无籽西瓜种子引发研究进展

李涵　王志伟　童龙　闵子扬　孙小武　成娟

摘 要： 三倍体无籽西瓜具有多倍体优势和杂种优势，其突出特点是无籽、抗病性强、耐贮运性好、可溶性固形物含量较高，但是“三低问题”限制了其发展。种子引发处理作为一种可以提高种子品质、改善萌发特性的技术，近年来在无籽西瓜种子加工处理方面得到广泛应用。根据有关文献，主要从引起无籽西瓜种子萌发的障碍、种子引发处理方法在无籽西瓜种子上的应用及其效果、以及影响引发效果的因素等方面进行了综述，并对种子引发技术在无籽西瓜上的应用前景进行了展望。

关键词： 无籽西瓜； 萌发障碍； 种子引发

Abstract： In addition to polyploidy and heterosis，triploid watermelon has advantages of high sugar content，good eating quality，high and stable yield，good disease resistance and stress tolerance，and good performance in storage and transportation. However，triploid watermelon has so called“three low”problems，low seed yield，low germination and low seedling establishment rate. The seed priming technologies have been used for triploid watermelon seed to improve seed quality in recent years，at commercial level in some countries. We review the barriers of triploid watermelons，the priming technologies and their application to triploid watermelon seeds. We also provide our view of this technology in the future in this article.

Key words： Seedless watermelon； Germinating barrier of triploid； Seed priming

无籽西瓜[Citrullus lanatus（Thunb.） Matsum. & Nakai]具有多倍体优势和杂种优势，其突出特点是无籽、抗病性强、耐贮运性好、可溶性固形物含量较高，以品质优、经济价值高而成为西瓜中的精品[1]。近年来，无籽西瓜品种在西瓜品种中所占的比例一直处于上升趋势[2-4]，但三倍体无籽西瓜的“三低”问题（种子产量低、发芽率低、成苗率低）严重制约了无籽西瓜生产的发展[5]。目前，生产上常采用人工“破壳”方法来提高种子的萌发率[6-7]，但这种方式容易损害种胚，而且费时、费工，不能满足现代农业规模化、专业化生产的需要。许多研究表明，引发处理可以显著提高种子发芽速度和发芽整齐度， 还能使种子克服逆境和自身结构等原因引起的萌发障碍[8-10]。本文根据有关文献从无籽西瓜种子萌发障碍、种子引发方法在无籽西瓜上的应用及其效果，影响种子引发效果的因素进行了综述，并对引发技术在无籽西瓜的应用前景进行了展望。

1 无籽西瓜种子萌发影响因素

1.1 种皮的机械阻力

无籽西瓜种子的外形与四倍体近似，具有四倍体种子的厚硬种壳，木栓化程度高，尤其是在喙部特别肥厚，种子肥大，种脐部加宽，这种机械阻碍成为影响其种子发芽的主要限制因素[11]。Grange等[12]研究发现三倍体无籽西瓜的种皮和种皮与种胚之间的种腔可能是限制三倍体发芽的主要因素之一，并认为坚硬的中种皮是三倍体种子萌发的主要障碍。郑晓鹰等[8]用软-X射线对无籽西瓜种子和胚结构的研究结果表明无籽西瓜的萌发障碍主要与种皮有关。

戴思慧等[13-14]通过对无籽西瓜种皮进行电镜超微结构的分析，结果发现三倍体西瓜种子种壳比二倍体西瓜种子种壳厚近200 μm。三倍体西瓜种子的中种皮和内种皮平均厚度分别约为二倍体西瓜种子的2倍和10倍，三倍体西瓜种子中种皮中存在1个独特的细胞排列非常致密的硬化组织，内种皮木质化。在种子吸胀萌发过程中，三倍体西瓜种子的中种皮和内种皮在一定程度上均阻碍了种胚与外界的气体交换，影响种子的萌发。

