薔薇科果樹種子休眠特性及化學(xué)處理方法的研究進(jìn)展

劉 英,閭連飛,吳文龍,李維林,張春紅

[1 江蘇省中國科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園)/江蘇省植物資源研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京,210014;2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心/南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,南京,210037]

薔薇科(Rosaceae)植物根據(jù)花和果實(shí)的結(jié)構(gòu)特征,分為薔薇亞科(Rosoideae)、蘋果亞科(Maloideae)、李亞科(Prunoideae)和繡線菊亞科(Spiraeoideae)4大亞科;按經(jīng)濟(jì)用途分為食用、園林綠化、藥用和水果種質(zhì)資源植物等,中國是薔薇科植物的重要分布中心之一[1-2]。隨著優(yōu)異果品消費(fèi)需求增多,加快選育優(yōu)異果樹品種及提高種苗繁育效率成為當(dāng)務(wù)之急[3],薔薇科果樹以種類繁多、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)成為果品生產(chǎn)中的極佳選擇。雜交選育仍是目前薔薇科果樹育種的主要方法,而高效的種子萌發(fā)技術(shù)是其中極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[4-5]。薔薇科果樹種子萌發(fā)存在種子休眠和種皮限制現(xiàn)象,明顯阻礙了種子萌發(fā),對(duì)育種進(jìn)程產(chǎn)生了較大阻礙[6-8]。本文就薔薇科植物中主要果樹的種子特征、種子休眠特性及化學(xué)藥劑處理方法促進(jìn)種子萌發(fā)的應(yīng)用進(jìn)行概述,以期為進(jìn)一步探究種子高效萌發(fā)技術(shù)提供參考依據(jù)。

1 薔薇科果樹種子的構(gòu)成特點(diǎn)

通過對(duì)掌葉覆盆子RubuschingiiHu發(fā)育果實(shí)進(jìn)行解剖,發(fā)現(xiàn)內(nèi)果皮由強(qiáng)烈木質(zhì)化的多細(xì)胞組成,堅(jiān)硬的種殼使得種胚生長受限不易萌發(fā)[9]。觀察薔薇亞科果樹樹莓RubuscorchorifoliusL. f.果實(shí)的剖面,發(fā)現(xiàn)樹莓分為外果皮、中果皮和內(nèi)果皮,內(nèi)果皮硬化且分為3層構(gòu)成種子,紅樹莓RubusidaeusL.內(nèi)果皮厚12.20 μm,而黑樹莓Rubusmesogaeus為其1.48倍[10]。蘋果亞科中番木瓜CaricapapayaL.的種子內(nèi)外種皮的最內(nèi)側(cè)各有一層厚壁細(xì)胞,經(jīng)內(nèi)種皮黏連成堅(jiān)硬的殼狀物,種皮內(nèi)部包含正常發(fā)育的胚和胚乳[11]。準(zhǔn)噶爾山楂Crataegussongorica種子種殼結(jié)構(gòu)致密,由厚壁細(xì)胞組成,高度木質(zhì)化且含有蠟質(zhì),種子吸水受阻礙且種胚受到機(jī)械約束[12]。李亞科中,歐李Prunushumilis(Bge.) Sok.種子種殼的存在阻礙了透水透氣性[13],桃PrunuspersicaL.Batsch種子具有木質(zhì)化的內(nèi)果皮[14]。綜上所述,薔薇科果樹種子多由堅(jiān)硬的種皮、胚和胚乳構(gòu)成,內(nèi)果皮大多會(huì)特化成致密的種殼。

2 種子休眠

種子休眠是一種天然特性,完整的活力種子在適宜的條件下不能萌發(fā)[15]。Baskin將種子休眠分為5種,包括生理休眠、形態(tài)休眠、形態(tài)生理休眠、物理休眠和組合休眠[16]。薔薇科種子普遍存在生理休眠,具有一系列特征如離體種胚能產(chǎn)生正常的幼苗,赤霉素(GA3)處理有利于部分植物種子的萌發(fā),種子休眠可以通過低溫層積被打破,暖層積不能打破休眠,但在冷層積之前進(jìn)行暖層積處理可以縮短冷層積需要的時(shí)間[15]。

