黃精種子休眠的研究進(jìn)程范文
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《農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)》2018年第3期
摘要：黃精具有很高的藥用價(jià)值，近幾年更受關(guān)注。其傳統(tǒng)繁殖方式為根莖繁殖，成本高且易產(chǎn)生品種退化。種子繁殖受到關(guān)注，但黃精種子具有休眠性，發(fā)芽率低。為了打破黃精種子休眠，解決黃精人工育種栽培遭遇的困難，總結(jié)了黃精種子休眠類型及原因，包括種子結(jié)構(gòu)、內(nèi)源抑制物、種胚發(fā)育狀況、綜合因素與種子休眠的關(guān)系和打破黃精種子休眠的方法及其機(jī)制，包括機(jī)械處理、溫水浸種處理、層積處理、化學(xué)試劑處理、激素處理、萌發(fā)溫度及光照條件、綜合處理，認(rèn)為黃精種子的休眠是綜合因素導(dǎo)致的，可以通過層積和激素處理等方法打破休眠。
關(guān)鍵詞：黃精；種子；休眠類型；打破休眠；種子后熟
0引言
黃精是中國傳統(tǒng)中藥，最先記載于《名醫(yī)別錄》，為百合科(Liliacae)黃精屬(Polygonatum)多年生草本植物根莖的總稱。中國該屬植物有30多種，《中國藥典》2010年版第一部收藏了黃精(PolygonatumsibircumRed.)、多花黃精(PolygonatumCyrtonemaHua.)和滇黃精(PolygonatumKingianumCol1.etHemsl.)3種為其原生藥[1]，按照根莖形狀分別俗稱“雞頭黃精”、“姜形黃精”、“大黃精”。黃精具有寬中益氣、滋陰潤肺、益腎填精、生津補(bǔ)脾之功效，現(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)其對治療心血管疾病、糖尿病以及在抗菌、抗疲勞、抗衰老等方面也有較好作用[2-5]。黃精主產(chǎn)于河北、內(nèi)蒙古、陜西省等省區(qū)，多花黃精主產(chǎn)于貴州、湖南、云南等省，滇黃精主產(chǎn)于貴州、廣西、云南等省區(qū)。黃精是重要的藥用植物，也是具有開發(fā)價(jià)值的生物資源。近年來，隨著人們對黃精藥用價(jià)值和保健價(jià)值逐漸了解，黃精的市場需求量增加，價(jià)格提高，導(dǎo)致野生黃精被大量開采，生境受到破壞，野生黃精產(chǎn)量下降，人工栽培勢在必行[6]。雖然黃精的發(fā)展前景很好，但因其繁殖困難導(dǎo)致人工栽培遇到困難。黃精的繁殖包括有性繁殖（種子繁殖）和無性繁殖（根莖繁殖）[7]。黃精傳統(tǒng)繁殖方式是根莖繁殖，成本高又易導(dǎo)致品種退化，影響藥材產(chǎn)量和重量，不利于大面積推廣。目前中藥材黃精生產(chǎn)市場變大，需要的黃精種苗也逐年加大，傳統(tǒng)繁殖方式不能滿足需要。因此黃精的有性繁殖獲得人們關(guān)注，通過種子繁衍后代，能得到大量的種苗，且能降低生產(chǎn)成本，但黃精種子具有休眠現(xiàn)象，使得黃精資源開發(fā)利用、人工育種栽培遇到困難。目前，很多學(xué)者對種子休眠原因及打破種子休眠的方法進(jìn)行了大量的研究[8-15]，但導(dǎo)致種子的休眠的原因十分復(fù)雜，打破休眠的方法也是不斷增加。為此，對黃精種子的休眠原因及打破休眠的方法有關(guān)研究做了簡要綜述，目的是為今后人工育種栽培等生產(chǎn)實(shí)踐打下基礎(chǔ)及科學(xué)研究提供參考。
1黃精種子休眠類型及原因
種子休眠是植物種子不斷演化形成的一種對外界環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制[16]。包括兩大類：（1）內(nèi)源因素休眠，即胚本身的原因，包括胚的形態(tài)發(fā)育未完成，存在抑制萌發(fā)的物質(zhì)或缺少必要的激素刺激；（2）外源因素休眠，即胚以外的各種組織導(dǎo)致休眠，包括種皮、胚乳、胚的附屬物等，產(chǎn)生機(jī)械阻礙，種子不透水、不透氣以及種殼中存在抑制萌發(fā)的物質(zhì)等[17-20]。
1.1種子結(jié)構(gòu)與種子休眠的關(guān)系
