药用植物种子休眠研究概述

付长珍，郭宝林

(中国医学科学院/北京协和医学院 药用植研究所，中草药物质基础与资源利用教育部重点实验室，北京 100193)

药用植物种子休眠研究概述

付长珍，郭宝林*

(中国医学科学院/北京协和医学院 药用植研究所，中草药物质基础与资源利用教育部重点实验室，北京 100193)

本文以国际上普遍采用的种子休眠分类系统为基础，系统介绍了生理休眠(Physiological Dormancy，PD)、形态休眠(Morphological Dormancy，MD)、形态生理休眠(Morphophysiological Dormancy，MPD)、物理休眠(Physical Dormancy，PY)和联合休眠(PY+PD)这五种休眠类型的特点和相应的破眠方法，并对已经报道药用植物具有休眠特性的种子按照该系统进行了归类。以期有助于认识和解决药用植物栽培过程中常碰到的种子休眠问题。

种子休眠；分类；药用植物；破眠方法

种子休眠这一特性可使许多植物的种子保持停滞状态，直到环境条件适宜引动萌发过程，种子才能萌发和长成幼苗，种子以此躲过恶劣的环境，从而对植物个体的生存、延续和进化起到积极的作用，具有重要的生物学意义。但很多植物种子休眠期可长达半年至两年；有些野生性状强的植物，一批种子的休眠期长短不一，表现为发芽极不整齐，成为该植物引种栽培的重要问题，也给用发芽试验来鉴定种子质量等工作带来一定困难。近年来，种子休眠的研究一直是植物生物学中受到关注的一个方面，但仍被认为是了解最少的领域之一。

对于能长时间休眠的种子来说，休眠状态是变化的。相同植物不同部位产生的种子或者是不同时间成熟的种子可能在脱落后表现出不同的萌发行为。这表明种子的萌发行为可随时间而变化，或随贮藏条件的变化而有所改变，而且这样的差异在种群间也可能存在。本文对药用植物种子休眠的类型、原因及打破休眠的常用方法进行全面综述。

1 种子休眠的定义

阻碍有活力种子在适宜环境下萌发的现象叫种子休眠，这是较为简略化的定义，更完善的定义是：种子休眠(Seed Dormancy)指在一定的时间内，具有活力的成熟种子(或者萌发单位)在任何适宜的物理环境因子(温度、光照/黑暗等)的组合下仍不能萌发的现象[1,2]。需要注意的是，休眠与否不能简单地用萌发率来表示，一粒有生活力的种子在某一时空可能不会萌发，其原因是多种的，可能是其代谢极弱或趋于“静止”，静止种子(Quiescent Seed)通常是指处于干燥状态或不利条件下不能萌发的种子；这样的种子一旦吸水并给与适宜的条件就能萌发，也有可能尚未找到适合的萌发条件，不同的种子的适合萌发条件有很大的不同。只有在任何适宜的物理环境因子的组合下均不能萌发才可叫休眠。

从种子发育到萌发全阶段的过程及影响因素见图1所示，种子萌发能力受生物和非生物因素的影响，在种子发育的过程中，环境和基因型共同决定了它的萌发能力，当种子从母体植株脱落后，在适宜条件下充分吸胀后不能萌发，即称为初生休眠，而能萌发则为非休眠；非休眠种子和完成后熟的种子在不适宜的条件下，吸胀后不能萌发，即静止种子；静止种子和处于后熟过程中的种子处于不适宜的条件下，又有可能导致种子休眠，即称为次生休眠。

2 种子休眠类型及相应的休眠解除方法

一个广泛认同的种子休眠类型分类系统随着研究者的研究角度及深度一直有所变化和争议。

Harper[4]将种子休眠划分为三大类型：1)固有休眠(Innate Dormancy)；2)强迫休眠(Enforced Dormancy)/生态休眠(Ecological Dormancy)；3)诱导休眠(Induced Dormancy)。Gubler等[5]将休眠分为两大类：1)初生休眠(Primary Dormancy)；2)次生休眠(Secondary Dormancy)，分别类似于Harper所述的固有休眠和诱导休眠。著名种子休眠生理学家Baskin认为这些只是对不同休眠状态的描述，而不是合适的分类。Nikolaeva[6]发现种子的形态学和生理学的性质决定休眠的类型，Baskin在其基础上提出一种较为完备的种子休眠分类体系[7,8]：分为生理休眠(Physiological Dormancy，PD)、形态休眠(Morphological Dormancy，MD)、形态生理休眠(Morphophysiological Dormancy，MPD)、物理休眠(Physical Dormancy，PY)和联合休眠(PY+PD)五大类，其中PD和MPD还可细分为不同的水平(Levels)和亚类(Types)，见表1。

