射干種子萌發特性及對干旱脅迫的響應

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院/農業部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室/ 草地資源教育部重點實驗室， 呼和浩特 010010)

germination potential

射干(IrisBelancandachinensis(L.) DC.)是鳶尾科(Iridaceae)射干屬(BelamcandaAdans)的多年生草本植物，具有重要的觀賞價值，也是人們所熟知的中藥材，以根狀莖入藥，具有清熱解毒，利咽消痰，散血消腫的作用[1]。射干在生態習性上對溫度、光照和干旱等外界環境的適應性極強[2]。

朱金英[3]和崔曉敬[4]等分別對射干的栽培技術進行了詳細的總結歸納。而在中草藥層面，針對射干治療哮喘的研究尤為突出[5]。隨著射干需求量的增加，野生射干資源呈減少趨勢，已不能滿足人類需要[6]。前人對射干繁殖更新方面的研究較少，且鮮見對其種子萌發特性方面的研究。在我國北方城市，如內蒙古自治區呼和浩特市，屬溫帶大陸性季風氣候，其主要特點是光照充足，且降水少。干旱會導致植物的繁殖更新受到限制，因此本研究一方面要探究射干種子的萌發特性，另一方面要摸清射干種子對干旱的響應，以求解決射干引種馴化中的擴繁問題，且為其繁殖更新提供理論和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用種子2017年10月采集于呼和浩特市郊區合創農業開發園區引種圃中的射干植株。在收獲及清選后將粒大飽滿的種子置室溫下干燥貯藏，萌發試驗于2018年3—5月在內蒙古農業大學草地資源教育部重點實驗室等地點進行。

1.2 試驗方法

1.2.1種子形態特征

選取發育良好且成熟飽滿的種子置于顯微鏡下，觀察種子顏色、性狀及表面紋飾等基本特征，并以拍照記錄。試驗采用千粒法，隨機數取3份1 000粒的供試種子，分別使用精度為萬分之一的天平進行稱重，取其平均值即為種子的千粒重。

1.2.2種子適宜萌發溫度條件的篩選

通過預實驗得知，室溫干燥貯藏的射干種子幾乎不存在休眠。試驗在人工培養箱中進行，設置恒溫10，15，20，25，30，35 ℃及變溫20/30 ℃共6個溫度處理，每個處理設置3個重復，每重復隨機數取50粒種子，采用紙上發芽方式，以2層潤濕的濾紙作為發芽床進行發芽試驗。每隔24 h澆適量的水使發芽床保持濕潤狀態，并記錄其發芽數直至無萌發種子出現為止。

參照《國際種子檢驗規程》[7]及我國《牧草種子檢驗規程》[8]，將種子新鮮胚根伸出超過種子長度以上視為發芽，以便對種子發芽情況進行統計，每天記錄發芽的種子數直至無萌發種子出現為止。

根據發芽試驗記錄的數據按公式計算各相關發芽指標如下：

發芽率[9]=(n/N)×100%

式中，n為最終達到的正常發芽種子數，N為供試種子數;

發芽指數[9]=∑Gt/Dt

式中，Gt為在t日內發芽數，Dt為發芽日數；

發芽勢[9]=(n*/N)×100%

式中，n*為發芽實驗初期種子發芽數，N為供試種子數；

相對發芽率(%)=(脅迫處理的發芽率/對照的發芽率)×100%；

胚根/胚芽=胚根長度/胚芽長度；

萌發脅迫指數[10]=脅迫下種子發芽指數/對照種子發芽指數；

萌發抗旱指數[11]=脅迫下種子萌發指數/對照種子萌發指數；

種子萌發指數=(1.00)Rd 2+(0.75)Rd 4+(0.5)Rd 6+(0.25)Rd 8

式中,Rd 2,Rd 4,Rd 6,Rd 8分別為第2,4,6,8天的種子發芽率。各種相對指標均為干旱脅迫處理與對照的比值。

1.2.3發芽過程中對光的反應

在篩選出最適的發芽溫度條件下，于人工培養箱中進行2種光照對比發芽試驗。發芽床采用2層濕潤濾紙的紙上發芽。光照處理將人工培養箱光強調至33%，黑暗處理為不透光牛皮紙遮于培養皿外側。每個處理設置3個重復，每重復隨機選取50粒種子。每天記錄種子發芽數、霉爛數，及時補充水分保持發芽床濕潤。測定指標同1.2.2。

