不同倍性西瓜种壳解剖结构的比较

刘鹏，刘文革，赵胜杰，阎志红，何楠，路绪强

（中国农业科学院郑州果树研究所，河南郑州，450009）

不同倍性西瓜种壳解剖结构的比较

刘鹏，刘文革，赵胜杰，阎志红，何楠，路绪强

（中国农业科学院郑州果树研究所，河南郑州，450009）

采用石蜡切片技术，比较了8组同基因型不同倍性西瓜的二倍体、三倍体与四倍体之间种壳解剖结构的差异。研究结果表明，不同倍性之间种壳的解剖结构存在一定的差异，三倍体与四倍体西瓜的种壳平均厚度及各细胞层的平均厚度大于二倍体西瓜的平均厚度；三倍体和四倍体种壳的皮下组织层由小细胞和大细胞组成，而在二倍体中小细胞数目较少；55℃浸种12 h处理后，不同倍性西瓜的种壳厚度及各细胞层的平均厚度均变大，栅栏组织柱状排列。

四倍体；三倍体；二倍体；西瓜；种壳；解剖结构

三倍体无籽西瓜具有无籽、含糖量高、抗病性强和耐贮存等特性，近年来在我国越来越受消费者和种植者的欢迎。全国无籽西瓜面积从1990年的6 670 hm2发展到2008年的220万hm2以上[1~2]。由于无籽西瓜是由四倍体和二倍体杂交得到，三倍体种子形成相对困难，种皮厚、种量少，萌发率低导致的田间出苗率低和成苗率低，限制了无籽西瓜的生产。目前国内外有研究表明，种壳是制约三倍体西瓜种子发芽的主要物理因素之一。随着细胞内染色体加倍，其基因剂量显著增加，细胞内核质比发生变化，西瓜组织器官发生了相应的变化，比如叶片微形态[2]，花粉形态[4]等均随倍性增加产生了相应的变化。种壳在染色体加倍后也相应加厚。Grange等[5]研究表明种皮加厚，内种皮层和成熟胚与种皮之间的种腔可能是限制三倍体发芽的主要因素之一。张龑等[6]研究认为无籽西瓜种子种壳较厚，致使种子吸水和通气困难。但他们均没有进行不同染色体倍性西瓜之间种壳解剖结构的比较。

本研究通过制作石蜡切片，观察8组同基因型不同染色体倍性品种西瓜的二倍体、三倍体和四倍体的种壳解剖结构，比较不同倍性西瓜品种的种壳结构差异，为多倍体西瓜的育种和无籽西瓜种子处理提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选自中国农业科学院郑州果树研究所西瓜多倍体课题组培育的8个系列的同基因型不同倍性西瓜的二倍体、三倍体和四倍体种子。

1.2 试验方法

选取大小均匀一致的干燥西瓜种子，分为2组，一组不进行任何处理，另一组用55℃浸种12 h。然后取种壳中部，参照蒋希文等[7]的研究结果，用70%FAA固定液固定一个月，接着用软化剂（甘油∶70%酒精为1∶1）软化一个月，然后按照常规石蜡切片制作方法进行，酒精浓度梯度脱水，二甲苯透明，溶点65℃左右的石蜡包埋，轮转式切片机切片，切片厚度10 μm，二甲苯脱蜡，酒精复水，1%番红-0.1%固绿（均用95%酒精配制）对染，中性树胶封片。

切片制作以后，用LY-HPCCD成像系统观察照相，并进行测量统计，采用DPS7.05软件进行数据分析。

2 结果与分析

通过观察种壳的石蜡切片，参考前人研究结果[8~9]来识别种壳解剖结构及其组成部分（图1），可以观察到西瓜种壳主要分为以下几层细胞，即表皮，皮下组织和厚壁组织。表皮即为栅栏组织，由一层长柱状细胞组成；皮下组织由数层小细胞和几层大细胞组成，是种子坚固的保护层；厚壁组织由一层细胞组成，细胞较厚，为星状石细胞，也为种子坚固的保护层。

