加拿大紅葉紫荊種子休眠與萌發特性

劉 飛，龐晶晶，張克亮

(1.徐州生物工程職業技術學院，江蘇徐州 221006；2.江蘇省寶應縣農業農村局，江蘇寶應 225819；3.揚州大學園藝與植物保護學院，江蘇揚州 225009)

種子是農業生產的基礎，在植物種質資源保存和遺傳多樣性方面發揮著重要的作用[1-2]。由于長期的進化適應，生長在不同生境中的植物具有不同的種子休眠特性[3-5]。從生物學角度來說，休眠可以降低種子在冬季萌發而使幼苗凍死的風險[1，4]。在生產上，如果種子具有休眠，常常會導致出苗率低的問題[6]。通過對種子休眠和萌發的研究，可以增加對植物適應環境方式的了解，還可以為農業生產提供科學理論指導和技術保障。

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，在園林造景時具良好的觀賞價值[8]。此外，該物種具有較強的抗寒和耐堿鹽能力，適合在我國大部地區種植[9]。種子繁殖是加拿大紅葉紫荊的主要繁殖方法之一，然而，因為其種子的休眠特性，導致了萌發周期較長，出苗率低，嚴重阻礙了加拿大紅葉紫荊進一步的開發利用[7]。目前，對加拿大紅葉紫荊的研究主要集中在植株對干旱脅迫的響應[10]、組織培養[11]、嫁接育苗[12]等方面，而在加拿大紅葉紫荊種子萌發特性方面的研究很少。鑒于此，本試驗以加拿大紅葉紫荊種子為研究對象，通過調查種子吸水率及溫度和光照對萌發的影響，確定種子的休眠類型。在此基礎上，通過低溫層積、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。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

新成熟的加拿大紅葉紫荊種子于2020年11月購自宿遷藍海種業有限公司。購買的種子保存在-18 ℃條件下備用。

1.2 試驗方法

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

1.2.2 種子的吸水特性 隨機選取加拿大紅葉紫荊種子200粒，分成8組，每組25粒。用手術刀劃破其中4組的種皮，稱量并記錄8組種子的質量。隨后，將8 mL蒸餾水加入到直徑為10 cm的培養皿中，放入種子，分別進行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質量，稱完放回培養皿。計算種子吸水率：

Wr=(Wf-Wi)÷Wi×100%。

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

1.2.3 新成熟種子的萌發特性 在直徑為10 cm的培養皿中加入8 mL蒸餾水，并放入種子。將培養皿放置在5/15(黑暗12 h/光照12 h，下同)、10/20、15/25、20/30 ℃的培養箱內。在12 h光照—12 h黑暗(以下簡稱光照)和24 h全黑暗下進行試驗。全黑暗指的是將培養皿放入不透光的黑色袋中。萌發測試30 d后，計算最終萌發率。

1.2.4 劃破種皮對種子萌發的影響 隨機選取8組種子，每組種子25粒，其中4組種子用手術刀劃破種皮。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。萌發試驗進行30 d，試驗結束后，統計最后的種子萌發率。

1.2.5 劃破種皮+冷層積處理對種子萌發的影響 將用蒸餾水濕潤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，層積3個月。每個月取出400粒種子，分別在5/15、10/20、15/25、20/30 ℃條件下進行萌發試驗。每天觀察并記錄1次萌發情況。萌發測試30 d后，計算最終萌發率。

1.2.6 劃破種皮+赤霉素(GA)處理對種子萌發的影響 在直徑為10 cm的培養皿里鋪2層濾紙，隨后放入劃破種皮的加拿大紅葉紫荊種子。每個培養皿中分別加入8 mL濃度為0(蒸餾水對照)、250、500、1 000 mg/L 的赤霉素溶液。隨后在5/15、10/20、15/25、20/30 ℃條件下進行萌發試驗。萌發測試30 d后，計算最終萌發率。

1.2.7 濃硫酸+冷層積處理對種子萌發的影響 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，用自來水沖洗10 min，置于吸水紙上晾干。然后將處理不同時間的種子(以未經濃硫酸處理的種子為對照)放在4 ℃ 的冰箱內層積3個月。在層積結束后，于15/25 ℃條件下進行萌發試驗。萌發測試30 d后，計算最終萌發率。

1.2.8 濕熱+冷層積處理對種子萌發的影響 分別將種子置于65、80、95 ℃的水浴鍋內處理5 min，然后將種子置于4 ℃的冰箱內層積3個月。在層積結束后，于15/25 ℃條件下進行萌發試驗。萌發測試30 d后，計算最終萌發率、死亡率和休眠率。

