解除萤蔺种子休眠方法研究

刘亚光，张苏新，唐兴佳，张春鹏，李晓妍，朱金文

（1.东北农业大学农学院，黑龙江哈尔滨 150030；2.浙江大学农业与生物技术学院，浙江杭州 310029）

【研究意义】萤蔺（Scirpus juncoidesRoxb.）为莎草科藨草属多年生杂草，以种子繁殖为主，是一种世界性恶性杂草，也是我国稻区分布最广，危害最重的主要杂草之一。在我国除内蒙古、甘肃、西藏外，其他省区均有分布，此外，也分布于亚洲热带和亚热带地区如印度、缅甸、中印半岛、马来西亚以及澳洲、北美洲。在富含腐殖质，排水不良，向阳高温的地区发生更为严重，极易形成大片单一优势群落，与水稻竞争肥、光、水、空间等生存资源，对水稻产量造成严重损失[1−3]。杂草种子具有复杂的休眠特性，萌发期参差不齐，导致杂草陆续出苗，难以一次性彻底防除[4]，给实际生产和科学研究带来了许多不便。因此，经常需要人工解除休眠。【前人研究进展】目前，关于种子休眠特性及其解除方法的研究较多，但大多数的研究主要集中在中草药[5−6]，花卉苗木[7−8]，果蔬[9−10]等方面，而对农田杂草的研究也仅有狗尾草[11]、野黍[12]、稻稗[13]、马唐[14]、续断[15]等少数几种。有关于萤蔺的研究报道主要集中在抗性问题上[16−17]。何锦豪[18]等对萤蔺的生物学特性进行了观察研究，但也只是研究其消长规律，对于打破萤蔺种子休眠的研究鲜见报道。【本研究切入点】本试验为掌握萤蔺种子的休眠特性及解除其休眠的方法，采用了化学试剂（98%H2SO4、NaOH和KNO3），植物生长调节剂（赤霉素和乙烯利），低温层积与植物生长调节剂相结合等方法处理萤蔺种子，研究其对萤蔺种子休眠的影响。【拟解决的关键问题】旨在找出解除萤蔺种子休眠的最佳方法，为探明萤蔺在黑龙江省水稻田的发生规律，加快化学防除药剂的筛选、抗药性的研究提供技术保障。

1 材料方法

1.1 供试材料

1.1.1 供试种子 本试验所用萤蔺种子均采自2016年的黑龙江省哈尔滨市阿城区水稻田。将随机采集的萤蔺种子于室温条件下晾干，精选，常温保存直至使用。

1.1.2 供试化学试剂 浓硫酸（分析纯，浙江临平化工试剂厂）；NaOH（分析纯，天津市恒兴化学试剂制造有限公司）；75%赤霉酸结晶粉（GA3，上海同瑞生物科技有限公司）；KNO3（分析纯，天津市四通化工厂）；乙烯利（西亚试剂）。

1.2 试验方法

1.2.1 化学试剂打破萤蔺种子休眠 选取若干饱满的萤蔺种子，用5%次氯酸钠溶液消毒种子，将消毒后的种子分别浸泡在98%H2SO4、NaOH、KNO3溶液中。98%H2SO4浸种时间设置为10，20，30，40，50，60 min；NaOH处理设置为0.062 5%、0.25%、1%、1.5%和2%，浸种时间设置为12，24，36 h；KNO3处理设置为0.5%、1%和2%，浸种时间设置为12，24，36 h。浸泡后用无菌水洗净，进行萌发试验并记录萌发率。

1.2.2 植物生长调节剂打破萤蔺种子休眠 选取若干饱满的萤蔺种子，用5%次氯酸钠溶液消毒种子，将消毒后的种子分别用赤霉素、乙烯利进行浸泡，赤霉素质量浓度设置为100，200，400，800，1 200，2 000，4 000 mg/L；乙烯利质量浓度设置为50，100，250，500，1 000，2 000，4 000 mg/L；赤霉素和乙烯利浸泡时间均设置为24，48，72 h。浸泡后用无菌水洗净，进行萌发试验并记录萌发率。

