巨紫荆种子休眠原因及破眠技术研究

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(长江大学园艺园林学院，湖北 荆州 434025)

巨紫荆，学名：CercisgiganteaCheng et Keng f.，为豆科(Leguminosae)紫荆属高大落叶乔木，直径可达50 cm，树高可达15 m，是我国现存特有、极少的乡土树种，主要分布在湖北、浙江、河南、湖南等省，寿命较长，生长速度较快，耐修剪，能够适应干旱、水渍等较为恶劣的环境。巨紫荆春季观花，夏季观叶，秋季观果，冬季观干，具有极高的观赏价值，在景观、道路园林绿化等方面具有广阔的应用前景，巨紫荆具有质硬、耐腐蚀、少开裂等良好结构性能，是良好家具、建筑制作的用材。豆科紫荆属在自然条件下主要是靠种子进行繁殖，近些年来关于豆科紫荆属的种子研究较多，研究表明，种子具有硬实性和休眠特性[1-2]。有关巨紫荆研究主要集中于嫁接繁殖[3]、组织培养快繁[4]、引种栽培繁殖[5]以及园林植物应用[6]等方面，而有关巨紫荆种子休眠特性及快速萌发探究较少，金继良等[7]研究发现，以80 ℃热水结合250 mg/L 赤霉素进行沙藏，可促进种子萌发，但没有具体说明沙藏天数。卢芳等认为，浓硫酸腐蚀结合赤霉素浸泡再低温层积60 d能打破休眠[8]。目前关于巨紫荆种子形态解剖以及快速打破休眠的方法还未见报道。巨紫荆种子解剖结构探究、如何在较短时间打破休眠使其萌发鲜有报道。因此，通过实验对巨紫荆种子外观形态、种子解剖、破除种皮结合激素处理等方面进行探索研究，以期为巨紫荆种子休眠特性研究提供一定理论参考，并为种子快速育苗繁殖及其栽培提供实践生产指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

2017年11月，巨紫荆种子取自湖北省神农架林区五峰山上，海拔1 100 m左右。巨紫荆茎粗10 cm左右，高10 m以上，树上结有大量果荚。采收成熟果实带回长江大学实验室，将果实去壳、净种、阴干，放置常温干燥环境保存备用。

1.2 果实和种子形态指标观察与测定

1.2.1 百粒重

随机选取100粒正常种子在电子天平上称重，重复3次。

1.2.2 果实、种子类型观察与解剖

随机挑选出成熟完整的20个果荚和50粒种子，用电子游标卡尺和20 cm刻度尺测定果荚和种子的长度、宽度和厚度。挑选不同类型的种子，用解剖镜进行形态观察解剖并作比较分析。

1.2.3 种子形态解剖

随机选择种粒饱满、富有光泽的完整种子用解剖刀纵切，在体式显微镜下观察取照。

1.3 处理方法

1.3.1 种子吸水曲线测定

1) 种子处理。

A.浓硫酸腐蚀处理：精选完整饱满种子90粒，将样品每30粒分别放置于3个装有一定量浓硫酸的烧杯中浸没，并计时25，35，45 min取出样品并在流水下冲洗3 min左右。

B.种皮破皮处理：精选完整饱满种子30粒，用普通砂纸随机磨损种皮，使其有一定损伤，待用。2种处理同时以完整种子作为对照。

2) 吸水试验。

精选完整饱满种子30粒，将浓硫酸处理、砂纸处理、完整种子所有样品分类放入不同装有足够量水的容器中，置于25 ℃左右的室温内并开始计时，初始每隔3 h取出样品称重1次，后由吸水变化调整为每隔12 h、24 h取出样品称重1次，称重前吸干种子表面的水分，直至2次吸水测定的值接近恒值为止。

种子净吸水率(%)=(吸水后样品的重量-吸水前样品重量)/吸水前样品重量×100%。

1.3.2 种子发芽试验

1) 种子胚根端处理。

精选饱满种子3 200粒，放置在现配0.1%高锰酸钾溶液中消毒15 min，清水冲洗3次，放置在清水中常温浸泡3 d，每天定时更换清水，浸泡完毕后再清水冲洗3次，用解剖刀对所有种子的胚根端2 mm左右处进行切除，置于50，100，150 mg/L的赤霉素水溶液中，浸泡12 h和48 h，倒出浸泡液，反复清洗种子，以在清水中浸泡12 h和48 h的种子作为对照。

