不同天然居群小檗種子萌發(fā)障礙因子研究

李林瑜 方紫妍 艾克拜爾·毛拉 周 龍* 陸 彪

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)與園藝學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.新疆特克斯縣林業(yè)局，特克斯縣 835500)

種子是大多數(shù)木本植物的主要再生手段，它們是植物遺傳物質(zhì)代代相傳的的傳遞系統(tǒng)，成熟的種子在休眠狀態(tài)下，能夠忍受大多數(shù)植物不能忍受的不利條件和環(huán)境脅迫[1]。許多植物種子的成熟伴隨著休眠狀態(tài)的誘導(dǎo)，種子休眠是抑制植物種子發(fā)芽以便等待更有利條件萌發(fā)的一種機(jī)制[2]。層積是最有效的解除休眠的方法，濕冷或低溫層積被廣泛應(yīng)用于打破植物種子休眠和提高其發(fā)芽率[3～4]。潘睿等[5]對(duì)極度瀕危植物大果木蓮種子休眠與萌發(fā)特性進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大果木蓮種子具吸水性，胚未完全發(fā)育，屬于淺度簡(jiǎn)單型生理休眠，在20/10℃下，1 000 mg·L-1濃度的GA3可以有效打破種子休眠，種子冷層積60 d的萌發(fā)率最高。劉延文等[6]研究了不同溫度，不同濃度赤霉素處理下藍(lán)靛果忍冬種子的萌發(fā)特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，赤霉素濃度為100 mg·L-1時(shí)，其種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢(shì)最高；20℃是藍(lán)靛果忍冬種子萌發(fā)的最適宜溫度。

小檗屬(BerberisL.)植物是小檗科(Berberidaceae)最大的屬，以灌木和小喬木為主，大多具有冠形優(yōu)美、枝蔓多姿、花朵清香、果色亮麗等特質(zhì)，具有較高的觀賞價(jià)值，是綠化城市的優(yōu)良材料之一[7～8]。此外，小檗屬植物全體都含有小檗堿，入藥可燥濕、解毒瀉火，在民族醫(yī)藥方面已得到普遍應(yīng)用和重視[9]。新疆西天山野果林內(nèi)分布有大量的野生小檗資源，小檗種群在整個(gè)流域的地理氣候,生物多樣性和生態(tài)防御體系中起著非常重要而不可替代的作用[10]。庫(kù)爾班江等[11]曾對(duì)伊犁河流域紅果小檗資源分布、形態(tài)特征及生態(tài)條件等進(jìn)行綜合調(diào)查。張婷婷[12]和孫穎平[13]等曾對(duì)新疆黑果小檗根部化學(xué)成分及薄層鑒別方法進(jìn)行研究。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自然條件下小檗結(jié)實(shí)量大，但實(shí)生苗數(shù)量少，野外小檗多以根蘗進(jìn)行繁殖，導(dǎo)致小檗種群數(shù)量及分布范圍漸減，而有關(guān)西天山野果林野生小檗種子萌發(fā)障礙影響因素的研究報(bào)道甚少。本研究以西天山野果林3個(gè)自然居群內(nèi)野生小檗種子為試驗(yàn)材料，對(duì)不同居群野生小檗種子的生物學(xué)特性、萌發(fā)特性進(jìn)行研究，期望為野生小檗的引種、繁殖及育種工作提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試小檗果實(shí)均采于西天山野果林不同居群內(nèi)的小檗自然種群，果實(shí)采回后，清洗果皮及果肉，種子自然晾干后，存于4℃冰箱保存?zhèn)溆?。發(fā)芽實(shí)驗(yàn)于2017年10月～2018年1月在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。種子分類及種源地自然概況見(jiàn)表1。

1.2 方法

1.2.1 種子形態(tài)觀測(cè)

從自然風(fēng)干的4組小檗果實(shí)中，每組隨機(jī)選取20個(gè)完整果實(shí)，剝開(kāi)并記錄每個(gè)完整果實(shí)中的種子數(shù)量。每組隨機(jī)選取20粒飽滿的小檗種子測(cè)量種子大小，種子大小以游標(biāo)卡尺測(cè)量的縱橫徑表示，并用目測(cè)法觀察種子顏色、光滑度，質(zhì)感等。采用百粒法[14]測(cè)種子千粒重，從每組小檗種子中隨機(jī)數(shù)取5份(100粒/份)種子，分別稱重記錄，取5份種子平均重量乘以10即為種子千粒重。

