不同預處理對喀西茄種子萌發及S-誘抗素對幼苗生長的影響

徐 劍, 楊 帆,2, 孫正海

(1.云南省觀賞草集成利用國際聯合研發中心/云南省高效經濟林培育示范型國際科技合作基地/云南省面向南亞東南亞經濟林全產業鏈聯合研發中心/西南林業大學園林園藝學院, 昆明 650224;2.云南省科學技術院, 昆明 650228)

喀西茄(Solanumaculeatissimum)為茄科(Solanaceae)茄屬(Solanum)有刺小灌木,又名兩面刺、紫花茄等,主要分布于我國西南、華南等中低海拔地區,常成片叢生于田邊、荒地中[1-2]?？ξ髑咽且环N重要的民族藥,被彝族、傣族、哈尼族等民族認可,被多個藥典收錄(如《滇南本草》等),其主要藥用功能為殺菌、消炎、止疼等[3]?？ξ髑殉旧砭哂休^高的藥用價值外,還具有一定的抗蟲抗病性,亦是一種重要的抗病蟲茄子資源[4-5]。此外,有研究證實,喀西茄對重金屬有一定的富集能力[6]。

種子是高等植物繁殖更新的起點,種子萌發是植物的生長發育過程的關鍵一環[7-8]。種子預處理是提高種子萌發率的重要處理方式,對種子萌發和幼苗生長具有重要影響。在生產中往往根據植物種子特性對其進行不同方式的預處理,以期有效促進種子發芽成苗,提高種子抗性及產量。種子預處理技術經過悠久的發展歷程,主要包括物理方法、化學方法和生物方法三大類,從傳統的機械破殼、沙埋等方式發展成如今實踐生產常用的超聲波處理、外源激素處理、無機溶液處理等[9]。目前,多種預處理方法已被育種工作者在觀賞花卉、林木和中草藥等多種植物種子萌發的研究中應用。熱擊和微波處理可顯著提高大豆種子可溶性糖含量,同時抑制電解質滲漏,進而有效促進種子萌發[10]?；谵D錄自組測序技術探究超聲波預處理對小麥種子萌發和活力的影響,研究結果表明,超聲波處理對小麥種子的氧化還原過程、碳水化合物代謝過程有著顯著影響[11]。蘭香草種子萌發的適宜溫度為20～25 ℃,一定的低溫和高溫均會抑制種子萌發,通過赤霉素處理可有效緩解溫度帶來的抑制作用,發芽率可達70%～90%[12]。

喀西茄人工標準化種植,需要掌握其種子萌發情況以及不同預處理對其種子萌發的影響。但由于喀西茄多為野生種,種子成熟度不一致,導致種子發芽率不高,成為限制喀西茄人工培育的瓶頸,目前尚未見人工馴化及培育的相關報道,因此,本研究以喀西茄為研究對象,通過分析干濕處理、熱擊處理、硝酸鉀溶液處理、氯化鈣處理、超聲波處理和赤霉素溶液處理共6種預處理對喀西茄種子萌發、種子形態和生理指標的影響,以及不同濃度S-誘抗素處理對喀西茄幼苗生長的促進作用,旨在篩選喀西茄種子萌發的最佳預處理方法及適宜喀西茄幼苗生長的最佳S-誘抗素濃度,為喀西茄引種馴化及人工高效培育提供理論依據和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

喀西茄試驗材料采集于云南省昆明市?？诹謭?。成熟果實采集后晾干、去除果皮備用。

1.2 試驗方法

1.2.1不同預處理對喀西茄種子萌發的影響

采取6種不同的預處理方式處理喀西茄種子,每處理30粒種子(表1),重復3次,全部預處理結束將種子置于墊有兩層濾紙的培養皿中,置于培養箱中催芽,培養箱溫度32 ℃,濕度85%。

表1 喀西茄種子6因子18處理設計

1.2.2不同濃度S-誘抗素處理對喀西茄幼苗生長的影響

本試驗種子預處理方式為干濕處理2次,具體處理方式參照2.2.1方法與步驟,并設置3個水平的S-誘抗素進行試驗,濃度分別為1.50 mL/L、2.0 mL/L和2.50 mL/L,分別標記為S150、S200和S250,以清水處理作對照。將試驗種子用不同濃度S-誘抗素浸泡24 h,用清水沖洗20 min后置于溫度32 ℃、濕度75%的恒溫箱中催芽24 h。后采用32孔穴盤播種。每個處理30粒種子,3次重復。