2) 种子子叶端处理。

参照刘雅琦等[9]的方法，种子子叶端处理中，要用解剖刀对所有种子的子叶端2 mm左右处进行切除，其余处理同种子胚根端处理。

3) 浓硫酸、破皮处理对巨紫荆种子发芽的影响。

以完整种子作为对照，以浓硫酸、破皮处理后种子为实验材料，其余条件保持相同。

以上处理的种子采用培养皿发芽法，置于生态培养箱(黑暗12 h/光照12 h交替进行，25 ℃)中进行发芽试验。每个处理选择100粒种子，平行做4次，连续进行10 d的培养。实验期间，逐日定时观察，记录种子发芽数和发霉数，仅以胚根长为种子的一半作为种子发芽标准，测定巨紫荆种子的发芽率。

1.3.3 数据统计与分析

用Microsoft Excel 2016软件录入试验数据，对种子净吸水率、种子萌发率进行曲线作图，然后根据数据及图表进行分析总结。

2 结果与分析

2.1 种子质量及形态与解剖

2.1.1 种子质量测定

经测定完整成熟的巨紫荆果荚长度平均为(11.39±0.698 0)cm，宽度平均为(13.24±0.652 2)mm，厚度平均为(0.908 5±0.174 9)mm；巨紫荆种子的百粒重平均为(2.162 8±0.051 58)g，长度平均为(4.999 2±0.189 4)mm，宽度平均为(4.405±0.147 0)mm，厚度平均为(1.496±0.109 1)mm。

2.1.2 种子形态观察

如版图所示，从果荚中收集种子有以下几种类型：1为完整饱满种粒，2为黑色空瘪种粒，3为绿色空瘪种粒，4为黄色空瘪种粒，5为昆虫幼虫蚕食种粒，6为病菌感染种粒，7为黑色圆润种粒，8为胚根端坏死种粒。其中1为完全可育类型，2～8属于皱缩、空瘪、病虫害等败育类型，在种子催芽试验前，应精挑完整饱满可育型种子作为供试材料，剔除空瘪皱缩病虫害等败育种粒。

注:1为正常种子；2～4为不同颜色空瘪粒种子；5为虫食种子；6为病菌侵染种子；7为黑色圆润种子；8为胚根坏死种子；9～12为完整种子观察与解剖；13～15为不同处理下种子3种萌发方式。版图

2.1.3 种子形态观察与解剖

由版图-9可知，巨紫荆种子为卵圆形，种皮呈绿色，具有明显种脐，质密，种皮硬化。以完整种子进行纵切解剖观察，如版图-10和版图-11，种脐部位有较发达的维管系统，最外层是逐渐加厚的栅栏组织，其细胞壁紧缩，子叶占据着种子绝大部分，版图-12成熟硬实种子子叶呈黄色，种皮下方存在有透水透气白色管，子叶、胚根形态可见，子叶较大发育完全，为双子叶，胚根略偏于种脐，周围具有空室。高度木质化具有较厚的栅栏组织所形成的种脐，加强了种皮的厚度，也保证了巨紫荆种皮的致密性，因而阻碍了外界的水分、空气等渗透到种皮的内部，这可能是巨紫荆种子难透水透气的原因，也可能是导致种子休眠的主要原因。

2.2 不同处理对种子吸水率的影响

由图1可知：完整种子在前24 h内，吸水缓慢，24 h后吸水趋于平稳；浓硫酸处理不同时间后，在前24 h内吸水速率较快，随着浸泡时间越长，吸水速率越快，24 h后仍在少量吸水，但趋于平稳；破皮种子在前24 h内，吸水速率快，净吸水率明显升高，在24 h后吸水缓慢趋于平稳。完整种子、破皮种子、浓硫酸浸泡25，35，45 min处理最高吸水率分别为7.5%、102.6%、103.2%、101.4%、105.6%，浓硫酸浸泡处理45 min吸水率最高，为完整种子的14.08倍，为破皮种子的1.03倍。由此可见，种皮透水性能很差，用物理和化学方法处理种皮吸水率有明显提升，且处理时间越长，吸水率越大，表明种皮具有不透水不透气的特性，是巨紫荆种子休眠的一个重要原因。