1.2.3 5 ℃低温层积与植物生长调节剂结合打破萤蔺种子休眠 将若干萤蔺种子放入5 ℃冰箱中层积4周后，选取上述试验中萌发率最高的植物生长调节剂进行浸泡，处理后用无菌水洗净，进行萌发试验并记录萌发率。

1.2.4 萌发试验 选取各个处理中50粒洗净后的萤蔺种子放入培养皿内，加入5 mL无菌水，用保鲜膜密封培养皿，置于人工气候培养箱中培养。培养条件：光照12 h/黑暗12 h，白天30 ℃/夜晚27 ℃，空气相对湿度保持（35±5）%，每隔24 h加5 mL无菌水，每个处理设3次重复。试验过程中每天调查记录萤蔺种子的萌发状态，种子萌发以胚根突出为标准，培养至第5天调查萌发率。

1.3 数据处理

试验数据用Excel 2010、DPS 7.5软件进行数据统计和差异显著性分析（0.05水平）。

2 结果与分析

2.1 化学试剂打破萤蔺种子休眠

2.1.1 浓硫酸打破萤蔺种子休眠 浓硫酸浸泡处理萤蔺种子的结果显示，浓硫酸不能解除萤蔺种子的休眠（表1）。随着浸种时间的增加，萤蔺种子的发芽率呈先增高后降低趋势，当浸种时间为20 min和30 min时发芽率最高，但也仅为4%，与对照差异不显著。本研究表明，浓硫酸浸泡处理无法打破萤蔺种子的休眠。

表1 浓硫酸对萤蔺种子休眠的影响Tab.1 Effect of H2SO4 on dormancy of Scirpus juncoides Roxb

2.1.2 NaOH打破萤蔺种子休眠 NaOH溶液打破萤蔺种子的休眠效果如表2所示，可知NaOH溶液不能打破萤蔺种子的休眠。在相同浸种时间下，各处理间的发芽率差异不显著；随着浸种时间的增加，同一浓度处理间的发芽率并无显著变化趋势。本研究表明，不论NaOH溶液增加浸种时间或改变浸种浓度均不能打破萤蔺种子的休眠。

2.1.3 KNO3打破萤蔺种子休眠 KNO3溶液对萤蔺种子休眠的解除效果如表3所示，各处理间发芽率差异不显著，且发芽率不随浸种时间和浓度的增加而增加。故供试的各浓度和浸种时间下的KNO3溶液均不能解除萤蔺种子的休眠。

2.2 植物生长调节剂打破萤蔺种子休眠

2.2.1 赤霉素打破萤蔺种子休眠 赤霉素浸种处理对解除萤蔺种子休眠效果如图1所示，用赤霉素系列质量浓度分别浸泡萤蔺种子24，48，72 h均能打破萤蔺种子的休眠，且浸种72 h打破休眠效果要好于24 h和48 h；在同一浸种时间下，随着赤霉素质量浓度的升高，萤蔺种子的萌发率呈先上升后下降的趋势。当赤霉素溶液为2 000 mg/L时萌发率最高，浸种24，48，72 h萌发率分别达到24%、28%和43.3%，与对照（3.33%、2%和5.33%）差异极显著。说明赤霉素可以打破萤蔺种子的休眠，但萌发率均未超过50%，因此用赤霉素解除萤蔺种子休眠的效果不理想。

表2 NaOH对萤蔺种子休眠的影响Tab.2 Effect of NaOH on dormancy of Scirpus juncoides Roxb

表3 KNO3对萤蔺种子休眠的影响Tab.3 Effect of KNO3 on dormancy of Scirpus juncoides Roxb

图1 赤霉素对萤蔺种子休眠的影响Fig.1 Effect of GA3 on dormancy of Scirpus juncoides Roxb

2.2.2 乙烯利打破萤蔺种子休眠 不同质量浓度乙烯利溶液对萤蔺种子休眠的解除效果如图2所示，乙烯利溶液浸种处理24，48，72 h均可以打破萤蔺种子的休眠，且浸种72 h打破休眠效果要优于24 h和48 h处理；在同一浸种时间下，随乙烯利溶液质量浓度的升高，萤蔺种子的萌发率均呈先上升后下降的趋势。当乙烯利溶液为2 000 mg/L时，不同浸种时间的萌发率均达到最高，浸种72 h萌发率达98.67%，显著高于浸种24 h和48 h时的萌发率52.67%和78%。本研究结果表明，用2 000 mg/L乙烯利溶液浸泡萤蔺种子72 h萌发率高达98.67%，是打破萤蔺种子休眠的理想方法。