图1 种子发育到萌发过程图(来自文献[3])

表1 种子休眠类型[7,8]

2.1 物理休眠(PY)及休眠解除方法

物理休眠(PY)是指有些种子的种皮(指广义的种皮，尚可包括果皮及果实外的附属物)具有一层或多层栅栏细胞，不透水、不透气、阻止抑制物质逸出、减少光线到达胚部或产生机械约束等作用引起的休眠。PY常见于豆科、漆树科、旋花科、锦葵科、睡莲科、鼠李科和无患子科等植物中。豆科药用植物如甘草、黄芪、合欢、苦参等的硬实种子，种皮非常坚韧致密，阻碍水分透入种子；杜仲种子的外果皮中含有橡胶，种子既不易吸水也不易胀裂。苍耳、百日菊等种子因种被阻碍氧气进入胚部而休眠。有些药用植物种子种皮坚硬木质化或表面具有革质，往往成为限制种子萌发的机械阻力，这类种子在蔷薇科(如桃、李、杏等核果)、桑科、苋科中有不少实例，葫芦科的栝楼种子也是如此[9]。通过测定种子吸水率可判断种子是否具PY。在实际操作中，可采用人为损伤、机械损伤、压力、碰撞、硝酸钾或者浓硫酸腐蚀法、热处理等方法来解除此类种子的休眠。见表2。

1.1 生理休眠(PD)

广义地讲，由萌发抑制物质(可能来自胚、胚乳、种皮等)的存在而引起的休眠称之为生理休眠(PD)。具此类休眠的种子可以是胚未分化、胚已分化但未发育完全或胚发育完全的，狭义的PD指种子脱离母体后胚已发育完全，但种子中存在生理性萌发抑制物，导致种子在适宜条件下仍不能萌发。PD是最普遍的休眠类型，广泛存在于裸子植物和大多数被子植物的种子中，如紫草科、十字花科、石竹科、藜科、大戟科、唇形科、禾本科、蔷薇科和玄参科等。

表2 常见的PY型休眠药用植物种子及解除该休眠的方法

PD又分为深度(Deep)、中度(Intermediate)和浅度(Non-deep Physiological Dormancy)三个水平(Levels)(Baskin & Baskin，2004)：(1)具深度PD的种子离体胚不能正常生长或产生畸形苗，种子需要冷层积(Cold Stratification)(0～10 ℃)10～16周才能萌发，而赤霉素(GA3)或者暖温处理不能促进种子萌发，例如挪威槭(Acerplatanoides)种子。(2)具中度PD的种子离体胚能产生正常的幼苗，冷层积8～14周能够解除休眠，GA3处理可能促进种子萌发，一段时间的室温干藏(Dry Storage)或者暖层积能够缩短冷层积的时间。例如欧亚槭(Acerpseudoplatanus)种子。(3)具浅度PD的种子离体胚能产生正常的幼苗；冷层积或者暖层积(>15 ℃)1～8周能解除休眠，GA3处理能解除休眠，种皮损伤也能促进萌发。其中浅度PD(Baskin and Baskin，2004)占PD的大多数，根据种子休眠释放过程中对温度的生理反应模式，浅度PD可分为5个亚类型(图2)。

X=1.0表示种子处于完全的休眠状态，此时属类型1、2和3的种子分别只能在低温、高温和中温条件下萌发，类型4、5的种子不能萌发； 0

在已有的研究中大部分浅PD种子属于类型1(如拟南芥Arabidopsis thaliana)，或者2，少数为类型3，具有类型4或者5的种子非常少[7]。

图2 种子浅生理休眠的类型[7,18]

药用植物中具有PD例子及休眠解除方法见表3。

1.2 形态休眠(MD)

由胚未分化或胚已分化但未发育完全而引起的休眠称之为形态休眠(MD)。MD种子不含生理休眠，无需特殊处理，仅需要一段时间让胚生长至足够的体积种子便能萌发。也就是说，在适宜条件下，刚采收的种子，其种胚在几天或1-2周后便开始生长，约30d内即可萌发。伞形科、天南星科、五加科、小檗科、百合科、毛茛科、木兰科、罂粟科一些属的种子胚有分化但未完全发育，为典型的MD，例如旱芹(Apiumgraveolens)；而杜鹃花科、龙胆科、兰科、列当科、鹿蹄草科等科的一个或多个(或所有)属的种子胚未分化，属于特殊的形态休眠。

1.3 形态生理休眠(MPD)

