藥用植物種子形態(tài)生理休眠研究方法概述△

付長(zhǎng)珍，郭寶林

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植研究所，中草藥物質(zhì)基礎(chǔ)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

藥用植物種子形態(tài)生理休眠研究方法概述△

付長(zhǎng)珍，郭寶林*

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院/北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 藥用植研究所，中草藥物質(zhì)基礎(chǔ)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193)

形態(tài)生理休眠是種子休眠5種類型中最復(fù)雜的一種，很多藥用植物種子都具此種休眠，這給實(shí)際生產(chǎn)和研究帶來(lái)較多困難，而國(guó)內(nèi)尚無(wú)文獻(xiàn)對(duì)其做詳細(xì)介紹。本論文基于植物生理生態(tài)學(xué)方法，首次系統(tǒng)總結(jié)了具有形態(tài)生理休眠(MPD)的特性、分類，并詳細(xì)介紹了一種既可在最短時(shí)間內(nèi)解除種子形態(tài)生理休眠，又能確定此種形態(tài)生理休眠的具體類型的通用方法。

形態(tài)生理休眠；藥用植物種子；分類；破眠方法

形態(tài)生理休眠(morphophysiological dormancy，MPD)是植物種子休眠5種類型中最復(fù)雜的一種類型，即同時(shí)含有形態(tài)休眠和生理休眠。具有該特性的藥用植物種子很多，如人參、細(xì)辛、羌活、淫羊藿、黃連、銀杏、延胡索、重樓等，解除休眠的研究往往要經(jīng)歷比較長(zhǎng)時(shí)間的摸索，本文則介紹美國(guó)種子生理學(xué)科學(xué)家Baskin等開(kāi)發(fā)的一種解除形態(tài)生理休眠的系統(tǒng)研究方法，供參考。

1 種子休眠類型的判別

Baskin和Baskin[1，2]曾分析了5種休眠類型和植物系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)形態(tài)休眠(MD)/形態(tài)生理休眠(MPD)種子存在于原始的被子植物中，該類種子具有未發(fā)育的、需要較長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)的胚，種子散布后，在不同的時(shí)間分散萌發(fā)。這些被子植物中類群有：木蘭科、五味子科、毛茛科、罌粟科、馬兜鈴科、小檗科、芍藥科、傘形科、五加科等雙子葉植物科，以及百合科、天南星科等單子葉植物科，裸子植物中原始的科，如銀杏科、羅漢松科和紅豆杉科等也常見(jiàn)具M(jìn)PD種子。此外，其他幾種類型休眠種子在植物中的分布情況是：生理休眠(PD)是植物系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上分布最廣的休眠類型，從裸子植物、被子植物中原始到高級(jí)的幾乎所有的科都有分布；物理休眠(PY)/物理+生理休眠(PY+PD)具有不透性的種皮(+果皮)，這類休眠可能是植物對(duì)于專一生活策略和生境的一種適應(yīng)，是一種衍生的、較為特化的休眠類型，也比較集中地出現(xiàn)在某些科中，如豆科、牻牛兒苗科、薔薇科、漆樹(shù)科等；非休眠種子廣布于整個(gè)系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)上所有類群。因此根據(jù)上述規(guī)律，判斷一種植物種子的休眠類型可先看其所屬的類群，同屬或同科植物的種子常具有類似的休眠特性，這有助于我們進(jìn)行休眠類型的最初判斷。

然后，可以根據(jù)種皮是否透水、胚是否發(fā)育完全和適宜條件下30d內(nèi)是否萌發(fā)來(lái)進(jìn)行休眠類型的進(jìn)一步判斷，具體見(jiàn)表1。在定義休眠的時(shí)候常提到“適宜溫度”指的是在該植物在原生環(huán)境中，種子萌發(fā)時(shí)的溫度，因此研究者在進(jìn)行判斷的時(shí)候要盡可能獲知該植物的原生境所屬的地區(qū)、種子萌發(fā)的季節(jié)和溫度。但表1所述的適宜溫度可以是原生境萌發(fā)溫度及稍高或者稍低的一個(gè)范圍。

