， ， ， (云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)研究所， 昆明 650091)

萌發(fā)前高溫處理對坡柳種子萌發(fā)率的影響

霍冬芳，黃博強，蘇文華，張光飛
(云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)研究所， 昆明 650091)

以中國西南干熱河谷的代表物種坡柳(DodonaeaviscosaL.Jacq)種子為實驗材料，萌發(fā)前以40，60，80，100 ℃ 4個高溫處理，探討萌發(fā)前高溫處理對坡柳種子萌發(fā)率的影響，討論火在干熱河谷植被形成中的作用。結(jié)果表明，當(dāng)處理溫度高于40 ℃時，坡柳種子萌發(fā)率顯著高于常溫對照，具有明顯的熱沖擊效應(yīng)，80 ℃處理10 min 時萌發(fā)率最高，達(63.00±2.55)%；儲存1年后的坡柳種子仍具有明顯的熱沖擊效應(yīng)；與傳統(tǒng)的熱水浸種相比，萌發(fā)前干燥高溫處理過的坡柳種子，其萌發(fā)率顯著提高。

高溫處理； 坡柳； 萌發(fā)率; 熱沖擊效應(yīng)； 植被恢復(fù)

vegetation restoration

野火是一種世界廣泛存在的現(xiàn)象，且地球上野火幾乎與陸生植物同時出現(xiàn)，火在植物進化中扮演重要的角色[1]，幫助維持陸生植物群落的組成及其多樣性[2-3]。在長期與火抗爭過程中，許多植物選擇形成了一些適應(yīng)性狀，提高在周期性發(fā)生火的環(huán)境中的適合度，目前已發(fā)現(xiàn)植物對火的適應(yīng)性狀主要有萌生、厚樹皮、果實延遲開放，高溫或煙誘導(dǎo)種子萌發(fā)[4-7]。高溫誘導(dǎo)種子萌發(fā)是指種子萌發(fā)前經(jīng)高于40 ℃溫度處理，可以顯著提高其萌發(fā)率或萌發(fā)速率，這一現(xiàn)象又被稱為熱沖擊效應(yīng)[5,8]。目前對種子熱沖擊的研究主要集中于處理溫度與時間的效應(yīng)關(guān)系[8]及種子熱沖擊與煙誘導(dǎo)間的相互關(guān)系[9]，有關(guān)種子熱沖擊效應(yīng)與儲存時間的關(guān)系及高溫處理后熱沖擊效應(yīng)能夠持續(xù)的時間，還缺乏基本的了解。在自然條件下，森林和灌叢經(jīng)常遭受火災(zāi)的影響，研究高溫處理對種子萌發(fā)的影響，對于研究火燒后植被恢復(fù)及物種更新具有重要的意義[3]。

中國干熱河谷地區(qū)氣候炎熱干燥，年平均氣溫gt;20.0 ℃， ≥10 ℃的年平均積溫大于7 500 ℃，全年的蒸發(fā)量遠遠高于年降水量，有些干旱地區(qū)的全年蒸發(fā)量大于降水量的3～6倍[10-11]，極易遭受到火災(zāi)，火對該地植物影響巨大。中國的干熱河谷有著與非洲薩瓦納地區(qū)相似的氣候、群落特征，因此又被稱為半薩瓦納植被(Semi-Savanna)[10]。薩瓦納地區(qū)常有火燒現(xiàn)象，火的干擾尤為嚴重[12]。在非洲和巴西薩瓦納地區(qū)的Anadenantheramacrocarpa(Benth.)Brenan、AcaciaSenegal(Linn.) Willd等物種都發(fā)現(xiàn)了種子熱沖擊效應(yīng)[5,8]。因此，我們猜測中國干熱河谷地區(qū)中的某些植物可能也具有此特性。

