塔里木荒漠豆科植物种子休眠原因与破除方法研究

杜小芳， 韩 路， 王海珍

（塔里木大学植物科学学院， 新疆 阿拉尔843300）

甘 草 （Glycyrrhiza inflata Batal.）、苦 豆 子（Sophora alopecuroides L.）和 苦 马 豆 （Swainsonia salsula Taub.）均属豆科多年生草本植物，广泛分布于新疆塔里木干旱荒漠区，耐干旱、耐瘠薄、根系比较发达，抗盐碱性强，适应性广，是理想的防风固沙和水土保持植物；营养丰富，茎叶可作饲料和绿肥。除此之外，它们还被广泛应用于医药、食品和日用化工及农药生产领域［1－4］，具有重要的生态与经济价值。但目前这些乡土植物在荒漠植被恢复中潜在的价值还末受到重视，对这些植物的生物生态学及种苗学特性缺乏了解是限制这些植物得以开发利用的原因之一。

种子休眠在植物中普遍存在，是植物适应逆境和保护物种延续的一种策略，但在生产和科研中经常需要破除休眠。已有研究表明，苦马豆和苦豆子种子硬实率极高（＞92%），未加处理的甘草种子发芽率低于20%［2－4］。因此，研究生产中如何破除硬实、打破休眠，具有重要的理论和现实意义。近年来，国内外对种子休眠机制、休眠解除方法及其机理已有大量研究，破除休眠方法主要有物理法、化学法和综合法［2，4－6］。但由于不同方法破除种子休眠的效果因物种与具体措施不同而异，若处理方法不当（如时间过长或浓度、温度过高等）则有可能引起种子死亡或不正常苗增多［7］。因此，对种子进行大批量处理前，必须探寻合适的处理方法和条件。当前，新疆南部土地荒漠化加剧，植被破坏、过度放牧和生态演替，导致豆科野生资源量急剧下降，严重制约区域植被恢复与饲料、药用价值的开发，迫切需要建立规模化人工栽培技术［8］。因此，快速有效地破除荒漠豆科种子休眠是解决区域植被恢复与产业化等问题的关键。本试验以荒漠豆科植物甘草、苦豆子和苦马豆种子为试验材料，分析不同物理和化学方法处理后的发芽效果，探讨荒漠豆科植物种子休眠原因与破除休眠的最佳方法，为大规模人工种植栽培、区域植被恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

甘草、苦豆子、苦马豆种子于2011年10月采集于塔里木河两岸，室内风干后揉搓过筛除去杂质、烂粒、虫蚀粒；而后用液体比重法［9］精选出健康饱满的种子，室温下晾干贮藏备用。实验前先用0.4%高锰酸钾溶液浸泡种子、消毒15min，清水漂洗5～8次后晾干，选取健康饱满、均匀一致的种子做发芽试验。

1.2 种子处理方法

1.2.1 物理法处理

热水处理：3种豆科植物种子置于100mL烧杯中，分别加入60，80，95℃的热水，置于恒温水浴锅分别加热1，5，10，15min，取出冷却至室温。变温处理：加入60℃热水浸泡6h，再置于95℃沸水2～3s，捞出冷水冰激，再置于60℃热水浸泡2h，冷却至室温。破损种皮处理：采用小剪刀将种皮剪一小孔和研钵中用砂粒进行研磨至种皮出现破损2种处理方法。

1.2.2 化学法处理

硫酸 浓 度 为 30%、50%、70%、80%、90%、98%，浸泡时间为10，30，50，70，90min；赤霉素浓度为0.5，2，3.5，5mg／L，分别浸泡24h与48h；95%乙醇和30%过氧化氢分别浸泡10，30，50min；氢氧化钠浓度为40%、50%，分别浸泡30，60，90min。所有处理后的种子均用清水冲洗干净后置床发芽。

1.3 发芽试验

采用纸上发芽法，将物理法与化学法处理后的种子至于已编好号的培养皿中（纸床），每皿50粒，置于光照培养箱中发芽，各处理均重复3次。培养条件：温度25℃，8h光照，16h黑暗，湿度80%；发芽期间适时补水以保持发芽床湿润，种子萌发以胚根突破种皮、肉眼可见为标准，逐日统计各处理的发芽种子数，发芽时间为8d，计算发芽率。

1.4 数据处理

所有数据均用Microsoft Excel录入并作图，利用SAS 6.12软件进行统计分析，将数据进行反正弦转换之后进行方差分析，DUNCAN法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 荒漠豆科植物种子休眠原因

由图1可见，3种荒漠豆科植物种子在25℃条件下的发芽率普遍较低且硬实率较高，其中苦豆子种子发芽率最高（9.33%），苦马豆最低（1.33%），胀果甘草发芽率居中（5.33%）。采用剥除外种皮处理，3种豆科种子的发芽率分别为100%、100%和99%，三者无显著差异（p＞0.05），但均与未任何处理的完整种子发芽率达极显著差异（p＜0.01），说明荒漠豆科植物种子均存在着严重的硬实现象，而外种皮（种壳）的通透性差是导致种子休眠的主要原因。因此提高种子发芽的关键因素是破除种皮障碍、打破休眠。

