蔷薇科果树种子休眠特性及化学处理方法的研究进展

刘 英,闾连飞,吴文龙,李维林,张春红

[1 江苏省中国科学院植物研究所(南京中山植物园)/江苏省植物资源研究与利用重点实验室,南京,210014;2 南京林业大学南方现代林业协同创新中心/南京林业大学林学院,南京,210037]

蔷薇科(Rosaceae)植物根据花和果实的结构特征,分为蔷薇亚科(Rosoideae)、苹果亚科(Maloideae)、李亚科(Prunoideae)和绣线菊亚科(Spiraeoideae)4大亚科;按经济用途分为食用、园林绿化、药用和水果种质资源植物等,中国是蔷薇科植物的重要分布中心之一[1-2]。随着优异果品消费需求增多,加快选育优异果树品种及提高种苗繁育效率成为当务之急[3],蔷薇科果树以种类繁多、适应性强等优势成为果品生产中的极佳选择。杂交选育仍是目前蔷薇科果树育种的主要方法,而高效的种子萌发技术是其中极其重要的一个环节[4-5]。蔷薇科果树种子萌发存在种子休眠和种皮限制现象,明显阻碍了种子萌发,对育种进程产生了较大阻碍[6-8]。本文就蔷薇科植物中主要果树的种子特征、种子休眠特性及化学药剂处理方法促进种子萌发的应用进行概述,以期为进一步探究种子高效萌发技术提供参考依据。

1 蔷薇科果树种子的构成特点

通过对掌叶覆盆子RubuschingiiHu发育果实进行解剖,发现内果皮由强烈木质化的多细胞组成,坚硬的种壳使得种胚生长受限不易萌发[9]。观察蔷薇亚科果树树莓RubuscorchorifoliusL. f.果实的剖面,发现树莓分为外果皮、中果皮和内果皮,内果皮硬化且分为3层构成种子,红树莓RubusidaeusL.内果皮厚12.20 μm,而黑树莓Rubusmesogaeus为其1.48倍[10]。苹果亚科中番木瓜CaricapapayaL.的种子内外种皮的最内侧各有一层厚壁细胞,经内种皮黏连成坚硬的壳状物,种皮内部包含正常发育的胚和胚乳[11]。准噶尔山楂Crataegussongorica种子种壳结构致密,由厚壁细胞组成,高度木质化且含有蜡质,种子吸水受阻碍且种胚受到机械约束[12]。李亚科中,欧李Prunushumilis(Bge.) Sok.种子种壳的存在阻碍了透水透气性[13],桃PrunuspersicaL.Batsch种子具有木质化的内果皮[14]。综上所述,蔷薇科果树种子多由坚硬的种皮、胚和胚乳构成,内果皮大多会特化成致密的种壳。

2 种子休眠

种子休眠是一种天然特性,完整的活力种子在适宜的条件下不能萌发[15]。Baskin将种子休眠分为5种,包括生理休眠、形态休眠、形态生理休眠、物理休眠和组合休眠[16]。蔷薇科种子普遍存在生理休眠,具有一系列特征如离体种胚能产生正常的幼苗,赤霉素(GA3)处理有利于部分植物种子的萌发,种子休眠可以通过低温层积被打破,暖层积不能打破休眠,但在冷层积之前进行暖层积处理可以缩短冷层积需要的时间[15]。

蔷薇科果树种子具有不同程度的生理休眠。桃种子在剥除种皮后,种胚能够正常发芽产生幼苗[17],桃种子的萌发率与层积时间和GA3浓度呈正相关[18]。GA3能够显著提升玫瑰种子发芽率[19],而对山楂CrataeguspinnatifidaBunge、光滑高粱泡Rubuslambertianusvar. glaber种子萌发的促进效果不明显,仅会影响种子生理状态[20-21]。新疆野苹果Malussieversii种子经过70～80 d的层积处理能够达到较理想的萌发率[22],黑莓RubusfruticosusL.种子至少需要120 d低温层积才能达到较为合适的萌发条件[23]。低温层积前进行一段时间暖温层积可以提高美蔷薇种子萌发率,并且缩短低温层积时间[24]。

3 种皮限制

种皮的厚度和结构对休眠的影响称为种皮效应[25]。蔷薇科植物种子种皮较厚,蔷薇亚科玫瑰、野蔷薇的种皮内包含抑制种子萌发的物质如脱落酸、过氧化物酶等,并且种皮内脱落酸(ABA)含量远高于种胚[26-27]。悬钩子属3个亚属17个物种的萌发需求条件差异很大,通过解剖种皮结构确定了种皮厚度和硬度是悬钩子属种子萌发响应的关键因素[28]。此外,种皮还可能阻碍内部抑制萌发的物质溢出,破坏种皮可以促进种子萌发[29]。李靖等[30]将黑莓内果皮剥除并在滤纸上暗培养,发现相比不剥离内果皮的种子发芽率提高60%。