2.1 不同倍性西瓜干燥种子种壳解剖结构差异比较

从图1和表2中可以看出，不同倍性西瓜的干燥种壳解剖结构存在一定差异。三倍体和四倍体的种壳平均厚度分别为48.30 μm和44.39 μm，大于二倍体种壳厚度32.22 μm。不同倍性种壳中栅栏组织均呈层波状排列，三倍体和四倍体西瓜栅栏组织的平均厚度分别为22.57 μm和20.63 μm，大于二倍体西瓜栅栏组织的平均厚度15.54 μm。皮下组织作为种子的保护层，不同倍性之间也存在一定的差异，三倍体和四倍体西瓜种壳皮下组织的平均厚度分别为20.34 μm和19.52 μm，大于二倍体平均厚度13.15 μm。而且三倍体和四倍体西瓜种壳中皮下组织由数层小细胞和大细胞共同组成，并且由外到内，从小细胞向大细胞过渡，而在二倍体西瓜种壳中，小细胞层明显减少，从小细胞向大细胞过渡不明显。不同倍性西瓜种壳的厚壁组织均由一层星状石细胞组成，三倍体和四倍体西瓜厚壁组织的平均厚度为4.46 μm和4.22 μm，大于二倍体的平均厚度2.32 μm。8个组中三倍体西瓜品种和四倍体西瓜品种的种壳厚度及各组成部分的厚度均高于其相应的二倍体西瓜品种的厚度。表明随着染色体倍性的增加，种壳的解剖结构表现出一定的差异。

2.2 浸种12 h后不同倍性西瓜种子种壳解剖结构差异比较

从图1和表3可以看出，浸种12 h之后，不同倍性西瓜种壳的解剖结构存在一定的差异。浸种后，种壳及各细胞层的厚度都增大，三倍体和四倍体种壳的平均厚度分别为82.40 μm和73.58 μm，大于二倍体的平均厚度61.18 μm，栅栏组织呈柱状紧密排列，三倍体和四倍体西瓜栅栏组织的平均厚度为45.06 μm和 41.34 μm，大于二倍体的平均值29.74 μm。三倍体和四倍体西瓜皮下组织的平均厚度为31.76 μm和28.62 μm，大于二倍体的平均厚度24.36 μm，皮下组织中小细胞层清晰可见。三倍体和四倍体西瓜厚壁组织的平均厚度为7.50 μm和6.67 μm，大于二倍体西瓜厚壁组织的厚度5.66 μm。8个组中三倍体和四倍体西瓜种壳厚度均大于其相应二倍体。除了L5中二倍体和三倍体种壳栅栏组织的厚度大于其对应四倍体外，其余7个均为三倍体和四倍体种壳栅栏组织厚度大于相应二倍体。8个组中，除L1和L8外，三倍体和四倍体种壳厚壁组织的厚度均大于相应二倍体。

表1 不同倍性西瓜种壳材料

表2 不同倍性西瓜的干燥种壳及各细胞层厚度比较 μm

2.3 浸种前后不同倍性西瓜种子种壳解剖结构差异比较

从图1和表4可以看出，浸种前后不同倍性西瓜种壳的解剖结构发生了显著的变化。浸种后，种壳厚度变大，其各细胞层也有不同程度的增大；栅栏组织细胞由波状疏松排列，变成柱状紧密排列，其与种壳厚度的百分比发生变化，2x平均值从48.06%提高到48.57%，变化不明显，而3x与4x的平均值分别从46.60%和 46.28%增至 54.48%和55.35%，变化较明显。从一个侧面反映了三倍体与四倍体西瓜皮下组织和厚壁组织在温汤（55℃）浸种12 h后，虽然其绝对厚度有所增加，但所占比例却有所减低。浸种前后，8个组中除了L1以外，其他组中三倍体西瓜种壳栅栏组织的比例均有不同程度的增加，二倍体和四倍体西瓜种壳栅栏组织比例变化不规则。

表3 浸种12 h后不同倍性西瓜种壳及各部分厚度的比较 μm

图1 不同倍性西瓜解剖结构（100 X）

3 小结与讨论

种壳作为西瓜种子的重要组成部分，在周围环境不适宜的情况下，起到保护种胚的作用[10]，但在种子萌发过程中，却成为阻碍种子发芽的主要因素。尹华军等[11]研究认为，种子被迫休眠的程度与种皮的通透性有关。Wolfgang[12]研究认为，种皮对种子萌发的阻碍作用可能是由于种皮结构的物理特性造成，从而导致种子对外界的水分、气体等成分通透性的改变。本研究发现，随着染色体倍性的增加，种壳的解剖结构也发生一定的变化。随着染色体倍性的增加，种壳厚度及各细胞层的厚度均相应增加。特别是在皮下组织中，随着倍性的增加，小细胞层数增加，并且可以明显的观察到从小细胞向大细胞的过渡。同时，厚壁组织也随着倍性增加而变厚，皮下组织和厚壁组织都是种子坚固的保护层，在种子萌发过程中抑制种子萌发[5]。

