陳乙實， 娜麗克斯·外里， 王樹林， 景鵬成， 魯為華

(石河子大學動物科技學院， 新疆 石河子 832003)

種子繁殖是豆科植物最主要的繁殖方式。豆科植物種子普遍存在物理性休眠(硬實)特性[1]，即具有活力的種子在適宜的環(huán)境條件(光照、溫度、水分和氧氣等)下[2-3]，長期處于堅韌致密的狀態(tài)，且在此狀態(tài)下種子不吸水，不膨脹，不萌發(fā)[4]。種子休眠(Seed Dormancy)由種子本身的遺傳特性所決定，但環(huán)境因素在很大程度上也會影響到種子的休眠特性，如豆科種子因過度干燥能導致硬實率的提高[5]，因此種子休眠是遺傳特性和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。種子休眠是植物在長期系統(tǒng)發(fā)育過程中形成的抵抗不良環(huán)境條件的一種適應特性[6]。一方面，種子休眠是植物適應特定生態(tài)環(huán)境和溫濕度差異等各種外界因素，調(diào)節(jié)萌發(fā)的最佳時間與空間分布，以保持種族的繁衍而形成的一種生物學特性[7]，另一方面，物理休眠種子組成的持久土壤種子庫，在植被更新，尤其是洪澇災害、草原火災后的植被恢復中起著重要作用[8]，因此種子休眠對植物適應環(huán)境和繁殖更新具有重要的生態(tài)學意義。與此同時，種子休眠也給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多困難和不便，如具有休眠性的種子無法在收獲后立即進行萌發(fā)試驗，給種子產(chǎn)業(yè)加工和檢驗等過程增加工序[9]，豆科種子直播后出苗時間長，易造成田間缺苗或出苗不齊，嚴重影響了牧草的建植，這也成為豆科牧草人工栽培中不容忽視的重要問題。有些物理休眠種子由于較長的休眠期，往往在若干年后才可萌發(fā)而成為田間雜草[10]，因此，播種前必須對種子進行處理以打破休眠。

有關(guān)植物種子休眠破除方法的研究一直是種子科學的熱點問題[1]。對種子休眠特性的研究，有助于闡明物種對于多變或不可預測環(huán)境的適應性，對了解物種的持續(xù)及種群繁殖更新具有重要意義[11]。國內(nèi)外對種子休眠機制、休眠解除方法及其機理已有大量研究，破除休眠方法主要有物理法、化學法、生物法和綜合法[12-14]。已有研究表明，酸蝕和熱水處理是破除種子物理性休眠的有效方法，但其休眠破除效果則因物種、品種以及具體措施不同而異[15]，若處理方法不當(如處理時間過長或濃度、溫度過高等)，則有可能引起種子死亡或不正常苗增多[9]。因此，在大批量處理種子之前，必須明確合適的處理方法和條件。當前，新疆地區(qū)大部分天然草地荒漠化加劇，植被破壞、過度放牧和生態(tài)演替，導致豆科野生資源量急劇下降，嚴重制約區(qū)域植被恢復與飼料、藥用價值的開發(fā)，迫切需要建立規(guī)?；斯ぴ耘嗉夹g(shù)[16]，快速有效地破除荒漠地區(qū)豆科植物種子的休眠則是解決區(qū)域性植被恢復與產(chǎn)業(yè)化等問題的關(guān)鍵所在[17]。