趙昕等[21]認(rèn)為種皮不透性包括不透氣性和不透水性兩個方面。前者是由于種皮孔隙小，種子被包裹嚴(yán)實(shí)，種子吸水后，氣體難以流通，不能與外界進(jìn)行氣體交換，限制種子的呼吸作用；后者是由于種皮結(jié)構(gòu)致密，表皮沉積有角質(zhì)或蠟質(zhì)，使胚不能獲得所需水分，影響種子代謝活動。而且種皮的機(jī)械阻礙作用也會限制胚突破種皮影響種子萌發(fā)。李勇剛等[22]發(fā)現(xiàn)黃精種皮細(xì)胞有部分為木質(zhì)化的細(xì)胞而且胚乳結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)致種子通透性較差，吸水速率慢，影響種子萌發(fā)，延長休眠期。張躍進(jìn)等[23]觀察黃精種子形態(tài)解剖圖和吸水規(guī)律，發(fā)現(xiàn)黃精種子的胚乳細(xì)胞小、細(xì)胞質(zhì)濃厚、胞間隙小、排列致密，影響物質(zhì)的共質(zhì)體運(yùn)輸，存在胚乳吸水障礙。也有研究表明被覆物產(chǎn)生吸水障礙是導(dǎo)致胚休眠的原因[24]。王劍龍等[25]發(fā)現(xiàn)黃精種子的胚被厚厚的胚乳包被，這種結(jié)構(gòu)使種子營養(yǎng)利用及吸水緩慢，導(dǎo)致黃精種子萌發(fā)緩慢。張玉翠[26]對黃精種子進(jìn)行離體胚、切除種皮和大量胚乳，只帶少量胚乳、縱向切除部分胚乳、切除胚乳基部未傷種胚、劃傷種皮、完整種子的6種處理，結(jié)果表明，離體胚、切除種皮和大量胚乳的萌發(fā)率較高，完整種子始終未萌發(fā)。說明黃精種子萌發(fā)除了受種皮阻礙作用，還有種皮、胚乳等共同影響。
1.2內(nèi)源抑制物與種子休眠的關(guān)系
種子某個部分存在萌發(fā)抑制物質(zhì)，都可能阻礙種子某個代謝環(huán)節(jié)或生理活動的進(jìn)行，從而導(dǎo)致種子休眠。需要時(shí)間去分解抑制萌發(fā)的化學(xué)物質(zhì)后，種子才能萌發(fā)[27]。張躍進(jìn)等[28]用黃精種子胚、胚乳和種皮的甲醇粗提物處理白菜種子，均出現(xiàn)萌發(fā)和幼苗生長抑制現(xiàn)象，其中胚的抑制活性最強(qiáng)。說明黃精種子胚、胚乳、種皮都存在萌發(fā)抑制物質(zhì)。并且發(fā)現(xiàn)黃精種子成熟后期內(nèi)源激素ABA含量升高，ABA具有誘導(dǎo)發(fā)育種子的休眠和抑制胚萌發(fā)的作用，因此黃精種子充分成熟后ABA含量升高也是導(dǎo)致黃精種子休眠的原因之一。很多研究結(jié)果表明，植物種子內(nèi)源促進(jìn)物和抑制物的平衡決定著種子的休眠萌發(fā)，其中ABA和GA是其中起關(guān)鍵作用的內(nèi)源信號分子，ABA誘導(dǎo)種胚細(xì)胞分裂停止、啟動并維持種子休眠，而GA啟動和促進(jìn)種子萌發(fā)，兩者在調(diào)節(jié)種子休眠和萌發(fā)過程中存在相互拮抗的關(guān)系[29-30]。Amen[31]也認(rèn)為種子是否休眠取決于內(nèi)源促抑物之間的平衡,當(dāng)平衡有利于抑制時(shí)就產(chǎn)生休眠。
1.3種胚發(fā)育狀況與種子休眠的關(guān)系
由于胚的發(fā)育情況而造成種子休眠包括3種情況，即胚的形態(tài)休眠、生理休眠和2種方式同時(shí)存在所引起的綜合休眠[32-33]。胚的形態(tài)休眠是指種子形態(tài)已成熟但胚發(fā)育不完全造成的休眠，休眠胚萌發(fā)需要完成形態(tài)后熟[34]。胚的生理休眠是指胚已經(jīng)發(fā)育完成，但種子內(nèi)相關(guān)有機(jī)物和植物激素等未轉(zhuǎn)化完成，等積累種子萌發(fā)所需要的物質(zhì)后才能萌發(fā)[35-37]。張玉翠[38]研究表明，黃精種子屬于同時(shí)存在形態(tài)、生理后熟的綜合休眠。成熟果實(shí)中種子胚發(fā)育不完全，需要一段時(shí)間，胚的結(jié)構(gòu)才能發(fā)育完善，且不同環(huán)境下胚完成形態(tài)后熟的時(shí)間也不一樣。黃精種子屬于淀粉性種子，在層積貯藏過程中可溶性蛋白質(zhì)含量增加，粗脂肪、淀粉、可溶性糖含量、淀粉酶活性下降，進(jìn)行自身組織分化與形態(tài)構(gòu)建,同時(shí)為種子萌發(fā)做好準(zhǔn)備。剛采摘的黃精種子可以通過層積、激素處理完成形態(tài)生理后熟，解除休眠。
1.4綜合因素
