不同大小辽东栎种子的脱水敏感性

，，，

(国家民委生态系统建模及应用重点实验室,北方民族大学生物科学与工程学院，宁夏 银川 750021)

Roberts根据种子在贮藏过程中的行为表现，把种子分为正常性种子和顽拗性种子2种类型[1]；正常性种子在母体植株成熟散落前经历一个脱水过程，脱落时含水量较低，但种子仍保持较高活力；顽拗性种子在成熟过程中不经历脱水阶段，成熟散落时具有较高的含水量和代谢活性[2]，一旦脱水，活力大大降低。种子含水量可作为评价顽拗性种子脱水耐性的指标，被广泛应用于顽拗性种子生物学领域的研究[3-4]。顽拗性种子的脱水耐性在一定程度上取决于其顽拗性程度，且其脱水耐性与脱水速率呈正相关，因为在快速脱水条件下，种子遭受脱水胁迫的时间缩短也可减少代谢胁迫的积累[5]，慢速脱水使水分在种子内部保持的时间和导致种子伤害的劣变过程延长，从而加重对种子造成的伤害[6]，例如，木菠萝(ArtocarpusheterophyllusLamk.)种子的胚轴在快速脱水和慢速脱水至含水量约0.37 g/g干重时，快速脱水时存活率仍高达100%，而慢速脱水时存活率则降至0[7]，然而也有种子活力与种子脱水速率无关的报道[8]。生产顽拗性种子的植物在长期进化过程中，其母体植株可通过调整结实量而产生不同大小的种子，大小不同的种子可在一定程度上改变种子表面积以调节吸水率和失水率，从而适应环境变化[9]，因此，不同大小种子的脱水耐性可能存在一定差异，并对种子活力产生影响。

辽东栎(Quercuswutaishanica)是我国暖温带落叶阔叶林的优势树种之一，对群落的外貌、结构、动态和种类组成具有重要影响。基于种子繁殖的实生更新在维持辽东栎遗传多样性和群落稳定性等方面具有重要作用。包括辽东栎在内的所有栎属植物的种子都表现出一定程度的顽拗性[10]，辽东栎种子在沙埋和风干后贮藏30 d对种子活力不会造成严重影响，属于轻度顽拗性种子[11]，但在种子脱水耐性及其对活力的影响方面还缺乏系统研究，尤其是不同大小辽东栎种子的脱水耐性还没有引起足够重视。本研究以取自六盘山区的不同大小辽东栎种子为材料，在缓慢(室温自然风干)和快速脱水(硅胶脱水)条件下，定期对种子进行含水量和活力测定，研究不同大小辽东栎种子的脱水敏感性。研究结果可为探索辽东栎种子的长期贮藏方法及种苗繁育等生产实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 种子采集

试验用辽东栎种子于2017年9月采自宁夏六盘山国家自然保护区(35.15°N～35.41°N，106.9°E～106.30°E)龙潭林场内30年生以上的辽东栎植株冠层下，采集后于次日带回实验室，采用观察结合手捏的方法挑选出足量的饱满、无虫蛀辽东栎大、小种子备用，大种子和小种子鲜重分别为(3.05±0.38)g和(1.46±0.27)g。

1.2 种子脱水和含水量测定

缓慢脱水：分别取上述挑选好的辽东栎大、小种子各1 120粒，平均分为8组作为8个不同脱水时间处理，每组再分为4个小组作每一脱水时间的4次重复，每小组种子共35粒；将种子单层平摊于室温约25 ℃实验室内的实验台上自然风干，分别在脱水后的6，12，24，36，72，120，168 h (7 d)和336 h (14 d)，各取1组种子进行含水量和活力测定。每重复取5粒种子用于含水量测定，用电子天平称其鲜重后，再用单面刀片切成约1 mm厚薄片，装入称量瓶中，置于103 ℃烘箱中烘干24 h后称重，以干重(dry weight,DW)表示种子含水量(g/g)；每重复其余30粒种子用于活力测定。种子含水量和活力测定均以采集后贮藏于4 ℃冰箱内未进行脱水处理(0 h)的种子作为对照。

