四種豆科種子休眠及萌發(fā)特性的研究

曲 艷，李青豐

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院“農(nóng)業(yè)部飼草栽培、加工與高效利用重點實驗室”和“草地資源教育部重點實驗室”，內(nèi)蒙古呼和浩特 010019)

種子是高等種子植物生活史中的關(guān)鍵組成部分，植物群落建成、演替也與種子萌發(fā)特性有關(guān)〔1〕，并影響植被分布、動態(tài)和多樣性〔2〕，植物要想成功的實現(xiàn)天然更新，種子萌發(fā)是必經(jīng)之路〔3〕。種子萌發(fā)就是某一生境下的群落布局、植被形成和演替的起點〔1〕。種子萌發(fā)是一個復(fù)雜的多步驟過程，種子萌發(fā)具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)意義〔4〕。種子萌發(fā)是指種子吸水后膨脹，胚再生長的過程，胚根從胚乳和種皮突破出來后完成萌發(fā)這一過程〔5〕。為此，本次研究以豆科植物四種典型植物小冠花(Coronillavaria)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、刺果甘草(Glycyrrhizapallidiflora)、沙打旺(Astragalusadsurgens)作為試驗材料。小冠花為豆科多年生草本植物，原產(chǎn)于南歐和地中海地區(qū)。引進(jìn)種的根系與根瘤發(fā)達(dá)，莖葉稠密，質(zhì)地柔軟，是優(yōu)良的水土保持植物，同時也可以用來觀賞的蜜源植物，徐本美等人的研究結(jié)果指出濃硫酸處理后的小冠花種子萌發(fā)率大大提高〔6〕。苦豆子為豆科槐屬，多年生草本植物，主要分布于我國新疆、寧夏和內(nèi)蒙古等省區(qū)境內(nèi)，具有耐鹽堿、抗干旱等特性，是北方地區(qū)的飼用植物資源和藥用植物資源〔7〕，同時也是我國西北荒漠地區(qū)廣泛分布的一種優(yōu)良野生植物〔8〕，而且具有防風(fēng)固沙和改良鹽堿地的特性，呂篤康等對苦豆子種子萌發(fā)特性進(jìn)行了研究〔9〕。沙打旺，豆科黃芪屬多年生草本，又名直立黃芪、麻豆秧等，是具有防風(fēng)固沙和保持水土的優(yōu)良牧草及綠肥原料，鄭秀芳等的研究揭示了沙打旺種子的最適發(fā)芽溫度〔10〕。刺果甘草原產(chǎn)于溫帶，主要分布在我國黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙古、河北等地，種子有深而長的休眠。刺果甘草的優(yōu)良特性有很多，如抗寒、耐熱、耐旱、抗鹽堿等，刺果甘草還是一種重要的固沙植物，林艷艷等研究了刺果甘草的種子萌發(fā)特性和生物學(xué)特性〔11〕。

本文通過對四種種子的休眠特性進(jìn)行研究，并針對不同的種子采取不同破除休眠的方法以提高種子的發(fā)芽率。利用科學(xué)的方法對取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析能夠幫助我們了解和認(rèn)識植物在面對特殊生境時的不同生活史以及對策，從而了解植物種子萌發(fā)的特性和影響因素，尋找其種子最優(yōu)的萌發(fā)條件則為其育種繁殖，引種栽培、種質(zhì)資源保存和生態(tài)環(huán)境保護奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所采用的4種試驗材料名稱、采集地點及時間等詳見表1。

表1 實驗材料

1.2 試驗方法

1.2.1 種子外部形態(tài)觀察

挑選發(fā)育良好的成熟飽滿的種子置于解剖鏡下，觀察其性狀、顏色、表面紋飾等特征。并拍照記錄。

1.2.2 種子千粒重測定

采用千粒法測量種子的千粒重。把四種種子每種選取1000粒種子，共設(shè)三次重復(fù)，分別進(jìn)行稱重，三份重復(fù)的差數(shù)與平均數(shù)之比不超過5%，若超過則分析第四份重復(fù)，直至到達(dá)要求，取差距最小的兩份計算測定成果。