浸种是多倍体西瓜种子催芽前非常重要的一步，可以清除种子附着物，杀死寄生病菌，利于种子萌发[4]。本研究通过比较浸种前后种壳解剖结构的变化，发现浸种以后种壳的解剖结构发生了一系列变化，种壳厚度及各部分厚度均增加，栅栏组织柱状排列。张龑等[6]研究认为，种子内源细胞壁酶的活性与种壳结构的变化，有一定的相关性。浸种使内源细胞壁酶活性增强，使细胞壁发生变化，使种壳及各部分厚度增加，细胞间隙增大，有利于气体的交换，从而使种子发芽。

研究同时发现，浸种虽然使皮下组织和厚壁组织的厚度增加，但其占种壳厚度的比例与干燥种壳相比却有所降低，这可能是由于浸种可以提高三倍体和四倍体种子的发芽率，但提高不明显的原因，必须在浸种的同时辅助其他手段（如人工磕种等）才能提高多倍体西瓜种子的发芽率[13~14]。

表4 浸种前后不同倍性西瓜栅栏组织所占比例比较 %

[1]刘文革.我国无籽西瓜科研和生产的现状与展望[J].中国瓜菜，2007（6）：57-59.

[2]Liu W G,Yan Z H,Zhao S J,et al.Triploid seedless watermelon production in China[J].Cucurbitaceae，2006.

[3]刘文革，阎志红，饶小莉.不同倍性西瓜的叶表皮微形态特征比较[J].果树学报，2005，22（1）：31-34

[4]刘文革，王鸣，阎志红.不同染色体倍性西瓜花粉形态观察比较[J].园艺学报，2003，（3）：328-330.

[5]Grange S,Leskovar D I.Seedcoat structure and oxygen-enhanced environments affect germination of triploid watermelon[J].J Amer Soc Hort Sci,2003,128(2):253-259.

[6]张龑，寇明明，孙小武.西瓜播种前种子处理概述 [J].中国瓜菜，2007（4）：29-31.

[7]蒋希文，张双铁，宋佳祥.植物制片学[M].北京：中国农业科学院研究生院生物技术教研室，1994.

[8]刘穆.种子植物形态解剖学导论（4版）[M].北京：科学技术出版社，2008.

[9]中国农业科学院郑州果树研究所，中国园艺学会西甜瓜专业委员会，中国园艺学会西甜瓜协会.中国西瓜甜瓜[M].北京：中国农业出版社，2000.

[10]Kelly K M,Staden J V,Bell W E.Seed coat structure and dormancy[J].Plant Growth Regulation,1992，11:201-209.

[11]尹华军，刘庆.种子休眠与萌发的分子生物学的研究进展[J].植物学通报，2004，21（2）：156-163.

[12]Wolfgang S.Dormancy characteristics and germination timing in two alpine garex species[J].Basic and Applied Ecology,2002,3(2):125-134.

[13]丁泳，骆冬梅.无籽西瓜发芽试验的研究[J].新疆农垦科技，2000（5）：12-13.

[14]刘文革，张莉，戴照义．浸种时间对三倍体西瓜种子萌发的影响[M]//园艺学进展（第四辑）.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2000：455-457.

Comparison of Seedcoat Structure Between Different Ploidy Watermelons

LIU Peng,LIU Wengge,ZHAO Shengjie,YAN Zhihong,HE Nan,LU Xuqiang
(Zhengzhou Fruit Research Institute,CAAS,Zhengzhou 45009)

This study employed paraffin section method to comprise seedcoat anatomic structure between different ploidy watermelon,including diploid，triploid,and tetraploid.The results showed that the seedcoat structure between different ploidy watermelons were different.The average thickness of the seedcoat and other layers of triploid and tetraploid watermelon were thicker than the diploid.The hypodermis was comprised of small cells layer and large cells layer in triploid and tetraploid watermelon,and the number of small cell layer was few in diploid watermelon.After seed soaking for 12 h in 55℃,the seedcoat and other layers became thicker in different ploidy watermelon,the palisade tissue arranged pragmatically.

Ploidy;Watermelon;Seedcoat;Anatomic structure

10.3865/j.issn.1001-3547.2010.08.007

国家科技支撑计划（2006BAD01A7-6-03），河南省重大科技攻关项目（072101110500），现代农业产业技术体系建设专项资金

刘鹏，男，在读硕士研究生，E-mail：liupeng007@yahoo.com.cn刘文革，通信作者，电话：0371-65330936，E-mail：lwgwm@163.com

2010-03-18