不同處理對牛枝子種子萌發(fā)和宿存萼片的影響

馬鵬程， 謝全剛， 趙 祥， 董其軍， 張吉宇*

(1.草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院， 甘肅 蘭州 730020； 2. 河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生態(tài)工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000； 3. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 山西 太谷 030801； 4. 酒泉市未來草業(yè)有限責(zé)任公司， 甘肅 酒泉 735000)

牛枝子(LespedezapotaniniiVass.)為豆科胡枝子屬多年生牧草，生長于荒漠草原、草原帶的沙質(zhì)地、礫質(zhì)地、丘陵地、石質(zhì)山坡及山麓[1-2]。自2003年起，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院在內(nèi)蒙古阿拉善盟，發(fā)現(xiàn)豆科牛枝子作為少有的優(yōu)良牧草，在年降水量為120 mm的荒漠草原生長良好，因而開展了馴化選育，以產(chǎn)量性狀和抗旱性為選育目標(biāo)，在內(nèi)蒙古阿拉善盟和甘肅榆中經(jīng)過連續(xù)多年的栽培馴化[3]，2021年經(jīng)甘肅省草品種審定委員會(huì)審定為新品種‘騰格里’牛枝子(審定編號(hào)：GS-CWV-2020-007)，該品種具有抗旱、抗寒和耐瘠薄的特點(diǎn)，適宜于我國北方干旱半干旱、年降雨量為100～400 mm的地區(qū)和黃土高原半農(nóng)半牧區(qū)，為荒漠草原補(bǔ)播、干旱地區(qū)植被恢復(fù)、人工草地建植的優(yōu)良豆科牧草。‘騰格里’牛枝子可與‘騰格里’無芒隱子草(Cleistogenessongorica)混播，構(gòu)建荒漠草原、沙漠化防治與治理的鄉(xiāng)土草種“禾本科+豆科”混播生態(tài)系統(tǒng)，為脆弱生態(tài)區(qū)提高生產(chǎn)力和生態(tài)服務(wù)功能提供案例。但是由于牛枝子種子緊緊包裹于宿存萼片中，并且種子硬實(shí)率很高，致使種子脫粒難度大和田間出苗率差，嚴(yán)重制約了該品種的規(guī)?；a(chǎn)和推廣利用。

硬實(shí)是植物中普遍存在的現(xiàn)象，硬實(shí)種子是由于種皮(有時(shí)也包括果皮)堅(jiān)硬而很難進(jìn)行吸脹萌發(fā)的種子，廣泛存在于豆科、茄科、旋花科、錦葵科等多種植物中[4-5]。硬實(shí)有利也有弊，一方面有利于抵抗逆境、收獲和貯藏，另一方面不利于建植與雜草防治和種子檢驗(yàn)與加工[6-7]。但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有效的破除硬實(shí)，促進(jìn)種子萌發(fā)，對于成功建植至關(guān)重要[8]。大量研究表明，牧草硬實(shí)種子可以通過物理處理方法和化學(xué)處理方法有效的破除，如紫花苜蓿(Medicagosativa)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、雞峰黃芪(Astragaluskifonsanicus)和黃芪(Astragalusmembranaceus)等種子可以用不同的方法破除硬實(shí)[9-14]。種子收獲是決定種子生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而種子的脫粒是種子收獲的主要內(nèi)容之一[15]。有研究表明，苜蓿和三葉草(Trifolium)等豆科牧草可以采用木刀種子脫粒機(jī)進(jìn)行脫粒，對種子的損傷小，種子質(zhì)量較好[16]。牛枝子種子硬實(shí)率高達(dá)96.00%左右，且宿存萼片在種子成熟后不會(huì)自然脫落，會(huì)緊緊附著在種子表面，這給種子萌發(fā)和脫粒帶來困難，針對這種特性，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)重點(diǎn)解決脫粒和硬實(shí)破除的技術(shù)問題。但對于牛枝子種子硬實(shí)破除和脫粒的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究通過研究不同處理對牛枝子宿存萼片和種子硬實(shí)的影響，旨在明確牛枝子去除宿存萼片和破除硬實(shí)的方法，為‘騰格里’牛枝子的推廣奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試材料為于2020年10月在甘肅張掖甘州區(qū)收獲的蘭州大學(xué)所培育的‘騰格里’牛枝子種子。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1宿存萼片去除 濃硫酸處理：將100粒帶有宿存萼片種子分別置于盛有10 mL 98%的濃硫酸中，用玻璃棒小心攪拌使種子完全浸沒，分別處理0，2，4，6，8，10，12，14，16，18，20 min，取出后自來水沖洗3 min，每個(gè)處理重復(fù)3次。

