高寒地区牧草种子破眠技术研究现状与展望

刘洋礼，孙步功，张 鹏，张克平，郑小宝，汉永乾

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

我国西部高寒草地，主要是青藏高原，有“世界屋脊”和“地球第三极”之称。其土地面积占全国的26%，天然草地面积约1.5×108hm2，占全国草地总面积的1/3，平均产草量为284 kg/hm2，有着“中华水塔”“江河源”“生态源”的美誉，同时也是高寒生物资源的基因库[1-3]。近年来，在人口增加、超载放牧、鼠虫危害及全球气候变化等人为和自然因素的共同影响下，高寒草地系统出现了不同程度的退化、沙化、碱化，这不仅对我国生态环境构成严重威胁，而且制约着国民经济的发展[4-5]。因此，培育优良牧草品种，加快人工草地重建，推进生态系统近自然恢复成为保障青藏高原畜牧业可持续发展的当务之急[6-7]。研究表明，进行高寒草地种子库研究，加强牧草繁育研究和种子基地建设，开展牧草种子生产区划研究、解决种源制约问题、实现种子区域化专业化生产、提高牧草种子质量与产量对高寒草地生态环境建设将产生现实而深远的意义[8-9]。

牧草种子是高寒草地生态建设的重要物质基础，其质量优劣对草地建植和牧草生产具有直接影响[10]。然而，大多数牧草种子在自身生理机能和外界环境共同作用下，种皮形成致密的蜡质和角质，导致种子无法萌发并且保持本来大小形态，中外学者将其称为硬实种子[11-14]。硬实种子具有生命活力，但种皮上的蜡质和角质阻碍了水、光、气体或溶质在种子内部与外界环境的交换，种子无法正常发育，在育种或播种时，经历好几个星期，好几个月甚至好几年也不能发芽，我们将这种现象称为休眠[15-17]。休眠是一种“生命的隐蔽”现象，种子的硬实效应是引发种子休眠的主要原因，从种族繁衍、种质保持方面来看这是一种非常有利的特性[18-19]。但作为播种材料，种子休眠将会给种子生产者、种子用户和种子检验员带来大量困难，尤其是在高寒草地生态建设的过程中，牧草种子的休眠特性已成为实现人工草地重建，高寒草地植被正向演替、畜牧业可持续发展过程中的巨大障碍[20-22]。因此，打破牧草种子休眠，提高牧草种子发芽率一直是牧草生产中重要的研究课题。近年来，牧草种子破眠技术有了很大提升，如张琴根据石碾模型研制出碾压式苜蓿种子破眠装置，处理后的苜蓿种子发芽率高达92%[23]。但目前牧草种子破眠技术仍然存在着破损率高、健苗率低、无法实现批量生产进而满足大规模人工种植的需要等问题。

本文通过梳理国内外典型牧草种子破眠技术的发展情况，分析典型牧草种子休眠特性与破眠机理，归纳国内外先进破眠技术特点，对我国牧草种子破眠技术研究进行展望，提出高效率、高产量、低损伤的综合破眠建议。

