模拟酸雨及苔藓植物化感条件下紫苏种子萌发特性的研究

摘要：通过模拟酸雨胁迫及苔藓化感作用两种不同的生长环境，初步探讨了模拟酸雨及3种苔藓凤尾藓（Fissidens bryoides）、提灯藓（Mnium hornum）、缩叶藓（Ptychomitrium）种植水对紫苏（Perilla frutescens）种子萌发特性的影响。结果表明，pH为5.0及以上的低浓度模拟酸雨环境对紫苏种子的萌发及幼苗生长影响不大，但随着酸化程度的加深，对紫苏种子萌发的抑制作用明显增加，当pH降到1.0时种子不发芽。紫苏幼苗叶片POD活力随胁迫时间的延长呈先升后降的趋势。而叶片MDA含量除pH为5.0处理组与对照组相近外，其他胁迫浓度下均有显著增加，说明pH低于5.0紫苏幼苗生长受到较严重损害。在苔藓种植水培养环境中，与对照组相比，紫苏种子发芽率、发芽指数、活力指数均随苔藓植物种植水浓度的升高而升高，在浓度为100%时对种子萌发的促进效果最为显著。

关键词：紫苏（Perilla frutescens）；种子萌发；生理指标；酸雨；化感作用

中图分类号：Q949.777.6；Q945.79 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）23-5336-04

Study on Germination Characteristics of Perilla frutescens under Simulation Environment of Acid Rain and Bryophyta

XIE Tian，JIANG An-na，WANG Man-jun，YAN Feng，FANG Yuan-ping，XIANG Jun

（Hubei Key Laboratory of Economic Forest Germplasm Improvement and Resources Comprehensive Utilization / College of Chemisitry and Life Sciences， Huanggang Normal University， Huanggang 438000，Hubei，China）

Abstract： By simulating two different growth environment， acid rain stress and moss allelopathy， the effects of acid rain and three bryophyte cultivate water （Fissidens bryoides，Mnium hornum，Ptychomitrium） on Perilla frutescens seed germination was studied. The results showed that the simulated acid rain with pH lower than 5.0 had little effect on P. frutescens seed germination and seedling growth； as the increasing of acidification， there was a significant inhibition of seed germination， and the seed could not germinate under the pH lower than 1.0. The POD activity in P. frutescens blade increased firstly and then decreased as the stress time prolonged， and the MDA content was decreased when pH was lower than 5.0， suggesting that P. frutescens seedling growth was affected by pH lower than 5.0. In the culture water environment， compared to the control， P. frutescens germination rate， germination index， vigor index increased as the bryophyte planting concentration increasing， and the treatment with the most significant effect was 100% bryophyte planting solution.

Key words： Perilla frutescens； seed germination； physical signs； acid rain； allelopathy

紫苏（Perilla frutescens）别名赤苏、红苏、红紫苏、香苏等，系唇形科紫苏属一年生草本植物，是我国传统的药食两用植物[1]，目前各地均有栽培。紫苏全株均有很高的营养价值，其具有低糖、高纤维、高胡萝卜素等特点；在医疗保健方面，紫苏具有保护肝脏、降血脂、降血压、预防癌变、提高记忆力、抗过敏及抗微生物等功效，是卫生部首批颁布的60种“药食同源”品种之一，可以开发出多种保健食品，在医药和食品工业上具有广泛的用途[2]。随着紫苏相关研究的深入及产品市场的拓展，对紫苏的数量与质量要求越来越高。而种子往往被认为是植物生命周期的开始，幼苗的生长是天然更新过程中最敏感的阶段，受环境影响较大。研究表明，紫苏种子表面有较厚的蜡质层，种皮透水、透气性差，从而导致其休眠期较长、发芽率较低[3]。紫苏种植大多采用育苗移栽法生产，而当大面积栽培（如进行山坡荒地改造和生态恢复）时则需要撒播，发芽率很低。相关研究也指出，恶劣环境条件的胁迫会对植物种子萌发和幼苗生长造成很大的影响[4]。

