艾種子休眠及萌發特性研究

張迎芳, 晉小軍

(甘肅農業大學農學院,甘肅省干旱生境作物學重點實驗室, 蘭州 730070)

艾(ArtemisiaargyiLévl. et Van.) 又稱艾蒿、白蒿、冰臺、醫草、白艾、蘄艾等,為菊科蒿屬多年生草本植物,具有溫經止血、散寒止痛、外用祛濕止癢的功效[1],是我國傳統的中藥材,俗語稱“家有三年艾, 郎中不用來”[2],其藥用歷史悠久,在詩經中已有記載,是一種重要的民生植物,在歷代本草著作及醫書古籍中均有記載。除藥用外,我國南方地區常采艾葉來制作青團以供清明節食用, 而且隨著人們保健意識的增強,艾產品深受歡迎,得到了日本、韓國等國家的青睞[3]。艾分布廣泛,主要分布在亞洲東部,我國主產于河南、河北、湖北、湖南、安徽等省。河南的“湯陰北艾”“南陽艾”、河北祁艾和湖北“蘄艾”都以質優而聞名[4]。隨著艾藥用價值和經濟價值的不斷提升,艾的需求量不斷增加,許多地區開始人工栽培艾。目前艾栽培方式多為分株繁殖和扦插繁殖,長期進行無性繁殖會致使艾種質退化、引發病毒病、降低產量、影響品質,而通過種子繁殖可以有效的避免上述問題。

種子是植物繁衍的重要載體,其萌發由遺傳和外界環境共同決定[5],當環境條件有利于其作為幼苗生存時,種子便開始萌發,否則便進入休眠狀態度過惡劣環境。種子萌發是植物生命周期的伊始階段[6],始于種子吸脹吸水,終于胚軸伸長及胚根突出種皮[7]。萌發狀況的好壞直接決定植物建植成功與否[8]。不同植物種子因形態結構迥異,影響萌發的光照、溫度、植物激素等因素也差異較大[9]。因此,本研究針對人工栽培艾以無性繁殖為主帶來的退化現象嚴重,種子自然條件下萌發率低的問題,探索提高種子繁殖的新通道,為艾的生產和育種工作提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

艾種子采自甘肅省隴南市禮縣沙金鄉野生植株。小麥(TriticumaestivumL.)種子由甘肅農業大學農學院小麥品質實驗室提供。

1.2 試驗設計與測定方法

1.2.1千粒重測定

參照GB/T 3543.7-1995《農作物種子檢驗規程》[10]測定千粒重。

1.2.2吸水率測定

采用質量法測定種子吸水率,隨機稱取干燥艾種子2份,1份不做處理(對照),1份用砂紙磨損種皮,每個處理3次重復,每個重復50粒,分別稱重后置于蒸餾水中浸泡,每隔0.5 h精密稱重,直至重量恒定,分別計算每個時間段的吸水率。

1.2.3內含抑制物測定

參照陳紅剛等[11]的方法測定內含抑制物。稱取干燥種子2份,每份3.0 g,研磨,分別用蒸餾水和80%乙醇恒溫浸提,將浸提液蒸干,加水定容至15 mL,即得0.20 g/mL的種子浸提液。以0.20 g/mL的浸提液為母液,稀釋為0,0.05,0.10,0.15,0.20 g/mL的溶液各5 mL,每皿1.5 mL,每個濃度3次重復。以小麥種子為內含抑制物檢驗材料,隨機選取15份,每份50粒,置于備好的培養皿上,在20 ℃恒溫培養箱中培養48 h,24 h統計萌發率,48 h測量根長。

1.2.4影響種子萌發的因子測定

試驗預處理:挑選大小均勻的艾種子,在2%的氯化汞溶液消毒5 min,用無菌水沖洗3次,吸干種子表面水分,準備39個鋪有兩層濾紙的培養皿,加入適量蒸餾水,備用。

光照對種子萌發的影響:隨機選取50粒艾種子置于培養皿中,重復3次,分別置于0 h,12 h,24 h光照培養箱中培養。每24 h統計種子萌發狀況。

溫度對種子萌發的影響:隨機選取50粒艾種子置于培養皿中,重復3次,分別置于10,15,20,25 ℃和30 ℃恒溫培養箱中黑暗培養,觀察種子萌發情況。

赤霉素(GA3)對種子萌發的影響:將種子分別置于0,250,400,550,700 mg/L的GA3溶液中,室溫下浸泡24 h。用無菌水沖洗4次,擦干種子表面水分,隨機選取50粒置于培養皿中,重復3次,于20 ℃培養箱中黑暗培養。每24 h統計種子萌發狀況。

