巨紫荊種子休眠原因及破眠技術研究

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(長江大學園藝園林學院，湖北 荊州 434025)

巨紫荊，學名：CercisgiganteaCheng et Keng f.，為豆科(Leguminosae)紫荊屬高大落葉喬木，直徑可達50 cm，樹高可達15 m，是我國現存特有、極少的鄉土樹種，主要分布在湖北、浙江、河南、湖南等省，壽命較長，生長速度較快，耐修剪，能夠適應干旱、水漬等較為惡劣的環境。巨紫荊春季觀花，夏季觀葉，秋季觀果，冬季觀干，具有極高的觀賞價值，在景觀、道路園林綠化等方面具有廣闊的應用前景，巨紫荊具有質硬、耐腐蝕、少開裂等良好結構性能，是良好家具、建筑制作的用材。豆科紫荊屬在自然條件下主要是靠種子進行繁殖，近些年來關于豆科紫荊屬的種子研究較多，研究表明，種子具有硬實性和休眠特性[1-2]。有關巨紫荊研究主要集中于嫁接繁殖[3]、組織培養快繁[4]、引種栽培繁殖[5]以及園林植物應用[6]等方面，而有關巨紫荊種子休眠特性及快速萌發探究較少，金繼良等[7]研究發現，以80 ℃熱水結合250 mg/L 赤霉素進行沙藏，可促進種子萌發，但沒有具體說明沙藏天數。盧芳等認為，濃硫酸腐蝕結合赤霉素浸泡再低溫層積60 d能打破休眠[8]。目前關于巨紫荊種子形態解剖以及快速打破休眠的方法還未見報道。巨紫荊種子解剖結構探究、如何在較短時間打破休眠使其萌發鮮有報道。因此，通過實驗對巨紫荊種子外觀形態、種子解剖、破除種皮結合激素處理等方面進行探索研究，以期為巨紫荊種子休眠特性研究提供一定理論參考，并為種子快速育苗繁殖及其栽培提供實踐生產指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2017年11月，巨紫荊種子取自湖北省神農架林區五峰山上，海拔1 100 m左右。巨紫荊莖粗10 cm左右，高10 m以上，樹上結有大量果莢。采收成熟果實帶回長江大學實驗室，將果實去殼、凈種、陰干，放置常溫干燥環境保存備用。

1.2 果實和種子形態指標觀察與測定

1.2.1 百粒重

隨機選取100粒正常種子在電子天平上稱重，重復3次。

1.2.2 果實、種子類型觀察與解剖

隨機挑選出成熟完整的20個果莢和50粒種子，用電子游標卡尺和20 cm刻度尺測定果莢和種子的長度、寬度和厚度。挑選不同類型的種子，用解剖鏡進行形態觀察解剖并作比較分析。

1.2.3 種子形態解剖

隨機選擇種粒飽滿、富有光澤的完整種子用解剖刀縱切，在體式顯微鏡下觀察取照。

1.3 處理方法

1.3.1 種子吸水曲線測定

1) 種子處理。

A.濃硫酸腐蝕處理：精選完整飽滿種子90粒，將樣品每30粒分別放置于3個裝有一定量濃硫酸的燒杯中浸沒，并計時25，35，45 min取出樣品并在流水下沖洗3 min左右。

B.種皮破皮處理：精選完整飽滿種子30粒，用普通砂紙隨機磨損種皮，使其有一定損傷，待用。2種處理同時以完整種子作為對照。

2) 吸水試驗。

精選完整飽滿種子30粒，將濃硫酸處理、砂紙處理、完整種子所有樣品分類放入不同裝有足夠量水的容器中，置于25 ℃左右的室溫內并開始計時，初始每隔3 h取出樣品稱重1次，后由吸水變化調整為每隔12 h、24 h取出樣品稱重1次，稱重前吸干種子表面的水分，直至2次吸水測定的值接近恒值為止。

種子凈吸水率(%)=(吸水后樣品的重量-吸水前樣品重量)/吸水前樣品重量×100%。

1.3.2 種子發芽試驗

1) 種子胚根端處理。

精選飽滿種子3 200粒，放置在現配0.1%高錳酸鉀溶液中消毒15 min，清水沖洗3次，放置在清水中常溫浸泡3 d，每天定時更換清水，浸泡完畢后再清水沖洗3次，用解剖刀對所有種子的胚根端2 mm左右處進行切除，置于50，100，150 mg/L的赤霉素水溶液中，浸泡12 h和48 h，倒出浸泡液，反復清洗種子，以在清水中浸泡12 h和48 h的種子作為對照。

