薔薇科果樹種子休眠特性及化學處理方法的研究進展

劉 英,閭連飛,吳文龍,李維林,張春紅

[1 江蘇省中國科學院植物研究所(南京中山植物園)/江蘇省植物資源研究與利用重點實驗室,南京,210014;2 南京林業大學南方現代林業協同創新中心/南京林業大學林學院,南京,210037]

薔薇科(Rosaceae)植物根據花和果實的結構特征,分為薔薇亞科(Rosoideae)、蘋果亞科(Maloideae)、李亞科(Prunoideae)和繡線菊亞科(Spiraeoideae)4大亞科;按經濟用途分為食用、園林綠化、藥用和水果種質資源植物等,中國是薔薇科植物的重要分布中心之一[1-2]。隨著優異果品消費需求增多,加快選育優異果樹品種及提高種苗繁育效率成為當務之急[3],薔薇科果樹以種類繁多、適應性強等優勢成為果品生產中的極佳選擇。雜交選育仍是目前薔薇科果樹育種的主要方法,而高效的種子萌發技術是其中極其重要的一個環節[4-5]。薔薇科果樹種子萌發存在種子休眠和種皮限制現象,明顯阻礙了種子萌發,對育種進程產生了較大阻礙[6-8]。本文就薔薇科植物中主要果樹的種子特征、種子休眠特性及化學藥劑處理方法促進種子萌發的應用進行概述,以期為進一步探究種子高效萌發技術提供參考依據。

1 薔薇科果樹種子的構成特點

通過對掌葉覆盆子RubuschingiiHu發育果實進行解剖,發現內果皮由強烈木質化的多細胞組成,堅硬的種殼使得種胚生長受限不易萌發[9]。觀察薔薇亞科果樹樹莓RubuscorchorifoliusL. f.果實的剖面,發現樹莓分為外果皮、中果皮和內果皮,內果皮硬化且分為3層構成種子,紅樹莓RubusidaeusL.內果皮厚12.20 μm,而黑樹莓Rubusmesogaeus為其1.48倍[10]。蘋果亞科中番木瓜CaricapapayaL.的種子內外種皮的最內側各有一層厚壁細胞,經內種皮黏連成堅硬的殼狀物,種皮內部包含正常發育的胚和胚乳[11]。準噶爾山楂Crataegussongorica種子種殼結構致密,由厚壁細胞組成,高度木質化且含有蠟質,種子吸水受阻礙且種胚受到機械約束[12]。李亞科中,歐李Prunushumilis(Bge.) Sok.種子種殼的存在阻礙了透水透氣性[13],桃PrunuspersicaL.Batsch種子具有木質化的內果皮[14]。綜上所述,薔薇科果樹種子多由堅硬的種皮、胚和胚乳構成,內果皮大多會特化成致密的種殼。

2 種子休眠

種子休眠是一種天然特性,完整的活力種子在適宜的條件下不能萌發[15]。Baskin將種子休眠分為5種,包括生理休眠、形態休眠、形態生理休眠、物理休眠和組合休眠[16]。薔薇科種子普遍存在生理休眠,具有一系列特征如離體種胚能產生正常的幼苗,赤霉素(GA3)處理有利于部分植物種子的萌發,種子休眠可以通過低溫層積被打破,暖層積不能打破休眠,但在冷層積之前進行暖層積處理可以縮短冷層積需要的時間[15]。

薔薇科果樹種子具有不同程度的生理休眠。桃種子在剝除種皮后,種胚能夠正常發芽產生幼苗[17],桃種子的萌發率與層積時間和GA3濃度呈正相關[18]。GA3能夠顯著提升玫瑰種子發芽率[19],而對山楂CrataeguspinnatifidaBunge、光滑高粱泡Rubuslambertianusvar. glaber種子萌發的促進效果不明顯,僅會影響種子生理狀態[20-21]。新疆野蘋果Malussieversii種子經過70～80 d的層積處理能夠達到較理想的萌發率[22],黑莓RubusfruticosusL.種子至少需要120 d低溫層積才能達到較為合適的萌發條件[23]。低溫層積前進行一段時間暖溫層積可以提高美薔薇種子萌發率,并且縮短低溫層積時間[24]。

