加拿大紅葉紫荊種子休眠與萌發(fā)特性

劉 飛，龐晶晶，張克亮

(1.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221006；2.江蘇省寶應(yīng)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇寶應(yīng) 225819；3.揚(yáng)州大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009)

種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，在植物種質(zhì)資源保存和遺傳多樣性方面發(fā)揮著重要的作用[1-2]。由于長(zhǎng)期的進(jìn)化適應(yīng)，生長(zhǎng)在不同生境中的植物具有不同的種子休眠特性[3-5]。從生物學(xué)角度來(lái)說(shuō)，休眠可以降低種子在冬季萌發(fā)而使幼苗凍死的風(fēng)險(xiǎn)[1，4]。在生產(chǎn)上，如果種子具有休眠，常常會(huì)導(dǎo)致出苗率低的問(wèn)題[6]。通過(guò)對(duì)種子休眠和萌發(fā)的研究，可以增加對(duì)植物適應(yīng)環(huán)境方式的了解，還可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)理論指導(dǎo)和技術(shù)保障。

加拿大紅葉紫荊(Cerciscanadensis‘Forest Pansy’)為豆科紫荊屬加拿大紫荊的栽培品種[7]。它初春花葉同放，葉片鮮紅，花色豐富、色彩鮮艷，在園林造景時(shí)具良好的觀(guān)賞價(jià)值[8]。此外，該物種具有較強(qiáng)的抗寒和耐堿鹽能力，適合在我國(guó)大部地區(qū)種植[9]。種子繁殖是加拿大紅葉紫荊的主要繁殖方法之一，然而，因?yàn)槠浞N子的休眠特性，導(dǎo)致了萌發(fā)周期較長(zhǎng)，出苗率低，嚴(yán)重阻礙了加拿大紅葉紫荊進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)利用[7]。目前，對(duì)加拿大紅葉紫荊的研究主要集中在植株對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)[10]、組織培養(yǎng)[11]、嫁接育苗[12]等方面，而在加拿大紅葉紫荊種子萌發(fā)特性方面的研究很少。鑒于此，本試驗(yàn)以加拿大紅葉紫荊種子為研究對(duì)象，通過(guò)調(diào)查種子吸水率及溫度和光照對(duì)萌發(fā)的影響，確定種子的休眠類(lèi)型。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)低溫層積、熱水、濃硫酸處理等方式找出打破種子休眠的最佳方法，以期為降低加拿大紅葉紫荊育苗成本提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

新成熟的加拿大紅葉紫荊種子于2020年11月購(gòu)自宿遷藍(lán)海種業(yè)有限公司。購(gòu)買(mǎi)的種子保存在-18 ℃條件下備用。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子大小、質(zhì)量和含水量的測(cè)定 隨機(jī)選取加拿大紅葉紫荊的種子10粒，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量種子的長(zhǎng)、寬、厚。另外，使用分析天平測(cè)定種子質(zhì)量，隨后將種子放入75 ℃的烘箱中，48 h后測(cè)量種子干質(zhì)量與含水量。

1.2.2 種子的吸水特性 隨機(jī)選取加拿大紅葉紫荊種子200粒，分成8組，每組25粒。用手術(shù)刀劃破其中4組的種皮，稱(chēng)量并記錄8組種子的質(zhì)量。隨后，將8 mL蒸餾水加入到直徑為10 cm的培養(yǎng)皿中，放入種子，分別進(jìn)行0、2、4、6、8、10、12、24、48、64 h的吸脹處理，隨后取出種子擦干并稱(chēng)質(zhì)量，稱(chēng)完放回培養(yǎng)皿。計(jì)算種子吸水率：