種子破皮機(jī)處理：將100粒帶有宿存萼片種子用種子破皮機(jī)進(jìn)行處理1～10遍，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.2.2硬實(shí)破除 種子破皮機(jī)處理：用種子破皮機(jī)(湖南農(nóng)友機(jī)械有限公司，6 NF-4振動(dòng)篩單米機(jī)改造而來)處理一定量去除宿存萼片種子1～10遍，每個(gè)處理重復(fù)3次，對照(CK)為不做任何處理，下同。

濃硫酸處理：將一定量去除宿存萼片種子分別置于盛有10 mL 98%的濃硫酸中，用玻璃棒小心攪拌使種子完全浸沒，分別處理0，5，10，15，20，25，30 min，取出后自來水沖洗3 min。

熱水處理：分別用70，80，90，97℃(沸水)熱水處理一定量去除宿存萼片種子至水自然冷卻，將種子取出備用。

高溫處理：將一定量去除宿存萼片種子放在80，90，100℃恒溫干燥箱中分別處理0.5，1.0，1.5，2.0 h。

液氮處理：用液氮處理一定量去除宿存萼片種子3，5，10 min。

1.2.3發(fā)芽試驗(yàn) 參考國家標(biāo)準(zhǔn)《草種子檢驗(yàn)規(guī)程發(fā)芽試驗(yàn)》(GB/T 2930.4-2017)[17]，將處理后的種子各取100粒，用培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽的方法(TP法)，于25℃下進(jìn)行發(fā)芽，光照/黑暗為12 h/12 h，發(fā)芽天數(shù)為14 d，設(shè)置3個(gè)重復(fù)，濾紙為90 mm定性濾紙，第7 d計(jì)算發(fā)芽勢，14 d計(jì)算發(fā)芽率。

1.3 測定指標(biāo)及方法

根據(jù)記錄的經(jīng)過種子破皮機(jī)處理后去除宿存萼片數(shù)、破碎數(shù)、種子發(fā)芽數(shù)、幼苗鮮重，計(jì)算牛枝子宿存萼片去除率、種子破碎率、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)等指標(biāo)，采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[18-19]：

宿存萼片去除率=去除宿存萼片完整的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

破碎率=破碎種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢=第5 d正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽率=第14 d正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)=Σ(Gt/Dt)

活力指數(shù)=Σ(Gt/Dt)×S

式中：Gt為不同時(shí)間的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)發(fā)芽日數(shù)，S為第10 d每株平均鮮重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和制圖分別由Microsoft Excel 2010完成，并用IBM SPSS statistics19.0進(jìn)行單因素試驗(yàn)方差分析，并用LSD法對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行多重比較(P< 0.05)，數(shù)據(jù)均以“均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子破皮機(jī)和濃硫酸對牛枝子宿存萼片去除的影響

種子破皮機(jī)處理對牛枝子宿存萼片去除具有顯著影響(P<0.05)(圖1a)。隨著種子破皮機(jī)處理遍數(shù)的增加，宿存萼片的去除率先升高后不變，在處理第4遍時(shí)去除率達(dá)到100%。濃硫酸處理對牛枝子宿存萼片的去除也具有顯著影響(P<0.05)(圖1b)。隨著濃硫酸處理時(shí)間的增加，宿存萼片的去除率先升高后不變，在12 min及之后處理去除率均達(dá)到100%。