1.2 种胚发育不完全

无籽西瓜种胚的特点是小而畸形且不充实，大部分种胚发育不良或者发育不完全，种仁质量与种子质量的比率比二倍体及四倍体都小，胚质量仅占种子质量的38.5%～41.6%，而二倍体和四倍体种子的胚质量分别占种子质量的52.1%～57.3%和41.7%～45.8%；三倍体种子的种胚体积只占种壳内腔的60%～70%，这是造成三倍体种子发芽困难和幼苗生长缓慢的主要原因。

Grange等[15-16]的研究结果表明，三倍體西瓜品种的种胚质量为29.8～28.8 mg，明显低于二倍体‘Charleston Grey的46.1 mg，同一个三倍体品种的发芽率高低与种胚质量呈正相关，种胚质量偏低一般与种子中营养贮藏物质积累不足有关，从而降低了种子发芽率，但不同的三倍体品种，其发芽率与种胚质量不完全成正比。Wang 等[17]有关三倍体种子中贮藏物质与萌芽率之间关系的研究表明，三倍体西瓜种胚中淀粉含量远远低于二倍体，仅为14%～27%，而二倍体种子却高达46%，淀粉含量与萌芽率呈现一定的相关性。徐玉波等[18]的研究表明，‘黑蜜2号无籽西瓜的种子中存在6.7%严重发育不良胚，10.0% 大小胚，其中有5%大小胚和严重发育不良胚不能发芽。

1.3 无籽西瓜种子生理生化特性

有些学者研究发现无籽西瓜种子萌发困难可能与种子萌发代谢途径和种子内源酶活性有关。过氧化物酶活性的增加表明种子内代谢途径由EMP/TCA转向PPP途径，种子休眠开始解除，种子开始萌动[19]。黄智[20]认为三倍体种子各部位过氧化物酶活性和G-6-PDH和6-D-GDH联合活性均比二倍体种子低，戴思慧等[21]的研究表明无籽西瓜种子萌发过程中磷酸戊糖代谢途径的G-6-PDH和6-P-GDH 2个关键性酶联合活性随着萌发过程的进行，在36 h种子的各个部位出现高峰值，然后下降，这恰好与种子的萌发裂口时间吻合，而且种胚中G-6-PDH和6-P-GDH联合活性大小决定其萌动的开始，这充分说明无籽西瓜种子的萌发与磷酸戊糖代谢途径密切相关。

张龑[22]有关三倍体无籽西瓜种子萌发机理以及促进萌发的研究表明，无籽西瓜种子内源细胞壁酶的活性比有籽西瓜明显偏低，这也许是无籽西瓜萌发率偏低的因素之一。

郑晓鹰[23]在研究种子内源β-半乳甘露聚糖酶在种子萌发过程中的分布、作用及其与萌发速度的关系后认为，β-半乳甘露聚糖酶活性是引起种子萌发的因素之一。

2 种子引发在无籽西瓜上的应用及其效果

种子引发处理[24-26]又称为“渗透调节”，是一种先进的种子处理技术，主要操作是將种子以一定速度吸入一定量的水分，并且在特定时期终止吸水，再将种子逐步回干至或接近处理前的水分水平。通过处理，种子内部进行了发芽过程的部分生理生化代谢，但是胚根不能伸出种皮，通过这种吸水处理提高种子品质，改善萌发特性，通俗的说法是“缓慢吸水，逐步干燥”。

