不同倍性西瓜種殼解剖結構的比較

劉鵬，劉文革，趙勝杰，閻志紅，何楠，路緒強

（中國農業科學院鄭州果樹研究所，河南鄭州，450009）

不同倍性西瓜種殼解剖結構的比較

劉鵬，劉文革，趙勝杰，閻志紅，何楠，路緒強

（中國農業科學院鄭州果樹研究所，河南鄭州，450009）

采用石蠟切片技術，比較了8組同基因型不同倍性西瓜的二倍體、三倍體與四倍體之間種殼解剖結構的差異。研究結果表明，不同倍性之間種殼的解剖結構存在一定的差異，三倍體與四倍體西瓜的種殼平均厚度及各細胞層的平均厚度大于二倍體西瓜的平均厚度；三倍體和四倍體種殼的皮下組織層由小細胞和大細胞組成，而在二倍體中小細胞數目較少；55℃浸種12 h處理后，不同倍性西瓜的種殼厚度及各細胞層的平均厚度均變大，柵欄組織柱狀排列。

四倍體；三倍體；二倍體；西瓜；種殼；解剖結構

三倍體無籽西瓜具有無籽、含糖量高、抗病性強和耐貯存等特性，近年來在我國越來越受消費者和種植者的歡迎。全國無籽西瓜面積從1990年的6 670 hm2發展到2008年的220萬hm2以上[1~2]。由于無籽西瓜是由四倍體和二倍體雜交得到，三倍體種子形成相對困難，種皮厚、種量少，萌發率低導致的田間出苗率低和成苗率低，限制了無籽西瓜的生產。目前國內外有研究表明，種殼是制約三倍體西瓜種子發芽的主要物理因素之一。隨著細胞內染色體加倍，其基因劑量顯著增加，細胞內核質比發生變化，西瓜組織器官發生了相應的變化，比如葉片微形態[2]，花粉形態[4]等均隨倍性增加產生了相應的變化。種殼在染色體加倍后也相應加厚。Grange等[5]研究表明種皮加厚，內種皮層和成熟胚與種皮之間的種腔可能是限制三倍體發芽的主要因素之一。張龑等[6]研究認為無籽西瓜種子種殼較厚，致使種子吸水和通氣困難。但他們均沒有進行不同染色體倍性西瓜之間種殼解剖結構的比較。

本研究通過制作石蠟切片，觀察8組同基因型不同染色體倍性品種西瓜的二倍體、三倍體和四倍體的種殼解剖結構，比較不同倍性西瓜品種的種殼結構差異，為多倍體西瓜的育種和無籽西瓜種子處理提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選自中國農業科學院鄭州果樹研究所西瓜多倍體課題組培育的8個系列的同基因型不同倍性西瓜的二倍體、三倍體和四倍體種子。

1.2 試驗方法

選取大小均勻一致的干燥西瓜種子，分為2組，一組不進行任何處理，另一組用55℃浸種12 h。然后取種殼中部，參照蔣希文等[7]的研究結果，用70%FAA固定液固定一個月，接著用軟化劑（甘油∶70%酒精為1∶1）軟化一個月，然后按照常規石蠟切片制作方法進行，酒精濃度梯度脫水，二甲苯透明，溶點65℃左右的石蠟包埋，輪轉式切片機切片，切片厚度10 μm，二甲苯脫蠟，酒精復水，1%番紅-0.1%固綠（均用95%酒精配制）對染，中性樹膠封片。

切片制作以后，用LY-HPCCD成像系統觀察照相，并進行測量統計，采用DPS7.05軟件進行數據分析。

2 結果與分析

通過觀察種殼的石蠟切片，參考前人研究結果[8~9]來識別種殼解剖結構及其組成部分（圖1），可以觀察到西瓜種殼主要分為以下幾層細胞，即表皮，皮下組織和厚壁組織。表皮即為柵欄組織，由一層長柱狀細胞組成；皮下組織由數層小細胞和幾層大細胞組成，是種子堅固的保護層；厚壁組織由一層細胞組成，細胞較厚，為星狀石細胞，也為種子堅固的保護層。

