两种生境中盐地碱蓬二型性种子比例和萌发对策的差异

(山西师范大学生命科学学院，山西 临汾 041004)

盐地碱蓬(Suaedasalsa)为苋科碱蓬属一年生肉质化真盐生植物[1]，耐盐性强，广泛分布于盐渍化生境。该物种可用于盐渍化土壤的改良[2-3]，其幼苗、种子均可食用，植株提取物可入药[4-6]，具有很高的经济价值[7-10]。盐地碱蓬可产生黑色和棕色两种种子，这两种种子可在不同季节萌发而促进种群更新[11]。

生长于不同生境的植物二型种子分离比可能不同。如营养和盐分高低均不会改变异子蓬(Suaedaaralocaspica)的黑色和棕色种子的分离比，但低营养可增大黑色种子大小和萌发，不会改变棕色种子大小和萌发，高盐则降低两种种子的大小，提高萌发[12]。生长于高盐生境中的角果碱蓬(Suaedacorniculatasubsp.mongolica)黑色种子萌发更高[13]，湿润生境沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)产生的种子休眠较干旱生境中的更深[14]，而来自干旱和湿润地区的黄松(PinusponderosaDoug.)种子产生的幼苗具有不同的适应抗旱能力[15]。但也有研究证实海拔梯度对小叶千里光(Helichrysummicrophyllumsubsp.Tyrrhenicum)种子性状和萌发行为并没有影响[16]。因而，生境中环境因子变化可能驱动植物种子种群分化。

盐地碱蓬种子受温度、盐分和光照影响显著。盐地碱蓬萌发范围较宽，在5～45 ℃均可萌发[17]。相同盐分下，在5 ℃/15 ℃萌发最低，15 ℃/25 ℃为最适萌发温度[18]。相同温度下，种子萌发率随盐分浓度升高而降低，棕色种子具有更强的耐盐性，在高盐分浓度(0.78 mol·L-1)萌发率可达到30%以上，而黑色种子几乎不萌发[19]。黑色种子萌发受黑暗抑制作用较强，棕色种子在低盐下对光照不敏感，高盐(>0.39 mol·L-1)下，在黑暗中萌发显著高于光照环境[19]。也有人发现，棕色种子不休眠，黑色种子具有非深度生理性休眠，可通过划破种皮[20]、低温层积[21]或赤霉素处理打破[22]。

自然环境中，盐生植物种子萌发还受Na+、K+、Ca2+和Mg2+等多种离子影响[23]，与NaCl溶液相比，海水对盐生植物种子萌发具有更大的抑制作用[24]。种子具有抗盐胁迫能力，可通过外源物质减轻高盐对种子萌发的抑制作用[25]。在相同盐分浓度下，种子在NaCl单盐溶液中的吸收率低于混合盐溶液，Ca2+和Mg2+离子加入可缓解NaCl对种子的萌发抑制作用[18]，且MgSO4缓解作用大于MgCl2[26]。盐地碱蓬从中国东部沿海到内陆盐渍化区域均有分布，不同生境中土壤盐分和气候作为环境信号是否会改变其萌发对策，需要进一步探讨。

表1 盐地碱蓬两种生境的气象和土壤性质

尽管这些研究为盐生植物种子萌发研究提供了有用信息，但均集中于单一生境，而对定居于不同生境中的盐地碱蓬种子种群是否发生分化几乎未见报道。本研究以内陆盐湖(运城盐湖)和海岸(天津大港)盐地碱蓬为实验材料，探究如下问题：1) 两种生境中二型种子分离比是否存在差异；2) 温度和盐分对两种生境中盐地碱蓬种子萌发的影响；3) GA3对不同生境种子萌发的促进作用；4) 不同镁盐和钙盐对盐分胁迫下种子萌发的缓冲作用，以期阐明两种生境盐地碱蓬二型性种子萌发的适应策略，丰富盐生植物萌发对策理论，为盐地碱蓬种群更新和恢复提供实践依据。