图1 25℃下供试种子的发芽率

图2 物理处理方法对种子萌发的影响

2.2 不同物理处理方法对豆科植物种子萌发的影响

发芽率是反映种子质量的重要指标。由图2可见，剪破外种皮和砂磨种皮处理均能打破种皮限制、增加通透性而显著提高种子发芽率，且培养3～4d均有60%以上的种子发芽，2处理间无显著差异（除砂磨甘草种子）。这可能是甘草种皮较厚硬，部分种皮没有完全破损而不能正常萌发所致。变温处理对打破种子硬实效果较差，发芽率均较低；但苦豆子种子在变温处理下发芽率（40%）明显高于其它2种豆科种子，这可能与苦豆子种皮较薄或对冷热骤变敏感。可见，破除种皮限制是打破休眠、提高种子发芽率的有效方法。

由图3可知，3种豆科植物种子发芽率总体随水温增加和浸泡时间延长而提高，但甘草与苦豆子种子对各种温度处理均不敏感，发芽率均低于15%；而苦豆子种子发芽率在60℃热水浸泡处理下低于10%，随水温增加发芽率明显提高，80，95℃热水处理下分别提高至43%、58%，但不同浸泡时间发芽率无显著差异（p＞0.05）。

2.3 硫酸处理对豆科植物种子萌发的影响

由图4可知，荒漠豆科植物种子发芽率随硫酸浓度增加和处理时间延长而提高，但低浓度硫酸（30%～70%）酸蚀不同时间（10～90min）条件下发芽率均低于21%，且处理时间与处理间均无显著差异（p＞0.05）。80%硫酸处理下3种豆科植物反应不一致，甘草、苦马豆、苦豆子种子分别于处理70～90min、50～90min、90min时发芽率达到100%，＜30min效果较差。90%、98%硫酸于处理时间＞10min条件下，3种豆科植物种子发芽率均＞93%，且不同处理时间（30～90min）发芽率无显著差异（p＞0.05）。综合来看，90%与98%硫酸于处理时间30～50min为最佳。

图3 热水处理方法对种子萌发的影响

图4 硫酸处理对豆科植物种子萌发的影响

图5 化学法处理对豆科植物种子萌发的影响

表1 不同浓度赤霉素对3种豆科植物种子萌发的影响

2.4 赤霉素对3种豆科植物种子萌发的影响

由表1可知，不同浓度赤霉素分别浸泡3种豆科植物种子24，48h后，种子发芽均较低（最高达28%，最低为1%），但物种间存在差别，甘草与苦马豆种子在不同浓度赤霉素处理24，48h，发芽率明显低于苦豆子，各处理发芽率均＜10%，且不同浓度、相同处理时间下均无显著差异（p＞0.05）。不同浓度赤霉素能解除苦豆子种子休眠，但效果不显著，最佳处理（0.5 mg／L，48h）的发芽率仅为28%。

2.5 过氧化氢、乙醇、氢氧化钠对3种豆科植物种子萌发的影响

由图5可见，3种豆科植物种子发芽率在30%过氧化氢、95%乙醇和40%、50%氢氧化钠处理下均低于25%，苦马豆发芽率最低（仅为5%），苦豆子发芽率最高，是甘草、苦马豆的3倍以上。不同浸泡时间对解除种皮限制、打破休眠无显著差异，3种化学试剂效果基本一致。

3 讨 论

种子休眠是植物适应生态环境和气候变化以保持自身繁殖发展而形成的生物特性，也是调节萌发的最佳时间和空间分布的有效方法。因此，农业生产上首先要判断种子是否具有休眠习性，其次是休眠原因。通常种子休眠原因大致分两大类：一是内源性休眠，一般用低温层积、变温处理、干燥、激素处理等方法可解除；二是外源性休眠，用物理、化学方法破坏种皮或去除种壳即可解除［5－6，10］。本研究测定3种豆科植物种子发芽率均低于10%，显然荒漠豆科植物种子具有休眠习性；通过物理、化学方法破损种皮证明其休眠原因与胚、胚乳无关，而与种皮结构密切相关，即种皮透性差是导致种子休眠的重要原因。