坡柳(DodonaeaviscosaL.Jacq)又名車桑子、明油子，屬無患子科(Sapindaceae)車桑子(Dodonaea)，多年生常綠灌木或小喬木[13]，是中國西南干熱河谷的典型代表物種[10]。其根系非常發(fā)達，具有較強的耐干旱，耐貧瘠能力，是干旱貧瘠裸地和礦山植被恢復(fù)的先鋒物種[14-15]。然而我們發(fā)現(xiàn)，成熟后坡柳種子以及常溫儲存1年后的種子的萌發(fā)率非常低，在植被恢復(fù)工程中種子用量非常大。本研究在萌發(fā)前用不同時間和溫度的熱處理坡柳種子，探索萌發(fā)前高溫處理對坡柳種子萌發(fā)率的影響，討論火在干熱河谷植被形成中扮演的作用。旨在為植被恢復(fù)工程中坡柳的引種提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料選取

試材主要于3月份采自云南元謀干熱河谷(25°40′N，101°55′E)，對比實驗選用的種子同時期采于昆明官渡區(qū)和大理永平。選取顆粒飽滿、色澤一致、大小均勻的種子進行試驗。

元謀縣位于云南省中北部，楚雄彝族自治州北部。年均氣溫22.9 ℃，年降雨量458.7 mm，年均氣溫20.8 ℃，年日照2 721.9 h；永平縣位于云南省大理州西部，年均氣溫16.2 ℃，年降雨量799.8 mm，平均日照時數(shù)2 045.5 h；昆明官渡區(qū)，年平均氣溫14.67 ℃，平均降雨量800～1 000 mm，平均全年日照2 040.42 h[16]。

1.2 試驗方法

1.2.1 材料處理及實驗設(shè)計

本試驗萌發(fā)前的熱處理主要參照Ribeiro等[8]的實驗進行設(shè)計。

采于元謀的坡柳種子，選用40 ℃(處理10，20 min)、60 ℃(處理10，20，40 min)、80 ℃(處理5，10，20 min)和100 ℃(處理2.5，5，10 min)4個溫度梯度處理。每個處理5個重復(fù)，每個重復(fù) 20 粒種子，進行萌發(fā)實驗(下同)。在烘箱中放入平面玻璃皿3個，設(shè)定好溫度，待烘箱溫度達到設(shè)定的溫度后，迅速將坡柳種子置于平面玻璃皿中進行高溫處理，每個玻璃皿中放置100粒種子，避免種子疊放；達到處理時間后迅速取出，轉(zhuǎn)入備好的常溫玻璃皿中；待種子自然冷卻至室溫后進行萌發(fā)實驗。

不同地點比較：元謀、大理、昆明三地的坡柳種子，選用60，80，100 ℃(方法同上)進行熱處理，再進行萌發(fā)實驗。

不同儲存時間: 成熟后的坡柳種子儲存3個月、6個月、9個月、12個月時，選用40，60，80，100 ℃熱處理10 min后，再做萌發(fā)實驗，方法同上。

熱沖擊處理后的時間效應(yīng): 元謀采集的坡柳種子萌發(fā)前進行80 ℃熱處理10 min，放置1，2，4，8，12，15，20，25，30 d后再進行萌發(fā)實驗。

不同熱處理方式：設(shè)置 60，80，100 ℃ 3個溫度梯度，采用恒溫水浴鍋進行熱水浸種和烘箱干燥熱處理2種方式，每個溫度下分別處理10 min 和20 min，自然冷卻至室溫再進行萌發(fā)實驗。

1.2.2 萌發(fā)實驗

不同溫度和時間的處理，以及常溫對照組，共計11個處理，每個處理5個重復(fù)，每個重復(fù)20粒種子，將種子置于直徑為(10±1)cm的鋪有濕潤濾紙的培養(yǎng)瓶中進行種子萌發(fā)實驗。

培養(yǎng)箱設(shè)置：德國產(chǎn)Binder人工氣候培養(yǎng)箱，溫度為25 ℃，光照強度為1 250 lx左右，光照時間14 h/d，適時補充水分，保持培養(yǎng)瓶底部濕潤且種子周圍不出現(xiàn)水膜。每天記錄種子的萌發(fā)數(shù)量(種子萌發(fā)以胚根突破種皮2 mm為標準)，記錄至連續(xù)5 d無種子萌發(fā)為止。

