東北紅豆杉種子休眠機(jī)理與處理方法

楊 威 鄭德龍 金漢帥 薛 爽 蔡世霞

（吉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 吉林吉林 132000）

東北紅豆杉（Taxus cuspidata Sieb. et Zucc.）是紅豆杉科（Taxaceae）紅豆杉屬（Taxus Linn.）常綠喬木，主要分布于中國吉林長白山、老爺嶺、張廣才嶺，俄羅斯、朝鮮、日本也有分布[1]。 東北紅豆杉繁殖主要有播種和扦插2 種方法， 扦插繁殖的樹苗根系和主干發(fā)育不良，無主根和主干，只在園林綠化中應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)山林種群恢復(fù)。 種子繁殖樹苗質(zhì)量好，有主根主干，可以通過野化訓(xùn)練，恢復(fù)種群[2]。 東北紅豆杉種子具有休眠的特性，當(dāng)年采收的種子不能發(fā)芽，紅豆杉種子種皮厚實(shí)、堅(jiān)硬，阻礙了水分和氣體交換。 種子含有內(nèi)源激素赤霉素、脫落酸、吲哚乙酸等，雖然種胚結(jié)構(gòu)完整，但不能萌發(fā)，需要經(jīng)過兩冬一夏的時(shí)間，才能解除休眠。 紅豆杉種子深度休眠的特性極大地限制了紅豆杉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,科研工作者為了研究紅豆杉屬植物的休眠特性做了大量工作，到目前為止，對紅豆杉屬植物種子的休眠機(jī)理仍不十分清楚，需要做出更積極的努力[3-5]。

本試驗(yàn)從2018 年12 月開始到2021 年6 月結(jié)束， 歷時(shí)2 年半時(shí)間， 通過調(diào)查東北紅豆杉種群分布，采集紅豆杉種子，對紅豆杉種子解除休眠做了大量的研究工作。 尤其是針對東北紅豆杉種子的沙藏處理、化學(xué)處理、機(jī)械處理對于解除休眠、種子萌發(fā)和發(fā)芽率的影響做了全面的試驗(yàn)研究， 取得了一些試驗(yàn)成果，以期為紅豆杉科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐提供參考和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的東北紅豆杉種子于2018－2021 年采自吉林市松花江邊綠化帶。 室內(nèi)試驗(yàn)在吉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院中心化驗(yàn)室進(jìn)行， 室外試驗(yàn)場地是吉林市農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝試驗(yàn)區(qū)，沙壤土，pH 為7。 試驗(yàn)室用水為桶裝純凈水，試驗(yàn)地用水為深井自來水。 試驗(yàn)用赤霉素是活性最高的赤霉酸（GA3）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種皮觀察2018－2021 年采收的紅豆杉種子，經(jīng)自然干燥，用解剖顯微鏡觀察種皮結(jié)構(gòu)，研究其結(jié)構(gòu)對吸水透氣性的影響， 為紅豆杉種子處理提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1.2.2 種皮處理對種子吸水性影響試驗(yàn)本試驗(yàn)研究不同方法處理種皮對種子吸水性的影響。 利用2018－2021 年采收的紅豆杉種子，自然干燥。 試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4 個(gè)處理和1 個(gè)對照，處理A：完全剝?nèi)シN皮；處理B：人工刺破種皮；處理C：粗沙拋光磨蝕種皮；處理D：濃硫酸腐蝕種子3 h；對照（CK）：種皮完好不處理。 將不同方法處理的紅豆杉種子，放入純凈水中浸泡，分別于4 h、8 h、16 h、24 h、48 h 調(diào)查種子吸水率。

