白刺花硬实种子的休眠机制及休眠解除

吴丽芳 魏晓梅 陆伟东 张越

摘要：【目的】探索白刺花硬實种子的休眠机制及解除休眠方法，为改进植物硬实种子播种育苗技术提供参考依据。【方法】开展白刺花种子种皮的吸水性、种胚活力及种胚萌发特性试验，分析其种皮和种胚对休眠的影响；测定其种子内源抑制物活性，利用酸腐、碱腐、激素、沸水和机械处理等方法进行破眠，筛选适宜解除白刺花种子休眠的最佳方法。【结果】白刺花种子剥除种皮后2 d即可充分吸胀，而完整种子吸水5 d后才达到饱和；白刺花种胚活力为73.5%，具有相对高的发芽潜力；剥离种皮的种胚发芽率最高，为72.99%，显著高于完整种子和仅具胚的种子（P<005）；白刺花胚乳和胚中均含有抑制种子萌发的物质，其中50.0%胚乳浸提液可使小白菜种子萌发率降至75.85%；划破种皮破眠法可使白刺花种子发芽率达72.42%，其次是98%浓硫酸+300.0 mg/L GA3浸泡12 h处理（发芽率为57.42%）。【结论】白刺花种皮的透水和透气性、胚乳及胚中所含的抑制物是影响白刺花种子休眠的主要因素。机械划破种皮、用98%浓硫酸（酸腐）+300.0 mg/L GA3浸泡12 h处理（激素浸泡）软化种皮能有效解除白刺花种子休眠，提高其萌发率，可在植物硬实种子播种育苗中推广应用。

关键词： 白刺花；硬实种子；休眠机制；解除休眠

中图分类号： S793.9 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）05-0944-06

Abstract：【Objective】In order to provide reference for the improvement of sowing and seedling technology， Sophora davidii seeds were used as materials to explore their dormancy mechanism and dormancy release methods. 【Method】Water absorption of seed coat， embryo activity and embryo germination characteristics were tested to analyze the effects of seed coat and seed embryo on dormancy. The bioassay method was used to determine the activity of seed endogenous inhibitors. Dormancy breaking methods such as acid corrosion，alkali corrosion， hormone， boiling water and mechanical treatment were used to screen the best dormancy breaking methods. 【Result】After being removed the seed coat， S. davidii seeds were in complete imbibition within 2 d， while intact seeds reached saturation in 5 d. S. davidii seeds had a relatively high germination potential， with its embryo vitality of 73.5%. The germination rate of embryo with removed seed coat was the highest（72.99%）， which was significantly higher than that of intact seeds and seeds only with embryos（P<0.05）. Endosperm and embryo of S. davidii contained components that inhibited seed germination. Among which， 50% concentration of endosperm extracts could reduce the germination rate of cabbage germination rate to 75.85%. When cutting seed coat to break dormancy，the germination rate of S. davidii reached 72.42%； the second optimal method was 98% concentrated sulfuric acid+300.0 mg/L GA3 immersing for 12 h， and the germination rate was 57.41%. 【Conclusion】The water and air permeability of seed coat of S. davidii seeds and endogenous inhibitor of endosperm and embryo are the main factors affecting dormancy of S.davidii. The dormancy breaking methods such as cutting skin coat by machine， 98% concentrated sulfuric acid（corrosion with acid）+300.0 mg/L GA3（hormone immersion） soaking for 12 h can release dormancy effi-ciently and improve seed germination rate， which can be applied in the hard seed seedling.