随着工业的快速发展和矿物燃料消耗的增多，酸雨发生的频率越来越高，发生的范围也不断扩大。研究表明，酸雨对植物种子萌发和幼苗生长均会产生较大的影响[5，6]。而酸雨是否会对紫苏种子萌发及幼苗生长造成影响及其影响程度如何目前未见报道。在环境问题日益严峻的今天，苔藓植物作为一类对环境条件特别敏感的高等植物类群，对其生态功能的研究开始兴起[7]。苔藓植物在涵养水源、营养循环、环境指示、天然更新及次生代谢物积累等方面都发挥着不容忽视的作用[8]；同时，其作为生态系统的主要地被植物，不仅在物理结构上对种子和幼苗产生影响，而且可能对种子萌发和幼苗的建成存在化感作用[9，10]。化感作用（Allelopathy）是指植物通过向环境释放次生化学物质而对邻近植物（包括微生物）的生长发育产生直接或间接的有害或有益影响。Steijlen等[11]发现赤茎藓（Pleurozium schreberi）对欧洲赤松种子萌发存在明显的抑制作用，且认为是一种化学影响。杜桂森等[12]用5种苔藓植物配子体的水提液分别培养5种作物种子，发现羊角藓（Herpetineuron toccoae）、山羽藓（Abietinella abietilla）、塔藓（Hylocomium splendens）和细叶金发藓（Polytrichum longisetum）对种子萌发均有不同的促进作用，而温带光萼苔（Porella platiphylla）则有不同程度的抑制作用。Equihua等[13]用苔藓浸提液和新鲜植物体对帚石楠（Calluna vulgaris）的种子进行了处理，发现没有化感作用。可见苔藓植物对种子萌发的影响作用不尽相同。目前，关于苔藓植物种植水对紫苏种子萌发的化感作用研究鲜有报道。本研究通过模拟两种不同的生长环境（酸雨胁迫及苔藓化感作用），初步探讨模拟酸雨及3种苔藓植物种植水对紫苏种子萌发特性的影响，为紫苏在不同环境下大面积栽培提供科学依据，对坡地利用及生态重建具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 供试种子及苔藓 紫苏种子由湖北蕲春李时珍生物有限公司提供。新鲜凤尾藓（Fissidens bryoides）、提灯藓（Mnium hornum）及缩叶藓（Ptychomitrium）均采自湖北省黄冈市龙王山。

1.1.2 药品和化学试剂 愈创木酚，30%H2O2，三氯乙酸，硫代巴比妥酸（0.6%TBA）溶液，20 mmoL/L KH2PO4（pH 6.0），100 mmol/L磷酸缓冲液（pH 6.0），70%乙醇等。

1.1.3 主要仪器和设备 722型分光光度计；HH-2数显恒温水浴锅（常州国华电器有限公司生产）；YP1201N型电子天平（上海舜宇恒平科学仪器有限公司）；AB204-N型分析天平[梅特勒托利多仪器（上海）有限公司]；飞鸽牌系列高速冷冻离心机；具塞试管、研钵、培养皿、滤纸等。

1.2 方法

1.2.1 模拟酸雨对紫苏种子萌发及幼苗生长的影响 挑选子粒饱满、大小一致的紫苏种子，用蒸馏水冲洗3遍后放入盛有30%H2O2的烧杯中消毒20 min，再用蒸馏水彻底冲洗。将种子分为6组，分别用pH为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0的模拟酸雨溶液和蒸馏水（对照）浸泡24 h，待种子充分吸水膨胀后将其整齐地排列在铺有2层滤纸的培养皿（直径12.5 cm）中，每皿50粒，每个浓度梯度重复3次。每粒种子之间留有均匀的间距，以保证与模拟酸雨溶液的良好接触；且生长空间应足够，以防止种子发霉后相互感染。将培养皿放入25 ℃培养箱中进行暗培养，每天喷淋1次上述6种溶液，液体喷淋量随紫苏幼苗的生长从5 mL到10 mL逐渐增加，共培养10 d。每天观察发芽种子的生长状况并进行发芽指标和生理指标的测定。

1.2.2 苔藓植物种植水对紫苏种子萌发的影响

1）苔藓植物种植水的制备。将野外采集的3种新鲜苔藓用自来水冲洗，去掉夹在其中的其他苔藓和杂质，再用蒸馏水冲洗干净，阴干后称重，取相同重量的苔藓分别置于3个盛有等量蒸馏水的培养皿中培养4 d。4 d后各培养皿中的液体即为相应的苔藓植物种植水。

2）种子发芽及处理。紫苏种子经消毒（70%乙醇中浸泡15 min，蒸馏水漂洗3次）后，挑选子粒饱满、大小相近的种子播种于铺有3层滤纸的培养皿（直径9 cm）中，每皿50粒。滤纸已滴加蒸馏水（对照）或不同浓度梯度（1%、10%、100%）的苔藓植物种植水8 mL，每个处理重复3次。25 ℃恒温条件下暗培养10 d。每天记录种子发芽数。发芽结束后，从每个重复中选出20个发芽较整齐且具有代表性的种子，用镊子将其胚根取下，测量胚根长，取其平均值[1]。

