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萌发前高温处理对坡柳种子萌发率的影响



全 文 :收稿日期:2016-05-10
基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项,“五采区”及其废弃地
生态防护技术与工程示范(编号:2012ZX 07101-003-04-04)。
作者简介:霍冬芳(1991—),女,硕士研究生,主要从事生理生态与生态
工程方面的研究;E-mail:121034045@qq.com。
通讯作者:张光飞(1966—),男,副教授,主要从事生理生态及蕨类植物
研究;E-mail:gfzhang@ynu.edu.cn。
萌发前高温处理对坡柳种子萌发率的影响
霍冬芳, 黄博强, 苏文华, 张光飞
(云南大学生态学与地植物学研究所, 昆明650091)
摘 要:以中国西南干热河谷的代表物种坡柳(Dodonaea viscosa L.Jacq)种子为实验材料,萌发前以40,60,80,100℃4
个高温处理,探讨萌发前高温处理对坡柳种子萌发率的影响,讨论火在干热河谷植被形成中的作用。结果表明,当处理
温度高于40℃时,坡柳种子萌发率显著高于常温对照,具有明显的热冲击效应,80℃处理10min时萌发率最高,达
(63.00±2.55)%;储存1年后的坡柳种子仍具有明显的热冲击效应;与传统的热水浸种相比,萌发前干燥高温处理过的
坡柳种子,其萌发率显著提高。
关键词: 高温处理;坡柳;萌发率;热冲击效应;植被恢复
DOI编码: 10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.10.010
中图分类号: S 792.12   文献标志码: A   文章编号: 1001-4705(2016)10-0010-05
Effects of High Temperature Treatment on Seed Germination of
Semi-Savanna Species:Dodonaea viscosa(L.)Jacq
HUO Dongfang,HUANG Boqiang,SU Wenhua,ZHANG Guangfei
(Institute of Ecology and Geobotany,Yunan University,Kunming 650091,China)
Abstract:The experiment chose Dodonaea viscosa(L.)Jacq seeds,a representative species of the dry-
hot valeys in southwest China,as the test materials.In this experiment,the D.viscosaseeds were heat
treated at the temperature of 40,60,80and 100℃before germination in order to explore the impact of
high temperature treatment on D.viscosa seed germination rate and to further discuss the influence of
fire on the vegetation forming process in China’s dry-hot valey areas.The results show that when the
temperature is higher than 40℃,the D.viscosa seed 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 10minutes,which can be(63.00±2.55)%.There is
stil a significant heat shock effect on D.viscosa seeds which have been stored for one year.In
comparison with the conventional method of soaking seeds in hot water,the seed germination rate of