1.2.2 種子活力測(cè)定

采用TTC法[15]測(cè)定種子活力，每組隨機(jī)選取30粒小檗種子，在25℃水中浸種24 h，待種子吸脹后用刀片沿種子胚中心線縱切為兩半，將其中一半置于培養(yǎng)皿中，加入適量的0.5% TTC溶液，以淹沒(méi)種子為度。然后置于35℃恒溫箱中染色1 h，凡胚全部被染為紅色的為具有生活力的種子，重復(fù)3次，觀察并記錄結(jié)果。

表1 霍城、新源和特克斯小檗種源地自然概況

1.2.3 種子吸水率測(cè)定

從4組小檗種子中，每組稱取1 g小檗種子，加蒸餾水50 mL，放置于室溫條件下，每隔2 h取出，用濾紙擦干種子表面水分稱重，12 h后每12 h取出稱重，直到重量不變?yōu)橹?，最后?jì)算種子吸水率，3次重復(fù)。種子吸水率是種子增加的重量與風(fēng)干種子重量的百分比。

1.2.4 種子萌發(fā)特性的測(cè)定

分別將4組小檗干種子洗凈用清水浸泡24 h與濕度50%的干凈河沙混勻(體積比：沙量∶種量=4∶1)于4℃條件下層積。隔15 d從每組層積種子中取出80粒不剝皮種子和80粒種子剝除種皮(用小刀將種子的頭部劃開(kāi)，剝?nèi)ネ夥N皮，保留完整的子葉)，分別分為四組進(jìn)行不同處理：CK清水浸泡2 h；濃度為100 mg·L-1GA3溶液浸泡2 h；濃度為200 mg·L-1GA3溶液浸泡2 h；④濃度為300 mg·L-1GA3溶液浸泡2 h。處理后種子用蒸餾水清洗兩遍，進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)其發(fā)芽率，重復(fù)3次。

層積前種子用3%硫酸銅溶液消毒1 h，沙子經(jīng)高壓滅菌鍋120℃滅菌30 min。發(fā)芽實(shí)驗(yàn)采用培養(yǎng)皿發(fā)芽法，將小檗種子播于鋪有5層濾紙6層紗布的培養(yǎng)皿中，每皿20粒，在25℃恒溫條件下進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。以胚根露出種皮1 mm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，以發(fā)芽率達(dá)到70%作為種子解除休眠的閾值。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子形態(tài)觀測(cè)及活力測(cè)定

不同天然居群小檗種子的形態(tài)，大小各有差異(表2)?；舫恰⑿略春吞乜怂咕尤汉诠￠廾苛Ｍ暾麑?shí)含種子數(shù)為3～4粒，紅果小檗果實(shí)含種子數(shù)為2～3粒；黑果小檗種子呈棕紅色，紅果小檗種子為棕黃色?；舫蔷尤汉诠￠薹N子最大，其千粒重均值為18.49 g、縱徑均值為5.64 mm、橫徑均值為2.76 mm均大于新源、特克斯居群黑果小檗種子。紅果小檗種子較小，千粒重均值為7.72 g、縱徑均值為3.87 mm、橫徑均值為1.81 mm均小于黑果小檗種子。不同居群小檗種子活力無(wú)顯著性差異，特克斯居群黑果小檗種子活力最高為79.67%。

表2 不同天然居群小檗種子形態(tài)觀測(cè)

注：表格中數(shù)字均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，同列不同字母之間表示差異顯著(P≦0.05)，下同。

Note:The figures in the table are the mean±standard error,and the difference between the letters in the same column indicates that the difference is significant(P≦0.05),the same as below.

圖1 黑果小檗與紅果小檗 A.黑果小檗果實(shí)；B.黑果小檗種子；C.紅果小檗果實(shí)；D.紅果小檗種子Fig.1 Black fruit Berberis and red fruit Berberis A. Fruit of the black-fruit Berberis; B. Seed of the black-fruit Berberis; C. Fruit of red-fruit Berberis; D. Seed of red-fruit Berberis

2.2 種子吸水特性

根據(jù)圖2可知，4種野生小檗種子的吸水率均表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。種子吸水前12 h內(nèi)，4種小檗種子吸水率增幅最大值均出現(xiàn)在吸水2 h時(shí)，霍城居群黑果小檗種子吸水2 h時(shí)吸水率為13.93%，其次為紅果小檗種子13.90%，新源居群和特克斯居群黑果小檗種子較低分別為7.92%和6.08%。黑果小檗種子與紅果小檗種子吸水率差異不明顯，其種皮透水性相似。