1.3 发芽指标和生理指标的测定

试验测定的紫苏种子发芽指标有发芽率、发芽指数及活力指数，各发芽指标的测定参照文献[1]的方法进行。生理指标有紫苏幼苗叶片过氧化物酶（POD）活力和丙二醛（MDA）含量。POD活力的测定采用愈创木酚比色法[1个酶活力单位（U）定义为每分钟每克样品OD470 nm的变化值]；MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法[14]。采用SPSS 17.0统计软件和Excel 2003对试验数据进行处理并作图。

种子发芽率=发芽种子数/供试种子数×100%；

发芽指数=∑（Gt/Dt），

式中，Gt为第t天的发芽种子数，Dt为相应的发芽时间（d）；

活力指数=S×（Gt/Dt），

式中，S为胚根长度（cm）。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨胁迫对紫苏种子萌发及幼苗生长的影响

2.1.1 模拟酸雨胁迫对紫苏种子发芽率和发芽指数的影响 由表1可知，紫苏种子发芽率和发芽指数随着模拟酸雨溶液pH的下降而降低。当溶液pH为2.0时，在培养过程中出现了较严重的发霉及部分芽死亡现象，种子发芽率和发芽指数与对照相比差异极显著，其中发芽率仅为对照的57.1%；当溶液pH为1.0时，种子不发芽，可能是种子已经被高浓度模拟酸雨溶液杀死。Fan等[15]研究发现，模拟酸雨溶液pH 2.0可能是抑制种子萌发与幼苗生长的阈值，这与本研究结果一致。当溶液pH为5.0时，种子发芽率和发芽指数与对照无显著差异，表明溶液在该酸度下对种子萌发无影响。因此，种植环境pH 低于5.0不宜进行紫苏栽培。

2.1.2 模拟酸雨胁迫对紫苏幼苗叶片POD活力的影响 由图1可知，紫苏幼苗叶片POD活力随胁迫时间的延长总体上呈先上升后下降的趋势。胁迫初期3个处理组的POD活力都高于对照组，但在第十天时都逼近对照组，表明种子受酸雨胁迫后，机体启动应激修复机制，POD活力上升清除体内的活性氧，但随着处理时间的延长，种子积累过多的活性氧超过了其耐受能力，从而对植物本身产生了伤害，影响了生理代谢，导致POD活力下降[4]。

2.1.3 模拟酸雨胁迫对紫苏幼苗叶片MDA含量的影响 MDA是植物体内膜脂过氧化的产物，其含量的高低反映了细胞膜脂过氧化程度的大小，含量越高表明细胞膜脂过氧化程度越高，细胞膜结构完整性越差[4]。由图2可知，紫苏幼苗叶片MDA含量随着模拟酸雨溶液pH的降低而增加。在试验处理的10 d内，与对照组相比，除pH为5.0的处理组外，其他处理组紫苏幼苗叶片MDA含量明显增加，表明模拟酸雨溶液pH在4.0及以下时引起了不同程度的细胞膜损伤，其活性氧积累导致紫苏幼苗叶片不同程度的膜脂过氧化，且模拟酸雨溶液pH越低，膜脂过氧化程度越高。第四天时，pH为3.0的处理组紫苏幼苗叶片MDA含量约为对照的3倍。

2.2 苔藓植物种植水对紫苏种子萌发的影响

2.2.1 不同浓度苔藓植物种植水对紫苏种子发芽率的影响 由图3可知，与对照组相比，用不同浓度的3种苔藓植物种植水培养紫苏种子，种子发芽率都有不同程度的提高（1%浓度组除外），且随种植水浓度的升高而升高；在浓度为100%时最高，凤尾藓和提灯藓种植水处理组紫苏种子发芽率均达到90.5%，缩叶藓种植水处理组为89.3%。因此，本试验选取的3种苔藓植物对紫苏种子萌发均有一定的促进作用。由方差分析可知，相同苔藓植物种植水处理下，不同浓度种植水对紫苏种子萌发的促进作用差异不显著。

2.2.2 不同浓度苔藓植物种植水对紫苏种子发芽指数的影响 由图4可知，当用浓度为1%的苔藓植物种植水培养紫苏种子时，种子发芽指数与对照组相比基本没有变化，而浓度为10%和100%时种子发芽指数较对照组明显升高。其中，凤尾藓组和提灯藓组种植水浓度100%时，紫苏种子发芽指数均达到最大，缩叶藓组种植水浓度为10%和100%时，种子发芽指数相当。

