不同外源激素處理對沙米種子萌發及胚根生長的影響

張德魁,馬全林,魏林源,陳芳,唐衛東,張衛星,宋德偉,胥寶一

(甘肅省治沙研究所甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室培育基地,蘭州 730070)

沙米(Agriophyllumsquarrosum)是藜科沙蓬屬的一年生草本植物[1],具有耐干旱、耐貧瘠、適應性強的特點,是沙地植被群落演替的先鋒植物[2],在沙地荒漠生態系統中起著不可或缺的作用。沙米不僅具有重要的生態價值,同時具有重要的經濟開發價值,兼有藥用、食用、飼用和防風固沙等多種功能,是干旱沙區的重要野生經濟植物資源[3]。關于沙米種子的研究主要有生物學特性、生理生態適應特性、種子萌發、土壤種子庫、化學成分及生物活性等[4-9]。沙米種子萌發存在明顯的休眠特性,在自然條件下即使滿足發芽的條件,沙米種子也不會全部集中發芽,這是為適應沙地特殊的環境條件而形成的[10],但這種特性對人工馴化栽培卻帶來一定障礙,人工栽培需要萌發速度快,出苗整齊,植株生長期和成熟期在時間上一致,保證按時脫粒收獲。

通常在農業生產中施用外源植物生長調節劑是最為有效的調控手段[11]。外源激素是一類具有生理調節功能的植物生長調節劑,能控制植物生長和調節生理等,如赤霉素(GA3)、氟啶酮(FL)等可打破植物種子的休眠和提高種子的活力[12],GA3的主要生理作用有促進植物生長,特別是促進細胞伸長[13]。FL是一種脫落酸(ABA)合成抑制劑,用其處理種子,可以打破種子休眠,參與種子休眠的調控[14]。趙程等[15]對肉蓯蓉種子萌發研究認為,單一GA3或FL處理均可對肉蓯蓉種子發芽起促進作用,但兩者的協同誘導效果更明顯。有學者針對GA3和FL協同誘導植物種子萌發在巫山淫羊藿種子[16]、羊草種子[17]等也開展了一定的研究,但兩者的協同誘導作用對沙米種子的萌發效果尚未見報道。農作物在種子萌發或植株生長過程中,經常受土壤、施肥、逆境等影響,導致幼苗胚根或根系生長受到抑制或損傷,影響植株生長和產量的形成,生產中促進胚根生長的技術研究和利用產品較少,沙米作為野生植物變家化栽培中,胚根的生長發育研究也十分重要。為此,通過不同濃度外源激素對沙米種子處理,研究沙米種子萌發及胚根伸長生長的變化規律,以在確定影響沙米種子萌發及胚根伸長生長的因素,探尋適宜的破除沙米種子休眠并能快速扎根生長的外源激素及濃度,為沙米的人工馴化栽培提供理論基礎和數據參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為2018年冬季民勤沙井子地區沙地上采集,自然風干后裝種子袋中自然溫度下保存,因沙米種子休眠對低溫較敏感,若低溫保存有打破種子休眠促進萌發的作用,因此本試驗所用種子選擇自然溫度下保存。在保存的種子中隨機選取數出1 000粒種子在分析天平上稱量,5次重復,取其平均數,測得沙米種子千粒重1.036 g。

供試試劑有GA3(上海士鋒生物科技有限公司),實驗室專用,純度≥90%;FL(SIGMA,CAS#59756-60-4,GC≥98%)。

試驗儀器有人工氣候室植物培養箱(泰斯特電熱恒溫培養箱DH5000(B)II)、普通型濾紙和直徑為90 mm的玻璃培養皿。

1.2 試驗設計

2019年4月,從保存的種子袋中取出2018年冬季收獲貯藏的供試沙米種子,將種子沖洗干凈,用2%次氯酸鈉溶液浸泡種子5 min消毒,后用無菌蒸餾水沖洗3次,再用無菌濾紙吸干種子表面水分,備用。試驗設15個處理,以蒸餾水浸泡為對照(CK),不同外源激素及濃度對沙米種子的處理如表1所示。在培養皿中平鋪濾紙兩層作為沙米種子萌芽的芽床,每處理20粒種子,3次重復,種子在培養皿中均勻分布開,不能讓種子靠在一起,以方便觀測萌發數量和胚根伸長長度觀測,放置于人工氣候室中,氣候室溫度控制在25 ℃,相對空氣濕度控制在60%～80%,試驗過程中適量在濾紙上添加蒸餾水,保持濾紙濕潤。

表1 不同外源激素和濃度對沙米種子的處理Table 1 Treatment of Agriophyllum squarrosum seeds with different exogenous hormones and concentrations

