王 亞，劉 延，范志偉，黃喬喬

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所, 海南 ?？?571101）

石茅(Sorghum halepense)原產(chǎn)于地中海地區(qū)，是一種適應(yīng)性強(qiáng)、競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)、繁殖快、危害大、難以防除的禾本科高粱屬多年生雜草[1]，是農(nóng)業(yè)上最危險(xiǎn)的十大惡性雜草之一[2]，也是我國(guó)禁止輸入的有害生物[3]。目前在我國(guó)的海南、廣東、香港、臺(tái)灣、江蘇、吉林等地均有分布。

外來(lái)植物入侵往往對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)、生物多樣性、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境造成巨大的負(fù)面影響[4]。在入侵過(guò)程中，入侵植物常會(huì)遭遇生物和非生物脅迫。干旱是入侵植物經(jīng)常會(huì)遭遇的脅迫環(huán)境之一[5]。隨著全球氣溫升高，降水格局發(fā)生變化，干旱等極端氣候事件頻繁發(fā)生[6-7]，水分變化對(duì)植物的生長(zhǎng)及分布影響愈發(fā)突出。入侵植物對(duì)環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可通過(guò)形態(tài)特征及生理適應(yīng)性等的變化來(lái)適應(yīng)不同的生境條件[8]。已有研究表明，外來(lái)植物種子的生長(zhǎng)和萌發(fā)及其幼苗的形態(tài)特征及生理變化過(guò)程會(huì)受到干旱脅迫的影響[9-10]。如PEG 溶液滲透勢(shì)小于-0.5 MPa 時(shí)，入侵雜草Caucalis platycarpos發(fā)芽率嚴(yán)重減少[9]；入侵植物節(jié)節(jié)麥(Aegilops tauschi)幼苗在干旱脅迫后，其葉生物量比、比葉面積均下降，根生物量比及根冠比增加[11]；三裂葉蟛蜞菊(Wedelia trilobata)的光合作用對(duì)干旱脅迫較敏感[12]。

石茅對(duì)不同生境具有很強(qiáng)適應(yīng)性，不僅能在農(nóng)田、耕地、荒地、公路邊生長(zhǎng)，在旱地、水田也能正常生長(zhǎng)、抽穗、成熟。海南夏季高溫及干濕季交替(5 月－10 月為雨季，降水量占全年的70%～90%)可使土壤表層時(shí)常處于比較干旱的狀態(tài)，干旱在一年內(nèi)常有發(fā)生[13]。以往針對(duì)石茅的研究主要集中于對(duì)其形態(tài)學(xué)特征、生物學(xué)特性[14]、化感作用[15]及細(xì)胞學(xué)指標(biāo)[16]等方面。雖然對(duì)石茅種子萌發(fā)特征的影響已經(jīng)有研究報(bào)道[17]，但其種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)對(duì)水分條件的生態(tài)適應(yīng)性尚未涉及。因此，本研究以海南省惡性入侵雜草石茅為研究對(duì)象，采用培養(yǎng)皿濾紙法和盆栽控水法分別模擬不同程度的土壤干旱情況，以期觀察和評(píng)價(jià)不同PEG-6000 質(zhì)量濃度下石茅種子的萌發(fā)能力及出苗情況；研究不同土壤水分條件下其幼苗生長(zhǎng)、生物量分配及生理指標(biāo)變化特征。這有助于明確石茅對(duì)干旱的適應(yīng)性及其相關(guān)機(jī)制，對(duì)預(yù)測(cè)其野外分布范圍及擴(kuò)散能力具有重要意義，也為采取有效防治措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用石茅種子于2021 年7 月在海南省儋州市寶島新村(19°30′22.7″ N，109°23′23.0″ E)采集，分別從50 株石茅植株上采集種子，并將所有的種子混合，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后保存于4 ℃種子低溫低濕儲(chǔ)藏柜中備用。用萬(wàn)分之一天平測(cè)得其千粒重為2.890 g。試驗(yàn)在中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院儋州院區(qū)的實(shí)驗(yàn)室及溫室內(nèi)進(jìn)行。