Key words： Sophora davidii； hard seed； dormancy mechanism； dormancy breaking

0 引言

【研究意义】白刺花（Sophora davidii）又名马蹄刺、狼牙刺或苦刺，为豆科槐属落叶灌木，主要分布于华北及陕西、甘肃、河南、江苏、浙江、湖北、湖南、广西、四川、贵州、云南和西藏等，在云南主产于昆明、玉溪、曲靖、红河、楚雄、大理、丽江和迪庆等地（陈强等，2003）。白刺花可作为岩溶地区水土保持的先锋树种和蜜源植物，在园林绿化中可作绿篱，在大田生产上可作蔬菜和饲料等，其花、根、叶和种子入药具有清热利咽、消热解暑和凉血消肿等作用（毛晓健等，2009）。但其种子外表覆盖蜡质，硬实度高（吴丽芳等，2014），种子的有性传播受到限制，不利于白刺花的开发利用。因此，探索白刺花硬实种子的休眠机制及解除休眠方法，对改进硬实种子植物的播种育苗技术具有重要意义。【前人研究进展】国内外对硬实种子的处理及休眠特性已开展了基础性研究。王金龙（1999）研究发现，大豆种子坚硬的种皮有利于其长期保持较强活力。徐本美等（2005）研究认为，硬实种子活力高于非硬实种子。种子的硬实特性在自然界中普遍存在，尤其在豆科植物中最常见，禾本科的水稻、玉米和小麦也存在种子硬实特性（杨期和等，2006；石瑜敏等，2010）。种子的硬实特性使种子具有强迫休眠过程，需通过物理、化学和生物方法处理才能解除休眠，其中，化学方法常用强酸腐蚀、强碱腐蚀和激素浸泡等进行处理，生物方法主要采用动物过腹胃肠消化软化种皮（Otani and Shibata，2000）；物理方法常选用高温、低温和机械处理（Tieu et al.，2001；Baskin et al.，2004；Uzun and Aydin，2004）。阮锐（2009）研究表明，以浓硫酸浸泡30 min和砂布摩擦可打破白刺花种子休眠。李兴美等（2010）采用浓硫酸浸泡白刺花种子25 min可使其发芽率达66.6%。赵丽丽等（2011）利用98%浓硫酸处理白刺花种子30～40 min，能使其发芽率提高至92.30%，而沸水和氢氧化钠处理对其破眠不起任何作用。常青山等（2016）利用温水浸泡苘麻种子后再用GA3处理可有效打破其休眠。郭丽萍等（2016）利用300.0 mg/L GA3浸泡凤丹种子能有效提高其萌发率。【本研究切入点】目前，关于提高白刺花种子萌发率的研究多采用单一方法，采用多种复合处理方法探讨休眠机制及解除休眠方法的研究鮮见报道。【拟解决的关键问题】通过分析白刺花种皮的透水性和种胚的休眠特性、测定白刺花种子内源抑制物活性，探讨白刺花种子的休眠机制及采用复合方法打破其休眠，以期为深入研究硬实种子萌发特性及改进硬实种子播种育苗技术提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

于2014年12月在曲靖师范学院校园内采集白刺花种子，挑选无破损、无蛀虫和饱满的种子作为试验材料。用于生物测定的普通小白菜种子购自曲靖市种子公司。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 白刺花种子种皮透水性试验 于2016年4月5日取白刺花种子进行如下处理：T1，完整种子（对照）；T2，浓硫酸腐蚀（酸腐30 min，清水冲洗干净）；T3，剥去种皮。每处理300粒种子，分别经T1、T2和T3处理后清水浸泡24 h，吸水纸吸干种子表面水分，天平称重，之后每隔6 h称重1次，直至恒重，最后计算种子吸水率，分析种皮的透水性。

种子吸水率（%）=（浸种后种子重量-浸种前种子重量）/浸种前种子重量×100

1. 2. 2 白刺花种胚活力测定 采用氯化三苯四氮唑（TTC）法测定种胚活力。将白刺花种子浸泡24 h，剥离种皮露出种胚后进行染色，恒温箱中保温2 h，统计具有活力种子的百分比，分析种胚活力。

种胚活力（%）=有活力的种子数/测定种子总数×100

1. 2. 3 白刺花胚萌发特性测定 将白刺花种子用蒸馏水浸泡48 h，在洁净工作台上用70%酒精浸泡30 s，0.1% HgCl2消毒12 min，无菌水冲洗4～6次后，分离出如下种子：Ta，完整种子；Tb，仅剥离种皮的种子；Tc，仅有胚的种子。将分离出的种子分别接种于不添加任何激素的MS+3.0%蔗糖+0.7%琼脂培养基上，调节pH 5.8，置于光照培养箱中25 ℃恒温暗培养20 d，观测种子的发芽率、植株高度和根长，每处理接种种子100粒。株高测定：从发芽的种子中随机选取10粒测量高度求平均值；根长测定：从发芽的种子中随机选取10粒测量主根长度求平均值。

发芽率（%）=萌发种子数/接种种子数×100

1. 2. 4 白刺花种子内源抑制物活性测定 将白刺花种子清水浸泡48 h后，分别选100粒种子剥离种皮和胚乳，恒温干燥箱中40 ℃烘干并粉碎，加入50 mL蒸馏水提取浸提液，浓缩至20.0%和50.0%。参照丁言（2015）的方法，用提取的白刺花种子浸提液在培养皿中进行小白菜种子萌发试验，以蒸馏水萌发试验为对照（即浸提液浓度为0），每处理200粒小白菜种子，3次重复。萌发2 d时统计小白菜的萌发率。