3 種皮限制

種皮的厚度和結構對休眠的影響稱為種皮效應[25]。薔薇科植物種子種皮較厚,薔薇亞科玫瑰、野薔薇的種皮內包含抑制種子萌發的物質如脫落酸、過氧化物酶等,并且種皮內脫落酸(ABA)含量遠高于種胚[26-27]。懸鉤子屬3個亞屬17個物種的萌發需求條件差異很大,通過解剖種皮結構確定了種皮厚度和硬度是懸鉤子屬種子萌發響應的關鍵因素[28]。此外,種皮還可能阻礙內部抑制萌發的物質溢出,破壞種皮可以促進種子萌發[29]。李靖等[30]將黑莓內果皮剝除并在濾紙上暗培養,發現相比不剝離內果皮的種子發芽率提高60%。

在蘋果亞科中,山楂種子的種殼、種皮和種胚內都含有萌發抑制物且成分不同,抑制強度由內而外遞減[31-32]。馬小衛等[33]發現李亞科長柄扁桃PrunuspedunculataPall.種皮對種子萌發沒有影響,但種殼的機械障礙和內源抑制物的綜合作用阻礙了種子的萌發。蒙古扁桃Prunusmongolica種子木質化內果皮形成機械性限制,阻礙種胚的正常萌發,通過去除種子內果皮可解除其種皮限制[34]。洪平杏ArmeniacahongpingensisYü et Li種子的堅硬種殼對種子胚根突破種皮產生機械阻力并限制種子萌發早期吸水[35]。

此外,結合顯微結構觀察結果發現,薔薇亞科和蘋果亞科不僅含有限制種子萌發的內源抑制物,堅硬的種皮或內果皮也阻礙了種子萌發,相比之下,李亞科種子種殼對種子萌發存在一定限制,但種殼與種子間存在空隙,可以利用機械方法分離[13-14,36]。因而,依據薔薇科植物不同亞科種皮的特征選擇合適的化學處理方法或能夠有效提高種子萌發率。

4 化學處理方法

目前提高種子萌發率的處理方式集中體現在化學試劑處理、植物生長調節劑處理、低溫層積處理、機械處理等方面。前兩種均屬于化學方法,化學試劑以次氯酸鈉(NaClO)、硫酸(H2SO4)進行酸蝕的研究相對較多,其作用主要表現在腐蝕種皮、增強種子萌發潛力等[37-38];植物生長調節劑處理以GA3和吲哚乙酸(IAA)為主,其作用主要表現為解除種子休眠、促進種子萌發[25]。

濃H2SO4能夠腐蝕堅硬的種皮,打破柵欄組織屏障,使種殼變薄,增加種皮通透性[7,37]。而利用濃H2SO4處理種子也存在諸多問題,如時間過長或高濃度將損害種子,處理后的殘留可能對種子造成酸害,操作上具有較高危險性。NaClO是一種低毒的消毒劑溶液,通過種子表皮滅菌、提高種皮透性、促進種內抑制物質滲出或對種皮進行腐蝕和劃傷等方式促進種子萌發[39]。適當濃度的NaClO溶液和濃H2SO4能提高種子的萌發率,但試劑濃度和時間控制不當會灼傷種子,從而導致種子發芽率降低。尿素作為一種氮肥,不僅能代替種子發芽時所需的光及溫度,也能代替層積砂藏時自然產生的生長激素,處理后能夠達到發芽時間提前、幼苗發育快、壯苗率高的效果[40]。薔薇亞科和蘋果亞科的種子因具有難以剝離的種殼或種皮,常通過化學試劑進行處理,而李亞科種子可以通過機械處理剝離種殼后,利用激素處理進一步提高種子萌發率。

