下延葉古當歸種子休眠特性與解除方法

徐珊珊,王環宇,陸 婷,劉愛民

(1.新疆農業大學林學與風景園林學院,烏魯木齊 830052 2.哈巴河縣林業局,新疆阿勒泰 836700)

0 引 言

【研究意義】下延葉古當歸(ArchangelicadecurrensLedeb.)屬于傘形科廣義當歸屬[1],在我國自然分布主要在新疆(阿爾泰地區、塔城地區)及內蒙古,一般生長于海拔2 200～2 300 m的山谷[2]、林下、溝邊的灌叢或草叢中;作為多年生草本植物,其株形高大;莖中空,有細縱棱;葉片為寬三角狀卵形;具有碩大的近球狀傘形花序,直徑7～15 cm;花白色;花期7～8月,果期8～9月[3],有良好的觀賞價值;其根部可入藥,還可作為歐白芷(Angelicaarchangelica)精油生產的替代原料[4,5],具有多種應用價值,是開發應用前景廣闊的野生植物資源。新疆是典型的生態脆弱地區[11],本土野生植物的開發利用對豐富新疆地區園林綠化植物種類,增加生態效益和經濟效益有重要的意義。【前人研究進展】我國當歸屬植物資源面臨研究進展緩慢,僅有部分物種被栽培和利用,如當歸(Angelicasinensis)、東當歸(Angelicaacutiloba)、紫花前胡(Angelicadecursiva)等[6]。當歸屬植物種子普遍存在休眠或萌發不整齊的特點,例如當歸種子采收時種胚發育不完全,低溫干藏15 d可促進種胚的發育和種子萌發[7];溫水浸種、赤霉素處理也可促進其種子萌發,6-BA對其種子萌發的促進效果不明顯,IAA的促進效果尚有爭議[8]。林當歸(Angelicasylvestris)及濱海當歸(Angelicakeiskei)種子休眠都屬于形態生理休眠類型,層積與赤霉素處理可以打破其種子休眠,前者經過處理胚率快速達到萌發臨界值[9],后者打破休眠后其種子萌發率達到80%[10]。【本研究切入點】目前關于下延葉古當歸的研究主要集中在其藥理學的應用方面[4],并無與其種子休眠類型及人工栽培相關的報道,若要進行人工種植則需要解決種子休眠時間長、萌發率低等問題。【擬解決的關鍵問題】以野生下延葉古當歸種子為材料,通過室內控制實驗法研究其種子休眠類型和原因,并尋求打破種子休眠,提高種子萌發率和萌發整齊度的方法,解決播種出苗困難的問題,為種質資源保護和開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

材料下延葉古當歸種子于2021年9月采集于新疆阿勒泰地區哈巴河縣(48°38′13″N、86°31′27″E),海拔500 m,其果實為雙懸果,果皮疏松包裹著種皮,采集果實后揉搓除去果皮,選取健康飽滿種子備用。萌發抑制物質的檢測選取白菜種子采購于石家莊先風種業有限公司,純度≥96.0%,發芽率≥85.0%。

1.2 方 法

1.2.1 生物學特性

使用游標卡尺測量種子長寬,使用百粒法[12]計算種子千粒重,使用TTC法[13]測定種子活力;種子吸水率測定:將種子置于蒸餾水中0、1、2、4、6、8、12、24、36、48、60 h后用電子天平進行稱重,每組處理100粒種子,重復3次[13]。

吸水率(%)= (吸水后種子的重量-吸水前種子重量)/吸水前種子重量 ×100%[13].

1.2.2 萌發抑制物質的檢測

孫佳等[14]認為一些萌發抑制物質在10-3～10-5濃度下,對蘿卜、白菜等種子具有抑制作用,大多數植物抑制物質都具有較強的親水性,用水或親水性的溶劑提取抑制物質。參考李詢等[15]種子浸取液制作方式,取下延葉古當歸種子4 g,研制成粉末,加入30 mL無菌蒸餾水,25℃中浸泡24 h,用濾紙過濾后取浸取液備用。取白菜種子50粒,清洗消毒后置于墊有一層濾紙的培養皿中,加入浸取液5 mL,置于室溫下做白菜種子萌發實驗,與正常萌發的白菜種子做對比,每組處理3個重復,48 h后統計白菜種子萌發率并計算萌發勢及萌發指數,萌發120 h后使用游標卡尺測定白菜幼苗根長,即幼苗根莖部至根尖的長度[16];下胚軸長,即子葉至根莖的長度[16];使用電子天平測定幼苗鮮重。