發(fā)芽率(%)=n/N×100%;

式中:n為正常發(fā)芽數(shù)量，N為供試種子數(shù)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用SPSS 22.0軟件通過95%水平上進行單因素方差(ANOVA)分析，采用Duncan檢驗法進行多重比較及差異顯著性檢驗(α=0.05 ),圖表數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 萌發(fā)前高溫處理對坡柳種子萌發(fā)率的影響

萌發(fā)前高溫處理可顯著提高坡柳種子萌發(fā)率，萌發(fā)率受處理時間和溫度的影響(圖1)。當(dāng)處理溫度gt;40 ℃時，坡柳種子萌發(fā)率均顯著高于常溫對照組，經(jīng)高溫處理后其萌發(fā)率最高達(63.00±2.55)%。整體比較，經(jīng)過不同溫度處理10 min后的坡柳種子萌發(fā)率隨著溫度的升高，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，80 ℃處理時達最大值。

圖1 萌發(fā)前高溫處理對坡柳種子萌發(fā)率的影響(n=100)

2.2 萌發(fā)前高溫處理對不同地點的坡柳種子萌發(fā)率的影響

常溫條件下，3個地點的坡柳種子萌發(fā)率都不高，均低于10%。萌發(fā)前經(jīng)60，80，100 ℃高溫處理10 min，其萌發(fā)率均顯著高于常溫對照組(圖2)，都有明顯的熱沖擊效應(yīng)。經(jīng)過80 ℃處理后，3個地點的坡柳種子萌發(fā)率均達最高。采于元謀、大理兩地的坡柳種子，在相同處理下其萌發(fā)率均略高于采自昆明的種子。萌發(fā)前經(jīng)60，80，100 ℃高溫處理10 min后，元謀、大理兩地的坡柳種子的萌發(fā)率最高，分別為(63.00±2.55)%和(53.00±4.64)%，而昆明的種子萌發(fā)率最高為(36.00±4.85)%。

圖2 萌發(fā)前高溫處理對不同地點坡柳種子萌發(fā)率的影響

2.3 儲存時間對坡柳種子萌發(fā)率的影響

從圖3可以看出，坡柳種子成熟后儲存1年依然可萌發(fā)，且仍具有明顯的熱沖擊效應(yīng)。同一個處理溫度下，隨著儲存時間的變化，坡柳種子萌發(fā)率之間差異不顯著(pgt;0.05)。當(dāng)儲存時間相同，處理溫度不同時，除40 ℃處理外，其它溫度上處理過的坡柳種子萌發(fā)率均顯著高于常溫對照組(plt;0.05)，且都是80 ℃處理后萌發(fā)率最高。

圖3 儲存時間對坡柳種子萌發(fā)率的影響

2.4 熱沖擊處理后的時間效應(yīng)

元謀采集的坡柳種子進行80 ℃ 10 min的干燥熱處理，放置1，2，4，8，12，15，20，25，30 d后再進行萌發(fā)。結(jié)果表明，熱處理后30 d內(nèi)坡柳種子萌發(fā)率在(48.33 ±4.41)% ～(61.67±3.33)%之間，顯著高于常溫下萌發(fā)率(7.00±1.22)%(圖4)。

圖4 坡柳種子萌發(fā)率隨熱沖擊時間效應(yīng)的變化

2.5 不同熱處理方式對坡柳種子萌發(fā)率的影響比較

常溫條件下坡柳種子萌發(fā)率為(7±1.22)%，萌發(fā)前經(jīng)60，80，100 ℃干燥高溫處理后坡柳種子除100 ℃ 20 min處理外，其它所有處理的種子萌發(fā)率均顯著高于熱水浸種(表1)。而萌發(fā)前經(jīng)過相同溫度、時間、熱水浸種后的坡柳種子，60 ℃和80 ℃處理下的種子萌發(fā)率顯著高于常溫對照組(plt;0.05)，100 ℃處理下與常溫對照組間均無顯著差異。萌發(fā)前采用干燥高溫處理更有助于提高坡柳種子的萌發(fā)率。