D.viscose seeds which have been heat treated before germinating increases heavily.The results of this
experiment can provide theoretical guidance to the introduction of D.viscosa for the vegetation
restoration project.
Key words: high temperature treatment;Dodonaea viscose;germination rate;heat shock effect;
vegetation restoration
  野火是一种世界广泛存在的现象,且地球上野火
几乎与陆生植物同时出现,火在植物进化中扮演重要
的角色[1],帮助维持陆生植物群落的组成及其多样
性[2-3]。在长期与火抗争过程中,许多植物选择形成了
一些适应性状,提高在周期性发生火的环境中的适合
度,目前已发现植物对火的适应性状主要有萌生、厚树
皮、果实延迟开放,高温或烟诱导种子萌发[4-7]。高温
诱导种子萌发是指种子萌发前经高于40℃温度处理,
可以显著提高其萌发率或萌发速率,这一现象又被称
为热冲击效应[5,8]。目前对种子热冲击的研究主要集
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中于处理温度与时间的效应关系[8]及种子热冲击与烟
诱导间的相互关系[9],有关种子热冲击效应与储存时
间的关系及高温处理后热冲击效应能够持续的时间,
还缺乏基本的了解。在自然条件下,森林和灌丛经常
遭受火灾的影响,研究高温处理对种子萌发的影响,对
于研究火烧后植被恢复及物种更新具有重要的
意义[3]。
中国干热河谷地区气候炎热干燥,年平均气温>
20.0℃,≥10℃的年平均积温大于7 500℃,全年的
蒸发量远远高于年降水量,有些干旱地区的全年蒸发
量大于降水量的3~6倍[10-11],极易遭受到火灾,火对
该地植物影响巨大。中国的干热河谷有着与非洲萨瓦
纳地区相似的气候、群落特征,因此又被称为半萨瓦纳
植被(Semi-Savanna)[10]。萨瓦纳地区常有火烧现象,
火的干扰尤为严重[12]。在非洲和巴西萨瓦纳地区的
Anadenanthera macrocarpa (Benth.)Brenan、Acacia
Senegal(Linn.)Wild等物种都发现了种子热冲击效
应[5,8]。因此,我们猜测中国干热河谷地区中的某些
植物可能也具有此特性。
  坡柳(Dodonaea viscosa L.Jacq)又名车桑子、明
油子,属无患子科(Sapindaceae)车桑子(Dodonaea),
多年生常绿灌木或小乔木[13],是中国西南干热河谷的
典型代表物种[10]。其根系非常发达,具有较强的耐干
旱,耐贫瘠能力,是干旱贫瘠裸地和矿山植被恢复的先
锋物种[14-15]。然而我们发现,成熟后坡柳种子以及常
温储存1年后的种子的萌发率非常低,在植被恢复工
程中种子用量非常大。本研究在萌发前用不同时间和
温度的热处理坡柳种子,探索萌发前高温处理对坡柳
种子萌发率的影响,讨论火在干热河谷植被形成中扮
演的作用。旨在为植被恢复工程中坡柳的引种提供理
论指导。
1 材料与方法
1.1 材料选取
试材主要于 3 月份采自云南元谋干热河谷
(25°40′N,101°55′E),对比实验选用的种子同时期采
于昆明官渡区和大理永平。选取颗粒饱满、色泽一致、
大小均匀的种子进行试验。
元谋县位于云南省中北部,楚雄彝族自治州北部。
年均气温22.9℃,年降雨量458.7mm,年均气温20.8
℃,年日照2 721.9h;永平县位于云南省大理州西部,
年均气温16.2℃,年降雨量799.8mm,平均日照时数
2 045.5h;昆明官渡区,年平均气温14.67℃,平均降雨
量800~1 000mm,平均全年日照2 040.42h[16]。
1.2 试验方法
1.2.1 材料处理及实验设计
本试验萌发前的热处理主要参照Ribeiro等[8]的
实验进行设计。
采于元谋的坡柳种子,选用40℃(处理10,20
min)、60℃(处理10,20,40min)、80℃(处理5,10,20
min)和100℃(处理2.5,5,10min)4个温度梯度处
理。每个处理5个重复,每个重复20粒种子,进行萌
发实验(下同)。在烘箱中放入平面玻璃皿3个,设定
好温度,待烘箱温度达到设定的温度后,迅速将坡柳种
