種子的休眠與破除研究進(jìn)展

付 楠，宋 慧，王淑君，解慧芳，魏萌涵，邢 璐，張 揚，劉金榮

(安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南安陽 455000)

種子休眠是指適宜萌發(fā)條件下有活力的種子不能正常萌發(fā)的現(xiàn)象，這一特性在自然界相當(dāng)普遍。種子休眠能夠防止種子在不適宜的季節(jié)萌發(fā)，保護(hù)物種在惡劣的環(huán)境條件下存活，它是植物在長期發(fā)育進(jìn)化過程中形成的抵抗外界不良環(huán)境條件的能力，對保持其自身的繁衍發(fā)展具有重要意義。但在農(nóng)林生產(chǎn)中通常需要種子快速萌發(fā)，整齊成苗，以獲取高效益，從這一點來看，種子休眠特性不利于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)。針對種子休眠的分類、休眠原因及破除休眠的方法取得的進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和研究。

1 種子休眠的分類

對于種子休眠的類型目前仍缺乏統(tǒng)一明確的描述或定義。Crocker等[1-2]以種子不能萌發(fā)的原因以及破除休眠的因素為依據(jù)分別構(gòu)建一套分類體系，但由于其均未對休眠成因和解除休眠的條件進(jìn)行深入分析，因此并沒有實際的指導(dǎo)意義。基于生理學(xué)研究的分類方法，Lang[3]將休眠分為生態(tài)休眠、外源休眠和內(nèi)源休眠3種類型，但這種分類未考慮胚的發(fā)達(dá)程度及種皮透性問題，也沒有對休眠程度和解除休眠的模式進(jìn)一步劃分[4]。Nikolaeva[5]將種子休眠劃分為內(nèi)源休眠、外源休眠和綜合休眠3個主要類型，這是目前應(yīng)用最廣的分類體系。外源休眠可分為物理休眠、化學(xué)休眠和機械休眠，是由種皮對胚的機械阻礙、種皮的不透水性、抑制物的存在而引起的；內(nèi)源休眠包括形態(tài)休眠和生理休眠，是由于胚發(fā)育不完全或是種皮的不透氣性引起的；綜合休眠是外源休眠與內(nèi)源休眠綜合導(dǎo)致的。在Nikolaeva的分類基礎(chǔ)上，Baskin 等[6]提出了一套更為完整的種子休眠分類方法，將種子休眠分為生理休眠、形態(tài)休眠、形態(tài)生理休眠、物理休眠和綜合休眠5種休眠類型，這一分類體系也被廣泛接受和應(yīng)用。

2 種子休眠原因

2.1種皮障礙有些種子具有堅厚的果皮或種皮，迫使種子處于休眠狀態(tài)。一旦種皮的性質(zhì)發(fā)生改變，水分和氧氣進(jìn)入種子，種子就能獲得發(fā)芽能力。

2.1.1種皮機械束縛。有些種子的種皮厚而硬，胚根不能突破種皮，種子無法萌發(fā)，這在擬南芥種子中表現(xiàn)突出[7]。

2.1.2種皮不透水、不透氣。有些種子的種皮厚而堅硬或種皮上附著蠟質(zhì)角質(zhì)層，種皮不透水、不透氣導(dǎo)致種子休眠。在豆科、茄科、百合科、錦葵科等植物中硬實的存在是種皮不透水的主要原因[8-9]，有的種子種皮透水性良好，但由于透氧不良而處于休眠狀態(tài)[10-11]。

2.1.3種皮阻止抑制物質(zhì)逸出。有些種子的休眠是因為種皮中含有抑制發(fā)芽的物質(zhì)，種子經(jīng)處理才能萌發(fā)[12-14]。劉序等[15]分析香榧種子外種皮、內(nèi)種皮和胚乳萃取液中內(nèi)源物對白菜種子發(fā)芽和生長抑制的影響，結(jié)果表明種皮中所含的烷類物質(zhì)和胚乳中所含的鄰苯二酚產(chǎn)生的抑制作用最強，抑制率為100%，而內(nèi)種皮的抑制作用較弱。