4.1 薔薇亞科懸鉤子屬(RubusL.)種子在未處理前基本不發芽或發芽率較低,采用不同濃度H2SO4并結合次氯酸鈣處理,H2SO4濃度越高,黑莓種子發芽率越高,與次氯酸鈣共同處理能進一步提高種子萌發率,98%濃硫酸處理15 min,再經1%次氯酸鈣浸泡2 min能使黑莓發芽率達49%[41]。有研究對7種不同化學藥劑結合不同時間的低溫層積處理黑莓“Kiowa”種子,發現NaClO、H2SO4對黑莓種子發芽具明顯促進效應,其中20%NaClO處理12 h并低溫層積90 d,黑莓種子發芽率最高達19%[23],H2SO4處理濃度與種子萌發率的關系與龔娜等[41]研究結論一致。不同類型黑莓種子出苗率因濃H2SO4處理時間不同存在差異,而粗葉懸鉤子R.alceaefoliusPoir.和高粱泡RubuslambertianusSer.ex DC.不經H2SO4或NaClO處理發芽率更高[42]。

利用H2SO4和0.8%尿素處理4種懸鉤子屬植物種子,掌葉覆盆子、粉枝莓RubusbiflorusBuch.-Ham. ex Smith、桔紅懸鉤子R.aurantiacusFocke種子發芽率穩定在30%。桔紅懸鉤子用75% H2SO4處理8～10 min發芽率最高,粉枝莓需0.8%尿素處理36 h、掌葉覆盆子需95% H2SO4處理達到最佳效果;紅泡刺藤RubusniveusThunb.經75%濃硫酸處理8～10 min后用0.8%的尿素浸泡36h發芽率近60%[38]。延長濃H2SO4處理時間至35 min后掌葉覆盆子發芽率提升至40%,其他處理發芽率均不足5%,表明種殼硬實性是阻礙掌葉覆盆子種子萌發的機械障礙[43]。Gray等將巴頓覆盆子Rubusbartonianus利用98% H2SO4處理30 min或8.25% NaClO處理60 min后,先進行30 d暖層積(20 ℃),再進行低溫層積(4 ℃)90 d后,種子的發芽率分別提升至80%和73%[44]。

濃H2SO4處理黃樹莓RubusidaeusL.種子的適宜濃度為70%～80%,處理最佳時間14～16 min,尿素與H2SO4的組合處理發芽率最高,平均為24%[40]?！霸缂t”樹莓經60% H2SO4處理25 min+1%次氯酸鈣處理6 d后發芽率達21%[41]。盧晶晶[45]通過濃H2SO4與次氯酸鈣、尿素等處理樹莓種子,并對種子進行潮濕低溫處理6周,種子發芽率由10%以下提高到61.8%,濃H2SO4處理后的種子再使用次氯酸鈣處理對提升發芽率作用不大。利用濃H2SO4和NaClO共同處理樹莓種子,發現對3份樹莓種子萌發均具不同的促進作用,不同品種最佳處理組合各不同[46]。對不同品種紅樹莓進行處理,98%H2SO4處理+20%NaClO浸泡的酸組合方案較單一處理更佳,紅樹莓發芽率最高可達68.33%[47]。

