超干处理对柳枝稷种子活力及幼苗生长特性的影响

何学青， 沙亚·海拉提， 龙明秀， 梁玉生， 陶奇波， 呼天明

(西北农林科技大学动物科技学院， 陕西 杨凌 712100)

近些年来,由于世界人口的不断增长和工业化的加剧，引起了能源危机和一系列环境问题,例如全球变暖、大气污染等，所以，人们开始寻求清洁的生物质能源以取代化石燃料。生物质能源原料包括非粮能源植物、农业废弃物和城市废弃物等，非粮能源植物是当前的研究热点[1]。美国对具有生物能源特性的草本作物进行筛选后将焦点聚集在了柳枝稷上[2]。柳枝稷(PanicumvirgatumL.)属于禾本科(Gramineae)黍属(Panicum)，是一种原产于北美的暖季型C4植物，具有极强的适应性和遗传多样性[3-4]。由于柳枝稷富含纤维素，产量高，并且可以在贫瘠的地方生长，不会占用适于种植粮食的耕地，其利用不会对环境造成污染和破坏，符合作为有益生物燃料的条件[5]，美国能源部已将柳枝稷作为一种专一的能源模式作物[6]。由于柳枝稷主要靠种子繁殖后代，当柳枝稷作为一种能源作物大面积种植时，种子不足可能会成为柳枝稷大面积种植的限制因子[7]。5%的种子含水量和-4℃低温干燥条件作为国际上贮藏种质资源的理想条件[8]，但此贮藏方式耗能比较大，对于发展中国家是一个很大的负担。种子超干贮藏是由原国际植物遗传资源委员会(IBPGR)也就是现在的国际植物遗传资源研究所首次提出的[9]。所谓超干贮藏即采用超干燥方法将种子含水量降到较低程度后在常温条件下对其密封贮藏，以达到部分或全部取代低温库的目的[10]。

经过20多年的研究，在超干方法、超干种子材料、最适含水量的确定和超干作用机理等方面取得了一系列的研究进展[11]。超干贮藏研究对象主要是蔬菜、瓜果、豆类、谷物、药用植物和树木的种子，近几年来，有些学者也逐步开展了一些针对牧草如新麦草(Psathyrostachysjuncea)[12]、菊苣(Cichoriumintybus)[13]、柱花草(Stylosanthesguianensis)[14]、披碱草(Elymusdahuricus)[15]和山竹岩黄芪(Hedysarumfruticosum)[16]等种子的超干贮藏研究，结果表明超干贮藏技术适用于牧草种子的贮藏。大量研究表明，在采用超干贮藏技术对种子进行贮藏时，种子的最适含水量在不同温度下有所不同，同时也不是含水量越低就越有利于贮藏[17]。一般种子的含油量高其耐干性也较高，油质种子较淀粉种子更容易降低水分，大粒种子与小粒种子相比较而言更不易于干燥和保存[11,18]。淀粉含量高的种子比蛋白质含量高的种子更耐干燥，其安全临界水分也较低[19]。目前尚未发现一种适宜的方法用来测定不同类型种子的安全水分下限[20]。

目前对柳枝稷种子进行超干贮藏的研究还鲜有报道。本试验采用硅胶干燥的方法制备不同含水量的柳枝稷种子，研究不同程度超干处理对种子活力及幼苗生长前期状况的影响，以期为柳枝稷种子的超干贮藏提供基础的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试柳枝稷种子品种为‘Alamo’，采集于中国科学院宁夏回族自治区固原生态试验站，收获年份为2012年。种子风干清选后置于4℃冰箱中保存备用，根据牧草种子检验规程[21]测得种子的初始含水量为9%。

1.2 种子处理

1.2.1超干处理 在室温条件下采用硅胶干燥法对含水量为9%的柳枝稷种子进行超干处理，制备含水量分别为7%，5%，3%，2%和1%的种子。称取5份重量约1.845 g的柳枝稷种子将其置于双层纱布中并做标记，将标记好的样品放入盛有硅胶的干燥器内，25℃恒温条件下脱水干燥，定期对干燥器内的硅胶进行干燥冷却。逐日对干燥处理中的种子进行称重，待种子重量分别降至约为1.808，1.771，1.734，1.719和1.697 g左右时将纱布和种子从干燥器中取出，之后将不同含水量的柳枝稷种子置于铝箔袋密封备用。

1.2.2回湿处理 发芽试验前，采用回湿平衡水分法对种子进行回湿处理。依次放入由饱和NH4Cl 溶液以及水所形成的相对湿度环境的系列干燥器中，密封，分别在室温下平衡24 h。