薔薇科果樹種子具有不同程度的生理休眠。桃種子在剝除種皮后,種胚能夠正常發(fā)芽產(chǎn)生幼苗[17],桃種子的萌發(fā)率與層積時(shí)間和GA3濃度呈正相關(guān)[18]。GA3能夠顯著提升玫瑰種子發(fā)芽率[19],而對(duì)山楂CrataeguspinnatifidaBunge、光滑高粱泡Rubuslambertianusvar. glaber種子萌發(fā)的促進(jìn)效果不明顯,僅會(huì)影響種子生理狀態(tài)[20-21]。新疆野蘋果Malussieversii種子經(jīng)過70～80 d的層積處理能夠達(dá)到較理想的萌發(fā)率[22],黑莓RubusfruticosusL.種子至少需要120 d低溫層積才能達(dá)到較為合適的萌發(fā)條件[23]。低溫層積前進(jìn)行一段時(shí)間暖溫層積可以提高美薔薇種子萌發(fā)率,并且縮短低溫層積時(shí)間[24]。

3 種皮限制

種皮的厚度和結(jié)構(gòu)對(duì)休眠的影響稱為種皮效應(yīng)[25]。薔薇科植物種子種皮較厚,薔薇亞科玫瑰、野薔薇的種皮內(nèi)包含抑制種子萌發(fā)的物質(zhì)如脫落酸、過氧化物酶等,并且種皮內(nèi)脫落酸(ABA)含量遠(yuǎn)高于種胚[26-27]。懸鉤子屬3個(gè)亞屬17個(gè)物種的萌發(fā)需求條件差異很大,通過解剖種皮結(jié)構(gòu)確定了種皮厚度和硬度是懸鉤子屬種子萌發(fā)響應(yīng)的關(guān)鍵因素[28]。此外,種皮還可能阻礙內(nèi)部抑制萌發(fā)的物質(zhì)溢出,破壞種皮可以促進(jìn)種子萌發(fā)[29]。李靖等[30]將黑莓內(nèi)果皮剝除并在濾紙上暗培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)相比不剝離內(nèi)果皮的種子發(fā)芽率提高60%。

在蘋果亞科中,山楂種子的種殼、種皮和種胚內(nèi)都含有萌發(fā)抑制物且成分不同,抑制強(qiáng)度由內(nèi)而外遞減[31-32]。馬小衛(wèi)等[33]發(fā)現(xiàn)李亞科長柄扁桃PrunuspedunculataPall.種皮對(duì)種子萌發(fā)沒有影響,但種殼的機(jī)械障礙和內(nèi)源抑制物的綜合作用阻礙了種子的萌發(fā)。蒙古扁桃Prunusmongolica種子木質(zhì)化內(nèi)果皮形成機(jī)械性限制,阻礙種胚的正常萌發(fā),通過去除種子內(nèi)果皮可解除其種皮限制[34]。洪平杏ArmeniacahongpingensisYü et Li種子的堅(jiān)硬種殼對(duì)種子胚根突破種皮產(chǎn)生機(jī)械阻力并限制種子萌發(fā)早期吸水[35]。

此外,結(jié)合顯微結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果發(fā)現(xiàn),薔薇亞科和蘋果亞科不僅含有限制種子萌發(fā)的內(nèi)源抑制物,堅(jiān)硬的種皮或內(nèi)果皮也阻礙了種子萌發(fā),相比之下,李亞科種子種殼對(duì)種子萌發(fā)存在一定限制,但種殼與種子間存在空隙,可以利用機(jī)械方法分離[13-14,36]。因而,依據(jù)薔薇科植物不同亞科種皮的特征選擇合適的化學(xué)處理方法或能夠有效提高種子萌發(fā)率。

