高寒地區(qū)牧草種子破眠技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

劉洋禮，孫步功，張 鵬，張克平，鄭小寶，漢永乾

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

我國(guó)西部高寒草地，主要是青藏高原，有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱。其土地面積占全國(guó)的26%，天然草地面積約1.5×108hm2，占全國(guó)草地總面積的1/3，平均產(chǎn)草量為284 kg/hm2，有著“中華水塔”“江河源”“生態(tài)源”的美譽(yù)，同時(shí)也是高寒生物資源的基因庫(kù)[1-3]。近年來，在人口增加、超載放牧、鼠蟲危害及全球氣候變化等人為和自然因素的共同影響下，高寒草地系統(tǒng)出現(xiàn)了不同程度的退化、沙化、堿化，這不僅對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅，而且制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4-5]。因此，培育優(yōu)良牧草品種，加快人工草地重建，推進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)近自然恢復(fù)成為保障青藏高原畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急[6-7]。研究表明，進(jìn)行高寒草地種子庫(kù)研究，加強(qiáng)牧草繁育研究和種子基地建設(shè)，開展牧草種子生產(chǎn)區(qū)劃研究、解決種源制約問題、實(shí)現(xiàn)種子區(qū)域化專業(yè)化生產(chǎn)、提高牧草種子質(zhì)量與產(chǎn)量對(duì)高寒草地生態(tài)環(huán)境建設(shè)將產(chǎn)生現(xiàn)實(shí)而深遠(yuǎn)的意義[8-9]。

牧草種子是高寒草地生態(tài)建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)草地建植和牧草生產(chǎn)具有直接影響[10]。然而，大多數(shù)牧草種子在自身生理機(jī)能和外界環(huán)境共同作用下，種皮形成致密的蠟質(zhì)和角質(zhì)，導(dǎo)致種子無法萌發(fā)并且保持本來大小形態(tài)，中外學(xué)者將其稱為硬實(shí)種子[11-14]。硬實(shí)種子具有生命活力，但種皮上的蠟質(zhì)和角質(zhì)阻礙了水、光、氣體或溶質(zhì)在種子內(nèi)部與外界環(huán)境的交換，種子無法正常發(fā)育，在育種或播種時(shí)，經(jīng)歷好幾個(gè)星期，好幾個(gè)月甚至好幾年也不能發(fā)芽，我們將這種現(xiàn)象稱為休眠[15-17]。休眠是一種“生命的隱蔽”現(xiàn)象，種子的硬實(shí)效應(yīng)是引發(fā)種子休眠的主要原因，從種族繁衍、種質(zhì)保持方面來看這是一種非常有利的特性[18-19]。但作為播種材料，種子休眠將會(huì)給種子生產(chǎn)者、種子用戶和種子檢驗(yàn)員帶來大量困難，尤其是在高寒草地生態(tài)建設(shè)的過程中，牧草種子的休眠特性已成為實(shí)現(xiàn)人工草地重建，高寒草地植被正向演替、畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程中的巨大障礙[20-22]。因此，打破牧草種子休眠，提高牧草種子發(fā)芽率一直是牧草生產(chǎn)中重要的研究課題。近年來，牧草種子破眠技術(shù)有了很大提升，如張琴根據(jù)石碾模型研制出碾壓式苜蓿種子破眠裝置，處理后的苜蓿種子發(fā)芽率高達(dá)92%[23]。但目前牧草種子破眠技術(shù)仍然存在著破損率高、健苗率低、無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)進(jìn)而滿足大規(guī)模人工種植的需要等問題。

本文通過梳理國(guó)內(nèi)外典型牧草種子破眠技術(shù)的發(fā)展情況，分析典型牧草種子休眠特性與破眠機(jī)理，歸納國(guó)內(nèi)外先進(jìn)破眠技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)我國(guó)牧草種子破眠技術(shù)研究進(jìn)行展望，提出高效率、高產(chǎn)量、低損傷的綜合破眠建議。