2) 種子子葉端處理。

參照劉雅琦等[9]的方法，種子子葉端處理中，要用解剖刀對所有種子的子葉端2 mm左右處進行切除，其余處理同種子胚根端處理。

3) 濃硫酸、破皮處理對巨紫荊種子發芽的影響。

以完整種子作為對照，以濃硫酸、破皮處理后種子為實驗材料，其余條件保持相同。

以上處理的種子采用培養皿發芽法，置于生態培養箱(黑暗12 h/光照12 h交替進行，25 ℃)中進行發芽試驗。每個處理選擇100粒種子，平行做4次，連續進行10 d的培養。實驗期間，逐日定時觀察，記錄種子發芽數和發霉數，僅以胚根長為種子的一半作為種子發芽標準，測定巨紫荊種子的發芽率。

1.3.3 數據統計與分析

用Microsoft Excel 2016軟件錄入試驗數據，對種子凈吸水率、種子萌發率進行曲線作圖，然后根據數據及圖表進行分析總結。

2 結果與分析

2.1 種子質量及形態與解剖

2.1.1 種子質量測定

經測定完整成熟的巨紫荊果莢長度平均為(11.39±0.698 0)cm，寬度平均為(13.24±0.652 2)mm，厚度平均為(0.908 5±0.174 9)mm；巨紫荊種子的百粒重平均為(2.162 8±0.051 58)g，長度平均為(4.999 2±0.189 4)mm，寬度平均為(4.405±0.147 0)mm，厚度平均為(1.496±0.109 1)mm。

2.1.2 種子形態觀察

如版圖所示，從果莢中收集種子有以下幾種類型：1為完整飽滿種粒，2為黑色空癟種粒，3為綠色空癟種粒，4為黃色空癟種粒，5為昆蟲幼蟲蠶食種粒，6為病菌感染種粒，7為黑色圓潤種粒，8為胚根端壞死種粒。其中1為完全可育類型，2～8屬于皺縮、空癟、病蟲害等敗育類型，在種子催芽試驗前，應精挑完整飽滿可育型種子作為供試材料，剔除空癟皺縮病蟲害等敗育種粒。

注:1為正常種子；2～4為不同顏色空癟粒種子；5為蟲食種子；6為病菌侵染種子；7為黑色圓潤種子；8為胚根壞死種子；9～12為完整種子觀察與解剖；13～15為不同處理下種子3種萌發方式。版圖

2.1.3 種子形態觀察與解剖

由版圖-9可知，巨紫荊種子為卵圓形，種皮呈綠色，具有明顯種臍，質密，種皮硬化。以完整種子進行縱切解剖觀察，如版圖-10和版圖-11，種臍部位有較發達的維管系統，最外層是逐漸加厚的柵欄組織，其細胞壁緊縮，子葉占據著種子絕大部分，版圖-12成熟硬實種子子葉呈黃色，種皮下方存在有透水透氣白色管，子葉、胚根形態可見，子葉較大發育完全，為雙子葉，胚根略偏于種臍，周圍具有空室。高度木質化具有較厚的柵欄組織所形成的種臍，加強了種皮的厚度，也保證了巨紫荊種皮的致密性，因而阻礙了外界的水分、空氣等滲透到種皮的內部，這可能是巨紫荊種子難透水透氣的原因，也可能是導致種子休眠的主要原因。

2.2 不同處理對種子吸水率的影響

由圖1可知：完整種子在前24 h內，吸水緩慢，24 h后吸水趨于平穩；濃硫酸處理不同時間后，在前24 h內吸水速率較快，隨著浸泡時間越長，吸水速率越快，24 h后仍在少量吸水，但趨于平穩；破皮種子在前24 h內，吸水速率快，凈吸水率明顯升高，在24 h后吸水緩慢趨于平穩。完整種子、破皮種子、濃硫酸浸泡25，35，45 min處理最高吸水率分別為7.5%、102.6%、103.2%、101.4%、105.6%，濃硫酸浸泡處理45 min吸水率最高，為完整種子的14.08倍，為破皮種子的1.03倍。由此可見，種皮透水性能很差，用物理和化學方法處理種皮吸水率有明顯提升，且處理時間越長，吸水率越大，表明種皮具有不透水不透氣的特性，是巨紫荊種子休眠的一個重要原因。