圖1 種子破皮機(jī)和濃硫酸處理對牛枝子宿存萼片的影響Fig.1 Effect of the seed coat breaking machine and concentrated sulfuric acid treatments on the persistent sepals of Lespedeza potaninii Vass注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。A為種子破皮機(jī)處理；B為濃硫酸處理Note:Different lowercase letters indicate significant difference among different treatments at the 0.05 level,the same as below. A,the seed coat breaking machine treatments;B,concentrated sulfuric acid treatments

2.2 種子破皮機(jī)對牛枝子發(fā)芽的影響

種子破皮機(jī)對牛枝子種子發(fā)芽具有顯著影響(P<0.05)(表1)。種子破皮機(jī)處理過程中，種子會(huì)存在破碎的現(xiàn)象，隨著處理遍數(shù)的增加，破碎率一直增大，在10遍時(shí)最大，為8.00%，與8和9遍無顯著差異；硬實(shí)率隨處理遍數(shù)增加顯著下降(P<0.05)，在10遍時(shí)最小(24.33%)，與CK(96.67%)差異顯著(P<0.05)，與9遍時(shí)無顯著差異；發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)隨處理遍數(shù)增加呈先升高后下降趨勢，均在9遍時(shí)達(dá)到最大，分別為61.67%，66.33%和33.14；活力指數(shù)也呈先升高后下降趨勢，在處理8遍最大，為0.87，并與9遍時(shí)無顯著差異。結(jié)果表明種子破皮機(jī)對打破牛枝子種子休眠和萌發(fā)具有較好的效果，并在處理9遍時(shí)效果最佳。

表1 種子破皮機(jī)處理對牛枝子種子發(fā)芽的影響Table 1 Effects of different the seed coat breaking machine treatments on seed germination of Lespedeza potaninii Vass

2.3 濃硫酸處理對牛枝子種子發(fā)芽的影響

濃硫酸處理對牛枝子種子的發(fā)芽具有顯著影響(P<0.05)(表2)。牛枝子種子硬實(shí)率非常高，濃硫酸處理顯著降低硬實(shí)率(P<0.05)，處理30 min時(shí)硬實(shí)率最低(13.33%)。隨著濃硫酸處理時(shí)間增加，發(fā)芽勢和發(fā)芽率呈增大趨勢，在30 min時(shí)達(dá)到最大，分別為80.00%和84.00%，并與20 min和25 min處理無顯著差異；發(fā)芽指數(shù)呈增大趨勢，在30 min時(shí)最大，為38.73，與20 min處理無顯著差異；活力指數(shù)呈先升高后下降的趨勢，在25 min時(shí)最大，為1.14，與20 min和30 min無顯著差異。結(jié)果表明，濃硫酸處理可以有效的破除牛枝子種子硬實(shí)，提高發(fā)芽率和發(fā)芽勢等，處理20～30 min均可。

表2 濃硫酸處理對牛枝子種子發(fā)芽的影響Table 2 Effects of sulfuric acid treatments on seed germination of Lespedeza potaninii Vass

2.4 高溫干燥處理對牛枝子種子發(fā)芽的影響

高溫干燥處理對牛枝子種子發(fā)芽有一定的影響(表3)。80℃和90℃處理對牛枝子種子硬實(shí)破除和促進(jìn)發(fā)芽的效果不明顯。在100℃時(shí)，隨著處理時(shí)間增加，硬實(shí)率呈一直下降的趨勢，在100℃處理2 h時(shí)硬實(shí)率最低，為36.00%，與CK差異顯著(P<0.05)；發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均呈先升高后下降的趨勢，在100℃處理1.5 h時(shí)均達(dá)到最大值，分別為32.67%，35.33%，21.75和0.47。

表3 高溫干燥處理對牛枝子種子發(fā)芽的影響Table 3 Effects of high temperature treatments on seed germination of Lespedeza potaninii Vass

