不同熱水處理方式對14種硬實種子萌發(fā)的影響

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(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，生物資源與生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，成都 610065；2.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065；3.四川沃爾宜環(huán)?？萍加邢薰?，成都 610000)

許多植物種種皮既不透水，也不能吸脹發(fā)芽，這種保持種子原有大小狀態(tài)的種子被稱為硬實，是植物的一種休眠形式，是植物種經(jīng)過長期自然選擇，適應(yīng)環(huán)境并維持種的延續(xù)和傳播的一種積極應(yīng)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(zhì)化現(xiàn)象普遍，抑制了種子的正常萌發(fā)，如苦豆子、山毛豆、田菁、鹽膚木等。在生產(chǎn)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(fā)規(guī)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(jīng)任何處理的甘草種子發(fā)芽率不足20%，成熟后的山毛豆自然條件下的萌發(fā)率只有22.5%[4-8]。目前，針對種子硬實的破除問題，國內(nèi)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(xué)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(fā)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(yīng)根據(jù)種子的不同采取相對應(yīng)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(yīng)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(xué)浸種法相比，熱水浸種更經(jīng)濟環(huán)保，特別是針對種皮、角質(zhì)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(jié)構(gòu)，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(jīng)過處理。在應(yīng)用過程中，不同的植物種要根據(jù)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(nèi)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(zhì)等對這14種植物種子萌發(fā)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(yōu)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(fā)率，為后期浸種調(diào)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(shè)置2個溫度梯度：60，70 ℃；每個溫度梯度再設(shè)置3個時間梯度：10，20，30 min；每個植物種處理設(shè)2組重復(fù)，所需試件總數(shù)為196個，具體的浸種溫度、時間設(shè)置處理見表2。選取50 mL的燒杯，按照梯度設(shè)計分別貼上標簽，每個燒杯隨機放入經(jīng)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(jù)不同浸種時間設(shè)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(fēng)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(shè)計

測定樣品為經(jīng)過熱水燙種后干燥并經(jīng)過篩選的純凈種子，按照隨機原則提取，試驗設(shè)計如表2，不同植物種均隨機選擇100粒，設(shè)2組重復(fù)。將分取好的種子分別放置到發(fā)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(fā)生霉變的種子互相感染，每粒種子應(yīng)該良好的接觸水面，使種子發(fā)芽條件保持一致。在萌發(fā)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(fā)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(nèi)進行萌發(fā)試驗。試驗用水為去離子水，發(fā)芽床始終保持濕潤狀態(tài)，加水時采用滴管沿著發(fā)芽盤內(nèi)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(fù)間的供水量保持一致。經(jīng)常檢查測定樣品及其水分、通氣、溫度、光照條件。輕微發(fā)霉的種?？梢話鲇们逅疀_洗后放回原發(fā)芽床。發(fā)霉種粒較多的(超過5%)要及時更換發(fā)芽床或發(fā)芽容器。

1.2.3 觀測與記錄

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

表2 種子浸種處理的設(shè)置

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007軟件和SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理，并計算發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)，公式如下：

發(fā)芽率(%)=∑n/N×100%；

發(fā)芽勢(%)=n/N×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt。

式中，N為供試種子數(shù)，D為從萌發(fā)開始的時間，n為在時間D的萌發(fā)數(shù)。Gt為與Dt相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)，Dt為發(fā)芽時間[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同熱水處理方式對種子萌發(fā)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(fā)率情況。研究結(jié)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(fā)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(fā)。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(fā)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(jīng)60 ℃熱水處理20 min，70 ℃熱水處理10 min，其發(fā)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(fā)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(fā)率分別由38%、30%、16%降低為10%、7%、13%?？喽棺印y合歡、鹽膚木、火炬樹在70 ℃條件下種子的萌發(fā)率顯著高于60 ℃，但是鹽膚木、火炬樹種子的最高發(fā)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(fā)芽的影響

表3 不同溫度熱水處理下種子萌發(fā)率記錄

2.2 不同熱水處理方式對種子發(fā)芽勢及發(fā)芽指數(shù)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(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)，與發(fā)芽率相比，發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)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(fā)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(fā)芽勢差異顯著，60 ℃浸種20 min的發(fā)芽勢為38%，70 ℃浸種20 min的發(fā)芽勢顯著提高到88%(p<0.05)，是對照種子發(fā)芽勢的3.5倍。百喜草種子60 ℃和70 ℃所有處理下的發(fā)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(fā)芽勢為90%，70 ℃浸種20 min發(fā)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(fā)芽勢均有所增加，但70℃浸種時，發(fā)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(fā)芽指數(shù)是表征種子活力的一個重要指標，發(fā)芽指數(shù)越高，證明種子活力越強[15]?？喽棺?、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(fā)芽指數(shù)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(fā)芽指數(shù)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(fā)芽指數(shù)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(fā)芽指數(shù)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(fā)芽指數(shù)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(fā)芽指數(shù)逐漸下降為1.26，僅為對照發(fā)芽指數(shù)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(xiàn)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(jīng)濟環(huán)保、效果顯著，在大量育種中有顯著的優(yōu)勢[16]。試驗結(jié)果表明，熱水浸種是打破種子硬實休眠，促進種子萌發(fā)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(fā)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(dǎo)致種子萌發(fā)率下降，腐爛種子數(shù)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(fā)芽效果最好，發(fā)芽率高達85%。與本試驗研究結(jié)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(yīng)機理；也有可能是本批次采購的種子存在質(zhì)量問題造成浸種后大批量腐爛種子的出現(xiàn)。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(fā)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(fā)率，需考慮采用其他的化學(xué)、生物等方法。因此，種子在大批量處理前，均應(yīng)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(diào)控效果最為顯著。苦豆子、金合歡、銀合歡、臺灣相思和任豆經(jīng)70 ℃熱水浸種30 min后發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均達到試驗期間的較大值，萌發(fā)率可達到78%、75%、90%、66%和100%，分別為對照萌發(fā)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(fā)具有很好的促進作用。陳?？萚18]也在其研究中指出，破除合歡種子硬實的最優(yōu)方法是70 ℃熱水浸種，與本試驗研究結(jié)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(fā)率逐漸升高，在60 ℃、30 min條件下，種子萌發(fā)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(fā)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(nèi)部活性蛋白和酶類失活，種子萌發(fā)能力下降。車桑子種子在70 ℃、10 min浸種條件下，種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率均為所有試驗處理的最大值，萌發(fā)率最高為65%，為對照的8倍。因此，為了達到較好的調(diào)控效果，需要嚴格控制燙種溫度與時間。

4 結(jié) 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(jié)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(yōu)的處理方法也不相同，因此，需要根據(jù)不同的植物種的特點，確定最優(yōu)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(dǎo)致萌發(fā)率下降。