不同熱水處理方式對14種硬實種子萌發的影響

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(1.四川大學生命科學學院，生物資源與生態環境教育部重點實驗室，成都 610065；2.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065；3.四川沃爾宜環保科技有限公司，成都 610000)

許多植物種種皮既不透水，也不能吸脹發芽，這種保持種子原有大小狀態的種子被稱為硬實，是植物的一種休眠形式，是植物種經過長期自然選擇，適應環境并維持種的延續和傳播的一種積極應對策略[1]。豆科、百合科、漆樹科等植物種子種皮硬實或種皮蠟質化現象普遍，抑制了種子的正常萌發，如苦豆子、山毛豆、田菁、鹽膚木等。在生產實踐及科研中往往需要破除植物種子的休眠機制，掌握種子休眠萌發規律和延長種子壽命[2-3]。有研究證實，苦豆子和苦馬豆種子硬實率高達92%，鹽膚木種子硬實率高達90.2%，未經任何處理的甘草種子發芽率不足20%，成熟后的山毛豆自然條件下的萌發率只有22.5%[4-8]。目前，針對種子硬實的破除問題，國內外已開展了大量研究，破除種子休眠的方法主要包括物理法、化學法、生物法和綜合法[9-12]。其中，酸處理、熱水浸種、低溫液氮處理已被證實可有效破除種子休眠，提高硬實種子的萌發率。不同植物種子休眠機制具有特殊性，因此，在實踐操作中應根據種子的不同采取相對應的處理方法，如改變處理液濃度、溫度、時長等。當前，熱水浸種法是最實用，應用最廣泛的一種打破種子機械休眠的方法，與酸處理等化學浸種法相比，熱水浸種更經濟環保，特別是針對種皮、角質層較厚，透水、透氣性差的硬實種子[13]。通過熱水燙種可以有效軟化種皮，破壞種子表皮堅硬的柵欄組織、致密結構，從而增強種皮透水、透氣性，打破硬實，而且熱水燙種成本較低，污染小，浸種廢液無需經過處理。在應用過程中，不同的植物種要根據其硬實程度、種皮厚度，有針對性的選擇浸種溫度、浸種時間。

基于上述內容，本研究以9種豆科，2種漆樹科，1種無患子科，1種禾本科，1種麻黃科植物種子為研究材料，了解種子硬實、蠟質等對這14種植物種子萌發的影響，分析不同溫度、不同時長的熱水浸種對不同植物種子休眠破除的影響，探討不同目標植物種子硬實破除的最優處理方法，打破重要目標植物種子的機械休眠，提高種子萌發率，為后期浸種調控試驗提供基本資料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗主要是針對種皮堅硬、存在機械休眠的種子，選擇了14種具有高硬實度的種子進行試驗，供試的所有種子均購買于2015年10月至2017年3月，詳細信息見表1。

表1 供試種子詳細信息

1.2 試驗方法

1.2.1 種子處理

首先用電子天平稱取一定量的種子，將種子用0.3%的高錳酸鉀溶液消毒20 min，然后用清水沖洗干凈，并用吸水紙吸干表面水分備用。每個植物種設置2個溫度梯度：60，70 ℃；每個溫度梯度再設置3個時間梯度：10，20，30 min；每個植物種處理設2組重復，所需試件總數為196個，具體的浸種溫度、時間設置處理見表2。選取50 mL的燒杯，按照梯度設計分別貼上標簽，每個燒杯隨機放入經過消毒的種子100粒，然后將一定溫度(60，70 ℃)的熱水加入燒杯中，加水至50 mL刻度線，分別放入恒溫水浴鍋(60，70 ℃)中恒溫浸種，記錄浸種開始時間。根據不同浸種時間設置，分別在不同時間將種子從燒杯中取出，然后利用吸水紙將種子表面水分吸干，然后在通風干燥處將種子晾干，并用變色硅膠干燥劑進行干燥處理，使其干燥至原始含水量備用。

1.2.2試驗設計

測定樣品為經過熱水燙種后干燥并經過篩選的純凈種子，按照隨機原則提取，試驗設計如表2，不同植物種均隨機選擇100粒，設2組重復。將分取好的種子分別放置到發芽床上，每粒種子間留下種子直徑2～5倍以上的間距，以防止發生霉變的種子互相感染，每粒種子應該良好的接觸水面，使種子發芽條件保持一致。在萌發盤上貼上標簽，注明日期、樣品編號、品種、處理方法等。將貼好標簽的發芽床置于白天溫度25 ℃(12 h，時間為07：00—19：00)，夜間溫度20 ℃(12 h，時間為19：00—07：00)，光照5 000 lx，相對濕度為60%～70%的人工氣候箱內進行萌發試驗。試驗用水為去離子水，發芽床始終保持濕潤狀態，加水時采用滴管沿著發芽盤內壁多次加入，并每天觀測水分情況，表面砂子呈干狀立即加水，以濕潤但不形成水膜為宜，各重復間的供水量保持一致。經常檢查測定樣品及其水分、通氣、溫度、光照條件。輕微發霉的種粒可以揀出用清水沖洗后放回原發芽床。發霉種粒較多的(超過5%)要及時更換發芽床或發芽容器。