4 化學(xué)處理方法

目前提高種子萌發(fā)率的處理方式集中體現(xiàn)在化學(xué)試劑處理、植物生長調(diào)節(jié)劑處理、低溫層積處理、機(jī)械處理等方面。前兩種均屬于化學(xué)方法,化學(xué)試劑以次氯酸鈉(NaClO)、硫酸(H2SO4)進(jìn)行酸蝕的研究相對(duì)較多,其作用主要表現(xiàn)在腐蝕種皮、增強(qiáng)種子萌發(fā)潛力等[37-38];植物生長調(diào)節(jié)劑處理以GA3和吲哚乙酸(IAA)為主,其作用主要表現(xiàn)為解除種子休眠、促進(jìn)種子萌發(fā)[25]。

濃H2SO4能夠腐蝕堅(jiān)硬的種皮,打破柵欄組織屏障,使種殼變薄,增加種皮通透性[7,37]。而利用濃H2SO4處理種子也存在諸多問題,如時(shí)間過長或高濃度將損害種子,處理后的殘留可能對(duì)種子造成酸害,操作上具有較高危險(xiǎn)性。NaClO是一種低毒的消毒劑溶液,通過種子表皮滅菌、提高種皮透性、促進(jìn)種內(nèi)抑制物質(zhì)滲出或?qū)ΨN皮進(jìn)行腐蝕和劃傷等方式促進(jìn)種子萌發(fā)[39]。適當(dāng)濃度的NaClO溶液和濃H2SO4能提高種子的萌發(fā)率,但試劑濃度和時(shí)間控制不當(dāng)會(huì)灼傷種子,從而導(dǎo)致種子發(fā)芽率降低。尿素作為一種氮肥,不僅能代替種子發(fā)芽時(shí)所需的光及溫度,也能代替層積砂藏時(shí)自然產(chǎn)生的生長激素,處理后能夠達(dá)到發(fā)芽時(shí)間提前、幼苗發(fā)育快、壯苗率高的效果[40]。薔薇亞科和蘋果亞科的種子因具有難以剝離的種殼或種皮,常通過化學(xué)試劑進(jìn)行處理,而李亞科種子可以通過機(jī)械處理剝離種殼后,利用激素處理進(jìn)一步提高種子萌發(fā)率。

4.1 薔薇亞科懸鉤子屬(RubusL.)種子在未處理前基本不發(fā)芽或發(fā)芽率較低,采用不同濃度H2SO4并結(jié)合次氯酸鈣處理,H2SO4濃度越高,黑莓種子發(fā)芽率越高,與次氯酸鈣共同處理能進(jìn)一步提高種子萌發(fā)率,98%濃硫酸處理15 min,再經(jīng)1%次氯酸鈣浸泡2 min能使黑莓發(fā)芽率達(dá)49%[41]。有研究對(duì)7種不同化學(xué)藥劑結(jié)合不同時(shí)間的低溫層積處理黑莓“Kiowa”種子,發(fā)現(xiàn)NaClO、H2SO4對(duì)黑莓種子發(fā)芽具明顯促進(jìn)效應(yīng),其中20%NaClO處理12 h并低溫層積90 d,黑莓種子發(fā)芽率最高達(dá)19%[23],H2SO4處理濃度與種子萌發(fā)率的關(guān)系與龔娜等[41]研究結(jié)論一致。不同類型黑莓種子出苗率因濃H2SO4處理時(shí)間不同存在差異,而粗葉懸鉤子R.alceaefoliusPoir.和高粱泡RubuslambertianusSer.ex DC.不經(jīng)H2SO4或NaClO處理發(fā)芽率更高[42]。

