中草7 号扁蓿豆种子硬实的破除方法研究

2022-05-25何玉霞王照兰胡卉芳杜建材赵丽丽

畜牧与饲料科学 2022年3期

何玉霞，王照兰，胡卉芳，杜建材，赵丽丽

（1.内蒙古自治区测绘地理信息中心，内蒙古呼和浩特 010051；2.中国农业科学院草原研究所，内蒙古呼和浩特010010；3.贵州大学，贵州贵阳 550025）

扁蓿豆（Melilotoides ruthenica）是我国北方草原上分布较广的豆科（Leguminosae）牧草，别名花苜蓿［1-2］，蛋白质含量高、叶量多、草质柔软、饲用价值高［3］。扁蓿豆抗旱抗寒性强，耐瘠薄，在豆科牧草抗逆性改良、退化草地植被恢复、草场改良、水土保持及生态治理等方面具有广阔的应用前景［4］，因此，有关扁蓿豆的研究，近年来受到了越来越多的关注［5-7］。中草7 号扁蓿豆（Melilotoides ruthenica cv.Zhongcao No.7）是笔者所在课题组经过多年研究培育出的扁蓿豆新品种，育种改良后，综合农艺性状比野生原始材料有了提升，但是由于种子硬实率很高，致使播种后的田间出苗率低，严重制约了中草7 号扁蓿豆的规模化生产和推广。开展破除中草7 号扁蓿豆种子硬实方法的研究，对于提高该品种的种子用价和生产利用率具有重要意义。

硬实现象在植物界中广泛存在。在豆科、旋花科、茄科、锦葵科等多种植物中，均有坚硬且在给水条件下不能吸胀萌发的种子［8-9］。种子硬实形成的原因很多［10］，种皮的某些特性（如种皮厚度大等）会直接影响透水性；低果胶含量和高半纤维素含量，降低种皮的亲水性，可能导致种子硬实的形成；遗传上的色素沉着位点差异等因素，也会造成种子硬实率的不同。Zhang 等［11］提出高钙浓度是大豆种子形成硬实的众多原因之一。硬实性还受高温、低空气相对湿度和水分胁迫等因素的影响，有些种子的透水性由其基因型决定［10］。硬实能为植物提供进化方面的益处，例如当储藏条件潮湿或干燥、寒冷时，能抵抗种皮病原体和种子腐败［10］，延长种子寿命，使物种得以延续。但是，硬实不利于田间建植。有效地破除硬实，能提高种子发芽率，是成功建植的关键环节之一［12］。目前，牧草种子硬实的遗传调控尚未实现，采用化学和物理处理方法，破除牧草种子的硬实更有实用性和可操作性［13］。中草7 号扁蓿豆种子的硬实率高达60%左右，这给种子萌发带来极大的困难。因此，该研究旨在通过考查不同物理、化学处理对中草7 号扁蓿豆种子硬实的破除效果，明确破除该品种牧草种子硬实的有效方法，为中草7 号扁蓿豆的推广奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

中草7 号扁蓿豆种子，为中国农业科学院草原研究所培育并保存。

1.2 试验方法

1.2.1 破除硬实处理

①KNO3溶液处理：以0.1%、0.2%、0.3%、0.5%的KNO3溶液代替水分，分别进行发芽试验。 ②赤霉素（GA）处理：用200、400、600 mg/L 的GA 溶液，分别处理种子6、24、36、48 h。③H2SO4处理：用98%的浓H2SO4，分别处理种子5、10、15、20、25、30、40、60 min。 ④热水浸种处理：分别用50、75、100 ℃热水浸泡种子，直至水自然冷却。 ⑤液氮处理：用液氮处理种子3、10、15 min。 ⑥机械方法擦破种皮处理：用砂纸（80 目）对种子进行打磨。

1.2.2 发芽方法

参考《草种子检验规程发芽试验》（GB/T 2930.4—2017）［14］，将各处理的种子分别取100粒，置于培养皿（口径9 cm）纸上发芽。发芽条件为温度（22±2）℃，光照/黑暗=12 h/12 h，光照强度5 200 lx。各处理均设3 个重复。以不做任何处理的种子为对照（CK）。在发芽第14 天时，统计发芽种子数和硬实种子数等。

1.2.3 指标计算

用发芽第14 天统计获得的正常发芽种子数和硬实种子数，计算发芽率和硬实率等。发芽率=发芽种子数/供试种子数×100%；硬实率=完全没有吸胀的种子数/供试种子数×100%；发芽势=第4 天发芽种子数/供试种子数×100%；发芽指数（GI）=∑（Gt/Dt），式中，Gt 为时间t 日内的发芽数，Dt 为相应的发芽天数；死苗率=发芽后死亡或未发芽腐烂种子数/供试种子数×100%。