圖2 不同天然居群小檗種子吸水特性Fig.2 Water absorption characteristics of seeds of different natural populations

2.3 種子萌發(fā)特性

2.3.1 種皮和層積時(shí)間對(duì)小檗種子萌發(fā)的影響

如表3所示，黑果小檗種子與紅果小檗種子萌發(fā)特性不同，黑果小檗層積0 d時(shí)帶種皮和去種皮種子均無(wú)萌發(fā)，而紅果小檗帶種皮和去種皮種子不需低溫層積均可萌發(fā)。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組黑果小檗層積30d以內(nèi)帶種皮種子均無(wú)萌發(fā)，層積45 d時(shí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶種皮種子開(kāi)始萌發(fā)，發(fā)芽率分別為5.42%、5.83%和8.33%。隨層積時(shí)間的增加，3組帶種皮種子發(fā)芽率均平穩(wěn)上升，層積90 d時(shí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ帶種皮種子發(fā)芽率分別提高到70.00%、70.00%和72.08%。紅果小檗種子層積0 d時(shí)帶種皮種子發(fā)芽率為52.92%，層積30 d時(shí)紅果小檗帶種皮種子發(fā)芽率提高到70.42%。

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組黑果小檗層積15 d時(shí)去種皮種子，發(fā)芽率分別為11.52%、15.42%和17.92%，層積60 d時(shí)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組黑果小檗去種皮種子，發(fā)芽率分別提高到到70.83%、70.00%和70.42%，種子休眠基本被解除。黑果小檗及紅果小檗種子萌發(fā)情況及幼苗見(jiàn)圖3。

表3 種皮和低溫層積對(duì)小檗種子發(fā)芽率的影響

圖3 黑果小檗與紅果小檗種子萌發(fā)及幼苗 A1.黑果小檗帶種皮種子萌發(fā)；A2.黑果小檗去種皮種子萌發(fā)；A3.黑果小檗幼苗兩葉期；A4.黑果小檗幼苗顯露第一片特征葉；A5.黑果小檗幼苗；B1.紅果小檗帶種皮種子萌發(fā)；B2.紅果小檗去種皮種子萌發(fā)；B3.紅果小檗幼苗兩葉期；B4.紅果小檗幼苗顯露第一片特征葉；B5.紅果小檗幼苗Fig.3 Seed germination and seedling of black and red fruit Berberis A1. Germination of the black-fruit Berberis seed with seed coat; A2. Seed germination of the black-fruit Berberis seed withput seed coat; A3. Two-leaf stage of the black-fruit Berberis seedlings; A4. First characteristic leaf of the black-fruit Berberis seedlings; A5. Seedling of the black-fruit Berberis seedlings; B1. Germination of the red-fruit Berberis seed with seed coat; B2. Seed germination of the red-fruit Berberis seed withput seed coat; B3. Two-leaf stage of the red-fruit Berberis seedlings; A4. First characteristic leaf of the red-fruit Berberis seedlings; A5. Seedling of the red-fruit Berberis seedlings

2.3.2不同濃度GA3處理對(duì)小檗種子萌發(fā)的影響

由圖4可知，不同濃度GA3處理，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四組小檗去種皮種子發(fā)芽率差異顯著，其中GA3濃度為200 mg·L-1時(shí)，各組小檗去種皮種子發(fā)芽率最高。隨著層積時(shí)間的增加，各組小檗去種皮種子發(fā)芽率逐漸提高，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組黑果小檗層積60 d時(shí)去種皮種子用濃度為200 mg·L-1的GA3溶液處理后，發(fā)芽率分別為85.00%、83.33%和86.67%，均明顯高于GA3濃度為0、100和300 mg·L-1時(shí)。紅果小檗層積15 d時(shí)去種皮種子用濃度為200 mg·L-1的GA3溶液處理后，發(fā)芽率可達(dá)86.67%，明顯高于GA3濃度為0、100和300 mg·L-1時(shí)的發(fā)芽率66.67%、71.67%和76.67%。