2.1.4種皮使光線透過胚的效率降低。不同的植物對光的要求各不相同。一般來說，外皮厚、色澤深的種子比外皮薄、色澤淡的種子對光的敏感性要差。為了促使種子萌發(fā)，可根據(jù)種子的需光特性，改變特定紅光或遠(yuǎn)紅光比例的效力[16]。

2.2胚與種子休眠

2.2.1形態(tài)后熟。有些植物的種子從外表上看已充分成熟，并已脫離母株，但內(nèi)部的胚在形態(tài)上尚未成熟，需繼續(xù)完成器官分化才能發(fā)芽。陳發(fā)菊等[17]研究表明巴東木蓮種子休眠的主要原因是種胚發(fā)育不完全。楊凱等[18]發(fā)現(xiàn)種胚發(fā)育不完全以及抑制物ABA的存在可能是導(dǎo)致三七種子形態(tài)生理休眠的主要原因。

2.2.2生理后熟。有的植物種子的胚結(jié)構(gòu)已分化完全，但必須完成其生理后熟才能萌發(fā)生長。在華重樓[19]、銀杏[20]、刺人參[19]、西洋參[21]等作物中存在種胚后熟引起的休眠問題。

2.3抑制物質(zhì)的存在抑制物質(zhì)的存在影響種子的休眠，種皮、胚或胚乳中都可能存在抑制物質(zhì)，抑制劑存在部位不同，解除抑制的方式也不同[22]。王寶龍等[23]發(fā)現(xiàn)楓楊種子浸提液中存在的發(fā)芽抑制物質(zhì)是造成種子休眠的主要原因；楊曉玲等[24]研究表明，酚類物質(zhì)含量高時不利于山楂種子的萌發(fā)，含量低則有利于種子萌發(fā)；劉超等[25]對肉果秤錘樹核果中萌發(fā)抑制物質(zhì)的研究表明，果肉、內(nèi)果皮和種仁中均含酯溶性抑制物，肉果中含量最高，且果肉中還含一定量的水溶性抑制物；Gu等[26]研究表明野生稻種子的抑制劑主要存在于穎殼內(nèi)。

2.4不良環(huán)境的影響光照、溫度、水分、土壤等生長環(huán)境條件也對種子的休眠有影響。如黃振英[27]對沙鞭種子休眠和萌發(fā)的研究表明其在光照下比暗環(huán)境下萌發(fā)好，經(jīng)過低溫層積處理能有效地加速和提高種子萌發(fā)，Allen等[28]發(fā)現(xiàn)未休眠的蒼耳離體胚置于潮濕的黏土或其他低氧條件下會發(fā)生休眠。

3 種子休眠的破除

3.1物理方法

3.1.1機械處理。對于種殼厚硬、透性不良的種子，可擦破種殼提高其透性，促進(jìn)發(fā)芽。如經(jīng)過去皮處理的楠木種子比未去皮處理的種子發(fā)芽提前1個多月[29]；機械破除蒙古扁桃種子的種皮可打破休眠[30]。

3.1.2溫度處理。溫度對種子的萌發(fā)起著至關(guān)重要的作用，適當(dāng)?shù)牡蜏鼗蚋邷靥幚碛欣诟纳品N殼透性，增進(jìn)種子內(nèi)部的新陳代謝，從而促進(jìn)萌發(fā)，解除休眠[31]。進(jìn)行溫度處理時所用溫度和時間應(yīng)視植物品種、種皮厚薄、種子大小而定。如陳文等[32]研究表明室溫干燥儲藏和15 ℃暖溫層積可有效破除野甘草部分種子休眠，而4 ℃低溫層積可破除車前部分種子休眠。任錫亮等[33]研究不同處理方式對雪菜種子打破休眠的影響，發(fā)現(xiàn)低溫預(yù)處理可顯著提高種子發(fā)芽指數(shù)和促進(jìn)種子快速發(fā)芽。楊鷺生等[34]研究表明95 ℃熱水和機械脫種皮處理能有效解除臘腸樹種子休眠。胡秉斌等[35]研究不同水溫浸種對馬蓮花種子萌發(fā)的影響，建議用初始水溫 60 ℃ 浸泡種子來打破休眠，當(dāng)初始水溫超過60 ℃ 時，馬蓮花種子萌發(fā)能力下降。

