西康玉林種子的形態(tài)生理休眠特性

西康玉林種子的形態(tài)生理休眠特性

種子休止是指成熟種子的特定發(fā)芽條件下不發(fā)芽的特征。這是植物通過長期進化過程中的適當(dāng)環(huán)境變化和不利環(huán)境條件（bewriech，1997；torran等人，2004）獲得的生物學(xué)特征。根據(jù)種子休眠的機制可將休眠劃分為5種類型:物理休眠、生理休眠、形態(tài)休眠、形態(tài)生理休眠及復(fù)合休眠(BaskinandBaskin,2004)。木蘭科(Magnoliaceae)植物是現(xiàn)存被子植物中較原始的類群。全球木蘭科共有16屬300余種,中國產(chǎn)11屬170余種,根據(jù)2004年版的中國物種紅色名錄,木蘭科受威脅種類共有10屬74種,是被子植物中受到嚴重威脅種類最多的科,其中木蘭屬(Magnolia)有27種,占中國木蘭屬植物種類的一半以上(劉玉壺,2004;汪松和解焱,2004)。目前大多數(shù)木蘭科植物主要依賴種子進行有性繁殖。據(jù)統(tǒng)計,除山玉蘭(MagnoliadelavayiFranch.)、黃蘭(MicheliachampacaLinn.)、福建含笑(M.fujianensisQ.F.Zheng)、云南含笑(M.yunnanensisFranch.exFinetetGagnep.)、合果木(Paramicheliabaillonii(Pierre)Hu)、觀光木(TsoongiodendronodorumChun)等植物外,木蘭科植物絕大多數(shù)種類的種子具有休眠現(xiàn)象。目前,已知木蘭科植物約有7屬38種的種子具有休眠現(xiàn)象(國家林業(yè)局國有林場和林木種苗工作總站,2001)。西康玉蘭(MagnoliawilsoniiRehd.)屬木蘭科木蘭屬天女木蘭組(sect.OyamaNakai)落葉灌木或落葉小喬木,樹高可達8m,星散分布于四川中部、西部、云南北部及貴州,生于海拔2000～3300m的亞高山和高山森林和灌叢中,分布地氣候濕潤而寒冷(傅立國和金鑒明,1992;劉玉壺,1996;王獻溥和蔣高明,2001)。西康玉蘭為易危種,中國特有,屬國家二級保護植物,因其樹皮可入藥,作為厚樸的代用品,如今該植物資源破環(huán)嚴重;此外,濫伐森林,生境惡化,天然繁殖能力較弱,使其自然更新十分困難,其成年植株已不多見(傅立國和金鑒明,1992;汪松和解焱,2004)。西康玉蘭通常依賴種子進行繁殖,但種子休眠期長,若貯藏處理不當(dāng)易導(dǎo)致萌發(fā)率低(吳守清和張廷忠,1998;龔洵等,2003)。而種子貯藏與種子含水量、貯藏條件(干藏或濕藏)和貯藏溫度密切相關(guān)(Ioannis-TakosandMerou,2008)。根據(jù)種子的脫水耐性及貯藏環(huán)境對種子壽命的影響,種子分為正常性種子(orthodoxseeds)、頑拗性種子(recalcitrantseeds)和中間性種子(intermediateseeds)(Roberts,1973;Ellis等,1990;HongandEllis,1996)。本研究旨在通過對西康玉蘭種子休眠特性、萌發(fā)條件和貯藏習(xí)性的研究,明確其種子休眠類型,找出打破休眠的有效方法及適宜萌發(fā)的條件,促進和提高種子的萌發(fā)率,以及對種子進行有效保存,為開展西康玉蘭種質(zhì)資源的研究、保存、保護和利用等工作提供重要依據(jù)及相關(guān)技術(shù)。