圖1 不同處理下巨紫荊種子吸水速率

2.3 不同時間、濃度赤霉素對巨紫荊種子萌發的影響

紫荊屬植物繁殖途徑主要是以種子進行，其種子具有一定的休眠特性，參考劉雅琪等[9]有關對種子破皮的方法以及米建華等[10]破除紫荊種子休眠的方法，以完整種子作為對照，通過對巨紫荊種子進行砂紙破損種皮邊緣、濃硫酸腐蝕打破種皮限制休眠，赤霉素溶液浸泡24 h；以及直接以不同濃度的赤霉素處理，在冰箱低溫層積不同天數，在生態培養箱中進行發芽試驗。

不同處理對巨紫荊種子萌發產生的3種出芽方式如版圖-13～版圖-15。版圖-13為切除種子胚根端后，種子以胚根生長方式發芽，版圖-14為切除種子子葉端后，種子發芽過程為子葉先出，這是一種異狀發芽，不能算正常發芽。版圖-15為切除種子子葉端結合赤霉素處理，以胚根突破種皮生長方式發芽。其中切除種子胚根端全部以版圖-13方式發芽，切除種子子葉端大部分以版圖-14方式發芽，而僅有少量種子以版圖-15方式發芽，進一步說明種子萌發受種皮限制，存在機械障礙。

巨紫荊種子萌發情況見圖2和圖3。由圖2、圖3可知：種子消毒15 min，清水浸泡3 d，切除種子胚根端及子葉端的2 mm左右后，種子第4天開始發芽，能打破機械障礙，可快速促使種子萌發，在相同處理中使用赤霉素浸泡對種子萌發具有明顯的促進作用；切除種子胚根端對比切除種子子葉端，對種子萌發有更好的效果，再使用激素浸泡12 h后，最高萌發率可達90%，使用激素浸泡48 h后，最高萌發率為6.67%；相同處理中，不同濃度激素對種子萌發效果不同，在種子最初萌發過程中，低濃度激素有一定促進作用，高濃度激素有一定抑制作用。較長時間激素浸泡切除之后的種子對萌發存在一定的毒害作用，清水浸泡切除子葉端種子對種子有一定促進作用。

試驗結果表明，由于種皮限制，胚根較難突破種皮，種子不萌發或萌發率較低，萌發時間較長，種子污染發霉率高，不具備以巨紫荊種子作為快速育苗繁殖的條件，其中通過切除子葉端的種子，大部分以子葉先出，胚根不能正常生長，這屬于異狀發芽。因而，采用直接切除巨紫荊種子胚根端，形成一個不完整種子，快速打破由于種皮種臍限制產生的休眠，促使種子萌發，在赤霉素處理的條件下，使其快速萌發，提高萌發率。

圖2 不同濃度赤霉素處理12 h下破皮巨紫荊種子萌發情況

圖3 不同濃度赤霉素處理48 h下破皮巨紫荊種子萌發情況

3 討論與結論

3.1 巨紫荊種子休眠原因

豆科類植物種子普遍具有硬實性，由于大多硬實種子表皮堅硬，對種子產生機械障礙作用，從而導致種子休眠。Juan Niu等從分子角度發現，種子硬實性是與細胞壁生物合成相關[11]；楊期和等認為，導致種子休眠與硬實種子透水透氣性能較差相關，從而對胚的生長產生機械限制[12]；Emine Burcu Yeilyurt等發現，通過對硬實種子進行機械損傷可以提高發芽率[13]。巨紫荊種子休眠原因也較復雜，由于巨紫荊種子表面光滑，質密，種皮硬化，從種子吸水速率曲線可以看出，其具有硬實性，完整種子吸水能力極弱，物理、化學方法處理種皮之后，吸水效果明顯，說明種皮對種子吸水有嚴重阻礙作用；巨紫荊種子種臍部較厚，柵欄組織緊密，導致水分較難從種臍滲透，其透水、透氣性極差，水分、氣體等很難自由進入種子中。對于硬實種子，采用的方法主要有物理、化學和生物學的方法。本實驗在切除種子胚根端及子葉端破除機械障礙后，種子能夠萌發，但切除子葉端后，種子發芽過程是以子葉先出，胚根不正常生長，推測胚根端可能存在抑制物質或生理休眠，僅靠赤霉素處理，不能使胚根萌發啟動。這是一種異狀發芽，不能算正常發芽的種子。清水浸泡12 h最高萌發率為40%，浸泡48 h最高萌發率為73.3%。這進一步說明種子由于種皮的機械障礙而限制巨紫荊種子的萌發，是產生種子休眠的重要原因。