表1 萌發(fā)前熱水浸種和高溫處理對種子萌發(fā)的影響

熱處理方式時間(min)萌發(fā)率(%)常溫60℃80℃100℃干燥熱處理1020熱水浸種10207±1．22f30±2．74c63±2．55a23±2．55d41±2．92c50±3．54b4±1．00f16±1．8de20±2．74d10±2．36f18±2．54d19±1．40d5±1．58f

3 討 論

Gashaw amp; Michelsen和Ribeiro等[5,8]研究發(fā)現(xiàn)，在巴西和非洲薩瓦納的常見物種Anadenantheramacrocarpa(Benth.)Brenan、AristolochiagaleataMart. amp; Zucc、Kielmeyeracoriacea(Spreng.) Mart和Acaciasenegal(Linn.) Willd等植物的種子中存在熱沖擊效應(yīng)。已有研究發(fā)現(xiàn)，在一些易火生態(tài)系統(tǒng)中，某些植物種子經(jīng)40 ℃高溫處理后可提高種子的萌發(fā)率，火對種子萌發(fā)具有明顯誘導(dǎo)作用[2,4]。實驗結(jié)果表明，坡柳種子也具有熱沖擊效應(yīng)現(xiàn)象，除40 ℃處理后坡柳種子的萌發(fā)率與對照組之間不存在顯著差異外，其他溫度處理過的坡柳種子，其萌發(fā)率均顯著高于常溫對照組，與前人研究結(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)，在80 ℃處理下的坡柳種子，其萌發(fā)率顯著高于其它溫度處理，且80 ℃處理10 min 時萌發(fā)率達最高[(63.00±2.55)%]。

元謀、大理、昆明3個地點的坡柳種子萌發(fā)前經(jīng)10 min不同溫度高溫處理后，其萌發(fā)率均顯著高于常溫對照組(圖2)，都存在熱沖擊效應(yīng)，且80 ℃均為最適處理溫度。元謀、大理永平都屬于干熱河谷地區(qū)，氣候炎熱干燥，是坡柳的自然分布區(qū)，而昆明不是坡柳的自然分布地，其萌發(fā)率雖均略低于其它兩地，但也存在明顯熱沖擊效應(yīng)，說明熱沖擊效應(yīng)與氣孔、休眠芽、植冠種子庫等其他植物進化過程中對環(huán)境的適應(yīng)性狀一樣是可遺傳的[8,17-18]。

坡柳種子成熟后儲存1年仍具有熱沖擊效應(yīng)，且80 ℃處理后萌發(fā)率達最大值。這說明只要坡柳種子成熟后能夠完整保存下來，不被動物蠶食、不腐爛變質(zhì)，在其成熟后的1年內(nèi)，經(jīng)歷火刺激，只要條件適宜，仍可大量萌發(fā)。實驗結(jié)果也表明，坡柳種子熱處理后30 d內(nèi)的萌發(fā)率都顯著高于常溫對照組，且種子萌發(fā)率間差異不顯著(p=0.412gt;0.05)。說明經(jīng)歷一次熱刺激后的一段時間內(nèi)，坡柳種子的萌發(fā)率都較高，這可能是坡柳為什么能在干熱河谷地區(qū)大量繁殖，形成多種典型群叢景觀[9]的原因之一。相較于傳統(tǒng)的熱水浸種，干燥高溫處理萌發(fā)前的坡柳種子，可以顯著提高其萌發(fā)率。