1材料和方法1.1種子萌發(fā)率測定西康玉蘭種子于2006年11月采自貴州省六盤水市水城縣(海拔1900m),種子采到后,立即測量其含水量及初始萌發(fā)率;隨機抽取20粒種子,以精確到0.01mm的游標(biāo)卡尺測量種子和胚的縱向長度,計算平均值;千粒重是隨機抽取500粒種子在精確到0.0001g的電子天平上稱重,重復(fù)3次,計算平均值。然后將種子密封貯藏在4℃冰箱內(nèi)備用。1.2種子萌發(fā)狀態(tài)隨機選取形態(tài)完整的種子200粒,分為4個重復(fù),用0.1%高錳酸鉀溶液消毒30min,蒸餾水沖洗,將種子均勻排列在墊有2層濾紙的150mm培養(yǎng)皿中,加入適量的蒸餾水,蓋上培養(yǎng)皿蓋,置于所需溫度下,光照周期為12h/d,記錄種子萌發(fā)狀態(tài)。溫度處理:將種子(已打破休眠)分別在4、10、15、20、25、30和25/20℃溫度下萌發(fā),測定種子萌發(fā)率。GA3和KNO3溶液處理:將種子置于0、200、500、1000、2000、2500mgL-1GA3溶液以及0、0.1%、0.5%及1.0%KNO3溶液中,室溫下浸泡48h,蒸餾水沖洗3次后,置于25/20℃下萌發(fā)。種子層積實驗:將種子混合消毒后的濕潤珍珠巖,拌勻,在4℃(冷層積)與室溫(20～23℃)(暖層積)下分別層積至100d。定期檢查澆水保持濕潤,到既定時間后取出種子置于20℃的條件下進行培養(yǎng),測定種子的萌發(fā)率。浸種處理:流水沖洗種子12h后,在4℃下浸泡10d,置于25/20℃的條件下進行培養(yǎng),測定種子的萌發(fā)率。1.3種子含水量的測定隨機選取350粒左右新鮮種子,在室溫下(20～23℃左右)單層平鋪于裝有密閉干燥器中的活化硅膠上,種子上面也覆上硅膠,分別脫水0、1、4、8、12、24和48h后,獲得不同含水量的種子。隨機取20粒脫水后的種子進行含水量測定,分為4個重復(fù),裝入干燥的稱量瓶中,在分析天平上準(zhǔn)確稱取重量W1,置于103℃±2℃的恒溫干燥箱中烘17h,冷卻至室溫,在分析天平上稱重W2。種子含水量以濕重為基礎(chǔ)進行計算:種子含水量=(W1-W2)/W1×100%將脫水至不同含水量的種子分成三份,一份立即進行種子萌發(fā),測定其耐干性;另外兩份分別放入密閉聚乙烯袋中,將袋裝種子放入干燥盒子中,分別置于4℃和-20℃冰箱中貯藏100d后測定其萌發(fā)率。未萌發(fā)種子采用四唑法測定其生活力(宋松泉等,2005),將種子縱向切開,浸入0.5%TTC溶液中,在30℃黑暗條件下處理3h,胚染為紅色的種子視為有活力的種子。1.4平均萌發(fā)時間種子發(fā)芽以胚根突破種皮1mm為標(biāo)準(zhǔn);每2d觀察記錄種子萌發(fā)1次,記錄萌發(fā)種子數(shù),去除已發(fā)芽的種子。種子萌發(fā)參數(shù)包括萌發(fā)率(Germinationpercentage)和平均萌發(fā)時間(Meangerminationtime,MGT),其計算公式如下:萌發(fā)率(%)=發(fā)芽種子數(shù)×100/供試種子數(shù)平均萌發(fā)時間(MGT)=∑(ti×ni)/N其中ti為自萌發(fā)實驗開始的天數(shù),ni為在ti天內(nèi)萌發(fā)的種子數(shù),N為萌發(fā)種子的總數(shù)(BewleyandBlack,1994)。