1.3 測定指標

試驗布置后以胚根突破種皮2 mm為萌發標準,種子置培養皿后每12 h觀測1次,記錄每次的種子萌發數量,每次觀測時依據培養皿中的水分情況適量補充蒸餾水,防止種子缺水干旱死亡,并對培養皿中的沙米種子胚根伸長情況用高清照相機拍照,拍照時培養皿底部放一張標準方格紙,保存好照片備用。種子萌發試驗結束后,根據記錄和觀測結果,分別計算種子發芽率(GR)、發芽勢(GE)、發芽指數(GI)[18]、活力指數(VI)、相對胚根長等指標,計算公式分別為

(1)

式(1)中:F為正常發芽粒數;W為供試種子總數

(2)

式(2)中:Ges為發芽初期(3d)萌發種子粒數。

(3)

式(3)中:Gt為處理t日的發芽數;Dt為相應的發芽日數;GI值越大,發芽速度越快,種子的活力越高。

(4)

式(4)中:Sa為胚根平均長度。

利用AutoCAD軟件的畫圖和測量功能對胚根長度進行測量(圖1,T8處理,培養84 h照片),將前述備用的照片導入AutoCAD制圖軟件中,按培養皿下方的標準方格紙(或直尺)尺寸對導入的圖片尺寸進行校對[圖1(a)],運用CAD的描圖功能對沙米種子伸長的胚根進行描畫,描畫每粒種子的胚根時可在電腦屏幕上盡可能放大所描畫的胚根后描畫,減小描畫帶來的誤差,描畫后的曲線可代表伸長的胚[圖1(b)],描畫每組處理時要完全對應處理號和重復編號,再利用CAD的測量功能測得曲線的長度,輸入命令list回車,鼠標選擇所描胚根曲線,回車確認后彈出的窗口中顯示該曲線的長度[圖1(c)],測得的曲線長度記為該胚根該培養時間段的伸長長度,每個培養皿中有20粒種子,記錄胚根長度時每個培養皿中選擇10粒最長的進行描畫測量,用Excel表格分別記錄每種處理(3次重復)各培養時段(24,36,48,…,108 h)的胚根長度,記錄統計胚根伸長進度情況。

圖1 利用AutoCAD軟件測量胚根長步驟Fig.1 Step diagram of measuring radicle length with AutoCAD software

1.4 數據處理

試驗數據采用SPSS19.0進行單因素ANOVA方差分析,SSR法檢驗差異顯著性,Excel2007電子表格和SPSS19.0制圖。

2 結果與分析

2.1 不同外源激素處理沙米種子萌發率的影響

不同外源激素處理后的沙米種子,除T6和T2處理外,其他處理均比對照(CK)提高了沙米種子的萌發率(圖2)。其中,T11～T15處理的萌發效果最佳,處理后24 h萌發率分別達到65%、56%、78%、83%和78%,處理后48 h萌發率分別達84%、86%、89%、99%和96%,處理后72 h達到種子的萌發高峰,萌發率分別是86%、88%、92%、100%和96%;其次是T1、T10、T5、T4和T3處理,萌發率由處理后24 h的49%、49%、40%、38%和35%迅速提高到處理后48 h的89%、95%、85%、77%和72%,處理后72 h均達到種子的萌發率高峰,分別達到94%、98%、99%、94%和75%;T9、T8和T7處理開始時間種子萌發率較低,處理后24 h萌發率只有27%、15%和9%,處理后36 h也只有37%、19%和12%,但到處理后48 h種子快速萌發,萌發率上升到92%、63%和55%,已有超過一半的種子萌發。T6和T2的處理效果最差,處理后192 h種子萌發率也才只有27%和58%,而CK在處理后192 h的萌發率是65%,兩個處理的萌發率低于CK,不受外源激素的干擾,沙米種子萌發率在各萌發時間段都是均勻平緩的在提升萌發率,這是由沙米生長環境經過長期演化,為適應環境生長而形成的生長適應機制。

圖2 不同外源激素處理沙米種子萌發率變化圖Fig.2 Variation of germination rate of Agriophyllum squarrosum seeds treated with different exogenous hormones

總體看,不同外源激素處理沙米種子的萌發率變化,在處理后24、36、48 h這3個時間段是沙米種子萌發率變化最大時期,尤其從處理后36 h到48 h這個時間段是不同外源激素處理后沙米種子迅速萌發的關鍵時間段,大多數沙米種子在這個時間段萌發,萌發率快速提升階段。不同外源激素處理沙米種子,萌發率高低的排序為(192 h的萌發率)T14>T9>T5>T10>T15>T1>T4>T13>T12>T11>T8>T7>T3>CK>T2>T6。