1.2.3种子发芽 随机选取超干处理后的不同含水量的柳枝稷种子各150粒，每组设3个重复，每重复50粒，置于培养皿中。用未进行超干处理的种子(含水量9%)作对照。最后，将培养皿置于人工气候箱中，在温度为25℃(光照8 h，黑暗16 h)，相对湿度(RH)为80%条件下培养。每天向培养皿中加适量的蒸馏水以满足种子萌发的正常生长，并逐日统计发芽种子数。当种子“露白”时则视为发芽，发芽持续14 d，在发芽试验末期统计正常幼苗种子数、不正常幼苗种子数、休眠种子数和死种子数。

1.3 指标测定

1.3.1发芽指标的测定 根据如下公式计算发芽相关的指标：

活力指数(VI)=发芽率(%)×幼苗鲜重(g)。

1.3.2种子浸出液电导率的测定 随机选取含水量分别为9%，7%，5%，3%，2%，1%的柳枝稷种子各150粒，设置3个重复，每个重复50粒，并用分析天平测定每50粒种子的重量(g)，精确度至0.01 g。称重后的种子分别装入150 mL的三角瓶中，加入100 mL蒸馏水，充分摇荡使种子沉入瓶底，用保鲜膜封住瓶口，并标记。以仅盛100 mL蒸馏水的三角瓶作为空白对照。将种子瓶及对照置于25℃的黑暗条件下，24 h后取出，在25℃条件下，用DDS-11C型数字式电导率仪测定浸种液的电导率。按下式计算各种样的电导率。

电导率(μs·cm-1·g-1)=

1.3.3幼苗生长指标的测定 发芽末期从每个培养皿中随机选取10株幼苗，用叶面积分析仪(Yaxin 1240)测定幼苗叶面积的大小和苗长，用直尺测定幼苗根长，用电子天平对幼苗的干重及鲜重进行称量。

1.4 数据分析

所有数据均用Microsoft Excel 2003 录入并作图，采用SPSS 19.0软件对数据进行One-way ANOVA 进行单因素方差分析，采用Duncan’s 法对平均值进行多重比较并对各指标做Person相关分析。

2 结果与分析

2.1 超干处理对柳枝稷种子活力的影响

2.1.1超干处理对柳枝稷种子发芽的影响 由图1可知，超干处理组柳枝稷种子的发芽势与对照的发芽势之间没有显著差异，且在超干处理组间柳枝稷种子的发芽势差异均不显著，但含水量为3%的

柳枝稷种子的发芽势最高。超干处理后的柳枝稷种子发芽率与对照之间的差异不显著，但在超干处理组中含水量为3%和2%的柳枝稷种子发芽率差异显著。由表1可知，超干处理后种子萌发的正常幼苗数和异常幼苗数，均与对照处理无显著差异。超干处理后休眠种子数和死种子数均较对照有所增加。

图1 超干处理对柳枝稷种子发芽势和发芽率的影响Fig.1 Effect of ultra-dry treatment on germinationpotential and germination rate of switchgrass注：图中不同小写字母表示不同含水量间差异显著(P<0.05)，下同Note: different lowercase letters indicatesignificant difference between moisturecontent at the 0.05 level, the same as below

表1 超干处理对柳枝稷种子最终萌发的影响Table 1 Effect of ultra-dry treatment on the final germination of switchgrass

含水量Moisture content/%正常幼苗Normal seedling/%异常幼苗Abnormal seedling/%休眠种子Dormant seed/%死种子Dead seed/%9 90.00±1.00ab4.00±0.00a5.34±0.58b0.66±0.058c7 89.94±2.52ab2.66±0.58a 6.00±1.00ab2.00±1.00b5 86.66±1.16ab2.66±0.58a8.66±0.58a2.00±1.00b3 85.00±1.00b3.72±0.58a8.00±1.00a3.34±0.58ab283.27±3.10b4.66±0.58a6.66±0.58ab5.34±2.52a1 88.66±0.58ab4.00±1.00a6.00±1.00ab1.34±0.58b

注：表内数据为平均值±标准差,同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

Note: means±standard deviation, different lowercase letters indicate significant difference between moisture content at the 0.05 level, the same as below