1 高寒草地牧草种子休眠特性研究

国内外对种子休眠早有定义，种子休眠是指在预定的时间范围内本该有生命活力体征的种子，在预计正常、利于种子萌发的一些环境因子(水、光、热、氧气等)组合条件下，不能按期正常萌发的一种生理现象[24-26]。然而，对于种子休眠的原因，却存在着很多争议。在生态学领域研究中，Fenner和Thompson关于种子休眠与种子在土壤中状态复杂关系的发现，引起了对种子休眠原因的争论[27]。在生理学领域研究中，大多采用分子遗传学的方法，Sudheer和Swain等认为休眠性由单基因控制，休眠性对无休眠性呈完全显性或不完全显性[28-30]。近年来，随着相关研究的不断深入，种子休眠的主要原因可归纳为外在因素和内在因素，外在因素主要源于种子所处环境，环境影响因子中阳光、水分、温度、土壤等不适条件均能导致种子进入休眠状态；内在因素主要源于种子自身，种皮障碍、内源抑制物、形态及生理后熟都可能导致种子无法萌发[31]。学者们从宏观和微观水平对种子休眠类型进行研究，他们将种子休眠分为五种，即生理休眠、形态休眠、形态生理休眠、物理休眠和组合休眠[32-33]。牧草种类繁多，优质牧草多以豆科、禾本科植物为主，如苜蓿、紫云英、红豆草、沙生冰草、扁穗冰草等。研究表明，其种子极易发生硬实效应，从而导致不同程度休眠[34-35]。坚硬种皮的透水透气性差及其对胚生长的机械束缚是造成硬实的重要原因[36]。桂喆等通过电镜扫描发现，豆科牧草种子坚硬的种皮主要由角质层、栅栏层、骨状细胞层、漏斗细胞层、厚壁细胞层及薄壁细胞层等两层或两层以上组成，其中栅栏层、骨状细胞层可能是形成硬实现象的主要原因[37]。硬实效应导致牧草种子物理休眠，但研究表明，牧草种子除物理休眠外多数易发生组合休眠。组合休眠是一种复杂的休眠现象，既具备物理休眠特性又具备生理休眠特性。物理休眠属于迫性休眠，生理休眠则为自发性的，不同休眠原因将造成不同种类的休眠。牧草种子对萌发环境的需求幅度决定了牧草种子的休眠程度，幅度越宽休眠程度越浅，幅度越窄休眠程度越深，种子本身的休眠程度以及种子所处的环境条件，直接决定了种子是否能够萌发[38]。近年来，国内外专家学者对牧草种子休眠特性研究从未间断。J.R.卡尔森在讲述北美草原播种育种技术时，指出牧草种子休眠一部分是由于硬实造成的，另一部分则是由遗传基因控制的[39]。而易津等以紫云英、沙打旺、草木樨等牧草种子为试材进行活力测定的过程中发现硬实仍然是工作中的主要障碍[40]。李青丰从牧草种子的休眠、萌发、寿命等生理特性着手，围绕牧草种子的利用和牧草种子检验法规建设等对我国北方常见牧草种子进行了系统和全面的研究[41]。同时哈斯亚提·再努拉通过试验证明贮存条件、贮存时间及贮存方式等都会对牧草种子萌发特性产生影响[42]。牧草种子休眠原因、休眠类型、休眠程度一度成为专家学者的研究重点。如今，随着分子生物学技术的快速发展，尤其是新一代测序技术的出现，对非模式牧草种子休眠机制的深入研究成为可能。探究牧草种子休眠机理以及萌发特性，根据不同休眠特性选择相应解除休眠的方式，致力于高寒草地牧草种子的破眠研究，对高寒草地生态建设具有举足轻重的意义。