1.2 方法

萌發(fā)試驗(yàn)：采用培養(yǎng)皿濾紙法，于2021 年8 月20 日開(kāi)始。首先用研磨法去除石茅種子的穎片，然后挑選出種皮完整、大小均一的穎果，并將所有的穎果用2%次氯酸鈉消毒10 min 后用去離子水反復(fù)清洗干凈備用。用聚乙二醇(PEG-6000)溶液模擬干旱脅迫，設(shè)7 個(gè)不同濃度：0 (去離子水)、2.5%、5.0%、7.5%、10%、12.5%、15%，并根據(jù)王慧慧等[18]將2.5%～5.0%作為輕度干旱處理，7.5%～10%作為中度干旱處理，12.5%～15%作為重度干旱處理。將消毒后的種子分別播種于放有雙層濾紙、直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中。每個(gè)處理5 個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)20 粒種子。萌發(fā)試驗(yàn)在溫度為25 ℃、光照強(qiáng)度為12 000 lx的人工氣候培養(yǎng)箱中進(jìn)行，周期為光照和黑暗培養(yǎng)各12 h。試驗(yàn)開(kāi)始后，每天觀察并記錄種子萌發(fā)情況，以胚根長(zhǎng)度達(dá)到種子長(zhǎng)度的1/2 作為種子萌發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，連續(xù)5 d 沒(méi)有種子萌發(fā)視為萌發(fā)結(jié)束。采用質(zhì)量平衡法[19]，向培養(yǎng)皿中添加PEG-6000 溶液和去離子水，每2 d 換一次濾紙以減少水勢(shì)變動(dòng)。萌發(fā)試驗(yàn)持續(xù)20 d。萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后從各重復(fù)中隨機(jī)挑選5 粒正常發(fā)芽的種子，用游標(biāo)卡尺(精度為0.02 mm)測(cè)量其胚芽和胚根的長(zhǎng)度，并計(jì)算種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及胚根/胚芽。

式中：Gt為t日發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的天數(shù)，S為平均初生胚根長(zhǎng)[20]。

盆栽試驗(yàn)：試驗(yàn)開(kāi)始于2021 年9 月15 日，首先將石茅種子播入穴盤育苗。30 d 后選取大小一致的苗移入裝有3.5 kg 土壤(田間土壤 ： 沙土 = 1 ： 1)的花盆中。該土壤pH 為6.25，全氮、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀及有效磷的含量分別為0.61 g·kg-1、5.15 g·kg-1、44.12 mg·kg-1、39.21 mg·kg-1和11.16 mg·kg-1，田間持水量為24.78%。試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)不同的水分處理，其土壤含水量分別為田間持水量(WHC)的100%、80%、60%、40%，將80% WHC 作為輕度干旱脅迫，60%作為中度干旱脅迫，40%作為重度干旱處理，每個(gè)處理設(shè)置5 個(gè)重復(fù)。

試驗(yàn)過(guò)程中采用稱重法控制土壤含水量，采用千分之一的電子天平每天17:30 至18:30 定時(shí)稱重補(bǔ)水，使土壤含水量分別維持在24.78%、19.82%、14.87%和9.91%。花盆之間保持20 cm 距離，每周隨機(jī)變換花盆位置一次。2 個(gè)月后，測(cè)量植物的株高，統(tǒng)計(jì)植物葉片數(shù)量，用SPAD-502Plus 葉綠素含量測(cè)定儀測(cè)量SPDA 值，YMJ-B 活體葉面積儀測(cè)量植物莖最上方完全展開(kāi)葉片的面積。收獲后，分別將植物的地上部和地下部洗干凈放入紙袋中置于105 ℃烘箱中殺青，再于70 ℃烘干72 h，最后用萬(wàn)分之一天平稱量各部分干重。并計(jì)算比葉面積、根冠比及總生物量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 22.0 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)。其中種子萌發(fā)的所有數(shù)據(jù)及相對(duì)葉綠數(shù)含量數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化以滿足方差齊性，并采用Tukey 檢驗(yàn)法進(jìn)行各處理間的差異顯著性分析。采用Origin 9.1 繪圖。圖中給出的數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子萌發(fā)特征