要確定植物種子的休眠到底是由何種原因造成，需要經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行證明。目前的研究表明，黃精種子休眠是由其結(jié)構(gòu)、內(nèi)源激素以及胚的發(fā)育情況綜合因素造成的。張躍進(jìn)認(rèn)為黃精種子種胚存在形態(tài)、生理后熟，其中生理后熟是黃精種子產(chǎn)生深休眠的主要原因，種皮、胚乳結(jié)構(gòu)及萌發(fā)抑制物也導(dǎo)致黃精種子休眠[23]。
2打破黃精種子休眠的方法及其機(jī)制
2.1機(jī)械處理
一些植物種子通過劃傷種皮、切除部分胚乳基部等機(jī)械處理改變種皮的物理性質(zhì)，能提高種子萌發(fā)率。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃精種子去除種皮或砂擦處理,反而導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)便全部發(fā)霉腐爛的情況。說明黃精不能通過劃傷種皮的方法促進(jìn)種子萌發(fā)，但同時(shí)切除種皮和大量胚乳有助于種子萌發(fā)[38]。
2.2溫水浸種處理
清水浸泡可以加速物質(zhì)代謝，分解抑制物質(zhì)，而溫水能提高酶的活性，從而提高萌發(fā)率。朱伍鳳[39]研究發(fā)現(xiàn)，種子經(jīng)過一段時(shí)間貯藏，再通過溫水浸種可顯著促進(jìn)黃精種子萌發(fā)，隨著浸種溫度升高，發(fā)芽率逐漸升高，40℃時(shí)達(dá)到最高值，溫度過高可能導(dǎo)致種子失活。浸種時(shí)間與黃精種子發(fā)芽率也顯著相關(guān)，隨著浸種時(shí)間增加，發(fā)芽率表現(xiàn)先升高后降低，在30h達(dá)到最高值。一般用40℃溫水浸種24~30h，對促進(jìn)黃精種子的萌發(fā)較有效。
2.3層積處理
黃精種子休眠與其胚存在生理后熟有關(guān)。有研究表明通過低溫層積處理可以促進(jìn)種子胚的形態(tài)發(fā)育成熟，抑制物質(zhì)被分解，脫落酸及赤霉素等激素含量平衡發(fā)生改變，相關(guān)酶的活力提高，淀粉等大分子物質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)化等[40-42]。所以通過低溫層積儲藏的方法有利于打破黃精種子的休眠，能夠提高種子萌發(fā)率。朱伍鳳[43]研究發(fā)現(xiàn)，在0~10℃沙藏條件下，黃精種子都能萌發(fā)，但處理溫度與發(fā)芽率有相關(guān)性，在0℃沙藏處理下發(fā)芽率最高，達(dá)到67.78%，與其他處理比較高11.1%~20.0%。趙致等[44]研究認(rèn)為，低溫沙藏和冷凍沙藏處理能夠幫助種子保留內(nèi)部水分，有利于種胚后熟發(fā)育，提高種子活力，發(fā)芽快且整齊。而室內(nèi)種子水分散失較快，導(dǎo)致后熟停滯，萌發(fā)率降低。試驗(yàn)表明低溫沙藏更有利于黃精種子的萌發(fā)。王占紅等[45]研究發(fā)現(xiàn)，黃精種子沙藏方式的不同將會影響黃精種子萌發(fā)率和發(fā)芽勢，一是將采收的果實(shí)直接戶外沙藏；二是通過發(fā)酵后清洗得到種子進(jìn)行室外沙藏；三是把第一處理育苗前一個月拿出清水漂洗去皮獲得種子再次沙藏；四是采收的果實(shí)在塑料袋內(nèi)發(fā)酵10天后于12目篩子上揉搓后清水沖洗獲得干凈種子4℃沙藏，4種處理均可打破休眠，其中發(fā)酵獲得的種子戶外沙藏發(fā)芽率最高。4個處理下都表現(xiàn)為可溶性糖和可溶性蛋白含量增加，淀粉與脂肪含量降低，說明貯藏物質(zhì)在沙藏過程中不斷地分解代謝，為黃精種子的萌發(fā)提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量準(zhǔn)備。劉保才等[46]對多花黃精進(jìn)行常溫干燥貯藏、常溫沙藏和4℃低溫沙藏3種處理，發(fā)現(xiàn)低溫沙藏下發(fā)芽率最高達(dá)86.67%，且差異顯著。
2.4化學(xué)試劑處理
