不同基因型桔梗种子萌发及幼苗生长对温度胁迫的响应

植物性状遗传分析和新品种选育均需要一定的群体规模，桔梗种子较低出苗率是其育种群体扩大的限制因素之一，这不仅增加了其优良新品种选育的难度，也严重影响了桔梗育种的总体进程。对桔梗种子发芽能力的研究结果显示，桔梗成熟种子在人工条件下其发芽率和发芽势分别为93%和78%，表明桔梗种子具有较高的发芽能力。与人工发芽条件相比，萌发温度和水分限制可能是造成种子田间出苗率较低的主要原因之一。在北方地区栽培桔梗通常在3月中下旬进行播种，在种子萌发和出苗阶段很容易遭受低温的影响，而出苗后气温回升很快，在幼苗生长阶段又易受高温侵袭。因此，对温度胁迫下桔梗种子萌发和生长规律的研究，对桔梗生产和遗传育种群体的构建均有重要的实践意义。

目前商洛境内秦岭桔梗野生资源已处于濒危状态中。种子萌发和幼苗生长阶段是一个植物种群能够在特定环境下定植的关键时期，温度作用在田间条件下对萌发时间具有重要的生态指示性。迄今对不同基因型桔梗种子萌发和幼苗生长对温度逆境的响应机理及种子在极端温度下的萌发策略尚缺乏了解。温度是影响种子萌发的重要生态因子，不同物种甚至同一物种不同生态型植物种子萌发对温度的反应可能不同。提出的问题是:在温度逆境条件下对桔梗种子萌发和幼苗生长有何种影响以及这种影响在不同基因型种子间是否存在差异?桔梗种子能否以及采取何种策略对温度逆境做出响应?本试验以不同基因型桔梗为材料研究了温度胁迫对桔梗种子萌发和幼苗生长的影响，以期回答上述科学问题，为桔梗栽培群体构建及野生种群的保护与恢复提供依据。

1　材料与方法

1.1　材料

商州桔梗种子(栽培种)和赤峰桔梗种子(栽培种)分别采自陕西商洛境内的张村镇和内蒙古赤峰境内的马林镇栽培群体，柞水野桔(野生种)种子采自陕西柞水县后沟村周边山坡地野生群体，上述种子均于2007年10月采集，4℃冰箱中保存，于2008年3月下旬播种于商洛学院桔梗种质资源圃，2009年10月分别在商州桔梗、赤峰桔梗和柞水野桔群体中采集种子，种子采后干燥箱烘干，于4℃冰箱中保存备用。

1.2　方法

选取桔梗优质种子用0.4%的KMnO4溶液表面消毒，蒸馏水冲干净，培养皿垫双层湿润滤纸作为发芽床，每皿100粒种子摆放均匀盖上盖子后，分别放入设置温度为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃培养箱光培养，以后每日观察统计种子萌发情况，并根据实际情况添加蒸馏水至原始重量，每处理重复3次。胚根与种子等长为种子发芽标准，8d计发芽势，11d计发芽率，发芽结束后计算发芽指数和活力指数，测定胚根和胚芽长度，并称幼苗鲜重、幼苗干重。相关指标计算公式如下:

(1)种子活力指标:种子发芽率(%)=n/N×100%;发芽指数=∑Gt/Dt;活力指数(VI)=发芽指数(GJ)×S。式中，n为发芽终期全部正常发芽的种子数，N为供试种子总数;Gt为t日发芽数，Dt为相应的天数。S为平均胚根鲜重。

(2)胚根和胚芽平均长度:在种子萌发实验进行12d后，每一重复各取10株测定其胚根和胚芽长度，并计算平均值。同时，称幼苗鲜重、幼苗干重。

利用SPSS软件对实验数据进行统计分析。

2　结果与分析

2.1　温度对桔梗种子发芽起始时间的影响

从表5-3-1和图5-3-1可以看出，不同基因型桔梗种子在同一温度下(除不15℃外)其萌发起始时间有所不同;从总体上看，赤峰桔梗种子萌发起始时间比商州桔梗和柞水野桔要短，如在25℃条件下，培养第3日赤峰桔梗种子即开始萌发，而商州桔梗和柞水野桔萌发起始时间分别为4d和5d，三者间均存在显著差异。

随着培养温度的升高，不同桔梗种子萌发起始时间变化趋势基本相同，即低温(10℃)明显延长种子萌发起始时间，随培养温度上升，桔梗种子萌发时间缩短，但高温下(30～35℃)萌发起始时间又出现延长趋势。

2.2　温度对桔梗种子萌发进程的影响

从图5-3-1中可以看出，随着培养时间的延长，不同基因型桔梗种子发芽率增长基本均呈“S”型曲线变化趋势，即萌发起始初期种子发芽率增加速度较慢，之后种子萌发速度迅速加快而后又趋于平缓，呈现慢-快-慢的变化特征。在20℃和25℃条件下，不同基因型桔梗种子发芽率快速增长期均出现较早，随着温度的升高或降低，快速增长期出现时间明显延后，并且其曲线斜率也明显变小。

图5-3-1　温度对不同基因型桔梗种子萌发进程的影响

图5-3-2　不同基因型桔梗种子发芽率与温度的关系

2.3　温度对桔梗种子萌发的影响

发芽率反映了种子在适宜条件下的萌发能力，发芽指数是种子活力水平的综合体现。随着培养温度的升高，不同基因型桔梗种子发芽率、发芽势和活力指数变化趋势均表现为先升后降的趋势，即在低温范围内升高温度，种子萌发各指标均逐渐升高并达到最大值，之后温度再增加则种子萌发被明显抑制(见表5-3-1)。