表1 植物種子休眠分類檢索表[3]

2 形態(tài)生理休眠(MPD)的特性和分類

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于種子休眠的研究多集中在PD和MPD，解除這2類休眠可能需要不同溫度的層積處理(層積指將種子置于濕潤(rùn)的基質(zhì)，常以沙作為基質(zhì))。層積分高溫層積(溫度范圍15-35 ℃，其中20～25 ℃最常用)和低溫(溫度范圍0～10 ℃，其中5 ℃左右最常用)層積。接下來(lái)重點(diǎn)介紹MPD的解除。

具M(jìn)PD的種子，只有當(dāng)胚生長(zhǎng)到特定長(zhǎng)度且生理休眠也被解除之后種子才可能萌發(fā)。Baskin基于植物生理生態(tài)學(xué)方法，即具有MPD種子的植物生活型和該植物種子從成熟落地到萌發(fā)期間的環(huán)境溫度變化，來(lái)解除休眠對(duì)種子進(jìn)行分類。從植物生活型來(lái)說(shuō)，在自然環(huán)境下，夏型一年生植物(生命周期在春夏秋之間，春天發(fā)芽夏秋開(kāi)花結(jié)果)種子休眠的解除發(fā)生在冬天，一般需要低溫層積來(lái)解除休眠，大多數(shù)多年生植物與夏型一年生植物一致；冬型一年生植物(生命周期在秋冬春之間，秋天發(fā)芽春天開(kāi)花結(jié)果)種子若具休眠，其休眠的解除一般發(fā)生在夏天，常需高溫層積來(lái)解除休眠，部分多年生植物的MPD種子與冬型一年生植物一致。Baskin和Baskin[1]根據(jù)可以解除生理休眠和滿足胚生長(zhǎng)的條件，以及赤霉素GA3是否有助于休眠的解除，將形態(tài)生理休眠分為8個(gè)類型，見(jiàn)表2。

表2 植物種子形態(tài)生理休眠分類檢索表[3]

3 植物生活史已知的MPD種子破眠方法

(1)如果某植物種子春天成熟，同年秋天萌發(fā)，則可能具有淺度簡(jiǎn)單MPD，只需高溫層積便可解除休眠，如傘形科細(xì)葉芹屬Chaerophyllumtainturieri[11]。當(dāng)然有時(shí)候僅具形態(tài)休眠且需要低溫種子才可以萌發(fā)的也會(huì)表現(xiàn)出此現(xiàn)象，如毛茛科人字果屬Isopyrumbitenatum；(2)若種子秋天成熟，第2年春天萌發(fā)，則可能具有深度復(fù)雜MPD，只需低溫層積便可解除休眠，如傘形科獨(dú)活屬HeracleumsphondyliumL.[12]，但也有可能是深度簡(jiǎn)單雙重MPD，經(jīng)低溫層積后僅胚根突出種皮，芽(或上胚軸)到第3年的春天才能萌發(fā)，如滇重樓[10，13]；(3)若種子春天成熟第2年春天萌發(fā)，則可能具有深度復(fù)雜MPD，只需低溫層積便可解除休眠，夏天的高溫對(duì)解除此類休眠不是必須的，如毛茛科翠雀屬的Delphiniumtricorne；(4)若種子夏天成熟，只在春天萌發(fā)，則可能具有低度復(fù)雜MPD，需高溫+低溫層積來(lái)解除休眠，此時(shí)只有經(jīng)過(guò)高溫層積后，低溫層積才有助于促進(jìn)種子萌發(fā)，即高溫是必須的，如傘形科香根芹屬Osmorhizalongistylis(Torr.)D.C.[5]；(5)若種子在初秋成熟第3年春天才萌發(fā)，則可能具有深度簡(jiǎn)單MPD，因種子在秋天成熟，無(wú)法經(jīng)歷足夠長(zhǎng)的暖溫層積以完成第一階段的休眠，則需經(jīng)過(guò)連續(xù)3個(gè)處理才能萌發(fā)：夏天的高溫，秋天的暖溫以便胚生長(zhǎng)，冬天的低溫，如人參[14，15]，先在20 ℃下層積30 d，接著10-15 ℃層積60 d，后0-5 ℃層積90 d才能萌發(fā)。