2.1 种子引发在无籽西瓜上的应用

现阶段无籽西瓜常用的引发方法有固体基质引发、液体引发和水引发等[27]。

2.1.1 固体基质引发 固体基质引发即利用固体载体为基质进行引发[28-29]。这种方法是将要处理的种子、预先定量的固体基质材料和定量的水混合，且使溶液达到稳定状态，而后将混合液放置在能使空气进入，且能减少蒸发损耗的容器内，在一定温度下使种子处理一定时间，使种子从基质中充分吸收水分但未萌发，达到水分含量均衡，最终使植物活力增强（例如改善了发芽特性，促进生长及提高产量等）。顾桂兰等[30]用珍珠岩作为引发基质处理‘津蜜3号、‘津蜜2号、‘津蜜1号无籽西瓜品种，研究了不同含水量、引发温度和引发时间的效果，得到的结论是珍珠岩含水量60%，引发温度20 ℃，引发时间36～48 h的效果最好，种子活力显著提高。另外，珍珠岩引发可提高三倍体西瓜胚根内保护酶的活性（POD、CAT、SOD），降低MDA的含量，为三倍体西瓜种子的萌发提供了生理基础[30]。吴萍等[25]以蛭石为基质对无籽西瓜种子进行引发处理的研究表明，引发处理能提高三倍体西瓜种子的萌发率，出苗速度和幼苗特性，使幼苗质量得到提高，增加了胚轴长度，经过处理的种子保存一年后种子活力未发生明显变化，引发效果得到保持。引发处理的效果与种子自身及处理条件相关，处理后的干燥速度对引发效果影响极大，过快、过慢都会降低引发效果。

2.1.2 液体引发 液体引发是以溶质为引发剂，将种子置于溶液湿润的滤纸上或浸于溶液中，通过控制溶液的水势来调节种子吸水量。常用的引发剂包括无机盐类如硝酸钾、磷酸钾、硝酸钙、氯化钠、氯化镁、氯化钙等小分子化合物，或聚乙二醇（PEG）、交联型丙烯酸钠（SPP）、聚乙烯醇（PVA）等大分子化合物[31]。吴凌云等[32]分别用1% 硝酸钾和蛭石在15 ℃ 和20 ℃ 2种温度下引发2种无籽西瓜种子，结果发现，在15 ℃ 低温条件下，硝酸钾引发处理效果最好，而在20 ℃ 条件下，两种引发处理效果相同，均能显著提高西瓜种子的活力。卢荔等[33]用不同水势的PEG-6000溶液对‘黑牛无籽西瓜种子进行不同时间的引发，发现用PEG-6000溶液引发3 h，种子活性最高，其发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数较6、9、12 h处理增高明显。

2.1.3 水引发 水引发是在控制给水或直接浸水条件下，使种子定量吸水，从而达到促进萌发但胚根未突破种皮的播种前种子处理技术。黄如葵[9]采用水引发技术对‘金王子1号及‘广西5号三倍体西瓜种子进行处理后发现在吸水过程中种子的发芽性能得到改善，在脱水过程中不同品种对适宜脱水条件要求不同，另外还发现水引发增强了2个品种的贮藏性能以及抗衰老能力。

2.2 无籽西瓜种子引发的效果

种子引发效果主要表现在以下几个方面：提高种子萌发速度和出苗整齐度；克服环境等不良条件造成的种子萌发障碍，提高种子发芽率和出苗率；克服由于种子自身结构等引起的萌发障碍，提高发芽率和发芽速度；提高未成熟种子和老化种子的活力；提高种子抵抗苗期特殊病害能力，提高成苗率和产量；同时还对细菌性病害有一定的抑制作用[35]。

李磊等[35]有关不同引发剂结合固体基质对无籽西瓜‘小玉红无籽种子发芽性能的影响表明，引发处理提高种子萌发率 44.6%～62.4%，并显著提高了发芽势、幼苗鲜质量和根系活力，使幼苗素质得以提高，其中GA引发处理的种子发芽率与破壳处理接近。

冯建军等[36]在种子引发处理对无籽西瓜幼苗生长的影响和对细菌性果斑病菌消毒效果的研究中，利用KMnO4、CuSO4和ZnSO4的不同浓度溶液对无籽西瓜种子进行不同时间引发处理，引发溶液处理均比未引发处理的无籽西瓜种子发芽率得到提高，并提高了发芽整齐度和幼苗素质；同时，引发溶液对细菌性果斑病菌有显著抑制作用，并对人工接菌种子表现出一定程度的消毒效果。