用化學(xué)溶液浸泡種子能改變種皮的結(jié)構(gòu)，提高種皮透氣性、透水性，使其軟化、破裂，并提高氧氣參與能力，對種皮較厚的種子效果明顯[47-48]。黃精宜用弱酸弱堿，如0.1%KMnO4、0.1%H2O2和1%CuSO4等化學(xué)試劑處理，促進(jìn)種子萌發(fā)效果明顯，而一些強(qiáng)酸強(qiáng)堿，不但不會促進(jìn)黃精種子萌發(fā)，反而破壞其種子表皮結(jié)構(gòu)，使種子發(fā)霉腐爛。水楊酸浸種對于提高種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率及發(fā)芽的整齊度效果較好，尤其濃度為13.8mg/L時(shí)，效果更明顯。且殼聚糖浸種對黃精種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用[39]。
2.5激素處理
激素是植物內(nèi)部微量信號分子，對植物的發(fā)育進(jìn)程具有影響，其中GA3是重要的植物生長調(diào)節(jié)激素，對種子萌發(fā)影響很大[49]。GA3處理能夠替代低溫后熟、干藏后熟作用，提高種子發(fā)芽率[50-51]。黃精種子休眠與激素平衡有關(guān)，GA3、6-BA、乙烯等都對打破黃精種子休眠有效，其中GA3和6-BA效果較好，促進(jìn)種子萌發(fā)以及拮抗ABA的抑制效應(yīng)。朱伍鳳等[39]用GA3浸種處理黃精種子，濃度150mg/L的GA3浸種24h效果最好。與GA3相比，6-BA提高發(fā)芽率效果較差，其中處理濃度100mg/L的6-BA能縮短出苗時(shí)間。張巧媚等[52]。焦劼等[53]使用100mg/L的IAA，300mg/LETH、500mg/L的SNP處理24h也能提高黃精種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢等。
2.6萌發(fā)溫度及光照條件
一般情況下種子不管在黑暗或是光照條件下都能萌發(fā)，但少數(shù)植物種子需要在有光的條件下才能萌發(fā)良好[54]，而有些植物種子光則會抑制其萌發(fā)[55-56]。黃精種子屬于后者，更適合無光條件下進(jìn)行萌發(fā)，這可能與種子自身生理及黃精種子喜陰涼的生物學(xué)特性相關(guān)[39]。植物種子感受外界溫度的變化并調(diào)節(jié)種子萌發(fā)的現(xiàn)象非常普遍，溫度太高或太低都會抑制種子的萌發(fā)，只有處在長期進(jìn)化適應(yīng)的適合溫度條件下種子萌發(fā)率才能提高。吳維春[57]認(rèn)為黃精種子是中溫型種子，目前的相關(guān)萌發(fā)實(shí)驗(yàn)中多采用25℃條件下萌發(fā)。
2.7綜合處理
在各種打破黃精種子休眠的方法中，單一的處理法在一定程度上提高了種子萌發(fā)率，其中層積處理對種子萌發(fā)最好。但實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，常結(jié)合多種處理方法來達(dá)到提高種子萌發(fā)率的目的。劉保財(cái)?shù)萚46]將4℃低溫沙藏的多花黃精種子避光浸泡在不同濃度GA3中3h，結(jié)果表明發(fā)芽率都有提高，赤霉素濃度50mg/L效果最好，發(fā)芽率從88.86%提高到了93.33%，并且種子層積后通過溫水浸種發(fā)芽率也能得到提高。
3展望
綜上所述，黃精種子具有不同的休眠原因，主要有形態(tài)生理后熟、萌發(fā)抑制物質(zhì)的存在等。關(guān)于黃精種子的休眠機(jī)制有了很多研究，并用相應(yīng)的技術(shù)方法進(jìn)行了處理。但黃精種子的休眠現(xiàn)象是一個比較復(fù)雜的生物學(xué)特性，需要研究者們付出更多的精力，找出種子休眠原因，探索出不同的合適的打破種子休眠的措施，促進(jìn)中藥材黃精得到更好的開發(fā)利用。未來的研究方向可以包括以下方面：（1）研究不同溫度層積對打破黃精種子休眠的效果，找出打破休眠及種子貯藏的最適溫度。（2）研究不同采收時(shí)期、不同采收部位的黃精種子休眠特性及萌發(fā)的差異，在實(shí)際生產(chǎn)中加以區(qū)分。（3）黃精種子是高含水量種子，水分影響種子內(nèi)部代謝。研究不同含水量對種子休眠及萌發(fā)的影響，對種子采后處理及保存提供參考。
作者：劉佳1；朱翔2；王文祥1；葉宏達(dá)1；葉怡然1；海梅榮1 單位：1云南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，2金平慧達(dá)農(nóng)林開發(fā)有限公司