劉洋禮，孫步功，張 鵬，張克平，鄭小寶，漢永乾

(甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

我國西部高寒草地，主要是青藏高原，有“世界屋脊”和“地球第三極”之稱。其土地面積占全國的26%，天然草地面積約1.5×108hm2，占全國草地總面積的1/3，平均產(chǎn)草量為284 kg/hm2，有著“中華水塔”“江河源”“生態(tài)源”的美譽，同時也是高寒生物資源的基因庫[1-3]。近年來，在人口增加、超載放牧、鼠蟲危害及全球氣候變化等人為和自然因素的共同影響下，高寒草地系統(tǒng)出現(xiàn)了不同程度的退化、沙化、堿化，這不僅對我國生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅，而且制約著國民經(jīng)濟的發(fā)展[4-5]。因此，培育優(yōu)良牧草品種，加快人工草地重建，推進生態(tài)系統(tǒng)近自然恢復成為保障青藏高原畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的當務之急[6-7]。研究表明，進行高寒草地種子庫研究，加強牧草繁育研究和種子基地建設，開展牧草種子生產(chǎn)區(qū)劃研究、解決種源制約問題、實現(xiàn)種子區(qū)域化專業(yè)化生產(chǎn)、提高牧草種子質(zhì)量與產(chǎn)量對高寒草地生態(tài)環(huán)境建設將產(chǎn)生現(xiàn)實而深遠的意義[8-9]。

牧草種子是高寒草地生態(tài)建設的重要物質(zhì)基礎，其質(zhì)量優(yōu)劣對草地建植和牧草生產(chǎn)具有直接影響[10]。然而，大多數(shù)牧草種子在自身生理機能和外界環(huán)境共同作用下，種皮形成致密的蠟質(zhì)和角質(zhì)，導致種子無法萌發(fā)并且保持本來大小形態(tài)，中外學者將其稱為硬實種子[11-14]。硬實種子具有生命活力，但種皮上的蠟質(zhì)和角質(zhì)阻礙了水、光、氣體或溶質(zhì)在種子內(nèi)部與外界環(huán)境的交換，種子無法正常發(fā)育，在育種或播種時，經(jīng)歷好幾個星期，好幾個月甚至好幾年也不能發(fā)芽，我們將這種現(xiàn)象稱為休眠[15-17]。休眠是一種“生命的隱蔽”現(xiàn)象，種子的硬實效應是引發(fā)種子休眠的主要原因，從種族繁衍、種質(zhì)保持方面來看這是一種非常有利的特性[18-19]。但作為播種材料，種子休眠將會給種子生產(chǎn)者、種子用戶和種子檢驗員帶來大量困難，尤其是在高寒草地生態(tài)建設的過程中，牧草種子的休眠特性已成為實現(xiàn)人工草地重建，高寒草地植被正向演替、畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展過程中的巨大障礙[20-22]。因此，打破牧草種子休眠，提高牧草種子發(fā)芽率一直是牧草生產(chǎn)中重要的研究課題。近年來，牧草種子破眠技術有了很大提升，如張琴根據(jù)石碾模型研制出碾壓式苜蓿種子破眠裝置，處理后的苜蓿種子發(fā)芽率高達92%[23]。但目前牧草種子破眠技術仍然存在著破損率高、健苗率低、無法實現(xiàn)批量生產(chǎn)進而滿足大規(guī)模人工種植的需要等問題。

本文通過梳理國內(nèi)外典型牧草種子破眠技術的發(fā)展情況，分析典型牧草種子休眠特性與破眠機理，歸納國內(nèi)外先進破眠技術特點，對我國牧草種子破眠技術研究進行展望，提出高效率、高產(chǎn)量、低損傷的綜合破眠建議。