2.3 低温层积与植物生长调节剂结合打破萤蔺种子休眠

图2 乙烯利对萤蔺种子休眠的影响Fig.2 Effect of ethepon on dormancy of Scirpus juncoides Roxb

将萤蔺种子置于5 ℃低温下层积处理4周，室温下储存的萤蔺种子作为对照。选择打破萤蔺种子休眠效果最好的乙烯利进行浸种处理。试验结果如图3所示，不论浸种时间为24，48，72 h，在5 ℃低温层积处理下的种子萌发率均高于室温处理下的萌发率。5 ℃低温层积结合乙烯利浸种24 h处理，萤蔺种子萌发率为62.67%，而对照组萌发率为49.33%，二者差异极显著；5 ℃低温层积结合乙烯利浸种48 h处理，萤蔺种子萌发率达到了98%，与对照组的68.67%相比差异极显著；5 ℃低温层积结合乙烯利浸种72 h处理，萤蔺种子萌发率高达98.67%，而对照组为92.67%，此时二者差异不显著。本研究说明：5 ℃低温层积结合乙烯利浸种处理48 h以上，萤蔺种子的萌发率即可达98%，而未经过低温层积处理的萤蔺种子，需经乙烯利浸泡72 h以上萌发率才可达到92%。

由此可以得出：5 ℃低温层积结合乙烯利浸种处理可以有效缩短打破萤蔺种子休眠所需的时间，并显著提高萌发率，是打破萤蔺种子休眠的最佳方法。

图3 5 ℃低温层积与乙烯利结合对萤蔺种子休眠的影响Fig.3 Effect of 5 ℃low temperature stratification and etheponon dormancy of Scirpus juncoides Roxb

3 结论与讨论

种子休眠是杂草在长期进化过程中形成的一种抵抗不良环境的特性[19]，该特性能使杂草种子安全度过外界恶劣的环境，从而保障其种族的延续性。但由于杂草种子休眠特性的存在，也为杂草科学研究及农业生产实际带来了不利影响，因此探究解除杂草种子休眠的最佳方法具有重要的现实意义。种子休眠的原因大致可以分为2种，一种是由内源因素（胚本身的因素）引起的，如胚形态发育不完全、生理上未成熟、存在抑制萌发的物质或缺少萌发必须的激素等[20]，可通过变温处理、激素处理、低温层积处理等解除休眠[21]；另一种是由外源因素（种壳的限制）引起的，如种壳的不透气透水性、种壳机械阻碍及种壳中存在的萌发抑制物等[22]，可通过机械处理、化学药剂处理、温度处理等来解除休眠[13]。

本研究表明，化学药剂浓硫酸，氢氧化钠和硝酸钾均不能打破萤蔺种子的休眠，植物生长调节剂可以打破萤蔺种子的休眠，其中乙烯利处理效果要好于赤霉素，5 ℃低温层积结合乙烯利打破萤蔺种子休眠效果最好，仅用48 h即可打破休眠，且萤蔺种子的萌发率高达98%以上。