2.1 不同倍性西瓜干燥種子種殼解剖結構差異比較

從圖1和表2中可以看出，不同倍性西瓜的干燥種殼解剖結構存在一定差異。三倍體和四倍體的種殼平均厚度分別為48.30 μm和44.39 μm，大于二倍體種殼厚度32.22 μm。不同倍性種殼中柵欄組織均呈層波狀排列，三倍體和四倍體西瓜柵欄組織的平均厚度分別為22.57 μm和20.63 μm，大于二倍體西瓜柵欄組織的平均厚度15.54 μm。皮下組織作為種子的保護層，不同倍性之間也存在一定的差異，三倍體和四倍體西瓜種殼皮下組織的平均厚度分別為20.34 μm和19.52 μm，大于二倍體平均厚度13.15 μm。而且三倍體和四倍體西瓜種殼中皮下組織由數層小細胞和大細胞共同組成，并且由外到內，從小細胞向大細胞過渡，而在二倍體西瓜種殼中，小細胞層明顯減少，從小細胞向大細胞過渡不明顯。不同倍性西瓜種殼的厚壁組織均由一層星狀石細胞組成，三倍體和四倍體西瓜厚壁組織的平均厚度為4.46 μm和4.22 μm，大于二倍體的平均厚度2.32 μm。8個組中三倍體西瓜品種和四倍體西瓜品種的種殼厚度及各組成部分的厚度均高于其相應的二倍體西瓜品種的厚度。表明隨著染色體倍性的增加，種殼的解剖結構表現出一定的差異。

2.2 浸種12 h后不同倍性西瓜種子種殼解剖結構差異比較

從圖1和表3可以看出，浸種12 h之后，不同倍性西瓜種殼的解剖結構存在一定的差異。浸種后，種殼及各細胞層的厚度都增大，三倍體和四倍體種殼的平均厚度分別為82.40 μm和73.58 μm，大于二倍體的平均厚度61.18 μm，柵欄組織呈柱狀緊密排列，三倍體和四倍體西瓜柵欄組織的平均厚度為45.06 μm和 41.34 μm，大于二倍體的平均值29.74 μm。三倍體和四倍體西瓜皮下組織的平均厚度為31.76 μm和28.62 μm，大于二倍體的平均厚度24.36 μm，皮下組織中小細胞層清晰可見。三倍體和四倍體西瓜厚壁組織的平均厚度為7.50 μm和6.67 μm，大于二倍體西瓜厚壁組織的厚度5.66 μm。8個組中三倍體和四倍體西瓜種殼厚度均大于其相應二倍體。除了L5中二倍體和三倍體種殼柵欄組織的厚度大于其對應四倍體外，其余7個均為三倍體和四倍體種殼柵欄組織厚度大于相應二倍體。8個組中，除L1和L8外，三倍體和四倍體種殼厚壁組織的厚度均大于相應二倍體。

表1 不同倍性西瓜種殼材料

表2 不同倍性西瓜的干燥種殼及各細胞層厚度比較 μm

2.3 浸種前后不同倍性西瓜種子種殼解剖結構差異比較

從圖1和表4可以看出，浸種前后不同倍性西瓜種殼的解剖結構發生了顯著的變化。浸種后，種殼厚度變大，其各細胞層也有不同程度的增大；柵欄組織細胞由波狀疏松排列，變成柱狀緊密排列，其與種殼厚度的百分比發生變化，2x平均值從48.06%提高到48.57%，變化不明顯，而3x與4x的平均值分別從46.60%和 46.28%增至 54.48%和55.35%，變化較明顯。從一個側面反映了三倍體與四倍體西瓜皮下組織和厚壁組織在溫湯（55℃）浸種12 h后，雖然其絕對厚度有所增加，但所占比例卻有所減低。浸種前后，8個組中除了L1以外，其他組中三倍體西瓜種殼柵欄組織的比例均有不同程度的增加，二倍體和四倍體西瓜種殼柵欄組織比例變化不規則。

表3 浸種12 h后不同倍性西瓜種殼及各部分厚度的比較 μm

圖1 不同倍性西瓜解剖結構（100 X）

3 小結與討論

種殼作為西瓜種子的重要組成部分，在周圍環境不適宜的情況下，起到保護種胚的作用[10]，但在種子萌發過程中，卻成為阻礙種子發芽的主要因素。尹華軍等[11]研究認為，種子被迫休眠的程度與種皮的通透性有關。Wolfgang[12]研究認為，種皮對種子萌發的阻礙作用可能是由于種皮結構的物理特性造成，從而導致種子對外界的水分、氣體等成分通透性的改變。本研究發現，隨著染色體倍性的增加，種殼的解剖結構也發生一定的變化。隨著染色體倍性的增加，種殼厚度及各細胞層的厚度均相應增加。特別是在皮下組織中，隨著倍性的增加，小細胞層數增加，并且可以明顯的觀察到從小細胞向大細胞的過渡。同時，厚壁組織也隨著倍性增加而變厚，皮下組織和厚壁組織都是種子堅固的保護層，在種子萌發過程中抑制種子萌發[5]。

