初生休眠解除狀態(tài)和干燥處理對(duì)水曲柳種子萌發(fā)的影響

盧 艷 閆 月 崔程程 張 鵬

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040)

種子休眠是指具有正常生活力的種子在適宜條件下不能萌發(fā)的現(xiàn)象[1]。種子休眠依據(jù)休眠形成因素的不同，分為初生休眠和次生休眠[2]。休眠可以防止種子在惡劣的環(huán)境中萌發(fā)[3]，這對(duì)種子保持其自身的繁衍能力極為有利，但種子休眠給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大不便，播種前必須打破休眠。

水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)是東北地區(qū)重要的珍貴用材樹種，是“東北三大硬闊”之一，具有重要的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)價(jià)值。水曲柳主要通過種子繁殖，由于其種子具有生理形態(tài)休眠，休眠程度較深，播種前需進(jìn)行變溫層積處理打破初生休眠[4]。有研究表明，解除初生休眠的水曲柳種子在較高溫(20℃以上恒溫)條件下萌發(fā)會(huì)進(jìn)入次生休眠(熱休眠)[5]，生產(chǎn)中播種時(shí)如遇較高溫天氣，種子會(huì)進(jìn)入熱休眠，嚴(yán)重影響育苗生產(chǎn)。

目前對(duì)水曲柳種子初生休眠[4,6～9]和次生休眠[10]的解除方法已有一定研究，但水曲柳種子初生休眠的解除狀態(tài)對(duì)種子次生休眠是否有影響尚不清楚。以往研究發(fā)現(xiàn)解除休眠的水曲柳種子經(jīng)室溫干燥處理后發(fā)芽率和發(fā)芽時(shí)間與干燥前相比沒有明顯變化，這一研究結(jié)果表明已解除休眠的水曲柳種子可以進(jìn)行再干燥處理[11]。解除休眠的水曲柳種子經(jīng)干燥處理后可以隨時(shí)進(jìn)行播種育苗，方便播種育苗工作的進(jìn)行，但干燥處理對(duì)初生休眠解除狀態(tài)不同的水曲柳種子萌發(fā)的影響是否相同有待驗(yàn)證。

本文以具有初生休眠的水曲柳種子為試驗(yàn)材料，研究經(jīng)不同裸層積和干燥處理的水曲柳種子在適宜溫度和較高溫條件下的萌發(fā)表現(xiàn)，擬解決以下問題：①確定初生休眠解除狀態(tài)不同的水曲柳種子在不同溫度下的萌發(fā)表現(xiàn)是否相同；②確定干燥處理對(duì)初生休眠解除狀態(tài)不同的水曲柳種子萌發(fā)的作用。通過上述研究，可以為水曲柳播種育苗工作中的種子處理提供技術(shù)參考，對(duì)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)有一定的意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用種采自吉林省露水河林業(yè)局成年水曲柳母樹上，種子進(jìn)行4種裸層積處理(視為種子初生休眠解除狀態(tài)不同)，①暖溫(18℃，下同)10周+低溫(5℃，下同)8周，記為W10+C8；②暖溫12周+低溫8周，記為W12+C8；③暖溫10周+低溫10周，記為W10+C10；④暖溫12周+低溫10周，記為W12+C10，以層積處理結(jié)束后的種子為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)方法

種子經(jīng)層積處理結(jié)束后分為兩組，一組立即進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)；另一組置于室溫(20～23℃)條件下自然陰干4 d(含水率為7%～8%)，然后將干燥處理的種子用自來水浸泡48 h后進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。

