新型环保种衣剂促进刺槐种子生长的实验研究*

曾德芳,王芳

刺槐是豆科蝶型花亚科刺槐属的落叶乔木,原产美国[1],于20世纪初期引入我国。刺槐适应性强、生长快、抗旱耐瘠薄,被作为水土保持树种和造林当家树种[2-3],在我国黄土高原地区的植被恢复和生态建设中发挥着重要的作用。因此提高刺槐种子萌发活力,培养优质苗木对我国实现可持续林业具有重要的现实意义和理论意义。

种子包衣作为作物物化栽培的重要手段之一,是实现种子标准化、产业化的主要途径[4]。目前已相继研制开发出了包括大豆、玉米、小麦、水稻、烟草[5]、油菜等80余种作物的种衣剂。已有研究表明:环保种衣剂作为一种新型种衣剂不仅能显著提高种子发芽能力,促进幼苗生长和减少病虫害的发生,而且对环境不会产生任何污染和危害[6-7]。但此类研究多集中在草本植物,对木本植物的影响却鲜有报道。为此,本文研究了自制环保型种衣剂对刺槐种子萌发和幼苗生长的影响,为刺槐种衣剂的发展及种子包衣技术更广泛的应用提供科学依据。

1 研究方法

1.1 主要实验仪器及试剂

恒温恒湿培养箱(WS01型,湖北黄石恒丰医疗器械有限公司),高压蒸汽灭菌器妞XQ一S以6-48sA型,上海博迅实业有限公司),电子恒速搅拌器(GS28B型,上海安亭电子仪器厂),电子天平(FAZIX瞬型,上海悦丰仪器仪表有限公司),生物显微镜(BX41-12HO2型,日本OLYMPUS公司),培养皿(Ф90 mm,上海跃进医疗仪器厂)。

天然高分子多糖(简称NP,自制)、冰乙酸、氢氧化钠、硫酸锌、硼砂、工业乙二醇、微量元素、磷酸二氢钾等(均为分析纯,湖北大学化工厂),紫罗兰天然色素(广东省汕头市明德食品添加剂有限公司)、刺槐种子(湖北省武汉市凯迪投资有限公司),传统种衣剂(2.5%适乐时悬浮种衣剂,瑞士进口),健康成年大鼠(雄雌各半,华中科技大学同济医学院动物试验中心)。

1.2 实验方法

1.2.1 种衣剂的配制 将一定量的NP溶于稀酸中,在室温下搅拌3～5 h直至完全溶解,得到其水溶液(NP水溶液)。将氢氧化钠、硼砂、磷酸二氢钾、硫酸锌等助剂配成质量比为1%的水溶液备用。然后将NP水溶液、助剂(包含防冻剂、成膜剂、渗透剂和微量元素溶液)和紫色素按一定的比例混合均匀,并在1200 r/min的电子恒速搅拌器下搅拌,即得到新型环保种衣剂成品。共配得6种新型环保种衣剂,编号为X1-X6。

1.2.2 对比试验 用自制的环保型种衣剂与传统种衣剂,对同批刺槐种子按比例进行包衣处理,然后置于恒温恒湿培养箱中培养,观察不同处理种子的发芽势和发芽率,并对实验结果进行比较分析。

(1)种子包衣处理

将自制的种衣剂与传统种衣剂均按1:40的药种比,分别对同批刺槐种子进行混合拌种包衣,并在室温下晾置约10～20 min,待包衣干固后备用。另设未包衣种子作为对照(CK)。

(2)种子发芽试验

用高压蒸汽灭菌器对培养皿(Φ90 mm)和砂土进行灭菌处理,在灭菌后的培养皿中垫两层圆形滤纸,加入适量清水润湿,取不同处理的刺槐种子各150粒均匀摆放在培养皿滤纸上(每组处理重复3次,每重复50粒),并覆盖厚度约1cm的湿润细砂,然后将培养皿置于温度为(27±1)℃、湿度为85%的恒温恒湿培养箱中进行发芽试验。

发芽测定按《林木种子检验方法》(GB 2772-99)进行。

发芽能力测定参照《国际种子检验规程》计算发芽率、平均发芽时间、发芽指数及活力指数[8]。具体计算公式如下:

发芽势(GP)=发芽初期正常发芽数/供试种子数×100%

发芽率(G)发芽终期正常发芽数/供试种子数×100%

发芽指数(GI)=∑Gt/Dt

式中,Gt:时间t日的发芽数;D t:相应的发芽日数

1.2.3 盆栽试验 将实验室较好的配方与传统种衣剂“适乐时”(商品名)在湖北随州殷店林场试验基地进行室外盆栽试验。在直径24 cm、高度30 cm花盆中分别置入15 kg经消毒处理过的土壤,再将包衣处理和未包衣的刺槐种子(对照)播于花盆中,每盆播量20粒,每个处理重复5次。生长期间每天用自来水补充蒸发去的水量,每个处理随机取3盆,用常规方法测量植株株高及干物质量。

1.2.4 种衣剂安全性实验 按《农药登记毒理学试验方法》(GB15670-1995)对自制环保种衣剂和传统种衣剂(“适乐时”)分别进行大鼠急性经口毒性试验和急性经皮毒性试验。大鼠急性经口毒性试验:设两个剂量组,高剂量组(2 150 mg·kg-1)和低剂量组(215 mg·kg-1)。大鼠给药前隔夜禁食,然后一次灌胃给药,染毒后连续观察14 d,记录大鼠接触受试物后体内各系统所产生反应、肢体活动和行为等改变,用统计方法计算LD50。

急性经皮毒性实验:给药前24 h将大鼠背部去毛,然后将原液直接涂在动物背部皮肤上,涂药面积占体表总面积10%,涂药时间持续4 h,观察两周记录大鼠中毒的临床表现,并计算LD50。

2 结果与讨论

2.1 种衣剂对刺槐种子发芽的影响

自制环保种衣剂对刺槐种子发芽的影响结果见表1。结果显示,所有处理与空白对照相比,其发芽指标均呈上升趋势。其中自制环保种衣剂X3效果最为明显,其发芽率比传统种衣剂“适乐时”和对照分别提高了6%和8%,发芽指数分别增加了2.41和3.17。表明种衣剂能提高刺槐种子的发芽能力,加快发芽进程。

2.2 种衣剂对刺槐幼苗生长的影响

经种衣剂处理的刺槐种子发芽后的鲜质量、幼根长、苗长较对照均有不同程度的提高(表2),该结果与种子发芽实验结果趋势保持一致,进一步说明种衣剂对刺槐种子萌发及幼苗生长影响的正效应。其中 X3在所有指标中均优于其它处理,幼苗鲜质量较“适乐时”和CK分别提高了0.032 g和0.046 g,苗高则分别增加了0.44 cm和0.59 cm。因此,初步筛选X3为最优自制种衣剂配方,并作为优化实验的供试材料。

表1 种衣剂对刺槐种子发芽影响的结果

表2 种衣剂对刺槐幼苗生长影响的结果

2.3 不同药种比对刺槐种子发芽的影响

用种衣剂X3和刺槐种子分别按1:30～1:80的比例进行药种比试验,共6个处理,每个处理重复3次。试验结果如图1,可以看出,当X3以1:50的药种比对刺槐种子包衣,发芽率最高。当药种比浓度大于1:50时,种子发芽率较低,这是因为包衣过厚,虽然能吸附更多的水,但对种子的呼吸作用和发芽“露白”有阻碍,负面效应随包衣厚度的增大而增大[9]。同样当药种比浓度过小,过薄的包衣层在种子周围不能形成理想的蓄水效果,反而一定程度阻碍种子对水分和氧气的吸收。故以1:50作为自制种衣剂与种子的最优包衣比例。

2.4 不同NP浓度对刺槐种子的影响

X3配方中其他组分及其含量不变,不同NP浓度对刺槐种子主要性能指标的影响结果如图2所示。可以看出,NP浓度对刺槐种子的发芽势、发芽率也有明显的影响。其中,NP浓度在1.0%～3.5%时,刺槐种子发芽势和发芽率均随NP浓度的增加而增加,NP浓度为3.5%时的发芽能力最好,NP浓度大于3.5%后种子的发芽势和发芽率开始下降。因此NP最适浓度为3.5%。这是因为用NP制备的高分子溶液,其粘度随溶液浓度增大而增加,当浓度大于3.5%,溶液的流动性下降,影响NP的成膜性能,导致成膜孔结构疏松,从而抑制种子生长。

