袁家梁, 赵丽敏, 李秧秧

(1.西北农林科技大学林学院, 陕西 杨凌 712100; 2.内蒙古卓资县林业和草原局, 内蒙古 卓资 012300; 3.西北农林科技大学水土保持研究所, 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100)

跨代可塑性(Transgenerational plasticity)是指当父母代所经历的环境影响他们后代的表型[1]。跨代可塑性可能增加或降低后代的适应性,适应性跨代可塑性可能在植物适应不同类型压力和环境中起着十分重要的作用[2-3]。目前关于跨代可塑性的研究主要集中在环境信号(高温、干旱、土壤压实、盐与养分胁迫、重金属、高CO2、病虫害等)与跨代可塑性强弱的关系、跨代可塑性的生态和进化学意义及跨代可塑性产生的机制等方面[1-2]。

干旱是影响植物跨代可塑性的一个重要环境信号,关于干旱对植物跨代可塑性的影响已有较多研究,但大多数研究集中在植物苗期,而对于种子萌发期的跨代可塑性研究相对较少。种子萌发是植物生活史的一个重要阶段,决定着植物的建成和幼苗的生长存活。水分是影响种子萌发的关键因素,关于种子萌发对干旱的敏感性可通过水势模型(Hydrotime model)来度量[4-5]。水势模型涉及种群萌发的阈值水势(ψb(50),MPa)、水势常数(θH,MPa d)和标准差(σψb,MPa)三个参数,其中ψb(50)是种子萌发的最低水势,表征了种子萌发过程对干旱的敏感性;θH是种子为萌发需要积累的高于阈值水势的MPa d,反映了种子萌发的快慢;σψb表示种子萌发的整齐度[5]。该模型已经被广泛用来研究杂草、草本植物、牧草、灌木等植物的萌发特性[6]。

种子萌发期的跨代可塑性与物种和亲本遭受的环境梯度有关。智利的一种野生西红柿种子和美国的长芒苋(Amaranthuspalmeri),当母系遭受水分亏缺时,其后代能在低的水势下萌发[7-8]。澳大利亚的一种入侵植物美洲海滩芥(Cakileedentula),其在亚热带的萌发水势阈值ψb(50)亦高于温带[9]。Zhang等[10]比较了低温多雨的冷凉生境和高温干旱的温暖生境不同针茅属植物种子萌发的水势模型参数,发现两种生境针茅属植物间的水势模型参数无差异。南美巴塔哥尼亚高原北部一种高羊茅(Festucapallescens)沿降雨梯度上9个种群的阈值水势ψb(50)并无显著差异,但水势常数θH不同,在分布梯度的两端种群具有高的水势常数θH,意味着在不是很适宜条件下种子萌发可能被阻止或延迟[11]。

柠条(CaraganakorshinskiiKom.)是我国北方干旱半干旱地区的主要多年生灌木,因其耐旱、耐寒、耐贫瘠和耐风沙,有极强的生命力和适应性,且生物量高、营养丰富、适口性好,被广泛用做牲畜的优质饲草饲料。关于其种子萌发特性已有一些研究[12-13],但其种子萌发过程是否具有跨代可塑性并不清楚。研究柠条种子萌发过程的跨代可塑性对于揭示柠条对干旱的适应性机制和柠条合理引种有一定的指导价值。为此,我们采集了不同降雨梯度上的柠条种子,利用水势模型研究了其种子萌发过程对干旱的敏感性,试图说明柠条在萌发过程中是否产生适应性跨代可塑性。假设:不同种源种子对水分有效性的响应不同,干旱地区来源种子不仅具有更低的萌发水势阈值,且具有高的标准差,从而使部分种子进入休眠而在水分来临时萌发,以适应干旱地区的多变低水环境。

1 材料与方法

1.1 种子收集及萌发试验

沿降雨梯度从黄土高原、鄂尔多斯高原及青藏高原四个采样点采集柠条成熟种子,四个采样点分别位于陕西省安塞县、陕西省神木市、内蒙古凉城县、青海省共和县,其多年平均降雨量从549 mm下降至246 mm。于2021年7—8月种子成熟时进行随机采收,采样地基本情况及种子特征详见表1。采集后的种子放置室温储藏8个月供萌发试验所用。