1 材料和方法

1.1 实验材料

本实验所用盐地碱蓬种子分别于2015年12月13日采于运城盐湖和天津大港排水渠边。植株带回实验室进行脱粒，通风处风干7 d，放入纸袋，储存于-20 ℃冰箱中备用。五点取样法采集生境0～5 cm土壤，用土壤X-射线元素测定仪对土壤离子分析。

1.2 两种生境盐地碱蓬二型性种子重量比

随机取两地种子各1 g，将黑色和棕色种子分离，分别用电子天平(Sartorius BS 210 S，精确0.000 1 g)称其质量。实验共4个重复，最后计算两种生境二型性种子黑色和棕色种子所占比例。

1.3 温度和盐分对不同生境盐地碱蓬二型性种子萌发的影响

为比较不同生境中温度和盐分对二型性种子萌发的影响，设定5 ℃/15 ℃、10 ℃/20 ℃、15 ℃/25 ℃和20 ℃/30 ℃ 4个温度梯度(代表运城盐湖盐地碱蓬生境早春、仲春、暮春和夏季温度)和0，0.04，0.09，0.19，0.39，0.59 mol·L-15个NaCl浓度(对应运城盐湖盐地碱蓬生境土春季到夏季的电导率变化：5，10，20，40，60 mS·cm-1，0为蒸馏水对照)。实验在光照培养箱(GTO-260 B，浙江托普云农科技股份有限公司)中进行，光照条件为光12 h/暗12 h交替(分别对应低温/高温)。每个处理4个重复，每个重复25粒种子，置于铺有2层滤纸的培养皿(直径6.0 cm)中，每个培养皿滴加3 mL溶液，每个处理的4个培养皿放于1个自封袋(6号)中，以防止水分蒸发。每天记录种子萌发数，以胚根突破种皮2 mm视为萌发，移出当天萌发的种子。连续3 d不萌发结束实验，实验共持续21 d。计算种子的萌发百分数(germination percentage，GP)[27]。

GP=[A/(A+B)]×100%

式中A表示萌发种子数，B表示未萌发但是有活力的种子数。

1.4 GA3对不同生境中盐地碱蓬二型性种子萌发的影响

为探索GA3对不同生境二型性种子萌发的促进作用，设置浓度为：12.5、25、50 mg·L-1和100 mg·L-1，对照组为蒸馏水，萌发温度和光照条件同1.3，每天观察统计萌发数，实验共持续21 d。

1.5 镁盐和钙盐对两种生境盐地碱蓬二型性种子萌发胁迫缓解作用

以NaCl溶液模拟低盐胁迫和高盐胁迫，探究不同盐溶液对两种生境盐地碱蓬二型性种子萌发单盐胁迫的缓解作用。

NaCl溶液浓度设为0.19 mol·L-1和0.59 mol·L-1，然后分别加入10、30 mmol的 MgSO4、CaSO4、MgCl2和CaCl2溶液。温度设为15 ℃/25 ℃，光照设为光/暗(12 h/12 h)交替。每天观察统计萌发数，连续3 d不萌发视为实验结束，实验共持续21 d。

1.6 数据分析

数据分析采用SPSS 17.0软件，用Turkey法在95%的显著水平进行多重比较，OriginPro 8.5.1软件作图。

2 结果与分析

2.1 两种生境盐地碱蓬二型性种子重量比

两种生境种子中均出现更多的生物量被分配给棕色种子，但不同生境黑色和棕色种子分配比差异很大，天津和运城盐地碱蓬棕色与黑色种子质量比分别约为32∶1和3∶1(图1)。

2.2 温度和盐分对不同生境盐地碱蓬二型性种子萌发的影响

多因素方差分析结果显示，种子类型、温度、浓度及其交互作用和生境与其交互作用以及其交互作用对盐地碱蓬二型性种子萌发均有显著影响(p<0.05)，但生境、种子类型和温度、种子类型、温度和浓度三者的交互作用对盐地碱蓬二型性种子萌发影响不显著(p>0.05)(表2)。