图1 种衣剂X3最佳药种比试验结果

图2 NP浓度对刺槐种子发芽的影响

2.5 种衣剂优化实验结果

优化后的X3配方与未包衣(CK)及传统种衣剂对刺槐种子的处理结果如表3。可以看出,经优化的种衣剂X3处理的种子,其发芽指标明显优于“适乐时”和对照,其发芽势、发芽率较对照分别增长了8%和10%,较“适乐时”分别增加了4%和6%,平均发芽时间比“适乐时”和对照分别提前0.26 d和0.49 d。

2.6 优化种衣剂X3对盆栽刺槐苗木生长的影响

优化环保型种衣剂X3和传统种衣剂“适乐时”对刺槐苗木生长的影响结果如表4所示。可以看出,X3种衣剂对刺槐苗木高度、根系长度和干物质量等的促进作用均超过传统种衣剂和对照。“适乐时”和对照处理的根系长度分别为X3种衣剂处理的95.1%和78.3%;苗高分别为X3处理的96.0%和93.7%;地径分别为X3处理的95.9%和90.1%。进一步说明该环保型种衣剂对刺槐苗木的生长具有明显的促进作用。

表3 优化实验结果

表4 刺槐室外盆栽实验结果

表5 安全性实验结果

2.7 种衣剂安全性实验结果

2.7.1 急性经口毒性试验 大鼠口染高剂量(2150 mg·kg-1)“适乐时”3～6 min后,开始出现全身肌肉震颤、流涎、四肢瘫痪、呼吸抑制等中毒症状,死亡前有抽搐,鼻及眼中流出较黏稠的血性分泌物等症状出现,死亡时间大多在12 h内;低剂量(215 mg·kg-1)“适乐时”口毒处理后,大鼠也出现轻微肌肉震颤症状。而给大鼠口服同剂量种衣剂X3却没有上述中毒症状。

2.7.2 急性经皮毒性试验 高剂量(2150 mg·kg-1)“适乐时”处理后,大鼠出现严重皮肤红斑和隆起及严重水肿等症状;经低剂量(215 mg·kg-1)处理的大鼠皮肤有轻微红斑和轻度水肿症状;种衣剂X 3处理的大鼠没有上述症状出现。

急性经口毒性试验和经皮毒性试验结果(表5)表明,X 3毒性远低于传统种衣剂“适乐时”,安全性好,属于一种新型环保型种衣剂。

2.8 种衣剂作用机理及其分析

(1)自制种衣剂采用的天然高分子多糖NP具有良好的成膜性,对种子包衣后能形成一层致密的保护膜,使种子内部的营养物质消耗降到最低。而当包衣种子植入土壤并吸水膨胀后,这种高分子膜却又表现出良好的通透性,使种子充分吸收土壤中的溶解氧,较快释放呼吸作用产生的CO2。

(2)NP处理能有效提高刺槐种子的发芽率、发芽势和幼苗的生长量,这与NP能够打破种子休眠、提高种子活力有关[10]。种子的活力指数不仅能反映出苗速度和出苗整齐度,更能反映出苗势。已有研究表明,经NP处理的种子能够促进mRNA重新合成,大大提高体内酶活性,从而有利于种子发芽,并使幼苗茁壮[11]。这为幼苗后期生长及各项生理活动提供了有利基础。

(3)NP处理可以增加刺槐幼苗对无机氮素的同化吸收,促进幼苗叶片蛋白质合成;增强碳素同化能力,改善幼苗光合性能,从而增加叶绿素含量和可溶性蛋白质含量。这对幼苗的生长发育以及最终的产量形成和品质的改善都有重要的影响。有研究认为,NP作为一种含氮高分子化合物能作为缓慢释放的“固氮”基质,可被植物直接吸收,或者通过微生物的作用氧化成硝酸盐而被植物吸收[12]。

3 结论

(1)不同种衣剂处理对刺槐种子生长的影响存在明显差别。以天然高分子多糖NP为主要成份制备的新型环保种衣剂通过促进种子呼吸、激发酶活性等因素,可以提高刺槐种子活力和发芽率,加快发芽进程,促进幼苗生长。与传统种衣剂和对照相比,种子发芽率分别提高6%和10%。

(2)自制种衣剂X 3主要成分含量控制在NP浓度3.5%、药种比为1:50时,其对刺槐种子萌发的促进能力最高。包衣过程中适当控制药种比和NP浓度,能有效提高环保型种衣剂的作用效果。

(3)与传统有毒种衣剂相比,自制环保种衣剂安全、无污染,符合可持续林业发展要求,在生产中具有一定的实践意义和环境效益。

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