杂草种子拥有坚硬的种壳，一些化学试剂，如酸、碱、盐和氧化剂等浸泡杂草种子可使种皮软化或腐蚀，导致种子的透气透水性得到改善，其呼吸作用也得以提高，从而促使种子内部贮藏物质转化为其萌发和生长所需的营养物质，进而打破种子的休眠[23]。本研究选取浓硫酸、氢氧化钠和硝酸钾3种化学试剂分别浸泡处理萤蔺种子，浓硫酸浸种20～30 min和0.062 5 mol/L氢氧化钠浸种12 h处理效果最好，但萌发率也仅达到4%，硝酸钾处理并不能提高萤蔺种子的萌发率，与对照差异不显著。该研究结果与Ku等[24]在1996年研究发现用化学试剂浸泡萤蔺种子对于打破其休眠表现出负反应是一致的，李威等[25]也在研究中发现，用化学试剂H2O2和乙醇浸泡萤蔺种子并不能打破其休眠。这可能是因为化学试剂浸种处理虽能使萤蔺种子的种皮软化变薄，但种子内萌发抑制物质没有被消除，对种胚仍起着抑制作用。故化学试剂浸种处理不能解除萤蔺种子的休眠。

植物生长调节剂可以通过调节植物种子内的抑制物质和促进物质的比例关系，增加促进物质而减少抑制物质的含量，从而解除植物种子的休眠，如赤霉素（GA3）、细胞分裂激素（KT）、萘乙酸（NAA）和乙烯利等[26−27]。赤霉素溶液浸种可使休眠种子中存在的某些化学抑制物钝化或失效，从而使种子萌发[28]。本研究采用一定质量浓度范围内的赤霉素溶液浸泡萤蔺种子24，48，72 h，均能提高其萌发率，且萌发率随浸种时间的增加而升高。2 000 mg/L赤霉素浸种72 h处理时解除萤蔺种子休眠的效果最好，萌发率为43.3%。说明赤霉素能够打破部分萤蔺种子的休眠，促进种子的萌发，但效果不理想。张淑东等[29]也在研究中发现，1 600 mg/L赤霉素溶液浸泡萤蔺种子24 h萌发率最高为35%，解除萤蔺种子休眠效果不好。因此赤霉素不是打破萤蔺种子休眠的理想方法。乙烯利是一种人工合成的植物生长调节剂，经植物吸收，转运，传导至细胞内后，可分解生成乙烯，而乙烯则能够促进植物生长发育，增强种子活力，提高种子萌发率。Subbiah等[30]研究发现，乙烯利可以促进莴苣、向日葵、苍耳属、鹰嘴豆、苋属、甜菜等种子的萌发。本研究采用一定质量浓度范围内的乙烯利溶液浸泡萤蔺种子24，48，72 h，均对其萌发有促进作用，且浸种72 h的处理效果要好于24 h和48 h。萤蔺种子的萌发率随乙烯利质量浓度的增加呈先上升后下降的趋势，2 000 mg/L乙烯利浸种72 h处理时萤蔺种子的萌发率最高，达98.67%。这说明合适的质量浓度和处理时间条件下，乙烯利可以完全解除萤蔺种子的休眠。因此乙烯利浸种处理是打破萤蔺种子休眠的理想方法。

低温层积处理也是解除植物种子休眠的方法之一，尤其对存在萌发抑制物质和生理后熟因素引起生理休眠的种子效果更为显著[31]。低温层积打破种子休眠的原理一是触发了种子内部的物质代谢，尤其是打开了闭锁状态的赤霉素的生物合成途径，从而促进种子内部贮藏物质的转化；二是加速了抑制物质的降解，种子中主要发芽抑制物质在低温层积下较干藏状态下降的要快[32]。罗弦等[33]在2010年报道发现低温层积处理能够增加苔草的发芽率和发芽指数；Huarte等[15]也在研究中发现，低温层积贮藏续断种子8周可将萌发率由0提高至58%；索风梅等[34]研究报道，黄檗种子经过低温层积处理后，发芽率明显高于未经低温处理的，而不论是应用植物生长调节剂还是渗透调节剂都需要结合低温处理才能获得较高的发芽率。本研究采用5 ℃低温层积结合乙烯利溶液浸种处理方法解除萤蔺种子的休眠，结果显示用乙烯利浸种结合5 ℃低温层积处理打破萤蔺种子休眠效果好于单独使用乙烯利，且有效缩短了解除休眠所需时间，显著提高了萤蔺种子的萌发率。这一结论与索风梅等[34]的研究结果一致。因此5 ℃低温层积结合乙烯利激素浸种处理是打破萤蔺种子休眠的最佳方法。