基于上述內(nèi)容，以7種豆科植物線葉野豌豆(Viciatenuifolia)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、羅馬苜蓿(Medicagofalcata)、準噶爾巖黃芪(Hedysarumsongaricum)、山地巖黃芪(Hedysarumshandi)和小花紅豆草(Onobrychismicrantha)的種子為研究材料，采用機械、熱水(80℃)和硫酸(98%)3種處理方法打破種子休眠，對種子萌發(fā)所形成的幼苗進行連續(xù)15 d的培養(yǎng)，并對幼苗的株高和根長進行測量，以期明確天然草地豆科植物種子休眠的原因及破除休眠的最佳方法，并為大規(guī)模人工草地的種植栽培和區(qū)域性植被恢復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以廣布于北疆地區(qū)巴爾魯克山天然割草場(43°56′～44°03′ N，85°40′～85°59′ E, 海拔1 200～1 800 m)的7種豆科植物(線葉野豌豆、苦豆子、紅豆草、羅馬苜蓿、準噶爾巖黃芪、山地巖黃芪和小花紅豆草)的種子為研究對象，根據(jù)不同植物種子成熟時期，于2015年6-10月對這7種子豆科牧草種子進行采集。采集后的種子在室內(nèi)自然風干后，裝入牛皮紙信封內(nèi)，于4℃冰箱中冷藏備用。

1.2 試驗方法

1.2.1種子休眠破除方法 種子休眠破除方法包括機械處理、熱水處理和硫酸處理3種，具體操作為：1)機械處理(M)：挑選籽粒飽滿、結(jié)構(gòu)完整的每種植物種子各1 000粒，用砂紙輕拭種子，擦破種皮但不傷及內(nèi)部的胚；2)熱水處理(H)：挑選每種種子各1 000粒，分別放入盛有80℃熱水的小燒杯中，用玻璃棒攪拌使所有種子均勻受熱，5 min后將種子取出，置于吸水紙上晾干待用；3)硫酸處理(S)：挑選每種種子各1 000粒，分別放入盛有質(zhì)量分數(shù)為98%的濃硫酸的燒杯中，用玻璃棒不停攪拌，到相應處理時間(1,3,5,10,15和20 min)(S1,S3,S5,S10,S15和S20)后，將種子取出，用自來水沖洗至pH試紙檢測呈中性后，置于吸水紙上晾干待用。每種處理方法重復3次，CK表示對照(處理前)。

1.2.2種子萌發(fā)試驗 采用紙上法(Top Paper, TP)[18]對不同方法處理前后的種子進行萌發(fā)行為的檢測，具體操作為將1 000粒種子分別放入鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿放入種子萌發(fā)培養(yǎng)箱，按照采集地點氣候特征設置8 h 15℃/16 h 25℃變溫和光照，適時向培養(yǎng)皿中加蒸餾水以保證濾紙濕潤。每24 h進行一次萌發(fā)檢測，胚根出現(xiàn)1～2 mm即可認為已經(jīng)萌發(fā)，直到連續(xù)20 d后，不再有發(fā)芽種子出現(xiàn)時為止[19]，萌發(fā)試驗結(jié)束。每種處理方法(包括處理前，CK)重復3次，按下列公式計算種子的萌發(fā)率、休眠率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)時滯(種子萌發(fā)所需天數(shù))等萌發(fā)指標。

萌發(fā)率(%)=
(發(fā)芽末期全部正常種苗數(shù)/供試種子總數(shù))×100

(1)

休眠率(%)=1- 萌發(fā)率

(2)

發(fā)芽勢(%)=
[(日萌發(fā)種子數(shù))max/種子總數(shù)]×100

(3)

(4)

(4)式中，Gt為在第t天發(fā)芽的種子數(shù)，Dt為相應的發(fā)芽天數(shù)。

1.2.3幼苗株高和根長的測定 放入種子萌發(fā)袋(尺寸12.5×14 cm)中，Hoagland營養(yǎng)液，將萌發(fā)袋固定在透明塑料支架上，塑料架放入培養(yǎng)箱中(8 h,15℃/16 h,5℃變溫和光照)，至第15 d，從萌發(fā)袋邊緣的刻度線上直接讀出幼苗的根長，用刻度尺量取幼苗的株高。

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2007錄入，以“平均值±標準差”表示。用Sigmaplot 12.5軟件作圖，用SPSS 15.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 線葉野豌豆種子休眠的解除

