of two-way ANOVA evaluating the effects of seed type, PEG concentration, and their interaction on seed germination

随着干旱胁迫的加剧，两种种子的初始萌发时间和萌发达到50%的时间(TG50)延长(图2)。在低浓度(5%、10%) 处理时CH 种子和CL 种子的初始萌发时间和TG50均无显著差异(P ＞0.05)，而高浓度(15%～25%)处理下CH 种子比CL 种子更具有萌发优势，CH 种子的初始萌发时间和TG50均显著小于CL 种子。而在PEG 浓度为25%时，CL 种子发芽率未达到50%。

图2 干旱胁迫对紫花地丁开放花和闭锁花种子萌发的影响Figure 2 Effects of drought stress on the germination of chasmogamous (CH) and cleistogamous (CL)seeds of Viola philippica

萌发14 d 时，低浓度(5%、10%) 处理下CH 种子和CL 种子的发芽率无显著差异(P＞ 0.05)。与CH 相比，高浓度(15%～25%) 处理显著抑制CL 种子发芽率(P＜ 0.05)，与其他PEG 浓度相比，PEG 浓度为25%时显著抑制CH 和CL 种子发芽率(图3)。表明两种种子均具有一定的抗旱性，且CH 种子较CL种子具有更好的抗旱性。

CH 种子的发芽势先增加后减小(图3)，在5%PEG 时发芽势为86%，显著高于对照组(P＜ 0.05)；在≥10% PEG 显著低于对照(P＜ 0.05)，25% PEG 时，发芽势为0。CL 种子的发芽势在5% PEG 时与对照组无显著差异(P＞ 0.05)，在PEG 浓度≥10%显著低于对照，且随着干旱胁迫的加剧呈下降趋势，在PEG 浓度达到20%时发芽势为0。表明轻度干旱可以促进两种种子萌发，随着干旱胁迫的加剧对两种种子萌发速度有明显的延缓作用。

萌发14 d 时，无论是对照组还是在干旱胁迫下，CL 种子胚芽长度显著小于CH 胚芽长度(P＜ 0.05)。5% PEG 对CH 种子和CL 种子幼苗的长度有促进作用，之后随着干旱程度的加剧，两种种子胚芽长度呈下降的趋势(图3)。CH 种子和CL 种子对照组的初生根长度分别为18.6 和13.3 mm，随着干旱胁迫的加剧两种种子的幼苗初生根长度呈先增加而后降低的趋势，两种种子均在PEG 浓度为25% 时低于对照组。

图3 干旱胁迫对紫花地丁开放花和闭锁花种子发芽率、发芽势、胚芽长度和初生根长度的影响Figure 3 Effects of drought stress on the germination rate, germination potential, radical and plumule length of chasmogamous (CH) and cleistogamous (CL) seeds of Viola philippica

3 讨论与结论

种子萌发对干旱胁迫的响应反映了植物适应局部环境而进行自我调节的生态机制[19]。大量研究结果表明，种子萌发能力均随干旱胁迫强度的增大而减小[20-23]。何建军等[24]通过研究干旱胁迫对盐生草(Halogeton glomeratus)的影响，发现种子的发芽率、发芽势均随干旱胁迫程度的增加而降低，本研究表明不同干旱胁迫对紫花地丁两种种子的萌发产生一定影响。轻度干旱可以促进两种种子萌发，随着干旱胁迫加剧对紫花地丁种子萌发具有一定的抑制作用，表现为初始萌发时间推迟，萌发时间延长。两种种子的发芽势、胚芽长、初生根长均表现出先增加后减小的趋势；尤其是25% PEG 溶液抑制紫花地丁种子的萌发，平均发芽率低于35%，同时还出现发芽速度减缓，幼苗出苗不整齐，幼苗生长缓慢、弱小等现象。这与大针茅(Stipa grandis)和克氏针茅(S. sareptanavar.krylovii)[25]，沙芦草(Agropyro mongolicum)和柠条锦鸡儿[21]的研究结果一致。说明植物在其发育过程中已经形成相对适应干旱胁迫的机制，保证种子萌发过程能够顺利进行。

