试验所用种子购自北京南无科贸有限责任公司, 生产日期均为2013年10月。首先选取颗粒饱满的胡椒薄荷、柠檬薄荷、美国薄荷、猫薄荷的种子, 进行种子千粒重的测定。千粒重反映了种子内部营养物质的多少, 营养物质越多, 出苗率越高, 幼苗生长得越健壮^[11]。其中柠檬薄荷的千粒重为0.714 g, 胡椒薄荷的千粒重为0.119 g, 美国薄荷的千粒重为0.625 g, 猫薄荷的千粒重为0.651 g。

1.2.1 试验方法 本试验于2014年3月在山西农业大学林学院实验室进行, 采用PEG-6000模拟干旱, 分别设置0(CK)、10%、15%、30%共4个处理。根据山西省自然气候基本特征, 春季均温11.9 ℃, 夏季均温22.4 ℃, 秋季均温9.6 ℃^[8], 本试验设定3个温度处理, 分别为8~10 ℃、12~14 ℃和22~24 ℃共3个处理, 每个处理设3次重复。每个重复处理选取50粒饱满的薄荷种子, 均匀置于铺有用不同浓度的PEG-6000溶液浸泡过的滤纸(保持湿润即可)的培养皿(90 mm)中, 并置于不同温度的光照培养箱中。每天17:00用滴管向滤纸加PEG-6000溶液数滴, 以保证滤纸的湿润为宜, 每2 d更换一次滤纸, 以减少水势变动, 保证种子萌发环境的卫生。

从种子置床放入培养箱之日起观察, 以胚根长度≥ 种子直径的2倍作为发芽标准, 逐日记录发芽个数, 将3个重复中最早有1粒种子发芽之日作为该处理发芽的开始期, 以各个处理的种子发芽率没有明显变化之日作为发芽结束期, 试验共进行了22 d。

种子的发芽率=(发芽的种子数/种子总数)× 100%。

发芽指数=∑ G/t.

式中, G是种子每天的发芽率, t是总的发芽日期^[12]。

观察记录到种子发芽完成, 将培养皿中所有发芽后正常生长的幼苗进行生长指标的测量。用CAD软件的光栅图像参照功能和直尺分别测量幼苗的根长(mm)、茎长(mm)以及叶面积(mm²), 取平均值进行对比。

1.2.2 数据分析 对不同处理下发芽与生长指标及千粒重进行单因素方差分析(ANOVA)和多重比较(LSD), 显著水平为0.05, 同时以双因素方差分析分析两个因子(温度× 干旱)之间的交互效应(表1), 统计和分析制图采用Excel 2003 和SPSS 17. 0统计软件。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 双因子试验设计 Table 1 Test designed of two-factor 温度 Temperature PEG-6000 0(CK) 10% 15% 30% 8~10 ℃ T1 T4 T7 T10 12~14 ℃ T2 T5 T8 T11 22~24 ℃ T3 T6 T9 T12