图1 不同处理下巨紫荆种子吸水速率

2.3 不同时间、浓度赤霉素对巨紫荆种子萌发的影响

紫荆属植物繁殖途径主要是以种子进行，其种子具有一定的休眠特性，参考刘雅琪等[9]有关对种子破皮的方法以及米建华等[10]破除紫荆种子休眠的方法，以完整种子作为对照，通过对巨紫荆种子进行砂纸破损种皮边缘、浓硫酸腐蚀打破种皮限制休眠，赤霉素溶液浸泡24 h；以及直接以不同浓度的赤霉素处理，在冰箱低温层积不同天数，在生态培养箱中进行发芽试验。

不同处理对巨紫荆种子萌发产生的3种出芽方式如版图-13～版图-15。版图-13为切除种子胚根端后，种子以胚根生长方式发芽，版图-14为切除种子子叶端后，种子发芽过程为子叶先出，这是一种异状发芽，不能算正常发芽。版图-15为切除种子子叶端结合赤霉素处理，以胚根突破种皮生长方式发芽。其中切除种子胚根端全部以版图-13方式发芽，切除种子子叶端大部分以版图-14方式发芽，而仅有少量种子以版图-15方式发芽，进一步说明种子萌发受种皮限制，存在机械障碍。

巨紫荆种子萌发情况见图2和图3。由图2、图3可知：种子消毒15 min，清水浸泡3 d，切除种子胚根端及子叶端的2 mm左右后，种子第4天开始发芽，能打破机械障碍，可快速促使种子萌发，在相同处理中使用赤霉素浸泡对种子萌发具有明显的促进作用；切除种子胚根端对比切除种子子叶端，对种子萌发有更好的效果，再使用激素浸泡12 h后，最高萌发率可达90%，使用激素浸泡48 h后，最高萌发率为6.67%；相同处理中，不同浓度激素对种子萌发效果不同，在种子最初萌发过程中，低浓度激素有一定促进作用，高浓度激素有一定抑制作用。较长时间激素浸泡切除之后的种子对萌发存在一定的毒害作用，清水浸泡切除子叶端种子对种子有一定促进作用。

试验结果表明，由于种皮限制，胚根较难突破种皮，种子不萌发或萌发率较低，萌发时间较长，种子污染发霉率高，不具备以巨紫荆种子作为快速育苗繁殖的条件，其中通过切除子叶端的种子，大部分以子叶先出，胚根不能正常生长，这属于异状发芽。因而，采用直接切除巨紫荆种子胚根端，形成一个不完整种子，快速打破由于种皮种脐限制产生的休眠，促使种子萌发，在赤霉素处理的条件下，使其快速萌发，提高萌发率。

图2 不同浓度赤霉素处理12 h下破皮巨紫荆种子萌发情况

图3 不同浓度赤霉素处理48 h下破皮巨紫荆种子萌发情况

3 讨论与结论

3.1 巨紫荆种子休眠原因

豆科类植物种子普遍具有硬实性，由于大多硬实种子表皮坚硬，对种子产生机械障碍作用，从而导致种子休眠。Juan Niu等从分子角度发现，种子硬实性是与细胞壁生物合成相关[11]；杨期和等认为，导致种子休眠与硬实种子透水透气性能较差相关，从而对胚的生长产生机械限制[12]；Emine Burcu Yeilyurt等发现，通过对硬实种子进行机械损伤可以提高发芽率[13]。巨紫荆种子休眠原因也较复杂，由于巨紫荆种子表面光滑，质密，种皮硬化，从种子吸水速率曲线可以看出，其具有硬实性，完整种子吸水能力极弱，物理、化学方法处理种皮之后，吸水效果明显，说明种皮对种子吸水有严重阻碍作用；巨紫荆种子种脐部较厚，栅栏组织紧密，导致水分较难从种脐渗透，其透水、透气性极差，水分、气体等很难自由进入种子中。对于硬实种子，采用的方法主要有物理、化学和生物学的方法。本实验在切除种子胚根端及子叶端破除机械障碍后，种子能够萌发，但切除子叶端后，种子发芽过程是以子叶先出，胚根不正常生长，推测胚根端可能存在抑制物质或生理休眠，仅靠赤霉素处理，不能使胚根萌发启动。这是一种异状发芽，不能算正常发芽的种子。清水浸泡12 h最高萌发率为40%，浸泡48 h最高萌发率为73.3%。这进一步说明种子由于种皮的机械障碍而限制巨紫荆种子的萌发，是产生种子休眠的重要原因。