表1 采样地及种子基本特征Table 1 Basic traits of seed-collecting sites and seeds

为防止种子霉变,试验前使用1%次氯酸钠溶液对种子表面消毒1.5 min后用蒸馏水反复冲洗。由于种子萌发时的温度会影响其水时间模型参数,且柠条种子萌发的最适温度为15℃～20℃[13]和30℃[15],故本研究在3个温度梯度(20℃、25℃、30℃)和5个水势梯度(0,-0.25,-0.4,-0.6,-0.8 MPa)下进行种子萌发试验。不同水势梯度溶液使用PEG6000配制[16],所有PEG溶液在使用前用蒸汽压渗透计(VAPRO 5520,Wescor,Logan,USA)进行校正。每个水势梯度4个重复,每个重复25粒种子。种子被放置在9 cm直径的培养皿中,以双层滤纸作为萌发基质,使用7 ml不同浓度PEG溶液润湿滤纸,为了防止霉变及在发芽试验期间保持培养基水势恒定,每48小时更换一次滤纸及PEG溶液,培养皿使用封口膜进行密封,以防止水分流失。萌发实验在黑暗的培养箱中进行,当胚根突破种皮2 mm时认为已经萌发,将其取出并计数,监测频率视处理而定。当连续至少7天未观测到种子萌发时,终止试验。试验分三批次(温度重复)进行。种子累积发芽率为萌发试验结束后累积萌发的种子数占所用种子总数的百分比。萌发速率(t50)为达到最大发芽率的50%所需的时间。

1.2 水势模型参数计算

为进一步了解水势降低对种子萌发的影响,Bradford[4]在Gummerson[17]工作的基础上提出了水势模型:

θH=[ψ-ψb(g)]tg

(1)

式中ψ表示种子所处环境水势(MPa),ψb(g)表示水势阈值(MPa),即给定种子萌发百分比g所能够萌发的最低水势,tg为达到萌发百分比g所需要的时间(d)。θH(MPad)为水势常数,表示种子吸胀到胚根出现所需的累积水势时间,通常认为θH是一个常数。将公式1进行简单转换,可以得到公式2:

(2)

公式2表明1/tg是ψ的线性函数,其斜率为1/θH,截距为ψb(g)。因为θH为常数,所以对于任意g其斜率相等,ψb(g)随着g变化,对于一般物种而言,ψb(g)在种群的分布为正态分布。为了对不同g下的ψb(g)进行估计,将公式1转换得到公式3:

ψb(g)=ψ-θH/tg

(3)

将观测的发芽时间数据在概率尺度上线性化并对ψb(g)进行回归,可以得到下述公式4:

(4)

自此,便可获得水势模型的三个参数:θH、ψb(50)及σψb。

1.3 数据分析

使用双因素方差分析比较不同种源、萌发温度及其相互作用对柠条种子萌发特征的影响,若差异显著使用LSD法进行多重比较。种子萌发曲线使用drcSeedGerm包中的时间-事件模型进行拟合,使用drmte函数分别对每一温度下的水势进行参数拟合[18]。所有数据处理均在R(ver. 4.2.0)中进行。

2 结果与分析

2.1 不同柠条种源沿降雨梯度的种子萌发特征

沿从南到北降雨梯度,柠条种子千粒重、单粒体积及种子生活力均呈现下降趋势,内蒙凉城柠条种子的千粒重、单粒体积及种子生活力为陕西安塞柠条种子的93.4%,94.1%和78.3%,其千粒重和种子生活力显著下降(P<0.05);青海共和柠条种子的千粒重、单粒体积及种子生活力仅为陕西安塞柠条种子的80.3%,84.3%和89.1%,三者均显著低于陕西安塞种子(P<0.05)(表1)。

20℃下无水分胁迫时,陕西安塞柠条种子的累积发芽率为93%,而青海共和的柠条种子累积发芽率仅为77%,30℃下陕西安塞和青海共和种子累积发芽率则分别为73%和56%(图1),进一步证明了柠条种子质量随从南到北降雨梯度上的降低。随种子萌发过程中水分胁迫程度增加,4个种源柠条种子累积发芽率明显降低,且萌发速率(t50)变慢(图1)。20℃、25℃和30℃下,4个种源的平均累积发芽率分别为58%±3%、74%±1%和32%±4%,且萌发速率分别为3.52±0.23 d、3.52±0.19 d及4.99±0.37 d(图1),表明25℃是柠条种子萌发的最适温度。

2.2 种源和温度对柠条种子萌发的水势模型参数的影响

种源对水势常数θH有显著影响(P<0.05),对阈值水势ψb(50)的影响接近显著(P=0.062),但对标准差σψb无显著影响。温度极显著影响水势模型的3个参数(P<0.01),但种源和温度的交互作用对水势模型的3个参数无显著影响(表2)。温度对水势模型3个参数的影响大于种源的影响。

表2 种源和温度对水势模型影响的双因素方差分析Table 2 Two-way ANOVA analysis of seed sources and temperature on the hydrotime model parameters