2.2 不同外源激素處理沙米種子發芽勢的影響

發芽勢是指在發芽過程中日發芽種子數達到最高峰時,發芽的種子數占供測樣品種子數的百分率。沙米種子用激素處理后一般3 d為發芽高峰期(圖3),除T6處理的發芽勢低于CK外,其他處理沙米種子的發芽勢均高于CK,其中T9和T14兩種處理的發芽勢最高均達到100%,其次是T5、T10、T15、T1、T4和T13,發芽勢分別為99%、98%、96%、94%、94%和92%,比CK組分別提高了215.22%、213.04%、208.70%、204.43%、204.35%和200.00%,各處理與對照相比均有很高的發芽勢,且達到對照的2倍以上。T6處理的發芽勢最低,僅為23%,只有CK組發芽勢的50.00%,其次發芽勢較低的是T2處理,發芽勢為50%,與CK組差異不顯著,其他處理組均與CK組差異顯著(P<0.05),用不同外源激素處理沙米種子,可有效提高沙米種子的發芽勢。各處理依據發芽勢大小排序結果為T14>T9>T5>T10>T15>T1>T4>T13>T12>T11>T8>T7>T3>T2>CK>T6。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)圖3 不同外源激素處理沙米種子的發芽勢Fig.3 Germination potential of Agriophyllum squarrosum seeds treated with different exogenous hormones

2.3 不同外源激素處理沙米種子發芽指數的影響

發芽指數是種子的活力指標。發芽指數高,種子的活力就高。不同外源激素處理對沙米種子發芽指數的影響變化規律與其對發芽勢的變化規律大體相似(圖4),個別處理的發芽指數值大小排序與發芽勢大小排序有變化,T6處理的發芽指數為4.67,低于CK的發芽指數12.89外,其他處理沙米種子的發芽指數均高于CK,且差異顯著,其中,T14發芽指數值最高,其值為30.86,其次是T15和T5,發芽指數值分別為30.34和30.14,各處理發芽指數值大小排序結果為T14>T15>T5>T4>T13>T1>T10>T12>T11>T9>T3>T8>T7>T2>CK>T6。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)圖4 不同外源激素處理沙米種子的發芽指數Fig.4 Germination index of Agriophyllum squarrosum seeds treated with different exogenous hormones

2.4 不同外源激素濃度對沙米胚根長的影響

不同外源激素處理沙米種子,其胚根伸長長度有差異(圖5),其中,T13、T11、T14、T9、T12、T5、T1和T15處理沙米胚根長的生長均優于對照CK,其中T13和T11處理下的沙米種子胚根伸長長度最大,處理后108 h胚根的總長度平均達到69.28 mm和54.91 mm,胚根的長度與時間呈顯著的線性關系,分別可用公式y=0.688x-3.193 5(R2=0.980 4),其中,y為胚根的長度,單位:mm,x為胚根生長時間,單位:12 h,下同)和y=0.515 6x+0.673 4(R2=0.986 3)表示,其次是T14和T9處理,處理后108 h胚根的總長度平均達到43.84 mm和39.96 mm,胚根的長度與時間呈顯著的線性關系,分別可用公式y=0.388 8x-0.144 9(R2=0.974 2)和y=0.395 4x+2.539 6(R2=0.957 7)表示。T12、T5、T1和T15處理108 h胚根的平均總長度分別為45.88 mm、37.65 mm、32.40 mm和32.76 mm,胚根的長度與時間呈顯著的線性關系,分別可用公式y=0.353 1x+0.956 7(R2=0.661 5)、y=0.301 2x+4.820 4(R2=0.970 6)、y=0.281 1x+4.416 8(R2=0.942 6)和y=0.226 3x+3.907 5(R2=0.891 4)。不同外源激素濃度處理沙米種子12 h內只有T6處理的種子沒有萌發,胚根無伸長發生,其余處理均有萌發,且胚根長度在3.84～6.59 mm生長。

圖5 不同外源激素處理下沙米胚根伸長進度Fig.5 Radicle elongation progress of Agriophyllum squarrosum under different exogenous hormone treatments

3 結果

適宜濃度FL處理可有效破除沙米種子的休眠促進其萌發,FL濃度為0.1～5 mg/L,隨著濃度的增加種子發芽率也在增加,濃度為10 mg/L時種子發芽率比5 mg/L時的低;0.5 mg/L濃度的FL溶液浸泡處理沙米種子,浸泡時間為3～24 h,隨著浸泡時間的增加,種子的發芽率在增加,但浸泡3 h(T2)破除休眠效果差,種子的發芽率低于對照(CK),浸泡6 h以上效果明顯,發芽率均高于對照。GA3+FL的混合疊加液處理沙米種子,破除休眠效果最佳,本試驗5種混合疊加處理下24 h種子的發芽率均大于50%,最高發芽率達83%,36 h發芽率均≥70%,48 h發芽率已大于80%,其中T14處理效果最佳,種子的發芽率達100%,發芽勢達100%,發芽指數達30.86,不同外源激素處理沙米種子發芽率高低排序結果為T14>T9>T5>T10>T15>T1>T4>T13>T12>T11>T8>T7>T3>CK>T2>T6;不同濃度外源激素處理沙米種子后24 h、36 h和48 h這3個時間段是沙米種子發芽率變化最大的時期,也是沙米種子迅速萌發胚根伸長生長的關鍵時期,不同外源激素濃度處理沙米種子12 h內只有T6處理的種子沒有萌發,胚根無伸長發生,其余處理均有萌發,且胚根長度在3.84～6.59 mm的生長,12 h之后所有處理下的種子胚根均能快速伸長生長,且胚根的長度與萌發時間呈顯著的線性相關關系,每種處理下胚根長y(單位:mm)和萌發時間x(12 h)可以用線性關系式y=ax+b表達。