1.2.3 觀測與記錄

種子發芽試驗測定的持續時間自置床之日起，記錄30 d內的發芽數，如果規定時間內發芽的種粒不多，可以適當延長測定時間，但最多不超過規定時間的1/2。如果在規定的時間結束之前樣品已經充分發芽，且后期連續3 d每天發芽粒數不超過重復供試種子粒數1%，則該次測定可以提前結束。以芽長超過種子長度約1/2，根長達種子長度1/2為發芽標準，滿足二者其一即可視為發芽。每2 d觀測記錄1次發芽狀況，記錄正常發芽粒數與異狀發芽粒數，用鑷子將幼苗去除，并進行觀測數據記錄。

表2 種子浸種處理的設置

1.3 數據處理

利用Excel 2007軟件和SPSS 13.0軟件對數據進行處理，并計算發芽率、發芽勢、發芽指數，公式如下：

發芽率(%)=∑n/N×100%；

發芽勢(%)=n/N×100%；

發芽指數=∑Gt/Dt。

式中，N為供試種子數，D為從萌發開始的時間，n為在時間D的萌發數。Gt為與Dt相對應的每天發芽種子數，Dt為發芽時間[14]。

2 結果與分析

2.1 不同熱水處理方式對種子萌發率的影響

表3列出了不同熱水處理方式下14種植物種子的萌發率情況。研究結果表明，對照處理下，百喜草、苦豆子、山毛豆、田菁、草麻黃、馬棘、金合歡、銀合歡、黃槐決明、鹽膚木、車桑子、臺灣相思、任豆、火炬樹的萌發率都較低，均不超過42%，尤其是漆樹科的鹽膚木和火炬樹種子基本不萌發。在進行熱水浸種處理后，苦豆子、山毛豆、金合歡、銀合歡、鹽膚木、車桑子、臺灣相思、任豆和火炬樹種子的萌發率由處理前的38%、42%、17%、27.5%、0、8%、18%、12.5%和2%，顯著提高到78%、71%、75%、92.5%、45%、65%、66%、100%和48%。百喜草種子經60 ℃熱水處理20 min，70 ℃熱水處理10 min，其發芽率可達45%，但與對照相比無較大差異，當熱水處理時間為30 min時，種子萌發率低至18%。熱水浸種不能打破田菁、馬棘、黃槐決明種子休眠，反而隨著浸種溫度的升高、時間的延長，其萌發率分別由38%、30%、16%降低為10%、7%、13%。苦豆子、銀合歡、鹽膚木、火炬樹在70 ℃條件下種子的萌發率顯著高于60 ℃，但是鹽膚木、火炬樹種子的最高發芽率仍然只有約45%、48%，硬實率仍然較高。

表4 不同溫度熱水處理對種子發芽的影響

表3 不同溫度熱水處理下種子萌發率記錄

2.2 不同熱水處理方式對種子發芽勢及發芽指數的影響

表4列出了不同熱水處理方式下14種植物種子的發芽勢和發芽指數，與發芽率相比，發芽勢和發芽指數能夠更加靈敏的表示種子活力。由表4可知，苦豆子、金合歡、銀合歡、鹽膚木、車桑子、臺灣相思、火炬樹7種植物種子的發芽勢隨浸種溫度的升高、時間的延長不斷增大，分別由對照處理的38%、14%、25%、0%、2%、14%、1%提高到75%、70%、88%、42%、40%、52%、35%，銀合歡60 ℃與70 ℃浸種發芽勢差異顯著，60 ℃浸種20 min的發芽勢為38%，70 ℃浸種20 min的發芽勢顯著提高到88%(p<0.05)，是對照種子發芽勢的3.5倍。百喜草種子60 ℃和70 ℃所有處理下的發芽勢均低于對照處理的27%，黃槐決明種子熱水浸種與對照處理差異不大，任豆種子60 ℃浸種10 min的發芽勢為90%，70 ℃浸種20 min發芽勢高(達100%)。田菁、草麻黃、馬棘種子60 ℃浸種時，隨著浸種時間的不斷延長，發芽勢均有所增加，但70℃浸種時，發芽勢急劇下降，分別由對照的34%、20%、27%下降為4%、5%、6%。

種子的發芽指數是表征種子活力的一個重要指標，發芽指數越高，證明種子活力越強[15]。苦豆子、山毛豆、金合歡、銀合歡、鹽膚木、車桑子、臺灣相思、任豆、火炬樹9種植物種子隨著浸種溫度的升高、時間的延長，發芽指數明顯高于對照，分別由對照的12.96、11.44、3.90、3.00、0、1.10、1.95、1.17、0.27增加到28.08、27.29、19.17、10.59、8.82、9.84、7.33、11.85、8.60，其中車桑子、任豆、火炬樹與對照相比，發芽指數分別增加了7.9倍、9.1倍、39.9倍，差異顯著(p<0.05)。60 ℃浸種時，百喜草、田菁、馬棘、黃槐決明種子發芽指數略微高于對照處理，但70 ℃浸種30 min時，百喜草、田菁、馬棘種子的發芽指數分別由對照的5.38、10.80、6.48下降為2.47、1.39、1.74。草麻黃60 ℃浸種時，發芽指數隨浸種時間的延長顯著增大，由對照的4.03顯著增大到13.11，比對照提高了2.25倍，但70 ℃浸種時，隨著時間的延長發芽指數逐漸下降為1.26，僅為對照發芽指數的1/3。