表3 不同濃度PEG處理對射干種子萌發指標的影響

PEG濃度/%發芽率/%發芽勢/%發芽指數相對發芽率萌發脅迫指數萌發抗旱指數071.11b48.89b2.99b1.00b1.00b1.00a587.78a52.22a3.58a1.23a1.20a0.98b1060.00c44.44c2.84c0.84c0.95c0.85c1525.56d12.22d1.22d0.36d0.41d0.72d202.22e0.00e0.06e0.03e0.02e0.00e

1.2.4發芽對干旱脅迫耐性研究

室溫條件下，選取粒大飽滿的射干種子，用蒸餾水沖洗干凈，采取聚乙二醇溶液(PEG-6000)模擬干旱脅迫，設0%(對照)、5%、10%、15%、20%共5個不同濃度溶液去代替清水培養液，將種子置于墊2層濾紙的發芽床上作為紙上發芽。每處理3個重復，每個重復50粒種子。每天記錄種子的發芽及發霉腐爛的種子數，并及時補充培養液。測定指標同1.2.2。

1.3 數據處理

采用Excel 2016軟件進行試驗數據統計及作圖，用SAS 9.0中Duncans檢驗樣本間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 射干種子形態特征

射干種子呈近球形，長約2 mm，寬約0.5 mm，千粒重為(9.099±0.201)g，種皮呈現黑棕色，表面光滑，有光澤。

2.2 種子發芽最適溫度的確定

在自然光照的情況下，設置了不同的溫度梯度對射干種子進行萌發試驗。以發芽率，發芽指數和發芽勢作為測定指標。在不同溫度條件下，射干種子的發芽率、發芽勢和發芽指數3個指標表現顯著性差異。由表1可知，恒溫10 ℃、30 ℃及35 ℃均不利于射干種子萌發，發芽率最低且與其他溫度條件的發芽率存在顯著性差異；恒溫25 ℃發芽率雖優于上述3個溫度處理，但仍顯著低于20 ℃和25 ℃恒溫條件及20 ℃/30 ℃變溫條件下的發芽率，3種溫度條件下的發芽率分別高達92.22%、97.78%及94.33%。進一步結合發芽指數指標來看，恒溫20 ℃處理顯著高于其他溫度條件，為3.77，變溫20 ℃/30 ℃次之，達3.67。但再結合發芽勢看來，恒溫25 ℃下的種子發芽勢僅為40.00%，顯著低于恒溫20 ℃。篩選種子最適溫度條件時，發芽率可作為首要考慮指標。但綜合其發芽率、發芽勢和發芽指數3個指標后，最終確定射干種子最適萌發溫度為恒溫20 ℃。

表1 自然光照條件下，不同溫度對射干萌發的影響

溫度/℃發芽勢/%發芽率/%發芽指數100.00c12.22c0.31d1537.78b92.22a3.09b2064.44a97.78a3.77a2540.00b57.78b1.87c301.11c2.22d0.2d350.00c0.00d0.00d20/3060.56ab94.33a3.67ab

注：表中同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。下同。

2.3 光照條件對種子發芽的影響

在篩選出的最適溫度條件下進行黑暗條件下的萌發試驗，以自然光為對照。從表2可以看出，自然光照下射干種子的3個發芽指標均顯著高于黑暗條件下的值。黑暗條件下的發芽率極低，僅為36.00%。由此可知，光照條件對于射干種子的發芽影響極大。