1 高寒草地牧草種子休眠特性研究

國內(nèi)外對種子休眠早有定義，種子休眠是指在預定的時間范圍內(nèi)本該有生命活力體征的種子，在預計正常、利于種子萌發(fā)的一些環(huán)境因子(水、光、熱、氧氣等)組合條件下，不能按期正常萌發(fā)的一種生理現(xiàn)象[24-26]。然而，對于種子休眠的原因，卻存在著很多爭議。在生態(tài)學領域研究中，F(xiàn)enner和Thompson關于種子休眠與種子在土壤中狀態(tài)復雜關系的發(fā)現(xiàn)，引起了對種子休眠原因的爭論[27]。在生理學領域研究中，大多采用分子遺傳學的方法，Sudheer和Swain等認為休眠性由單基因控制，休眠性對無休眠性呈完全顯性或不完全顯性[28-30]。近年來，隨著相關研究的不斷深入，種子休眠的主要原因可歸納為外在因素和內(nèi)在因素，外在因素主要源于種子所處環(huán)境，環(huán)境影響因子中陽光、水分、溫度、土壤等不適條件均能導致種子進入休眠狀態(tài)；內(nèi)在因素主要源于種子自身，種皮障礙、內(nèi)源抑制物、形態(tài)及生理后熟都可能導致種子無法萌發(fā)[31]。學者們從宏觀和微觀水平對種子休眠類型進行研究，他們將種子休眠分為五種，即生理休眠、形態(tài)休眠、形態(tài)生理休眠、物理休眠和組合休眠[32-33]。牧草種類繁多，優(yōu)質(zhì)牧草多以豆科、禾本科植物為主，如苜蓿、紫云英、紅豆草、沙生冰草、扁穗冰草等。研究表明，其種子極易發(fā)生硬實效應，從而導致不同程度休眠[34-35]。堅硬種皮的透水透氣性差及其對胚生長的機械束縛是造成硬實的重要原因[36]。桂喆等通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，豆科牧草種子堅硬的種皮主要由角質(zhì)層、柵欄層、骨狀細胞層、漏斗細胞層、厚壁細胞層及薄壁細胞層等兩層或兩層以上組成，其中柵欄層、骨狀細胞層可能是形成硬實現(xiàn)象的主要原因[37]。硬實效應導致牧草種子物理休眠，但研究表明，牧草種子除物理休眠外多數(shù)易發(fā)生組合休眠。組合休眠是一種復雜的休眠現(xiàn)象，既具備物理休眠特性又具備生理休眠特性。物理休眠屬于迫性休眠，生理休眠則為自發(fā)性的，不同休眠原因?qū)⒃斐刹煌N類的休眠。牧草種子對萌發(fā)環(huán)境的需求幅度決定了牧草種子的休眠程度，幅度越寬休眠程度越淺，幅度越窄休眠程度越深，種子本身的休眠程度以及種子所處的環(huán)境條件，直接決定了種子是否能夠萌發(fā)[38]。近年來，國內(nèi)外專家學者對牧草種子休眠特性研究從未間斷。J.R.卡爾森在講述北美草原播種育種技術時，指出牧草種子休眠一部分是由于硬實造成的，另一部分則是由遺傳基因控制的[39]。而易津等以紫云英、沙打旺、草木樨等牧草種子為試材進行活力測定的過程中發(fā)現(xiàn)硬實仍然是工作中的主要障礙[40]。李青豐從牧草種子的休眠、萌發(fā)、壽命等生理特性著手，圍繞牧草種子的利用和牧草種子檢驗法規(guī)建設等對我國北方常見牧草種子進行了系統(tǒng)和全面的研究[41]。同時哈斯亞提·再努拉通過試驗證明貯存條件、貯存時間及貯存方式等都會對牧草種子萌發(fā)特性產(chǎn)生影響[42]。牧草種子休眠原因、休眠類型、休眠程度一度成為專家學者的研究重點。如今，隨著分子生物學技術的快速發(fā)展，尤其是新一代測序技術的出現(xiàn)，對非模式牧草種子休眠機制的深入研究成為可能。探究牧草種子休眠機理以及萌發(fā)特性，根據(jù)不同休眠特性選擇相應解除休眠的方式，致力于高寒草地牧草種子的破眠研究，對高寒草地生態(tài)建設具有舉足輕重的意義。