4.2 蘋果亞科不同大小的山楂種子對化學試劑處理反應不同,千粒質量大于7 g(種殼厚度一般大于0.1 cm)的大粒型種子適合濃H2SO4處理,能顯著提高發芽率[48]。利用96%的濃H2SO4處理山楂種子3 h,并結合短暫層積可使發芽率達58%[49]。關于枇杷種子萌發,有研究認為400 mg·L-1的GA3能夠顯著提升枇杷Eriobotryajaponica(Thunb.) Lindl.種子發芽率[50],也有研究認為枇杷種子最好隨采隨播[51],劉麗麗[52]則認為IAA、ZR(玉米素)與ABA相互協調從而促進枇杷種子萌發,GA3對枇杷種子影響較弱,建議枇杷種子發芽過程中添加適量IAA和ZR。用NaOH和高錳酸鉀處理梨種子催芽效果較好[53-54]。隨著NaOH質量濃度和浸種時間的增加,梨種子的萌發生長呈先增強后減弱的變化趨勢,早酥梨和皇冠梨用4 g/L NaOH溶液分別處理1 h 和6 h 后層積60 d發芽勢最高,分別可達78.3%和65.3%[53];將梨種子在5%高錳酸鉀溫水中浸泡1 d,種皮松軟有利于后期出芽,且高錳酸鉀能夠消毒,減少種子催芽過程中霉爛發生[54]。

4.3 李亞科未經層積處理的桃種子用GA3處理或去掉種皮,均可以有效解除種子休眠,大幅度提高桃種子的發芽率[55-56]。有研究表明,多種植物激素浸種10 h對蒙古扁桃Amygdalusmongolica(Maxim.) Ricker種子的萌發具有一定程度的促進作用,不同激素及其最佳濃度為GA310 mg/L、NAA 0.1 mg/L、6-BA 1 mg/L以及乙烯利0.01 mg/L[57]。方海濤[58]認為多糖和生物堿是蒙古扁桃Prunusmongolica(Maxim.) Ricker群落種子萌發的制約物質。濃H2SO4浸泡4 h或對長梗扁桃AmygdaluspedunculataPall.帶殼種子萌發促進作用最大[59]。魯春艷等[60]研究表明,長柄扁桃AmygdaluspedunculataPall.種子經1 g/L GA3或0.25% H2O2浸泡24 h并低溫處理15 d后,種子萌芽率和發芽指數得到較大程度提升,且幼苗生長狀況較佳。研究表明,0.20～0.80 mg/L GA3、0.8或1.6 mg/L水楊酸及木醋液800倍液均可不同程度提高杏種子的萌發率,提升后的種子發芽率保持在90%左右[61-62]。GA3處理對剝皮后華中櫻桃Prunusconradinae種子的萌發具顯著促進作用,種子在0.2 g/L GA3溶液中浸種4 h后發芽率最高達60.67%[63]。鐘花櫻桃Cerasuscampanulata最佳催芽方式為0.5 g/L GA3浸泡24 h后進行沙藏[64],而GA3濃度超過0.5 g/L對野生山櫻桃Cerasusserrulata種子萌發的促進作用逐漸降低[65]。

5 展望

雜交育種目前仍是提升薔薇科植物果實品質的重要手段,因而研發雜交種子高效萌發技術是開展新品種選育的關鍵環節。種子的萌發是一個復雜的過程,解除種皮限制是眾多促進薔薇科果樹種子萌發的一種有效方式。為提高薔薇科果實種子萌發率,可以依據不同亞科種子結構特點輔助采用適合的化學試劑對種子進行蝕刻處理。若種子內含有較多抑制萌發的內源抑制物,可以通過赤霉素等植物生長調節劑對種子激素進行平衡,有力保障薔薇科果樹種子的萌發率和萌發質量。

盡管目前用化學處理方法促進種子萌發的技術較為廣泛,但還存在一系列問題有待探討,如直接處理還是浸種后處理效果好,適合的處理時間或不同化學藥劑的選用及種子萌發后幼苗能否正常生長等問題[38]。此外,由于品種分化致使種子在發芽力上可能出現分化[66],不同基因型和倍性的種子[67]以及種子自身活力[68]也會影響種子萌發能力,進而導致同一物種不同品種間促進種子萌發的最佳方法存在一定差異。因此,在生產中不僅要根據薔薇科不同類型種子結構和特性采用行之有效的處理方法,也要對不同雜交親本品種探索適合的種子處理技術,真正為薔薇科果樹雜交新品種選育和物種保護提供科學方法。