表1 双因子试验设计 Table 1 Test designed of two-factor

对照组(即PEG-6000浓度为0)的发芽情况表现为柠檬薄荷发芽率100%, 而胡椒薄荷、美国薄荷、猫薄荷的发芽率分别为50.7%、46.7%和30.7%(表2)。随着PEG-6000浓度的上升, 4种薄荷种子的发芽率及发芽指数呈下降趋势, 当浓度达到30%的时候, 种子无法萌发。4种薄荷种子发芽率各处理组及对照组间差异均达到显著水平(P< 0.05)。整体表现为随着PEG-6000浓度的上升除猫薄荷外, 其他3种薄荷种子发芽率呈下降趋势, 在10%的低浓度胁迫时, 胡椒薄荷、美国薄荷、猫薄荷的发芽率分别为11.3%、40.7%、19.3%, 发芽指数分别为2.5、26.2、9.1, 其中, 柠檬薄荷发芽率和发芽指数分别为76.7%、44.3, 达到了对照组的76.7%、53.18%, 表现出较强的抗旱性。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 干旱胁迫对4种薄荷种子萌发及生长的影响(22~24 ℃) Table 2 Effects of drought stress on germination and seedling growth of four species of mint(22~24 ℃) 指标 Parameter 薄荷 Mentha haplocalyx PEG-6000 0(CK) 10% 15% 30% 发芽率 Germination percentage/% 柠檬薄荷Mentha citrata 100.0± 0.0aA 76.7± 1.2bA 72.0± 2.0cA 0d 胡椒薄荷Mentha piperita 50.7± 3.1aB 11.3± 3.1bD 8.7± 3.1bC 0c 美国薄荷Monarda didyma 46.6± 3.1aB 40.7± 1.2bB 10.0± 4.0cC 0d 猫薄荷Nepeta racemosa 30.7± 5.0aC 19.3± 4.2bC 28.0± 6.0aB 0c 发芽指数 Germination index 柠檬薄荷Mentha citrata 83.3± 0.3aA 44.3± 0.6bA 27.2± 0.4cA 0d 胡椒薄荷Mentha piperita 20.5± 0.2aC 2.5± 0.3cD 3.4± 0.3bD 0d 美国薄荷Monarda didyma 27.3± 0.3aB 26.2± 0.3bB 3.7± 0.4cC 0d 猫薄荷Nepeta racemosa 20.9± 0.1aC 9.1± 0.1cC 16.6± 0.5bB 0d 叶面积 Leaf area/mm2 柠檬薄荷Mentha citrata 7.9± 0.4aB 3.6± 0.6bC 3.6± 0.4bC 0c 胡椒薄荷Mentha piperita 1.2± 0.3aC 1.4± 0.3aD 0.3± 0.2bD 0c 美国薄荷Monarda didyma 8.6± 0.5aA 4.9± 0.5cB 7.8± 5.5bA 0d 猫薄荷Nepeta racemosa 8.8± 0.4aA 6.8± 0.2bA 4.8± 0.5cB 0d 胚芽长度 Stem length/mm 柠檬薄荷Mentha citrata 9.3± 0.2aA 4.8± 0.1bD 3.5± 0.1cC 0d 胡椒薄荷Mentha piperita 4.6± 0.2bB 8.2± 0.3aB 2.2± 0.2cD 0d 美国薄荷Monarda didyma 9.5± 0.3aB 6.2± 0.2bC 6.2± 0.2bB 0c 猫薄荷Nepeta racemosa 10.3± 0.2aA 8.6± 0.2bA 7.8± 0.2cA 0d 胚根长度 Root length/mm 柠檬薄荷Mentha citrata 5.0± 0.3aB 4.1± 0.3bC 3.9± 0.8cB 0d 胡椒薄荷Mentha piperita 4.7± 0.5aB 4.0± 0.2aC 2.5± 0.2bD 0c 美国薄荷Monarda didyma 4.8± 0.2aB 5.2± 0.3aB 3.3± 0.3aC 0b 猫薄荷Nepeta racemosa 6.7± 0.3bA 8.4± 5.7aA 4.3± 0.7cA 0d Note: Different lower case letters within the same row for the parameter indicate significant difference among different treatments at 0.05 level. Different capital letters in the same column within the same parameter and treatment indecate significant difference among different species at 0.05 level. The same below. 注:同行不同小写字母表示相同指标不同处理间差异显著(P< 0.05), 同列不同大写字母表示同指标相同处理不同种间差异显著(P< 0.05)。下同。

表2 干旱胁迫对4种薄荷种子萌发及生长的影响(22~24 ℃) Table 2 Effects of drought stress on germination and seedling growth of four species of mint(22~24 ℃)

植物幼苗期是对外界环境胁迫的敏感期, 叶面积、胚芽及胚根的生长情况则是反映胁迫对幼苗生长影响的指标。随着PEG-6000浓度的上升4种薄荷的叶面积、胚芽及胚根的生长情况总体上呈下降趋势, 且大部分不同处理间及组内差异均达到显著水平(P< 0.05)(表2)。

