北蒼術(shù)種子的萌發(fā)特性及其生態(tài)適應(yīng)性研究

姜雨昕，姜大成，翁麗麗，孫 金，肖春萍

(長春中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，吉林 長春 130117)

北蒼術(shù)(Atractylodeschinensis(DC.) Koidz.)為菊科蒼術(shù)屬多年生草本植物，主產(chǎn)于我國吉林、遼寧、河北、內(nèi)蒙古等地，以其干燥根莖入藥，具有燥濕健脾、祛風(fēng)散寒的功效，主要用于濕阻中焦、脘腹脹滿、風(fēng)寒感冒等癥[1,2]，還具有抗菌抗炎、降血壓、抗腫瘤及保肝利尿等多種藥理作用[3,4]。蒼術(shù)是健脾祛濕的常用藥材，近幾年成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點品種。研究發(fā)現(xiàn)，蒼術(shù)在治療消化系統(tǒng)的作用機制主要包括調(diào)節(jié)MAPK信號通路功能[5]及增強機體免疫功能[6]等。2003年“非典”爆發(fā)后，北蒼術(shù)的市場需求量激增，野生資源蘊藏量日益減少，有關(guān)北蒼術(shù)人工繁育和栽培的研究勢在必行。

目前，北蒼術(shù)引種栽培面臨種子發(fā)芽率和出苗率低(僅為50%左右)、出苗緩慢且不整齊等問題。已有報道研究了溫度、播種深度和育苗基質(zhì)等條件對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響[7,8]，但仍缺乏對北蒼術(shù)種子萌發(fā)適宜條件的綜合研究。針對這一問題，本研究從影響北蒼術(shù)萌發(fā)的主要環(huán)境因素(溫度、水分、光照、基質(zhì)、激素)入手，系統(tǒng)探索其種子萌發(fā)特性和生態(tài)適應(yīng)性，以期為北蒼術(shù)種子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制定、不同引種地區(qū)種苗繁育及藥材規(guī)范化生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

北蒼術(shù)種子于2018年9月采自吉林省柳河縣北蒼術(shù)栽培基地(下簡稱“基地”)。采后晾干，除去雜質(zhì)，4 ℃儲藏備用。基地位于42°12′56″E，125°33′59″N，海拔約463 m，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季潮濕多雨，秋季溫潤涼爽，年均氣溫5.5 ℃，年均日照2 479 h，年均降水量736 mm。

1.2 試驗試劑及儀器

萘乙酸(NAA，純度>98%)，2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D，純度>98%)，赤霉素(GA3，純度>90%)，細(xì)胞分裂素(6-BA，純度>99%)均購于上海源葉生物科技有限公司，智能人工氣候培養(yǎng)箱(上海博迅實業(yè)有限公司)、Water Purifier實驗室專用超純水機(上海富詩特儀器設(shè)備有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1形態(tài)特征

觀察北蒼術(shù)種子的大小、形狀、種皮顏色，是否有冠毛等[9]。

1.3.2種子含水量測定

取北蒼術(shù)種子3份，每份4.5～5.0 g，放入預(yù)先烘干恒重的培養(yǎng)皿內(nèi)，110～115 ℃烘至8 h，取出后放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫，稱重(精確至0.001 g)。

1.3.3種子吸水率測定

取北蒼術(shù)種子10份，每份100粒，置于鋪有海綿+濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm，下同)中，每天加入5 mL去離子水，在20 ℃恒溫下使其自然吸水，直到種子重量恒定，分別于0、2、4、6、8、10、12、22、24、30、48 h將種子從培養(yǎng)皿中取出，用吸水紙吸干種子表面水分后稱重，重復(fù)3次[9]。

種子吸水率(%)=[(種子吸水后重量-種子吸水前重量)/種子吸水前重量]×100%。

1.3.4單因素試驗

試驗分別考察了種子培養(yǎng)過程中培養(yǎng)溫度(4、10、15、20、25、30 ℃)、培養(yǎng)光照時間(全黑暗，光照6 h、光照12 h、光照18 h)、培養(yǎng)基質(zhì)(海綿+濾紙、沙子、沙子∶珍珠巖=1∶1、沙子∶珍珠巖=1∶2、沙子∶珍珠巖=1∶4)、基質(zhì)加水量(0.5、1.25、5 mL)、激素類型(NAA、2,4-D、GA3、6-BA)和激素濃度(1、2、3、4、5、15、25 mg·L-1)對北蒼術(shù)種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響。