2 國內(nèi)外牧草種子破眠技術研究現(xiàn)狀

實踐證明，深入破眠技術研究是保證牧草種子在正常播種期間如期萌發(fā)，滿足高寒地區(qū)人工草地建植需要的有力支柱。早在1946年，美國學者L.P.V.Johnson就美洲椴種子進行了預浸泡、硫酸酸化、種皮劃傷、層積四種方法破眠處理[43]。后來Pearson、Haber、Villiers、Kim、Hyde Leslie C等分別采用硫脲浸泡、射線、變溫、酒精浸泡等方式對休眠種子處理，均達到可觀效果[44-48]。我國關于硬實種子處理技術可追溯到魏晉南北朝時期，至少在一千四百多年前，我國人民就創(chuàng)造出打破硬實種子休眠的機械摩擦法?！洱R名要術·養(yǎng)魚篇》中記載的“種蓮子法”：“……于瓦上磨蓮子頭，令皮薄。……皮薄亦生，少時即出(芽)。其不磨時，皮既堅厚，倉卒不能生也”[49]。美國草種業(yè)在草產(chǎn)業(yè)和草地畜牧業(yè)中扮演著極其重要的角色，尤其是要求區(qū)域化、專業(yè)化、標準化、規(guī)范化生產(chǎn)以及草種處理技術方面水平較高[50]。關于國內(nèi)外牧草種子破眠技術的研究也從未間斷，查閱相關文獻資料發(fā)現(xiàn)，目前牧草種子破眠技術方法主要有物理方法、化學方法、生物方法、綜合方法[51-52]。①物理方法。主要包括機械處理、溫度處理(高溫、低溫、變溫)、干藏干熱及射線、超聲波、電場和磁場處理。早期國內(nèi)外種子工作者主要采用摩擦、刺破等機械處理方法；Bilsland在1984年研制了滾筒式種子處理機，以天竺葵種子為試驗材料，試驗證明滾筒轉(zhuǎn)子將種子劃破可以有效提高種子發(fā)芽率[53]；同年我國上海市五四農(nóng)場科研站發(fā)現(xiàn)，采用鐵砂皮和細砂對小冠花種子進行揉搓可在很大程度上解除種子的休眠[54]。隨著科學技術的進步，種子科學逐漸被重視，從事種子研究的科研人員多采用電場、磁場對休眠種子進行破眠處理。欒欣昱等采用高壓電暈電場處理紫花苜蓿種子時，發(fā)現(xiàn)隨著放電電壓的升高，苜蓿種皮刻蝕逐漸明顯，種子表皮纖維素降解時產(chǎn)生裂縫是促進種子萌發(fā)的主要原因[55]。何正婷等以小麥種子為研究對象，采用磁場強度為11 mT的旋轉(zhuǎn)磁場進行處理，得出旋轉(zhuǎn)磁場可提高小麥種子萌發(fā)以及加快小麥幼苗生長速度的結(jié)論[56]。②化學方法。主要是采用生物激素、有機化學試劑以及無機化學試劑對休眠種子進行浸泡。研究表明，不同種類的種子應該選擇不同種類、不同濃度的試劑浸泡。例如小冠花硬實種子只有采用濃硫酸浸泡發(fā)芽率才能顯著提高，而10 mg赤霉素溶液對紫花苜蓿、箭舌豌豆、檸條、無芒雀麥、披堿草、羊茅種子的萌發(fā)均有促進作用[57-58]。浸泡試劑濃度的不同對種子的處理效果也不相同，劉青等研究有機酸與硝酸銨協(xié)同浸種對黑麥草和高羊茅種子萌發(fā)及初期生長的影響，結(jié)果表明蘋果酸浸種黑麥草和高羊茅的最適濃度分別為15 mmol/L和5 mmol/L，而檸檬酸浸種的最適濃度則為10 mmol/L和5 mmol/L[59]。③生物方法。在自然環(huán)境中，有很多因素也可以促進萌發(fā)，從而打破休眠。王樹林等在研究不同類群植物種子對綿羊瘤胃消化的反應時，發(fā)現(xiàn)消化作用能打破豆科種子的休眠，這為消化液和生物液浸種提供了重要理論依據(jù)[60]。④綜合方法。在內(nèi)因與外因的共同作用下往往導致種子產(chǎn)生綜合性休眠(也稱為組合休眠)，實踐中針對這種休眠多采用綜合方法。Dashti等對駝鹿種子用硫酸處理、砂紙摩擦處理、低溫層積處理和赤霉素處理以研究這些因素對種子休眠的影響時，發(fā)現(xiàn)當單個因素處理時對種子的萌發(fā)沒有顯著影響，而4種處理結(jié)合使用時，種子的萌發(fā)率有顯著提高[61]。李強等以紫花苜蓿種子為試材進行生物破眠、機械破眠與復合破眠的對比試驗，發(fā)現(xiàn)機械與生物破眠技術相結(jié)合的破眠方法可使休眠種子發(fā)芽率高達95%[62]。綜合方法即將現(xiàn)有打破種子休眠的處理方法進行綜合，形成一條方法鏈，從而促進種子萌發(fā)。文獻表明，綜合處理方法可以最大限度地打破種子的休眠，且效果顯著。通過查閱大量相關文獻，發(fā)現(xiàn)近年來國外研究者多采用浸泡法對休眠種子進行處理，再者多從休眠種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)或物質(zhì)進行定性定量分析，鮮有對物理方法、生物方法以及綜合方法進行研究。種子硬實是導致牧草種子休眠的主要原因，故應當探尋更加完善的破眠處理方法。