快速脱水：取大小为20 cm×15 cm自封袋64个，平均分为2组，在袋内装入烘干的变色硅胶后，分别装入上述挑选好的辽东栎大、小种子(种子与硅胶的质量比约1/10)，每袋装入35粒种子，将种子单层摆放，以保证种子与硅胶充分接触；将自封袋置于室温约25 ℃实验室内干燥器中，硅胶吸水颜色变浅时及时更换。分别在脱水处理1，2，4，8，12，24，48 h和72 h后，取出大、小种子各4袋作为4次重复，分别进行种子含水量和种子活力测定，每袋内取5粒种子用于含水量测定，测定方法和含水量计算方法同上；每重复其余30粒种子用于活力测定。对照同缓慢脱水。

1.3 种子活力测定

种子萌发于14 h光照/10 h黑暗[光照强度约140 μmol/(m·s)]，“白天”温度为25 ℃，“夜晚”温度为15 ℃条件下进行，将种子进行剥皮处理后播种于内径为12 cm，装有约1.5 cm厚湿沙(用前以清水洗净后于103 ℃烘箱中烘干48 h)的培养皿中；播种时将种子平放于湿沙表明，轻压种子使种子与湿沙充分接触以利于种子吸水。播种后将培养皿置于SPX-330-C智能人工气候箱(上海琅玕设备有限公司)中，每24 h观测萌发种子记录1次，以胚根伸出5 mm为萌发标准，记录萌发种子数，并测定萌发种子胚根长度。种子萌发过程中适时浇水，保持沙子湿润，观察记录至连续2周没有种子萌发为止。

1.4 萌发参数计算

评价种子活力的参数包括萌发率(germination percentage,GP)、萌发速率(germination rate,GR)、萌发指数(germination index,GI)和活力指数(vigor index,VI)，分别按照以下公式计算：

GP=(萌发种子数/试验用种子总数)×100%；

GR=∑(100Gi/nti) ,式中：n为每处理使用的种子数，Gi为ti(ti=0，1，2，3…，∞)天萌发的种子数;

图1 缓慢脱水(A)和快速脱水(B)对不同大小辽东栎种子含水量的影响

表1 种子大小和脱水方法对辽东栎种子萌发影响的二因素方差分析

GI =∑Gt/Dt，式中：Gt为时间t天的萌发种子数，Dt为萌发试验天数；

VI=萌发率×[幼苗根的长度(cm)+幼苗茎长度(cm)](本研究只计算胚根长度)。

1.5 数据统计分析

用多因素方差分析(Multi-way ANOVA)的方法分析种子大小和脱水方法对萌发参数影响的差异显著性；用单因素方差分析(One-way ANOVA)的方法分析不同脱水阶段和同一时期不同大小种子之间各萌发参数的差异显著性。所有数据的统计分析均在SPSS 21.0软件中进行。

2 实验结果

2.1 种子含水量变化

由图1可以看出，不同大小辽东栎种子在成熟散落时均具有较高含水量(分别为1.03，1.00 g/g)，不同大小种子间差异显著(p<0.05)，且大种子含水量在整个脱水过程中始终显著高于小种子(p<0.05)。含水量在缓慢脱水6 h后显著降低(p<0.05)，脱水336 h后，大、小种子含水量分别为0.58 g/g和0.47 g/g (图1 A)。种子含水量在快速脱水1 h后即显著降低(p<0.05)，大种子含水量在快速脱水过程中始终显著高于小种子(p<0.05)，除在脱水12 h与24 h间无显著差异外，其他脱水阶段间均差异显著(p<0.05) (图1 B)。

2.2 种子大小和脱水速率对种子萌发的影响

种子大小对所有萌发参数均无显著影响，脱水方法对活力指数影响显著(p<0.05)，但对其他萌发参数无显著影响，种子大小和脱水方法间的交互作用对所有萌发参数的影响均未达显著水平(表1)。

2.3 不同脱水处理种子的萌发率及其与含水量的关系

从图2可以看出，未脱水时大、小种子萌发率差异不显著；大种子经缓慢脱水12 h含水量为0.94 g/g时，萌发率提高至100%，但在脱水120 h后显著降低(p<0.05)；轻度脱水对小种子萌发也具有促进作用，脱水24 h后含水量为0.86 g/g时，萌发率提高至97.5%，而在脱水36 h后含水量为0.73 g/g时萌发率仍与未脱水种子持平；大、小种子萌发率分别在脱水120 h和72 h后显著降低(p<0.05)，脱水336 h后分别降至66.7%和42.5% (图2 A、图2 B)。除脱水6 h、24 h和36 h外，其他脱水阶段大种子萌发率均显著大于小种子(p<0.05)。