在苹果亚科中,山楂种子的种壳、种皮和种胚内都含有萌发抑制物且成分不同,抑制强度由内而外递减[31-32]。马小卫等[33]发现李亚科长柄扁桃PrunuspedunculataPall.种皮对种子萌发没有影响,但种壳的机械障碍和内源抑制物的综合作用阻碍了种子的萌发。蒙古扁桃Prunusmongolica种子木质化内果皮形成机械性限制,阻碍种胚的正常萌发,通过去除种子内果皮可解除其种皮限制[34]。洪平杏ArmeniacahongpingensisYü et Li种子的坚硬种壳对种子胚根突破种皮产生机械阻力并限制种子萌发早期吸水[35]。

此外,结合显微结构观察结果发现,蔷薇亚科和苹果亚科不仅含有限制种子萌发的内源抑制物,坚硬的种皮或内果皮也阻碍了种子萌发,相比之下,李亚科种子种壳对种子萌发存在一定限制,但种壳与种子间存在空隙,可以利用机械方法分离[13-14,36]。因而,依据蔷薇科植物不同亚科种皮的特征选择合适的化学处理方法或能够有效提高种子萌发率。

4 化学处理方法

目前提高种子萌发率的处理方式集中体现在化学试剂处理、植物生长调节剂处理、低温层积处理、机械处理等方面。前两种均属于化学方法,化学试剂以次氯酸钠(NaClO)、硫酸(H2SO4)进行酸蚀的研究相对较多,其作用主要表现在腐蚀种皮、增强种子萌发潜力等[37-38];植物生长调节剂处理以GA3和吲哚乙酸(IAA)为主,其作用主要表现为解除种子休眠、促进种子萌发[25]。

浓H2SO4能够腐蚀坚硬的种皮,打破栅栏组织屏障,使种壳变薄,增加种皮通透性[7,37]。而利用浓H2SO4处理种子也存在诸多问题,如时间过长或高浓度将损害种子,处理后的残留可能对种子造成酸害,操作上具有较高危险性。NaClO是一种低毒的消毒剂溶液,通过种子表皮灭菌、提高种皮透性、促进种内抑制物质渗出或对种皮进行腐蚀和划伤等方式促进种子萌发[39]。适当浓度的NaClO溶液和浓H2SO4能提高种子的萌发率,但试剂浓度和时间控制不当会灼伤种子,从而导致种子发芽率降低。尿素作为一种氮肥,不仅能代替种子发芽时所需的光及温度,也能代替层积砂藏时自然产生的生长激素,处理后能够达到发芽时间提前、幼苗发育快、壮苗率高的效果[40]。蔷薇亚科和苹果亚科的种子因具有难以剥离的种壳或种皮,常通过化学试剂进行处理,而李亚科种子可以通过机械处理剥离种壳后,利用激素处理进一步提高种子萌发率。

4.1 蔷薇亚科悬钩子属(RubusL.)种子在未处理前基本不发芽或发芽率较低,采用不同浓度H2SO4并结合次氯酸钙处理,H2SO4浓度越高,黑莓种子发芽率越高,与次氯酸钙共同处理能进一步提高种子萌发率,98%浓硫酸处理15 min,再经1%次氯酸钙浸泡2 min能使黑莓发芽率达49%[41]。有研究对7种不同化学药剂结合不同时间的低温层积处理黑莓“Kiowa”种子,发现NaClO、H2SO4对黑莓种子发芽具明显促进效应,其中20%NaClO处理12 h并低温层积90 d,黑莓种子发芽率最高达19%[23],H2SO4处理浓度与种子萌发率的关系与龚娜等[41]研究结论一致。不同类型黑莓种子出苗率因浓H2SO4处理时间不同存在差异,而粗叶悬钩子R.alceaefoliusPoir.和高粱泡RubuslambertianusSer.ex DC.不经H2SO4或NaClO处理发芽率更高[42]。

利用H2SO4和0.8%尿素处理4种悬钩子属植物种子,掌叶覆盆子、粉枝莓RubusbiflorusBuch.-Ham. ex Smith、桔红悬钩子R.aurantiacusFocke种子发芽率稳定在30%。桔红悬钩子用75% H2SO4处理8～10 min发芽率最高,粉枝莓需0.8%尿素处理36 h、掌叶覆盆子需95% H2SO4处理达到最佳效果;红泡刺藤RubusniveusThunb.经75%浓硫酸处理8～10 min后用0.8%的尿素浸泡36h发芽率近60%[38]。延长浓H2SO4处理时间至35 min后掌叶覆盆子发芽率提升至40%,其他处理发芽率均不足5%,表明种壳硬实性是阻碍掌叶覆盆子种子萌发的机械障碍[43]。Gray等将巴顿覆盆子Rubusbartonianus利用98% H2SO4处理30 min或8.25% NaClO处理60 min后,先进行30 d暖层积(20 ℃),再进行低温层积(4 ℃)90 d后,种子的发芽率分别提升至80%和73%[44]。