1. 2. 5 不同白刺花种子休眠解除方法测试 酸腐处理（TA）：选饱满的白刺花种子用98%浓硫酸腐蚀30 min，用蒸馏水充分涮洗消毒后进行萌发试验。碱蚀处理（TB）：将氢氧化钠配成20%溶液浸泡白刺花种子6 h，流水冲洗10 min，消毒后进行萌发试验。激素浸泡处理（TC）：用清水将白刺花种子冲洗干净后分别用100.0、300.0和500.0 mg/L GA3浸泡12 h，每组处理200粒种子，4次重复。沸水浸种处理（TD）：分别用始温为70、80和90 ℃的热水浸种24 h，每组处理200粒白刺花种子，4次重复。机械处理（TE）：将白刺花种子用刀片划破种皮后进行萌发试验。酸腐+激素浸泡处理（TF）：用98%浓硫酸腐蚀30 min，充分洗净，再用300.0 mg/L GA3浸泡12 h后进行萌发试验。沸水浸种+激素浸泡处理（TG）：用始温为80 ℃热水浸泡白刺花种子12 h，再用300.0 mg/L GA3浸泡12 h后进行萌发试验。碱蚀+激素浸泡处理（TH）：用20%氢氧化钠溶液浸泡白刺花种子6 h，再用300.0 mg/L GA3浸泡12 h后进行萌发试验。对照组（CK）：选饱满白刺花种子消毒后，放入垫有双层滤纸的培养皿中，每皿50粒种子，4次重复，在25 ℃恒温培养箱中培养10 d，观测发芽率。

1. 3 统计分析

试验数据使用SPSS 13.0和Excel 2007进行统计分析。

2 结果与分析

2. 1 白刺花种子种皮的透水性

从图1可看出，白刺花种皮对种子吸水有一定的阻碍作用，但种子最终均能饱和吸水，其中，T1处理（完整种子）经4～5 d浸泡其吸水量恒定，吸水率随处理时间延长呈直线型缓慢增加的变化趋势；T3处理（剥除种皮）的种子吸水较快，吸水率呈类似于抛物线上升的变化趋势，处理2 d吸水量即达饱和状态；T2处理（酸腐）种子的吸水率介于T1和T3处理之 间，仅3 d吸水量即达饱和状态。说明白刺花种皮虽然对吸水膨胀具有一定的阻碍作用，但不是导致白刺花种子发芽率低的主要原因。

2. 2 白刺花种胚活力及胚的萌发特性

白刺花种子经TTC法测定，其种胚活力为73.5%，发芽潜力相对较高。由表1可知，Ta处理种子（完整种子）的发芽率最低，仅13.70%，Tb处理种子（剥离种皮）的发芽率最高，为72.99%，Tc处理种子（仅有胚种子）的发芽率介于Ta和Tb处理之间；Ta、Tb和Tc处理种子的发芽率间存在显著差异（P<0.05，下同）。试验过程中观察发现，Tb和Tc处理种子的萌发时间基本相同，处理后2～3 d即能观察到白色胚芽長出；从幼苗的长势来看，Tb处理幼苗的长势相对较好，培养20 d后株高达4.44 cm，主根长3.19 cm；Ta处理幼苗的长势较差，培养20 d后株高仅2.34 cm，主根长2.27 cm，均显著低于Tb和Tc处理。说明白刺花种子具有相对较高的活力，但种皮对种子萌发具有一定的阻碍作用；胚乳在萌发过程中可提供萌发所需的足够养分，促使白刺花幼苗长势良好且快速生长。

2. 3 白刺花种子浸提液对小白菜种子萌发的影响

从图2可看出，白刺花种皮和胚乳浸提液对小白菜种子萌发均产生一定的阻碍作用，且胚乳浸提液的阻碍作用较种皮浸提液更明显。其中，20.0%种皮浸提液培养小白菜种子的发芽率为88.68%，比对照（蒸馏水萌发，93.93%）低5.59%；50.0%种皮浸提液培养的小白菜种子发芽率为81.56%，比对照低13.17%；20.0%胚乳浸提液培养的小白菜种子发芽率为81.43%，比对照低13.31%，且小白菜幼苗的长势比对照差（图3）；50.0%胚乳浸提液培养的小白菜种子发芽率仅75.85%，比对照低19.25%，且小白菜幼苗的长势比对照差（图3）。说明白刺花胚乳及胚中含有某种可抑制种子萌发的物质。