發(fā)芽試驗(yàn)：將種子用0.5% KMnO4溶液浸泡消毒30 min，隨后將種子上的KMnO4用自來水沖洗干凈。每種處理4次重復(fù)，25粒種子/重復(fù)，將種子置于培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中，培養(yǎng)皿底部墊有一層濾紙，將培養(yǎng)皿放在無光照的人工氣候箱中，設(shè)置2種萌發(fā)溫度：①10℃(水曲柳種子的適宜萌發(fā)溫度)；②25℃(誘導(dǎo)種子進(jìn)入熱休眠的溫度)培養(yǎng)7 d后轉(zhuǎn)10℃。每天觀察記錄種子的萌發(fā)情況，以胚根突破種皮超過2 mm作為萌發(fā)標(biāo)志。在種子置床后的第30天計(jì)算最終的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時(shí)間。計(jì)算公式如下：

發(fā)芽率(GR)=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù)×100%

(1)

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(ng/tg)

(2)

平均發(fā)芽時(shí)間(MGT)=∑(ng×tg)/∑ng

(3)

式中:tg為發(fā)芽時(shí)間(d)，ng為與tg相對(duì)應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010(Microsoft)進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用SPSS Statistics 20.0(IBM)進(jìn)行層積處理與干燥處理對(duì)水曲柳種子萌發(fā)能力影響的方差分析，方差分析結(jié)果顯著時(shí)，采用Duncan法進(jìn)行多重比較分析。其中發(fā)芽率為百分?jǐn)?shù)，對(duì)其進(jìn)行反正弦平方根轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同層積及干燥處理的水曲柳種子在適宜溫度下的萌發(fā)表現(xiàn)

萌發(fā)溫度為10℃時(shí)，層積處理、干燥處理以及兩者的交互作用對(duì)水曲柳種子發(fā)芽率的影響均極顯著(P<0.01)(如表1所示)。未經(jīng)干燥處理的種子，層積時(shí)間越長種子發(fā)芽率越高，W12+C10處理種子發(fā)芽率顯著高于其他層積處理，其他層積處理之間種子發(fā)芽率差異不顯著(如表2所示)。干燥處理的種子，干燥前后種子發(fā)芽率變化受種子低溫層積時(shí)間影響，低溫層積時(shí)間較短(8周)的種子經(jīng)干燥處理后發(fā)芽率沒有明顯變化，低溫層積時(shí)間較長(10周)的種子經(jīng)干燥處理后發(fā)芽率顯著下降(如表2所示)。

表1 不同溫度下層積與干燥處理組合對(duì)水曲柳種子萌發(fā)能力影響的方差分析

Table 1 Variance analysis of the effect of the combination of stratification and drying treatment on the germination ability ofF.mandshuricaseeds at different temperatures

變異來源Sourceofvariation10℃25℃培養(yǎng)7d后轉(zhuǎn)10℃Cultivatedat25℃for7dandthentransferedto10℃發(fā)芽率Germinationrate發(fā)芽指數(shù)Germinationindex發(fā)芽時(shí)間Germinationtime發(fā)芽率Germinationrate發(fā)芽指數(shù)Germinationindex發(fā)芽時(shí)間Germinationtime層積處理Stratification0.0070.0210.0220.0140.0510.399干燥處理Dryingtreatment<0.001<0.001<0.001<0.0010.0010.055層積處理?干燥處理Stratification?Dryingtreatment<0.0010.0010.3670.0090.0060.057R20.8120.8420.6790.8220.6260.429

表2 不同層積及干燥處理的水曲柳種子在10℃下的萌發(fā)情況

Table 2 Germination ofF.mandshuricaseeds under different stratification and drying treatments at 10℃

干燥處理Dryingtreatment層積處理Stratification發(fā)芽率Germinationrate(%)發(fā)芽指數(shù)Germinationindex發(fā)芽時(shí)間Germinationtime(d)否NoW10+C888.00±3.65b3.61±0.30b7.08±0.53W12+C889.00±1.92b4.00±0.28b6.22±0.30W10+C1089.00±4.73b3.55±0.24b7.06±0.37W12+C1099.00±1.00a5.01±0.13a5.34±0.12是YesW10+C890.00±1.15b2.75±0.17c9.13±0.76W12+C892.00±1.63b2.91±0.18c8.49±0.58W10+C1076.00±1.63c2.62±0.09c8.00±0.36W12+C1068.00±1.63c2.41±0.12c7.80±0.31

注：表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。同列不同字母表示采用Duncan法進(jìn)行多重比較差異顯著(P<0.05),下同。

Note:The figures in the table are mean±standard error.The different small letters in a column indicate significant difference at 0.05 level,the same as below.