對于線葉野豌豆種子，機械處理和硫酸處理均能顯著提高種子的萌發(fā)率(P<0.05)。其中用98%硫酸處理15 min的萌發(fā)率最高，為95.00%，比處理前的15.83%提高了6倍，萌發(fā)勢由處理前的15.00%顯著提高到95.00%(P<0.05)，萌發(fā)指數(shù)由處理前的0.52%顯著提高到7.56%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的8 d縮短為2 d；其次為機械處理的萌發(fā)率，為65.83%，比處理前提高了4倍，萌發(fā)勢由處理前的15.00%顯著提高到了65.83%(P<0.05)，萌發(fā)指數(shù)由處理前的0.52%顯著提高到了3.39%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的8 d縮短為5 d；熱水(80℃)處理5 min的萌發(fā)率、萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)與處理前相比差異均不顯著，但萌發(fā)時滯由處理前的8 d縮短為4 d(表1)。

2.2 苦豆子種子休眠的解除

對于苦豆子種子，機械處理、熱水(80℃)處理和硫酸處理均能顯著提高其種子的萌發(fā)率(P<0.05)。其中以機械處理的萌發(fā)率最高，為95.83%，較處理前的29.17%提高了3倍，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)分別由處理前的23.33%和2.05%顯著提高到95.83%和12.22%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的4 d縮短為2 d；其次為98%硫酸處理10 min的萌發(fā)率，為91.67%，較處理前的29.17%提高了近3倍，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)分別由處理前的23.33%和2.05%顯著提高到88.33%和11.16%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的4 d縮短為2 d；熱水(80℃)處理5 min的萌發(fā)率為80.83%，較處理前提高近3倍，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)分別由處理前的23.33%和2.05%顯著提高到79.17%和4.39%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的4 d縮短為3 d(表1)。

2.3 紅豆草種子休眠的解除

紅豆草種子經(jīng)機械處理、熱水(80℃)處理和硫酸處理后，萌發(fā)率均顯著提高(P<0.05)，休眠率顯著降低(P<0.05)。經(jīng)機械處理后，萌發(fā)率較處理前的40.83%顯著提高到96.67%(P<0.05)，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)分別由處理前的40.83%和1.48%顯著提高到96.67%和14.87%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的3 d縮短為2 d；熱水(80℃)處理5 min后萌發(fā)率較處理前的40.83%顯著提高到90.83%(P<0.05)，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)分別由處理前的40.83%和1.48%顯著提高到91.67%和4.11%(P<0.05)，萌發(fā)時滯與處理前相同，均為3 d；98%硫酸處理5 min后萌發(fā)率較處處理前的40.83%顯著提高到88.33%(P<0.05)，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)分別由處理前的40.83%和1.48%顯著提高到88.33%和11.27%(P<0.05)，萌發(fā)時滯縮短為2 d(表1)。

2.4 羅馬苜蓿種子休眠的解除

羅馬苜蓿處理前種子萌發(fā)率為10.00%，經(jīng)機械處理后，萌發(fā)率顯著提高到95.83%(P<0.05)，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)分別由處理前的10.00%和0.35%顯著提高到95.83%和10.85%(P<0.05)；熱水(80℃)處理5 min后萌發(fā)率較處處理前的10.00%顯著提高到73.33%(P<0.05)，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)分別由處理前的10.00%和0.35%顯著提高到59.16%和3.65%(P<0.05)；用98%硫酸處理1 min后，萌發(fā)率顯著提高到70.00%(P<0.05)，萌發(fā)勢和萌發(fā)指數(shù)較處理前分別顯著提高到41.83%和7.31%(P<0.05)。經(jīng)過機械、熱水(80℃)和硫酸(處理1 min)3種方法處理后，種子休眠率顯著降低(P<0.05)，萌發(fā)時滯分別由處理前的6 d縮短為2 d,3 d和3 d(表1)。