由表5-3-1还可以看出，不同基因型桔梗种子萌发的适宜温度范围有所不同，商州桔梗为15～30℃，赤峰桔梗和柞水野桔15～25℃;25℃是商州桔梗和赤峰桔梗种子最适萌发温度，柞水野桔种子最适萌发温度为20℃，在此条件下种子发芽率、发芽势和活力指数均达到最大值。从图5-3-2可以看出，赤峰桔梗种子萌发阶段受极端温度的负面影响相对较小，而柞水野桔种子萌发偏嗜冷凉(20℃)环境，且对温度变化较为敏感，特别对极端高温侵袭的反应更为剧烈，在35℃高温下种子萌发几乎已被完全抑制。

2.4　温度对桔梗幼苗生长的影响

从表5-3-2中可以看出，温度对不同基因型桔梗幼苗鲜重均有显著的影响，随着温度的升高，各桔梗幼苗鲜重变化趋势基本一致，均呈“单峰”曲线型变化，即中低温范围随温度升高，幼苗鲜重显著增加，达到最大值后(商州桔梗和柞水野桔25℃达到最大值，赤峰桔梗30℃达到最大值)鲜重随温度增加而下降;随着温度的升高，桔梗幼苗干重亦呈“单峰”曲线型变化趋势，但温度、基因型对幼苗干重均无显著影响。

表5-3-2　温度对桔梗幼苗生长的影响

续表

由表5-3-2还可以看出，随温度的升高，各基因型桔梗幼苗根长、芽长和根茎比均呈先升后降的变化规律，在30℃培养时各幼苗茎长最长，根长、根茎比均在25℃达到最大值，表明25℃条件下有利于根的伸长，在30℃下明显促进芽的伸长，而幼根的伸长被显著抑制，据观察此时苗高的增长主要是节间伸长造成的，具有明显的徒长特征。

3　讨论

温度是影响种子萌发的重要因子之一，对种子吸水、萌动、胚根、胚芽伸长至幼苗的形成整个过程均有重要作用。温度在决定种子萌发中可能起双重作用，即直接影响种子萌发或通过间接调节种子休眠影响种子萌发。柞水野桔在10～30℃温度范围均可萌发，而35℃下萌发几乎被完全抑制，在10～35℃温度范围商州桔梗和赤峰桔梗种子均可萌发，但在极端低温和高温条件下，桔梗种子萌发和幼苗生长均被显著抑制。然而极端低温和高温对种子萌发生长和幼苗产生的危害有所不同:极端低温更多是通过延缓萌发起始和幼根生长起抑制作用，而极端高温则主要通过抑制种子发芽、延缓幼根伸长和促进幼茎徒长产生危害作用。

商州桔梗和赤峰桔梗种子最适萌发温度为25℃，而柞水野桔最适萌发温度偏低，种子发芽偏嗜冷凉(20℃)环境，这可能是一种对其高山冷凉生境的生态适应。野生桔梗由于长期的过度采挖，种群数量也迅速萎缩，现存的野生桔梗资源已退缩至一些人迹稀少的高山冷凉区域。种子萌发和幼苗的形成是一个物种建群的关键阶段，由于高山冷凉生境的长期作用使野生桔梗种子逐渐适应低温萌发的生态需求，并使高山野生桔梗种群较好地通过了其建群遇到的一个关键阶段。而栽培桔梗主要种植在川原或低海拔山坡地，种子萌发成苗时期这些地区温度回升速度较快，温度普遍要高，在长期驯化过程中桔梗栽培种也已逐渐适应了田间生境。

温度对桔梗种子幼苗生长和形态建成均有显著的影响。在20～25℃下不同基因型桔梗幼苗根茎比均在6.09以上，明显有利于幼苗根的生长;温度≥30℃时幼根的生长被显著抑制，而茎的生长被显著促进，与25℃时相比茎长增加均超过4.8倍以上，而根长均下降1.6倍以上。这就可以解释桔梗栽培生产中，出苗及幼苗生长阶段如遭遇持续晴天高温，即使在水分较为充盈的条件下也常出现大量死苗的现象;由于直接接受日照辐射，午后表层土壤温度升温很快，桔梗出苗期间(在陕南地区为4月中下旬至5月上旬)表层土温很容易接近或超过30℃，而在这种高温条件下，桔梗幼茎生长速度显著加快而使幼苗迅速出土并伸长，而此时幼根的生长被显著抑制，较短的幼根由于无法快速伸入土壤深层而吸收深层土壤水分，因此无法满足幼苗地上部分高温蒸腾对水分的大量需求，使幼苗出现生理缺水并可能引起死苗现象的发生。

4　结论

以商州桔梗、赤峰桔梗和柞水野桔种子为材料，研究了温度对不同基因型桔梗种子萌发及幼苗生长的影响。结果表明:温度对不同基因型桔梗种子萌发和幼苗生长均有显著影响，桔梗种子萌发的极限低温和高温分别为5℃和40℃;商州桔梗和赤峰桔梗种子萌发最适温度为25℃，柞水野桔为20℃，幼苗生长的最适温度均为25℃。在10℃条件下桔梗种子萌发起始时间显著延后;随着温度的升高，不同基因型的桔梗种子发芽率、发芽势、发芽指数及幼苗鲜重、干重、根长、茎长、根茎比均有先上升后下降的趋势。低温和高温条件均可使种子萌发和幼苗生长受到负面危害，且低温和高温引起危害的可能机制有所不同。低温主要通过延后种子萌发起始时间和延缓幼根生长引起抑制作用，而高温主要通过降低发芽率、延缓幼根生长和促使幼茎徒长产生危害作用。