3.2 不同組合處理對種子發芽特性的影響

赤霉素處理48 h，較長時間浸泡對破損種皮的種子會有一定的毒害作用，表現為種子變黑壞死、長菌感染等，清水浸泡48 h后可能使種子抑制物濃度降低，對種子萌發具有一定促進作用，因而赤霉素處理時間以12 h為宜。對比切除種子胚根與子葉端在不同濃度激素處理下，切除胚根端較切出子葉端種子，萌發率高，萌發時間快，說明巨紫荊種子發芽方式主要靠胚根生長突破種皮限制，赤霉素處理能使種子快速萌發，增加發芽率，因此破除巨紫荊種子種皮限制休眠宜選擇切除種子胚根端。由于種子受機械破損嚴重，在培養過程中能在較短時間內發芽，種子污染率低，種子利用效率高。說明破除種皮限制，打破種子機械障礙后，種子能直接萌發，一定濃度赤霉素的處理能夠加快種子萌發，對巨紫荊種子萌發有促進作用，表現為萌發率大幅度增加、發芽整齊度提高、發芽速度加快，其中在切除胚根端，使用150 mg/L GA3處理12 h后，效果最好，萌發率最高為90%。

3.3 巨紫荊種子敗育情況分析

自然條件下巨紫荊成年樹所結果莢較多，但其種子空癟、蟲食、菌染等較嚴重，而且果莢存在落果現象，提早落的果莢，里面的種子敗育更加嚴重，污染率也較高，果莢提前脫落可能是昆蟲、病害所致。成年巨紫荊在結果數量與避免蟲食方面達到一種平衡，樹體營養對果實以及種子發育也有重要影響。巨紫荊結籽量巨大，對資源需求量較大，母株很難滿足其資源需求，從而導致巨紫荊種子敗育率高。而主要傳粉昆蟲影響豆科植物結實，胚珠敗育可能導致結實率低[14]，高成杰等認為，昆蟲的寄生對果莢內種子的敗育產生影響，敗育種子數與被寄生種子數呈正相關[15]，因此昆蟲幼蟲蠶食種子，可能是傳粉昆蟲在授粉過程中把卵傳進子房，蟲卵發育過程中以種子為食，導致種子敗育率較高。在采集的巨紫荊果莢中，每個果莢平均含有種子(7.35±0.9333)粒，平均敗育種子(2.95±1.099)粒，平均敗育率為40.1%。種子敗育率高是由多方面造成，可能與細菌感染、昆蟲幼蟲寄生蠶食，還可能與樹體資源限制或者授粉受精不足有關，導致種粒皺縮空癟壞死，還應開展傳粉生物學的研究，對其授粉受精進行觀察，進一步確定敗育原因。因此在種子選育中，獲得高質量的種子是比較重要的，在進行種子篩選時，選擇體積膨大、完整無缺口、無病菌綠皮種子進行育苗，這類種子為有活力的種子。

3.4 幼苗移栽情況分析

對不同發芽程度的幼苗進行移栽，發現待子葉完全脫離種殼后再移栽至基質中，部分巨紫荊幼苗枯萎死亡。對其根系觀察發現，根系出現表皮光滑無毛，或根毛死亡脫落形成黑色毛孔，或根系較短發育不良，原因可能存在移栽方法不當，使幼苗根系無法充分接觸基質或部分根系被折斷損傷，幼苗根系缺水，根毛死亡脫落最終導致幼苗死亡。對根系進一步觀察發現，有根結線蟲和紅蜘蛛的存在，對巨紫荊的根系造成嚴重影響，原因可能是育苗基質未進行消毒殺菌處理，進而導致幼苗死亡。因此，在育苗過程中，應對育苗基質進行殺蟲滅菌處理，以減少土傳病害對幼苗的影響。而選擇發芽種子帶殼進行移栽，每天定時補充水分，幼苗正常生長，莖稈粗壯，扎土較深。所以，巨紫荊種子幼苗移栽以切除種子胚根端，100 mg/L GA3處理12 h，胚根長為種子長一半為宜。

4 結 論

巨紫荊種子具有硬實現象，在催芽前要先進行凈種、剔除敗育粒、消毒等處理，然后以清水浸泡巨紫荊種子3 d，清水要求每天換，切除巨紫荊種子胚根端2 mm左右，用100 mg/L赤霉素處理已切除胚根端種子12 h，在生態培養箱培養(黑暗12 h/光照12 h交替進行，25 ℃中進行培養，能夠快速有效打破休眠，第3天開始萌發，第5天達到最高萌發率為80%。