2 国内外牧草种子破眠技术研究现状

实践证明，深入破眠技术研究是保证牧草种子在正常播种期间如期萌发，满足高寒地区人工草地建植需要的有力支柱。早在1946年，美国学者L.P.V.Johnson就美洲椴种子进行了预浸泡、硫酸酸化、种皮划伤、层积四种方法破眠处理[43]。后来Pearson、Haber、Villiers、Kim、Hyde Leslie C等分别采用硫脲浸泡、射线、变温、酒精浸泡等方式对休眠种子处理，均达到可观效果[44-48]。我国关于硬实种子处理技术可追溯到魏晋南北朝时期，至少在一千四百多年前，我国人民就创造出打破硬实种子休眠的机械摩擦法。《齐名要术·养鱼篇》中记载的“种莲子法”：“……于瓦上磨莲子头，令皮薄。……皮薄亦生，少时即出(芽)。其不磨时，皮既坚厚，仓卒不能生也”[49]。美国草种业在草产业和草地畜牧业中扮演着极其重要的角色，尤其是要求区域化、专业化、标准化、规范化生产以及草种处理技术方面水平较高[50]。关于国内外牧草种子破眠技术的研究也从未间断，查阅相关文献资料发现，目前牧草种子破眠技术方法主要有物理方法、化学方法、生物方法、综合方法[51-52]。①物理方法。主要包括机械处理、温度处理(高温、低温、变温)、干藏干热及射线、超声波、电场和磁场处理。早期国内外种子工作者主要采用摩擦、刺破等机械处理方法；Bilsland在1984年研制了滚筒式种子处理机，以天竺葵种子为试验材料，试验证明滚筒转子将种子划破可以有效提高种子发芽率[53]；同年我国上海市五四农场科研站发现，采用铁砂皮和细砂对小冠花种子进行揉搓可在很大程度上解除种子的休眠[54]。随着科学技术的进步，种子科学逐渐被重视，从事种子研究的科研人员多采用电场、磁场对休眠种子进行破眠处理。栾欣昱等采用高压电晕电场处理紫花苜蓿种子时，发现随着放电电压的升高，苜蓿种皮刻蚀逐渐明显，种子表皮纤维素降解时产生裂缝是促进种子萌发的主要原因[55]。何正婷等以小麦种子为研究对象，采用磁场强度为11 mT的旋转磁场进行处理，得出旋转磁场可提高小麦种子萌发以及加快小麦幼苗生长速度的结论[56]。②化学方法。主要是采用生物激素、有机化学试剂以及无机化学试剂对休眠种子进行浸泡。研究表明，不同种类的种子应该选择不同种类、不同浓度的试剂浸泡。例如小冠花硬实种子只有采用浓硫酸浸泡发芽率才能显著提高，而10 mg赤霉素溶液对紫花苜蓿、箭舌豌豆、柠条、无芒雀麦、披碱草、羊茅种子的萌发均有促进作用[57-58]。浸泡试剂浓度的不同对种子的处理效果也不相同，刘青等研究有机酸与硝酸铵协同浸种对黑麦草和高羊茅种子萌发及初期生长的影响，结果表明苹果酸浸种黑麦草和高羊茅的最适浓度分别为15 mmol/L和5 mmol/L，而柠檬酸浸种的最适浓度则为10 mmol/L和5 mmol/L[59]。③生物方法。在自然环境中，有很多因素也可以促进萌发，从而打破休眠。王树林等在研究不同类群植物种子对绵羊瘤胃消化的反应时，发现消化作用能打破豆科种子的休眠，这为消化液和生物液浸种提供了重要理论依据[60]。④综合方法。在内因与外因的共同作用下往往导致种子产生综合性休眠(也称为组合休眠)，实践中针对这种休眠多采用综合方法。Dashti等对驼鹿种子用硫酸处理、砂纸摩擦处理、低温层积处理和赤霉素处理以研究这些因素对种子休眠的影响时，发现当单个因素处理时对种子的萌发没有显著影响，而4种处理结合使用时，种子的萌发率有显著提高[61]。李强等以紫花苜蓿种子为试材进行生物破眠、机械破眠与复合破眠的对比试验，发现机械与生物破眠技术相结合的破眠方法可使休眠种子发芽率高达95%[62]。综合方法即将现有打破种子休眠的处理方法进行综合，形成一条方法链，从而促进种子萌发。文献表明，综合处理方法可以最大限度地打破种子的休眠，且效果显著。通过查阅大量相关文献，发现近年来国外研究者多采用浸泡法对休眠种子进行处理，再者多从休眠种子内部结构或物质进行定性定量分析，鲜有对物理方法、生物方法以及综合方法进行研究。种子硬实是导致牧草种子休眠的主要原因，故应当探寻更加完善的破眠处理方法。

3 小结

高寒区域退化草地近自然恢复与人工重建的关键在于牧草的种植，牧草种子质量的好坏决定了草原的发展前景。针对牧草种子易硬实、喜休眠问题，对牧草种子进行休眠特性研究，对国内外种子破眠技术进行总结显得尤为重要。通过国内外破眠技术的对比，可总结归纳为以下三点：①目前国外专家学者对牧草种子的休眠研究主要倾向于种子内部的生理休眠，一定程度上忽略了物理休眠；相关资料表明，大部分牧草种子的休眠是由内因与外因共同作用造成的，故综合处理法将是进行种子破眠研究的重点难点。②在人工草地重建过程中，大部分播种者仍使用砂纸打磨等传统方法解除种子休眠，传统方法效率低、破损率高、操作难度大、参数不易控制等问题一直未得到解决，研制出高效、低损伤且可批量处理的智能破眠设备将成为种子破眠研究的主要方向。③在破眠过程中化学试剂或其他药剂一定程度上将对种子自身造成损伤抑或是对环境造成污染，对低损破眠系统进行研究以及如何实现低污染，绿色破眠也是我们在进行破眠研究过程中的重要课题。

4 牧草种子破眠技术展望

通过对国外草原治理、生态恢复过程中所采用破眠技术与我国现有牧草种子破眠技术的对比分析，可以发现牧草种子破眠技术的发展迫在眉睫。尤其是在近年来我国高寒地区植被在大规模和大面积退化的大环境下，牧草种子相关研究人员更应抓住机遇、勇担责任、开拓创新，努力为高寒草地建植事业服务。牧草种子破眠技术的发展与高寒区域植被正向演替、畜牧业发展、国民经济发展甚至大自然气候变化息息相关，我国研究人员应从牧草种子休眠的根本原因出发，综合全面性考虑问题，针对性地进行技术攻关。“一粒种子可以改变一个世界，一项技术能够创造一个奇迹”，牧草种子是源头，牧草种子破眠技术是种子萌发的关键环节。相信通过广大科研工作者的不懈努力，牧草种子破眠技术的未来一定熠熠生辉。