變溫處理可有效破除硬實種子和生理后熟種子的休眠，尤其對野生植物種子特別有效。魏雨其等[36]以3種野生苔草植物種子為材料，研究打破其休眠的最佳處理方法和發(fā)芽溫度，結(jié)果表明圓囊苔草、膨囊苔草、異穗苔草的最適發(fā)芽溫度分別為 25/15 ℃、30/15 ℃、30/20 ℃變溫處理。李陽等[37]發(fā)現(xiàn)12 ℃高溫后結(jié)合-4 ℃低溫的變溫處理比持續(xù)高溫處理更有利于北五味子種子種胚后熟。李富恒等[38]研究表明變溫層積可加速老山芹種子后熟過程，縮短種子休眠時間，變溫層積處理效果優(yōu)于低溫層積處理。

3.1.3射線、超聲波、電場和磁場處理。利用適當(dāng)劑量的射線、紅外線、紫外線和激光等照射種子，可打破休眠，促進(jìn)萌發(fā)。低劑量60Co-γ射線輻照后，能夠促進(jìn)龍眼種胚組織細(xì)胞生長，促進(jìn)種子萌發(fā)和生長[39]。適量的He-Ne激光處理輻照在一定程度上可以促進(jìn)種子的萌發(fā)和幼苗生長[40-41]。

3.1.4干藏、干濕處理。適當(dāng)降低種子含水量可縮短或解除休眠，如含水量高的新鮮玉米種子萌發(fā)率較低，隨著種子含水量的減少萌發(fā)率逐漸升高，干燥加速種子從發(fā)育狀態(tài)向萌發(fā)狀態(tài)的代謝[42]。張玲衛(wèi)等[43]對伊犁河谷14種野生觀賞植物種子活力及休眠破除進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低溫干藏和超低溫干藏條件下，分別有部分種子萌發(fā)率提高。王世平[44]研究表明干濕交替處理能夠顯著地解除刺玫薔薇種子休眠，提高種子萌發(fā)率。

3.2化學(xué)方法

3.2.1激素處理。激素在種子休眠和萌發(fā)過程中具有重要作用，它們能通過信號傳導(dǎo)對種子內(nèi)各種生理變化做出反應(yīng)，調(diào)節(jié)一系列蛋白質(zhì)、酶的代謝，從而調(diào)控種子的休眠和萌發(fā)。目前，脫落酸、赤霉素和乙烯對休眠種子萌發(fā)和調(diào)控的研究較多[45-46]。研究表明赤霉素和外源乙烯或乙烯利能促進(jìn)休眠種子的萌發(fā)[47-49]，ABA誘導(dǎo)可維持種子休眠，抑制種子的萌發(fā)[50-51]。牛文昊等[52]研究表明適宜濃度的赤霉素、乙烯利、NAA和2,4-D前處理能促進(jìn)薄荷種子的萌發(fā)，也有研究表明油菜素內(nèi)酯[53-54]、CTK[55]能促進(jìn)種子的萌發(fā)。宮慶濤等[56]認(rèn)為植物生長調(diào)節(jié)劑可部分甚至全部替代傳統(tǒng)層積處理的方法來打破北方果樹種子休眠，縮短育苗時間。

雖然激素與種子的休眠和萌發(fā)有密切關(guān)系，但在不同植物上的作用機制不盡相同，加之激素的作用還受多種因素如溫度、光等的影響，所以激素的使用不一定能促進(jìn)所有物種種子的萌發(fā)。有時單獨利用某種激素處理并不能夠促使植物種子萌發(fā)，而需要不同激素共同作用，激素的濃度也直接影響處理的效果。