2.5 準噶爾巖黃芪種子休眠的解除

準葛爾巖黃芪處理前種子萌發(fā)率為70.00%，經(jīng)機械、熱水(80℃)和98%硫酸(處理1 min)3種方法處理后，萌發(fā)率分別顯著提高到81.67%, 88.33%和87.50%(P<0.05)，休眠率由處理前的30.00%分別顯著降低到18.33%, 11.67%和12.50%(P<0.05)，萌發(fā)勢由處理前的70.00%分別顯著提高到81.67%，88.33%和87.50%(P<0.05)，萌發(fā)指數(shù)由處理前的2.80%分別顯著提高到11.64%,10.72%和5.66%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的3 d均縮短為2 d(表1)。

2.6 山地巖黃芪種子休眠的解除

處理前的山地巖黃芪種子萌發(fā)率為20.00%，經(jīng)機械、熱水(80℃)和98%硫酸(處理5 min)3種方法處理后，萌發(fā)率分別顯著提高到96.67%, 37.50%和96.67%(P<0.05)，休眠率由處理前的80.00%分別顯著降低到3.33%, 62.50%和3.33%(P<0.05)，萌發(fā)勢由處理前的20.00%分別顯著提高到96.67%, 31.67%和96.67%(P<0.05)，萌發(fā)指數(shù)由處理前的0.65%分別顯著提高到15.87%,1.20%和15.21%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的5 d均縮短為2 d,4 d和2 d(表1)。

2.7 小花紅豆草種子休眠的解除

處理前的小花紅豆草種子萌發(fā)率為17.50%，經(jīng)機械、熱水(80℃)和98%硫酸(處理15min)3種方法處理后，萌發(fā)率分別顯著提高到85.00%,40.83%和61.67%(P<0.05)，休眠率由處理前的83.00%分別顯著降低到15.00%,59.17%和38.33%(P<0.05)，萌發(fā)勢由處理前的13.30%分別顯著提高到85.00%,21.67%和55.00%(P<0.05)，萌發(fā)指數(shù)由處理前的0.62%分別顯著提高到5.62%,1.22%和2.26%(P<0.05)，萌發(fā)時滯由處理前的8 d均縮短為2 d, 4 d和3 d(表1)。

表1 不同處理方法對7種豆科植物種子休眠特性的影響Table 1 Effects of different treatment methods on seed dormancy characteristics of seven leguminous plants

續(xù)表1

2.8 不同處理方法對幼苗株高和根長的影響

不同處理方法對幼苗株高和根長的影響各不相同。線葉野豌豆種子經(jīng)98%硫酸處理1 min后，萌發(fā)所形成的幼苗株高最高，為13.68 cm，較處理前的11.7 cm顯著增加(P<0.05)，機械處理后種子萌發(fā)所形成的幼苗根長最長，為10.60 cm，較處理前的8.765 cm顯著增加(P<0.05)；苦豆子種子經(jīng)熱水(80℃)處理5 min后萌發(fā)所形成的幼苗株高為5.50 cm，較處理前的6.76 cm顯著降低(P<0.05)，其他處理方式所得幼苗的株高和處理前相比差異不顯著，經(jīng)3種方法處理后，萌發(fā)種子所形成的幼苗其根長和處理前相比差異均不顯著；準葛爾巖黃芪種子經(jīng)熱水(80℃)處理5 min后萌發(fā)所形成的幼苗株高為6.18 cm，與處理前相比差異不顯著，其他處理方式所得幼苗的株高顯著降低(P<0.05)，其種子經(jīng)機械處理后萌發(fā)所得幼苗的根長為7.62 cm，較處理前的8.54 cm顯著降低(P<0.05)，其他處理方式種子萌發(fā)所得幼苗的根長差異不顯著；紅豆草種子經(jīng)98%硫酸處理3, 5和10 min后，萌發(fā)所得幼苗的株高與處理前相比顯著降低(P<0.05)，經(jīng)98%硫酸處理3 min后，種子萌發(fā)所得幼苗的根長較處理前的7.04 cm顯著增加到8.04 cm(P<0.05)；羅馬苜蓿種子經(jīng)3種方法處理后，所得幼苗的株高和根長與處理前相比差異均不顯著；天山巖黃芪種子經(jīng)98%硫酸處理10 min后，所得幼苗其株高由處理前的7 cm顯著降低到5.5 cm(P<0.05)，根長由處理前的7.86 cm顯著降低到7.04 cm(P<0.05)，其他處理方式所得幼苗的株高和根長與處理前相比差異均不顯著；小花紅豆草種子經(jīng)熱水(80℃)處理5 min后萌發(fā)所形成的幼苗其株高較處理前的7.32 cm顯著降低到6.52 cm(P<0.05)，經(jīng)98%硫酸處理20 min后，所得幼苗較處理前的13.52 cm顯著降低到11.28 cm(P<0.05)。整體上來說，這7種豆科植物種子經(jīng)機械處理或80℃熱水浸種5 min后，萌發(fā)所得幼苗的株高和根長與處理前相比差異均不顯著，硫酸處理受處理時間影響較大，98%硫酸處理1或3 min后，幼苗株高和根長與處理前相比差異不顯著，但隨著處理時間的延長，幼苗的株高和根長則顯著降低(P<0.05)(圖1)。