随着温度的变化, 4种薄荷种子的发芽率及生长情况也呈不同的反应(表3、图1)。供试的4种薄荷在各个温度处理下的发芽率均表现为22~24 ℃> 12~14 ℃> 8~10 ℃(表3)。4种薄荷种子的发芽指数与发芽率有相同的变化规律, 在22~24 ℃明显优于其他温度处理。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 低温对4种薄荷种子萌发与幼苗生长情况的影响 Table 3 Effects of low temperature on germination and seedling growth of four species of mint 指标 Parameter 薄荷 Mentha haplocalyx 温度Temperature 8~10 ℃ 12~14 ℃ 22~24 ℃ 发芽率 Germination percentage/% 柠檬薄荷Mentha citrata 0b 76.0± 2.1aA 76.7± 1.2aA 胡椒薄荷Mentha piperita 0c 17.3± 3.1bC 53.3± 3.1aB 美国薄荷Monarda didyma 0c 40.7± 1.2bB 54.7± 1.6aB 猫薄荷Nepeta racemosa 0c 12.0± 2.0bC 19.3± 4.2aC 发芽指数 Germination index 柠檬薄荷Mentha citrata 0c 44.3± 0.6bA 49.5± 0.3aA 胡椒薄荷Mentha piperita 0c 2.5± 0.3bD 25.6± 0.3aC 美国薄荷Monarda didyma 0c 26.2± 0.3bB 36.4± 0.3aB 猫薄荷Nepeta racemosa 0c 5.7± 0.4bC 9.1± 1.2aD 叶面积 Leaf area/mm2 柠檬薄荷Mentha citrata 0c 5.5± 0.4aA 3.6± 0.6bC 胡椒薄荷Mentha piperita 0b 0.9± 0.4aC 1.4± 0.3aD 美国薄荷Monarda didyma 0c 3.9± 0.1aB 4.9± 0.5bB 猫薄荷Nepeta racemosa 0c 5.8± 0.4bA 6.8± 0.2aA 胚芽长度 Stem length/mm 柠檬薄荷Mentha citrata 0b 3.7± 0.2aB 3.8± 0.1aD 胡椒薄荷Mentha piperita 0c 3.5± 0.2bB 8.2± 0.3aB 美国薄荷Monarda didyma 0c 7.4± 0.3aB 6.8± 0.2bC 猫薄荷Nepeta racemosa 0c 10.5± 0.3bA 14.6± 0.2aA 胚根长度 Root length/mm 柠檬薄荷Mentha citrata 0c 8.5± 0.2aB 8.1± 0.3bB 胡椒薄荷Mentha piperita 0c 4.1± 0.2bD 4.5± 0.2aC 美国薄荷Monarda didyma 0c 6.7± 0.7bC 9.2± 0.3aB 猫薄荷Nepeta racemosa 0c 10.4± 0.5bA 13.4± 5.7aA

表3 低温对4种薄荷种子萌发与幼苗生长情况的影响 Table 3 Effects of low temperature on germination and seedling growth of four species of mint

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 干旱与低温的交互作用对4种薄荷种子萌发与幼苗生长的影响 注:不同小写字母表示同种不同处理间差异显著(P< 0.05)。Fig.1 Interaction effects of drought and low temperature on germination and seedling growth of four species of mint Note: Different lower case letters for the same species indicate significant difference among different treatments at 0.05 level.

4种薄荷种子萌发后胚芽、胚根和叶面积的生长表现为对温度的不同响应(表3)。柠檬薄荷的叶面积和胚根在12~14 ℃下的生长情况优于其他温度处理, 但胚芽的生长在22~24 ℃情况下突显其优势; 美国薄荷的叶面积和胚根的生长在22~24 ℃下比其他温度处理下的好, 但其胚芽在12~14 ℃下的生长情况则比22~24℃处理下的好; 猫薄荷的各项指标均在22~24 ℃处理下的生长情况均优于其他温度处理。

