经过聚合物涂层处理的种子在干旱环境下以及受到雀麦草侵扰的条件下，能够提高牛粪便中种子的传播成功率

《Journal of Arid Environments》：Polymer-coated seeds enhance cattle fecal seeding success under arid and cheatgrass-invaded conditions

聚合物涂层通过调节水分交换和抵御微生物及酶解作用，有效提高反刍动物消化系统内种子存活率，促进粪便排泄后发芽，为半干旱草地生态恢复提供技术框架。

　　

格雷厄姆·霍尔顿（Graham Holton）| 莫扎特·A·丰塞卡（Mozart A. Fonseca）| 威廉·理查森（William Richardson）| 阿图罗·马西亚斯·弗兰科（Arturo Macias Franco）| 塔姆森·斯特林厄姆（Tamzen Stringham）| 莱尔森·贝泽拉（Leilson Bezerra）| 内尔西诺·F·德保罗（Nelcino F. De Paula）| 马修·马德森（Matthew Madsen）

内华达大学里诺分校农业、兽医与草原科学系，美国内华达州里诺市，89557

摘要

我们评估了聚合物种子涂层如何影响反刍动物在半干旱环境中分解和传播本地草种的能力。通过原位（in situ）瘤胃培养实验，我们对四种多年生丛生草类——印度稻草（Achnatherum hymenoides）、冠小麦草（Agropyron cristatum）、瓶刷鼠尾草（Elymus elymoides）和蓝束小麦草（Pseudoroegneria spicata）的种子进行了处理，分别使用聚维吡咯烷酮（PVP）基质或PVP与乙基纤维素（Ethocel）的双层配方。种子在瘤胃中培养了0、6、12、24、36、48和96小时。取出后，将种子转移到温室中进行五周的活力和发芽测试。涂层改变了种子的发芽情况，PVP和PVP + Ethocel处理组在0小时时大多数物种的发芽率显著降低（P ≤ 0.05），仅印度稻草除外。随着时间的推移，聚合物涂层种子对微生物和酶降解的抵抗力增强（P ≤ 0.05），优于未涂层种子。印度稻草表现出非典型的反应，在长时间瘤胃暴露下其发芽率保持不变或有所提高。PVP + Ethocel处理组的种子通过胃肠道后的存活率最高（P ≤ 0.05），表明该涂层具有更好的保护作用。这些发现表明，聚合物涂层可以影响种子在瘤胃中的降解过程，并提高被放牧动物消化后的存活率和传播能力，为种子传播提供了新的管理方法。

引言

草原和灌木草原生态系统在维持生物多样性、产生生物量、调节养分循环和保持整体环境平衡方面发挥着至关重要的作用。然而，由于土地利用变化、入侵植物入侵、火灾频率改变以及其他人为干扰，这些生态系统持续退化（Baughman等人，2022年；Whisenant，1989年）。多年生植物覆盖度和多样性的下降破坏了食物网和生态系统稳定性，尤其是在土壤贫瘠和气候多变的干旱及半干旱草原地区（Pace等人，1999年；Quijas等人，2010年）。这种损失不仅对生态完整性有影响，也对区域粮食安全和畜牧业经济造成严重影响，因为这些脆弱系统的可持续生产力至关重要（Becerril-Pi?a等人，2015年；Carretero-Paulet等人，2025年）。

在不同的环境中，植物物种表现出不同的适应性特征，决定了它们如何竞争有限的资源并在受到干扰后恢复（Baughman等人，2022年）。具有多样功能群的生态系统通常具有更强的恢复力，能够抵御气候和生物压力（McCann，2000年；Quijas等人，2010年）。因此，重新种植功能多样的本地和归化草类对于恢复西部草原至关重要（Monsen和MacArthur，1995年；Morris和Rowe，2014年）。

尽管经过数十年的努力，这些系统的恢复效果仍然不稳定。传统的重新播种技术——尤其是撒播播种——在半干旱地区常常失败，原因是种子与土壤接触不良、干燥、捕食以及发芽期间土壤湿度有限（Davies等人，2018年；Madsen等人，2016年）。高昂的成本和不可预测性促使人们关注新的技术，以保护种子并在田间条件下提高其表现。

种子涂层技术通过使用亲水、疏水或生物活性材料修改种子表面，在资源有限的条件下显示出改善种子建立效果的潜力（Davies等人，2018年；Javed等人，2022年；Pedrini等人，2020年）。涂层可以作为水分调节剂、物理屏障或激素和微生物接种剂的载体，从而提高发芽时间和幼苗活力（Madsen等人，2014a；Madsen等人，2014b）。基于表面活性剂的涂层可以在火灾后减轻土壤的疏水性障碍，而脱落酸（ABA）涂层可以延缓冬季休眠期的过早发芽（Richardson等人，2019年）。