圖1 不同處理方式對幼苗生長的影響Fig.1 Effects of different treatment methods on seedling growth

3 討論

3.1 機械處理對種子休眠特性的影響

由于種皮或果皮致密、堅硬以及具有蠟質(zhì)，水分不易透入種皮，種子不能吸水而萌發(fā)是造成種子休眠的根本原因[20]，許多研究表明，機械方法是破除物理性休眠最有效的方法[21]。本研究中7種豆科植物種子經(jīng)過機械處理后，萌發(fā)率較處理前均顯著提高(P<0.05)，表明這7種種子均存在物理休眠特性，機械處理通過擦破種皮，降低了種皮的阻礙和束縛，因而解除了種皮透性差所引起的休眠[22-23]。楊輝等[24]用小刀劃破苦豆子種子的種皮，結(jié)果發(fā)現(xiàn)種子休眠率降低了94%，杜曉芳等[25]通過對塔里木荒漠區(qū)3種豆科植物種子休眠特性的研究，結(jié)果表明通過機械處理來破損種皮能有效打破種子休眠并顯著提高種子萌發(fā)率，和本研究所得結(jié)論一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，這7種豆科植物的種子經(jīng)機械處理后，萌發(fā)所形成的幼苗生長15 d后，和處理前相比，株高和根長差異均不顯著(P<0.05)，表明機械處理不會影響幼苗的生長發(fā)育。隨著種子工業(yè)的發(fā)展，小型種子摩擦機、電動摩米機等硬實破除機械相繼被研發(fā)出來，可以滿足大批量種子生產(chǎn)中硬實種子休眠的破除[26]，因此機械處理可作為種子休眠破除的有效方法而大規(guī)模推廣。

3.2 熱水處理對種子休眠特性的影響

熱水處理是另一種常用的種子休眠破除方法。高溫處理可以軟化種皮，去除種皮表層的一些脂類物質(zhì)，不但提高了種皮透水透氣性，還可去除了部分種皮內(nèi)的發(fā)芽抑制物[27]。本研究中7種豆科植物種子經(jīng)80℃熱水處理5 min后，萌發(fā)率均顯著提高(P<0.05)。Clemens等[28]研究表明，鐮莢相思樹(Acaciafalcata)種子經(jīng)80℃熱水處理10 min可有效破除種子休眠，胡小文等[1]對9種常見豆科植物的種子進行熱水(60℃,80℃和95℃)處理后發(fā)現(xiàn)，以80℃處理效果最好，這表明80℃可作為參試種子休眠破除的一個較為適宜的溫度條件，但同時也發(fā)現(xiàn)，隨著處理時間的延長，死亡種子數(shù)量增加；Wang和Hanson[29]通過研究也得出類似結(jié)論。Auld和O'Connell[30]認為對于每一種豆科植物種子而言，都存在一個休眠破除的臨界溫度和致死溫度，高于臨界溫度則休眠被破除，而低于臨界溫度，則對休眠破除影響較小，且其效果因處理時間不同變化較?。煌?，種子亦存在一個致死溫度，暴露于該溫度下可導致其死亡，但這一過程因處理時間不同而存在較大變異。本研究還發(fā)現(xiàn)，雖然因種而異，但經(jīng)80℃熱水處理5 min后，7種豆科植物種子萌發(fā)所形成的幼苗連續(xù)培養(yǎng)15 d后，其株高和根長總體上與處理前相比差異均顯著(P<0.05)，表明80℃熱水處理5 min是這7種種子休眠破除的有效方法且具有實際意義。

