塔里木荒漠豆科植物種子休眠原因與破除方法研究

杜小芳， 韓 路， 王海珍

（塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院， 新疆 阿拉爾843300）

甘 草 （Glycyrrhiza inflata Batal.）、苦 豆 子（Sophora alopecuroides L.）和 苦 馬 豆 （Swainsonia salsula Taub.）均屬豆科多年生草本植物，廣泛分布于新疆塔里木干旱荒漠區(qū)，耐干旱、耐瘠薄、根系比較發(fā)達(dá)，抗鹽堿性強(qiáng)，適應(yīng)性廣，是理想的防風(fēng)固沙和水土保持植物；營(yíng)養(yǎng)豐富，莖葉可作飼料和綠肥。除此之外，它們還被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品和日用化工及農(nóng)藥生產(chǎn)領(lǐng)域［1－4］，具有重要的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但目前這些鄉(xiāng)土植物在荒漠植被恢復(fù)中潛在的價(jià)值還末受到重視，對(duì)這些植物的生物生態(tài)學(xué)及種苗學(xué)特性缺乏了解是限制這些植物得以開(kāi)發(fā)利用的原因之一。

種子休眠在植物中普遍存在，是植物適應(yīng)逆境和保護(hù)物種延續(xù)的一種策略，但在生產(chǎn)和科研中經(jīng)常需要破除休眠。已有研究表明，苦馬豆和苦豆子種子硬實(shí)率極高（＞92%），未加處理的甘草種子發(fā)芽率低于20%［2－4］。因此，研究生產(chǎn)中如何破除硬實(shí)、打破休眠，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)種子休眠機(jī)制、休眠解除方法及其機(jī)理已有大量研究，破除休眠方法主要有物理法、化學(xué)法和綜合法［2，4－6］。但由于不同方法破除種子休眠的效果因物種與具體措施不同而異，若處理方法不當(dāng)（如時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或濃度、溫度過(guò)高等）則有可能引起種子死亡或不正常苗增多［7］。因此，對(duì)種子進(jìn)行大批量處理前，必須探尋合適的處理方法和條件。當(dāng)前，新疆南部土地荒漠化加劇，植被破壞、過(guò)度放牧和生態(tài)演替，導(dǎo)致豆科野生資源量急劇下降，嚴(yán)重制約區(qū)域植被恢復(fù)與飼料、藥用價(jià)值的開(kāi)發(fā)，迫切需要建立規(guī)?；斯ぴ耘嗉夹g(shù)［8］。因此，快速有效地破除荒漠豆科種子休眠是解決區(qū)域植被恢復(fù)與產(chǎn)業(yè)化等問(wèn)題的關(guān)鍵。本試驗(yàn)以荒漠豆科植物甘草、苦豆子和苦馬豆種子為試驗(yàn)材料，分析不同物理和化學(xué)方法處理后的發(fā)芽效果，探討荒漠豆科植物種子休眠原因與破除休眠的最佳方法，為大規(guī)模人工種植栽培、區(qū)域植被恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

甘草、苦豆子、苦馬豆種子于2011年10月采集于塔里木河兩岸，室內(nèi)風(fēng)干后揉搓過(guò)篩除去雜質(zhì)、爛粒、蟲(chóng)蝕粒；而后用液體比重法［9］精選出健康飽滿的種子，室溫下晾干貯藏備用。實(shí)驗(yàn)前先用0.4%高錳酸鉀溶液浸泡種子、消毒15min，清水漂洗5～8次后晾干，選取健康飽滿、均勻一致的種子做發(fā)芽試驗(yàn)。

1.2 種子處理方法

1.2.1 物理法處理

熱水處理：3種豆科植物種子置于100mL燒杯中，分別加入60，80，95℃的熱水，置于恒溫水浴鍋分別加熱1，5，10，15min，取出冷卻至室溫。變溫處理：加入60℃熱水浸泡6h，再置于95℃沸水2～3s，撈出冷水冰激，再置于60℃熱水浸泡2h，冷卻至室溫。破損種皮處理：采用小剪刀將種皮剪一小孔和研缽中用砂粒進(jìn)行研磨至種皮出現(xiàn)破損2種處理方法。

1.2.2 化學(xué)法處理

硫酸 濃 度 為 30%、50%、70%、80%、90%、98%，浸泡時(shí)間為10，30，50，70，90min；赤霉素濃度為0.5，2，3.5，5mg／L，分別浸泡24h與48h；95%乙醇和30%過(guò)氧化氫分別浸泡10，30，50min；氫氧化鈉濃度為40%、50%，分別浸泡30，60，90min。所有處理后的種子均用清水沖洗干凈后置床發(fā)芽。