2.5 熱水和液氮處理對牛枝子種子發(fā)芽的影響

熱水和液氮處理對牛枝子種子發(fā)芽具有一定的影響(表4，5)。隨著水溫度的升高，硬實(shí)率呈下降趨勢，在97℃處理時(shí)硬實(shí)率最低，與CK差異顯著(P<0.05)；發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均先上升后下降，在90℃的熱水處理下均達(dá)到最大值，分別是22.67%，38.00%，12.19和0.42。相比CK，液氮處理顯著降低了牛枝子硬實(shí)率，提高了發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)(P<0.05)，但發(fā)芽率最高僅16.67%，且處理時(shí)間對硬實(shí)破除效果沒有顯著影響。

表4 不同熱水處理對牛枝子種子發(fā)芽的影響Table 4 Effects of different hot water treatments on seed germination of Lespedeza potaninii Vass

表5 不同液氮處理對牛枝子種子發(fā)芽的影響Table 5 Effects of different liquid nitrogen treatments on seed germination of Lespedeza potaninii Vass

3 討論

3.1 不同的處理對去除牛枝子宿存萼片的影響

牛枝子的宿存萼片在種子成熟時(shí)不會(huì)自然脫落，附著在種子表面，給種子脫粒帶來困難。本研究研究表明，種子破皮機(jī)對牛枝子宿存萼片去除效果顯著，在處理4遍時(shí)，去除率可達(dá)到100%。這與余殿友[20]研究結(jié)果一致，胡枝子(LespedezabicolorTurcz)種子可以采用種子破皮機(jī)去除宿存萼片，同時(shí)也可將種子打磨以便降低硬實(shí)率，提高種子的發(fā)芽率。濃硫酸雖然對于牛枝子宿存萼片去除具有顯著效果，但在大規(guī)模的生產(chǎn)中具有一定的危險(xiǎn)性，不宜采用，種子破皮機(jī)相對比較安全且經(jīng)濟(jì)，所以在生產(chǎn)過程宜采用種子破皮機(jī)去除宿存萼片。

3.2 不同的處理對牛枝子萌發(fā)的影響

打破種子硬實(shí)的方法很多，但是對于不同的物種，各種方法處理效果不盡相同。機(jī)械破除硬實(shí)更容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[21]，且更為有效和安全；機(jī)械處理通過損傷硬實(shí)種皮，增強(qiáng)透性，迅速解除機(jī)械限制作用而促使種子萌發(fā)[22]。牛枝子作為一種抗旱優(yōu)良豆科牧草，在畜牧業(yè)和生態(tài)恢復(fù)方面發(fā)揮著重要作用，但種子硬實(shí)率高達(dá)96.00%左右，若不能解決牛枝子種子硬實(shí)問題，則無法推廣種植，因此急需一種安全經(jīng)濟(jì)的牛枝子種子硬實(shí)破除技術(shù)。許多研究表明，機(jī)械法可以有效破除田菁(Sesbaniacannabina)、紫云英(AstragaluscicerL.)、草木樨狀黃芪種子(Astragalusmelilotoides)和野豌豆(ViciaamoeaFisch)等種子硬實(shí)，提高發(fā)芽率等，可以作為破除硬實(shí)的首選方法[23-26]。這與本研究試驗(yàn)結(jié)果一致，種子破皮機(jī)處理牛枝子種子可以顯著降低牛枝子的硬實(shí)率，從96.67%降低至24.33%；發(fā)芽率從2.67%提高到66.33%；并且提高了發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，在處理9遍時(shí)效果最佳；而且本研究創(chuàng)新性使用種子破皮機(jī)不僅大幅降低牛枝子種子硬實(shí)率，發(fā)芽率也超過60.00%，還可以有效的去除宿存萼片，且操作簡單安全，可在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣，這為‘騰格里’牛枝子種子擴(kuò)繁和推廣奠定了基礎(chǔ)。