層積處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽指數(shù)的影響顯著(P<0.05)，干燥處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽指數(shù)的影響極顯著(P<0.01)，層積處理與干燥處理的交互作用對(duì)水曲柳種子發(fā)芽指數(shù)的影響極顯著(P<0.01)(見表1)。未經(jīng)干燥處理的種子，層積時(shí)間越長種子發(fā)芽指數(shù)越高，W12+C10處理種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于其他層積處理，其他層積處理之間種子發(fā)芽指數(shù)差異不顯著(見表2)。干燥處理的種子，干燥前后種子發(fā)芽指數(shù)變化不受種子低溫層積時(shí)間的影響，各處理間種子發(fā)芽指數(shù)差異不顯著，但干燥處理種子的發(fā)芽指數(shù)顯著降低(見表2)。

層積處理與干燥處理的交互作用對(duì)水曲柳種子發(fā)芽時(shí)間的影響不顯著(P>0.05)，但層積處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽時(shí)間的影響顯著(P<0.05)，干燥處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽時(shí)間的影響極顯著(P<0.01)(見表1)。干燥處理極顯著地延長了種子發(fā)芽時(shí)間，無論種子是否經(jīng)過干燥處理，層積時(shí)間越長的種子發(fā)芽時(shí)間越短(見表2)。

2.2 不同層積及干燥處理的水曲柳種子經(jīng)較高溫培養(yǎng)7 d后轉(zhuǎn)入適宜溫度下的萌發(fā)表現(xiàn)

萌發(fā)條件為25℃培養(yǎng)7 d后轉(zhuǎn)10℃時(shí)，層積處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽率的影響顯著(P<0.05)，干燥處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽率的影響極顯著(P<0.01)，層積處理與干燥處理的交互作用對(duì)水曲柳種子發(fā)芽率的影響極顯著(P<0.01)(見表1)。未經(jīng)干燥處理的種子，層積時(shí)間最長(22周)的種子發(fā)芽率最高，其他層積處理之間種子發(fā)芽率差異不顯著(見表3)。干燥處理的種子，干燥前后種子發(fā)芽率變化受種子低溫層積時(shí)間影響，低溫層積時(shí)間較短(8周)的種子干燥處理后發(fā)芽率有明顯下降，平均下降約45%，而低溫層積時(shí)間較長(10周)的種子干燥處理后發(fā)芽率急劇下降，平均下降約73%(見表3)。

層積處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽指數(shù)的影響不顯著(P>0.05)，干燥處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽指數(shù)的影響極顯著(P<0.01)，層積處理與干燥處理的交互作用對(duì)水曲柳種子發(fā)芽指數(shù)的影響極顯著(P<0.01)(見表1)。未經(jīng)干燥處理的種子，層積時(shí)間越長種子發(fā)芽指數(shù)越高，W12+C10處理種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于其他層積處理，其他層積處理之間種子發(fā)芽指數(shù)差異不顯著(見表3)。干燥處理的種子，干燥前后種子發(fā)芽指數(shù)變化不受種子低溫層積時(shí)間的影響，各處理間種子發(fā)芽指數(shù)差異不顯著。除W12+C10處理外，其他層積處理種子的發(fā)芽指數(shù)不受干燥處理的影響，但W12+C10處理種子發(fā)芽指數(shù)受干燥處理影響較大(見表3)。