4 討論

種子休眠是長期自然選擇的結果,也是植物在系統發育中形成的抵抗不良環境條件的適應性。種子休眠對處于惡劣環境中的植物保持其自身的繁衍發展具有重要的生態學意義[19]。引起植物種子休眠的原因有種殼引起的休眠、胚休眠、萌發抑制物引起的休眠、光效應引起的休眠和綜合休眠等[20],針對沙米種子萌發特性的研究較多[6,21-22],但關于沙米種子休眠特性的報道不盡一致,范樹高對民勤采集的沙米種子試驗,適宜條件下沙米種子的發芽率在8%～15%,存在明顯的休眠特性[23]。但Wang等[24]研究發現,沙米種子自然發芽率在90%以上,認為不存在休眠。魏林源等[25]對采自甘肅敦煌、民勤、寧夏沙坡頭和內蒙古奈曼旗4個不同生境地的沙米種子試驗,認為4生境地的沙米種子均存在休眠。沙米種子休眠的原因究竟由何引起,仍有待于進一步的研究和分析。

激素處理植物種子是目前打破種子休眠應用最廣泛的措施,具有打破種子休眠和調控種子內部激素平衡[26]的作用。目前,生產上應用較為廣泛的植物激素有赤霉素(GA3)、萘乙酸(NAA)、脫落酸(ABA)、吲哚丁酸(IBA)、吲哚乙酸(IAA)、乙烯利等。GA3是一種高效能的廣譜植物生長調節劑,是促進植物生長發育的重要激素之一,會對種子萌發產生一定的影響,因此,在破除植物種子休眠促進萌發試驗和生產中應用的較多[27-28],且GA3處理促進種子萌發過程中,普遍存在隨著GA3濃度增加,種子的發芽勢、發芽率呈現先增加后降低的趨勢。FL對沙米種子萌發也具有很好的促進作用,通過外源施加FL,休眠的沙米種子能夠快速破除休眠,且沙米種子快速完成發芽[23],但試驗研究發現只用FL處理的沙米種子快速發芽后,幼苗顏色泛紅色,幼苗的死亡率很高,認為單純用FL破除沙米種子休眠不利于沙米的后期生長。GA3+FL組合作用既可有效破除沙米種子的休眠快速萌發,又可防止由FL抑制幼苗顏色泛紅導致死亡的不足,因此本試驗增加了GA3+FL的不同組合,試驗組合來看,發芽率最佳的處理出現在T14處理,也就是0.5 mg/L GA3+10 mg/L FL組合,與汪佳維等[29]對滇重樓種子的處理和趙程等[15]對肉蓯蓉種子的處理的結果基本一致,表明GA3和FL混合溶液對沙米種子休眠的破除優于單一的GA3和FL溶液。

種子萌發是一個十分復雜的生理過程[30],種子萌發時期的發芽率、發芽勢、發芽指數是判斷種子發芽能力的重要指標,能夠直觀地反映種子的發芽速率和生長的趨勢,而它的生長狀況(如幼苗的相對胚根胚芽長)則直接與幼苗的生長及生物量相聯系[31]。種子的發芽勢反映種子的發芽是否集中在一段時間和發芽是否整齊,發芽指數是種子的活力指標,如果發芽過程中種子的發芽指數高,說明種子的活力就高[32],而種子的活力指數反映了種子能否在較廣范圍內迅速發芽和種子生長的整齊度。不同外源激素對沙米種子萌發會產生一定的影響,可從發芽率、發芽勢、發芽指數來判斷。

5 結論

GA3和FL兩種不同外源激素單獨處理沙米種子可提高沙米種子的萌發率、發芽勢和發芽指數,也可促進沙米胚根的伸長生長,本試驗的數據分析結果表明,兩種外源激素混合后的協同作用更能有效促進沙米種子萌發和胚根的伸長生長,先用2%次氯酸鈉溶液浸泡種子消毒,后用無菌蒸餾水沖洗干凈,再使用0.5 mg/L的GA3加5.0 mg/L的FL混合溶液浸泡種子24 h,在25 ℃條件下培養,是沙米種子萌發生長的最佳處理。