表2 生境、温度、种子类型和盐分浓度对盐地碱蓬种子萌发影响方差分析

表3 生境、温度和盐分浓度对盐地碱蓬二型性种子萌发的影响

注：同行不同小写字母表示盐分浓度处理下盐地碱蓬种子萌发存在显著性差异(p<0.05)。

无论生境和种子类型，在既定温度下，萌发均随盐浓度的升高而降低。不同的是，天津黑色种子萌发百分数降低幅度较运城更大，而棕色种子萌发降低幅度较运城小(表3)。相同盐分浓度下，不同生境中的种子萌发依据温度变化而变化。在蒸馏水中，天津黑色种子萌发百分数随温度升高呈先升高后下降的趋势，最佳萌发温度为15 ℃/25 ℃，棕色种子萌发在实验温度范围内均维持很高的萌发(>98.0%)；运城黑色种子萌发百分数随温度升高而下降，在高温(20 ℃/30 ℃)下，萌发为89.0%，而棕色种子则随温度升高而升高，整体表现为天津黑色种子在高温(15～30 ℃)下萌发低于运城，而棕色种子在低温(5～20 ℃)下萌发则高于运城。在高盐(0.59 mol·L-1)条件下，天津黑色种子在实验温度范围内萌发为2.5%～13.8%，棕色种子萌发为51.0%～88.0%，而运城黑色种子在实验温度范围内萌发为11.0%～52.0%，棕色种子萌发为42.7%～79.0%(表3)。在既定温度下天津的黑色种子对盐分的耐性低于运城，而棕色种子耐盐性则高于运城。

图1 不同生境盐地碱蓬二型性种子重量比例

表4 生境、温度和GA3对盐地碱蓬种子萌发的影响

注：同行不同小写字母表示不同GA3浓度处理下两种生境盐地碱蓬二型性种子萌发存在显著性差异(p<0.05)。

注：A为黑色种子在0.19 mol·L-1 NaCl下萌发率；B为黑色种子在0.59 mol·L-1 NaCl下萌发率；C为棕色种子在0.19 mol·L-1 NaCl下萌发率；D为棕色种子在0.59 mol·L-1 NaCl下萌发率。下同。图2 MgSO4和CaSO4对天津盐地碱蓬种子萌发的影响

2.3 温度和GA3对不同生境种子萌发的影响

多因素方差分析结果显示，赤霉素对不同生境种子萌发影响显著，并且其对种子萌发的影响与生境、温度、种子类型显著相关。同一赤霉素浓度处理下，天津和运城黑色、棕色种子萌发均随温度升高不明显，且黑色、棕色种子萌发差异不显著；同一温度条件下，赤霉素对种子萌发的促进作用在很大程度上取决于其生境和种子类型。如在低温(5 ℃/15 ℃)下，12.5～50 mg·L-1赤霉素对天津黑色种子萌发起促进作用(表4)。

2.4 不同盐溶液对两种生境盐地碱蓬二型性种子萌发胁迫缓解作用

2.4.1MgSO4和CaSO4处理

无论生境和种子类型，与对照相比，MgSO4和CaSO4溶液的加入，均在不同程度上缓解了盐分对种子萌发的抑制作用，并且随着NaCl浓度的升高，这种缓解作用变得更为明显(图2、图3)。在低盐(0.19 mol·L-1)条件下，两种生境下黑色和棕色种子萌发对不同浓度MgSO4和CaSO4溶液加入产生较为一致的响应(图2，A、C；图3，A、C)。在高盐(0.59 mol·L-1NaCl)下，30 mmol·L-1MgSO4对天津黑色种子前9 d萌发缓解作用最强(图2，B)，而10 mmol·L-1CaSO4则对运城黑色种子前9 d萌发缓解作用最强(图3，B)；10 mmol·L-1CaSO4似乎对两种生境棕色种子萌发缓解效果更好(图2，D；图3，D)。