表5 不同溫度熱水處理下腐爛種子情況記錄(%)

2.3 不同熱水處理方式對種子腐爛率的影響

表5列出了試驗期間不同處理下腐爛種子的詳細情況，百喜草、苦豆子、草麻黃、銀合歡、鹽膚木、任豆、火炬樹種子在所有處理下腐爛率均低于5%，其中百喜草未出現腐爛種子。田菁和黃槐決明種子所有處理下均腐爛嚴重，對照處理種子腐爛率分別為22%和34%，70 ℃浸種后腐爛率分別高達40%和44%。山毛豆、馬棘、金合歡、車桑子、臺灣相思種子對照處理腐爛率均低于6%，熱水浸種處理后腐爛率顯著增大，70 ℃浸種30 min后，馬棘種子腐爛率由對照處理的5%顯著提高到68%(p<0.05)，馬棘種子隨著浸種溫度的升高、時間的延長，腐爛率不斷上升；60 ℃浸種10 min后，車桑子、臺灣相思種子腐爛率由對照處理的0%、3%分別提高到10%、12%。

3 討 論

熱水浸種操作簡單、經濟環保、效果顯著，在大量育種中有顯著的優勢[16]。試驗結果表明，熱水浸種是打破種子硬實休眠，促進種子萌發的有效方法，但是部分植物種，如百喜草、田菁、馬棘、黃槐決明的浸種效果不明顯，甚至萌發率隨著浸種溫度升高、時間延長，顯著下降，雖然打破了種子的種皮限制，但是對種胚損傷嚴重，導致種子萌發率下降，腐爛種子數增多。胡小文等[17]在對豆科種子休眠破除方法的研究中指出，印度田菁種子在80 ℃的熱水中浸泡3 min發芽效果最好，發芽率高達85%。與本試驗研究結果存在較大的差異，分析造成這種差異的原因可能是供試種子并非同一批次采購，貯存時間、地點與方式均不相同，種子本身硬實度也存在差異，以上綜合性影響因素均可能造成田菁種子對熱水浸種不同反應機理；也有可能是本批次采購的種子存在質量問題造成浸種后大批量腐爛種子的出現。60，70 ℃熱水浸種在一定程度上打破了漆樹科鹽膚木、火炬樹種子的休眠機制，但整體發芽率未超過48%，可以考慮進一步提高浸種溫度或者時間，若熱水浸種仍無法提高其萌發率，需考慮采用其他的化學、生物等方法。因此，種子在大批量處理前，均應按照當前條件，重新探尋適宜的處理方法，以免造成不必要的損失。

熱水浸種對苦豆子、山毛豆、金合歡、銀合歡、車桑子、臺灣相思、任豆7種植物種子的調控效果最為顯著。苦豆子、金合歡、銀合歡、臺灣相思和任豆經70 ℃熱水浸種30 min后發芽勢和發芽指數均達到試驗期間的較大值，萌發率可達到78%、75%、90%、66%和100%，分別為對照萌發率的2.1倍、4.4倍、3.3倍、3.7倍和8倍。因此熱水燙種是打破苦豆子、金合歡、銀合歡、臺灣相思和任豆5種植物種子硬實的有效方法，對其萌發具有很好的促進作用。陳海魁等[18]也在其研究中指出，破除合歡種子硬實的最優方法是70 ℃熱水浸種，與本試驗研究結果一致。本試驗60 ℃浸種條件下，隨著燙種時間延長，山毛豆種子萌發率逐漸升高，在60 ℃、30 min條件下，種子萌發率達到71%，為對照的1.7倍。而70 ℃條件下的種子腐爛率升高、萌發率低至45%，幾乎與對照的42%無差異，原因可能是，水溫高于種子的最大承受能力，對種胚破壞嚴重，使種子內部活性蛋白和酶類失活，種子萌發能力下降。車桑子種子在70 ℃、10 min浸種條件下，種子發芽勢、發芽指數、發芽率均為所有試驗處理的最大值，萌發率最高為65%，為對照的8倍。因此，為了達到較好的調控效果，需要嚴格控制燙種溫度與時間。

4 結 論

通過對14種存在機械休眠的植物種子進行熱水浸種處理，得出以下結論：針對存在堅硬外殼、堅硬種皮的硬實種子，熱水浸種是一個有效方法，但是不同植物種由于種皮厚度不同，硬實程度不同，最優的處理方法也不相同，因此，需要根據不同的植物種的特點，確定最優的方法，以防溫度過低無法破除硬實或者溫度過高損傷種胚，導致萌發率下降。