本研究结果显示，CH 种子和CL 种子对干旱胁迫的响应存在差异。在干旱胁迫下CH 种子发芽势高、萌发整齐，而CL 种子发芽势低、萌发持续且分散。就发芽模式可看到，CH 种子在较宽的干旱范围均可以萌发，这种萌发机制可以利用自然降水快速发芽，从而增加形成幼苗的机会，优先占领生境。CL 种子的萌发特性更适应于降水条件不确定的环境，这样可以增加种子成活率，保障植物种群的繁衍。因为这种发芽模式可以避免遇到少量降水就一齐萌发而遭遇回干“闪苗”的危险[26-27]。不萌发的种子可以形成短暂的土壤种子库，种子以种子库的形式越冬，这就避免了因种子萌发成幼苗而不能越冬造成的生殖浪费[28]。此外，种子的萌发还与种子本身的大小、质量有关[29]。质量较大的种子，其胚乳或子叶中供种子萌发的能量相对较多，更加有利于幼苗建植早期的根系发育和生物量积累[30]，从而使植物具有更强的生长势、逆境耐受能力和对资源的竞争能力[31]。大种子为幼苗提供了充足的营养资源，促进了幼苗的生长，大种子比小种子有着更强的在逆境下萌发的能力[32-34]。本研究结果表明，CH 种子和CL 种子对干旱胁迫的响应存在差异，在高浓度PEG (15%～25%)处理下，CH 种子的发芽率显著大于CL 种子，这可能与CH 种子千粒重大于CL 种子(分别为1.32 和1.09 g)有关。此结果与瓜拉那(Paullinia cupanavar.sorbilis)[35]和Dithyreacalifornica[36]的研究结果一致。这可能是因为紫花地丁两种种子的成熟时期不同，CH 种子的成熟时期在4 月和5 月，此时乌鲁木齐的平均降水量为32.8 和38.9 mm；CL 种子的成熟时期在6 月到10月，此时乌鲁木齐的平均降水量为26.2～36.2 mm。因此紫花地丁这一特性的生态学意义在于在时间和空间上分散风险保证在干旱环境下的物种延续，从而形成的一种适应环境时空异质性的对策[15,37]。

植物为适应多变的环境，会形成多种不同的适应对策[38-40]。具有混合繁育系统的植物在同一植株上可以通过异花授粉产生CH 种子，也可以通过自花授粉产生CL 种子。这种繁育策略能够为植物提供繁育保障，并且能够降低由生境改变而引起的灭绝的风险[41]。有研究表明，具有二型繁育系统的植物，其两种种子的形态及萌发的行为有差异[16-17,42]。本研究发现紫花地丁CH 种子的发芽率大于CL 种子。说明影响CH 和CL 两种种子萌发差异的原因可能是因为繁育方式不同。卡佩凤仙花(Impatiens capensis)CH 种子萌发率和幼苗存活率均高于CL 种子，且两种类型的种子重量没有显著差异[42]。这种异交产生的后代适合度大于自交的原因可能是CH 花的种子因花粉源不同可能具有异交优势[43]。且由CH 花产生的具有遗传变异的种子后代更能够适应不同时间和空间的异质生境[44]。而CL 种子为自交产生的后代，纯合度更高，这可能会造成一定程度的近亲繁殖衰退。这与植物在生命周期的早期表现出来的观点一致[45]。这表明，多年生紫花地丁的二态繁育系统产生CH-CL 种子，最大限度地提高了植物在异质环境中的适合度。这种生殖策略不仅避免了密集效应，也减弱同胞子代间的竞争，具有重要的进化生态意义。

通过研究干旱胁迫对紫花地丁种子萌发的影响得出，不同梯度干旱胁迫，紫花地丁CH 种子萌发速率高于CL 种子，且萌发较早并出苗整齐，CL 种子萌发持续且分散。轻度干旱胁迫可以促使两种种子初生根生长，重度干旱胁迫对两者均有抑制作用，CH 种子的胚芽长、初生根长均大于CL 种子；CH种子较CL 种子具有更耐旱的萌发优势。这可能与CH-CL 繁育系统以及种子质量有关。