3 影响引发效果的因素

种子引发是一个复杂的种子播前处理技术，引发效果受多种因素的影响，主要包括引发渗透势、温度、时间、空气、光照和种子质量，以及引发后的回干和贮藏等，且各因素间通常相互作用[27]。

3.1 渗透压

引发主要是通过调节溶液的渗透压来达到目的，因此渗调溶液的渗透压控制是引发成败的关键。最适的渗透压就是能使种子最大限度地水合而又不让其发生可见的萌发，这对于不同的种子、不同的渗透剂在不同的浓度和温度下都是不同的[37]。一般引发溶液的水势为-0.8～-1.6 MPa，不同物种存在一定的差异。番茄和芦笋种子在-0.8 MPa（20 ℃ 黑暗中）的PEG或人造海水及其他无机盐溶液中引发1周，发现番茄的发芽率并无改变，而芦笋的发芽率则从处理前的85%升到90%[38]。

3.2 温度

种子引发需要在一定的温度条件下进行，引发的主要作用在于缩短胚根突破种皮的时间。引发过程中要进行物理修复和生理、生化修补，温度必然是影响修补的主要因素[39]。一般认为较低的温度对种子萌发率提高缓慢，但其最终达到的萌发率却不比较高温度下的低。Demir[39]在用无机盐引发西瓜种子时发现，引发温度对于萌发率、出苗率以及萌发或出苗率达50%所需的时间无明显影响。人们对温度对引发效果的影响进行了大量的研究，但关于引发效果存在不同的说法。温度在种子引发效果上的分歧可能源于物种生物学特性差异，也可能源于试验条件的差异。另外，引发处理效果受多因素影响，而且因素间有密切的相互作用，这也是造成引发效果不同的因素之一。

3.3 引发时间

在不同温度与渗透压条件下，对不同的种子，引发时间的控制也是十分重要的。种子引发的最佳时间应该是在适宜的条件下达到最佳引发效果所需的引发时间。最佳引发时间因引发剂、溶液的渗透势、温度、或植物种的不同而异，可变化在2～21 d[40]。

3.4 种子质量

在相同条件下，种子引发效果除与品种有关外，还可能受种子质量如发芽率或活力的影响，种子大小、成熟度不同对引发效果影响不同。甜瓜种子渗透调节的成功与否有赖于种子的成熟度，开花期后40 d收获的种子比60 d收获的表现要好[44]。

3.5 引发后的回干和贮藏

引发后种子的回干和贮藏条件也是影响种子活力的关键因素。有研究认为引发后回干显著影响引发效果。种子引发后回干的方式有很多种，可以分为快速回干、慢速回干及先快速再慢速回干等，不同回干方式对不同植物、不同品种影响效果存在很大差异。如引发的种子在快速干燥后会引起发芽延缓，甚至引起引发效应丧失，所以回干应逐步缓慢进行。回干的程度亦因不同种类而异，有时为了长期贮藏，将引发种子脱水回干至较低含水量，但低于某一临界值时，则会出现负效应，如降低发芽率等。引发种子的贮藏条件对种子引发效应和寿命有很大影响。由于引发期间许多生理生化活动仍在进行，新的核酸和蛋白质合成需要消耗一定能量，尤其是胚根尖细胞DNA复制，进一步提高了种胚对外界环境的敏感性[28]。一般低温贮藏（4 ℃ 或10 ℃）可以延长种子贮藏时间或使引发效应保持较长时间。若引发种子在水分含量低且低温条件下贮藏，则贮藏时间或引发效应可延长[42]，而在常温或较高温度（30～35 ℃）下贮藏，引发种子会很快丧失生活力[43]。这可能与引发期间膜脂过氧化水平升高和清除过氧化物的酶活性的能力下降以及谷胱甘肽从还原型向氧化型转变有关[44]。可见，引发种子必须在适宜的贮藏条件下才能保持良好的引发效果。

4 展 望

目前有关无籽西瓜种子萌发生理机制方面研究还较少，种子引发技术对无籽西瓜促萌有显著效果，还可以抑制一些细菌性病害的发生，但有关引发处理的最适温度、湿度和时间，以及引发处理后种子萌发机制方面产生了哪些变化促使种子萌发等方面的研究较少，我们应对这些方面进行更深入的研究，可能會更有助于进一步全面地了解无籽西瓜种子萌发机制。

参考文献

[1] 刘文革.我国无籽西瓜科研和生产的现状与展望[J]. 中国瓜菜，2007（6）： 57-59.