图3 MgSO4和CaSO4对运城盐地碱蓬种子萌发的影响

2.4.2CaCl2和MgCl2处理

与对照相比，CaCl2和MgCl2溶液的加入，NaCl对天津黑色和棕色种子及运城棕色种子萌发的抑制作用均得到有效缓解(图4，图5，C、D)，并且在高盐(0.59 mol·L-1NaCl)下缓解作用更为明显(图4，B、D)。但对于运城黑色种子而言，在低盐(0.19 mol·L-1NaCl)下，10 mmol·L-1的MgCl2则明显降低了萌发，30 mmol·L-1的MgCl2和不同浓度的CaCl2均促进了种子萌发(图5，A)；在高盐条件下，不同浓度的CaCl2和MgCl2均有效缓解了NaCl对种子萌发的抑制作用(图5，B)，但10 mmol·L-1的MgCl2在缓解高盐对运城棕色种子抑制作用上效果明显弱于其他盐分浓度(图5，D)。

3 讨 论

生存严酷环境中的盐生植物为适应环境，提高生存率，会形成不同的适应对策[28-30]。其中，种子异型性就是盐生植物应对不利环境的一种策略[31]，即同一植株上产生两种或多种形态或行为的种子[32]。以往研究发现，异型性种子形成与基因控制、植株大小、光照周期等有关[33]。异型性种子可以通过调节种子的空间分布，萌发时间实现风险均摊[34-35]，从而提高盐生植物生存几率。目前大多数对于异型种子生态适应性的研究只关注单一生境，对种子异型性在同一物种适应不同生境中的意义还不清楚。本研究通过对比两种不同生境中盐地碱蓬异型种子在结实比例和萌发行为上的差异，证实了种子异型性可以通过在结实比例和萌发行为上的可塑性增强植物对不同生境的适应性，为种子异型性的生态适应策略提供了新的证据。

生境的差异可能会改变植株异型种子投资的比例。如营养越低，异子蓬植株产生黑色种子比例越高[12]，早萌发的角果碱蓬植株产生更多的黑色种子[13]。本研究发现，运城盐地碱蓬植株产生的黑色种子远远多于天津植株(图1)，说明盐地碱蓬因定居生境差异而改变繁殖能量分配。这种分配方式改变可能是植物对环境的一种适应，原因是：尽管两地降水量相近(表1)，但运城盐湖属于内陆湖，强烈的蒸发使土壤盐分含量变化更为剧烈，生境相对严酷。因而，运城植株产生的黑色种子更多。这是因为黑色种子更容易形成种子库，对不利环境下的种群维持更有利[36]。天津位于沿海地区，土壤盐分波动相对较小，生境相对优越，因而产生更多非休眠的棕色种子，黑色种子数量相对较少。因而盐地碱蓬对二型性种子分离比的选择可能是对局地环境的一种适应策略。

图4 MgCl2和CaCl2对天津盐地碱蓬种子萌发的影响

图5 MgCl2和CaCl2对运城盐地碱蓬种子萌发的影响

种子萌发时间决定植物能否成功建植及生长，直接影响未来种群更新与维持[37]。不同生境盐地碱蓬可能有不同的萌发温度要求，黄河三角洲濒海地区盐地碱蓬种子最适萌发温度为20～35 ℃[37]，山东潍坊棕色种子最适萌发温度为20～45 ℃[17]。我们的研究发现，天津黑色种子在高温下萌发高于运城，而棕色种子在低温下萌发则高于运城。这主要由于运城的年均温高于天津(表1)，运城土壤季节性干旱较天津表现的更为明显。所以在夏季高温天气来临之前，运城盐地碱蓬二型性种子均有萌发，尤以低温下黑色种子萌发为主，以便在干旱来临之前完成大量的幼苗补充。一旦条件不适宜，黑色种子萌发下降，有些种子将进入次生休眠[36]。天津盐地碱蓬二型种子萌发趋势则相反。在高温天气来临前主要以棕色种子来实现幼苗补充，从而保证度过不良季节。由此可见，两生境盐地碱蓬种子通过对萌发温度的要求来调节二型种子的萌发时间，提高局地种群的适合度。