1.2.3 種子萌發(fā)試驗

(1)種子休眠特性測定

四種種子均以每50粒為一組，四次重復(fù)，將種子隨機取出，放入鋪有2層以蒸餾水潤濕的濾紙做培養(yǎng)床的培養(yǎng)皿中，加入少量蒸餾水將種子浸濕，在25℃人工培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行萌發(fā)試驗，每天補加少許蒸餾水，要保證種子有充足的水分供應(yīng)，如發(fā)現(xiàn)有發(fā)霉種子要及時撿出，萌發(fā)實驗持續(xù)12d。試驗時期每24h統(tǒng)計新萌發(fā)種子數(shù)目、發(fā)霉種子數(shù)目及硬實種子數(shù)目，以此測定種子休眠情況。

(2)擦皮處理萌發(fā)實驗

對萌發(fā)率極低的小冠花、沙打旺種子進(jìn)行破除硬實的處理。隨機取出種子，用砂紙進(jìn)行打磨，直至表面失去光澤〔12〕，使種子吸水萌發(fā)，重新進(jìn)行一次萌發(fā)實驗(步驟同(1))。

(3)濃硫酸處理萌發(fā)實驗

將不易用砂紙打磨的、外表皮太硬的苦豆子、刺果甘草種子進(jìn)行濃硫酸浸泡處理，將各種子50粒為一組，四次重復(fù)，用濃度為98%的濃硫酸浸泡30min，萌發(fā)試驗同(1)。每天觀察并記錄種子萌發(fā)的個數(shù)。

1.2.4 幼苗生物量測定

在萌發(fā)實驗第12d時，準(zhǔn)備若干小信封袋，稱量袋重并記錄，然后從培養(yǎng)皿內(nèi)取出植物幼苗按順序裝入不同小紙袋中，標(biāo)記對應(yīng)的標(biāo)簽，稱量幼苗鮮重。稱重結(jié)束后將種子放入烘箱內(nèi)，在恒溫75℃烘干約24h，然后取出幼苗稱量干重。根據(jù)發(fā)芽試驗記錄的數(shù)據(jù)按公式計算各種與發(fā)芽有關(guān)的指標(biāo)。

1.2.5 萌發(fā)指標(biāo)計算方法

參照《國際種子檢驗規(guī)程》及國內(nèi)《牧草種子檢驗規(guī)程》，將種子新鮮胚根伸出超過種子長度以上視為發(fā)芽。種子相關(guān)發(fā)芽指標(biāo)計算公式如下：

發(fā)芽率〔13〕(G)=n/N×100% n=發(fā)芽實驗結(jié)束后種子發(fā)芽數(shù) N=種子數(shù)

發(fā)芽勢〔13〕(Gr)=m/N×100% m=發(fā)芽實驗初期種子發(fā)芽數(shù) N=種子數(shù)

發(fā)芽指數(shù)〔13〕(Gi)=∑Gt/DtGt=在t日內(nèi)發(fā)芽數(shù)Dt=發(fā)芽日數(shù)(12d)

活力指數(shù)(Vi)=Gi×S S=發(fā)芽實驗結(jié)束后幼苗重量

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用excel2016進(jìn)行種子每天發(fā)芽粒數(shù)的統(tǒng)計、計算及繪圖，采用SAS9.0軟件對不同處理的差異性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子形態(tài)特征

通過對四種種子進(jìn)行外表形態(tài)觀察并拍照記錄顯示：苦豆子種子為圓形，黃褐色，表面較光滑，長約3.8mm，寬約2.6mm；刺果甘草的種子為圓腎形，黑色，表面光滑，長約2.8mm，寬約2.2mm；沙打旺種子為腎形，黑褐色，表面較光滑，種子長約1.8mm，寬約1.5mm；小冠花的種子為腎形，黑褐色，細(xì)長狀，表面光滑，種子長約3.0mm，寬約1.2mm。

苦豆子種子形態(tài)刺果甘草種子

沙打旺種子形態(tài)小冠花種子形態(tài)

圖1四種種子形態(tài)特征

2.2 種子千粒重測定

千粒重是以克表現(xiàn)的一千粒種子的重量，它是體現(xiàn)種子大小與飽滿水平的一項指標(biāo)，是查驗種子質(zhì)量的指標(biāo)〔14〕，也是預(yù)測產(chǎn)量時的重要依據(jù)。千粒重直接關(guān)系到種子的傳播、萌發(fā)和成活率等〔15〕。種子千粒重是反映種子質(zhì)量性狀的重要指標(biāo)。水分和養(yǎng)分的變化可影響種子的重量。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中若農(nóng)田水肥條件好，則作物籽粒飽滿，水肥跟不上，則作物所結(jié)籽粒小。

