艾种子休眠及萌发特性研究

张迎芳, 晋小军

(甘肃农业大学农学院,甘肃省干旱生境作物学重点实验室, 兰州 730070)

艾(ArtemisiaargyiLévl. et Van.) 又称艾蒿、白蒿、冰台、医草、白艾、蕲艾等,为菊科蒿属多年生草本植物,具有温经止血、散寒止痛、外用祛湿止痒的功效[1],是我国传统的中药材,俗语称“家有三年艾, 郎中不用来”[2],其药用历史悠久,在诗经中已有记载,是一种重要的民生植物,在历代本草著作及医书古籍中均有记载。除药用外,我国南方地区常采艾叶来制作青团以供清明节食用, 而且随着人们保健意识的增强,艾产品深受欢迎,得到了日本、韩国等国家的青睐[3]。艾分布广泛,主要分布在亚洲东部,我国主产于河南、河北、湖北、湖南、安徽等省。河南的“汤阴北艾”“南阳艾”、河北祁艾和湖北“蕲艾”都以质优而闻名[4]。随着艾药用价值和经济价值的不断提升,艾的需求量不断增加,许多地区开始人工栽培艾。目前艾栽培方式多为分株繁殖和扦插繁殖,长期进行无性繁殖会致使艾种质退化、引发病毒病、降低产量、影响品质,而通过种子繁殖可以有效的避免上述问题。

种子是植物繁衍的重要载体,其萌发由遗传和外界环境共同决定[5],当环境条件有利于其作为幼苗生存时,种子便开始萌发,否则便进入休眠状态度过恶劣环境。种子萌发是植物生命周期的伊始阶段[6],始于种子吸胀吸水,终于胚轴伸长及胚根突出种皮[7]。萌发状况的好坏直接决定植物建植成功与否[8]。不同植物种子因形态结构迥异,影响萌发的光照、温度、植物激素等因素也差异较大[9]。因此,本研究针对人工栽培艾以无性繁殖为主带来的退化现象严重,种子自然条件下萌发率低的问题,探索提高种子繁殖的新通道,为艾的生产和育种工作提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

艾种子采自甘肃省陇南市礼县沙金乡野生植株。小麦(TriticumaestivumL.)种子由甘肃农业大学农学院小麦品质实验室提供。

1.2 试验设计与测定方法

1.2.1千粒重测定

参照GB/T 3543.7-1995《农作物种子检验规程》[10]测定千粒重。

1.2.2吸水率测定

采用质量法测定种子吸水率,随机称取干燥艾种子2份,1份不做处理(对照),1份用砂纸磨损种皮,每个处理3次重复,每个重复50粒,分别称重后置于蒸馏水中浸泡,每隔0.5 h精密称重,直至重量恒定,分别计算每个时间段的吸水率。

1.2.3内含抑制物测定

参照陈红刚等[11]的方法测定内含抑制物。称取干燥种子2份,每份3.0 g,研磨,分别用蒸馏水和80%乙醇恒温浸提,将浸提液蒸干,加水定容至15 mL,即得0.20 g/mL的种子浸提液。以0.20 g/mL的浸提液为母液,稀释为0,0.05,0.10,0.15,0.20 g/mL的溶液各5 mL,每皿1.5 mL,每个浓度3次重复。以小麦种子为内含抑制物检验材料,随机选取15份,每份50粒,置于备好的培养皿上,在20 ℃恒温培养箱中培养48 h,24 h统计萌发率,48 h测量根长。

1.2.4影响种子萌发的因子测定

试验预处理:挑选大小均匀的艾种子,在2%的氯化汞溶液消毒5 min,用无菌水冲洗3次,吸干种子表面水分,准备39个铺有两层滤纸的培养皿,加入适量蒸馏水,备用。

光照对种子萌发的影响:随机选取50粒艾种子置于培养皿中,重复3次,分别置于0 h,12 h,24 h光照培养箱中培养。每24 h统计种子萌发状况。

温度对种子萌发的影响:随机选取50粒艾种子置于培养皿中,重复3次,分别置于10,15,20,25 ℃和30 ℃恒温培养箱中黑暗培养,观察种子萌发情况。

赤霉素(GA3)对种子萌发的影响:将种子分别置于0,250,400,550,700 mg/L的GA3溶液中,室温下浸泡24 h。用无菌水冲洗4次,擦干种子表面水分,随机选取50粒置于培养皿中,重复3次,于20 ℃培养箱中黑暗培养。每24 h统计种子萌发状况。