1.3 統計學指標與生理指標測定

1.3.1種子萌發指標測定

每天觀察發芽種子數量。計算發芽系數、發芽指數、活力指數、平均發芽天數和發芽率,統計時3個重復求平均值。參考孫學榮[13]的方法,測定POD(Peroxidase,POD)、CAT(Catalase,CAT)活性和根系活力,測定時,每個重復選取5粒,3個重復15粒測定結果的平均值作為該指標的最終測定值。

1.3.2幼苗生長指標測定

苗高、莖粗、主根長和主根粗均選取每一重復里長勢最好的一株測定,播種后20 d、30 d和40 d分別測一次;POD和CAT活性,均采用第2片真葉,測定時間亦是在播種后40 d;根系活力測定在播種后40 d,測定標準同上。

1.4 試驗數據處理

利用Office軟件(2013版)和SPSS17.0軟件統計試驗數據并進行相關分析。

2 不同預處理對喀西茄種子萌發影響結果與分析

2.1 喀西茄不同預處理方式統計學分析

試驗結果如表2所示?；?種不同預處理方式,喀西茄種子各項萌發指標均優于對照組,不同預處理方式之間存在較顯著差異。其中A2處理(干濕處理2次)效果最佳,除平均發芽天數外,其他指標均為最優值,發芽率為97%、發芽指數為6.43、發芽系數為33.42、平均發芽天數為4 d、活力指數為14.18,且可最大限度地縮短喀西茄平均發芽天數,其次為D1處理。即干濕處理和1%氯化鈣溶液處理可有效打破喀西茄種子休眠特性,提高其發芽率。此外,從各項指標來看,在超聲波預處理中,E2處理(10 min)雖優于對照組處理,但在所有預處理中效果最差,發芽指數僅為5.98,且平均發芽天數最長。由此表明,合理的處理時間對喀西茄種子的萌發具有一定的促進作用。

表2 喀西茄種子6因子18處理統計學結果

2.2 6種預處理對喀西茄種子生理指標的影響

POD活性、CAT活性和根系活力在種子萌發過程中起著至關重要的作用,也是評價種子萌發效果的重要生理指標?？ξ髑?種不同預處理方式生理指標測定結果見表3。不同處理后喀西茄種子POD活性、CAT活性和根系活力差異顯著且全部高于對照組。其中,經A2處理后,喀西茄各項生理指標最高,POD活性、CAT活性和根系活力分別為82.52 U/(g·min)、182.39 U/(g·min)和84.78 μg/(g·h),其次為D1處理。在根系活力測定上,E3處理的促進作用僅次于A2處理和D1處理,根系活力可達82.78 μg/(g·h)。此外,C3處理可顯著提高種子的POD活性,為82.07 U/(g·min),而B3處理則提高了種子的CAT活性,有效促進種子的萌發。

表3 喀西茄種子6因子18處理生理指標結果

3 不同S-誘抗素濃度處理對喀西茄幼苗生長的影響

3.1 S-誘抗素對喀西茄幼苗形態指標的影響

在探索和優化了喀西茄種子萌發最佳預處理方式之后,本研究選用不同濃度的S-誘抗素處理,探究其對喀西茄幼苗生長的影響。如表4和表5所示,不同濃度S-誘抗素處理對喀西茄幼苗各項形態指標產生不同的影響結果,與對照組相比,各處理組幼苗的苗高、莖粗、主根長等形態指標均顯著高于對照組。分析數據后顯示,在20 d、30 d和40 d時,3個水平濃度處理中,S200處理效果最優,喀西茄幼苗的苗高、莖粗、主根長和主根粗均為最大值,S250處理組次之,S150處理組最低。如喀西茄幼苗種植40 d時,S200處理的苗高、莖粗、主根長和主根粗分別為93.54 mm、2.01 mm、42.31 mm和1.01 mm,顯著高于對照組和S150處理組。隨著S-誘抗素濃度的增加,喀西茄幼苗生長形態指標也隨之增大,當處理為S250時,各項形態指標有所下降,但也顯著優于對照組和S150處理組。由此可知,一定濃度的S-誘抗素處理對喀西茄幼苗生長具有顯著促進作用,而高濃度的S-誘抗素則在一定程度上抑制了其幼苗的生長發育。

表4 不同濃度S-誘抗素處理對喀西茄幼苗苗高和莖粗的影響

表5 不同濃度S-誘抗素處理對喀西茄幼苗主根長和主根粗的影響

3.2 S-誘抗素對喀西茄幼苗生理指標的影響

不同濃度S-誘抗素處理對喀西茄幼苗POD、CAT和根系活力的影響見表6。在S200處理組中,喀西茄幼苗的各項生理指標最優,POD、CAT和根系活力分別達到139.46 U/(g·min)、265.49 U/(g·min)、140.98 U/(g·min);S250處理組效果其次,各項生理指標略低于S200處理組,但上述兩個處理組在POD、CAT和根系活力方面均顯著優于S150處理組和對照組。綜上,本研究中,不同濃度S-誘抗素處理喀西茄幼苗生長發育情況為:S200>S250>S150>ck,科學合理的S-誘抗素濃度處理對培育健壯、無病蟲害的喀西茄幼苗具有一定的促進作用。