通過比較小冠花、沙打旺、苦豆子和刺果甘草四種植物種子千粒重，得出四種植物千粒重依次為苦豆子(17.73g)>刺果甘草(13.49g)>小冠花(3.53g)>沙打旺(1.32g)，其中苦豆子的千粒重最高，沙打旺的千粒重最小(見圖2)。

圖2 四種種子千粒重大小比較

2.3 四種植物種子萌發(fā)特性

2.3.1 四種植物種子萌發(fā)指標(biāo)測定

為明確四種種子是否有休眠現(xiàn)象，并明確種子的休眠率，首先用標(biāo)準(zhǔn)萌發(fā)實驗對種子的休眠率進(jìn)行測定。發(fā)芽率是種子質(zhì)量性狀的重要指標(biāo)，也是種用價值的最重要的指標(biāo)，發(fā)芽率高說明種子著的多，反之說明種子活著的少；發(fā)芽勢的大小表明發(fā)芽速度的快慢與齊整度，也表明種子活力的強弱，以發(fā)芽率相同為前提的情況下，如果發(fā)芽勢高，那么種子生命力一定強〔16〕。

根據(jù)表2可以看出，在常規(guī)發(fā)芽條件下苦豆子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢均最高，分別為59.5%和47.0%，顯著高于其他三種種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢；刺果甘草的發(fā)芽率及發(fā)芽勢最低，二者均為2.0%。四種種子都存在著或多或少的休眠現(xiàn)象，其中小冠花的休眠程度最高，休眠率可達(dá)85.0%。沙打旺種子死亡率最高(70.5%)，出現(xiàn)了大量發(fā)霉死亡的現(xiàn)象。小冠花和刺果甘草種子雖死亡率較低，但存在著嚴(yán)重的硬實現(xiàn)象，休眠率特別高，在常規(guī)條件下萌發(fā)困難，需要對其進(jìn)行一定的處理才能使種子正常萌發(fā)。

表2 標(biāo)準(zhǔn)萌發(fā)條件下種子發(fā)芽情況

注：同列不同小寫字母表示差異性顯著(P<0.05)

2.3.2 破除休眠后種子萌發(fā)特性

(1)破除休眠后種子萌發(fā)指標(biāo)測定

表3為經(jīng)過擦皮和98%濃硫酸處理后破除硬實效應(yīng)后植物種子萌發(fā)情況。經(jīng)過擦皮處理的小冠花和沙打旺種子發(fā)芽率得到了很大程度上的提高，其中小冠花的發(fā)芽率由常規(guī)萌發(fā)14.5%升至87.5%。沙打旺的發(fā)芽率由常規(guī)萌發(fā)的28.0%升為46.5%；經(jīng)過98%濃硫酸處理的刺果甘草和苦豆子種子發(fā)芽率為47.5%和80.0%，分別提高了45.5%和20.0%，且經(jīng)過處理過的種子休眠率明顯低于未處理的種子。并且處理后的沙打旺種子死亡率大大低于未處理的種子，但刺果甘草種子卻比處理前的死亡率有所提高，小冠花與處理前的死亡率一樣。可見，處理后能夠明顯幫助種子突破硬實效應(yīng)，達(dá)到更好的萌發(fā)的效果。

表3 擦皮和98%濃硫酸處理后種子萌發(fā)情況

(2)處理前后種子發(fā)芽指數(shù)的測定

發(fā)芽指數(shù)可以說是發(fā)芽率的詳細(xì)與具體，發(fā)芽指數(shù)高就說明該種子發(fā)芽過程所用的時間短，發(fā)芽速度快〔17〕，評價種子活力的好方法就是測定發(fā)芽指數(shù)〔18〕。

如圖3所示，處理前，刺果甘草的發(fā)芽指數(shù)最低為0.39，而沙打旺種子和苦豆子種子的發(fā)芽指數(shù)較高，其中，沙打旺種子的發(fā)芽指數(shù)為4.85，苦豆子種子最高的發(fā)芽指數(shù)達(dá)到7.16；經(jīng)過擦皮和98%濃硫酸浸泡處理后，苦豆子的發(fā)芽指數(shù)最高，刺果甘草的發(fā)芽指數(shù)最低。沙打旺處理前后有非常顯著的差異性，刺果甘草處理前后有較顯著差異。