不同PEG 濃度處理下，石茅種子之間的發(fā)芽率有差異。石茅種子的發(fā)芽率隨PEG濃度的增加先升高后降低(表1)，2.5% PEG 濃度脅迫下石茅種子發(fā)芽率最高，達(dá)到73%；15% PEG 濃度條件下種子發(fā)芽率最低，為4%。在0、2.5%、5% PEG這3 個(gè)濃度條件下石茅種子發(fā)芽率無(wú)顯著差異(P> 0.05)。與0 PEG 處理相比，7.5%、10%、12.5%、15% PEG 濃度條件下石茅種子的發(fā)芽率分別顯著降低了69.23%、76.92%、87.69%、93.85% (P< 0.05)。

表1 不同PEG 濃度處理對(duì)石茅種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)的影響Table 1 Effects of drought stress on the germination rate, germination index, and vigor index of Sorghum halepense

不同PEG 濃度處理下，石茅種子的發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)有差異。石茅種子發(fā)芽指數(shù)隨PEG 濃度的增加而降低(表1)。在0、2.5%、5% PEG 這3 個(gè)濃度條件下石茅種子發(fā)芽指數(shù)無(wú)顯著差異(P> 0.05)。與0 PEG 處理相比，7.5%、10%、12.5%、15% PEG 濃度條件下石茅種子的發(fā)芽指數(shù)分別顯著降低了78.48%、86.68%、92.15%、97.19% (P< 0.05)。石茅種子活力指數(shù)也隨PEG 濃度的增加而降低(表1)。與0 PEG 處理相比，5%、7.5%、10%、12.5%、15% PEG濃度條件下石茅種子的發(fā)芽指數(shù)分別顯著降低了90.27%、97.99%、99.09%、99.81%、99.95% 。

不同PEG 濃度處理下，石茅種子的胚根、胚芽長(zhǎng)度及胚根/胚芽有明顯差異。隨著PEG脅迫濃度的增加，石茅種子胚根、胚芽的長(zhǎng)度均呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)(圖1A)。不同PEG 濃度脅迫條件下石茅胚根長(zhǎng)明顯低于0 PEG 處理，2.5% PEG濃度條件下其胚根長(zhǎng)已降低了67.66%，干旱脅迫明顯抑制了石茅的胚根生長(zhǎng)；而其胚芽長(zhǎng)度在2.5%和5% PEG 濃度條件下與0 PEG 處理無(wú)顯著差異(P> 0.05)，與0 PEG 處理相比，7.5%、10%、12.5%和15% PEG濃度條件下胚芽長(zhǎng)度分別降低了76.92%、88.89%、96.91%、98.23%(P< 0.05)。石茅的胚根/胚芽隨PEG 脅迫濃度的增加先降低再升高(圖1B)，在5% PEG 濃度條件下其胚根/胚芽最低(0.79)，而15% PEG 濃度時(shí)最高(2.37)。2.5%、5%、7.5% PEG 濃度條件下胚根/胚芽顯著低于0 PEG 處 理(P< 0.05)，分 別 降 低 了53.67%、60.71%，53.91%。10%、12.5%和15%濃度條件下其胚根/胚芽與0 PEG 處理無(wú)顯著差異。

圖1 不同PEG 濃度脅迫下石茅種子的胚根、胚芽長(zhǎng)度及胚根/胚芽Figure 1 Radicle and germ length and the radicle/germ length ratio of S.halepenseseeds under different polyethylene glycol (PEG) treatments