1.3 数据分析

采用Excel 软件进行数据处理和作图，利用SAS 9.0 统计学软件进行单因素方差分析（One-Way ANOVA），应用Duncan 氏法进行多组样本间差异显著性分析，P＜0.05 表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 KNO3 溶液处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况的影响及破除硬实的效果

不做处理的中草7 号扁蓿豆新收获种子（CK），发芽率只有39%，硬实率高达60%。在不同浓度的KNO3溶液处理中，只有0.1%的KNO3溶液处理对中草7 号扁蓿豆种子硬实的破除有一定的积极效应（P＜0.05），与CK 相比，硬实率降低幅度为15%，发芽率提高至49%；0.2%和0.3%的KNO3溶液处理，发芽率与CK 没有显著（P＞0.05）差异；0.5%的KNO3溶液处理，发芽率、发芽势和发芽指数显著（P＜0.05）低于CK（见表1）。

表1 不同浓度KNO3 溶液处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况和硬实率的影响单位：%

2.2 GA 溶液处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况的影响及破除硬实的效果

200、600 mg/L 的GA 溶液各时间梯度处理，对中草7 号扁蓿豆种子发芽率和硬实率均无显著（P＞0.05）影响。400 mg/L 的GA 溶液处理36、48 h，对提高发芽率和降低硬实率产生了显著（P＜0.05）效果，硬实率均降低至54%，发芽率分别提高至45%、46%（见表2）。

表2 不同浓度和时间GA 溶液处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况和硬实率的影响

2.3 98%的浓H2SO4 处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况的影响及破除硬实的效果

98%的浓H2SO4处理各时间梯度下，中草7 号扁蓿豆种子发芽率与CK 相比，均发生了显著（P＜0.05）提高，5 min 处理使发芽率提高至65%，硬实率降低至35%；10～20 min 处理使发芽率提高至81%～88%，硬实率降低至12%～19%；25～40 min 处理使发芽率提高至95%～96%，硬实率降低至4%～5%；60 min 处理下，发芽率可达79%，但死苗率也大大提高。此外，各时间梯度下，发芽势和发芽指数与CK 相比均显著（P＜0.05）提高。从发芽率、发芽势、发芽指数、死苗率和破除硬实的综合效果来看，用98%的浓H2SO4处理25～30 min，对破除中草7 号扁蓿豆种子硬实的效果最佳（见表3）。

表3 98%的浓H2SO4 处理不同时间对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况和硬实率的影响

2.4 热水处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况的影响及破除硬实的效果

50 ℃热水处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽率、发芽势、发芽指数、硬实率及死苗率的影响均不显著（P＞0.05）；75 ℃热水处理使发芽率提高至64%，硬实率下降至35%，与CK 相比差异均显著（P＜0.05），而且该处理下的发芽势、发芽指数有显著（P＜0.05）提高。100 ℃热水处理下的发芽指标和破除硬实效果与CK 相比也有显著（P＜0.05）提升，但总体来看不及75 ℃热水处理（见表4）。

表4 不同温度热水处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况和硬实率的影响

2.5 液氮处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况的影响及破除硬实的效果

在3、10、15 min 3 个时间梯度的液氮处理下，随着处理时间的延长中草7 号扁蓿豆发芽率呈现出不断提高而硬实率呈现出逐步下降的趋势，但是在各个时间梯度液氮处理下的死苗率均显著（P＜0.05）高于CK，表明即使是短时间的液氮处理也会给中草7 号扁蓿豆种子带来较大的伤害（见表5）。因此，液氮处理不宜用于中草7 号扁蓿豆的种子硬实破除。

表5 液氮不同时间处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况和硬实率的影响

2.6 擦破种皮处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况的影响及破除硬实的效果

擦破种皮处理使中草7 号扁蓿豆的种子硬实率降低至4%，发芽率提高至96%，2 项指标与CK 相比差异均显著（P＜0.05），提示种子硬实基本被完全破除（见表6）。另外，擦破种皮处理后，中草7 号扁蓿豆的发芽势和发芽指数较CK也有显著（P＜0.05）提高，死苗率很低。因此，擦破种皮处理是破除中草7 号扁蓿豆种子硬实的有效方法。

表6 擦破种皮处理对中草7 号扁蓿豆种子发芽情况和硬实率的影响单位：%

3 讨论

种子萌发是牧草成功种植和推广的第一个关键环节。然而，由于物质性或机械性外部因素，或者形态学或生理学的内部因素等，许多植物种子具有硬实特性［11-15］。硬实种子在播种后不能及时萌发，造成建植后出苗不整齐甚至缺苗断垄现象。硬实种子不能按时发芽会直接降低种子用价。另外，硬实种子在大田土壤种子库中能贮藏多年，陆续发芽成为后茬作物的田间杂草。因此，研究破除种子硬实的方法，对农业生产而言意义重大。