浓H2SO4处理黄树莓RubusidaeusL.种子的适宜浓度为70%～80%,处理最佳时间14～16 min,尿素与H2SO4的组合处理发芽率最高,平均为24%[40]。“早红”树莓经60% H2SO4处理25 min+1%次氯酸钙处理6 d后发芽率达21%[41]。卢晶晶[45]通过浓H2SO4与次氯酸钙、尿素等处理树莓种子,并对种子进行潮湿低温处理6周,种子发芽率由10%以下提高到61.8%,浓H2SO4处理后的种子再使用次氯酸钙处理对提升发芽率作用不大。利用浓H2SO4和NaClO共同处理树莓种子,发现对3份树莓种子萌发均具不同的促进作用,不同品种最佳处理组合各不同[46]。对不同品种红树莓进行处理,98%H2SO4处理+20%NaClO浸泡的酸组合方案较单一处理更佳,红树莓发芽率最高可达68.33%[47]。

4.2 苹果亚科不同大小的山楂种子对化学试剂处理反应不同,千粒质量大于7 g(种壳厚度一般大于0.1 cm)的大粒型种子适合浓H2SO4处理,能显著提高发芽率[48]。利用96%的浓H2SO4处理山楂种子3 h,并结合短暂层积可使发芽率达58%[49]。关于枇杷种子萌发,有研究认为400 mg·L-1的GA3能够显著提升枇杷Eriobotryajaponica(Thunb.) Lindl.种子发芽率[50],也有研究认为枇杷种子最好随采随播[51],刘丽丽[52]则认为IAA、ZR(玉米素)与ABA相互协调从而促进枇杷种子萌发,GA3对枇杷种子影响较弱,建议枇杷种子发芽过程中添加适量IAA和ZR。用NaOH和高锰酸钾处理梨种子催芽效果较好[53-54]。随着NaOH质量浓度和浸种时间的增加,梨种子的萌发生长呈先增强后减弱的变化趋势,早酥梨和皇冠梨用4 g/L NaOH溶液分别处理1 h 和6 h 后层积60 d发芽势最高,分别可达78.3%和65.3%[53];将梨种子在5%高锰酸钾温水中浸泡1 d,种皮松软有利于后期出芽,且高锰酸钾能够消毒,减少种子催芽过程中霉烂发生[54]。

4.3 李亚科未经层积处理的桃种子用GA3处理或去掉种皮,均可以有效解除种子休眠,大幅度提高桃种子的发芽率[55-56]。有研究表明,多种植物激素浸种10 h对蒙古扁桃Amygdalusmongolica(Maxim.) Ricker种子的萌发具有一定程度的促进作用,不同激素及其最佳浓度为GA310 mg/L、NAA 0.1 mg/L、6-BA 1 mg/L以及乙烯利0.01 mg/L[57]。方海涛[58]认为多糖和生物碱是蒙古扁桃Prunusmongolica(Maxim.) Ricker群落种子萌发的制约物质。浓H2SO4浸泡4 h或对长梗扁桃AmygdaluspedunculataPall.带壳种子萌发促进作用最大[59]。鲁春艳等[60]研究表明,长柄扁桃AmygdaluspedunculataPall.种子经1 g/L GA3或0.25% H2O2浸泡24 h并低温处理15 d后,种子萌芽率和发芽指数得到较大程度提升,且幼苗生长状况较佳。研究表明,0.20～0.80 mg/L GA3、0.8或1.6 mg/L水杨酸及木醋液800倍液均可不同程度提高杏种子的萌发率,提升后的种子发芽率保持在90%左右[61-62]。GA3处理对剥皮后华中樱桃Prunusconradinae种子的萌发具显著促进作用,种子在0.2 g/L GA3溶液中浸种4 h后发芽率最高达60.67%[63]。钟花樱桃Cerasuscampanulata最佳催芽方式为0.5 g/L GA3浸泡24 h后进行沙藏[64],而GA3浓度超过0.5 g/L对野生山樱桃Cerasusserrulata种子萌发的促进作用逐渐降低[65]。

5 展望

杂交育种目前仍是提升蔷薇科植物果实品质的重要手段,因而研发杂交种子高效萌发技术是开展新品种选育的关键环节。种子的萌发是一个复杂的过程,解除种皮限制是众多促进蔷薇科果树种子萌发的一种有效方式。为提高蔷薇科果实种子萌发率,可以依据不同亚科种子结构特点辅助采用适合的化学试剂对种子进行蚀刻处理。若种子内含有较多抑制萌发的内源抑制物,可以通过赤霉素等植物生长调节剂对种子激素进行平衡,有力保障蔷薇科果树种子的萌发率和萌发质量。

尽管目前用化学处理方法促进种子萌发的技术较为广泛,但还存在一系列问题有待探讨,如直接处理还是浸种后处理效果好,适合的处理时间或不同化学药剂的选用及种子萌发后幼苗能否正常生长等问题[38]。此外,由于品种分化致使种子在发芽力上可能出现分化[66],不同基因型和倍性的种子[67]以及种子自身活力[68]也会影响种子萌发能力,进而导致同一物种不同品种间促进种子萌发的最佳方法存在一定差异。因此,在生产中不仅要根据蔷薇科不同类型种子结构和特性采用行之有效的处理方法,也要对不同杂交亲本品种探索适合的种子处理技术,真正为蔷薇科果树杂交新品种选育和物种保护提供科学方法。