干旱与低温共存时, 对这4种薄荷种子的萌发与生长均表现出显著的交互作用(P< 0.001)(表4)。随着PEG-6000浓度逐渐增加, 4种薄荷种子的发芽率逐渐降低, 甚至比温度单独处理时的发芽率还要低。在12~14 ℃单独对4种薄荷种子进行处理时, 柠檬薄荷、胡椒薄荷、美国薄荷、猫薄荷的发芽率分别为76.0%、17.3%、40.7%和12.0%(表3), 当加入15%的PEG-6000(T₈)对4种薄荷进行交互处理的时候, 柠檬薄荷、胡椒薄荷、美国薄荷和猫薄荷的发芽率分别为53.3%、53.3%、30.7%和10.6%(图1), 说明干旱加速了低温对种子萌发的胁迫。在15%的PEG-6000单独处理下的柠檬薄荷、胡椒薄荷、美国薄荷和猫薄荷的发芽率分别为72.0%、8.7%、10%和28.0%(表2), 当与22~24 ℃交互处理(T₉)的时候, 柠檬薄荷、胡椒薄荷、美国薄荷和猫薄荷的发芽率分别为74.0%、12.0%、10.0%和28.0%, 说明适宜的温度会缓解干旱对种子萌发的胁迫。进一步说明干旱与低温的交互作用显著影响了这4种薄荷种子的萌发与生长。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 干旱与低温的交互作用对4种薄荷种子萌发与幼苗生长的影响(10% PEG-6000) Table 4 Interaction effects of drought and low temperature on germination and seedling growth of four species of mint by two-way ANOVA(10% PEG-6000) 指标 Parameter 薄荷 Mint 温度Temperature× 干旱Drought SS df MS F 发芽率 Germination percentage/% 柠檬薄荷Mentha citrata 7 060.444 6 1176.741 311.49* * * 胡椒薄荷Mentha piperita 5 078.444 6 846.407 129.11* * * 美国薄荷Monarda didyma 3 145.778 6 524.296 50.74* * * 猫薄荷Nepeta racemosa 652.444 6 108.741 11.12* * * 发芽指数 Germination index 柠檬薄荷Mentha citrata 4 865.510 6 810.927 8070.48* * * 胡椒薄荷Mentha piperita 1 385.579 6 230.930 5687.15* * * 美国薄荷Monarda didyma 1 711.876 6 285.313 6202.45* * * 猫薄荷Nepeta racemosa 325.809 6 54.302 958.40* * * 叶面积 Leaf area 柠檬薄荷Mentha citrata 40.919 6 6.820 75.79* * * 胡椒薄荷Mentha piperita 2.407 6 0.401 9.25* * * 美国薄荷Monarda didyma 822.597 6 137.100 53.11* * * 猫薄荷Nepeta racemosa 71.480 6 11.913 162.84* * * 胚芽长 Stem length 柠檬薄荷Mentha citrata 38.891 6 6.482 416.01* * * 胡椒薄荷Mentha piperita 58.118 6 9.686 1041.97* * * 美国薄荷Monarda didyma 194.589 6 32.431 478.66* * * 猫薄荷Nepeta racemosa 374.656 6 62.443 2166.68* * * 胚根长 Root length 柠檬薄荷Mentha citrata 230.249 6 38.375 430.06* * * 胡椒薄荷Mentha piperita 31.187 6 5.198 707.51* * * 美国薄荷Monarda didyma 319.066 6 53.178 138.72* * * 猫薄荷Nepeta racemosa 914.865 6 152.477 54.28* * * Note: * * * means P< 0.001. 注:* * * 代表P< 0.001。

表4 干旱与低温的交互作用对4种薄荷种子萌发与幼苗生长的影响(10% PEG-6000) Table 4 Interaction effects of drought and low temperature on germination and seedling growth of four species of mint by two-way ANOVA(10% PEG-6000)

干旱是影响植物生长和发育的主要环境因子之一^[13]。PEG-6000作为一种高分子渗透剂, 其最大的特点就是本身不能穿越细胞壁进入细胞质, 因而不会引起质壁分离, 使植物组织和细胞处于类似干旱的状态^[14]。近年来, 通过PEG-6000模拟干旱胁迫来进行植物抗旱机制的研究有很多, 已经成为种子萌发期抗旱性研究的一种重要手段^[15]。

发芽率和生长情况直接反映植物种子萌发的速度和幼苗生长的整齐程度, 常作为评价种子萌发期的主要指标^[16]。随着PEG-6000浓度的升高, 多年生黑麦草(Lolium perenne)、高羊茅(Festuca arundinacea)和匍匐剪股颖(Agrostis stolonifera)3种冷季型草坪种子的萌发受抑制的程度也更明显^[17]。于鲁宁等^[18]研究发现, 低浓度的PEG-6000对3种针茅属(Stipa)植物种子的萌发和幼苗的生长具有促进作用, 高浓度的PEG-6000处理严重抑制了种子的萌发和生长。本研究表明, 相较于其他浓度处理, 低浓度的PEG-6000可以促进4种薄荷种子萌发和幼苗的生长, 但是随着PEG-6000浓度的上升, 对种子的萌发及幼苗生长的抑制作用也越发的明显。