1.2.5測定指標與數據處理

吸水率/%=[(浸種后種子重量-浸種前種子重量)/浸種前種子重量]×100%;

萌發率/%=(試驗結束時萌發種子數/供試種子數)×100%;

萌發勢/%=(第7天種子萌發數/供試種子數)×100%;

萌發指數=∑(Gt/Dt),式中,Dt為萌發天數,Gt為Dt相對應的每天萌發種子數。

萌發時滯:試驗開始到第1粒種子萌發所用天數。

采用SPSS 23.0和Excel 2013軟件對數據進行統計與分析。

2 結果與分析

2.1 種子千粒重與吸水動態研究

艾種子瘦果長卵形,黑褐色,無毛,長(1.32±0.02)mm,寬(0.56±0.01)mm,千粒重為(0.052±0.003)g。由圖1可知,艾種子0～0.5 h吸水率急劇上升,1.5 h達到最高,1.5～2.0 h吸水率有所下降,2.0～3.5 h種子吸水率又有所回升,3.5 h之后種子吸水率持續下降,直至6.0 h之后趨于穩定,不做處理和打磨種皮的艾種子吸水曲線變化基本一致,吸水過程符合種子的一般吸水規律。

圖1 艾種子吸水變化規律Fig.1 Changes of water absorption of A. argyi seeds

2.2 種子內含抑制物分析

由圖2、圖3可知,隨著艾種子浸提液濃度的增大,小麥種子萌發率降低,根長也減小。當浸提液濃度達到0.2 g/mL時,醇提液和水提液對小麥種子的萌發抑制率均達到最高,小麥的萌發率分別為11.67%和19.16%,根長分別為0.5 cm和0.6 cm。醇提液和水提液濃度為0～0.05 g/mL時對小麥種子胚根伸長的抑制效果基本一致,超過0.05 g/mL之后,醇提液對小麥種子胚根的抑制效果大于水提液,且二者對小麥種子萌發和胚根伸長的抑制作用較對照均差異顯著。表明艾種子含有萌發抑制物,對小麥種子萌發和胚根伸長有抑制作用,且醇提液抑制效果大于水提液。

圖2 艾種子提取物對小麥種子萌發的影響Fig.2 Effect of A. argyi seeds extract on wheat seeds germination

圖3 艾種子提取物對小麥種子胚根生長的影響Fig.3 Effect of A. argyi seed extract on the growth of wheat seed radicle

2.3 光照對艾種子萌發的影響

由表1可知,隨著光照時間延長,艾種子萌發時滯天數增加,光照0 h艾種子1 d內即可萌發,光照時長24 h時,種子萌發需要2 d,顯著高于0 h,光照0 h艾種子萌發更快;艾種子光照0 h的萌發率顯著高于在光照12 h和24 h的萌發率,光照0 h,萌發率為56.00%,較光照24 h高40.0%,光照對艾種子的萌發有一定的抑制作用;光照0 h艾種子萌發勢為48.67%,較光照24 h高39%,光照0 h艾種子萌發指數為45.54,較光照24 h高48.19%。

2.4 溫度對艾種子萌發的影響

由圖4可知,溫度越高,萌發時滯天數越短,20、25、30 ℃萌發時滯天數各為1 d,顯著低于10 ℃和15 ℃,表明20～30 ℃艾種子萌發更快;隨溫度升高,艾種子萌發率呈先增后降的趨勢,25 ℃萌發率最高,為43.33%,顯著高于其他處理,10 ℃萌發率最低,為24.67%,較25 ℃顯著降低43.06%;艾種子萌發勢隨溫度升高呈先增后減的趨勢,25 ℃萌發勢最高,為39.33%,顯著高于其他處理,10 ℃最低,為10.67%,較25 ℃低72.87%,表明艾種子在25 ℃時萌發整齊,出苗一致;艾種子在25 ℃下萌發指數最高,為43.73,顯著高于其他溫度下的萌發指數,高于10 ℃下的萌發指數2.5倍。25 ℃為艾種子萌發的最佳溫度。