陕西安塞的水势常数θH显著低于其他3个地点,陕西安塞和神木的水势阈值ψb(50)表现出低于内蒙凉城和青海共和的趋势,且安塞和神木的水势阈值ψb(50)显著低于青海共和,4个种源的标准差σψ b无显著差异(图2)。随温度增加,水势常数θH显著降低,30℃下的θH显著低于20℃(P<0.05);水势阈值ψb(50)则为先降低后升高,三个温度下均有显著差异(P<0.05);标准差σψb也表现出先降低后升高,30℃下的σψ b显著高于其他两个温度(图3)。在种子萌发的最适温度(25℃),其萌发的水势阈值ψb(50)和标准差σψ b最低。

图2 不同种源柠条种子萌发的水时间模型常数Fig.2 Hydrotime model parameters for the 4 seed sources of C. korshinskii注:不同小写字母表示种源间差异显著Note:Different lowercase letters indicate a significant difference among different seed sources at P<0.05

图3 不同萌发温度下柠条种子萌发的水时间模型参数Fig.3 Hydrotime model parameters for Caragana korshinskii seeds under different germination temperatures注:小写字母表示不同温度间的差异显著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate a significant difference between different temperatures at P<0.05

2.3 水势模型参数与种子质量、种源地气象因子间的相关关系

水势模型参数和种子特征,如种子千粒重、种子单粒体积、种子生活力间并无显著相关性,与年降雨量间亦无显著相关性,但与年均温存在接近显著的负相关关系(P=0.052)(表3,图4),年均温度越高,种子萌发的水势阈值越低,种子萌发过程越耐旱。

图4 水势阈值ψb(50)与年均温间相关关系Fig.4 Pearson correlation between average annual temperature and water potential threshold ψb(50)

表3 水势模型参数与种子性状及气候条件的Pearson相关性Table 3 Pearson correlation between hydrotime model parameters and seed traits,climate variables

3 讨论

3.1 降雨梯度上柠条种源对水势模型参数的影响

本研究中,陕西安塞种源的水势常数θH显著低于其他3个地点,陕西安塞和神木的水势阈值ψb(50)显著低于青海共和,4个种源的标准差σψb无显著差异(图2)。López等[11]研究了巴塔哥尼亚高原北部一种高羊茅9个种群沿降雨梯度上种子萌发的水势模型参数变化,发现在分布梯度的两端种群具有高的水势常数θH,且种群间ψb(50)和σψb无显著差异,他们认为微环境对植物生理行为的影响更大,而宏观降雨尺度的影响相对较小。本研究中,水势常数θH和年均降雨量及年均温度的相关性并不显著(表3),说明安塞种子萌发的水势常数低主要可能与微环境有关,安塞种子通过快速萌发来适应其立地条件。

种子萌发过程中的水势阈值ψb(50)反映了种子萌发过程对干旱的敏感性。Lai等[19]研究认为内蒙古高原柠条锦鸡儿、中间锦鸡儿与小叶锦鸡种子萌发的耐旱程度随其生境降雨量的增加而降低。澳大利亚的一种入侵植物美洲海滩芥,其在亚热带的萌发水势阈值ψb(50)亦高于温带[9],Zhang等[10]比较了低温多雨的冷凉生境和高温干旱的温暖生境不同针茅属植物种子萌发的水势模型参数,发现两种生境针茅属植物间的水势模型参数无差异。但在本研究中,年降雨量高的陕西安塞和神木种子萌发的水势阈值ψb(50)显著低于干旱的青海共和。不同植物种子萌发对水分的响应并不相同,这可能与其生境对种子萌发的选择压力有关。随降雨量降低,柠条的繁殖方式从有性繁殖向无性繁殖转变[20],可能不需要通过降低种子萌发过程的水势阈值ψb(50)来增加萌发过程中的抗旱性,因为相比于无性繁殖,跨代产生可塑性的成本可能更高[1,21]。我们的结果并不支持干旱地区具有更低的萌发水势阈值这一假设,这与关于动植物跨代可塑性的荟萃分析表明:一年生植物表现出更强的跨代可塑性,而多年生植物几乎没有跨代可塑性[22]一致。干旱地区的柠条也并未通过种子萌发过程中高的标准差来适应其多变低水环境。