1.2.5测定指标与数据处理

吸水率/%=[(浸种后种子重量-浸种前种子重量)/浸种前种子重量]×100%;

萌发率/%=(试验结束时萌发种子数/供试种子数)×100%;

萌发势/%=(第7天种子萌发数/供试种子数)×100%;

萌发指数=∑(Gt/Dt),式中,Dt为萌发天数,Gt为Dt相对应的每天萌发种子数。

萌发时滞:试验开始到第1粒种子萌发所用天数。

采用SPSS 23.0和Excel 2013软件对数据进行统计与分析。

2 结果与分析

2.1 种子千粒重与吸水动态研究

艾种子瘦果长卵形,黑褐色,无毛,长(1.32±0.02)mm,宽(0.56±0.01)mm,千粒重为(0.052±0.003)g。由图1可知,艾种子0～0.5 h吸水率急剧上升,1.5 h达到最高,1.5～2.0 h吸水率有所下降,2.0～3.5 h种子吸水率又有所回升,3.5 h之后种子吸水率持续下降,直至6.0 h之后趋于稳定,不做处理和打磨种皮的艾种子吸水曲线变化基本一致,吸水过程符合种子的一般吸水规律。

图1 艾种子吸水变化规律Fig.1 Changes of water absorption of A. argyi seeds

2.2 种子内含抑制物分析

由图2、图3可知,随着艾种子浸提液浓度的增大,小麦种子萌发率降低,根长也减小。当浸提液浓度达到0.2 g/mL时,醇提液和水提液对小麦种子的萌发抑制率均达到最高,小麦的萌发率分别为11.67%和19.16%,根长分别为0.5 cm和0.6 cm。醇提液和水提液浓度为0～0.05 g/mL时对小麦种子胚根伸长的抑制效果基本一致,超过0.05 g/mL之后,醇提液对小麦种子胚根的抑制效果大于水提液,且二者对小麦种子萌发和胚根伸长的抑制作用较对照均差异显著。表明艾种子含有萌发抑制物,对小麦种子萌发和胚根伸长有抑制作用,且醇提液抑制效果大于水提液。

图2 艾种子提取物对小麦种子萌发的影响Fig.2 Effect of A. argyi seeds extract on wheat seeds germination

图3 艾种子提取物对小麦种子胚根生长的影响Fig.3 Effect of A. argyi seed extract on the growth of wheat seed radicle

2.3 光照对艾种子萌发的影响

由表1可知,随着光照时间延长,艾种子萌发时滞天数增加,光照0 h艾种子1 d内即可萌发,光照时长24 h时,种子萌发需要2 d,显著高于0 h,光照0 h艾种子萌发更快;艾种子光照0 h的萌发率显著高于在光照12 h和24 h的萌发率,光照0 h,萌发率为56.00%,较光照24 h高40.0%,光照对艾种子的萌发有一定的抑制作用;光照0 h艾种子萌发势为48.67%,较光照24 h高39%,光照0 h艾种子萌发指数为45.54,较光照24 h高48.19%。

2.4 温度对艾种子萌发的影响

由图4可知,温度越高,萌发时滞天数越短,20、25、30 ℃萌发时滞天数各为1 d,显著低于10 ℃和15 ℃,表明20～30 ℃艾种子萌发更快;随温度升高,艾种子萌发率呈先增后降的趋势,25 ℃萌发率最高,为43.33%,显著高于其他处理,10 ℃萌发率最低,为24.67%,较25 ℃显著降低43.06%;艾种子萌发势随温度升高呈先增后减的趋势,25 ℃萌发势最高,为39.33%,显著高于其他处理,10 ℃最低,为10.67%,较25 ℃低72.87%,表明艾种子在25 ℃时萌发整齐,出苗一致;艾种子在25 ℃下萌发指数最高,为43.73,显著高于其他温度下的萌发指数,高于10 ℃下的萌发指数2.5倍。25 ℃为艾种子萌发的最佳温度。