2.2 幼苗生長(zhǎng)特征

隨著水分含量的降低石茅幼苗株高、葉片數(shù)、比葉面積及相對(duì)葉綠素含量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(表2)。不同水分條件下石茅的株高、葉片數(shù)、相對(duì)葉綠素含量差異明顯，但比葉面積無(wú)顯著差異(P>0.05)。與100% WHC 相比，60%和40% WHC條件下石茅幼苗的株高分別顯著降低了20.02%和39.53% (P<0.05)，但在100% WHC 和80% WHC 條件之間差異不顯著(P> 0.05)。在100% WHC 條件下石茅幼苗平均葉片數(shù)為10 個(gè)，60%和40% WHC 條件下幼苗葉片數(shù)分別顯著降低49.02%和52.94%，但在100%和80% WHC，60%和40% WHC條件之間幼苗葉片數(shù)無(wú)顯著差異。與100% WHC 相比，60%和40% WHC條件下石茅的相對(duì)葉綠素含量分別顯著降低了53.24%和68.79%。但100%和80% WHC 條件之間無(wú)顯著差異。

表2 不同土壤含水量條件下石茅種幼苗的形態(tài)特征及生物量特征Table 2 Morphological characteristics and biomass characteristics of Sorghum halepenseseedlings

不同水分條件下石茅幼苗的地上生物量、地下生物量、總生物量和根冠比均有明顯差異。隨著水分含量的降低石茅幼苗的地上生物量和總生物量都隨之減少，與100% WHC 條件下相比，60%和40% WHC 條件下石茅幼苗的地上生物量分別顯著減少50.73%和61.65% (P< 0.05)，總生物量分別顯著減少28.40%和32.07%。隨水分含量的降低石茅幼苗的地下生物量和根冠比都隨之增加(表2)，與100% WHC 條件下相比，60%和40% WHC 條件下石茅幼苗的地下生物量分別顯著增加49.93%和71.74%，根冠比分別顯著增加196.77 和316.13%。

3 討論

高萌發(fā)率是入侵植物能成功入侵并迅速擴(kuò)散的關(guān)鍵。水分是影響雜草種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的關(guān)鍵生態(tài)因素之一，在干旱脅迫下種子能否萌發(fā)對(duì)幼苗生存和生長(zhǎng)至關(guān)重要[8]。研究干旱脅迫條件下種子萌發(fā)特性是了解植物響應(yīng)干旱逆境的第一步。本研究顯示，在2.5% PEG 濃度下，石茅種子的發(fā)芽率達(dá)到最大值。當(dāng)干旱脅迫超過(guò)一定程度(7.5% PEG)，石茅種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)隨干旱脅迫的加劇而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這一結(jié)果與5% PEG 脅迫下有助于北美車前草(Plantago virginica)[21]、扭黃毛(Heteropogon contortus)[22]、中華羊茅(Festuca sinensis)[23]的種子萌發(fā)，超過(guò)種子對(duì)干旱的耐受度時(shí)，種子萌發(fā)率受到強(qiáng)烈抑制相類似。在15% PEG 濃度下石茅種子的種子仍能萌發(fā)，說(shuō)明石茅的種子具有適應(yīng)干旱生境的能力。在種子萌發(fā)過(guò)程中，胚根和胚芽長(zhǎng)度是反映早期幼苗生長(zhǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)[24-25]，隨PEG濃度增加，石茅的胚根和胚芽長(zhǎng)度都減少了，干旱脅迫對(duì)石茅的胚根有明顯的抑制作用。低濃度PEG(2.5%～5%)脅迫對(duì)胚芽的抑制作用不明顯；高濃度PEG (10%～15%)脅迫下的胚根/胚芽均顯著高于低濃度處理，說(shuō)明重度干旱脅迫對(duì)石茅胚芽抑制作用要強(qiáng)于胚根，這可能是水分缺乏時(shí)石茅適應(yīng)環(huán)境的一種表現(xiàn)。因此，在輕度干旱脅迫下，石茅種子可以順利萌發(fā)并完成幼苗的形態(tài)建成；在中度和重度干旱脅迫下石茅種子表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)適應(yīng)性，說(shuō)明石茅種子萌發(fā)所需的土壤水分生態(tài)位廣泛，無(wú)論是干旱的荒地或是濕潤(rùn)的農(nóng)田都可能成為其潛在的分布區(qū)域。

