掃描電鏡在嵩草種子結構及發芽研究中的應用

張國云 何曉華 郭付振

摘要

[目的]為了描述西藏7種嵩草（喜馬拉雅嵩草、大花嵩草、藏北嵩草、短軸嵩草、線葉嵩草、矮生嵩草、高山嵩草）種子的形態特征，闡明不同種子預處理方法提高其發芽率的機理。[方法]利用掃描電鏡放大倍率大、分辨率高、圖像直觀等特點，在嵩草屬牧草種子結構及種子萌發研究中引入掃描電鏡，對青藏高原東部嵩草屬幾種嵩草種子的形態、解剖特征進行了觀察， 并且對其形態特征進行初步描述。對7種嵩草種子做了不同濃度的赤霉素、PEG、硫酸、氫氧化鈉化學處理，對其果皮特征進行了電鏡觀察。結合發芽試驗，對嵩草屬牧草種子萌發率低的原因及不同處理影響嵩草屬植物種子萌發的機理進行了初步分析。

[結果]除喜馬拉雅嵩草種子果皮最外層的表皮細胞細胞壁較薄、有裂孔外，其他都具有種子小、果皮厚、外表致密、保護組織機械性強等特征。不同種子預處理方法對果皮的影響不同。赤霉素、PEG對果皮幾乎無機械破壞作用；硫酸對果皮有一定的破壞作用，但作用有限；氫氧化鈉對果皮的機械破壞效果最好。

[結論]嵩草屬牧草種子在試驗條件下萌發率與其種子的果皮特征關系密切。嵩草屬牧草種子大多果皮堅硬致密、外覆光滑且厚的角質層是其萌發率低的主要原因。一定濃度的氫氧化鈉溶液處理種子能均勻去掉果皮角質層，甚至破壞果皮最外層大型厚壁細胞，增大細胞間隙，使得中間縱向致密組織變得疏松，讓水分和氧氣易于進入種子，從而提高發芽率。

關鍵詞掃描電鏡；形態特征；嵩草屬；萌芽率

中圖分類號S121文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）28-09670-04

Application of SEM in Research of Kobresia Seeds Structures and Germination

ZHANG Guoyun1，HE Xiaohua2，GUO Fuzhen2*

（1.State Key Laboratory of Crop Stress Biology in Arid Areas， Northwest A&F University， Yangling， Shaanxi 712100； 2. Key Laboratory of Plant Protection Resources and Pest Management of Ministry of Education， Entomological Museum， Northwest A&F University， Yangling， Shaanxi， 712100）

Abstract[Objective]The research aimed to describe morphological characteristics of seven kinds of K.obresia （K.royleana，K.macrantha，K.choenoides，K.prattii，K.capillifolia，K.humilis and K.pygmaea）seeds from Tibet and elucidate the mechanisms how different treatments promoted germination percentage.[Method]The structures and germination of Kobresia pasture seeds were studied with the scanning electron microscope for its characteristics of the high magnification， high resolution， and image visual. Seven kinds of Kobresia seeds from Tibet were observed with scanning electron microscope in order to analyze their morphology and anatomy characteristics. Combining the Kobresia pasture seed germination tests， the characteristic of seed peels treated with gibberellin， PEG， sulfuric acid and sodium hydroxide was observed， and the relationship between the low germination rate and the mechanisms of different treatments was preliminarily analyzed. [Result]Except for the cell wall of external seed peels of K.royleana seed was thin with some cracks，the other seeds were small and covered with thick and pykno peels and their protective tissues were very strong.The effects of different treatments on seeds peels were different. GA and PEG almost had no katogene to the peels，and the effect of the sulphuric acid wasnt that good，and the caustic soda had the best effects.[Conclusion]There was a close relationship between the germination rate and the seed skin under the laboratory conditions. It was pointed out that the main reason of the low germinated rates of Kobresia seeds might be that the seed peel was hard， compact， and covered with smooth thick cuticle. With the treatment of certain concentration of sodium hydroxide，the corneous layer of the seeds were abscised uniformly， the sclerenchymatous cells in the outer layers were destroyed， the cell spaces were also increased and even the compact tissues in the middle were loosen， which made the entrance of the water and oxygen into the seeds easily， thereby the germination capacity was improved.