2.2.3 不同浓度苔藓植物种植水对紫苏种子活力指数的影响 由图5可知，用不同浓度的3种苔藓植物种植水培养紫苏种子时，种子活力指数均高于对照组，且随着种植水浓度的升高而升高。当种植水浓度为100%时，紫苏种子活力指数均达到最大，但3种苔藓植物种植水对紫苏种子活力指数的影响程度不同。

2.2.4 不同种类苔藓植物种植水对紫苏种子发芽率的影响 由图6可知，与对照组相比，苔藓植物种植水浓度为1%时，3种苔藓植物种植水对紫苏种子萌发均没有影响。随着种植水浓度的升高，3种苔藓植物对紫苏种子萌发的促进作用逐渐增强，而不同种类苔藓对其促进作用程度不同：浓度为10%时，提灯藓种植水处理组的种子发芽率最高；种植水浓度为100%时，凤尾藓和提灯藓种植水处理组对种子萌发的促进作用最强，种子发芽率均最高，而缩叶藓种植水处理组的种子发芽率与10%浓度组相同。由方差分析可知，相同浓度种植水处理下，不同种类苔藓植物种植水对紫苏种子萌发的促进作用差异不显著。

3 小结与讨论

种子的萌发除了与自身因素如种子的生命力、成熟而完整的胚、充足的营养储备等有关以外，还与外界环境因素密切相关。本研究发现，随着模拟酸雨溶液pH的降低，紫苏种子的发芽率和发芽指数均显著下降，幼苗受胁迫程度加深；当模拟酸雨溶液pH下降到2.0及以下时，紫苏种子的发芽率大幅降低，且出现严重的发霉、死苗现象；pH为5.0的低浓度模拟酸雨环境适宜紫苏生长，这与马玉涛等[1]报道的紫苏种子萌发pH适宜范围（5.0～6.3）较窄的结果基本一致。紫苏叶片膜脂过氧化产物MDA含量均随着模拟酸雨溶液pH的降低而增加。在试验处理的10 d内，与对照组相比，除pH为5.0的处理组外，其他处理组紫苏叶片MDA含量均显著增加。因此，pH为5.0以下的模拟酸雨溶液对紫苏种子萌发及生长影响较大，可见紫苏对酸雨胁迫的耐受能力不强，在酸雨地区种植紫苏要考虑种植环境的酸碱度。

苔藓植物生境的多样性和对恶劣环境的适应性远远高于维管植物，同时多数苔藓植物都能产生丰富的次生代谢物质，且具有较强的生物活性[10]。由于苔藓种类、植物种子特性各不相同，苔藓的化感作用对不同植物种子萌发的影响作用也不同。目前关于苔藓植物对不同植物种子萌发的影响也有不少研究。在试验材料的选取上多是选用苔藓植物水提液[12]，考虑到苔藓植物主要是通过其分泌物来影响其周围环境，因此本研究选用苔藓植物种植水，即培养过苔藓的液体。二者的内容物不同，前者的主要成分是苔藓的代谢物和苔藓的组成成分，而后者是苔藓植物的分泌物，较前者成分简单。从这方面来说，苔藓植物种植水更符合自然条件下苔藓在植物天然更新过程中发挥的作用。

本研究表明，凤尾藓、提灯藓、缩叶藓种植水对紫苏种子萌发均有不同程度的促进作用，且种植水浓度越高促进作用越明显。因此可以推断，在这3种苔藓的代谢物中的某种或几种化学物质能够打破紫苏种子的休眠，促进其萌发，至于到底是何种物质以及其具体的影响机理还需要进一步的研究。本研究为在苔藓生长的坡地进行大面积紫苏种子撒播提供了一定的理论支撑，至少对其早期的萌发有着积极的影响。而苔藓伴生的生境对紫苏幼苗生长及其成分的影响还有待继续深入研究。

参考文献：

[1] 马玉涛，惠荣奎，刘 焰.紫苏种子萌发特性的研究[J].种子，2009，28（11）：49-51，55.

[2] 张 洪，黄建韶，赵东海.紫苏营养成分的研究[J]. 食品与机械，2006，22（2）：41-43.

[3] 张春平，何 平，何俊星，等.不同处理对药用紫苏种子萌发特性的影响[J].中草药，2010，41（8）：1361-1365.