表2 20 ℃條件下，2種不同的光照條件對射干種子發芽指標的影響

光照發芽勢%發芽率%發芽指數黑暗條件27.00b36.00b1.15b自然光64.44a97.78a3.77a

2.4 種子發芽對PEG脅迫的耐性

2.4.1PEG處理對種子萌發指標的影響

通過0%、5%、10%、15%及20% 5個濃度的PEG處理，射干種子在萌發過程中表現出了較明顯的差異。如表3所示，種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、相對發芽率以及萌發脅迫指數在5%PEG下均明顯高于對照，發芽率可高達87.78%；當PEG濃度為10%及以上時，萌發指標在數值上開始發生了明顯的降低。而萌發抗旱指數則隨著PEG濃度的增加而呈現下降的趨勢。萌發抗旱指數可表征種子在萌發過程中抗旱時間的長短，PEG濃度的升高可以明顯縮短種子的抗旱時間。綜合來看，低濃度的干旱脅迫可以在一定程度上促進種子的萌發。

2.4.2種子發芽率與PEG濃度的關系

當種子發芽率分別下降到50%和25%時，所對應的干旱脅迫作為種子萌發的臨界值和極限值[12]。對發芽率和PEG濃度進行相關分析可知，二者呈明顯的負相關關系。因此用一元線性回歸對方程進行擬合，可預測出射干種子在抵抗干旱脅迫時的臨界值為10%(實際值為9.8%)，以及極限值為15%(實際值為16.1%)。

圖1 種子發芽率與PEG濃度之間的線性關系

2.4.3PEG處理對種子胚根長以及胚芽長的影響

根系的發達程度可以表征植物的抗旱能力。如圖2 A所示，射干種子的胚根長隨著PEG濃度的升高而表現出逐漸降低的趨勢，對照的胚根長為32.56 mm，20% PEG處理下胚根長為0 mm；胚根的不斷降低說明其長度與干旱程度之間存在著負相關關系。

而從圖2 B中可以看出，隨著PEG濃度的升高，種子的胚芽呈先升高后降低的變化趨勢。顯示出低水平的干旱會促進胚芽的伸長，而高水平的干旱程度則會對種子胚芽的伸長起到抑制作用。胚芽在5%處理下達到最大值，為2.78 mm，方差分析顯示，明顯高于對照，當PEG濃度升至10%，胚芽的伸長被明顯抑制，低于對照，且當PEG濃度逐漸升高，胚芽長會呈更明顯的下降趨勢，當PEG濃度為20%時，胚芽的伸長完全被抑制。

如圖3所示，隨著PEG濃度的升高，胚根/胚芽呈明顯的下降趨勢，對照的胚根/胚芽明顯高于其他處理，可見干旱脅迫對射干種子胚根的影響抑制作用顯著高于胚芽。

2.5 種子發芽計數時間的確定

在上述試驗所篩選出射干最適的發芽條件，即恒溫20 ℃，自然光條件下去觀察種子的發芽情況。在整個萌發試驗過程中，置種第5天即有種子萌發，當發芽持續到第8天時，有超過60%的種子萌發。因此，推薦將射干種子初次計數時間定為置種的第8天。同時第12天后再無新種子有發芽動勢。綜合考慮其它環境條件可能對種子發芽產生的影響，推薦將射干末次計數時間延緩至置種后第15天。

圖2 PEG濃度對射干種子胚根及胚芽長度的影響

圖3 PEG處理對種子胚根/胚芽比值的影響

3 討 論

溫度作為種子萌發的先決條件，對植物萌發過程的影響也很顯著。試驗結果顯示，射干種子以恒溫20 ℃為分界線，過低與過高溫度條件都會對種子萌發表現出不同程度的影響。恒溫10 ℃、30 ℃及35 ℃的3個發芽指標均顯著低于恒溫20 ℃的處理。15 ℃與20/30 ℃處理雖發芽率不顯著低于20 ℃處理，但因其發芽勢較低，即發芽速度慢且發芽不整齊，故該溫度處理不建議被用作射干的最適萌發溫度。25 ℃雖是室溫，也是大量種子萌發的最適溫度[13-15]，但射干在該溫度下，3個發芽指數均表現不優。因此推薦射干種子的最適萌發溫度為恒溫20 ℃。