1.2.3 不同溫度和不同時(shí)間的層積處理試驗(yàn)本試驗(yàn)研究了不同溫度、 不同時(shí)間沙藏層積處理對種子發(fā)芽的影響，采用2018 年采收的紅豆杉種子，自然干燥，室內(nèi)存放，用純凈水浸泡4 h，然后與含水量10%的濕沙混合。 處理A： 溫度5℃； 處理B： 溫度10℃； 處 理C： 溫 度15℃； 處 理D： 溫 度20℃； 對 照（CK）：室外自然環(huán)境下沙藏處理。 以上每個(gè)溫度處理各設(shè)計(jì)5 個(gè)沙藏處理時(shí)間：6 個(gè)月、12 個(gè)月、18 個(gè)月、24 個(gè)月、30 個(gè)月，每個(gè)處理1 000 粒，3 次重復(fù)，試驗(yàn)室培養(yǎng)，測定種子發(fā)芽率。 本項(xiàng)試驗(yàn)從2018 年12 月開始沙藏層積處理， 沙藏30 個(gè)月的試驗(yàn)是2021 年6 月測試發(fā)芽率，持續(xù)時(shí)間2 年半，均是在同一試驗(yàn)室相同溫度條件下進(jìn)行。

1.2.4 種皮處理方式和不同時(shí)間的層積處理試驗(yàn)本試驗(yàn)研究不同人工處理種皮后，在相同溫度下沙藏對種子發(fā)芽率的影響，對2018 年采收的紅豆杉種子，自然干燥后，采用上述 “1.2.2” 處理方式對種皮進(jìn)行處理。 處理A：完全剝?nèi)シN皮；處理B：人工刺破種皮；處理C：粗沙拋光磨蝕種皮；處理D：濃硫酸腐蝕種子3 h；對照（CK）：種皮完好不處理。 在試驗(yàn)室自然溫度下進(jìn)行沙藏， 沙藏時(shí)間為6 個(gè)月、12 個(gè)月、18 個(gè)月、24 個(gè)月、30 個(gè)月，每個(gè)處理1 000 粒，3 次重復(fù)，試驗(yàn)室培養(yǎng)，測定種子發(fā)芽率。 本項(xiàng)試驗(yàn)從2018 年12 月開始到2021 年6 月結(jié)束，也是在同一試驗(yàn)室相同溫度條件下進(jìn)行。

1.2.5 種皮處理方式和不同濃度的激素處理試驗(yàn)本試驗(yàn)研究人工處理種皮的種子， 在外源激素作用下對發(fā)芽率的影響。 上述人工處理種皮的種子繼續(xù)進(jìn)行激素處理。 激素處理分為2組： Ⅰ組是單獨(dú)赤霉素（GA3）處理， 濃度分別為50 mg/L、 100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L；Ⅱ組是赤霉素（GA3）和細(xì)胞分裂素（6-BA）混合處理，在上述各濃度赤霉素（GA3）處理中分別加入6-BA 10 mg/L。 水處理為對照（CK）。 激素處理的方法是先用激素浸泡種子1 h，然后在試驗(yàn)室自然溫度下，沙藏處理6 個(gè)月，每個(gè)處理1 000 粒，3 次重復(fù)，試驗(yàn)室培養(yǎng)，測定種子發(fā)芽率。本項(xiàng)試驗(yàn)從2020 年12 月開始到2021 年6 月結(jié)束， 在同一試驗(yàn)室相同溫度條件下進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 種皮特性與種子休眠

2018－2021 年連續(xù)4 年采收的東北紅豆杉種子，經(jīng)過解剖顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)， 紅豆杉種子的種皮堅(jiān)硬厚實(shí)，隨機(jī)取出100 粒干燥的紅豆杉種子，測量平均厚度為0.8 mm。種皮由3 部分組成：最外面一層是厚壁細(xì)胞，表面角質(zhì)化，鱗片狀，凸凹不平，平均厚度約為0.1 mm，角質(zhì)層細(xì)胞小而緊實(shí)，鱗片狀結(jié)構(gòu)透水性差，阻斷水分進(jìn)入種子內(nèi)部；中間一層為木栓層，平均厚度為0.4 mm；最里面一層種皮為膜質(zhì)，半透明，這種結(jié)構(gòu)的種皮嚴(yán)重地阻止水分吸收和氣體交換，是導(dǎo)致紅豆杉種子休眠的主要因素。