Wr=(Wf-Wi)÷Wi×100%。

式中：Wr代表種子吸水率；Wf為種子吸收特定時(shí)間的水分后的質(zhì)量；Wi代表最初種子質(zhì)量。

1.2.3 新成熟種子的萌發(fā)特性 在直徑為10 cm的培養(yǎng)皿中加入8 mL蒸餾水，并放入種子。將培養(yǎng)皿放置在5/15(黑暗12 h/光照12 h，下同)、10/20、15/25、20/30 ℃的培養(yǎng)箱內(nèi)。在12 h光照—12 h黑暗(以下簡(jiǎn)稱(chēng)光照)和24 h全黑暗下進(jìn)行試驗(yàn)。全黑暗指的是將培養(yǎng)皿放入不透光的黑色袋中。萌發(fā)測(cè)試30 d后，計(jì)算最終萌發(fā)率。

1.2.4 劃破種皮對(duì)種子萌發(fā)的影響 隨機(jī)選取8組種子，每組種子25粒，其中4組種子用手術(shù)刀劃破種皮。然后，種子置于5/15、10/20、15/25、20/30 ℃ 的黑暗和光照條件下萌發(fā)。萌發(fā)試驗(yàn)進(jìn)行30 d，試驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)最后的種子萌發(fā)率。

1.2.5 劃破種皮+冷層積處理對(duì)種子萌發(fā)的影響 將用蒸餾水濕潤(rùn)好的干凈沙子放置在直徑為 20 cm、深為10 cm的鐵盒底部，沙子上平鋪2層濾紙。隨機(jī)選取1 200粒劃破種皮的種子放在濾紙上，蓋緊鐵盒，然后放在4 ℃的冰箱內(nèi)，層積3個(gè)月。每個(gè)月取出400粒種子，分別在5/15、10/20、15/25、20/30 ℃條件下進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)。每天觀(guān)察并記錄1次萌發(fā)情況。萌發(fā)測(cè)試30 d后，計(jì)算最終萌發(fā)率。

1.2.6 劃破種皮+赤霉素(GA)處理對(duì)種子萌發(fā)的影響 在直徑為10 cm的培養(yǎng)皿里鋪2層濾紙，隨后放入劃破種皮的加拿大紅葉紫荊種子。每個(gè)培養(yǎng)皿中分別加入8 mL濃度為0(蒸餾水對(duì)照)、250、500、1 000 mg/L 的赤霉素溶液。隨后在5/15、10/20、15/25、20/30 ℃條件下進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)。萌發(fā)測(cè)試30 d后，計(jì)算最終萌發(fā)率。

1.2.7 濃硫酸+冷層積處理對(duì)種子萌發(fā)的影響 將種子放入含有50 mL濃硫酸的燒杯中分別處理15、30、45、60 min，完成后倒入土壤篩中，用自來(lái)水沖洗10 min，置于吸水紙上晾干。然后將處理不同時(shí)間的種子(以未經(jīng)濃硫酸處理的種子為對(duì)照)放在4 ℃ 的冰箱內(nèi)層積3個(gè)月。在層積結(jié)束后，于15/25 ℃條件下進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)。萌發(fā)測(cè)試30 d后，計(jì)算最終萌發(fā)率。

1.2.8 濕熱+冷層積處理對(duì)種子萌發(fā)的影響 分別將種子置于65、80、95 ℃的水浴鍋內(nèi)處理5 min，然后將種子置于4 ℃的冰箱內(nèi)層積3個(gè)月。在層積結(jié)束后，于15/25 ℃條件下進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)。萌發(fā)測(cè)試30 d后，計(jì)算最終萌發(fā)率、死亡率和休眠率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”的形式表示。萌發(fā)試驗(yàn)均設(shè)置了4次重復(fù)，每次重復(fù)25粒種子。每天觀(guān)察并記錄1次萌發(fā)情況。采用方差分析比較不同處理對(duì)加拿大紅葉紫荊種子萌發(fā)率的影響。如果方差分析結(jié)果存在顯著差異，則用Duncan’s法進(jìn)行多重比較。所有數(shù)據(jù)分析均在SPSS 21.0中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子大小、質(zhì)量和含水量

新成熟的加拿大紅葉紫荊種子為闊卵圓形，扁平，黑褐色，表面光滑。種子千粒質(zhì)量為(20.564±0.862)g。種子長(zhǎng)度、寬度、厚度分別為(4.422±0.113)、(2.691±0.112)、(1.153±0.040)mm。種子含水量為8.47%