所有實驗數(shù)據(jù)采用SPSS16.0軟件進行單因子方差分析(One-wayANOVA),結(jié)果以平均數(shù)(Mean)±標(biāo)準(zhǔn)差(SE)表示。以最小顯著差異法(least-significantdifference)對所有萌發(fā)率和平均萌發(fā)時間數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗。2結(jié)果與分析2.1種子萌發(fā)率西康玉蘭種子心形,呈棕黑色至黑色,種皮堅硬。種子縱長約5.46～7.04mm,千粒重60.31～67.38g,初始含水量約18.79%～20.61%,種子初始萌發(fā)率為82.00%～92.00%(表1)?？v切后,種胚呈橢球形,位于種子尖端;胚小,縱長約1.02～1.24mm,已分化出子葉;胚乳發(fā)達,富含油脂,占種子絕大部分體積,種胚包埋在胚乳中。在西康玉蘭種子萌發(fā)過程中,種胚在種子內(nèi)生長伸長,在萌發(fā)前,種胚縱長伸長到1.88～3.25mm(表1)。2.2蘭種子萌發(fā)率在7個溫度下對種子進行萌發(fā)實驗,發(fā)現(xiàn)在4℃及10℃下種子不萌發(fā),隨著溫度升高,種子萌發(fā)率逐漸升高,在25/20℃下萌發(fā)率最高,隨后萌發(fā)率逐漸降低(圖1)。在不同溫度下,西康玉蘭種子萌發(fā)率之間存在極顯著差異(P<0.001)。種子在20℃和25℃下萌發(fā)率分別為77.0%和62.33%,低于25/20℃的萌發(fā)率81.79%。30℃對種子的萌發(fā)極為不利,萌發(fā)率大幅度降低,僅有22.67%,且種子易腐壞發(fā)霉致死。隨著溫度升高,平均萌發(fā)時間逐漸降低,溫度顯著影響種子的平均萌發(fā)時間(P<0.001)。在15℃、20℃、25/20℃和25℃下,平均萌發(fā)時間由45.23d降至19.24d。在25/20℃和25℃下,平均萌發(fā)時間相近。綜合分析各溫度下種子萌發(fā)率和平均萌發(fā)時間可知,25/20℃的變溫對西康玉蘭種子萌發(fā)最為有利。2.3單因子方差分析由圖2可知,GA3可有效打破西康玉蘭種子的休眠,且隨著GA3濃度升高,種子萌發(fā)率也隨之升高,平均萌發(fā)時間則隨之降低。對不同GA3濃度處理下種子萌發(fā)率進行單因子方差分析,結(jié)果表明GA3濃度顯著影響種子萌發(fā)率(P<0.001)和平均萌發(fā)時間(P<0.05)。GA3濃度由200mg/L升到2500mg/L時,種子萌發(fā)率由25.33%增至83.5%,平均萌發(fā)時間由43.85d縮短至29.46d,完全打破西康玉蘭種子休眠。2000mg/L和2500mg/LGA3處理下,西康玉蘭種子萌發(fā)率相差甚小。2.4不同冷層積對西康玉林種子萌發(fā)的影響KNO3溶液和浸種處理均不能打破西康玉蘭種子休眠(表2)。在室溫條件下,暖層積100d后,西康玉蘭種子萌發(fā)率為0(表2)。在低溫4℃條件下,冷層積可有效打破西康玉蘭種子休眠,隨著冷層積時間的延長,種子萌發(fā)率逐漸增加,平均萌發(fā)時間則逐漸縮短。西康玉蘭種子在4℃冷層積100d后,種子萌發(fā)率達78.00%,說明種子休眠被有效地打破。2.5種子生活力的影響種子脫水在開始階段,含水量急劇下降,直至脫水時間至12h,西康玉蘭種子含水量由19.36%降至5%左右,脫水時間至48h,含水量降至3.28%(圖3)。隨著西康玉蘭種子含水量降低,種子活力也隨之降低(圖3)。