短時間高溫處理可以促進蛋白質(zhì)合成，激活種子內(nèi)部酶系統(tǒng)，使種子內(nèi)部生理生化反應(yīng)活躍起來[18]，所以種子熱沖擊可能是高溫處理產(chǎn)生了熱激蛋白，或者是激活了處于休眠狀態(tài)的酶蛋白，引發(fā)一系列生理生化反應(yīng)，促進了種子萌發(fā)[19-20]。一般情況下，隨溫度不斷升高酶的活性總是先上升再下降，呈現(xiàn)出單峰曲線的趨勢。本次實驗中，對坡柳種子進行10 min熱沖擊時，其萌發(fā)率出現(xiàn)了類似的單峰曲線。種子萌發(fā)的種皮障礙，也是影響種子萌發(fā)的重要因素[21]，其熱沖擊效應(yīng)也可能是因為高溫處理破壞了種皮生理結(jié)構(gòu)，提高種皮透性，促進了氣體交換和水分吸收，降低了萌發(fā)阻力[22]。研究還發(fā)現(xiàn)，坡柳種子熱處理后30 d內(nèi)均具有較高萌發(fā)率，且差異不顯著(p=0.412gt;0.05)，所以高溫處理坡柳種子，其種皮結(jié)構(gòu)與內(nèi)部酶系統(tǒng)可能都發(fā)生了一定改變，具體機理有待進一步研究。

坡柳種子經(jīng)高溫刺激后可顯著提高萌發(fā)率，具有明顯的熱沖擊效應(yīng)。Gonzalez等[6]的研究發(fā)現(xiàn)， 種子的熱沖擊效應(yīng)的起因不一定與火有關(guān)，但在易發(fā)生火的生境中肯定是對火的適應(yīng)性狀。所以，坡柳種子的熱沖擊效應(yīng)，可能是在與火長期的抗爭過程中，坡柳進化產(chǎn)生的對火生境的一種積極適應(yīng)，火對中國干熱河谷地區(qū)植被的形成及其多樣性有重要影響。在植被恢復(fù)工程中，坡柳種子可采用萌發(fā)前高溫處理(80 ℃ 10 min)來提高萌發(fā)率，提高工程效率。

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Effects of High Temperature Treatment on Seed Germination of Semi-Savanna Species:Dodonaeaviscosa(L.) Jacq

HUODongfang,HUANGBoqiang,SUWenhua,ZHANGGuangfei
(Institute of Ecology and Geobotany，Yunan University，Kunming 650091,China)

The experiment choseDodonaeaviscosa(L.) Jacq seeds,a representative species of the dry-hot valleys in southwest China,as the test materials. In this experiment,theD.viscosaseeds were heat treated at the temperature of 40，60，80 and 100 ℃ before germination in order to explore the impact of high temperature treatment onD.viscosaseed germination rate and to further discuss the influence of fire on the vegetation forming process in China’s dry-hot valley areas.The results show that when the temperature is higher than 40 ℃,theD.viscosaseed germination rate is significantly higher than normal control group,and the heat shock effect is apparent.The germination rate appears highest when seeds are treated at the temperature of 80 ℃ for 10 minutes,which can be (63.00 ± 2.55)%.There is still a significant heat shock effect onD.viscosaseeds which have been stored for one year.In comparison with the conventional method of soaking seeds in hot water,the seed germination rate ofD.viscoseseeds which have been heat treated before germinating increases heavily.The results of this experiment can provide theoretical guidance to the introduction ofD.viscosafor the vegetation restoration project.

high temperature treatment;Dodonaeaviscose; germination rate; heat shock effect;

2016-05-10

國家水體污染控制與治理科技重大專項，“五采區(qū)”及其廢棄地生態(tài)防護技術(shù)與工程示范(編號：2012 ZX 07101-003-04-04 )。

霍冬芳(1991—)，女，碩士研究生，主要從事生理生態(tài)與生態(tài)工程方面的研究；E-mail:121034045@qq.com。

張光飛(1966—)，男，副教授，主要從事生理生態(tài)及蕨類植物研究；E-mail：gfzhang@ynu.edu.cn。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.10.010

S 792.12

A

1001-4705(2016)10-0010-05