2.2 種子吸水特性

在100粒種皮未破壞的加拿大紅葉紫荊種子中，只有4粒種子可以吸水(體積增大)。劃破種皮后，種子的吸水速率即吸水量迅速增加。種子吸水速率在前8 h最快，吸水率達(dá)(71.258±1.984)%；24 h后種子吸水達(dá)到飽和，質(zhì)量幾乎不再增加，此時(shí)劃破種皮的加拿大紅葉紫荊種子和完整種子的吸水率分別為(79.067±2.528)%、(3.467±2.537)%(圖1)。

2.3 新成熟種子的萌發(fā)特性

無(wú)論在光照條件還是黑暗條件下，新成熟的加拿大紅葉紫荊種子在30 d內(nèi)不同溫度、光照條件下的萌發(fā)率均小于5%。方差分析結(jié)果表明，溫度(P=0.070)、光照(P=1.000)及二者的交互作用(P=0.602)對(duì)種子萌發(fā)率影響不顯著。

2.4 劃破種皮對(duì)種子萌發(fā)的影響

種子萌發(fā)率在劃破種皮后顯著提高(P<0.05)，然而，最高萌發(fā)率僅有12%(圖2)。方差分析結(jié)果表明，溫度(P=0.137)、光照(P=0.999)及二者的交互作用(P=0.955)對(duì)劃破種皮的加拿大紅葉紫荊種子萌發(fā)率影響不顯著。

2.5 劃破種皮+冷層積處理對(duì)種子萌發(fā)的影響

通過(guò)劃破加拿大紅葉紫荊種子的種皮+冷層積處理能夠有效提高萌發(fā)率(圖3)，且種子萌發(fā)率隨層積時(shí)間的延長(zhǎng)為逐漸增加。3個(gè)月的冷層積可以使種皮被切的種子發(fā)芽率達(dá)到80%以上。方差分析結(jié)果表明，萌發(fā)溫度(P<0.001)、低溫層積時(shí)間(P<0.001)以及二者的交互作用(P<0.05)對(duì)種子萌發(fā)率具有顯著影響。

2.6 劃破種皮+赤霉素處理對(duì)種子萌發(fā)的影響

劃破種皮+赤霉素處理能夠顯著提高加拿大紅葉紫荊種子的萌發(fā)率(P<0.001)(圖4)。其中250、500 mg/L赤霉素處理的效果>1 000 mg/L的處理效果。

2.7 濃硫酸+冷層積處理對(duì)種子萌發(fā)的影響

濃硫酸處理對(duì)加拿大紅葉紫荊種子的萌發(fā)率影響顯著(P<0.001)(圖5)。在0～30 min內(nèi)，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，萌發(fā)率也逐漸提高，而在30 min之后，萌發(fā)率則隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而開(kāi)始下降。

2.8 濕熱+冷層積處理對(duì)種子萌發(fā)的影響

濕熱(溫水)處理可以顯著提高種子的萌發(fā)率。隨著水溫的升高，休眠種子的比例逐漸減小，但是種子的死亡率也逐漸增加(圖6)。

3 討論與結(jié)論

Baskin等將種子休眠分成物理、生理、形態(tài)、形態(tài)生理和復(fù)合5種休眠類(lèi)型[13]。其中，具有物理休眠的種子通常具有較厚的柵欄層，導(dǎo)致種子不能吸水[14]。生理休眠是由于胚的生長(zhǎng)勢(shì)弱或種子內(nèi)部含有的萌發(fā)抑制物質(zhì)引起的[15-16]；具有形態(tài)休眠的種子胚通常較小且發(fā)育不完全，需要在種子脫落后進(jìn)行發(fā)育成熟[13]；形態(tài)生理和復(fù)合休眠分別指種子具有物理+生理和生理+形態(tài)的休眠類(lèi)型[5]。