物理性种子休眠普遍存在于豆科植物，常给种苗繁育和植被恢复带来诸多困难，因而生产上研究破除种子休眠的有效方法显得非常必要。针对荒漠豆科植物种子种皮障碍问题，可利用一些处理方法来改善种皮通透性，促进水气交换，提高种子内代谢物质活性，促进种子萌发。据文献报道，结构休眠可利用割伤、磨破或部分切除等解除休眠，或用强酸（H2SO4）、氧化剂（H2O2）、赤霉素等处理，其中最常用的方法为机械摩擦和浓H2SO4处理［2－6，11－13］。3种荒漠豆科植物种子发芽率随H2SO4浓度和处理时间延长而增长，但浓度与处理时间对破除种子休眠效果明显不同。＜80%H2SO4处理下，豆科植物种子发芽率低于20%，80%～98%H2SO4和酸蚀时间≤10min的效果较差，处理30～90min的效果较好，其中以90%和98%H2SO4处理效果最佳，种子发芽率超过93%以上。尽管浓硫酸可在短时间内使种皮变薄，破坏种皮外层致密组织并消除珠孔等部位的堵塞物，增强种皮透性并减弱机械障碍［2，14］，显著提高种子发芽率，但由于浓硫酸具强腐蚀性，处理时间过长可能对种胚造成伤害，增加种子腐烂数量。王进报道，H2SO4处理90min后苦豆子种子发芽率显著降低且致死种子数明显升高［4］。对3种荒漠豆科植物种子而言，90%和98%H2SO4酸蚀时间分别为50，30min为最佳，这与 孙 群 等［15］、王 秀 英 等［11］、王 进等［4］及 胡 小 文等［12］的研究结果相似。这表明用H2SO4处理硬实种子时所选用的时间和浓度应使种子外种皮损伤而不伤及胚和中、内种皮为最好［4］。此外，荒漠豆科硬实种子遭遇酸、碱、盐、激素、冷、热环境都可促使种子陆续萌发，这有利于其在全球气候变化背景下的不确定降水环境中的物种延续。

相比硫酸处理，热水处理是一种更为经济、环保的种子处理手段。实验发现，荒漠豆科种子发芽率总体随热水温度升高和浸泡时间延长而提高，不同温度热水处理均有一定破除种子休眠效果且因物种不同而差异明显，甘草和苦马豆种子发芽率＜10%，苦豆子＞35%。苦豆子种子以95℃、15min处理效果最好，发芽率达64%，这与胡小文等［15］报道80℃、10min处理效果最好并不一致。60℃处理效果最差，发芽率均＜8%，但在一定时间范围内，较长时间处理相比短时间处理其休眠破除效果均得到了提高，但物种间表现并不一致。因此，对不同物种种子进行大批量处理前，必须探寻合适的处理方法和条件。

许多研究表明，机械损伤种皮是处理硬实种子最有效的方法［2－4］。实验采用剪破种皮和砂磨处理对打破3种荒漠豆科植物种子休眠效果非常显著，种子发芽率均超过95%。此法与浓硫酸处理相比，操作简单易行且不污染环境，尤其利用小型种子摩擦机或电动磨米机去除种皮（以破皮而不伤种仁为好）是值得推广的高效方法。此外砂磨或砂纸擦伤种皮处理虽然可以打破种子休眠，但擦伤的技术指标难以统一，从而使其发芽率受到一定影响，因而大规模生产应用还需要进一步研究。

赤霉素、过氧化氢、乙醇、氢氧化钠对破除荒漠豆科植物种子休眠均有一定效果，但种子发芽率均＜30%。实验发现，赤霉素处理对打破甘草、苦马豆种子休眠几乎没有影响，这可能与2者种壳较厚，溶液没有充分渗透到种子内有关。但其能提高苦豆子发芽率，这与刘红玲等［13］的研究结果一致。此外，赤霉素浸种时间的长短对供试种子休眠解除的影响不大。过氧化氢、乙醇、氢氧化钠处理荒漠豆科植物种子后，发芽率均有一定程度提高，尤其对苦豆子的效果明显优于其它种子，但效果并不理想，这一结果与司马义·巴拉提等［3］报道的结果一致。但郑金辉等［16］报道氢氧化钠能够有效地解除紫椴种子的休眠，提高发芽率，这与物种种子特性及休眠机理不同有关。可见，这些化学药剂不宜在生产上应用来破除荒漠豆科植物种子休眠。

4 结 论

1）塔里木3种荒漠豆科植物种子具有休眠习性，属典型的物理性种壳休眠。

2）热水、赤霉素、过氧化氢、乙醇、氢氧化钠等对破除荒漠豆科植物种子休眠均有一定效果，但效果不佳。

3）浓硫酸处理是打破豆科植物种子休眠的有效方法，80%以上浓度的H2SO4处理效果较好。对于荒漠豆科植物种子而言，90%和98%H2SO4处理时间分别为50，30min为最佳，种子发芽率超过98%。生产上应用注意针对不同物种选择合适的处理时间且及时清水冲洗干净。

4）机械破损种皮（剪破种皮和砂磨）能有效打破种子休眠、显著提高发芽率，但应用时注意不能伤到胚乳。生产上可利用小型种子摩擦机或电动磨米机破损种皮，是值得推广的高效方法。

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