3 小結(jié)

高寒區(qū)域退化草地近自然恢復與人工重建的關鍵在于牧草的種植，牧草種子質(zhì)量的好壞決定了草原的發(fā)展前景。針對牧草種子易硬實、喜休眠問題，對牧草種子進行休眠特性研究，對國內(nèi)外種子破眠技術進行總結(jié)顯得尤為重要。通過國內(nèi)外破眠技術的對比，可總結(jié)歸納為以下三點：①目前國外專家學者對牧草種子的休眠研究主要傾向于種子內(nèi)部的生理休眠，一定程度上忽略了物理休眠；相關資料表明，大部分牧草種子的休眠是由內(nèi)因與外因共同作用造成的，故綜合處理法將是進行種子破眠研究的重點難點。②在人工草地重建過程中，大部分播種者仍使用砂紙打磨等傳統(tǒng)方法解除種子休眠，傳統(tǒng)方法效率低、破損率高、操作難度大、參數(shù)不易控制等問題一直未得到解決，研制出高效、低損傷且可批量處理的智能破眠設備將成為種子破眠研究的主要方向。③在破眠過程中化學試劑或其他藥劑一定程度上將對種子自身造成損傷抑或是對環(huán)境造成污染，對低損破眠系統(tǒng)進行研究以及如何實現(xiàn)低污染，綠色破眠也是我們在進行破眠研究過程中的重要課題。

4 牧草種子破眠技術展望

通過對國外草原治理、生態(tài)恢復過程中所采用破眠技術與我國現(xiàn)有牧草種子破眠技術的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)牧草種子破眠技術的發(fā)展迫在眉睫。尤其是在近年來我國高寒地區(qū)植被在大規(guī)模和大面積退化的大環(huán)境下，牧草種子相關研究人員更應抓住機遇、勇?lián)熑?、開拓創(chuàng)新，努力為高寒草地建植事業(yè)服務。牧草種子破眠技術的發(fā)展與高寒區(qū)域植被正向演替、畜牧業(yè)發(fā)展、國民經(jīng)濟發(fā)展甚至大自然氣候變化息息相關，我國研究人員應從牧草種子休眠的根本原因出發(fā)，綜合全面性考慮問題，針對性地進行技術攻關。“一粒種子可以改變一個世界，一項技術能夠創(chuàng)造一個奇跡”，牧草種子是源頭，牧草種子破眠技術是種子萌發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)。相信通過廣大科研工作者的不懈努力，牧草種子破眠技術的未來一定熠熠生輝。