試驗選取大小一致、健康飽滿的北蒼術(shù)種子，用2%次氯酸鈉處理30 s，50%酒精處理1 min，消毒結(jié)束用去離子水洗凈3次，放在滅菌后的培養(yǎng)皿中，置于恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。不同培養(yǎng)條件下各處理均3次重復(fù)，每皿50粒種子，從種子放入恒溫培養(yǎng)箱次日起開始觀察，以胚根突破種皮1 mm為標(biāo)準(zhǔn)記錄發(fā)芽狀況，每隔24 h觀察并統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)，計算種子發(fā)芽勢，以連續(xù)3 d不發(fā)芽結(jié)束統(tǒng)計，并計算種子發(fā)芽率。

發(fā)芽勢(%)=(在規(guī)定天數(shù)內(nèi)發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(規(guī)定天數(shù)后發(fā)芽種子的粒數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

1.4 北蒼術(shù)種子萌發(fā)條件的優(yōu)化

在單因素試驗基礎(chǔ)上，以種子發(fā)芽率為指標(biāo)，分別選擇溫度(A)，基質(zhì)加水量(B)，基質(zhì)類型(C)，6-BA浸種濃度(D)為考察因素，采用L9(34)正交表進(jìn)行試驗設(shè)計，因素水平安排見表1。

表1 正交試驗因素與水平

1.5 數(shù)據(jù)分析

從種子置床之日起開始觀察，以胚芽突破種皮為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每24 h定時觀察記錄種子發(fā)芽情況并統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)，統(tǒng)計發(fā)芽勢，連續(xù)4 d種子的發(fā)芽數(shù)無變化，視為發(fā)芽結(jié)束，計算發(fā)芽率。發(fā)芽勢和發(fā)芽率計算采用翁貴英等[10]方法，采用SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析，采用正交設(shè)計助手ⅡV 3.1進(jìn)行正交試驗分析。

2 結(jié)果與結(jié)論

2.1 北蒼術(shù)種子的基本特征

瘦果倒卵圓形，褐色或棕褐色，長0.68～0.80 cm，寬0.10～0.28 cm。表面被稠密順向貼伏的白色長直毛。冠毛剛毛黃白色，長0.77～0.80 cm，羽毛狀，基部聯(lián)合成環(huán)(圖1)。種子千粒重為14.220 g，含水量約為6.51%。

2.2 北蒼術(shù)種子吸水率測定

從圖2可知，北蒼術(shù)種子在整個吸水膨脹過程中，吸水量隨浸種時間延長呈增加的趨勢。在0～6 h時，北蒼術(shù)種子的吸水速率最大，吸水量達(dá)到100%，說明北蒼術(shù)種子依賴原生質(zhì)的親水膠體吸水，吸水多，吸脹期較短；6～22 h時，北蒼術(shù)種子吸水速率變化不顯著，在10 h時吸水量僅為120%，種子吸水進(jìn)入停滯期；吸水22 h之后，北蒼術(shù)種子吸水速率不再增加，吸水基本處于飽和狀態(tài)。由此說明，北蒼術(shù)種子具有良好的吸水性。

2.3 單因素考察

2.3.1溫度對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

由表2可知，不同培養(yǎng)溫度下，北蒼術(shù)種子萌發(fā)程度不同。在4 ℃和10 ℃下的北蒼術(shù)種子幾乎無萌發(fā)；15～30 ℃下北蒼術(shù)種子萌發(fā)率顯著升高，達(dá)68.8%～96.0%，特別在20～25 ℃時北蒼術(shù)發(fā)芽率最高(p<0.05)，說明北蒼術(shù)種子萌發(fā)對溫度較為敏感，溫度過高或過低均抑制其萌發(fā)[11]，故確定適宜萌發(fā)溫度為15～30 ℃。