[2] 肖光辉，吴德喜，刘建雄，等. 外源 DNA 导入创造抗枯萎病西瓜种质资源[J]. 湖南农业大学学报：自然科学版，1999，25（6）：453-454.

[3] 刘建雄，李赛群，刘 兵，等. 湘科一号无籽西瓜新品种的选育[J]. 湖南农业大学学报：自然科学版，2009，35（1）：73-75.

[4] 黄荣韶，盛孝邦. 桂宝802无籽西瓜的选育及其抗逆特性分析[J]. 湖南农业大学学报：自然科学版，2004，30（6）：552-554.

[5] 丁 泳，骆冬梅. 无籽西瓜种子发芽试验的研究[J]. 新疆农垦科技，2000（5）： 12-13.

[6] Duval J R，NeSmith D S. Treatment with hydrogen peroxideand seedcoat removal or clipping improves germination of‘Genesis triploid watermelon[J]. Hortscience，2000，35（1）： 85-86.

[7] 叶 翔，王永辉，孙小武. 提高无籽西瓜种子发芽率的方法[J]. 种子，2010，29（10）： 120-123.

[8] 郑晓鹰，李秀清，许 勇. 三倍体西瓜种子萌发障碍及吸水促萌技术研究[J]. 中国农业科学，2005，38（6）： 1238-1243.

[9] 黄如葵. 水引发技术对三倍体西瓜种子发芽性能的影响[J]. 中国蔬菜，2005（5）： 10-12.

[10] 陈豫梅，王世杰，韦明军. 三倍体西瓜种子发芽障碍及改善发芽状况的研究进展[J]. 种子，2009，28（1）： 51-53.

[11] 孙小武. 中国无子西瓜研究与应用[M]. 北京： 中国农业出版社，2009.

[12] Grange S，Leskovar D I，Pike L M，et al. Seedcoat structure and oxygen-enhanced environments affect germination of triploid watermelon[J]. Journal Amer Soc Hort Sci，2003，128（2）： 253-259.

[13] 戴思慧，孙小武，熊兴耀，等. 三倍体西瓜种子萌发障碍与种皮的关系[J]. 湖南农业大学学报： 自然科学版，2012，38（4）： 392-397.

[14] 戴思慧，孙小武，熊兴耀，等. 三倍体西瓜种子种壳结构及机械破壳力学特性[J]. 农业工程学报，2012，28（17）： 44-50.

[15] Grange S L，Leskovar D I. ，Pike L M，et al. Excess moisture and seedcoat nicking influence germination of triploid watermelon[J]. HortScience，2000，35（7）： 1355-1356.

[16] Grange S. Seedcoat structure and oxygen-enhanced environments affect germination of triploid watermelon[J]. Journal of the American Society for Horticultural Science，2003，128（2）： 253-259.

[17] Wang T，Sistruck L，Leskovar D I，et al. Relationship between seed reserves and germination in triploid watermelon Hort Science[J]2001，36（3）： 511.

[18] 徐玉波，荣文英. 不同处理对无籽西瓜种子发芽的影响[J]. 种子科技，2002（1）： 39-40.

[19] Roberts E H. Oxidative proeesses and the control of seed germination[M]//Heydeckered W. Seed Ecology. London：Utterworth，1973： 189-218.

[20] 黄 智. 无子西瓜种子萌发生理的研究[D]. 长沙：湖南农业大学，2010.

[21] 戴思慧，熊兴耀，黄 智，等. 无籽西瓜种子萌发与磷酸戊糖途径关系的研究[J]. 中国瓜菜，2012，25（4）： 5-7.