子置于平面玻璃皿中进行高温处理,每个玻璃皿中放
置100粒种子,避免种子叠放;达到处理时间后迅速取
出,转入备好的常温玻璃皿中;待种子自然冷却至室温
后进行萌发实验。
  不同地点比较:元谋、大理、昆明三地的坡柳种子,
选用60,80,100℃(方法同上)进行热处理,再进行萌
发实验。
不同储存时间:成熟后的坡柳种子储存3个月、
6个月、9个月、12个月时,选用40,60,80,100℃热处
理10min后,再做萌发实验,方法同上。
热冲击处理后的时间效应:元谋采集的坡柳种子
萌发前进行80℃热处理10min,放置1,2,4,8,12,
15,20,25,30d后再进行萌发实验。
不同热处理方式:设置60,80,100℃3个温度梯
度,采用恒温水浴锅进行热水浸种和烘箱干燥热处理
2种方式,每个温度下分别处理10min和20min,自
然冷却至室温再进行萌发实验。
1.2.2 萌发实验
不同温度和时间的处理,以及常温对照组,共计
11个处理,每个处理5个重复,每个重复20粒种子,
将种子置于直径为(10±1)cm的铺有湿润滤纸的培养
瓶中进行种子萌发实验。
培养箱设置:德国产Binder人工气候培养箱,温
度为25℃,光照强度为1 250lx左右,光照时间
14h/d,适时补充水分,保持培养瓶底部湿润且种子周
围不出现水膜。每天记录种子的萌发数量(种子萌发
以胚根突破种皮2mm为标准),记录至连续5d无种
子萌发为止。
  发芽率(%)=n/N×100%;
式中:n为正常发芽数量,N 为供试种子数量。
1.3 数据处理
利用Excel 2003软件对数据进行统计分析,利用
SPSS 22.0软件通过95%水平上进行单因素方差
(ANOVA)分析,采用Duncan检验法进行多重比较及
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研究报告  霍冬芳 等:萌发前高温处理对坡柳种子萌发率的影响
差异显著性检验(α=0.05),图表数据为平均值±标
准误。
2 结果与分析
2.1 萌发前高温处理对坡柳种子萌发率的影响
萌发前高温处理可显著提高坡柳种子萌发率,萌
发率受处理时间和温度的影响(图1)。当处理温度>
40℃时,坡柳种子萌发率均显著高于常温对照组,经
高温处理后其萌发率最高达(63.00±2.55)%。整体
比较,经过不同温度处理10min后的坡柳种子萌发率
随着温度的升高,呈现先增加后降低的趋势,80℃处
理时达最大值。
图1 萌发前高温处理对坡柳种子萌发率的影响(n=100)
2.2 萌发前高温处理对不同地点的坡柳种子萌发率
的影响
  常温条件下,3个地点的坡柳种子萌发率都不高,
均低于10%。萌发前经60,80,100℃高温处理10
min,其萌发率均显著高于常温对照组(图2),都有明
显的热冲击效应。经过80℃处理后,3个地点的坡柳
种子萌发率均达最高。采于元谋、大理两地的坡柳种
子,在相同处理下其萌发率均略高于采自昆明的种子。
萌发前经60,80,100℃高温处理10min后,元谋、大
理两地的坡柳种子的萌发率最高,分别为(63.00±
2.55)%和(53.00±4.64)%,而昆明的种子萌发率最高
为(36.00±4.85)%。
图2 萌发前高温处理对不同地点坡柳种子萌发率的影响
2.3 储存时间对坡柳种子萌发率的影响
从图3可以看出,坡柳种子成熟后储存1年依然
可萌发,且仍具有明显的热冲击效应。同一个处理温
度下,随着储存时间的变化,坡柳种子萌发率之间差异
不显著(p>0.05)。当储存时间相同,处理温度不同
时,除40℃处理外,其它温度上处理过的坡柳种子萌
发率均显著高于常温对照组(p<0.05),且都是80℃
处理后萌发率最高。
图3 储存时间对坡柳种子萌发率的影响
2.4 热冲击处理后的时间效应
  元谋采集的坡柳种子进行80℃10min的干燥热
处理,放置1,2,4,8,12,15,20,25,30d后再进行萌
发。结果表明,热处理后30d内坡柳种子萌发率在
(48.33±4.41)% ~(61.67±3.33)%之间,显著高于
常温下萌发率(7.00±1.22)%(图4)。
图4 坡柳种子萌发率随热冲击时间效应的变化
2.5 不同热处理方式对坡柳种子萌发率的影响比较
常温条件下坡柳种子萌发率为(7±1.22)%,萌发
前经60,80,100℃干燥高温处理后坡柳种子除100℃
20min处理外,其它所有处理的种子萌发率均显著高
于热水浸种(表1)。而萌发前经过相同温度、时间、热