圖3 經(jīng)過處理前后種子發(fā)芽指數(shù)對比

(3)處理前后種子活力指數(shù)測定

活力指數(shù)是種子萌芽速度和生長量的綜合反映，是種子活力的綜合指標(biāo)。種子活力是一種潛在能力及表示種子萌發(fā)及幼苗成長的，發(fā)芽速度快，齊整劃一，幼苗生長健壯即表明種子活力高〔19〕。

由圖4可以得出苦豆子的活力指數(shù)高于小冠花的活力指數(shù)。活力指數(shù)=發(fā)芽指數(shù)×發(fā)芽實驗結(jié)束后幼苗重量，所以在發(fā)芽實驗結(jié)束時苦豆子的幼苗重量明顯高于小冠花的幼苗重量。比較圖4，除小冠花種子，其它種子的活力指數(shù)都有顯著性差異，說明處理后的種子對種子萌發(fā)特性有顯著影響。并且活力指數(shù)具有明顯差異的種子發(fā)芽指數(shù)也有明顯差異。

圖4 經(jīng)過處理前后種子活力指數(shù)的對比

3 討論

3.1 四種植物種子的千粒重分析

四個種子千粒重有明顯的顯著差異，千粒重大的種子對其發(fā)芽率也有一定影響。贠晶和贠文卿的研究表明紅芪種子的發(fā)芽率受儲藏年限和種子千粒重的影響，儲藏時間短、千粒重高的種子發(fā)芽率高〔20〕。

3.2 四種植物種子的休眠現(xiàn)象分析

沙打旺和小冠花種皮硬，用砂磨法處理時很少破碎、種胚不易受到外界的傷害〔21〕。在很多種子預(yù)處理方法中，砂磨法一直被看作是最好的處理方法。本實驗選取擦皮前后的兩種植物種子進(jìn)行萌發(fā)實驗，通過實驗結(jié)果表明擦皮可明顯提高沙打旺和小冠花種子的萌發(fā)率。用98%濃硫酸處理后的苦豆子和刺果甘草的萌發(fā)率也得到明顯提高，這說明沙打旺和小冠花種子不易萌發(fā)的重要原因就是受種皮機械抑制的影響。此外，是否存在有其他抑制因素影響兩種植物種子萌發(fā)還有待研究。四種植物種子都存在休眠現(xiàn)象。沙打旺和小冠花的種子休眠的最主要原因就是硬實作用太明顯，擦皮能用來突破硬實效應(yīng)。苦豆子和刺果甘草用98%濃硫酸處理后能突破硬實效應(yīng)。

3.3 破除硬實效應(yīng)前后種子死亡率變化

進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)萌發(fā)實驗時，種子的死亡率較高，而擦皮處理后，種子的死亡率明顯降低，根據(jù)實驗過程分析，造成種子發(fā)霉的主要原因有水分太多，氧氣不足，種子進(jìn)行無氧呼吸，產(chǎn)生了有害物質(zhì)使種子死亡，最后發(fā)霉；種子本身就有傷口，被其他微生物侵入而發(fā)霉。在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)萌發(fā)實驗時種子自身不能夠萌發(fā)而長期浸泡在水中容易進(jìn)行無氧呼吸，同時種子可能有傷口，被其他腐爛種子攜帶的微生物入侵，而在擦皮后進(jìn)行的萌發(fā)實驗中，種子的發(fā)芽勢均較高，在初期萌發(fā)后幼苗可進(jìn)行有氧呼吸，以至腐爛發(fā)霉率降低，但不排除是濃硫酸處理時間太久燒傷種胚，而具體由哪一種因素導(dǎo)致種子腐爛死亡仍需進(jìn)一步研究才能確定。

4 結(jié)論

在標(biāo)準(zhǔn)萌發(fā)條件下，四種豆科種子千粒重越大，對應(yīng)的發(fā)芽率也越高，具體表現(xiàn)為苦豆子>刺果甘草>小冠花>沙打旺。從整體上看四種豆科種子在標(biāo)準(zhǔn)萌發(fā)條件下發(fā)芽情況均不佳且硬實作用明顯，硬實作用是導(dǎo)致種子休眠的主要原因，尤其小冠花和刺果甘草。但經(jīng)過擦皮和98%濃硫酸處理過后的四種豆科種子發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)均顯著提高，其中苦豆子的發(fā)芽率與發(fā)芽指數(shù)呈完全線性正相關(guān)，發(fā)芽勢與發(fā)芽率、發(fā)芽勢與發(fā)芽指數(shù)之間呈顯著的線性正相關(guān)。