層積處理、干燥處理以及兩者的交互作用對(duì)水曲柳種子發(fā)芽時(shí)間的影響均不顯著(P>0.05)(見表1)。

表3 不同層積及干燥處理的水曲柳種子經(jīng)較高溫培養(yǎng)7 d后轉(zhuǎn)入適宜溫度下的萌發(fā)情況

Table 3 Germination ofF.mandshuricaseeds with different stratification and drying treatments at appropriate temperature after 7 d of higher temperature culture

干燥處理Dryingtreatment層積處理Stratification發(fā)芽率Germinationrate(%)發(fā)芽指數(shù)Germinationindex發(fā)芽時(shí)間Germinationtime(d)否NoW10+C854.00±3.83ab0.89±0.04b15.66±0.41W12+C846.00±3.46b0.75±0.13bc17.17±0.65W10+C1040.00±6.32bc0.75±0.14bc13.94±0.30W12+C1067.00±6.81a1.74±0.36a13.81±0.29是YesW10+C830.00±4.76c0.82±0.31bc14.19±1.64W12+C825.00±3.42cd0.63±0.08bc12.71±1.32W10+C1013.00±5.26e0.25±0.10c15.23±0.97W12+C1014.00±2.00de0.34±0.05bc13.35±0.50

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)溫度為適宜溫度或較高溫條件下，干燥處理對(duì)水曲柳種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)的影響均極顯著，表明在不同溫度下種子的萌發(fā)會(huì)受到干燥處理的影響。萌發(fā)溫度為適宜溫度或較高溫條件下，不經(jīng)干燥處理的種子中，層積時(shí)間最長(22周)的種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)最高，發(fā)芽時(shí)間最短，表明層積時(shí)間越長種子的萌發(fā)能力就越強(qiáng)，種子初生休眠的解除程度越充分。種子的休眠與萌發(fā)受植物激素含量調(diào)控，其中脫落酸(ABA)具有誘導(dǎo)、維持種子休眠和抑制種子萌發(fā)的作用[11～12]，而赤霉素(GA)具有解除種子休眠的作用，并且通過拮抗ABA促進(jìn)種子萌發(fā)[3,13]。有研究表明水曲柳種子休眠與種子中存在長鏈脂肪酸(亞油酸、油酸)等天然發(fā)芽抑制物有關(guān)[14]，今后的研究中可以通過測(cè)定種子初生休眠的解除過程中激素、抑制物含量變化來闡釋種子初生休眠的解除程度與萌發(fā)之間的關(guān)系。經(jīng)過干燥處理，層積時(shí)間越長的種子發(fā)芽率下降越明顯，低溫層積時(shí)間較長(10周)的種子發(fā)芽率下降幅度大于低溫層積時(shí)間較短(8周)的種子。由此，可以回答本研究提出的第一個(gè)問題，初生休眠解除狀態(tài)不同的水曲柳種子在不同溫度下的萌發(fā)表現(xiàn)具有相似的規(guī)律，種子的萌發(fā)都會(huì)受到干燥處理的影響。不經(jīng)干燥處理的種子解除休眠越充分，其萌發(fā)能力就越強(qiáng)，但層積處理后的種子若經(jīng)過干燥處理，則解除休眠越充分(尤其是低溫時(shí)間越長)種子萌發(fā)能力下降越多。

本研究發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)溫度為適宜溫度時(shí)，干燥處理前后，種子發(fā)芽率平均下降約11%，發(fā)芽指數(shù)平均下降約34%；萌發(fā)溫度為較高溫時(shí)，干燥處理前后，種子發(fā)芽率平均下降約60%，發(fā)芽指數(shù)平均下降約50%；萌發(fā)溫度為適宜溫度或較高溫條件下，層積時(shí)間最長的種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)下降幅度最大。由此可以回答本研究提出的第二個(gè)問題，干燥處理會(huì)降低水曲柳種子的萌發(fā)能力，尤其是較高溫條件下的萌發(fā)能力，初生休眠解除越充分的種子萌發(fā)受干燥處理影響越大。而以往研究發(fā)現(xiàn)解除休眠的水曲柳種子經(jīng)室溫干燥處理后發(fā)芽率和發(fā)芽時(shí)間與干燥前相比沒有明顯變化，該試驗(yàn)材料為20℃層積3個(gè)月后轉(zhuǎn)入5℃層積3個(gè)月的水曲柳種子[15]，本研究與之產(chǎn)生不同結(jié)果的原因可能是初生休眠解除狀態(tài)不同的水曲柳種子的萌發(fā)能力對(duì)干燥處理的響應(yīng)不同。