本研究中，新成熟的加拿大紅葉紫荊種子在各個(gè)溫度條件下的萌發(fā)率均<5%，表明它們的種子具有休眠特性。未劃破種皮的種子在吸水72 h后，種子質(zhì)量?jī)H增加了3.4%，這是由于在試驗(yàn)所選取的100粒種子中，有4粒種子可以吸水，而剩余的96粒種子均不能吸水。在劃破種皮后，種子的質(zhì)量迅速增加，在吸水2 h后，種子的質(zhì)量增加了33%，表明加拿大紅葉紫荊休眠具有物理休眠的特性。在用手術(shù)刀劃破種皮后，種子雖然能正常吸水，但是最高萌發(fā)率只有12%，說(shuō)明除物理休眠外，種子還具有其他的休眠類(lèi)型。將損傷種皮后的種子經(jīng)過(guò)不同時(shí)間的冷層積或不同濃度的赤霉素處理后，萌發(fā)率均可大幅提升，表明加拿大紅葉紫荊的種子還具有生理休眠的特性。綜上所述，加拿大紅葉紫荊的種子具有物理休眠和生理休眠的特性，即具有復(fù)合休眠特性。

目前，已報(bào)道的具有復(fù)合休眠特性的物種主要集中在豆科和牻牛兒苗科[1，13]的植物種子中。具這類(lèi)休眠的種子需要分別打破物理休眠和生理休眠，種子才能萌發(fā)[13]。在自然生境下，生理休眠主要依靠冬季的低溫打破；在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可以通過(guò)赤霉素和冷(或暖)層積的方式打破[1]。本研究的結(jié)果與之一致，通過(guò)3個(gè)月的4 ℃冷層積或500 mg/L赤霉素處理均可使萌發(fā)率達(dá)到80%以上。

土壤溫度的劇烈變動(dòng)是打破物理休眠的主要方式，尤其是在春季，白天的溫度突然升高，而晚上的溫度突然下降，通過(guò)熱脹冷縮的作用使種子表皮破裂[17]。濕熱和濃硫酸處理是人工打破物理休眠常用的方法，其目的在于人為地?fù)p傷種皮結(jié)構(gòu)[1]。但是這些方法都存在有不確定性，若處理時(shí)間太短，則會(huì)使休眠打破不徹底，而處理時(shí)間太長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致種胚損、種子死亡或形成發(fā)育畸形的幼苗等[18-20]。胡小文等對(duì)印度田菁種子的研究發(fā)現(xiàn)，硫酸處理是打破印度田菁種子休眠最有效的方法，大于80%的種子在經(jīng)硫酸處理6 min后可以萌發(fā)，而當(dāng)硫酸處理時(shí)間增至15 min時(shí)，只有小于20%的種子可以萌發(fā)[21]。本研究中，30 min的濃硫酸處理可以顯著破除加拿大紅葉紫荊種子的休眠，在 30 min 之后，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，萌發(fā)率開(kāi)始下降，說(shuō)明濃硫酸在腐蝕掉種皮之后腐蝕到了種胚。此外，通過(guò)熱水處理發(fā)現(xiàn)，隨著處理溫度的升高，種子萌發(fā)率和死亡率都在逐漸升高，這也是由于高溫?fù)p傷了加拿大紅葉紫荊的種皮結(jié)構(gòu)，隨著高溫時(shí)間的延長(zhǎng)，種胚死亡率逐漸增加的原因。

通過(guò)研究加拿大紅葉紫荊種子的形態(tài)結(jié)構(gòu)、種子吸水特性以及種子休眠的打破方式得出加拿大紅葉紫荊種子具有復(fù)合休眠特性。通過(guò)劃破種皮、濃硫酸處理30 min或80 ℃溫水處理5 min能有效打破種子的物理休眠，而通過(guò)3個(gè)月的4 ℃冷層積或500 mg/L赤霉素處理可以有效打破生理休眠。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以對(duì)采收的加拿大紅葉紫荊種子機(jī)械損傷種皮，而后在冬季進(jìn)行沙藏，來(lái)年播種。