2.1.2超干处理对柳枝稷种子活力指数与发芽指数的影响 由图2可知，除含水量为1%的柳枝稷种子活力指数与对照之间差异显著(P<0.05)之外，其他超干处理组与对照无显著差异。而且在超干处理组中含水量为7%，5%，3%，2%的柳枝稷种子活力指数与含水量1%的柳枝稷种子相比较差异显著(P<0.05)。超干处理组中含水量为1%的柳枝稷种子的发芽指数与对照之间差异显著(P<0.05)且与超干处理组中含水量为7%，5%，3%，2%的柳枝稷种子的发芽指数差异显著(P<0.05)。以上结果表明，超干处理后含水量为1%的柳枝稷种子活力指数和发芽指数与对照相比均较低，并且在活力指数和发芽指数这两个指标上与对照差异显著(P<0.05)。因此，含水量降低到1%时柳枝稷种子活力降低。

图2 超干处理对柳枝稷种子活力指数与发芽指数的影响Fig.2 Effect of ultra-dry treatmenton vigor index and germination indexof switchgrass

2.1.3超干处理对种子浸出液相对电导率的影响 由图3可知，超干处理后柳枝稷种子浸出液的电导率与对照电导率差异不显著，但在超干处理组中，含水量为2%和1%的柳枝稷种子浸出液相对电导率之间存在显著差异(P<0.05)。以上结果表明，超干处理后柳枝稷种子的外渗电解质与对照种子的外渗电解质差距不大，即超干处理没有对柳枝稷的细胞膜系统造成损伤，表明柳枝稷种子具有较强的耐干性。

图3 超干处理对柳枝稷种子浸出液相对电导率的影响Fig.3 Effect of ultra-dry treatment on relativeelectrical conductivity of switchgrass

2.2 超干处理对柳枝稷幼苗生长的影响

2.2.1超干处理对柳枝稷幼苗根长、苗长及叶面积的影响 由图4可知，随着超干处理程度的不断加深，幼苗苗长呈增加趋势，且含水量为1%的柳枝稷种子的幼苗与对照之间差异显著。超干处理后幼苗的根长与对照之间无显著差异。种子含水量从5%降低到1%时，幼苗根长逐渐增长，含水量为1%的柳枝稷幼苗根长达到最大值。超干处理组含水量为3%和1%的柳枝稷幼苗叶面积与对照之间的差异显著(P<0.05)，且超干处理组的叶面积值均高于对照。以上结果表明，超干处理影响了幼苗的生长，且叶面积和苗长大致呈增大趋势。

图4 超干处理对柳枝稷幼苗生长的影响Fig.4 Effect of ultra-dry treatment on seedlinggrowth of switchgrass

2.2.2超干处理对柳枝稷幼苗鲜重及干重的影响 由图5可知，超干处理组幼苗鲜重及干重与对照差异均不显著。由此可知，超干处理对于幼苗鲜重和幼苗总干物质积累影响不大。

图5 超干处理对柳枝稷幼苗鲜重和干重的影响Fig.5 Effect of ultra-dry treatment onfresh weight and dry weight ofswitchgrass seedlings

2.3 柳枝稷种子活力各指标之间的相关性分析

由表2可知，柳枝稷种子的含水量与发芽指数、活力指数呈一定的正相关性且与活力指数的相关性极显著。因此，含水量与种子活力相关性较大。但含水量和幼苗苗长、叶面积有极显著的负相关性且与叶面积之间的相关性稍大于苗长，这表明种子含水量与幼苗生长密切相关。发芽率、发芽势、发芽指数及活力指数与相对电导率均无显著相关性，故对于柳枝稷种子而言，相对电导率值不能真实的反映超干处理后种子活力的大小。鲜重与发芽指数与活力指数之间的相关性显著，叶面积与发芽指数和活力指数之间具有显著负相关性，所以，种子活力会影响幼苗鲜重和叶面积。

表2 柳枝稷种子活力与部分测定指标之间的相关性分析Table 2 Correlations analysis between some indicators of switchgrass and seed vigor

注：MC：Moisture content；GR：Germination rate；GP：Germination potential；GI：Germination index；VI：Vigor index； REC：Relative electrical conductivity；RL：Root length； LA：Leaf area；DW：Dry weight；FW：Fresh weight；RSR：Root/shoot ratio；LF：Leaf length；*表示在0.05 水平上显著相关，**表示在0.01 水平上显著相关

Note: * indicate significant correlation at the 0.05 level; ** indicate significant correlation at the 0.01 level