圖4 溫度對艾種子萌發的影響Fig.4 Effects of temperature on germination of A. argyi seeds

2.5 GA3濃度對艾種子萌發的影響

從表2可以看出,艾種子經梯度濃度的GA3溶液浸泡后,其萌發率明顯提高。隨著 GA3濃度梯度上升,艾種子的萌發率呈先升后降的趨勢。當用400 mg/L GA3浸泡艾種子后,萌發率最高,為52.00%,較對照高 20%,且差異顯著。700 mg/L GA3溶液浸種后,其萌發率最低,為39.33%,較對照低10.17%。

表2 GA3對艾種子萌發的影響Table.2 Effects of gibberellin on germination of A. argyi seeds

隨著GA3濃度遞增,艾種子萌發勢變化趨勢與萌發率變化趨勢一致,用400 mg/L GA3處理,其萌發勢最高,為48.67%,顯著高于對照19.19%。且其他各處理的艾種子萌發勢較對照差異顯著。700 mg/L GA3溶液浸種后,萌發勢最低,為35.33%,較對照低27.40%。

艾種子萌發指數隨GA3濃度遞增呈先增后減的趨勢,用400 mg/L GA3浸種后,其萌發指數最高,為66.62,顯著高于對照52.34%。700 mg/L GA3溶液浸種后,其萌發指數最低,為45.31 ,較對照低3.49%。

3 討論與結論

種子物理休眠是種子的覆蓋組織限制水分進入種子內部所導致的休眠[14],一般認為,當種子吸水率達到 36%,種皮便不會影響種子正常萌發[12]。本研究中,不做處理和種皮受損的艾種子吸水變化大致相同, 1.5 h吸水率均達到最大,吸水6 h后均趨于穩定。說明艾種子不存在透水障礙。種子生理休眠是種子自身含有較高濃度的萌發抑制物[13-14]所導致的,艾種子浸提液顯著抑制小麥種子發芽和胚根伸長,說明艾種子含有萌發抑制物,且醇提物抑制效果更顯著。但是,萌發抑制物質種類繁多[15],艾種子的內源性抑制物種類還需進一步分析驗證。

光照是否為種子萌發的必要條件由遺傳性質和環境因子等多個因素共同決定[16],光照對某些種子萌發是不可或缺的,如碎米莎草缺乏光照將停止萌發,光照可顯著促進其種子萌發[17],當溫度為25～30 ℃時,光照可顯著提高光葉紫花苕種子萌發率[18];對某些種子光照為非必需因子,如苘麻[19]種子萌發對光照不敏感;但有的會產生抑制作用,如救荒野豌豆[20]、醉馬草[21]在黑暗條件下萌發指標更高。本研究與劉雪松[21]對醉馬草種子研究結果相似,說明黑暗條件更適合艾種子萌發。

溫度是種子萌發中必不可少的因素[22],種子萌發過程需多種酶催化發生一系列物質轉化和能量傳遞[23],而溫度可調節細胞膜通透性及酶活性影響種子萌發[24],適宜溫度可激發酶活性,促進種子萌發[25]。本研究與張愛冬等[26]研究結果相似,艾種子的適宜萌發溫度為15～25 ℃。

GA3是一種在植物體內廣泛存在的生長激素,在種子萌發時,由束縛型轉變為游離型來調控酶蛋白的合成以及內源生長調節物質的分泌[27],激活氧化還原代謝酶,加速能量代謝,促使種子休眠狀態轉化為生長狀態[28-29],提早解除休眠,但高濃度的GA3溶液在一定程度上抑制種子萌發[30]。陳建新等[31]研究發現,50 mg/L的GA3處理沙棗種子2 d,各萌發指標均顯著高于對照水平。本研究結果表明, 400 mg/L的GA3浸泡艾種子24 h,艾種子的各萌發指標均達到最佳水平。

綜上所述,艾種子的種皮對其吸脹沒有障礙,種子內部含有的抑制物質,光照、溫度和GA3是決定艾種子萌發狀況的主要因素。400 mg/L的GA3處理,置于25 ℃的黑暗條件,為艾種子萌發的最佳條件。