利用H2SO4和0.8%尿素處理4種懸鉤子屬植物種子,掌葉覆盆子、粉枝莓RubusbiflorusBuch.-Ham. ex Smith、桔紅懸鉤子R.aurantiacusFocke種子發(fā)芽率穩(wěn)定在30%。桔紅懸鉤子用75% H2SO4處理8～10 min發(fā)芽率最高,粉枝莓需0.8%尿素處理36 h、掌葉覆盆子需95% H2SO4處理達(dá)到最佳效果;紅泡刺藤RubusniveusThunb.經(jīng)75%濃硫酸處理8～10 min后用0.8%的尿素浸泡36h發(fā)芽率近60%[38]。延長濃H2SO4處理時(shí)間至35 min后掌葉覆盆子發(fā)芽率提升至40%,其他處理發(fā)芽率均不足5%,表明種殼硬實(shí)性是阻礙掌葉覆盆子種子萌發(fā)的機(jī)械障礙[43]。Gray等將巴頓覆盆子Rubusbartonianus利用98% H2SO4處理30 min或8.25% NaClO處理60 min后,先進(jìn)行30 d暖層積(20 ℃),再進(jìn)行低溫層積(4 ℃)90 d后,種子的發(fā)芽率分別提升至80%和73%[44]。

濃H2SO4處理黃樹莓RubusidaeusL.種子的適宜濃度為70%～80%,處理最佳時(shí)間14～16 min,尿素與H2SO4的組合處理發(fā)芽率最高,平均為24%[40]?！霸缂t”樹莓經(jīng)60% H2SO4處理25 min+1%次氯酸鈣處理6 d后發(fā)芽率達(dá)21%[41]。盧晶晶[45]通過濃H2SO4與次氯酸鈣、尿素等處理樹莓種子,并對(duì)種子進(jìn)行潮濕低溫處理6周,種子發(fā)芽率由10%以下提高到61.8%,濃H2SO4處理后的種子再使用次氯酸鈣處理對(duì)提升發(fā)芽率作用不大。利用濃H2SO4和NaClO共同處理樹莓種子,發(fā)現(xiàn)對(duì)3份樹莓種子萌發(fā)均具不同的促進(jìn)作用,不同品種最佳處理組合各不同[46]。對(duì)不同品種紅樹莓進(jìn)行處理,98%H2SO4處理+20%NaClO浸泡的酸組合方案較單一處理更佳,紅樹莓發(fā)芽率最高可達(dá)68.33%[47]。

4.2 蘋果亞科不同大小的山楂種子對(duì)化學(xué)試劑處理反應(yīng)不同,千粒質(zhì)量大于7 g(種殼厚度一般大于0.1 cm)的大粒型種子適合濃H2SO4處理,能顯著提高發(fā)芽率[48]。利用96%的濃H2SO4處理山楂種子3 h,并結(jié)合短暫層積可使發(fā)芽率達(dá)58%[49]。關(guān)于枇杷種子萌發(fā),有研究認(rèn)為400 mg·L-1的GA3能夠顯著提升枇杷Eriobotryajaponica(Thunb.) Lindl.種子發(fā)芽率[50],也有研究認(rèn)為枇杷種子最好隨采隨播[51],劉麗麗[52]則認(rèn)為IAA、ZR(玉米素)與ABA相互協(xié)調(diào)從而促進(jìn)枇杷種子萌發(fā),GA3對(duì)枇杷種子影響較弱,建議枇杷種子發(fā)芽過程中添加適量IAA和ZR。用NaOH和高錳酸鉀處理梨種子催芽效果較好[53-54]。隨著NaOH質(zhì)量濃度和浸種時(shí)間的增加,梨種子的萌發(fā)生長呈先增強(qiáng)后減弱的變化趨勢(shì),早酥梨和皇冠梨用4 g/L NaOH溶液分別處理1 h 和6 h 后層積60 d發(fā)芽勢(shì)最高,分別可達(dá)78.3%和65.3%[53];將梨種子在5%高錳酸鉀溫水中浸泡1 d,種皮松軟有利于后期出芽,且高錳酸鉀能夠消毒,減少種子催芽過程中霉?fàn)€發(fā)生[54]。