1 高寒草地牧草種子休眠特性研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)種子休眠早有定義，種子休眠是指在預(yù)定的時(shí)間范圍內(nèi)本該有生命活力體征的種子，在預(yù)計(jì)正常、利于種子萌發(fā)的一些環(huán)境因子(水、光、熱、氧氣等)組合條件下，不能按期正常萌發(fā)的一種生理現(xiàn)象[24-26]。然而，對(duì)于種子休眠的原因，卻存在著很多爭(zhēng)議。在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究中，F(xiàn)enner和Thompson關(guān)于種子休眠與種子在土壤中狀態(tài)復(fù)雜關(guān)系的發(fā)現(xiàn)，引起了對(duì)種子休眠原因的爭(zhēng)論[27]。在生理學(xué)領(lǐng)域研究中，大多采用分子遺傳學(xué)的方法，Sudheer和Swain等認(rèn)為休眠性由單基因控制，休眠性對(duì)無休眠性呈完全顯性或不完全顯性[28-30]。近年來，隨著相關(guān)研究的不斷深入，種子休眠的主要原因可歸納為外在因素和內(nèi)在因素，外在因素主要源于種子所處環(huán)境，環(huán)境影響因子中陽光、水分、溫度、土壤等不適條件均能導(dǎo)致種子進(jìn)入休眠狀態(tài)；內(nèi)在因素主要源于種子自身，種皮障礙、內(nèi)源抑制物、形態(tài)及生理后熟都可能導(dǎo)致種子無法萌發(fā)[31]。學(xué)者們從宏觀和微觀水平對(duì)種子休眠類型進(jìn)行研究，他們將種子休眠分為五種，即生理休眠、形態(tài)休眠、形態(tài)生理休眠、物理休眠和組合休眠[32-33]。牧草種類繁多，優(yōu)質(zhì)牧草多以豆科、禾本科植物為主，如苜蓿、紫云英、紅豆草、沙生冰草、扁穗冰草等。研究表明，其種子極易發(fā)生硬實(shí)效應(yīng)，從而導(dǎo)致不同程度休眠[34-35]。堅(jiān)硬種皮的透水透氣性差及其對(duì)胚生長(zhǎng)的機(jī)械束縛是造成硬實(shí)的重要原因[36]。桂喆等通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，豆科牧草種子堅(jiān)硬的種皮主要由角質(zhì)層、柵欄層、骨狀細(xì)胞層、漏斗細(xì)胞層、厚壁細(xì)胞層及薄壁細(xì)胞層等兩層或兩層以上組成，其中柵欄層、骨狀細(xì)胞層可能是形成硬實(shí)現(xiàn)象的主要原因[37]。硬實(shí)效應(yīng)導(dǎo)致牧草種子物理休眠，但研究表明，牧草種子除物理休眠外多數(shù)易發(fā)生組合休眠。組合休眠是一種復(fù)雜的休眠現(xiàn)象，既具備物理休眠特性又具備生理休眠特性。物理休眠屬于迫性休眠，生理休眠則為自發(fā)性的，不同休眠原因?qū)⒃斐刹煌N類的休眠。牧草種子對(duì)萌發(fā)環(huán)境的需求幅度決定了牧草種子的休眠程度，幅度越寬休眠程度越淺，幅度越窄休眠程度越深，種子本身的休眠程度以及種子所處的環(huán)境條件，直接決定了種子是否能夠萌發(fā)[38]。近年來，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)牧草種子休眠特性研究從未間斷。J.R.卡爾森在講述北美草原播種育種技術(shù)時(shí)，指出牧草種子休眠一部分是由于硬實(shí)造成的，另一部分則是由遺傳基因控制的[39]。而易津等以紫云英、沙打旺、草木樨等牧草種子為試材進(jìn)行活力測(cè)定的過程中發(fā)現(xiàn)硬實(shí)仍然是工作中的主要障礙[40]。李青豐從牧草種子的休眠、萌發(fā)、壽命等生理特性著手，圍繞牧草種子的利用和牧草種子檢驗(yàn)法規(guī)建設(shè)等對(duì)我國(guó)北方常見牧草種子進(jìn)行了系統(tǒng)和全面的研究[41]。同時(shí)哈斯亞提·再努拉通過試驗(yàn)證明貯存條件、貯存時(shí)間及貯存方式等都會(huì)對(duì)牧草種子萌發(fā)特性產(chǎn)生影響[42]。牧草種子休眠原因、休眠類型、休眠程度一度成為專家學(xué)者的研究重點(diǎn)。如今，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是新一代測(cè)序技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)非模式牧草種子休眠機(jī)制的深入研究成為可能。探究牧草種子休眠機(jī)理以及萌發(fā)特性，根據(jù)不同休眠特性選擇相應(yīng)解除休眠的方式，致力于高寒草地牧草種子的破眠研究，對(duì)高寒草地生態(tài)建設(shè)具有舉足輕重的意義。