两地盐地碱蓬种子不仅在萌发温度上存在差异，在耐盐性上也存在很大差异。研究结果显示，天津黑色种子萌发的耐盐性低于运城，而棕色种子耐盐性则高于运城。产生这种差异的原因是，天津土壤含盐量低于运城(表1)，但春季风大干旱[38]则造成土壤盐分升高，非休眠的棕色种子萌发更有利于种群补充，黑色种子可能仅在极端天气年份通过种子库发挥作用。对于土壤季节性盐分变化更大的运城盐湖，黑色种子通过形成土壤种子库来忍耐夏季的极端高盐[18]，其对种群维持更有意义。

一般认为，GA3可有效打破生理休眠[21]。有实验证实，GA3可有效打破运城盐地碱蓬黑色种子休眠，并认为其具有非深度生理性休眠，棕色种子无休眠[19]，而我们的研究结果显示为黑色种子非休眠，造成这种不一致的原因可能是我们用的是储存近6个月的种子[19]，可能其已经完成了后熟，休眠已经被打破。我们还发现，尽管两地的种子储存时间一样，但在低温(5 ℃/15 ℃)下，GA3对天津黑色种子萌发起促进作用，而对运城黑色种子萌发没有显著的促进作用，表明两地黑色种子的休眠状态有差异。

尽管有研究证实盐渍化土壤的主要成分为NaCl，并认为NaCl是影响种子萌发主要盐分[39]，但在自然生境中，盐土中的多种成分可能对种子萌发共同起作用[18]。有研究表明，Na2CO3的抑制作用大于NaCl[40]。本研究结果显示，Mg2+和Ca2+盐加入均在不同程度上缓解了高盐对盐地碱蓬种子萌发的抑制作用，该结果与Gao等[18]的研究结果一致。但Mg2+更好的缓冲了天津种子萌发的盐分抑制作用，Ca2+盐则对运城种子萌发缓冲效应明显。种子在萌发过程中会选择吸收Ca2+或Mg2+来缓冲高盐毒害[18]。运城盐湖位于太行山南端和秦岭北坡山脚下，长期的石灰岩风化和雨水冲刷导致大量的Ca2+随地表径流汇聚至盐湖，致使运城盐湖Ca2+含量较高，而天津大港区则位于海滨，海水中Mg2+含量较高，尽管两地土壤中Na+和K+含量相似(表1)，但在应对盐分毒害上，天津种子更多依赖Mg2+，而运城种子则更多依赖Ca2+，由此说明土壤中的盐分差异导致盐地碱蓬种子种群分化，并产生局地适应。这种效应不仅表现在阳离子上，在阴离子上同样存在。本研究证实，浓度相同的MgCl2在低盐下对运城黑色种子萌发的缓冲作用弱于MgSO4，甚至抑制萌发，该结果与Duan等[26]一致，说明低浓度时盐分通过离子效应影响萌发，并且Cl-对种子萌发的毒害作用较大[41]，而天津种子并不存在这种现象，主要是由于运城土壤中Cl-含量低于天津(表1)，造成后者种子萌发对Cl-有更强的耐性。

研究显示，生长于运城盐湖的盐地碱蓬较天津产生更多黑色种子，低温下黑色种子萌发较高，而高温下棕色种子萌发较低；在耐盐性方面，运城的黑色种子较天津的更耐盐，而棕色种子耐盐性则低于天津的；高盐下运城种子萌发更多为Ca2+缓冲，而天津种子萌发更多为Mg2+缓冲。由此可见，不同生境中的盐地碱蓬二型性种子在投资比例、萌发时间、休眠和对土壤中不同盐分的萌发响应表现出很强的可塑性。本研究强调了局地气候和土壤盐分驱动了盐地碱蓬种子种群发生分化，产生了局地适应。