3.2 萌发温度对水势模型参数的影响

随萌发温度从20℃增加到25℃,水势阈值ψb(50)显著降低,但当萌发温度从25℃增加至30℃,水势阈值ψb(50)和标准差σψb显著增加,30℃的水势常数θH显著低于20℃(图3)。因此,相对于最适萌发温度,温度降低或升高均导致水势阈值ψb(50)增大。这与在红花[23]、狗尾草属物种[24]、马铃薯[25]、埃塞俄比亚芥[26]、鹰嘴豆[27]、波斯甜瓜[28]等的研究结果一致。低温下较高的水势常数θH与水势阈值ψb(50)可能主要与低温延迟了种子萌发过程有关。低温导致种子充分吸水滞后,同时降低了种子的代谢活力,使种子无法在低水势下突破种皮,从而延迟或阻止了胚根伸出。种子在较低温度下对干旱胁迫的耐受力低,也为其在早春较低的温度条件下的种子萌发提供了保障,这些幸存于土壤种子库的休眠种子一旦遇有降水即可开始萌发,种子在春季低温期间的提早萌发可保证幼苗根系充分发育的时间,增强幼苗对夏季降雨间隔期内强烈干旱的耐受能力,进而增大幼苗存活和建立的机会。温度增加(30℃)通过降低萌发过程的水势常数θH,从而加快种子的萌发速率。较高的水势阈值ψb(50)表明柠条种子萌发在高温下对干旱胁迫的敏感性增加,遇到少量水即可萌发,从而提高了其在夏季干热生境的适合度,是其在温度相对较高的环境中成功定居和种群更新的重要保障。最适温度25℃下,柠条种子的水势阈值ψb(50)和标准差σψb最低,表明在该温度下柠条种子萌发最为耐旱且萌发最为整齐,温度降低或者增加均导致种子萌发不整齐。

3.3 水势模型参数与种子性状和气候条件的关系

本研究中,尽管在从南到北的降雨梯度上,柠条种子质量显著降低,但种子萌发的水势模型参数与种子质量性状(千粒重、单粒体积和种子生活力)均无显著相关性(表3),意味着种子性状不是影响柠条不同种源水势模型参数的主要因素。对新热带森林的演替早期种而言,随种子质量增加,水势阈值ψb(50)降低,意味着大种子萌发过程的抗旱性更强,因而更易生长在光照和温度高的大林窗中[29]。Arene等[30]的Meta分析发现对一年生植物,种子质量和临界水势ψb(50)呈负相关,即种子质量越大,临界水势越低,而对多年生植物,种子质量和临界水势ψb(50)无关。多年生植物可能依赖于相对长的寿命和适应性(如存储器官、大的根系、休眠芽或极端抗旱性),使其能在不利季节存活[31],这些适应性降低了种子萌发阶段的相对重要性,所以导致种子大小和临界水势无关。柠条为多年生植物,其相对强的抗旱性[32-33]和在降雨量低的地区主要依赖于无性繁殖的繁殖方式可能是其种子质量和临界水势无相关性的重要原因。

水势模型参数中,仅水势阈值ψb(50)和年均温呈接近显著负相关,年均温越高,阈值水势ψb(50)越低。袁祯等[15]也发现分布在半湿润地区的红花锦鸡儿萌发最耐旱,而分布在干旱荒漠区的多刺锦鸡儿、荒漠锦鸡儿和粉刺锦鸡儿其种子萌发对水势胁迫最为敏感,与本结果相似,但与物种间发现的萌发基础温度越低,萌发的水势阈值越低不一致[6]。在降雨量少、年均温低的地区,种子萌发后幼苗极易遭遇干旱而导致闪苗,低的年均温导致萌发的水势阈值增加,从而使萌发发生在湿润条件下,因而高水势阈值是一个风险降低的特征,可能是这类地区柠条种子萌发过程的重要适应性对策。年均温较高的安塞和神木尽管萌发温度高可能增加萌发水势阈值,但其种子在7月成熟,此时蒸发强烈,因而降低水势阈值ψb(50)从而加快种子萌发可能是其适应性选择结果,萌发时水势阈值与萌发季节水分条件的关系可能更大,此外,土壤和立地条件等也可能影响水势阈值,对此值得更进一步研究。

4 结论

沿降雨梯度上种源对种子萌发的水势常数θH和水势阈值ψb(50)均有影响。降雨量高的陕西安塞种源的水势常数θH显著低于其他3个种源,且其水势阈值ψb(50)显著低于干旱的青海共和种源。干旱地区柠条种子并不具有更低的萌发水势阈值和高的标准差,表明沿降雨梯度上不同种源柠条种子萌发过程中并不具有适应性跨代可塑性。不同种源柠条种子萌发的水势阈值ψb(50)主要决定于年均温而非种子性状,年均温相对高地区的柠条种子(陕西安塞和神木)主要通过降低水势阈值ψb(50)从而加快种子萌发来适应其生境,而年均温低的地区(青海共和)则通过增加水势阈值来适应其生境。