黃精種子休眠的研究進程范文

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《農學學報》2018年第3期

摘要：黃精具有很高的藥用價值，近幾年更受關注。其傳統繁殖方式為根莖繁殖，成本高且易產生品種退化。種子繁殖受到關注，但黃精種子具有休眠性，發芽率低。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，總結了黃精種子休眠類型及原因，包括種子結構、內源抑制物、種胚發育狀況、綜合因素與種子休眠的關系和打破黃精種子休眠的方法及其機制，包括機械處理、溫水浸種處理、層積處理、化學試劑處理、激素處理、萌發溫度及光照條件、綜合處理，認為黃精種子的休眠是綜合因素導致的，可以通過層積和激素處理等方法打破休眠。

關鍵詞：黃精；種子；休眠類型；打破休眠；種子后熟

0引言

黃精是中國傳統中藥，最先記載于《名醫別錄》，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、生津補脾之功效，現代研究發現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]。黃精主產于河北、內蒙古、陜西省等省區，多花黃精主產于貴州、湖南、云南等省，滇黃精主產于貴州、廣西、云南等省區。黃精是重要的藥用植物，也是具有開發價值的生物資源。近年來，隨著人們對黃精藥用價值和保健價值逐漸了解，黃精的市場需求量增加，價格提高，導致野生黃精被大量開采，生境受到破壞，野生黃精產量下降，人工栽培勢在必行[6]。雖然黃精的發展前景很好，但因其繁殖困難導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]。黃精傳統繁殖方式是根莖繁殖，成本高又易導致品種退化，影響藥材產量和重量，不利于大面積推廣。目前中藥材黃精生產市場變大，需要的黃精種苗也逐年加大，傳統繁殖方式不能滿足需要。因此黃精的有性繁殖獲得人們關注，通過種子繁衍后代，能得到大量的種苗，且能降低生產成本，但黃精種子具有休眠現象，使得黃精資源開發利用、人工育種栽培遇到困難。目前，很多學者對種子休眠原因及打破種子休眠的方法進行了大量的研究[8-15]，但導致種子的休眠的原因十分復雜，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研究做了簡要綜述，目的是為今后人工育種栽培等生產實踐打下基礎及科學研究提供參考。

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境的適應機制[16]。包括兩大類：（1）內源因素休眠，即胚本身的原因，包括胚的形態發育未完成，存在抑制萌發的物質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致休眠，包括種皮、胚乳、胚的附屬物等，產生機械阻礙，種子不透水、不透氣以及種殼中存在抑制萌發的物質等[17-20]。

1.1種子結構與種子休眠的關系

趙昕等[21]認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，種子被包裹嚴實，種子吸水后，氣體難以流通，不能與外界進行氣體交換，限制種子的呼吸作用；后者是由于種皮結構致密，表皮沉積有角質或蠟質，使胚不能獲得所需水分，影響種子代謝活動。而且種皮的機械阻礙作用也會限制胚突破種皮影響種子萌發。李勇剛等[22]發現黃精種皮細胞有部分為木質化的細胞而且胚乳結構致密，導致種子通透性較差，吸水速率慢，影響種子萌發，延長休眠期。張躍進等[23]觀察黃精種子形態解剖圖和吸水規律，發現黃精種子的胚乳細胞小、細胞質濃厚、胞間隙小、排列致密，影響物質的共質體運輸，存在胚乳吸水障礙。也有研究表明被覆物產生吸水障礙是導致胚休眠的原因[24]。王劍龍等[25]發現黃精種子的胚被厚厚的胚乳包被，這種結構使種子營養利用及吸水緩慢，導致黃精種子萌發緩慢。張玉翠[26]對黃精種子進行離體胚、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，結果表明，離體胚、切除種皮和大量胚乳的萌發率較高，完整種子始終未萌發。說明黃精種子萌發除了受種皮阻礙作用，還有種皮、胚乳等共同影響。