根據(jù)圖5可知，帶種皮黑果小檗種子需要一定時(shí)間的低溫層積才能萌發(fā)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ組黑果小檗層積45 d帶種皮種子均開(kāi)始發(fā)芽，不同濃度GA3處理各組種子后對(duì)發(fā)芽率的影響明顯。層積90 d時(shí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組黑果小檗帶種皮種子用濃度為200 mg·L-1的GA3溶液處理后，發(fā)芽率分別達(dá)到81.67%、81.67%和86.67%，明顯優(yōu)于其它3組處理。紅果小檗層積30 d時(shí)帶種皮種子用濃度為200 mg·L-1的GA3溶液處理后，發(fā)芽率可達(dá)85.00%，明顯高于GA3濃度為0、100和300 mg·L-1時(shí)的發(fā)芽率61.67%、71.67%和63.33%。

3 討論

3.1 種皮對(duì)小檗種子萌發(fā)的影響

種子的萌發(fā)與自身物理特性相關(guān)，種皮的不透氣性、不透水性、機(jī)械阻礙及種皮內(nèi)含有抑制物質(zhì)都會(huì)引起種子的休眠。本研究發(fā)現(xiàn)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組黑果小檗種子層積15 d時(shí)，去種皮種子開(kāi)始萌發(fā)，對(duì)層積15 d以內(nèi)的黑果小檗種子而言種皮并非影響其萌發(fā)的主要因素，可能是其種胚中存在萌發(fā)抑制物；層積45 d時(shí)，帶種皮種子開(kāi)始萌發(fā)，種皮成為抑制黑果小檗種子萌發(fā)的主要因素，隨層積時(shí)間的增加，種皮抑制萌發(fā)的作用逐漸減弱，層積90 d時(shí)黑果小檗帶種皮種子發(fā)芽率基本達(dá)到70%，種皮抑制萌發(fā)的作用基本被解除。盧明艷等[16]在研究5種野生無(wú)髯鳶尾種子休眠與萌發(fā)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，去種皮能促進(jìn)溪蓀種子的萌發(fā)，種皮的機(jī)械阻力和種皮中存在萌發(fā)抑制物是影響溪蓀種子萌發(fā)的主要因素。郎思睿等[17]在對(duì)香葉樹(shù)種子休眠與萌發(fā)特性的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，香葉樹(shù)的萌發(fā)抑制因素主要來(lái)源于種皮的內(nèi)源抑制物。黑果小檗種子去種皮后萌發(fā)速度高于帶種皮種子，表明其種皮對(duì)黑果小檗種子萌發(fā)的抑制作用明顯。紅果小檗去種皮和帶種皮種子不需低溫層積即可萌發(fā)，發(fā)芽率分別為52.92%和47.50%，由此認(rèn)為種皮對(duì)紅果小檗種子萌發(fā)無(wú)明顯影響。根據(jù)黑果小檗種子與紅果小檗種子吸水特性測(cè)定結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)黑果小檗與紅果小檗種子均能較快吸脹飽和；對(duì)小檗種子進(jìn)行剝除種皮處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，紅果較黑果小檗種子更易于去種皮，黑果小檗種子種皮機(jī)械強(qiáng)度比紅果小檗稍大。因此推測(cè)認(rèn)為，黑果小檗種子萌發(fā)過(guò)程中，其種皮的機(jī)械抑制作用和存在萌發(fā)抑制物可能是其萌發(fā)障礙的關(guān)鍵影響因素。

圖4 不同濃度GA3處理對(duì)不同居群小檗去種皮種子發(fā)芽率的影響 A.霍城黑果小檗去種皮種子；B.新源黑果小檗去種皮種子；C.特克斯黑果小檗去種皮種子；D.紅果小檗去種皮種子Fig.4 Effect of GA3 treatment with different concentrations on the germination rate of different populations Berberis without seed coats A. Huocheng black fruit Berberis seed without seed coat; B. Xinyuan black fruit Berberis seed without seed coat; C. Tekesi black fruit Berberis seed without seed coat; D. Tekesi red fruit Berberis seed without seed coat

圖5 不同濃度GA3處理對(duì)不同居群小檗帶種皮種子發(fā)芽率的影響 A.霍城黑果小檗帶種皮種子；B.新源黑果小檗帶種皮種子；C.特克斯黑果小檗帶種皮種子；D.紅果小檗帶種皮種子Fig.5 Effect of GA3 treatment with different concentrations on the germination rate of different populations Berberis with seed coats A. Huocheng black fruit Berberis seed with seed coat; B. Xinyuan black fruit Berberis seed with seed coat; C. Tekesi black fruit Berberis seed with seed coat; D. Tekesi red fruit Berberis seed with seed coat