在快速脱水条件下，轻度脱水也可促进种子萌发，一直持续到脱水24 h (大、小种子含水量分别为0.78 g/g和0.74 g/g)，但脱水48 h后，大、小种子萌发率分别大幅降低至86.7%和69.2% (p<0.05)，均显著低于对照(p<0.05)，且大种子萌发率均显著大于小种子(p<0.05) (图2 C、图2 D)。

不论是缓慢脱水还是快速脱水，不同大小种子的萌发率均与含水量呈显著的二次曲线关系(p<0.05)，即在2种脱水条件下，不同大小种子的萌发率均随含水量的减少而呈降低趋势(图2 B、图2 D)。

注：y1、y2分别表示大种子和小种子含水量与萌发率间的回归方程。图2 缓慢脱水和快速脱水条件下不同大、小辽东栎种子的萌发率及其与含水量的关系

表2 脱水对不同大、小辽东栎种子的萌发速率、萌发指数和活力指数的影响

注：同行中相同萌发参数的不同字母表示差异显著(p<0.05)。

2.4 不同脱水处理种子的萌发速率、萌发指数和活力指数

由表2可以看出，未脱水大、小种子的萌发速率差异显著(p<0.05)；不论是缓慢脱水还是快速脱水，大、小种子萌发速率在脱水前期阶段均快速降低；大、小种子萌发速率在缓慢脱水自24 h至脱水36 h和快速脱水自24 h至脱水48 h均大幅降低(p<0.05)。大种子萌发速率在缓慢脱水的多数阶段均不同程度地大于小种子，但不同大、小种子间仅在脱水的最后阶段(336 h后)差异显著(p<0.05)；在快速脱水过程中，大种子萌发速率始终大于小种子，不同大、小种子间的差异在脱水48 h后达显著水平(p<0.05)。

在缓慢脱水24 h前的各阶段，大、小种子萌发指数缓慢降低，脱水36 h后显著降低(p<0.05)，脱水336 h后，大、小种子萌发指数分别为1.23和0.76。萌发指数在快速脱水4 h前期略有波动，但在脱水8 h后均大幅降低(p<0.05)，脱水72 h后分别为2.06和1.78。未脱水时大种子萌发指数显著大于小种子(p<0.05)，不同大、小种子间的差异在脱水后期阶段达显著水平(p<0.05)。

在缓慢脱水72 h前，活力指数呈波动性增大趋势，大、小种子分别在脱水72 h和12 h后最大，脱水120 h后大幅降低(p<0.05)。不同大、小种子的活力指数在快速脱水24 h前均显著增大(p<0.05)，大、小种子分别在脱水2，4 h后最大，但在脱水48 h后均大幅减小(p<0.05)。未脱水大、小种子的活力指数差异显著(p<0.05)，在缓慢脱水72 h后的各脱水阶段和多数快速脱水阶段，大种子均显著大于小种子(p<0.05)。

3 讨 论

顽拗性种子对脱水反应敏感的主要原因可能与其缺乏正常性种子所拥有的代谢关闭机制有关，即在发育过程中未经历成熟脱水阶段，成熟散落时仍具有较高含水量和代谢活性，且已启动萌发过程[2,12]。研究发现，大、小辽东栎种子在成熟散落时均具有较高含水量(分别为1.03，1.00 g/g)和萌发率(分别为97.5%，95.8%)，尽管萌发率和活力指数在脱水前期有一定程度提高，但不论是缓慢脱水还是快速脱水，随着脱水时间的延长，所有萌发参数均在脱水后期阶段显著减小，即表现出顽拗性本质[1,4]。顽拗性种子的含水量可能存在临界值，一旦含水量低于这一临界值，种子活力迅速下降。例如，滇南红厚壳(Calophyllumpolyanthum)种子脱落时含水量达鲜重的45%，当含水量降至30%以下时，存活率迅速下降[13]。本研究发现，辽东栎大种子在缓慢脱水336 h和快速脱水72 h后至含水量(0.58 g/g)一致时，萌发率仍相对较高(分别为66.7%，79.1%)，而小种子在缓慢脱水120 h和快速脱水72 h后至含水量(0.52 g/g)一致时，萌发率分别为70.8%和66.7%，即在缓慢脱水和快速脱水间发生了逆转，表明不同大、小种子的临界含水量可能存在差异。但由于本研究没有设计更长时间的脱水处理，还难以准确界定其临界含水量范围，有待于进一步深入研究。