由于这4种薄荷种子都比较细小, 在自然种植状况下通常分布在土壤表层的2 cm左右, 山西省春秋季节多风少雨, 夏季高温降水少, 很容易导致表层土壤中的种子处于水分匮乏的环境之中, 使种子萌发阶段期极易遭受干旱胁迫, 从而降低了这4种薄荷种子的发芽率, 叶面积变小, 胚芽、胚根的生长显著被抑制, 由于幼根不能深入土壤吸收水分, 更加重了干旱对种子萌发及幼苗生长的胁迫, 这样就会造成种子萌发期如遇干旱胁迫这4种薄荷的种植成活率低现象。其中, 4种薄荷种子在干旱的胁迫下均呈现出这一变化趋势, 但是柠檬薄荷的变化趋势缓于其他3种薄荷, 当PEG-6000浓度为10%时柠檬薄荷的萌发与生长均为对照的45%以上, 说明柠檬薄荷对干旱的抗性优于其他3种薄荷。

温度是影响植物种子萌发的重要生态因子^[19]。在一定的温度范围内, 温度升高对种子萌发有促进作用, 这是因为在酶活性温度范围内, 温度越高酶的活性越强, 促进了营养物质的转化和利用, 从而有利于种子的萌发与生长^[20]。由于种子都非常的细小, 能够供给种子萌发和幼苗生长的贮藏物质十分有限, 在种子萌发期如遇低温侵袭将致使种子出苗时间延长, 由于基础生命代谢消耗可能造成贮藏物在幼苗出土前提早枯竭^[21]。在种子萌发阶段低温侵袭将致使种子发芽率降低, 出苗时间延长^[21]。谢顺赞等^[22]和张鹤山等^[23]分别对茄(Solanum melongena)种子和黑麦(Secale cereale)种子的研究表明, 低温明显抑制了种子的萌发幼苗生长。本研究所采用的4种薄荷种子在8~10 ℃的情况下基本无法萌发; 在12~14 ℃的情况下薄荷种子可以萌发, 但是幼苗生长不整齐, 萌发期延长; 在22~24 ℃的情况下, 种子可以正常萌发及生长, 而且可以迅速进入萌发状态, 与上述研究结果相一致。不同的植物由于其生存环境和遗传特性的不同, 因此, 种子萌发对温度的需求及响应也不同^[19]。柠檬薄荷在12~14 ℃处理时的萌发与生长状况与22~24 ℃处理时的差异较小, 而其他3种薄荷的差异十分明显, 因此, 柠檬薄荷对低温的适应性优于其他3种薄荷。

自然条件下生长的植物, 在不同的时间和空间上往往会受到几种逆境的综合影响, 尤其是种子萌发期这一关键阶段, 但有时一种适度的胁迫却有助于植物更好地忍受另一种胁迫^[24], 干旱与低温作为最常见的两种胁迫因子, 其交互作用显著影响了这4种薄荷种子的萌发及生长。15%的PEG-6000与22~24 ℃交互处理(T₉)优于15%的PEG-6000单独处理下4种薄荷种子的萌发及生长, 说明适宜的温度会缓减干旱对种子萌发的胁迫。在12~14 ℃单独处理下4种薄荷种子的萌发及生长情况较12~14 ℃与15%的PEG-6000(T₈)交互处理的下好, 说明不适宜的胁迫会加速另一种胁迫对种子萌发的抑制。

在不适宜的温度与干旱胁迫的交互作用下会使种子发生生理失衡, 进而降低其发芽率、延迟发芽时间, 甚至使种子完全丧失活力^[25]。在30%的PEG-6000和8~10 ℃的各种交互处理下(T₄、T₇、T₁₀、T₁₁、T₁₂)这4种薄荷种子都无法萌发。说明, 低温不仅在一定程度上会引起种子的休眠, 而且, 随着温度下降使种子的抗旱性也逐渐降低。王海宁等^[26]对扭黄茅(Heteropogon contortus)、鸭茅(Dactylis glomerata)、高羊茅的研究及刘自刚等^[21]对桔梗(Platycodon grandiflorum)的研究也发现, 干旱与低温的交互作用严重抑制种子的萌发及生长。