表6 S-誘抗素處理對喀西茄幼苗POD、CAT和根系活力的影響

4 結論與討論

隨著喀西茄的優質的抗病蟲特性和藥用價值的挖掘,野生種質資源的保有量難以滿足市場需求,人工播種育苗是最簡單科學的途徑之一。然而,野生的喀西茄種子通常成熟度不一致,且種皮堅硬厚實,透水透氣性不佳,表明光滑具蠟質特性,成為限制喀西茄人工培育的瓶頸問題[14]。因此,本研究采用不同方法對喀西茄種子進行預處理試驗,發現不同的預處理方式處理效果不一致,同一種預處理方式不同的處理條件,效果亦不同。研究結果顯示,干濕處理、氯化鈣溶液處理等方法均可有效促進喀西茄種子的萌發,如發芽指數、發芽率等系數均顯著優于對照組處理,其中干濕處理效果最佳。郝海坤等[15]研究表明,干濕處理不僅可以有效增加植物種子中束縛水的含量,同時提高膠體親水性和蛋白質的凝固溫度,改善種子的活力和衰老程度,從而促進種子的萌發。刺玫薔薇種子也具有深度休眠的特性,因此,相關研究者基于干濕預處理方法,探究高效便捷的解除刺玫薔薇種子休眠的方法,研究結果表明,干濕處理有助于打破種子的休眠,提高發芽率。目前,干濕預處理方法已被應用于其他植物,如油松[13]、白皮松[17]和煙草[18]等種子播前預處理工作中。

種子的萌發不僅受各種環境因素的影響,還與多種內在生理活性物質有關,如過氧化物酶、過氧化氫酶、根系活力等均對種子的萌發及幼苗的生長有很大影響[19-20]。通過喀西茄種子萌發和幼苗生長的試驗可知,除干濕處理外,氯化鈣溶液處理和S-誘抗素(過氧化氫)處理均可顯著提高種子及幼苗體內的POD、CAT等活性。綠色植物體內的POD和CAT作為抗氧化組織的重要組成部分,可有效抑制活性氧在體內積累,消滅超氧陰離子自由基,降低細胞膜系統手上等[21-22]。有相關研究指出,植物體內POD和CAT活性越高,植物種子及幼苗的活力越高,抗逆性得到顯著提高[23-24]。在其他植物的研究中,如趙東興等[25]以馬檳榔種子為材料,用過氧化氫浸種,發芽率可達93%,且出苗整齊健壯,該處理方法可顯著促進馬檳榔種子萌發和幼苗生長。在探究不同溫度對油樟種子生理及萌發的研究中,趙鑫等[26]發現,經低溫處理后,油樟種子體內POD和CAT活性顯著增高,抑制了O2-·和H2O2積累,能夠有效保持種子的活性。結合分析本研究結果可知,POD、CAT和根系活力越高的處理組(干濕處理2次和1%氯化鈣溶液處理12 h),該組的種子萌發率、發芽指數、活力指數等系數及幼苗的形態指標越高,這與上述多項研究論點相符。由此可知,喀西茄種子及幼苗體內的POD和CAT活性指數越高,其自身的生長發育情況越優。

本試驗分別采用干濕處理、熱擊處理、硝酸鉀溶液處理和氯化鈣處理等6種方式對促進喀西茄種子萌發進行預處理及采用不同濃度的S-誘抗素浸泡后培育幼苗,通過分析種子和幼苗的發芽率、發芽指數、形態和生理等指標,試驗結果表明,在種子萌發預處理試驗中,干濕處理2次(D2)能夠顯著提高喀西茄種子的萌發力和活力,提高種子萌發過程中各項形態及生理指標;經濃度為2.0 mL/L的S-誘抗素(S200)處理后的喀西茄幼苗,在苗高、莖粗、主根長、主根粗、POD活性、CAT活性和根系活力方面均達到最大值,該處理方法可有效促進喀西茄幼苗的生長發育。綜上所述,本研究通過分析不同預處理對喀西茄種子萌發及幼苗生長的影響,探索喀西茄種子萌發及培育幼苗的最佳處理方法。研究結果可為喀西茄標準化人工育苗及高效培育提供了一定的理論依據和科學指導,為進一步喀西茄商品化開發利用奠定基礎。