光照對種子萌發的影響不止體現在復雜的生理過程上，同時也是受到調控的信號傳遞和基因表達過程[16]。種子根據對光照的需要與否，分為需光種子、嫌光種子[17]。本試驗結果表明，光照對射干種子的正面影響十分顯著，然而該種子在黑暗情況下發芽率極低，且發芽高峰期滯后，可見適當的增加光照對種子萌發具有一定的促進作用?？蓪⑸涓煞N子歸為需光種子。關于光照對射干種子萌發的研究尚未可見，但本試驗結果與樊璐等[18]對有髯鳶尾研究結果不盡相同。

種子萌發對干旱環境的響應反映了植物種子適應逆境的能力[19]。利用PEG溶液模擬土壤干旱水平，可達到方便易操作的目的。試驗采用4種不同PEG溶液濃度與清水作對比，結果顯示，各個濃度PEG溶液處理均對射干種子萌發過程產生了不同程度的延緩作用?？傮w來看，隨著PEG濃度的升高，發芽勢、發芽率和發芽指數、相對發芽率、萌發脅迫指數呈先升高后下降趨勢，在5%PEG處理下以上指標達到最大值，而當PEG濃度逐漸上高至10%時，以上萌發指標則呈顯著的降低趨勢，可見低水平的干旱可以促進射干種子萌發而高水平的干旱會抑制其萌發；萌發抗旱指數表征種子在抵抗干旱時間上的長短，隨著PEG濃度的增加，該指標呈明顯下降的趨勢，說明干旱會明顯的縮短射干種子抗旱時間，其關鍵原因是由于環境中水勢降低，導致細胞失水，細胞代謝活動下降所致[20]。其中，20%濃度PEG處理的種子明顯出現受抑制狀態，發芽率僅為2.22%，說明射干種子能正常萌發的臨界水分脅迫在PEG濃度為20%以下(相當于-0.6 MPa水勢[21])。對射干種子的發芽率與PEG濃度之間的相關關系進行一元回歸方程的擬合，得出該種子所能抵抗干旱的臨界值為PEG濃度10%(相當于-0.2 MPa水勢[21])，而極限值為15%(相當于-0.4 MPa水勢[21])，該處理下的射干種子的發芽率明顯降低，發芽高峰期也有所滯后，評價種子發芽水平的首要指標是發芽率，因此可以看出，15%的PEG溶液對射干的萌發過程已產生一定程度的負面影響。綜合來看，射干種子對干旱脅迫有一定的忍耐能力。這一結論與李燕[22]的研究結果相仿。

4 結 論

射干種子最適的萌發溫度為恒溫20 ℃，屬于需光種子；隨著PEG濃度的升高，發芽率、發芽勢、發芽指數、相對發對率、萌發脅迫指數、胚芽長均呈現先升高后降低的趨勢，且在5%PEG下達到最大值，即低干旱水平可促進種子萌發及抗旱能力，高干旱水平會起到抑制作用；隨著PEG濃度的升高，萌發抗旱指數、胚根長明顯降低，即該兩種指標與PEG濃度呈負相關關系；胚根/胚芽亦會隨著PEG濃度升高而增大，即干旱脅迫對胚根的抑制作用會顯著高于對胚芽的影響。用一元線性回歸擬合種子發芽率和PEG濃度，預測出射干種子所能抵御的水分滲透勢臨界值為-0.2 MPa，極限值為-0.4 MPa。推薦射干種子萌發初次計數時間為置床后的第8天，末次計數時間為置床后的第15天。