2. 4 不同解除休眠方法对白刺花种子解除休眠的效果

2. 4. 1 单一解除休眠方法的效果 从图4可看出，TE处理（机械划破种皮）的白刺花种子萌发率最高，为72.42%；其次为TA处理（酸腐处理），种子萌发率为45.56%；再次为TD处理（始温为70、80和90 ℃的热水浸种24 h处理）和TB处理（碱蚀处理），种子萌发率在40.00%；TC处理（100.0、300.0和500.0 mg/L GA3浸泡12 h处理）的种子萌发率均较低，约20.00%，而CK的种子萌发芽率最低，仅13.41%。说明机械划破种皮、酸腐及沸水浸种等方法均能使白刺花种皮软化，碱腐能溶解白刺花种皮表层的蜡质和油脂，从而可增加其透水性和透气性，解除白刺花种子休眠，提高白刺花种子的发芽率，尤其以机械划破种皮解除休眠的效果最佳。

2. 4. 2 复合解除休眠方法的效果 从图5可看出，TF处理（酸腐+激素浸泡处理）的白刺花种子发芽率为57.42%，比TA处理（单一酸腐处理）高26.03%，明显高于TG处理（沸水浸种+激素浸泡处理）（种子发芽率为46.73%）；TH处理（碱腐+激素浸泡处理）的种子发芽率最低，为44.01%，但与TG处理差异不明显。说明酸腐+激素浸泡复合处理解除白刺花种子休眠的效果最佳。

3 讨论

种子休眠是植物适应恶劣环境和保存种族的一种生理特性（杨期和等，2003；付婷婷等，2009）。引起种子休眠的原因多种多样，如种胚生理上未成熟、缺少必需激素或存在抑制萌发物质；种皮或种壳不透水、不透气、机械阻碍，种皮或种壳中存在抑制萌发物质等（de Giorgi et al.，2015）。本研究中，白刺花的种皮对种子吸水膨胀有一定影响，但种子最终均能饱和吸水，说明种皮对种子吸水萌发虽具有一定的阻碍作用，但不影响吸水饱和而直接导致种子发芽率低；白刺花种皮和胚乳浸提液能抑制小白菜种子萌发，说明白刺花种子中所含的抑制物对种子萌发也有一定影响。参考丁言（2015）对牡丹等种子休眠特性的研究结果，初步认为白刺花种子休眠主要与白刺花种皮结构的紧密性使种子吸水缓慢、长时间水分浸泡致使种子萌发时对氧的需求量不足及胚萌发突破结构紧密种皮的机械束缚困难有关。

常用解除种子休眠方法有物理法、化学法和生物法。物理法简单易行，如机械处理操作简单，效果良好，尤其对种皮硬实的种子效果最明显；高温处理可软化种皮、去除表面腊质和油脂，如合欢属（Acacia）和黑荆树种子用热水处理可明显提高发芽率（李昆等，2003）；低温沙藏一方面可提高硬实种子的透性，同时低温层积过程中可提高酶活性，增强水解，促使种子内源抑制物分解（乔亚科等，2003）。化学法中常用浓硫酸和硝酸处理，可腐蚀种皮、破坏栅栏组织，消除珠孔部位的堵塞物等，而碱处理可分解表层腊质和油脂，增强透性（孙明义等，2002）。生物法中对激素处理所起作用的研究尚存在分歧。本研究通过探讨不同解除休眠方法及其混合处理对白刺花种子解除休眠的效果，结果表明，最佳方法为机械划破种皮，其次为酸腐+激素浸泡、酸腐和沸水浸种+激素浸泡。这几种解除休眠方法的共性特点均为破除种皮或使种皮软化，说明白刺花种皮坚硬紧实对胚的生长产生机械约束，致使胚不能产生足够的推力突破这一组织。

本研究首次从种皮、种胚和内源抑制物方面系统研究白刺花休眠原因及特性，初步确定种皮的紧实性和种子内含有内源抑制物导致发芽率低；白刺花种子的休眠不是单一因素引起，而是多种因素形成的综合休眠。有关内源抑制物的具体种类有待进一步探究。

4 结论

白刺花种皮的透水和透气性、胚乳及胚中所含的抑制物是影响白刺花种子休眠的主要因素。机械划破种皮、用98%浓硫酸（酸腐）+300.0 mg/L GA3浸泡12 h处理（激素浸泡）软化种皮能有效解除白刺花种子休眠，提高其萌发率，可在植物硬实种子播种育苗中推广应用。

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（责任编辑 思利华）