3 讨论

在种质资源的贮藏过程中，贮藏温度和种子含水量是决定种子贮藏效果的两个关键因素。有一些正常型种类的种子能进一步脱水到1%～5%而不对其造成伤害[22]。柳枝稷种子自然成熟状态下含水量在9%左右，经超干处理降低到2%时其活力并未发生显著变化。由此可知，柳枝稷种子属于正常型种子，其耐干性比较好且种子成熟时的含水量已经较为适宜它的贮藏。原因可能是柳枝稷能够适应较为恶劣的生长环境，自身耐旱性强，为保证种子的正常萌发和寿命延长而进行的自然选择。

种子内的水分按状态主要分为3类，分别为自由水、束缚水和中间过度型水，超干处理主要是降低种子内的自由水[23]。因为束缚水与多糖和蛋白质大分子的结合比较紧密，种子一旦失去较多束缚水就会造成大分子结构的损伤从而破坏种子内部结构，最终导致种子活力下降[11]。试验结果表明柳枝稷种子含水量从9%脱水至2%的过程中种子活力差异不大，但是，当水分降至1%时，种子活力显著降低。因为柳枝稷种子属于淀粉类种子，含有大量的多糖，当含水量降至1%时可能由于束缚水失去的比例过大而导致种子活力急剧降低。这从某种程度上也证实了超干处理会提高种子活力，但并不是含水量降得越低种子活力就越高，在相同温度下对超干种子贮藏时存在一个适宜贮藏含水量范围[24]。该试验中关于超干处理对柳枝稷活力影响的结果与徐炜等[15]对披碱草种子常温超干贮藏的结果不一致，而柳枝稷与披碱草均属于禾本科植物，它们的种子富含淀粉，这也证实了淀粉类种子的耐干性在种间差异大[11]。

根长、苗长、根冠比、鲜重和叶面积是研究柳枝稷幼苗生长常用的指标，反映了柳枝稷幼苗生长的好坏和幼苗健壮的潜能[25]。本试验中不同超干处理与对照所测得的以上指标之间无显著差异，所以，超干处理对幼苗的生长没有显著影响。但叶面积随着种子含水量的降低有增加趋势，并且幼苗的根长在种子脱水至5%时与含水量为2%和1%的幼苗根长差异显著，但超干处理后幼苗的干重与鲜重较对照并无显著差异。相关性分析显示幼苗鲜重与发芽指数相关性显著且与活力指数的相关性极显著，所以，鲜重在某种程度上可以反映种子活力的大小。由于超干处理对种子而言就是一种脱水胁迫，能诱导种子内部渗透调节物质的积累和抗氧化酶含量增高等生理生化变化[26]，叶面积增大与根增长可能是植物对种子失水的一种补偿作用以确保超干种子出苗后的正常生长。

细胞膜系统的完整性是保证种子活力的重要因素之一，多数研究表明种子浸出液的电导率与种子活力显著相关[27]，因为细胞膜的完整性受到损伤后会导致膜透性增大，从而导致较多的电解质渗漏到周围溶液中[28]。所以，通过测定种子浸出液的电导率可以推断出细胞膜的完整程度。而本研究结果表明相对电导率与种子活力之间的相关性不显著，与菜豆(PhaseolusvulgarisL.)[27]和斧翅沙芥(PugioniumdolabratumMaxim)[22]种子超干贮藏的研究结果相似。因此，电导率不能够作为衡量柳枝稷种子活力大小的指标。

综上所述，当柳枝稷种子含水量降到1%时，种子活力指数与发芽指数较对照显著下降，表明种子含水量降到1%时对种子萌发有一定的抑制作用。因此，柳枝稷种子贮藏时的安全水分下限为2%。将柳枝稷种子超干处理含水量降低为2%～7%时，柳枝稷种子仍然保持较高活力，且超干贮藏不会对幼苗前期生长造成不利影响。但超干处理后的柳枝稷种子活力较对照而言并没有显著提高，说明在自然状态下柳枝稷种子含水量已经比较适于保存。目前而言，如果有对柳枝稷种子进行超干贮藏的必要，可考虑将柳枝稷种子含水量降到3%进行贮藏。因为，此时种子的发芽率、发芽势、发芽指数在超干处理组和对照之中均取得最大值，而且活力指数也较高。由于本试验持续时间较短，并不能说明自然状态下成熟的柳枝稷种子适宜在常温下长期保存，所以，有关柳枝稷种子超干贮藏方面的研究还有待进一步探索。

4 结论

柳枝稷种子属于正常型种子，具有极强的耐干性；柳枝稷种子含水量降为3%时，种子活力达到最大，超干处理后的安全水分下限是2%；适当的超干处理未能使柳枝稷种子保持较高活力且不会对幼苗前期的干物质积累造成显著影响；柳枝稷种子浸出液的电导率不能反映其种子活力的大小。