1.2內源抑制物與種子休眠的關系

種子某個部分存在萌發抑制物質，都可能阻礙種子某個代謝環節或生理活動的進行，從而導致種子休眠。需要時間去分解抑制萌發的化學物質后，種子才能萌發[27]。張躍進等[28]用黃精種子胚、胚乳和種皮的甲醇粗提物處理白菜種子，均出現萌發和幼苗生長抑制現象，其中胚的抑制活性最強。說明黃精種子胚、胚乳、種皮都存在萌發抑制物質。并且發現黃精種子成熟后期內源激素ABA含量升高，ABA具有誘導發育種子的休眠和抑制胚萌發的作用，因此黃精種子充分成熟后ABA含量升高也是導致黃精種子休眠的原因之一。很多研究結果表明，植物種子內源促進物和抑制物的平衡決定著種子的休眠萌發，其中ABA和GA是其中起關鍵作用的內源信號分子，ABA誘導種胚細胞分裂停止、啟動并維持種子休眠，而GA啟動和促進種子萌發，兩者在調節種子休眠和萌發過程中存在相互拮抗的關系[29-30]。Amen[31]也認為種子是否休眠取決于內源促抑物之間的平衡,當平衡有利于抑制時就產生休眠。

1.3種胚發育狀況與種子休眠的關系

由于胚的發育情況而造成種子休眠包括3種情況，即胚的形態休眠、生理休眠和2種方式同時存在所引起的綜合休眠[32-33]。胚的形態休眠是指種子形態已成熟但胚發育不完全造成的休眠，休眠胚萌發需要完成形態后熟[34]。胚的生理休眠是指胚已經發育完成，但種子內相關有機物和植物激素等未轉化完成，等積累種子萌發所需要的物質后才能萌發[35-37]。張玉翠[38]研究表明，黃精種子屬于同時存在形態、生理后熟的綜合休眠。成熟果實中種子胚發育不完全，需要一段時間，胚的結構才能發育完善，且不同環境下胚完成形態后熟的時間也不一樣。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含量增加，粗脂肪、淀粉、可溶性糖含量、淀粉酶活性下降，進行自身組織分化與形態構建,同時為種子萌發做好準備。剛采摘的黃精種子可以通過層積、激素處理完成形態生理后熟，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，需要經過一系列的實驗進行證明。目前的研究表明，黃精種子休眠是由其結構、內源激素以及胚的發育情況綜合因素造成的。張躍進認為黃精種子種胚存在形態、生理后熟，其中生理后熟是黃精種子產生深休眠的主要原因，種皮、胚乳結構及萌發抑制物也導致黃精種子休眠[23]。

2打破黃精種子休眠的方法及其機制

2.1機械處理

一些植物種子通過劃傷種皮、切除部分胚乳基部等機械處理改變種皮的物理性質，能提高種子萌發率。試驗發現黃精種子去除種皮或砂擦處理,反而導致短時間內便全部發霉腐爛的情況。說明黃精不能通過劃傷種皮的方法促進種子萌發，但同時切除種皮和大量胚乳有助于種子萌發[38]。

2.2溫水浸種處理

清水浸泡可以加速物質代謝，分解抑制物質，而溫水能提高酶的活性，從而提高萌發率。朱伍鳳[39]研究發現，種子經過一段時間貯藏，再通過溫水浸種可顯著促進黃精種子萌發，隨著浸種溫度升高，發芽率逐漸升高，40℃時達到最高值，溫度過高可能導致種子失活。浸種時間與黃精種子發芽率也顯著相關，隨著浸種時間增加，發芽率表現先升高后降低，在30h達到最高值。一般用40℃溫水浸種24~30h，對促進黃精種子的萌發較有效。