图4 温度对艾种子萌发的影响Fig.4 Effects of temperature on germination of A. argyi seeds

2.5 GA3浓度对艾种子萌发的影响

从表2可以看出,艾种子经梯度浓度的GA3溶液浸泡后,其萌发率明显提高。随着 GA3浓度梯度上升,艾种子的萌发率呈先升后降的趋势。当用400 mg/L GA3浸泡艾种子后,萌发率最高,为52.00%,较对照高 20%,且差异显著。700 mg/L GA3溶液浸种后,其萌发率最低,为39.33%,较对照低10.17%。

表2 GA3对艾种子萌发的影响Table.2 Effects of gibberellin on germination of A. argyi seeds

随着GA3浓度递增,艾种子萌发势变化趋势与萌发率变化趋势一致,用400 mg/L GA3处理,其萌发势最高,为48.67%,显著高于对照19.19%。且其他各处理的艾种子萌发势较对照差异显著。700 mg/L GA3溶液浸种后,萌发势最低,为35.33%,较对照低27.40%。

艾种子萌发指数随GA3浓度递增呈先增后减的趋势,用400 mg/L GA3浸种后,其萌发指数最高,为66.62,显著高于对照52.34%。700 mg/L GA3溶液浸种后,其萌发指数最低,为45.31 ,较对照低3.49%。

3 讨论与结论

种子物理休眠是种子的覆盖组织限制水分进入种子内部所导致的休眠[14],一般认为,当种子吸水率达到 36%,种皮便不会影响种子正常萌发[12]。本研究中,不做处理和种皮受损的艾种子吸水变化大致相同, 1.5 h吸水率均达到最大,吸水6 h后均趋于稳定。说明艾种子不存在透水障碍。种子生理休眠是种子自身含有较高浓度的萌发抑制物[13-14]所导致的,艾种子浸提液显著抑制小麦种子发芽和胚根伸长,说明艾种子含有萌发抑制物,且醇提物抑制效果更显著。但是,萌发抑制物质种类繁多[15],艾种子的内源性抑制物种类还需进一步分析验证。

光照是否为种子萌发的必要条件由遗传性质和环境因子等多个因素共同决定[16],光照对某些种子萌发是不可或缺的,如碎米莎草缺乏光照将停止萌发,光照可显著促进其种子萌发[17],当温度为25～30 ℃时,光照可显著提高光叶紫花苕种子萌发率[18];对某些种子光照为非必需因子,如苘麻[19]种子萌发对光照不敏感;但有的会产生抑制作用,如救荒野豌豆[20]、醉马草[21]在黑暗条件下萌发指标更高。本研究与刘雪松[21]对醉马草种子研究结果相似,说明黑暗条件更适合艾种子萌发。

温度是种子萌发中必不可少的因素[22],种子萌发过程需多种酶催化发生一系列物质转化和能量传递[23],而温度可调节细胞膜通透性及酶活性影响种子萌发[24],适宜温度可激发酶活性,促进种子萌发[25]。本研究与张爱冬等[26]研究结果相似,艾种子的适宜萌发温度为15～25 ℃。

GA3是一种在植物体内广泛存在的生长激素,在种子萌发时,由束缚型转变为游离型来调控酶蛋白的合成以及内源生长调节物质的分泌[27],激活氧化还原代谢酶,加速能量代谢,促使种子休眠状态转化为生长状态[28-29],提早解除休眠,但高浓度的GA3溶液在一定程度上抑制种子萌发[30]。陈建新等[31]研究发现,50 mg/L的GA3处理沙枣种子2 d,各萌发指标均显著高于对照水平。本研究结果表明, 400 mg/L的GA3浸泡艾种子24 h,艾种子的各萌发指标均达到最佳水平。

综上所述,艾种子的种皮对其吸胀没有障碍,种子内部含有的抑制物质,光照、温度和GA3是决定艾种子萌发状况的主要因素。400 mg/L的GA3处理,置于25 ℃的黑暗条件,为艾种子萌发的最佳条件。