2.3.2基質(zhì)對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

由表3可知，不同培養(yǎng)基質(zhì)中北蒼術(shù)種子的發(fā)芽率可達(dá)80.0%～96.0%。其中以沙子為萌發(fā)基質(zhì)時，其發(fā)芽率最低(80.0%，p<0.05)，而海綿+濾紙，沙子珍珠巖混合種子發(fā)芽率達(dá)到90%以上，故確定海綿+濾紙，沙子珍珠巖混合作為培養(yǎng)基質(zhì)。

2.3.3光照時間對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

由圖3可知，培養(yǎng)8 d后不同光照時間對北蒼術(shù)種子萌發(fā)無影響(p>0.05)。在全黑暗條件下北蒼術(shù)種子發(fā)芽率為95.6%，與光照6～18 h的種子發(fā)芽率無顯著差異，表明北蒼術(shù)是中性種子，萌發(fā)時對光無嚴(yán)格要求，在光下和暗中均能萌發(fā)。

圖1 北蒼術(shù)種子

圖2 北蒼術(shù)種子的吸水規(guī)律

圖3 光照時間對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

表2 溫度對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

表3 基質(zhì)對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

表4 基質(zhì)含水量對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

2.3.4基質(zhì)含水量對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

由表4可知，不同基質(zhì)加水量處理下，北蒼術(shù)種子萌發(fā)程度不同(p<0.05)。在基質(zhì)加水量為0.5 mL時種子無萌發(fā)，1.25 mL時發(fā)芽率為71.2%，5 mL時發(fā)芽率達(dá)91%，故確定北蒼術(shù)種子萌發(fā)的基質(zhì)加水量為1.25～5 mL。

2.3.5不同激素浸種對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

由圖4可知，不同激素浸種處理對北蒼術(shù)種子萌發(fā)影響不同。其中，NAA，2,4-D對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的促進(jìn)作用較小，GA3和6-BA對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的促進(jìn)作用較強，其中6-BA的影響最大(p<0.05)，故確定北蒼術(shù)種子萌發(fā)的浸種激素為6-BA。

2.3.6不同濃度6-BA浸種對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

由圖5可知，6-BA濃度在1～25 mg·L-1時，不同濃度北蒼術(shù)種子的發(fā)芽勢差異性不顯著(p>0.05)，從節(jié)約成本的角度考慮，故確定北蒼術(shù)種子萌發(fā)的激素(6-BA)浸種濃度為1～2 mg·L-1。

2.4 正交試驗

按表1正交設(shè)計方案進(jìn)行溫度、基質(zhì)含水量、培養(yǎng)基質(zhì)和激素浸種濃度試驗。結(jié)果(表5、表6)表明，北蒼術(shù)種子萌發(fā)的最適宜條件為A2B3C1D3，且4個因素的影響大小順序依次為B>A>C>D，其中溫度(A)，基質(zhì)含水量(B)，培養(yǎng)基質(zhì)(C)對北蒼術(shù)種子萌發(fā)影響均具有顯著性(p<0.05)，而浸種濃度(D)影響不顯著，即將北蒼術(shù)種子在溫度20 ℃，基質(zhì)含水量為40%(加水量為5 mL)，基質(zhì)為海綿+濾紙，6-BA浸種濃度為2 mg·L-1培養(yǎng)時，北蒼術(shù)種子的發(fā)芽率最高，而浸種濃度(D)雖不會提高種子發(fā)芽率，但有促進(jìn)種子提前萌發(fā)的作用，故選擇D3即浸種濃度為2 mg·L-1。分別取3份種子各50粒，按照最佳種子萌發(fā)因素進(jìn)行發(fā)芽率驗證實驗，分別測定北蒼術(shù)種子發(fā)芽率為98.0%，97.3%，98.2%，表明該最佳因素穩(wěn)定可靠。

圖4 不同激素浸種對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

圖5 不同濃度6-BA浸種對北蒼術(shù)種子萌發(fā)的影響

表5 北蒼術(shù)種子萌發(fā)適宜條件直觀分析結(jié)果

表6 北蒼術(shù)種子萌發(fā)適宜條件方差分析結(jié)果

3 討 論

菊科植物北蒼術(shù)可產(chǎn)生大量瘦果，并借助冠毛傳播擴散，有利于其繁殖。但在北蒼術(shù)實際生產(chǎn)中存在著種子出苗率低、出苗緩慢等問題[12]，制約著北蒼術(shù)的規(guī)模化種植與生產(chǎn)。種子吸水是其長期適應(yīng)自然生境的結(jié)果[9]，是種子萌發(fā)的第一步。在24 h內(nèi)吸水可達(dá)到飽和的種子，證明其種皮不是種子萌發(fā)的障礙[13]。試驗結(jié)果表明，北蒼術(shù)種子在24 h內(nèi)達(dá)到吸水飽和，說明其種皮透性良好，種子本身無萌發(fā)障礙。