3.2.2無機化學(xué)試劑處理。一些無機化學(xué)試劑可以解除部分種子的休眠，尤其是硬實種子。如強酸強堿類試劑、鉀鹽和鈉鹽等無機鹽類、過氧化物、一氧化氮等。楊爽等[57]探究不同化學(xué)處理對茅膏菜種子萌發(fā)的影響，結(jié)果表明硫酸、高錳酸鉀、GA3和SDS溶液處理種子均可提高種子發(fā)芽率，萌發(fā)高峰日均有不同程度地提前。段春華等[58]研究表明NaOH處理能顯著提高矮生嵩草種子發(fā)芽率。楊錦昌等[59]發(fā)現(xiàn)采用低溫?zé)崴莼蛉醺g性的化學(xué)處理可顯著提高成熟油楠種子萌發(fā)率，而對于過熟種子，宜采用濃硫酸浸泡 25 min的處理。

3.2.3有機化學(xué)藥劑處理。一些種子可通過有機化學(xué)藥劑處理打破休眠。適宜濃度的有機胺處理可以促進(jìn)植物種子的萌發(fā)[60-62]；劉青等[63]研究有機酸與硝酸銨協(xié)同浸種對黑麥草和高羊茅種子萌發(fā)及初期生長的影響，結(jié)果表明蘋果酸浸種黑麥草和高羊茅的最適濃度分別為15和5 mmol/L，而檸檬酸浸種的最適濃度則為10和5 mmol/L，最適濃度浸種條件下草坪植物的發(fā)芽率、種子活力相比對照顯著增加。

3.3生物處理在自然環(huán)境中，有很多因素也可以促進(jìn)萌發(fā)，打破休眠。動物對果實的采食有利于種子的萌發(fā)；成熟脫落的果實腐爛發(fā)酵后可能解除休眠；某些微生物產(chǎn)生的物質(zhì)，也可打破種子休眠或促進(jìn)種子萌發(fā)。

3.4綜合處理許多植物種子的休眠是由多因素造成的，在實踐中往往綜合應(yīng)用多種方法來打破休眠。蔡薇等[64]發(fā)現(xiàn)層積90 d后加入6-BA 50 mg/L浸泡24 h有利于大百合種子胚后熟并促進(jìn)種子萌發(fā)。Dashti等[65]對蔥屬植物mooseer用硫酸處理、砂紙摩擦處理、低溫層積處理和GA3處理以研究這些因素對種子休眠的影響，當(dāng)單個因素處理時對種子的萌發(fā)沒有顯著影響，而4種處理結(jié)合使用時，種子的萌發(fā)率有顯著提高。鴉瓣種子屬綜合休眠型，但以胚形態(tài)休眠為主，剛成熟老鴉瓣種子胚率僅為10%左右，種皮無透水障礙，300 mg/L赤霉素浸泡處理24 h后，25 ℃恒溫層積70 d再轉(zhuǎn)入5 ℃低溫層積種胚成熟最快[66]。侯冬花等[67]證明了低溫層積與GA3綜合處理可以促進(jìn)野生杏種子萌發(fā)。

4 展望

綜上所述，造成植物種子休眠的原因各異，而且往往是由多因素引起的，綜合采取多種措施可在一定程度上有效破除休眠，促進(jìn)種子萌發(fā)。但種子休眠是一個非常復(fù)雜的問題，其休眠機制尚未明確，目前，針對種子休眠和萌發(fā)的分子研究已經(jīng)展開，但主要集中在擬南芥、水稻等模式植物上。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是新一代測序技術(shù)的出現(xiàn)，對非模式植物休眠機制的深入研究成為可能。伴隨種子休眠與萌發(fā)機理的揭示，可以利用種子的休眠實現(xiàn)貯藏目的，也可以在農(nóng)林生產(chǎn)中有效打破休眠快速獲得種苗。