3.2 低溫層積對(duì)小檗種子萌發(fā)的影響

大多數(shù)研究者認(rèn)為低溫層積處理可有效打破植物種子休眠，從而促進(jìn)種子萌發(fā)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，4℃低溫層積處理能夠有效解除小檗種子的休眠，隨層積時(shí)間的增加小檗種子發(fā)芽率均逐漸提高。司倩倩等[18]在研究玉鈴花種子休眠原因及其內(nèi)源激素含量變化時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)，低溫層積可有效打破玉鈴花種子休眠，隨著層積時(shí)間的增加，發(fā)芽的種子數(shù)逐漸增加。周芝琴等[19]以嵩草、黑穗苔草、藨草和苔草4種莎草科植物種子為材料，研究其種子休眠與萌發(fā)特性發(fā)現(xiàn)，4種參試植物種子均存在不同程度的生理休眠，低溫層積處理對(duì)種子萌發(fā)的影響因種與層積時(shí)間而異。紅果小檗種子層積30 d和黑果小檗種子層積90 d時(shí)發(fā)芽率均在70%以上，種子休眠基本被解除，推測(cè)認(rèn)為隨著種子層積時(shí)間的改變小檗種皮和胚中萌發(fā)抑制物對(duì)萌發(fā)的影響程度也在改變。低溫層積一方面能通過(guò)濕潤(rùn)狀態(tài)逐漸軟化種皮，另一方面在層積過(guò)程中種子生理指標(biāo)及內(nèi)源激素含量也在不斷變化，層積催芽能使種子合成生長(zhǎng)激素，降解抑制激素。

3.3 不同濃度GA3處理對(duì)小檗種子萌發(fā)的影響

GA3參與調(diào)控種子發(fā)芽、莖生長(zhǎng)、開(kāi)花發(fā)育、果實(shí)成熟等各階段發(fā)育過(guò)程，常被用于打破種子休眠，不同植物種子最適宜的GA3濃度不同，低于最適濃度時(shí)，GA3濃度越高，越能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，高于最適濃度時(shí)，抑制作用較明顯。本試驗(yàn)結(jié)果表明，用濃度為200 mg·L-1GA3溶液對(duì)小檗去種皮和帶種皮種子進(jìn)行處理，有利于打破小檗種子的休眠，提高種子的發(fā)芽率。唐澄瑩等[20]在對(duì)珍稀植物北碚榕的種子萌發(fā)及繁殖進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，用濃度為50～500 mg·L-1GA3溶液浸種4 h后，北碚榕種子發(fā)芽率比對(duì)照溫水浸種顯著提高，且發(fā)芽率隨GA3質(zhì)量濃度提高呈先升后降變化趨勢(shì)。翟淑華等[21]用濃度為25、50、75和100 mg·L-1的GA3溶液處理海菜花種子，種子發(fā)芽率隨GA3濃度升高呈先提高后下降的變化趨勢(shì)，濃度為75 mg·L-1的GA3溶液處理海菜花種子效果較為理想。本研究用濃度為200 mg·L-1GA3溶液處理小檗種子，其發(fā)芽率最高，濃度過(guò)高或者過(guò)低均會(huì)對(duì)小檗種子萌發(fā)起到抑制作用。適宜濃度的GA3能取代一些種子對(duì)低溫后熟、光暗和干藏后熟條件的需求，通?？山獬N子的淺度生理休眠，外源添加GA3可能增加了小檗種子總GA3的含量，導(dǎo)致種子內(nèi)GA3/ABA的比率提高，促進(jìn)小檗種子從休眠或靜止?fàn)顟B(tài)向萌發(fā)過(guò)渡。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)西天山野果林霍城居群、新源居群、特克斯居群黑果小檗以及特克斯居群紅果小檗種子萌發(fā)特性的研究，發(fā)現(xiàn)小檗種子均具有不同程度的生理休眠。對(duì)于具淺度生理休眠的紅果小檗種子，層積30 d和添加200 mg·L-1GA3處理可有效解除其休眠；對(duì)于具有中度休眠的霍城居群、新源居群、特克斯居群黑果小檗種子，剝除種皮、層積90 d和添加200 mg·L-1GA3處理均可有效破除其休眠。