2.2 不同種皮處理對種子吸水性的影響

種皮完好、未經(jīng)處理的紅豆杉種子，在純凈水中浸泡16 h，仍然漂浮在水面，證明無法吸收水分，浸泡24 h，有19%的種子吸水膨脹。 去掉種皮的種子，浸泡8 h，有9%的種子吸水膨脹。 刺破種皮的種子，浸泡16 h，有12%的種子吸水膨脹。 濃硫酸處理3 h的種子，浸泡24 h ，有12%種子吸水膨脹。 浸泡48 h后，所有處理種皮的種子超過90%吸水膨脹，對照組的種子吸水率僅為76% （表1）。

表1 不同種皮處理下紅豆杉種子的吸水率（單位：%）

2.3 不同溫度和不同時(shí)間的層積處理對種子發(fā)芽的影響

種皮完整的紅豆杉種子，各溫度沙藏處理6 個(gè)月不能發(fā)芽， 必須經(jīng)過兩個(gè)冬天一個(gè)夏天的沙藏處理才能發(fā)芽，處理18 個(gè)月時(shí)，對照（CK）發(fā)芽率最高，達(dá)到38%，說明溫度變化可以提高發(fā)芽率。 各溫度沙藏層積處理18 個(gè)月時(shí)，對照（CK）發(fā)芽率達(dá)到最大，各處理繼續(xù)沙藏發(fā)芽率反而下降，說明長時(shí)間的處理，部分紅豆杉種子已經(jīng)失去活性（表2）。

表2 不同溫度和不同時(shí)間沙藏處理下紅豆杉種子的發(fā)芽率（單位：%）

2.4 不同種皮處理方式和沙藏時(shí)間對種子發(fā)芽的影響

人工處理種皮的紅豆杉種子，發(fā)芽時(shí)間提前，6個(gè)月開始發(fā)芽，其中去掉種皮的種子，6 個(gè)月發(fā)芽率最高，達(dá)到23%。對照處理，12 個(gè)月才開始發(fā)芽。處理18 個(gè)月時(shí)，對照發(fā)芽率最高，達(dá)到36%，其他處理反而下降。 沙藏處理24 個(gè)月時(shí)，去掉種皮的種子失去發(fā)芽能力。 各處理的紅豆杉種子，因?yàn)榉N皮受到破環(huán)，在沙藏處理時(shí)，部分種子失去活性，完全去掉種皮的種子失去發(fā)芽能力， 說明紅豆杉種皮對種子具有保護(hù)作用（表3）。

表3 不同種皮處理方法和沙藏時(shí)間下紅豆杉種子的發(fā)芽率（單位：%）

2.5 不同激素處理對種子發(fā)芽的影響

不同激素處理的紅豆杉種子， 效果比較好的是赤霉素（GA3）200 mg/L 和赤霉素（GA3）+細(xì)胞分裂素（6-BA）10 mg/L， 處理B 沙藏層積處理6 個(gè)月時(shí)，發(fā)芽率分別達(dá)到26%和25%，各處理明顯高于對照，各處理間差異不顯著，赤霉素（GA3）200 mg/L 和赤霉素（GA3）200 mg/L +細(xì)胞分裂素（6-BA）10 mg/L 處理[6]，差異也不顯著（表4、表5）。

表4 不同激素（Ⅰ組）處理下紅豆杉種子的發(fā)芽率（單位：%）

表5 不同激素（Ⅱ組）處理下紅豆杉種子的發(fā)芽率（單位：%）

3 結(jié)論與討論

3.1 東北紅豆杉種皮生理結(jié)構(gòu)