4 植物生活史未知的MPD種子破眠方法—系統(tǒng)溫度法(Move-Along Experiment)

Baskin根據(jù)自己多年的研究經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了一套實(shí)驗(yàn)方法，叫系統(tǒng)溫度法(Move-Along Experiment)，適用于不知道所研究植物生活史的種子類型，但是研究前盡可能多的了解到該植物的種子生態(tài)學(xué)方面的信息也還是必要的。具體實(shí)驗(yàn)方法如下：6個(gè)處理組，見(jiàn)表8，每組3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)不少于50粒(在種子量特別少時(shí)，可以相應(yīng)減少)，種子與沙混合置于培養(yǎng)皿中，保持濕潤(rùn)。所用培養(yǎng)箱設(shè)置變溫(高溫/低溫12 h/12 h)，光照/黑暗14 h/8 h。系列A：30/15 ℃，20/10 ℃而后15/6 ℃模擬自然環(huán)境下由夏天到秋天溫度逐漸降低，1 ℃或5 ℃恒溫或1/5 ℃模擬冬天，系列B：則模擬自然環(huán)境下從冬天到春天溫度逐漸升高，然后模擬夏天的溫度變化。這兩個(gè)系列溫度分別以夏天和冬天溫度開(kāi)始，持續(xù)2年模擬自然條件下四季溫度的變化。在具體研究中，可根據(jù)原植物生境所在地的實(shí)際溫度進(jìn)行各個(gè)溫度設(shè)置。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及流程見(jiàn)表3。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以在各個(gè)系列中不斷觀察萌發(fā)的情況，更好的做法是，變溫系列A和B，每次溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，解剖5粒種子，觀察胚生長(zhǎng)的情況；恒溫系列C～F，則每4周可進(jìn)行一次種子解剖觀察。

通過(guò)上述處理，并觀察在哪組、哪幾組中，以及變溫系列中在進(jìn)行到的哪個(gè)溫度階段出現(xiàn)萌發(fā)，則可大致確定屬于哪一類型的MPD，但要具體確定還需下列信息，如(1)若種子萌發(fā)需經(jīng)過(guò)低溫層積，由表2可知?jiǎng)t種子休眠屬于二級(jí)檢索下的1種，即中度復(fù)雜、深度復(fù)雜或深度簡(jiǎn)單雙重MPD，再根據(jù)GA3是否能代替低溫層積而使種子萌發(fā)來(lái)判斷具體屬于哪一類，用100 mg/L GA3(GA4/7更好)處理后置于20/10℃培養(yǎng)約12周看種子是否萌發(fā)；(2)中度簡(jiǎn)單、深度簡(jiǎn)單和低度復(fù)雜MPD的確定，需依據(jù)胚在暖溫或低溫階段是否生長(zhǎng)和GA3是否促進(jìn)種子萌發(fā)。若經(jīng)過(guò)高溫層積后，胚在暖溫階段生長(zhǎng)，說(shuō)明種子具中度簡(jiǎn)單或深度簡(jiǎn)單MPD，就需根據(jù)GA3是否促進(jìn)種子萌發(fā)來(lái)確定，將胚已生長(zhǎng)的種子用100 mg/LGA3(GA4/7更好)處理，看GA3是否能替代低溫層積而促進(jìn)種子萌發(fā)，若能，則具中度簡(jiǎn)單MPD，反之則為深度簡(jiǎn)單MPD，但GA3能促進(jìn)具深度簡(jiǎn)單MPD種子的胚生長(zhǎng)，不能促進(jìn)種子萌發(fā)。若種子經(jīng)高溫層積后胚在暖溫階段不生長(zhǎng)，而在低溫階段生長(zhǎng)，則種子具低度復(fù)雜MPD。當(dāng)然對(duì)于任何一種類型的種子，不用G A3處理最終都可以萌發(fā)，用G A3處理進(jìn)行最后歸類的意義可能在于未來(lái)運(yùn)用于研究和生產(chǎn)時(shí)，可以通過(guò)使用G A3來(lái)減少層積時(shí)間和轉(zhuǎn)換層積溫度等。