1.3 發(fā)芽試驗(yàn)

采用紙上發(fā)芽法，將物理法與化學(xué)法處理后的種子至于已編好號(hào)的培養(yǎng)皿中（紙床），每皿50粒，置于光照培養(yǎng)箱中發(fā)芽，各處理均重復(fù)3次。培養(yǎng)條件：溫度25℃，8h光照，16h黑暗，濕度80%；發(fā)芽期間適時(shí)補(bǔ)水以保持發(fā)芽床濕潤(rùn)，種子萌發(fā)以胚根突破種皮、肉眼可見(jiàn)為標(biāo)準(zhǔn)，逐日統(tǒng)計(jì)各處理的發(fā)芽種子數(shù)，發(fā)芽時(shí)間為8d，計(jì)算發(fā)芽率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel錄入并作圖，利用SAS 6.12軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將數(shù)據(jù)進(jìn)行反正弦轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行方差分析，DUNCAN法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 荒漠豆科植物種子休眠原因

由圖1可見(jiàn)，3種荒漠豆科植物種子在25℃條件下的發(fā)芽率普遍較低且硬實(shí)率較高，其中苦豆子種子發(fā)芽率最高（9.33%），苦馬豆最低（1.33%），脹果甘草發(fā)芽率居中（5.33%）。采用剝除外種皮處理，3種豆科種子的發(fā)芽率分別為100%、100%和99%，三者無(wú)顯著差異（p＞0.05），但均與未任何處理的完整種子發(fā)芽率達(dá)極顯著差異（p＜0.01），說(shuō)明荒漠豆科植物種子均存在著嚴(yán)重的硬實(shí)現(xiàn)象，而外種皮（種殼）的通透性差是導(dǎo)致種子休眠的主要原因。因此提高種子發(fā)芽的關(guān)鍵因素是破除種皮障礙、打破休眠。

圖1 25℃下供試種子的發(fā)芽率

圖2 物理處理方法對(duì)種子萌發(fā)的影響

2.2 不同物理處理方法對(duì)豆科植物種子萌發(fā)的影響

發(fā)芽率是反映種子質(zhì)量的重要指標(biāo)。由圖2可見(jiàn)，剪破外種皮和砂磨種皮處理均能打破種皮限制、增加通透性而顯著提高種子發(fā)芽率，且培養(yǎng)3～4d均有60%以上的種子發(fā)芽，2處理間無(wú)顯著差異（除砂磨甘草種子）。這可能是甘草種皮較厚硬，部分種皮沒(méi)有完全破損而不能正常萌發(fā)所致。變溫處理對(duì)打破種子硬實(shí)效果較差，發(fā)芽率均較低；但苦豆子種子在變溫處理下發(fā)芽率（40%）明顯高于其它2種豆科種子，這可能與苦豆子種皮較薄或?qū)錈狍E變敏感?？梢?jiàn)，破除種皮限制是打破休眠、提高種子發(fā)芽率的有效方法。

由圖3可知，3種豆科植物種子發(fā)芽率總體隨水溫增加和浸泡時(shí)間延長(zhǎng)而提高，但甘草與苦豆子種子對(duì)各種溫度處理均不敏感，發(fā)芽率均低于15%；而苦豆子種子發(fā)芽率在60℃熱水浸泡處理下低于10%，隨水溫增加發(fā)芽率明顯提高，80，95℃熱水處理下分別提高至43%、58%，但不同浸泡時(shí)間發(fā)芽率無(wú)顯著差異（p＞0.05）。

2.3 硫酸處理對(duì)豆科植物種子萌發(fā)的影響

由圖4可知，荒漠豆科植物種子發(fā)芽率隨硫酸濃度增加和處理時(shí)間延長(zhǎng)而提高，但低濃度硫酸（30%～70%）酸蝕不同時(shí)間（10～90min）條件下發(fā)芽率均低于21%，且處理時(shí)間與處理間均無(wú)顯著差異（p＞0.05）。80%硫酸處理下3種豆科植物反應(yīng)不一致，甘草、苦馬豆、苦豆子種子分別于處理70～90min、50～90min、90min時(shí)發(fā)芽率達(dá)到100%，＜30min效果較差。90%、98%硫酸于處理時(shí)間＞10min條件下，3種豆科植物種子發(fā)芽率均＞93%，且不同處理時(shí)間（30～90min）發(fā)芽率無(wú)顯著差異（p＞0.05）。綜合來(lái)看，90%與98%硫酸于處理時(shí)間30～50min為最佳。