轻度脱水可通过破坏种子内萌发抑制物的合成或开启某些与萌发相关的代谢过程而促进种子萌发[14]，即轻度脱水可终止与种子发育相关的合成过程而加速种子后熟，从而开启萌发启动的“开关”。本研究中，在脱水前期阶段水分轻度丢失也均促进不同大、小辽东栎种子的萌发，但随着脱水时间延长，萌发率和其他萌发参数均持续降低。这可能是轻度脱水促进幼苗建立的适应性反应，因为种子快速萌发可使种子通过伸长的胚根获得外界环境中的水分，从而缓解脱水伤害。

不同大、小种子的脱水耐性可能存在差异并影响种子活力，生产顽拗性种子的植物可在同一植株内或不同植株间产生不同大小的种子，通过改变其比表面积以在一定程度上适应环境变化[9]。辽东栎大种子的含水量和萌发率在缓慢脱水和快速脱水过程中始终显著高于小种子；尽管大、小种子的萌发率仅在脱水后期(脱水48 h)差异显著，但大种子的萌发速率、萌发指数和活力指数均显著大于小种子，且不同大、小种子的所有萌发参数在脱水后期均差异显著，表明大种子的脱水耐性更强，不同大、小种子比表面积的变化可能是产生这一结果的主要原因，因为大种子的比表面积较小，脱水相对较慢，受到的伤害积累也较小[15]。

顽拗性种子的脱水耐性还与脱水速率密切相关，快速脱水可使顽拗性种子在脱水到较低含水量时仍保持较高活力[5,7]，因为水分在种子内部保持的时间越长，脱水伤害对种子发生劣变的影响就越大[6]，快速脱水可缩短种子在中间含水量下停留的时间，从而减少种子代谢胁迫积累[6,16]，已报道的假槟榔(Archontophoenixalexandrae)[16]、木菠萝[7]和橡胶树(Heveabrasiliensis)[6]等热带地区典型顽拗性种子均对不同脱水速率表现出类似反应。辽东栎大种子在缓慢脱水120 h和快速脱水48 h后，含水量基本一致时，快速脱水种子的所有萌发参数均不同程度地大于缓慢脱水，尤其在缓慢脱水336 h和快速脱水72 h (含水量均为0.58 g/g)后，后者的所有萌发参数均显著大于前者，即辽东栎大种子的脱水行为与上述研究者的结果基本一致。然而，小种子在缓慢脱水120 h和快速脱水72 h后至相同含水量(0.52 g/g)时，萌发参数均在缓慢脱水时更大，类似的结果其他研究也有报道[9]，这可能与不同大小种子的顽拗性差异有关，因为顽拗性种子的脱水耐性是一种具有渐变、过渡和数量特性的复合数量性状[17]，不同植物种子顽拗性有高度、中度和轻度之分，甚至同一种植物种子也有顽拗性程度的差异[18]。此外，本研究所设置的脱水处理可能还未能脱水至种子临界含水量，使不同脱水速率对种子萌发率的负面影响在一定程度上被种子的抗氧化系统所抵消[19]，具体机制还有待于进一步深入研究。

综上所述，轻度脱水促进辽东栎种子的萌发，但在缓慢脱水和快速脱水条件下，不同大、小辽东栎种子的活力均随着脱水时间延长和含水量减少而降低，属顽拗性种子；辽东栎大种子的脱水耐性高于小种子，大种子的含水量和萌发率在脱水处理过程中始终显著高于小种子，且前者的所有萌发参数在脱水处理的后期均显著大于后者；辽东栎大种子在快速脱水条件下比在缓慢脱水条件下具有更强的脱水耐性。