1.3 數據分析

所有數據均以“平均值±標準誤”的形式表示。萌發試驗均設置了4次重復，每次重復25粒種子。每天觀察并記錄1次萌發情況。采用方差分析比較不同處理對加拿大紅葉紫荊種子萌發率的影響。如果方差分析結果存在顯著差異，則用Duncan’s法進行多重比較。所有數據分析均在SPSS 21.0中進行。

2 結果與分析

2.1 種子大小、質量和含水量

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。種子千粒質量為(20.564±0.862)g。種子長度、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(71.258±1.984)%；24 h后種子吸水達到飽和，質量幾乎不再增加，此時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 新成熟種子的萌發特性

無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內不同溫度、光照條件下的萌發率均小于5%。方差分析結果表明，溫度(P=0.070)、光照(P=1.000)及二者的交互作用(P=0.602)對種子萌發率影響不顯著。

2.4 劃破種皮對種子萌發的影響

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

2.5 劃破種皮+冷層積處理對種子萌發的影響

通過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率(圖3)，且種子萌發率隨層積時間的延長為逐漸增加。3個月的冷層積可以使種皮被切的種子發芽率達到80%以上。方差分析結果表明，萌發溫度(P<0.001)、低溫層積時間(P<0.001)以及二者的交互作用(P<0.05)對種子萌發率具有顯著影響。

2.6 劃破種皮+赤霉素處理對種子萌發的影響

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+冷層積處理對種子萌發的影響

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

2.8 濕熱+冷層積處理對種子萌發的影響

濕熱(溫水)處理可以顯著提高種子的萌發率。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 討論與結論

Baskin等將種子休眠分成物理、生理、形態、形態生理和復合5種休眠類型[13]。其中，具有物理休眠的種子通常具有較厚的柵欄層，導致種子不能吸水[14]。生理休眠是由于胚的生長勢弱或種子內部含有的萌發抑制物質引起的[15-16]；具有形態休眠的種子胚通常較小且發育不完全，需要在種子脫落后進行發育成熟[13]；形態生理和復合休眠分別指種子具有物理+生理和生理+形態的休眠類型[5]。

本研究中，新成熟的加拿大紅葉紫荊種子在各個溫度條件下的萌發率均<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，種子質量僅增加了3.4%，這是由于在試驗所選取的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，種子的質量迅速增加，在吸水2 h后，種子的質量增加了33%，表明加拿大紅葉紫荊休眠具有物理休眠的特性。在用手術刀劃破種皮后，種子雖然能正常吸水，但是最高萌發率只有12%，說明除物理休眠外，種子還具有其他的休眠類型。將損傷種皮后的種子經過不同時間的冷層積或不同濃度的赤霉素處理后，萌發率均可大幅提升，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，即具有復合休眠特性。

目前，已報道的具有復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[13]。在自然生境下，生理休眠主要依靠冬季的低溫打破；在實驗室內，可以通過赤霉素和冷(或暖)層積的方式打破[1]。本研究的結果與之一致，通過3個月的4 ℃冷層積或500 mg/L赤霉素處理均可使萌發率達到80%以上。

土壤溫度的劇烈變動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，其目的在于人為地損傷種皮結構[1]。但是這些方法都存在有不確定性，若處理時間太短，則會使休眠打破不徹底，而處理時間太長，則會導致種胚損、種子死亡或形成發育畸形的幼苗等[18-20]。胡小文等對印度田菁種子的研究發現，硫酸處理是打破印度田菁種子休眠最有效的方法，大于80%的種子在經硫酸處理6 min后可以萌發，而當硫酸處理時間增至15 min時，只有小于20%的種子可以萌發[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，隨著處理時間的延長，萌發率開始下降，說明濃硫酸在腐蝕掉種皮之后腐蝕到了種胚。此外，通過熱水處理發現，隨著處理溫度的升高，種子萌發率和死亡率都在逐漸升高，這也是由于高溫損傷了加拿大紅葉紫荊的種皮結構，隨著高溫時間的延長，種胚死亡率逐漸增加的原因。

通過研究加拿大紅葉紫荊種子的形態結構、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合休眠特性。通過劃破種皮、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3個月的4 ℃冷層積或500 mg/L赤霉素處理可以有效打破生理休眠。在實際生產過程中，可以對采收的加拿大紅葉紫荊種子機械損傷種皮，而后在冬季進行沙藏，來年播種。