3.2 不同组合处理对种子发芽特性的影响

赤霉素处理48 h，较长时间浸泡对破损种皮的种子会有一定的毒害作用，表现为种子变黑坏死、长菌感染等，清水浸泡48 h后可能使种子抑制物浓度降低，对种子萌发具有一定促进作用，因而赤霉素处理时间以12 h为宜。对比切除种子胚根与子叶端在不同浓度激素处理下，切除胚根端较切出子叶端种子，萌发率高，萌发时间快，说明巨紫荆种子发芽方式主要靠胚根生长突破种皮限制，赤霉素处理能使种子快速萌发，增加发芽率，因此破除巨紫荆种子种皮限制休眠宜选择切除种子胚根端。由于种子受机械破损严重，在培养过程中能在较短时间内发芽，种子污染率低，种子利用效率高。说明破除种皮限制，打破种子机械障碍后，种子能直接萌发，一定浓度赤霉素的处理能够加快种子萌发，对巨紫荆种子萌发有促进作用，表现为萌发率大幅度增加、发芽整齐度提高、发芽速度加快，其中在切除胚根端，使用150 mg/L GA3处理12 h后，效果最好，萌发率最高为90%。

3.3 巨紫荆种子败育情况分析

自然条件下巨紫荆成年树所结果荚较多，但其种子空瘪、虫食、菌染等较严重，而且果荚存在落果现象，提早落的果荚，里面的种子败育更加严重，污染率也较高，果荚提前脱落可能是昆虫、病害所致。成年巨紫荆在结果数量与避免虫食方面达到一种平衡，树体营养对果实以及种子发育也有重要影响。巨紫荆结籽量巨大，对资源需求量较大，母株很难满足其资源需求，从而导致巨紫荆种子败育率高。而主要传粉昆虫影响豆科植物结实，胚珠败育可能导致结实率低[14]，高成杰等认为，昆虫的寄生对果荚内种子的败育产生影响，败育种子数与被寄生种子数呈正相关[15]，因此昆虫幼虫蚕食种子，可能是传粉昆虫在授粉过程中把卵传进子房，虫卵发育过程中以种子为食，导致种子败育率较高。在采集的巨紫荆果荚中，每个果荚平均含有种子(7.35±0.9333)粒，平均败育种子(2.95±1.099)粒，平均败育率为40.1%。种子败育率高是由多方面造成，可能与细菌感染、昆虫幼虫寄生蚕食，还可能与树体资源限制或者授粉受精不足有关，导致种粒皱缩空瘪坏死，还应开展传粉生物学的研究，对其授粉受精进行观察，进一步确定败育原因。因此在种子选育中，获得高质量的种子是比较重要的，在进行种子筛选时，选择体积膨大、完整无缺口、无病菌绿皮种子进行育苗，这类种子为有活力的种子。

3.4 幼苗移栽情况分析

对不同发芽程度的幼苗进行移栽，发现待子叶完全脱离种壳后再移栽至基质中，部分巨紫荆幼苗枯萎死亡。对其根系观察发现，根系出现表皮光滑无毛，或根毛死亡脱落形成黑色毛孔，或根系较短发育不良，原因可能存在移栽方法不当，使幼苗根系无法充分接触基质或部分根系被折断损伤，幼苗根系缺水，根毛死亡脱落最终导致幼苗死亡。对根系进一步观察发现，有根结线虫和红蜘蛛的存在，对巨紫荆的根系造成严重影响，原因可能是育苗基质未进行消毒杀菌处理，进而导致幼苗死亡。因此，在育苗过程中，应对育苗基质进行杀虫灭菌处理，以减少土传病害对幼苗的影响。而选择发芽种子带壳进行移栽，每天定时补充水分，幼苗正常生长，茎秆粗壮，扎土较深。所以，巨紫荆种子幼苗移栽以切除种子胚根端，100 mg/L GA3处理12 h，胚根长为种子长一半为宜。

4 结 论

巨紫荆种子具有硬实现象，在催芽前要先进行净种、剔除败育粒、消毒等处理，然后以清水浸泡巨紫荆种子3 d，清水要求每天换，切除巨紫荆种子胚根端2 mm左右，用100 mg/L赤霉素处理已切除胚根端种子12 h，在生态培养箱培养(黑暗12 h/光照12 h交替进行，25 ℃中进行培养，能够快速有效打破休眠，第3天开始萌发，第5天达到最高萌发率为80%。