Key wordsScanning electron microscope； Morphology characteristics； Kobresia； Germination percentage

嵩草屬（Kobresia）植物是組成青藏高原高寒地區植被的主要物種。以該屬一些植物為建群種的嵩草草甸是青藏高原主要的植被類型[1]。嵩草屬牧草是多年生草本植物，草質柔軟，營養豐富，為各類家畜所喜食，是青藏高原主要的優良牧草。其良好生長對發展當地經濟、維持青藏高原地區的生態平衡都具有重要作用[2]。然而，由于掠奪式經營、過度放牧、鼠蟲危害以及人類活動的干擾等多種原因，青藏高原草地嚴重退化，生產力水平不斷下降，生態環境也日益惡化[3-7]。目前，對于嵩草屬（Kobresia）植物資源包括嵩草屬牧草種子及其繁殖特性等方面的研究日益增多[8-16]。針對嵩草屬牧草種子小、不易觀察等特點，借助于掃描電鏡，筆者先對采自西藏的幾種嵩草種子的形態特征及其解剖特征進行了觀察與分析，然后對這幾種嵩草種子做了不同化學試劑處理，并且對處理后種子果皮再次進行了電鏡觀察。結合發芽試驗，初步探討了不同處理影響嵩草屬植物種子萌發的機理，并且提出了提高嵩草種子發芽率的方法，以期為西藏地區的草地植被及生態恢復、畜牧業發展提供幫助。

1材料與方法

1.1材料

2006年9月上旬，在西藏的那曲、當雄和浪卡子3個不同海拔地區采集喜馬拉雅嵩草、大花嵩草、藏北嵩草、短軸嵩草、線葉嵩草、矮生嵩草和高山嵩草的種子（表1）作為供試草種。將種子帶回實驗室，自然風干后裝入紙袋，室溫貯藏。

1.2 方法

1.2.1

對供試種子形態特征、解剖特征及不同處理后種子種皮特征的電鏡觀察。

取上述供試種子及不同化學試劑處理后種子若干（試劑處理方法見萌發試驗），在解剖鏡下選取一些飽滿種子，部分橫切和縱切，裝入洗凈、貼好標簽的青霉素小瓶，用濃度4%、pH 6.8的戊二醛4 ℃固定12 h；再用pH 6.8、濃度0.1 mol/L磷酸緩沖液常溫漂洗5次、每次15 min；濃度30%、50%、70%、80%、90%、95%丙酮脫水1次，時間20 min；濃度100%丙酮脫水3次，每次30 min；乙酸異戊酯置換2次，每次20 min；然后，用二氧化碳臨界點干燥儀干燥；最后，粘臺，噴金，用掃描電鏡觀察種皮、胚乳及種子縱、橫斷面結構。

1.2.2

萌發試驗。設4種試劑處理方式，即將上述7種草種分別用0.15、0.20、0.25、0.30、0.40 g/L赤霉素溶液浸種12、24、36、48 h；體積分數15%、20%、25%、30%聚乙二醇（PEG6000）溶液浸種12、24、36、48 h；體積分數49%、98%硫酸溶液浸種3、5、10 min；10、20、30、40 g/L氫氧化鈉溶液浸種0.5、1.0、2.0、3.0 h。上述處理后的種子都用自來水反復沖洗后置于4 ℃冰箱中層積1個月，以不經任何預處理的種子為對照，用2PW280B型智能植物培養箱進行發芽試驗。采用培養皿內濾紙上變溫發芽，每天光照8 h，溫度35 ℃；黑暗16 h，溫度25 ℃。每個草種每個處理取100粒種子，3次重復。逐日觀察，統計發芽情況，到第28天結束試驗，測定發芽率。

2結果與分析

2.17種嵩草種子形態結構特征及解剖特征

結合掃描電鏡圖像及肉眼觀察，發現7種嵩草種子的果皮均可分為3層。果皮最外層為大型厚壁細胞，細胞腔大而明顯，可儲存大量氣體。表面覆有角質層，厚且光滑（喜馬拉雅嵩草除外，果皮最外層表皮細胞細胞壁較薄，有裂孔）。中間一層為縱向的機械組織，排列緊密。最里層為橫向的基本組織。胚位于胚乳之中果柄一側。不同嵩草種子雖具有以上共性，但也具有不同的結構特征，其種子大小和形狀也有很大差別。

（1）喜馬拉雅嵩草。果實長梭形，具有較長的果柄和果喙，果柄側保護組織薄且疏松，厚度僅為17.4 μm（圖1a，1c）。果皮粗糙（圖1b），厚度約55 μm，最外層表皮細胞外壁有裂孔。

（2）大花嵩草。果實寬卵形，具有較長的果柄和果喙，基部（果柄）與頂部（果喙）保護組織致密層極厚，基部厚度約170 μm（圖1d，1f）。果皮極光滑、致密（圖1e），厚度約58 μm。