2 國(guó)內(nèi)外牧草種子破眠技術(shù)研究現(xiàn)狀

實(shí)踐證明，深入破眠技術(shù)研究是保證牧草種子在正常播種期間如期萌發(fā)，滿足高寒地區(qū)人工草地建植需要的有力支柱。早在1946年，美國(guó)學(xué)者L.P.V.Johnson就美洲椴種子進(jìn)行了預(yù)浸泡、硫酸酸化、種皮劃傷、層積四種方法破眠處理[43]。后來Pearson、Haber、Villiers、Kim、Hyde Leslie C等分別采用硫脲浸泡、射線、變溫、酒精浸泡等方式對(duì)休眠種子處理，均達(dá)到可觀效果[44-48]。我國(guó)關(guān)于硬實(shí)種子處理技術(shù)可追溯到魏晉南北朝時(shí)期，至少在一千四百多年前，我國(guó)人民就創(chuàng)造出打破硬實(shí)種子休眠的機(jī)械摩擦法?！洱R名要術(shù)·養(yǎng)魚篇》中記載的“種蓮子法”：“……于瓦上磨蓮子頭，令皮薄?！け∫嗌?，少時(shí)即出(芽)。其不磨時(shí)，皮既堅(jiān)厚，倉(cāng)卒不能生也”[49]。美國(guó)草種業(yè)在草產(chǎn)業(yè)和草地畜牧業(yè)中扮演著極其重要的角色，尤其是要求區(qū)域化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化生產(chǎn)以及草種處理技術(shù)方面水平較高[50]。關(guān)于國(guó)內(nèi)外牧草種子破眠技術(shù)的研究也從未間斷，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，目前牧草種子破眠技術(shù)方法主要有物理方法、化學(xué)方法、生物方法、綜合方法[51-52]。①物理方法。主要包括機(jī)械處理、溫度處理(高溫、低溫、變溫)、干藏干熱及射線、超聲波、電場(chǎng)和磁場(chǎng)處理。早期國(guó)內(nèi)外種子工作者主要采用摩擦、刺破等機(jī)械處理方法；Bilsland在1984年研制了滾筒式種子處理機(jī)，以天竺葵種子為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)證明滾筒轉(zhuǎn)子將種子劃破可以有效提高種子發(fā)芽率[53]；同年我國(guó)上海市五四農(nóng)場(chǎng)科研站發(fā)現(xiàn)，采用鐵砂皮和細(xì)砂對(duì)小冠花種子進(jìn)行揉搓可在很大程度上解除種子的休眠[54]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，種子科學(xué)逐漸被重視，從事種子研究的科研人員多采用電場(chǎng)、磁場(chǎng)對(duì)休眠種子進(jìn)行破眠處理。欒欣昱等采用高壓電暈電場(chǎng)處理紫花苜蓿種子時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著放電電壓的升高，苜蓿種皮刻蝕逐漸明顯，種子表皮纖維素降解時(shí)產(chǎn)生裂縫是促進(jìn)種子萌發(fā)的主要原因[55]。何正婷等以小麥種子為研究對(duì)象，采用磁場(chǎng)強(qiáng)度為11 mT的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行處理，得出旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可提高小麥種子萌發(fā)以及加快小麥幼苗生長(zhǎng)速度的結(jié)論[56]。②化學(xué)方法。主要是采用生物激素、有機(jī)化學(xué)試劑以及無機(jī)化學(xué)試劑對(duì)休眠種子進(jìn)行浸泡。研究表明，不同種類的種子應(yīng)該選擇不同種類、不同濃度的試劑浸泡。例如小冠花硬實(shí)種子只有采用濃硫酸浸泡發(fā)芽率才能顯著提高，而10 mg赤霉素溶液對(duì)紫花苜蓿、箭舌豌豆、檸條、無芒雀麥、披堿草、羊茅種子的萌發(fā)均有促進(jìn)作用[57-58]。浸泡試劑濃度的不同對(duì)種子的處理效果也不相同，劉青等研究有機(jī)酸與硝酸銨協(xié)同浸種對(duì)黑麥草和高羊茅種子萌發(fā)及初期生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明蘋果酸浸種黑麥草和高羊茅的最適濃度分別為15 mmol/L和5 mmol/L，而檸檬酸浸種的最適濃度則為10 mmol/L和5 mmol/L[59]。③生物方法。在自然環(huán)境中，有很多因素也可以促進(jìn)萌發(fā)，從而打破休眠。王樹林等在研究不同類群植物種子對(duì)綿羊瘤胃消化的反應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)消化作用能打破豆科種子的休眠，這為消化液和生物液浸種提供了重要理論依據(jù)[60]。④綜合方法。在內(nèi)因與外因的共同作用下往往導(dǎo)致種子產(chǎn)生綜合性休眠(也稱為組合休眠)，實(shí)踐中針對(duì)這種休眠多采用綜合方法。Dashti等對(duì)駝鹿種子用硫酸處理、砂紙摩擦處理、低溫層積處理和赤霉素處理以研究這些因素對(duì)種子休眠的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)單個(gè)因素處理時(shí)對(duì)種子的萌發(fā)沒有顯著影響，而4種處理結(jié)合使用時(shí)，種子的萌發(fā)率有顯著提高[61]。李強(qiáng)等以紫花苜蓿種子為試材進(jìn)行生物破眠、機(jī)械破眠與復(fù)合破眠的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械與生物破眠技術(shù)相結(jié)合的破眠方法可使休眠種子發(fā)芽率高達(dá)95%[62]。綜合方法即將現(xiàn)有打破種子休眠的處理方法進(jìn)行綜合，形成一條方法鏈，從而促進(jìn)種子萌發(fā)。文獻(xiàn)表明，綜合處理方法可以最大限度地打破種子的休眠，且效果顯著。通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)近年來國(guó)外研究者多采用浸泡法對(duì)休眠種子進(jìn)行處理，再者多從休眠種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)或物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析，鮮有對(duì)物理方法、生物方法以及綜合方法進(jìn)行研究。種子硬實(shí)是導(dǎo)致牧草種子休眠的主要原因，故應(yīng)當(dāng)探尋更加完善的破眠處理方法。