若種子經(jīng)過(guò)這一系列實(shí)驗(yàn)，皆沒(méi)有發(fā)芽，可能因?yàn)椋?1)種子沒(méi)有活力；(2)對(duì)某些物種而言，在20/10 ℃下層積4周不足以讓種胚生長(zhǎng)完全，如毛茛科鮮黃連屬Jeffersonia在30/15 ℃層積12周后，需在20/10 ℃下層積6周，胚才能生長(zhǎng)完全[16]；(3)以5 ℃作為低溫不夠，可改為1 ℃或5/1 ℃；(4)對(duì)于某些物種，黑暗更利于種子萌發(fā)。

具有生理休眠(PD)的種子解除休眠也和其生活型相關(guān)，只是不需要提供胚生長(zhǎng)的條件，上述研究方法也適用于PD種子解除休眠的條件摸索。當(dāng)供試種子量十分有限時(shí)，也可只設(shè)系列A和B。若所研究種子產(chǎn)于當(dāng)?shù)?，也可以直接將種子存于室外，進(jìn)行溫度記錄和定期種子解剖即可。

表3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及流程表[3]

5 總結(jié)

當(dāng)著手研究某藥用植物種子休眠特性時(shí)，可采取如下步驟：(1)查閱同科屬植物種子是否具休眠現(xiàn)象，若有，屬何種休眠，可能具有相似特性；(2)通過(guò)種子吸水率實(shí)驗(yàn)看是否存在種皮吸水障礙，據(jù)此判斷是否具物理休眠(PY)；(3)解剖種子，觀察胚的發(fā)育情況，未分化(屬特殊的形態(tài)休眠M(jìn)D)、已分化但未發(fā)育完全(形態(tài)休眠M(jìn)D或形態(tài)生理休眠M(jìn)PD)、發(fā)育完全(非休眠或生理休眠PD)；(4)測(cè)定種子生活力，確保供試種子為有生活力種子；(5)對(duì)于胚發(fā)育完全的種子，找出該植物在自然環(huán)境生活時(shí)的種子萌發(fā)溫度，并在該溫度下進(jìn)行發(fā)芽實(shí)驗(yàn)(注意同時(shí)考慮不同的光處理)，如果30天內(nèi)種子萌發(fā)，則為非休眠種子，如果不能萌發(fā)，則屬于休眠種子；(6)無(wú)論胚是否發(fā)育完全的休眠種子(即具有PD或者M(jìn)PD)，采用Move-along實(shí)驗(yàn)方法可在最短的時(shí)間內(nèi)，用最少的種子獲悉種子休眠特性方面的信息，并找到初步的解除休眠方法；(7)在(6)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)，尋找最適宜的解除休眠的方法。

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ReviewonMorphophysiologicalDormancyResearchMethodofMedicinalPlantSeeds

FU Chang-zhen，GUO Bao-lin

(KeyLaboratoryofBioactiveSubstancesandResourcesUtilizationofChineseHerbalMedicine，MinistryofEducation，InstituteofMedicinalPlantDevelopment，ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalCollege，Beijing100193)

Morphophysiological dormancy (MPD)，one of five types of seed dormancy，is the most complex one.Many medicinal plant seeds contain this kind of dormancy，which bring forth many difficulties in production and research regarding medicinal plant seeds.But as so far，it is not found any domestic literatures introducing this kind of dormancy in details.In this article，based on the methods of plant physiological ecology，we detailed the characteristics and classification of MPD，as well as the efficient method to break this kind of dormacy.

Morphophysiological dormancy；The medicinal plant seeds；Classification；Breaking dormancy

2013-03-06)

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國(guó)家科技重大專項(xiàng)——中藥材種子種苗和種植(養(yǎng)殖)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)“淫羊藿種子(苗)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和良種繁育技術(shù)規(guī)程研究”(2009-2010)(2009ZX09308-002)，(2012-2015)(2012ZX09304006)

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郭寶林，Tel：(010)57833172，E-mal：guobaolin010@163.com