同时含有形态休眠和生理休眠称之为形态生理休眠(MPD)，但一般不包括胚未分化的种子(胚未分化属于MPD中非常特殊的一类)。MPD种子萌发前需要解除休眠的预处理且所需时间较长。此类休眠常存在于木兰科、毛茛科、罂粟科、马兜铃科、小檗科、冬青科、伞形科、五加科、百合科、天南星科等植物类群中。MPD是最为复杂的一类休眠，Baskin[7]根据打破休眠所需的温度和GA3是否能打破休眠，又将MPD分为8个水平，将另文叙述。其中具有MPD的药用植物及破眠方法见表4。

表3 常见PD型休眠药用植物种子及解除该休眠的方法

表4 常见MPD型药用植物种子及解除该休眠的方法

1.4 综合休眠(PY+PD)

由种皮障碍和萌发抑制物的存在，共同导致种子的休眠称之为综合休眠(PY+PD)，其主体属于PY，同时兼有PD。具有综合休眠的药用植物种子情况见表5。

表5 常见PY+PD型休眠药用植物种子及解除该类休眠的处理方法

1.5 种子批中的混合休眠类型现象

同一个种内的不同居群或者同一个居群的不同个体可能有的种子休眠，另一些种子不休眠，或者说一些种子属于此种休眠类型，而另一些种子属于另一种休眠类型。如豆科中一些具有不透水的种子(具有PY)总有一部分比例的种子是透水的(则不具有休眠性)；又如马兜铃属的Siphisia亚属中部分种子具有MD，而另一些种子为深度简单类型的MPD(Adams，2003[56])；Empetrumhermaphroditum的一批种子中，62-78%的种子是中度PD，剩余的种子为浅度PD(Baskin et al.,2002[57])。这些现象表明了种子休眠的复杂性。

2 药用植物种子休眠分类问题讨论

传统上对药用植物种子休眠有下列归类方式[58,59]：I：种皮(包括果皮及果实外的附属物)障碍；II：胚后熟，分生理后熟和形态后熟；III：萌发抑制物的存在；IV：光的影响，一些新收获种子需要光或暗的发芽条件；V：次生(二次)休眠，不良条件可以使种子产生二次休眠。

按照Baskin的分类方法，I与物理休眠(PY)相对应，II包括了生理休眠(PD)、形态休眠(MD)和形态生理休眠(MPD)三种类型； V所述的二次休眠，是相对于初生休眠，不属于独立的休眠类型。休眠类型可对应于该种植物的初生休眠，也可以属于部分初生休眠打破以后的生理休眠(参见图1)。

对于III的情况，虽然有大量报道种皮/果皮中存在外源的萌发抑制物质，目前已经证明的是，一些植物的新鲜果壳中存在抑制物质，当去除果壳，种子即可以萌发，如Cucumismelo[60]，但这并不能说明抑制物和种子内在休眠之间存在关系。而更多的情况是抑制物质被发现存在于具有PD或者MPD的种子中，如果不解除PD或者MPD，即使去除这些抑制物质种子也不能发芽，也就是说种子中抑制物质的发现并不是必定意味着其在种子休眠机制中具有作用[1]，因此Baskin在进行种子休眠分类整理时，将Nikolaeva种子休眠分类系统中的“Chemical dormancy”一类在她的系统中予以剔除了。

某些种子的发芽需要光(特别是某些红光的刺激)，而另一些种子的发芽则需要在黑暗中进行(光会抑制发芽)，但是光只是种子发芽的适宜条件之一，不同的种子情况不同，没有适宜的光条件不能萌发的种子是静止种子，而不是休眠种子。尽管光条件可以有助于种子在适合温度下打破休眠，也能促使种子在不适宜的温度下产生二次休眠[61]。

合理的分类是正确认识事物和解决问题的前提和基础。本文拟通过介绍国际上最新的种子休眠分类方法，提供针对每种休眠类型的破眠方法和策略，以有助于解决药用植物栽培过程中常碰到的种子休眠问题。

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ReviewonDormancyResearchofMedicinalPlantSeeds

FU Chang-zhen,GUO Bao-lin*

(KeyLaboratoryofBioactiveSubstancesandResourcesUtilizationofChineseHerbalMedicine,MinistryofEducation,InstituteofMedicinalPlantDevelopment,ChineseAcademyofMedicalSciences&PekingUnionMedicalCollege,Beijing100193)

Based on the generally accepted classification system for seed dormancy,this paper mainly focus on characteristics and methods of breaking dormancy about these five types,physiological dormancy(PD),morphological dormancy(MD),morphophysiological dormancy(MPD),physical dormancy(PY) and mixed dormancy(PY+PD),respectively.And on the basis of reported researches,try to classify medicinal plant seed dormancy according to classification system.Hope this helpful to solve some problems in medicinal plant cultivations.

Dormancy; The medicinal plant seeds; Classification; Breaking dormancy

2013-03-06)

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郭宝林，Tel：(010)57833172，E-mal：guobaolin010@163.com