3 小結(jié)

高寒區(qū)域退化草地近自然恢復(fù)與人工重建的關(guān)鍵在于牧草的種植，牧草種子質(zhì)量的好壞決定了草原的發(fā)展前景。針對(duì)牧草種子易硬實(shí)、喜休眠問題，對(duì)牧草種子進(jìn)行休眠特性研究，對(duì)國(guó)內(nèi)外種子破眠技術(shù)進(jìn)行總結(jié)顯得尤為重要。通過國(guó)內(nèi)外破眠技術(shù)的對(duì)比，可總結(jié)歸納為以下三點(diǎn)：①目前國(guó)外專家學(xué)者對(duì)牧草種子的休眠研究主要傾向于種子內(nèi)部的生理休眠，一定程度上忽略了物理休眠；相關(guān)資料表明，大部分牧草種子的休眠是由內(nèi)因與外因共同作用造成的，故綜合處理法將是進(jìn)行種子破眠研究的重點(diǎn)難點(diǎn)。②在人工草地重建過程中，大部分播種者仍使用砂紙打磨等傳統(tǒng)方法解除種子休眠，傳統(tǒng)方法效率低、破損率高、操作難度大、參數(shù)不易控制等問題一直未得到解決，研制出高效、低損傷且可批量處理的智能破眠設(shè)備將成為種子破眠研究的主要方向。③在破眠過程中化學(xué)試劑或其他藥劑一定程度上將對(duì)種子自身造成損傷抑或是對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)低損破眠系統(tǒng)進(jìn)行研究以及如何實(shí)現(xiàn)低污染，綠色破眠也是我們?cè)谶M(jìn)行破眠研究過程中的重要課題。

4 牧草種子破眠技術(shù)展望

通過對(duì)國(guó)外草原治理、生態(tài)恢復(fù)過程中所采用破眠技術(shù)與我國(guó)現(xiàn)有牧草種子破眠技術(shù)的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)牧草種子破眠技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。尤其是在近年來我國(guó)高寒地區(qū)植被在大規(guī)模和大面積退化的大環(huán)境下，牧草種子相關(guān)研究人員更應(yīng)抓住機(jī)遇、勇?lián)?zé)任、開拓創(chuàng)新，努力為高寒草地建植事業(yè)服務(wù)。牧草種子破眠技術(shù)的發(fā)展與高寒區(qū)域植被正向演替、畜牧業(yè)發(fā)展、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚至大自然氣候變化息息相關(guān)，我國(guó)研究人員應(yīng)從牧草種子休眠的根本原因出發(fā)，綜合全面性考慮問題，針對(duì)性地進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)?！耙涣７N子可以改變一個(gè)世界，一項(xiàng)技術(shù)能夠創(chuàng)造一個(gè)奇跡”，牧草種子是源頭，牧草種子破眠技術(shù)是種子萌發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。相信通過廣大科研工作者的不懈努力，牧草種子破眠技術(shù)的未來一定熠熠生輝。