浸種是多倍體西瓜種子催芽前非常重要的一步，可以清除種子附著物，殺死寄生病菌，利于種子萌發[4]。本研究通過比較浸種前后種殼解剖結構的變化，發現浸種以后種殼的解剖結構發生了一系列變化，種殼厚度及各部分厚度均增加，柵欄組織柱狀排列。張龑等[6]研究認為，種子內源細胞壁酶的活性與種殼結構的變化，有一定的相關性。浸種使內源細胞壁酶活性增強，使細胞壁發生變化，使種殼及各部分厚度增加，細胞間隙增大，有利于氣體的交換，從而使種子發芽。

研究同時發現，浸種雖然使皮下組織和厚壁組織的厚度增加，但其占種殼厚度的比例與干燥種殼相比卻有所降低，這可能是由于浸種可以提高三倍體和四倍體種子的發芽率，但提高不明顯的原因，必須在浸種的同時輔助其他手段（如人工磕種等）才能提高多倍體西瓜種子的發芽率[13~14]。

表4 浸種前后不同倍性西瓜柵欄組織所占比例比較 %

[1]劉文革.我國無籽西瓜科研和生產的現狀與展望[J].中國瓜菜，2007（6）：57-59.

[2]Liu W G,Yan Z H,Zhao S J,et al.Triploid seedless watermelon production in China[J].Cucurbitaceae，2006.

[3]劉文革，閻志紅，饒小莉.不同倍性西瓜的葉表皮微形態特征比較[J].果樹學報，2005，22（1）：31-34

[4]劉文革，王鳴，閻志紅.不同染色體倍性西瓜花粉形態觀察比較[J].園藝學報，2003，（3）：328-330.

[5]Grange S,Leskovar D I.Seedcoat structure and oxygen-enhanced environments affect germination of triploid watermelon[J].J Amer Soc Hort Sci,2003,128(2):253-259.

[6]張龑，寇明明，孫小武.西瓜播種前種子處理概述 [J].中國瓜菜，2007（4）：29-31.

[7]蔣希文，張雙鐵，宋佳祥.植物制片學[M].北京：中國農業科學院研究生院生物技術教研室，1994.

[8]劉穆.種子植物形態解剖學導論（4版）[M].北京：科學技術出版社，2008.

[9]中國農業科學院鄭州果樹研究所，中國園藝學會西甜瓜專業委員會，中國園藝學會西甜瓜協會.中國西瓜甜瓜[M].北京：中國農業出版社，2000.

[10]Kelly K M,Staden J V,Bell W E.Seed coat structure and dormancy[J].Plant Growth Regulation,1992，11:201-209.

[11]尹華軍，劉慶.種子休眠與萌發的分子生物學的研究進展[J].植物學通報，2004，21（2）：156-163.

[12]Wolfgang S.Dormancy characteristics and germination timing in two alpine garex species[J].Basic and Applied Ecology,2002,3(2):125-134.

[13]丁泳，駱冬梅.無籽西瓜發芽試驗的研究[J].新疆農墾科技，2000（5）：12-13.

[14]劉文革，張莉，戴照義．浸種時間對三倍體西瓜種子萌發的影響[M]//園藝學進展（第四輯）.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2000：455-457.

Comparison of Seedcoat Structure Between Different Ploidy Watermelons

LIU Peng,LIU Wengge,ZHAO Shengjie,YAN Zhihong,HE Nan,LU Xuqiang
(Zhengzhou Fruit Research Institute,CAAS,Zhengzhou 45009)

This study employed paraffin section method to comprise seedcoat anatomic structure between different ploidy watermelon,including diploid，triploid,and tetraploid.The results showed that the seedcoat structure between different ploidy watermelons were different.The average thickness of the seedcoat and other layers of triploid and tetraploid watermelon were thicker than the diploid.The hypodermis was comprised of small cells layer and large cells layer in triploid and tetraploid watermelon,and the number of small cell layer was few in diploid watermelon.After seed soaking for 12 h in 55℃,the seedcoat and other layers became thicker in different ploidy watermelon,the palisade tissue arranged pragmatically.

Ploidy;Watermelon;Seedcoat;Anatomic structure

10.3865/j.issn.1001-3547.2010.08.007

國家科技支撐計劃（2006BAD01A7-6-03），河南省重大科技攻關項目（072101110500），現代農業產業技術體系建設專項資金

劉鵬，男，在讀碩士研究生，E-mail：liupeng007@yahoo.com.cn劉文革，通信作者，電話：0371-65330936，E-mail：lwgwm@163.com

2010-03-18