圖3 熱水處理方法對(duì)種子萌發(fā)的影響

圖4 硫酸處理對(duì)豆科植物種子萌發(fā)的影響

圖5 化學(xué)法處理對(duì)豆科植物種子萌發(fā)的影響

表1 不同濃度赤霉素對(duì)3種豆科植物種子萌發(fā)的影響

2.4 赤霉素對(duì)3種豆科植物種子萌發(fā)的影響

由表1可知，不同濃度赤霉素分別浸泡3種豆科植物種子24，48h后，種子發(fā)芽均較低（最高達(dá)28%，最低為1%），但物種間存在差別，甘草與苦馬豆種子在不同濃度赤霉素處理24，48h，發(fā)芽率明顯低于苦豆子，各處理發(fā)芽率均＜10%，且不同濃度、相同處理時(shí)間下均無(wú)顯著差異（p＞0.05）。不同濃度赤霉素能解除苦豆子種子休眠，但效果不顯著，最佳處理（0.5 mg／L，48h）的發(fā)芽率僅為28%。

2.5 過(guò)氧化氫、乙醇、氫氧化鈉對(duì)3種豆科植物種子萌發(fā)的影響

由圖5可見(jiàn)，3種豆科植物種子發(fā)芽率在30%過(guò)氧化氫、95%乙醇和40%、50%氫氧化鈉處理下均低于25%，苦馬豆發(fā)芽率最低（僅為5%），苦豆子發(fā)芽率最高，是甘草、苦馬豆的3倍以上。不同浸泡時(shí)間對(duì)解除種皮限制、打破休眠無(wú)顯著差異，3種化學(xué)試劑效果基本一致。

3 討 論

種子休眠是植物適應(yīng)生態(tài)環(huán)境和氣候變化以保持自身繁殖發(fā)展而形成的生物特性，也是調(diào)節(jié)萌發(fā)的最佳時(shí)間和空間分布的有效方法。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上首先要判斷種子是否具有休眠習(xí)性，其次是休眠原因。通常種子休眠原因大致分兩大類：一是內(nèi)源性休眠，一般用低溫層積、變溫處理、干燥、激素處理等方法可解除；二是外源性休眠，用物理、化學(xué)方法破壞種皮或去除種殼即可解除［5－6，10］。本研究測(cè)定3種豆科植物種子發(fā)芽率均低于10%，顯然荒漠豆科植物種子具有休眠習(xí)性；通過(guò)物理、化學(xué)方法破損種皮證明其休眠原因與胚、胚乳無(wú)關(guān)，而與種皮結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，即種皮透性差是導(dǎo)致種子休眠的重要原因。

物理性種子休眠普遍存在于豆科植物，常給種苗繁育和植被恢復(fù)帶來(lái)諸多困難，因而生產(chǎn)上研究破除種子休眠的有效方法顯得非常必要。針對(duì)荒漠豆科植物種子種皮障礙問(wèn)題，可利用一些處理方法來(lái)改善種皮通透性，促進(jìn)水氣交換，提高種子內(nèi)代謝物質(zhì)活性，促進(jìn)種子萌發(fā)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，結(jié)構(gòu)休眠可利用割傷、磨破或部分切除等解除休眠，或用強(qiáng)酸（H2SO4）、氧化劑（H2O2）、赤霉素等處理，其中最常用的方法為機(jī)械摩擦和濃H2SO4處理［2－6，11－13］。3種荒漠豆科植物種子發(fā)芽率隨H2SO4濃度和處理時(shí)間延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但濃度與處理時(shí)間對(duì)破除種子休眠效果明顯不同。＜80%H2SO4處理下，豆科植物種子發(fā)芽率低于20%，80%～98%H2SO4和酸蝕時(shí)間≤10min的效果較差，處理30～90min的效果較好，其中以90%和98%H2SO4處理效果最佳，種子發(fā)芽率超過(guò)93%以上。盡管濃硫酸可在短時(shí)間內(nèi)使種皮變薄，破壞種皮外層致密組織并消除珠孔等部位的堵塞物，增強(qiáng)種皮透性并減弱機(jī)械障礙［2，14］，顯著提高種子發(fā)芽率，但由于濃硫酸具強(qiáng)腐蝕性，處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能對(duì)種胚造成傷害，增加種子腐爛數(shù)量。王進(jìn)報(bào)道，H2SO4處理90min后苦豆子種子發(fā)芽率顯著降低且致死種子數(shù)明顯升高［4］。對(duì)3種荒漠豆科植物種子而言，90%和98%H2SO4酸蝕時(shí)間分別為50，30min為最佳，這與 孫 群 等［15］、王 秀 英 等［11］、王 進(jìn)等［4］及 胡 小 文等［12］的研究結(jié)果相似。這表明用H2SO4處理硬實(shí)種子時(shí)所選用的時(shí)間和濃度應(yīng)使種子外種皮損傷而不傷及胚和中、內(nèi)種皮為最好［4］。此外，荒漠豆科硬實(shí)種子遭遇酸、堿、鹽、激素、冷、熱環(huán)境都可促使種子陸續(xù)萌發(fā)，這有利于其在全球氣候變化背景下的不確定降水環(huán)境中的物種延續(xù)。