（3）藏北嵩草。果實形似葵花籽，具較長的果柄和果喙，果喙側保護組織厚達167 μm，基部（果柄）組織疏松，厚度48 μm（圖1g，1i）。果皮細胞突起、光滑（圖1h），厚度約84 μm。

（4）短軸嵩草。果實長圓形，果柄76 μm，果喙180 μm，基部（果柄）組織疏松且薄，厚度25 μm（圖1j，1l）。果皮細胞突起、致密（圖1k），厚度約32 μm。

（5）線葉嵩草。果實卵圓形，無明顯的果柄和果喙，果柄側致密，保護組織極厚，約80 μm，果喙側有導氣孔（圖1m，1o）。果皮細胞突起，極光滑、致密（圖1n）。果皮厚度約63 μm。

（6）矮生嵩草。果實側扁，形似南瓜子，果柄側與果喙側致密，保護組織極厚，基部致密層厚度約75 μm，頂部（果喙）有導氣孔（圖1p，1r）。果皮極光滑、致密（圖1q），厚度約77 μm。

（7）高山嵩草。果實近三棱形，無明顯果柄，果喙187 μm。果實基部與頂部（果喙）致密，保護組織極厚，約120 μm，頂部（果喙）有導氣孔（圖1s，1u）。果皮細胞突起，極光滑、致密（圖1t），厚度約88 μm。

2.2不同藥劑處理對種子表皮的作用（以藏北嵩草為例）

由圖2、3可知，不同藥劑處理對嵩草種子果皮的影響不同，赤霉素、PEG對果皮幾乎沒有機械破壞作用。由圖4可知，硫酸對果皮有一定的破壞作用，使得藏北嵩草果皮最外層細胞出現一些橫向裂孔；由圖5可知，氫氧化鈉對果皮的機械破壞效果較好，不但去掉嵩草種子角質層，而且使最外層細胞間隙加大，甚至使部分最外層大型厚壁細胞脫落。

2.37種嵩草種子的結構特征對比及不同處理的種子發芽率

由表2可知，

各嵩草種子未經任何處理試驗條件下發芽率與種子大小、地理位置、海拔高度似無直接關系，與果皮厚度關系也不大，但與果皮光滑致密度、發芽口致密層厚度呈0.05水平顯著負相關。赤霉素、PEG處理對嵩草種子發芽率沒有大的影響，一定濃度的硫酸和氫氧化鈉處理能明顯提高發芽率，其中40%氫氧化鈉處理效果較好，使得上述種子的發芽率分別由未經任何預處理的91%、0、76%、69%、14%、21%和0提高到96%、90%、93%、96%、74%、63%和50%。

3 結論與討論

根據對7種嵩草種子的形態和解剖特征以及不同處理后種子種皮特征的觀察與分析，結合發芽試驗，認為嵩草屬牧草種子試驗條件下萌發率與其種子的果皮特征關系密切。嵩草屬牧草種子果皮大多堅硬致密、外覆光滑且厚的角質層是其萌發率低的主要原因。堅硬致密的果皮雖有利于嵩草屬種子抵御嚴寒和外力破壞，也使得胚和胚乳不易獲得足夠的水和氧氣，并且阻礙胚根和胚芽穿破保護組織，限制種子的萌發。

從不同處理種子的電鏡照片可以看出，赤霉素、PEG對果皮幾乎沒有機械破壞，對嵩草屬種子的作用可能更多的是藥理性的，而與對果皮的機械破壞無關。硫酸對果皮有一定的破壞作用，使得果皮最外層細胞破裂，但對破除角質層無明顯作用。氫氧化鈉對種皮的機械破壞效果最好。首先是去角質層，使得果皮更容易吸附水分，進一步加大細胞間隙，使細胞間變得疏松，甚至去掉了果皮最外層的大型厚壁細胞，使中間縱向致密細胞層也變得疏松，水分和氧氣易于進入種子，從而提高發芽率。

研究還表明，PEG處理對上述嵩草種子發芽率沒有影響；赤霉素處理對大花嵩草、藏北嵩草、短軸嵩草、線葉嵩草、矮生嵩草和高山嵩草種子的發芽率有少許提高；一定濃度的硫酸和氫氧化鈉處理均能明顯提高發芽率，但以40 g/L氫氧化鈉的處理效果最好。

率的研究中，需要將萌發試驗與不同化學試劑處理后對種子種皮的微觀形態觀測相結合，這樣不但有利于找到提高嵩草屬種子發芽率的方法，而且有利于闡述其機理。

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