對不同含水量種子活力進行單因子方差分析,結(jié)果表明,含水量顯著影響種子生活力(P<0.05)。當(dāng)種子含水量由19.36%降至10.31%,種子生活力由83.50%降至70.00%;當(dāng)含水量降至5.39%,仍有53.50%的種子保持生活力;含水量降至5%以下,約半數(shù)的種子失去生活力(圖3)。種子在-20℃下貯藏100d后,所有種子全部死亡。而種子在4℃下貯藏100d后,脫水干燥后的種子活力并沒有顯著下降。在4℃下貯藏100d后,含水量為19.36%和10.31%的種子生活力分別為73.33%和76%,含水量3.77%～7.62%的種子生活力為45.00%～50.00%(圖4)。由此結(jié)果可知,西康玉蘭種子具較強的脫水耐性,無法忍受零下低溫,但在4℃條件下貯藏100d后,種子有效地保存了生活力。3不同低溫保濕貯藏對西康玉林種子萌發(fā)的影響在木蘭科植物中,由于具有未完全發(fā)育的胚,種子通常具形態(tài)休眠或形態(tài)生理休眠(BaskinandBaskin,1998)。具形態(tài)休眠的種子具未分化或已分化但未完全發(fā)育(即可分辨出子葉和下胚軸)的小胚,在萌發(fā)前,胚需在種子內(nèi)生長;而形態(tài)生理休眠是指種子同時具備形態(tài)休眠和生理休眠(BaskinandBaskin,2004;Finch-SavageandLeubner-Metzger,2006)。西康玉蘭種子胚乳豐富,在種子成熟時,種胚已分化出子葉和胚根,但胚小,僅占種子體積的1/5左右,在種子萌發(fā)前,胚需在種子內(nèi)部生長,因此西康玉蘭種子具有形態(tài)休眠特性。而且,需要長時間的低溫冷層積和GA3才能打破種子休眠,因此,西康玉蘭種子具有形態(tài)生理休眠特性。形態(tài)生理休眠特性在木蘭科植物非常常見,例如玉蘭(M.denudata)、天女木蘭(M.sieboldii)和巴東木蓮(Manglietiapatungensis)種子的休眠即是形態(tài)休眠和生理休眠綜合作用的結(jié)果,均具有未完全發(fā)育的小胚,需經(jīng)過低溫冷層積處理解除生理休眠以及完成形態(tài)上的發(fā)育,在種子萌發(fā)前,種胚在種子內(nèi)部明顯生長伸長(孫昌高等,1987;杜鳳國等,2006;陳發(fā)菊等,2007)。西康玉蘭種子脫水到10.31%時,種子活力由83.50%下降至70.00%,隨著種子脫水至更低的含水量,種子活力迅速下降,其半致死含水量(WL50)約為5.39%,但當(dāng)種子含水量降低至3.28%,仍有48.57%的種子具有生活力(圖3)。由此可知,西康玉蘭種子具較強的脫水耐性,種子可忍耐5%以下的含水量。西康玉蘭種子在-20℃下貯藏100d后,種子全部死亡,而貯藏在4℃下的種子仍保持較高的活力。含水量3.77%的種子在4℃下貯藏100d后,有活力的種子達50.00%(圖4)。因此,西康玉蘭種子不能忍受-20℃下的長時間貯藏,但在4℃下可有效保持種子生活力。由此認為,西康玉蘭種子極可能屬于中間性種子,且屬起源于溫帶的中間性種子。起源于熱帶的中間性種子貯藏壽命在貯藏溫度低于10℃時開始下降,例如含水量10%～11%的小果咖啡(Coffeaarabica)種子在10℃下可有效地保持種子生活力(HongandEllis,1992);而適應(yīng)于溫帶的中間性種子在-20～5℃的低溫條件下也可有效地保持生活力(HongandEllis,1998,2003),如野茭種子(Zizaniapalustris)(含水量