濃硫酸等強(qiáng)酸處理可以腐蝕局部種皮，打破柵欄組織的屏障，使種殼薄并消除珠孔等部位的堵塞物，增大種皮的透性[27]。濃硫酸對大多數(shù)種子硬實(shí)破除是最有效的方法，但是也存在一些問題：如處理時(shí)間的較難控制，特別是對于種皮較薄的種子，如果處理時(shí)間過長，就會(huì)損傷種子；處理后的沖洗要徹底，不然易造成酸害等[22]。有研究表明，濃硫酸可以降低紫花苜蓿、黃芪、達(dá)烏里胡枝子、多花木藍(lán)(Indigoferaamblyantha)、二色胡枝子(Lespedezabicolor)和山野豌豆等種子硬實(shí)率，提高發(fā)芽率，并在所有處理效果最佳[28-32]。與本試驗(yàn)的結(jié)果表明相似，濃硫酸浸種20～30 min發(fā)芽率均最高，都在80%以上，硬實(shí)率大大降低，在所有處理中效果最佳，但濃硫酸是嚴(yán)格控制使用的化學(xué)藥品，在使用過程中操作不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的后果，所以在大規(guī)模生產(chǎn)過程中一般不建議用濃硫酸破除硬實(shí)。

高溫處理可用高溫干燥處理和溫水浸泡處理。某些牧草種子經(jīng)過高溫干燥處理后，種皮龜裂為疏松多縫的狀態(tài)，改善了種子的氣體交換條件，從而解除由種皮造成的休眠，促進(jìn)萌發(fā)[22]。有研究表明，將銀合歡(Leucaenaleucocephala)用80℃高溫干燥10 min，發(fā)芽率效果較差，僅為19.3%[33]；本研究結(jié)果表明，高溫干燥處理，溫度過低和時(shí)間較短時(shí)，硬實(shí)破除效果不佳，但溫度過高和時(shí)間較長，雖硬實(shí)率降至36.00%，但發(fā)芽率最高也僅為32.37%，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是處理溫度過高和時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致種子的死亡，從而導(dǎo)致發(fā)芽率較低。但也有研究表明，高溫干燥處理可以有效降低黃花苜蓿(MedicagofalcataL.)和無芒隱子草等種子硬實(shí)率，提高發(fā)芽率[34-35]。這說明不同物種高溫干燥處理的效果不同，應(yīng)根據(jù)物種進(jìn)行選擇。Wang等[36-37]用熱水處理5種野生豇豆(Vigna)，研究表明80℃熱水浸種是適宜的浸種溫度，溫度過低破除休眠效果較差，而溫度過高會(huì)傷害種子使不正常和死種子增加，適宜浸種時(shí)間為3～6 min。鄭天翔等[38]用不同溫度的水處理黃芪種子可以提高種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢但效果不明顯。這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，在熱水(90℃)是發(fā)芽率最高，僅為38.00%，可能的原因與高溫干燥處理相同，這也說明這兩種方法不宜作為牛枝子種子破除硬實(shí)的首選。

液氮處理亦可破除種子休眠。本研究表明，液氮處理雖可以降低硬實(shí)率，但發(fā)芽率僅為15%左右，效果不佳。與前人在達(dá)烏里胡枝子、多花木藍(lán)和二色胡枝子[28-29]結(jié)果一致。也有研究表明，用液氮處理苜蓿20 min后，硬實(shí)幾乎全部破除[39]，說明液氮處理對于不同物種效果存在差異。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，種子破皮機(jī)在處理4遍時(shí)，牛枝子宿存萼片完全除去，將種子處理9遍時(shí)，在破碎率較低的情況下，顯著降低了種子硬實(shí)率，提高了發(fā)芽勢和發(fā)芽率等，發(fā)芽率達(dá)66.33%，且操作簡單和安全，可作為大規(guī)模生產(chǎn)條件下的‘騰格里’牛枝子去除宿存萼片和硬實(shí)破除適宜技術(shù)進(jìn)行推廣。