有研究表明擬南芥種子次生休眠的誘導(dǎo)受種子初生休眠狀態(tài)的影響[16]，本研究發(fā)現(xiàn)，未干燥的種子經(jīng)過較高溫培養(yǎng)后，各層積處理的種子萌發(fā)表現(xiàn)不同，表明初生休眠解除狀態(tài)不同的水曲柳種子的萌發(fā)能力對(duì)熱休眠的響應(yīng)不同，即水曲柳種子熱休眠的誘導(dǎo)同樣受種子初生休眠狀態(tài)的影響。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，萌發(fā)溫度為較高溫條件下，層積處理顯著影響水曲柳種子的發(fā)芽率，但對(duì)發(fā)芽指數(shù)沒有顯著影響；而干燥處理極顯著地影響種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，表明水曲柳種子次生休眠(熱休眠)的誘導(dǎo)受種子初生休眠解除狀態(tài)的影響較小，受干燥處理影響較大。

種子脫水干燥是一個(gè)復(fù)雜的生理生化過程，有研究表明低溫或快速脫水會(huì)引起水曲柳種子萌發(fā)能力下降，其原因是細(xì)胞膜透性和丙二醛含量增加，種子中可溶性蛋白含量和胚中抗氧化酶活性降低，從而引起了種子萌發(fā)能力下降[17]。還有研究表明許多種子脫水耐性與植物抗氧化系統(tǒng)(抗氧化酶、非酶類抗氧化物質(zhì))[18～20]、可溶性糖(蔗糖、棉子糖、水蘇糖、寡糖等)[21～23]、蛋白質(zhì)(發(fā)育晚期豐富蛋白、熱休克蛋白、油脂性蛋白等)[23～25]、分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[26]等有關(guān)，還有研究發(fā)現(xiàn)綠豆種子脫水耐性與程序性細(xì)胞死亡(PCD)有關(guān)[27]。初生休眠解除狀態(tài)不同的水曲柳種子的萌發(fā)能力對(duì)干燥處理響應(yīng)的生理機(jī)制可以從以上幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。有研究表明適宜濃度的氯化鈣、ABA和蔗糖預(yù)處理能夠提高水曲柳種子低溫脫水后的萌發(fā)能力[28]，在今后的研究中可以與本研究結(jié)果相結(jié)合，以期探索出最佳的種子脫水干燥處理方法。

綜上所述，初生休眠解除狀態(tài)不同的水曲柳種子在不同溫度下的萌發(fā)表現(xiàn)具有相似的規(guī)律，種子的萌發(fā)都會(huì)受到干燥處理的影響。不經(jīng)干燥處理的種子解除休眠越充分，其萌發(fā)能力就越強(qiáng)，但層積處理后的種子若經(jīng)過干燥處理，則解除休眠越充分(尤其是低溫時(shí)間越長)，種子萌發(fā)能力下降越多。水曲柳種子次生休眠(熱休眠)的誘導(dǎo)受種子初生休眠解除狀態(tài)的影響較小，但受干燥處理影響較大。干燥處理會(huì)降低水曲柳種子的萌發(fā)能力，尤其是較高溫條件下的萌發(fā)能力，初生休眠解除越充分的種子萌發(fā)受干燥處理影響越大。生產(chǎn)中如需對(duì)解除休眠的種子干燥貯藏，選擇低溫層積時(shí)間較短的處理為好，若從節(jié)省層積時(shí)間的角度考慮，建議選擇暖溫10周+低溫8周的層積方法。