[22] 张 龑. 三倍体无子西瓜种子萌发机理以及促萌发的研究[D]. 长沙： 湖南农业大学，2008.

[23] 郑晓鹰，李秀清. 西瓜种子内源β-半乳甘露聚糖酶活性与分布以及萌发速度的关系[J]. 广西植物，2007（3）： 503-507.

[24] Corbineau F，Come D. Priming ： a technique for improving seed quality[J]. Seed Testing International，2006，132： 38-40.

[25] 吴 萍，宋顺华，郑晓鹰，等. 无籽西瓜种子引发技术的研究[J]. 中国瓜菜，2012，25（5）： 8-12.

[26] 顾桂兰，张 显，梁倩倩. 引发对三倍体西瓜种子萌发的影响[J]. 种子，2009，28（8）： 82-84.

[27] 王彦荣. 种子引发的研究现状[J]. 草业学报，2008，13（4）： 7-12.

[28] 李 明，姚东伟，陈利明. 园艺种子引发技术[J]. 种子，2004，23（9）： 59-65.

[29] Ohn A. East in，Lincoln，Nebr. Solid matrix priming of seeds with microorganisms and selected chemical treatment[P]. International Patent Publication number WO 97/5628144，1997.

[30] 顾桂兰，张 显，梁倩倩. 不同含水量珍珠巖引发对三倍体西瓜种子萌发及生理活动的影响[J]. 北方园艺，2009（10）： 9-12.

[31] Cantliffe D J. Sowing primed seed[J]. Am. Veg Growe，1983，31（2）： 42-43.

[32] 吴凌云，李 明，姚东伟. 种子处理对西瓜种子萌发和幼苗生长的影响[J]. 上海农业学报，2011，27（2）： 102-105.

[33] 卢 荔，曹利霞，乔洋洋，等. PEG引发三倍体无籽西瓜种子萌芽研究初报[J]. 中国瓜菜，2011，24（2）： 34-37.

[34] 吴 萍，宋顺华，丁海凤，等. 引发技术在种子产业上的应用[J]. 中国农学通报，2010（S）： 232-237.

[35] 李 磊，陈 波，张海清. 引发剂结合固体基质引发对三倍体西瓜种子发芽性能的影响[J]. 作物研究，2010，24（3）： 164-167.

[36] 冯建军，陈坤杰，金志娟，等. 种子引发处理对无籽西瓜幼苗生长的影响和对细菌性果斑病菌消毒的效果[J]. 植物病理学报，2007，37（5）： 528-534.

[37] 李 明，萬 丽，姚东伟. 蔬菜种子引发研究进展[J]. 上海农业学报，2006，22（1）： 99-103.

[38] Taylor A G，Allen P S，Bennett M A. Seed enhancements[J]. Seed Science Research，1998，8： 245-256.

[39] Demir I，Oztokat C. Effect of salt priming on germination and seedling growth at low temperatures in watermelon seeds during development[J]. Seed science and Technology，2003，31： 765-770.

[40] Khan A A. Preplant physiological seed conditioning[J]. Horticultural Reviews，1992，13： 131-181.

[41] Welbaum G E，Bradford K J. Water relation of seed development an germination of muskmelon VI. Influence of priming on germination responses to temperature and water pontential during seed development[J]. Journal of Experimental Botany，1991，42： 393-399.

[42] Dearman J，Brocklehurst，Drew R L K. Effects of osmotic priming and ageing on onion seed germination[J]. Ann Appl Biol，1986，108： 639-648.

[43] Alvarado A D，Bradford K J. Priming and storage of tomato seeds. Effects of storage temperature on germination rate and viability[J]. Seed Sci Technol，1988，16： 601-612.

[44] Chang S M，Sung J M. Deteriorative changes in shrunken-2 sweet corn seeds during storage and its control by solid priming[J]. Plant Physiology，1997，114（3）： 289.