入侵的一年生植物如雀麦（Bromus tectorum）通过改变火灾间隔和在早期阶段消耗资源进一步复杂化了北美洲大盆地的恢复工作（Clements和Young，1997年；Whisenant，1989年）。恢复以长寿命多年生丛生草类为主的群落对于稳定土壤、减少野火频率和维持栖息地结构至关重要（Francis和Pyke，1996年；Young等人，1994年）。有针对性的放牧已成为一种管理工具，可以在控制放牧强度和时间的情况下减少雀麦种子库的数量，同时保持理想的植被（Clark等人，2023年；Perryman等人，2020年；Pilliod等人，2017年）。

越来越多的人认识到，可以利用放牧动物作为生物种子传播者。反刍动物可以摄入种子并在之后排出，从而通过内动物传播（endozoochory）有效地在景观中重新分布植物繁殖体（Teichman等人，2013年）。这种机制为在机械播种不切实际或地形复杂的地区提供了被动重新播种的途径。然而，反刍动物的消化道对大多数种子来说是一个高度破坏性的环境。瘤胃中的微生物发酵、pH值波动和机械混合通常会侵蚀种子涂层，影响胚的存活和随后的发芽（Holton等人，2024年）。

为克服这一限制，人们提出了应用保护性聚合物涂层的方法，以在胃肠道通过过程中保持种子的活力。聚维吡咯烷酮（PVP）形成一层亲水膜，调节水分交换和微生物的进入，而乙基纤维素（Ethocel）则提供更强的疏水屏障，减少酶的渗透和结构降解。这两种聚合物共同形成多层防御系统，保护种子免受瘤胃消化和皱胃酶的破坏，使存活的繁殖体能够在排泄后存活。

本研究的重点物种——印度稻草（Achnatherum hymenoides）、冠小麦草（Agropyron cristatum）、瓶刷鼠尾草（Elymus elymoides）和蓝束小麦草（Pseudoroegneria spicata）——代表了美国中西部具有生态和功能重要性的草类。A. hymenoides和E. elymoide是适应干扰和干旱的本地早期演替物种，而P. spicata则是晚期演替鼠尾草-草原群落的结构支柱。A. cristatum是一种引入的多年生植物，因其强大的建立能力、较低的入侵性和耐放牧性而常用于恢复工作（Davies等人，2023年）。这些物种共同提供了种子形态和休眠机制的模型梯度，有助于评估涂层成分与瘤胃降解和消化后发芽动态之间的相互作用。

本研究探讨了PVP和PVP + Ethocel涂层在经过瘤胃和皱胃消化后对种子降解和发芽潜力的影响。通过原位培养方法，我们研究了这些聚合物涂层在四种草类中维持种子活力和促进粪便中种子出现的程度。我们假设疏水性和半透性涂层可以减少瘤胃中的微生物和酶降解，从而增加排泄后成功发芽的可能性。

部分内容摘要

畜牧业、种子、涂层和原位瘤胃培养

六头平均体重610 ± 54.5公斤的安格斯×赫里福德杂交牛被用于原位瘤胃培养和粪便样本收集（图1、图2、图3）。这些动物采用混合谷物-干草饲料饲养，以建立代表典型牧草喂养牛群的稳定微生物群落。所有程序均按照内华达大学里诺分校的机构动物护理和使用委员会（协议编号#00726）进行。每天提供自由采食的饲料

原位瘤胃处理后种子的发芽反应

在所有评估的物种中，随着瘤胃停留时间的延长，发芽率逐渐下降（P ≤ 0.05）。补充图3提供了种子的累积发芽率。在最初的0小时采样时，涂有PVP或PVP + Ethocel的种子发芽率低于未涂层对照组，表明涂层应用对种子水分吸收和激活过程有早期影响（图1）。

对于冠小麦草（Agropyron cristatum），这一效应尤为明显

讨论

本研究揭示了聚合物种子涂层与瘤胃暴露时间之间的相互作用既取决于物种也受时间限制。因此，在开发用于保护种子免受反刍动物消化道降解的涂层时，必须考虑设计适合反刍动物介导的种子传播系统的复杂性。总体而言，结果表明涂层化学成分显著影响了……

结论

本研究表明，基于聚合物的种子涂层可以在种子通过反刍动物消化系统时保护它们，保持其活力并提高排泄后的发芽率。通过作为微生物和酶降解的屏障，PVP和PVP + Ethocel等涂层提高了内动物传播种子的有效性，特别是在入侵物种主导的生态系统中（例如雀麦），在这些系统中传统重新播种方法往往失败。

CRediT作者贡献声明

格雷厄姆·霍尔顿（Graham Holton）：撰写——初稿、可视化、验证、研究。 莫扎特·A·丰塞卡（Mozart A. Fonseca）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论、研究、资金获取、数据分析、概念化。 威廉·理查森（William Richardson）：研究、数据分析。 阿图罗·马西亚斯·弗兰科（Arturo Macias Franco）：软件使用、方法论、研究、数据分析。 塔姆森·斯特林厄姆（Tamzen Stringham）：撰写——

资金支持

内华达州内政部土地管理局（NVSO）内华达州办公室（BLM）资助，项目编号L21AC10323-00。

利益冲突声明

作者声明在写作过程中没有利益冲突，也没有使用生成式AI和AI辅助技术。