4.3 李亞科未經(jīng)層積處理的桃種子用GA3處理或去掉種皮,均可以有效解除種子休眠,大幅度提高桃種子的發(fā)芽率[55-56]。有研究表明,多種植物激素浸種10 h對(duì)蒙古扁桃Amygdalusmongolica(Maxim.) Ricker種子的萌發(fā)具有一定程度的促進(jìn)作用,不同激素及其最佳濃度為GA310 mg/L、NAA 0.1 mg/L、6-BA 1 mg/L以及乙烯利0.01 mg/L[57]。方海濤[58]認(rèn)為多糖和生物堿是蒙古扁桃Prunusmongolica(Maxim.) Ricker群落種子萌發(fā)的制約物質(zhì)。濃H2SO4浸泡4 h或?qū)﹂L梗扁桃AmygdaluspedunculataPall.帶殼種子萌發(fā)促進(jìn)作用最大[59]。魯春艷等[60]研究表明,長柄扁桃AmygdaluspedunculataPall.種子經(jīng)1 g/L GA3或0.25% H2O2浸泡24 h并低溫處理15 d后,種子萌芽率和發(fā)芽指數(shù)得到較大程度提升,且幼苗生長狀況較佳。研究表明,0.20～0.80 mg/L GA3、0.8或1.6 mg/L水楊酸及木醋液800倍液均可不同程度提高杏種子的萌發(fā)率,提升后的種子發(fā)芽率保持在90%左右[61-62]。GA3處理對(duì)剝皮后華中櫻桃Prunusconradinae種子的萌發(fā)具顯著促進(jìn)作用,種子在0.2 g/L GA3溶液中浸種4 h后發(fā)芽率最高達(dá)60.67%[63]。鐘花櫻桃Cerasuscampanulata最佳催芽方式為0.5 g/L GA3浸泡24 h后進(jìn)行沙藏[64],而GA3濃度超過0.5 g/L對(duì)野生山櫻桃Cerasusserrulata種子萌發(fā)的促進(jìn)作用逐漸降低[65]。

5 展望

雜交育種目前仍是提升薔薇科植物果實(shí)品質(zhì)的重要手段,因而研發(fā)雜交種子高效萌發(fā)技術(shù)是開展新品種選育的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。種子的萌發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的過程,解除種皮限制是眾多促進(jìn)薔薇科果樹種子萌發(fā)的一種有效方式。為提高薔薇科果實(shí)種子萌發(fā)率,可以依據(jù)不同亞科種子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)輔助采用適合的化學(xué)試劑對(duì)種子進(jìn)行蝕刻處理。若種子內(nèi)含有較多抑制萌發(fā)的內(nèi)源抑制物,可以通過赤霉素等植物生長調(diào)節(jié)劑對(duì)種子激素進(jìn)行平衡,有力保障薔薇科果樹種子的萌發(fā)率和萌發(fā)質(zhì)量。

盡管目前用化學(xué)處理方法促進(jìn)種子萌發(fā)的技術(shù)較為廣泛,但還存在一系列問題有待探討,如直接處理還是浸種后處理效果好,適合的處理時(shí)間或不同化學(xué)藥劑的選用及種子萌發(fā)后幼苗能否正常生長等問題[38]。此外,由于品種分化致使種子在發(fā)芽力上可能出現(xiàn)分化[66],不同基因型和倍性的種子[67]以及種子自身活力[68]也會(huì)影響種子萌發(fā)能力,進(jìn)而導(dǎo)致同一物種不同品種間促進(jìn)種子萌發(fā)的最佳方法存在一定差異。因此,在生產(chǎn)中不僅要根據(jù)薔薇科不同類型種子結(jié)構(gòu)和特性采用行之有效的處理方法,也要對(duì)不同雜交親本品種探索適合的種子處理技術(shù),真正為薔薇科果樹雜交新品種選育和物種保護(hù)提供科學(xué)方法。