此外，影響種子萌發(fā)的環(huán)境條件包括充足的水分、適宜的溫度及光照條件等[8,14,15]。相同植物種子在不同地區(qū)播種時期不同，在具體田間生產(chǎn)中應(yīng)綜合考慮光照、溫度、水分等因素互作，以提高種子萌發(fā)率[16,17]。研究表明，北蒼術(shù)種子室內(nèi)培養(yǎng)溫度為20 ℃，培養(yǎng)基質(zhì)為海綿+濾紙且加水量5 mL(即基質(zhì)含水量40%)時，北蒼術(shù)種子發(fā)芽率最高。在同一培養(yǎng)溫度和基質(zhì)下，當(dāng)基質(zhì)含水量下降75%時，北蒼術(shù)種子的萌發(fā)率仍能達(dá)到71.2%，加之北蒼術(shù)分布環(huán)境廣泛，野生多分布于陽坡的林緣及草叢中，推測北蒼術(shù)種子萌發(fā)對栽培土壤含水量要求不嚴(yán)格，這與鄭金雙等[8]研究結(jié)果一致。

有研究表明，北蒼術(shù)種子最適發(fā)芽溫度為15 ℃，幼胚生長最適溫度為20 ℃和25 ℃[11]。本試驗設(shè)計的溫度梯度為4～30 ℃，觀察期內(nèi)4～10 ℃北蒼術(shù)種子幾乎無萌發(fā)，20～25 ℃時北蒼術(shù)發(fā)芽勢和發(fā)芽率最高且整齊一致。觀察還發(fā)現(xiàn)，同一培養(yǎng)基質(zhì)和含水量下，不同培養(yǎng)溫度的北蒼術(shù)種子胚根和真葉生長也有明顯差異，說明北蒼術(shù)種子發(fā)芽與幼苗形態(tài)建成對溫度較敏感。因此，北蒼術(shù)播種和育苗管理中應(yīng)考慮適宜播種期的調(diào)整、播種的深度及播種后覆蓋保溫等措施的影響。

北蒼術(shù)從播種到出苗結(jié)束需要33 d[12]，且出苗率低，采用適當(dāng)濃度激素(吲哚乙酸、赤霉素、細(xì)胞分裂素)處理有利于促進(jìn)種子萌發(fā)且縮短發(fā)芽周期[18,19]。研究發(fā)現(xiàn)，NAA、2,4-D、GA3和6-BA浸種均對北蒼術(shù)種子萌發(fā)有促進(jìn)作用，且6-BA(2 mg·L-1)的促進(jìn)作用最強，這可能與6-BA能促進(jìn)和提高細(xì)胞分裂能力和光化學(xué)反應(yīng)[20]有關(guān)。因此，在后期研究中應(yīng)針對激素種類、激素比例進(jìn)行深入研究，這對北蒼術(shù)種子包衣技術(shù)更新及萌發(fā)機制探索有重要意義。

綜上所述，北蒼術(shù)種子的最佳萌發(fā)條件為20 ℃，基質(zhì)(海綿+濾紙)含水量為40%，6-BA浸種濃度為2 mg·L-1。種子萌發(fā)對物種更新至關(guān)重要，種子發(fā)芽率降低將嚴(yán)重影響植物的競爭能力[21,22]。本試驗通過實驗室內(nèi)篩選有利于北蒼術(shù)種子萌發(fā)的最適條件，綜合考慮光照、溫度、土壤、水分等因素的互作影響，以期提高北蒼術(shù)種子的萌發(fā)率和幼苗的成活率，并為北蒼術(shù)不同地區(qū)引種栽培提供理論指導(dǎo)。另外，針對實際生產(chǎn)中北蒼術(shù)種子發(fā)芽率提高但出苗不整齊這一問題，有待進(jìn)一步研究。