通過鏡檢觀察， 東北紅豆杉種子的種皮堅(jiān)硬厚實(shí)，分為3 層：最外面一層厚壁細(xì)胞表面角質(zhì)化，鱗片狀，凸凹不平，這種結(jié)構(gòu)具有防水功能，蝴蝶的翅膀、荷葉的表面都是這種結(jié)構(gòu)，可以阻斷水分進(jìn)入種子內(nèi)部；中間一層為木栓層，堅(jiān)硬厚實(shí)，支撐起種皮的結(jié)構(gòu)，保護(hù)種子；最里面一層種皮為膜質(zhì)，半透明，這種膜狀結(jié)構(gòu)可以有效地阻止水分吸收和氣體交換，是導(dǎo)致紅豆杉種子休眠的主要因素。

3.2 種皮處理對種子吸收水分的影響

通過人工剝?nèi)シN皮、刺破種皮、粗沙拋光磨損、濃硫酸浸泡腐蝕等方法， 處理紅豆杉種皮， 結(jié)果表明，完全剝?nèi)シN皮的紅豆杉種子，8 h 開始吸水膨脹。刺破和磨損種皮的種子，16 h 開始吸水膨脹。 濃硫酸處理的種子，24 h 開始吸水膨脹。 以上4 種處理的種子，48 h 完成吸水膨脹， 對照材料48 h 才開始吸水。試驗(yàn)證明， 紅豆杉種子的種皮限制了種子對水分的吸收，阻止了氣體交換。

3.3 種皮處理對種子發(fā)芽的影響

經(jīng)過種皮處理的紅豆杉種子，可以提前發(fā)芽，其中去掉種皮的種子，6 個(gè)月發(fā)芽率最高，達(dá)到23%。 對照處理，12 個(gè)月時(shí)才開始發(fā)芽。 沙藏層積處理18 個(gè)月時(shí)，對照發(fā)芽率最高，達(dá)到36%，其他處理反而下降，去掉種皮的種子完全失去發(fā)芽能力。 對照處理是在室外自然環(huán)境中進(jìn)行，溫度隨季節(jié)變化明顯，說明變溫處理可以提高紅豆杉種子發(fā)芽率。 各種處理的紅豆杉種子在沙藏處理時(shí)，部分種子失去活性，完全去掉種皮的種子失去發(fā)芽能力， 說明紅豆杉種皮對種子具有保護(hù)作用。

3.4 激素處理對種子發(fā)芽的影響

激素處理的種子， 沙藏層積6 個(gè)月就可以發(fā)芽，說明外源激素可以改變種子， 解除紅豆杉種子的休眠，效果最好的是赤霉素（GA3），細(xì)胞分裂素（6-BA）作用不明顯。 試驗(yàn)證明，外源激素處理，可以提前解除紅豆杉種子的休眠， 與沙藏層積處理的種子發(fā)芽率差異不顯著， 說明外源激素對于提高種子發(fā)芽率效果不明顯。

3.5 討論

紅豆杉種子的休眠特性是一個(gè)十分復(fù)雜的生理現(xiàn)象，種皮的結(jié)構(gòu)、胚的大小、內(nèi)源激素的含量都是影響紅豆杉種子休眠和萌發(fā)的因素。 種皮的結(jié)構(gòu)既是限制因素又有保護(hù)作用。 紅豆杉種子中含有大量的ABA，而GA3含量卻很低，高濃度的ABA 是導(dǎo)致東北紅豆杉種胚進(jìn)入休眠狀態(tài)的主要原因之一。 紅豆杉種子沙藏層積處理2 個(gè)月時(shí)，內(nèi)源ABA 濃度迅速降低，GA3含量變化不大，沙藏層積4 個(gè)月時(shí)，隨著ABA 濃度的進(jìn)一步降低，GA3含量開始升高，沙藏層積6～8 個(gè)月時(shí)，GA3含量迅速增加[7-8]，此時(shí)種子胚后發(fā)育完成，內(nèi)源激素的變化導(dǎo)致種子休眠解除，開始萌發(fā)。 溫度的變化可以加速內(nèi)源激素的降解，由于各種激素降解速度不同，導(dǎo)致其比例發(fā)生明顯變化，促進(jìn)這一過程的完成。