入侵種對(duì)環(huán)境具有較高的耐受性，能通過(guò)自身形態(tài)特征及內(nèi)在生理機(jī)制的調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)逆境[12,26]。土壤含水量是決定了入侵植物的生存關(guān)鍵因素之一[27-28]。在水分脅迫的條件下，植物的形態(tài)特征及生理生化指標(biāo)將發(fā)生一系列適應(yīng)性改變，如會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢、株高、葉片數(shù)量、比葉面積、葉綠素相對(duì)含量的降低[25,29]，且水分虧缺越嚴(yán)重，其降低程度越大等現(xiàn)象。盆栽試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，石茅幼苗的株高、葉片數(shù)、相對(duì)葉綠素含量、比葉面積、地上生物量、總生物量均有下降，但其地下生物量及根冠比則顯著增加了。且與100% WHC條件下相比，在80% WHC 條件下石茅的這些形態(tài)指標(biāo)及生物量指標(biāo)均沒(méi)有顯著差異，說(shuō)明80% WHC條件下并不會(huì)限制石茅幼苗的生長(zhǎng)。隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，石茅的株高及葉片數(shù)隨之減少，這可能是其通過(guò)株高及葉片數(shù)的降低，來(lái)減少植物水分的蒸騰速率，以維持植物體內(nèi)水分平衡，來(lái)適應(yīng)干旱逆境[29-30]。水分脅迫下葉綠素含量的變化可以反映植物對(duì)光能的捕獲能力，從而影響光合產(chǎn)物的積累，最終影響植株的生長(zhǎng)[31]。干旱脅迫條件下石茅的葉綠素相對(duì)含量顯著降低，這與董守坤等[32]發(fā)現(xiàn)隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加，春大豆(Glycine max)葉綠素含量顯著降低；王偉等[33]發(fā)現(xiàn)不同生育期不同水分虧缺程度均引起冬小麥(Triticum aestivum)株高、葉綠素相對(duì)含量的降低的研究結(jié)果一致。石茅的地上生物量及總生物量隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加而減少，這可能是因?yàn)樗值娜狈Γ绊懙焦夂献饔?，?dǎo)致同化產(chǎn)物合成減少，進(jìn)而影響了干物質(zhì)的積累和分配。同時(shí)，干旱促使石茅干物質(zhì)分配發(fā)生了改變，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加，生物量?jī)?yōu)先向根系分配，根冠比增大，以適應(yīng)干旱逆境。因此，輕度干旱脅迫并沒(méi)有顯著影響石茅幼苗的生長(zhǎng)，中重度干旱脅迫條件下，石茅也通過(guò)減少葉片數(shù)量、降低蒸騰作用、調(diào)整物質(zhì)分配、增加根冠比等措施來(lái)應(yīng)對(duì)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性，這進(jìn)一步提高了其競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)能力，加重了其危害性。

4 結(jié)論

綜上所述，輕度干旱(2.5%～5% PEG)脅迫對(duì)外來(lái)入侵植物石茅種子萌發(fā)沒(méi)有抑制作用。重度干旱(10%～15% PEG)條件下，其通過(guò)調(diào)節(jié)胚根/胚芽比來(lái)適應(yīng)干旱環(huán)境，因此，石茅種子在干旱條件下也有萌發(fā)的可能。當(dāng)土壤含水量小于60% WHC時(shí)，幼苗期的石茅可通過(guò)減少株高、葉片數(shù)、相對(duì)葉綠素含量、地上生物量及總生物量，增加地下生物量和根冠比等形態(tài)及生理變化對(duì)干旱脅迫條件做出響應(yīng)并表現(xiàn)出一定的耐受及適應(yīng)能力?？梢?jiàn)，輕度干旱脅迫不能抑制石茅種子的萌發(fā)及其幼苗的生長(zhǎng)，石茅可以通過(guò)種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)策略應(yīng)對(duì)生境中可能出現(xiàn)的干旱脅迫環(huán)境，從而提高在逆境中的生長(zhǎng)及競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這可能是石茅種群能在海南島干旱地區(qū)迅速擴(kuò)散并成災(zāi)的重要原因之一。