2.3層積處理

黃精種子休眠與其胚存在生理后熟有關。有研究表明通過低溫層積處理可以促進種子胚的形態發育成熟，抑制物質被分解，脫落酸及赤霉素等激素含量平衡發生改變，相關酶的活力提高，淀粉等大分子物質發生轉化等[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，能夠提高種子萌發率。朱伍鳳[43]研究發現，在0~10℃沙藏條件下，黃精種子都能萌發，但處理溫度與發芽率有相關性，在0℃沙藏處理下發芽率最高，達到67.78%，與其他處理比較高11.1%~20.0%。趙致等[44]研究認為，低溫沙藏和冷凍沙藏處理能夠幫助種子保留內部水分，有利于種胚后熟發育，提高種子活力，發芽快且整齊。而室內種子水分散失較快，導致后熟停滯，萌發率降低。試驗表明低溫沙藏更有利于黃精種子的萌發。王占紅等[45]研究發現，黃精種子沙藏方式的不同將會影響黃精種子萌發率和發芽勢，一是將采收的果實直接戶外沙藏；二是通過發酵后清洗得到種子進行室外沙藏；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；四是采收的果實在塑料袋內發酵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，其中發酵獲得的種子戶外沙藏發芽率最高。4個處理下都表現為可溶性糖和可溶性蛋白含量增加，淀粉與脂肪含量降低，說明貯藏物質在沙藏過程中不斷地分解代謝，為黃精種子的萌發提供物質基礎和能量準備。劉保才等[46]對多花黃精進行常溫干燥貯藏、常溫沙藏和4℃低溫沙藏3種處理，發現低溫沙藏下發芽率最高達86.67%，且差異顯著。

2.4化學試劑處理

用化學溶液浸泡種子能改變種皮的結構，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等化學試劑處理，促進種子萌發效果明顯，而一些強酸強堿，不但不會促進黃精種子萌發，反而破壞其種子表皮結構，使種子發霉腐爛。水楊酸浸種對于提高種子的發芽勢、發芽率及發芽的整齊度效果較好，尤其濃度為13.8mg/L時，效果更明顯。且殼聚糖浸種對黃精種子萌發具有促進作用[39]。

2.5激素處理

激素是植物內部微量信號分子，對植物的發育進程具有影響，其中GA3是重要的植物生長調節激素，對種子萌發影響很大[49]。GA3處理能夠替代低溫后熟、干藏后熟作用，提高種子發芽率[50-51]。黃精種子休眠與激素平衡有關，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，促進種子萌發以及拮抗ABA的抑制效應。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提高發芽率效果較差，其中處理濃度100mg/L的6-BA能縮短出苗時間。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芽率、發芽勢等。

2.6萌發溫度及光照條件

一般情況下種子不管在黑暗或是光照條件下都能萌發，但少數植物種子需要在有光的條件下才能萌發良好[54]，而有些植物種子光則會抑制其萌發[55-56]。黃精種子屬于后者，更適合無光條件下進行萌發，這可能與種子自身生理及黃精種子喜陰涼的生物學特性相關[39]。植物種子感受外界溫度的變化并調節種子萌發的現象非常普遍，溫度太高或太低都會抑制種子的萌發，只有處在長期進化適應的適合溫度條件下種子萌發率才能提高。吳維春[57]認為黃精種子是中溫型種子，目前的相關萌發實驗中多采用25℃條件下萌發。

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率，其中層積處理對種子萌發最好。但實際的生產實踐中，常結合多種處理方法來達到提高種子萌發率的目的。劉保財等[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，結果表明發芽率都有提高，赤霉素濃度50mg/L效果最好，發芽率從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，主要有形態生理后熟、萌發抑制物質的存在等。關于黃精種子的休眠機制有了很多研究，并用相應的技術方法進行了處理。但黃精種子的休眠現象是一個比較復雜的生物學特性，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，促進中藥材黃精得到更好的開發利用。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）研究不同采收時期、不同采收部位的黃精種子休眠特性及萌發的差異，在實際生產中加以區分。（3）黃精種子是高含水量種子，水分影響種子內部代謝。研究不同含水量對種子休眠及萌發的影響，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1；葉怡然1；海梅榮1 單位：1云南農業大學農學與生物技術學院，2金平慧達農林開發有限公司