大量研究表明，许多方法在打破植物种子硬实中发挥了作用。但不同的物种或种质，对各种处理方法的响应不尽相同［14］。中草7 号扁蓿豆作为一个优质抗逆豆科牧草新品种，在我国草牧业生产和退化草地植被恢复方面具有极大的种植利用前景，但其种子硬实率高达60%。因此，若不解决中草7 号扁蓿豆的种子硬实问题，就不能对其进行大面积的推广。有研究表明，采用机械方法擦破种皮的处理能较好地破除牛枝子（Lespedeza potaninii）、野豌豆（Vicia sepium）、草木樨状黄芪（Astragalus melilotoides）等豆科牧草种子的硬实，提高发芽率［13］。该研究采用砂纸打磨处理中草7号扁蓿豆的种子，可以使其发芽率从39%提高至96%（P＜0.05），硬实率从60%降低至4%（P＜0.05），并且发芽指数和发芽势显著（P＜0.05）提高，死苗率较低，这与前人的研究结果一致。此外，该方法快速、经济、有效、操作安全、易掌控，更容易实现商业化应用，是中草7 号扁蓿豆种子硬实破除中值得推荐的优选方法。

浓H2SO4处理在许多植物种子的硬实破除中非常有效［9］。浓H2SO4处理可以腐蚀局部种皮，消除珠孔等部位的堵塞物，使种皮产生透性［16］。在该研究中，40 min 以上的浓H2SO4处理，对中草7 号扁蓿豆种子造成了一定的伤害，致使其死苗率增加；10～40 min 的浓H2SO4处理，在中草7 号扁蓿豆的种子硬实破除中均表现出较好的效果，发芽率超过80%，硬实率低于20%，以25～30 min 的处理效果最佳，此时发芽率可达到95%，硬实率降低至5%，而且发芽势和发芽指数最高，健康苗的数量最多。浓H2SO4处理完全可以破除中草7 号扁蓿豆的种子硬实。但在实际应用中，针对浓H2SO4的运输和操作具有一定的危险性，而且在种子量很大时，处理时间不易控制，处理后的种子难以及时彻底冲洗干净，容易产生酸毒。另外，处理后的湿种子需要晾晒，又增加了人力、物力和时间投入。所以，在中草7 号扁蓿豆大规模种子硬实破除中，不建议采用浓H2SO4处理。

Wang 等［17］研究表明，用80 ℃热水处理野生豇豆属（Vigna）植物种子3～6 min 能在一定程度上破除其硬实。也有研究认为用不同温度的热水处理种子，破除硬实的效果并不理想［13，15］。后者与该研究结果一致，50 ℃的热水处理没有产生明显作用，100 ℃的热水处理下发芽指标和破除硬实效果与CK 相比虽然有一定提升，但死苗率增加。75 ℃的热水处理下发芽率最高，仅为64%，而此时仍然有35%的硬实率，表明热水处理不宜作为中草7 号扁蓿豆种子破除硬实的首选方法。

该研究结果表明，液氮处理虽然可以打破种皮，增进透水，促进中草7 号扁蓿豆种子萌发，降低硬实率，但是3～15 min 的液氮处理均对中草7 号扁蓿豆种子产生了一定伤害，死苗率大幅度升高（P＜0.05）。因此，液氮处理也不是中草7 号扁蓿豆种子硬实破除的有效方法。这与前人在牛枝子［13］、黄花苜蓿［15］上的研究结果一致。

GA 能促进植物细胞的延长和分裂，因此，生产实践中通常选用GA 作为打破种子生理休眠特性的激素［18］。该研究中低浓度（200 mg/L）和高浓度（600 mg/L）的GA 溶液处理，对中草7 号扁蓿豆种子发芽率和硬实率均无显著（P＞0.05）影响。中等浓度（400 mg/L）的GA 溶液处理36、48 h，对中草7 号扁蓿豆种子硬实的破除产生轻度影响，但效果并不理想。这也反映出中草7 号扁蓿豆种子硬实而不能萌发的主要原因：不是由种子的胚发育状况和内源性发芽抑制物质所致，而是由种皮障碍所致。

该研究中，高浓度（0.5%）的KNO3溶液处理，显著（P＜0.05）降低了中草7 号扁蓿豆种子发芽率、发芽势和发芽指数，表明已经产生了一定的盐害。低浓度（0.1%）的KNO3溶液处理对中草7 号扁蓿豆种子硬实的破除产生了一定的积极效果（P＜0.05），但硬实率依然高达51%，发芽率只有49%。可见KNO3溶液处理对破除中草7 号扁蓿豆种子硬实的效果也不理想。