水浸种后的坡柳种子,60℃和80℃处理下的种子萌
发率显著高于常温对照组(p<0.05),100℃处理下与
常温对照组间均无显著差异。萌发前采用干燥高温处
理更有助于提高坡柳种子的萌发率。
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表1 萌发前热水浸种和高温处理对种子萌发的影响
热处理方式
时间
(min)
萌发率(%)
常温 60℃ 80℃ 100℃
干燥热处理
10
20
热水浸种
10
20
7±1.22f
30±2.74c63±2.55a23±2.55d
41±2.92c50±3.54b 4±1.00f
16±1.8de 20±2.74d10±2.36f
18±2.54d19±1.40d 5±1.58f
3 讨 论
Gashaw & Michelsen和 Ribeiro等[5,8]研究发
现,在巴西和非洲萨瓦纳的常见物种Anadenanthera
macrocarpa (Benth.)Brenan、Aristolochia galeata
Mart.&Zucc、Kielmeyera coriacea (Spreng.)Mart
和Acacia senegal(Linn.)Wild等植物的种子中存在
热冲击效应。已有研究发现,在一些易火生态系统中,
某些植物种子经40℃高温处理后可提高种子的萌发
率,火对种子萌发具有明显诱导作用[2,4]。实验结果
表明,坡柳种子也具有热冲击效应现象,除40℃处理
后坡柳种子的萌发率与对照组之间不存在显著差异
外,其他温度处理过的坡柳种子,其萌发率均显著高于
常温对照组,与前人研究结果一致。研究发现,在80
℃处理下的坡柳种子,其萌发率显著高于其它温度处
理,且80℃处理10min时萌发率达最高[(63.00±
2.55)%]。
元谋、大理、昆明3个地点的坡柳种子萌发前经
10min不同温度高温处理后,其萌发率均显著高于常
温对照组(图2),都存在热冲击效应,且80℃均为最
适处理温度。元谋、大理永平都属于干热河谷地区,气
候炎热干燥,是坡柳的自然分布区,而昆明不是坡柳的
自然分布地,其萌发率虽均略低于其它两地,但也存在
明显热冲击效应,说明热冲击效应与气孔、休眠芽、植
冠种子库等其他植物进化过程中对环境的适应性状一
样是可遗传的[8,17-18]。
坡柳种子成熟后储存1年仍具有热冲击效应,且
80℃处理后萌发率达最大值。这说明只要坡柳种子
成熟后能够完整保存下来,不被动物蚕食、不腐烂变
质,在其成熟后的1年内,经历火刺激,只要条件适宜,
仍可大量萌发。实验结果也表明,坡柳种子热处理后
30d内的萌发率都显著高于常温对照组,且种子萌发
率间差异不显著(p=0.412>0.05)。说明经历一次热
刺激后的一段时间内,坡柳种子的萌发率都较高,这可
能是坡柳为什么能在干热河谷地区大量繁殖,形成多
种典型群丛景观[9]的原因之一。相较于传统的热水浸
种,干燥高温处理萌发前的坡柳种子,可以显著提高其
萌发率。
短时间高温处理可以促进蛋白质合成,激活种子
内部酶系统,使种子内部生理生化反应活跃起来[18],
所以种子热冲击可能是高温处理产生了热激蛋白,或
者是激活了处于休眠状态的酶蛋白,引发一系列生理
生化反应,促进了种子萌发[19-20]。一般情况下,随温度
不断升高酶的活性总是先上升再下降,呈现出单峰曲
线的趋势。本次实验中,对坡柳种子进行10min热冲
击时,其萌发率出现了类似的单峰曲线。种子萌发的
种皮障碍,也是影响种子萌发的重要因素[21],其热冲
击效应也可能是因为高温处理破坏了种皮生理结构,
提高种皮透性,促进了气体交换和水分吸收,降低了萌
发阻力[22]。研究还发现,坡柳种子热处理后30d内均
具有较高萌发率,且差异不显著(p=0.412>0.05),所
以高温处理坡柳种子,其种皮结构与内部酶系统可能
都发生了一定改变,具体机理有待进一步研究。
坡柳种子经高温刺激后可显著提高萌发率,具有
明显的热冲击效应。Gonzalez等[6]的研究发现,种子
的热冲击效应的起因不一定与火有关,但在易发生火
的生境中肯定是对火的适应性状。所以,坡柳种子的
热冲击效应,可能是在与火长期的抗争过程中,坡柳进
化产生的对火生境的一种积极适应,火对中国干热河
谷地区植被的形成及其多样性有重要影响。在植被恢
复工程中,坡柳种子可采用萌发前高温处理(80℃10
min)来提高萌发率,提高工程效率。
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