1.2.3 低溫層積對種胚生長及種子萌發的影響

低溫層積處理可以軟化種皮,促使種胚進行形態發育[17],還可以使與合成激素有關的轉錄因子得以表達,其指導合成的物質對種子萌發具有重要作用[18]。實驗將下延葉古當歸種子放入濕潤的蛭石中于5℃條件下進行低溫層積處理,每隔10 d取出180粒種子,其中150粒用紙培法進行種子萌發實驗,具體操作為每個培養皿放置50粒種子于溫室(25 ±5)℃避光條件下萌發,每組處理設3個重復,每天定期觀察種子萌發動態,計算種子萌發率、萌發勢、萌發指數,以未經層積的種子作為對照;另外30粒種子用于胚發育情況的觀察,將種子沿胚軸切開,在體視顯微鏡(尼康SMZ25)下觀察種胚發育情況,測量并計算種胚長度與種子長度比,即胚率[19]。

胚率(%)=種胚長度/種子長度×100%。

1.2.4 赤霉素浸種對種子萌發的影響

將種子分別置于0、1 000、2 000、3 000、4 000 mg/L的赤霉素溶液內浸泡12、24、36 h,隨后使用紙培法將種子置于室溫(25±5)℃避光條件下進行萌發實驗,每個處理50粒種子,重復3次。在萌發期間逐日記載萌發個數并計算萌發率、萌發勢和萌發指數。

1.3 數據處理

萌發率(%)=萌發種子數/供試種子總數×100%[20];

萌發勢(%)=最高萌日萌發數/供試種子總數×100%[20];

萌發指數(GI)=Σ(Gt/Dt)(Gt指在時間t日內的萌發數,Dt為相應的萌發天數)[21]。

數據采用Microsoft Excel進行數據記錄整理,采用SPSS22.0軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 基本生物學特性

研究表明,下延葉古當歸果實背腹扁平,分果具邊翅,中脊及側脊均向外突起;去果皮后其種子為淡棕褐色,具有濃郁氣味;種子長(2.73±0.45) mm、寬(1.20±0.20) mm、千粒重為(2.6±0.18) g,屬于中粒種子;生活力為(94.67% ± 0.04%);在0～4 h內種子的吸水速度較快,隨后吸水速率逐漸變緩,24 h吸水率達到最大值(111.51%±1.98%),種皮對種子吸水不產生阻礙作用。圖1

2.2 萌發抑制物檢測

研究表明,處理組白菜種子萌發率、萌發勢、萌發指數均極顯著低于對照(P<0.01),種子浸取液明顯抑制白菜種子的萌發;種子浸取液對白菜幼苗下胚軸的生長無顯著抑制作用(P>0.05),但對幼苗鮮重的增加和根長的變化則有顯著抑制作用(P<0.05),下延葉古當歸種子內含的萌發抑制物具有抑制其種子萌發和幼苗根部生長的作用。表1

圖1 下延葉古當歸種子吸水率曲線Fig.1 The water absorption rate curve of A.decurrens

2.3 低溫層積處理對種子萌發及種胚生長影響

2.3.1 低溫層積處理對種子萌發的影響

研究表明,隨層積時間從0 d延長至50 d,種子萌發率、萌發勢、萌發指數均呈上升趨勢。萌發率從6.67%上升至66.67%,增長了60.00%;萌發勢從3.33%上升至35.33%,增長了32%;萌發指數從0.47上升至5.62,增長了5.15。層積30～50 d的三組處理間種子萌發率無顯著差異,但均極顯著高于層積0～20 d的種子;層積40 d和50 d兩組處理間萌發勢無顯著差異,但極顯著高于層積0～30 d的種子;層積50 d的萌發指數顯著高于層積40 d的種子但未達到極顯著水平,而極顯著高于層積0～30 d的種子,低溫層積處理可有效解除種子休眠,促進種子萌發。表2

表1 下延葉古當歸種子粉末浸取液下白菜種子萌發及幼苗生長變化

表2 低溫層積處理中下延葉古當歸種子萌發率、萌發勢、萌發指數變化

2.3.2 低溫層積處理對種胚生長的影響

研究表明,果實成熟時種子胚較小,呈橢圓形,未分化完全,種子胚率僅有15.70%;層積過程中種胚繼續生長發育,在層積50 d時,種子胚率達到27.67%;種子在培養皿紙培過程中種胚會進一步生長發育,胚根突破種皮時胚率達到51.33%,未經層積的種子胚率變化不明顯,下延葉古當歸存在種子形態后熟現象。圖2,表3

表3 低溫層積過程中下延葉古當歸種子胚率變化

2.4 赤霉素的濃度與浸種時間對種子萌發影響

研究表明,在相同浸種時間下,所有赤霉素濃度處理組的種子萌發率、萌發勢、萌發指數均高于對照組;使用濃度為1 000 mg/L的赤霉素處理種子其萌發率隨著浸種時間延長不斷增加,其他處理組則是隨赤霉素濃度和浸種時間的提升,種子各項萌發指標均呈先上升后下降的趨勢,赤霉素對種子萌發具有促進作用,但過高的赤霉素濃度和浸種時間的組合會使赤霉素對種子萌發的促進效果降低。對比所有組合間種子萌發率、萌發勢、萌發指數的差異顯著性,赤霉素浸種時間為24 h,濃度分別為2 000、3 000和4 000 mg/L的三種處理組合種子各項萌發指標最高,且無顯著差異,三種處理組合對于促進種子萌發的效果最佳。表4