相比硫酸處理，熱水處理是一種更為經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的種子處理手段。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，荒漠豆科種子發(fā)芽率總體隨熱水溫度升高和浸泡時(shí)間延長(zhǎng)而提高，不同溫度熱水處理均有一定破除種子休眠效果且因物種不同而差異明顯，甘草和苦馬豆種子發(fā)芽率＜10%，苦豆子＞35%?？喽棺臃N子以95℃、15min處理效果最好，發(fā)芽率達(dá)64%，這與胡小文等［15］報(bào)道80℃、10min處理效果最好并不一致。60℃處理效果最差，發(fā)芽率均＜8%，但在一定時(shí)間范圍內(nèi)，較長(zhǎng)時(shí)間處理相比短時(shí)間處理其休眠破除效果均得到了提高，但物種間表現(xiàn)并不一致。因此，對(duì)不同物種種子進(jìn)行大批量處理前，必須探尋合適的處理方法和條件。

許多研究表明，機(jī)械損傷種皮是處理硬實(shí)種子最有效的方法［2－4］。實(shí)驗(yàn)采用剪破種皮和砂磨處理對(duì)打破3種荒漠豆科植物種子休眠效果非常顯著，種子發(fā)芽率均超過(guò)95%。此法與濃硫酸處理相比，操作簡(jiǎn)單易行且不污染環(huán)境，尤其利用小型種子摩擦機(jī)或電動(dòng)磨米機(jī)去除種皮（以破皮而不傷種仁為好）是值得推廣的高效方法。此外砂磨或砂紙擦傷種皮處理雖然可以打破種子休眠，但擦傷的技術(shù)指標(biāo)難以統(tǒng)一，從而使其發(fā)芽率受到一定影響，因而大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用還需要進(jìn)一步研究。

赤霉素、過(guò)氧化氫、乙醇、氫氧化鈉對(duì)破除荒漠豆科植物種子休眠均有一定效果，但種子發(fā)芽率均＜30%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，赤霉素處理對(duì)打破甘草、苦馬豆種子休眠幾乎沒(méi)有影響，這可能與2者種殼較厚，溶液沒(méi)有充分滲透到種子內(nèi)有關(guān)。但其能提高苦豆子發(fā)芽率，這與劉紅玲等［13］的研究結(jié)果一致。此外，赤霉素浸種時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)供試種子休眠解除的影響不大。過(guò)氧化氫、乙醇、氫氧化鈉處理荒漠豆科植物種子后，發(fā)芽率均有一定程度提高，尤其對(duì)苦豆子的效果明顯優(yōu)于其它種子，但效果并不理想，這一結(jié)果與司馬義·巴拉提等［3］報(bào)道的結(jié)果一致。但鄭金輝等［16］報(bào)道氫氧化鈉能夠有效地解除紫椴種子的休眠，提高發(fā)芽率，這與物種種子特性及休眠機(jī)理不同有關(guān)?？梢?jiàn)，這些化學(xué)藥劑不宜在生產(chǎn)上應(yīng)用來(lái)破除荒漠豆科植物種子休眠。

4 結(jié) 論

1）塔里木3種荒漠豆科植物種子具有休眠習(xí)性，屬典型的物理性種殼休眠。

2）熱水、赤霉素、過(guò)氧化氫、乙醇、氫氧化鈉等對(duì)破除荒漠豆科植物種子休眠均有一定效果，但效果不佳。

3）濃硫酸處理是打破豆科植物種子休眠的有效方法，80%以上濃度的H2SO4處理效果較好。對(duì)于荒漠豆科植物種子而言，90%和98%H2SO4處理時(shí)間分別為50，30min為最佳，種子發(fā)芽率超過(guò)98%。生產(chǎn)上應(yīng)用注意針對(duì)不同物種選擇合適的處理時(shí)間且及時(shí)清水沖洗干凈。

4）機(jī)械破損種皮（剪破種皮和砂磨）能有效打破種子休眠、顯著提高發(fā)芽率，但應(yīng)用時(shí)注意不能傷到胚乳。生產(chǎn)上可利用小型種子摩擦機(jī)或電動(dòng)磨米機(jī)破損種皮，是值得推廣的高效方法。

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