3.3 硫酸處理對種子休眠特性的影響

硫酸處理也是解除豆科牧草種子物理性休眠最常用的方法之一[31]。本研究結(jié)果表明，硫酸處理可有效解除豆科牧草種子的休眠，但處理效果則因物種和處理時長的不同而異，且隨著硫酸處理時間的延長，種子萌發(fā)率等相關(guān)指標呈先增加后降低的趨勢，表明硫酸處理時間過短，效果不明顯；處理時間太長，會殺死種子，如線葉野豌豆種子經(jīng)硫酸處理15 min效果最好，苦豆子經(jīng)硫酸處理10 min效果最好。胡小文等[1]報道硫酸處理50 min解除苦豆子種子休眠效果最好。而王進等[32]研究表明80%硫酸處理25 min會增加死種子數(shù)，本研究中硫酸處理15 min，使苦豆子死種子數(shù)顯著增加(P<0.05)，或跟處理種子時的具體操作有關(guān)系，尤其是硫酸處理完畢后是否用水完全洗去殘留的酸液，對結(jié)果影響較大[1]。用硫酸處理羅馬苜蓿5 min后出現(xiàn)少量死種子，可能是因為羅馬苜蓿種子較小，種皮較薄，不能承受起強酸傷害[4]。硫酸處理沒有顯著提高準噶爾巖黃芪種子的發(fā)芽率，但顯著提高了其發(fā)芽指數(shù)(P<0.05)。本研究通過對98%硫酸處理后的種子萌發(fā)所形成的幼苗進行連續(xù)15 d的培養(yǎng)，結(jié)果表明，不同物種的種子對硫酸的敏感度不同，且處理后的種子經(jīng)萌發(fā)所形成的幼苗生長狀況也不同，這是因為種子經(jīng)過硫酸浸種后，由于種子的吸水作用，種子內(nèi)部會含有極少量的處理酸液，這些處理酸液將在兩個不同的時期對種子產(chǎn)生影響：第一個時期為種子萌動時期，殘存的處理液會對胚產(chǎn)生影響，而不同種類的酸具有不同作用，從而表現(xiàn)為抑制萌發(fā)或者促進萌發(fā)；第二個時期為胚根發(fā)育為根的時期，殘存的酸會隨著胚根突破萌發(fā)孔而逐漸滲入到培養(yǎng)基質(zhì)中，根的生長就會處在一個酸性的環(huán)境中，當超過根調(diào)節(jié)能力的pH環(huán)境時，就會嚴重破壞根的結(jié)構(gòu)，導致幼苗根系活力急劇下降[33]。

4 結(jié)論

通過對線葉野豌豆、苦豆子、紅豆草、羅馬苜蓿、準噶爾巖黃芪、山地巖黃芪和小花紅豆草7種豆科植物種子休眠特性的研究，表明這7種豆科植物種子均存在物理休眠。機械、熱水和硫酸處理均能打破種子休眠，顯著提高萌發(fā)率，且種子經(jīng)機械和80℃熱水處理5 min后，萌發(fā)所形成的幼苗其株高和根長與處理前相比差異均不顯著，可作為種子休眠破除方法運用到實際生產(chǎn)中；98%硫酸處理因品種和處理時長不同而異，綜合考慮處理5 min效果最好，且此時種子經(jīng)萌發(fā)所得幼苗的株高和根長整體上與處理前相比無顯著差異。