注:A:新鮮種子;B:低溫層積50 d的種子;C:胚根突破種皮的種子

表4 赤霉素濃度和浸種時間組合對下延葉古當歸種子萌發變化

兩者及兩者間交互作用對種子萌發率的影響顯著,不同赤霉素濃度與浸種時間的綜合處理對種子萌發具有增益效果。表5

表5 赤霉素濃度和浸種時間對下延葉古當歸種子萌發率的雙因素方差

3 討 論

3.1 種子的休眠類型

Baskin等[22]將種子休眠類型劃分為物理休眠(PY)、生理休眠(PD)、形態休眠(MD)、形態生理休眠(MPD)和復合型休眠(PY+PD)五種類型,目前這一休眠分類體系已被廣泛應用。完整種子能否吸水是判斷種子是否存在物理休眠的標志,在研究中,通過對種子吸水率的測定可以看出種子在萌發過程中可以正常吸水,認為種子不具備物理休眠的特點。生理休眠則是由于種子內含有萌發抑制物或種胚生長勢較弱引起的,通過將白菜種子置于本物種種子粉末浸取液的試驗中可以看出,種子粉末浸提液對白菜種子萌發和幼苗生長具有顯著抑制作用,種子內含有萌發抑制物,具有生理休眠的特點。具有形態休眠的種子通常種胚較小,未分化或分化不完全,通過對新鮮種子和層積過程中種子種胚發育變化的觀察,果實成熟時的種胚胚率低,僅有15.70%,達到萌發闕值時胚率為51.33%,種子具有形態休眠的特點。下延葉古當歸種子同時具有生理休眠和形態休眠的特點,屬于形態生理休眠類型,與廣義當歸屬植物林當歸(Angelicasylvestris)[9]、濱海當歸(Angelicakeiskei)[10]是同一種休眠類型。

種子休眠是植物長期適應復雜環境條件而形成的生理生態特性[23],在冬季寒冷的地區,許多植物的種子在秋季擴散,在土壤中經歷過冬季的低溫后,于第二年春季萌發。因此,休眠在調控種子萌發和出苗的時間方面起著關鍵作用。實驗材料采集于阿勒泰地區,該地區冬季寒冷漫長,是我國最寒冷的地區之一。下延葉古當歸種子擴散發生在8～9月,如果種子沒有休眠,那萌發后的幼苗將很可能無法度過當地漫長的冬季。在同樣分布于該地區的林當歸(Angelicasylvestris)[9]、大白花貝母(Fritillariaverticillatavar.albidoflora)[24]等植物種子擴散時期和休眠特性與下延葉古當歸具有高度的相似性,這種休眠特性是保障寒冷地區植物繁殖的有效策略。

3.2 打破下延葉古當歸種子休眠方法

層積處理對于打破因內源抑制物存在、種胚形態發育未完全所引起的種子休眠有較好的效果[25]。在廣義當歸屬植物的研究中,林當歸(Angelicasylvestris)層積28 d后萌發率可達到50%[9],濱海當歸(Angelicakeiskei)種子在層積8周后萌發率達到75%[10]。研究中,未經層積處理的種子種子萌發率僅有6.67%,經低溫層積處理50 d后種子萌發率顯著上升,達到66.67%。低溫層積同樣能夠有效促進下延葉古當歸種子萌發。

赤霉素是一種廣泛存在的具備高度生理活性的植物激素,可誘導與種子萌發相關的酶的合成,促進種子內部物質的轉化,進而促進種子萌發[26],適宜的赤霉素濃度和浸種時間的組合對于種子萌發的促進效果較好,而過高的赤霉素濃度和浸種時間的組合則會減弱對種子萌發的促進效果,甚至抑制種子萌發[27,28]。研究中,當赤霉素濃度分別為2 000、3 000、4 000 mg/L時,浸種24 h種子萌發的各項指標均高于浸種36 h的種子各項萌發指標。雖然赤霉素可以促進下延葉古當歸種子萌發,但過高濃度的赤霉素和浸種時間的組合會減弱赤霉素對種子萌發的促進效果。可能是過高的赤霉素濃度和浸種時間會打破種子內激素物質的平衡,從而使種胚生長受到抑制[27]。

在其他當歸屬植物中,層積雖可以緩解休眠,但還仍需要額外的環境信號,如光照、溫度、濕度等,多種環境因素共同作用對下延葉古當歸種子休眠的影響還有待進一步研究。

4 結 論

下延葉古當歸種子休眠是由于種子內萌發抑制物質和種胚發育不完全共同作用引起的形態生理休眠現象。使用低溫層積和赤霉素處理均能有效促進種子萌發。在播種前,可先將種子置于5℃濕冷條件中層積50 d,或使用2 000～4 000 mg/L赤霉素浸種24 h解除其休眠提高種子萌發率。