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黄精种子休眠进展
摘 要：黄精具有很高的药用价值,近几年更受关注.其传统繁殖方式为根茎繁殖,成本高且易产生品种退化.种子繁殖受到关注,但黄精种子具有休眠性,发芽率低.为了打破黄精种子休眠,解决黄精人工育种栽培遭遇的困难,总结了黄精种子休眠类型及原因,包括种子结构、内源抑制物、种胚发育状况、综合因素与种子休眠的关系和打破黄精种子休眠的方法及其机制,包括机械处理、温水浸种处理、层积处理、化学试剂处理、激素处理、萌发温度及光照条件、综合处理,认为黄精种子的休眠是综合因素导致的,可以通过层积和激素处理等方法打破休眠.
关键词：黄精；种子；休眠类型；打破休眠；种子后熟
中图分类号：S567.23 文献标志码：A 论文编号：cjas17030028
0 引言
黄精是中国传统中药,最先记载于《名医别录》,为百合科(Liliacae)黄精属(Polygonatum)多年生草本植物根茎的总称.中国该属植物有30 多种,《中国药典》2010 年版第一部收藏了黄精(Polygonatum sibircumRed.)、多花黄精(Polygonatum Cyrtonema Hua.)和滇黄精(Polygonatum Kingianum Col1.et Hemsl.)3 种为其原生药[1],按照根茎形状分别俗称“鸡头黄精”、“姜形黄精”、“大黄精”.黄精具有宽中益气、滋阴润肺、益肾填精、生津补脾之功效,现代研究发现其对治疗心血管疾病、糖尿病以及在抗菌、抗疲劳、抗衰老等方面也有较好作用[2-5].黄精主产于河北、内蒙古、陕西省等省区,多花黄精主产于贵州、湖南、云南等省,滇黄精主产于贵州、广西、云南等省区.黄精是重要的药用植物,也是具有开发价值的生物资源.近年来,随着人们对黄精药用价值和保健价值逐渐了解,黄精的市场需求量增加,提高,导致野生黄精被大量开采,生境受到破坏,野生黄精产量下降,人工栽培势在必行[6].虽然黄精的发展前景很好,但因其繁殖困难导致人工栽培遇到困难.
黄精的繁殖包括有性繁殖（种子繁殖）和无性繁殖（根茎繁殖）[7].黄精传统繁殖方式是根茎繁殖,成本高又易导致品种退化,影响药材产量和重量,不利于大面积推广.目前中药材黄精生产市场变大,需要的黄精种苗也逐年加大,传统繁殖方式不能满足需要.因此黄精的有性繁殖获得人们关注,通过种子繁衍后代,能得到大量的种苗,且能降低生产成本,但黄精种子具有休眠现象,使得黄精资源开发利用、人工育种栽培遇到困难.目前,很多学者对种子休眠原因及打破种子休眠的方法进行了大量的研究[8-15],但导致种子的休眠的原因十分复杂,打破休眠的方法也是不断增加.为此,对黄精种子的休眠原因及打破休眠的方法有关研究做了简要综述,目的是为今后人工育种栽培等生产实践打下基础及科学研究提供参考.
1 黄精种子休眠类型及原因
种子休眠是植物种子不断演化形成的一种对外界环境的适应机制[16].包括两大类：（1）内源因素休眠,即胚本身的原因,包括胚的形态发育未完成,存在抑制萌发的物质或缺少必要的激素刺激；（2）外源因素休眠,即胚以外的各种组织导致休眠,包括种皮、胚乳、胚的附属物等,产生机械阻碍,种子不透水、不透气以及种壳中存在抑制萌发的物质等[17-20].
1.1 种子结构与种子休眠的关系
赵昕等[21]认为种皮不透性包括不透气性和不透水性两个方面.前者是由于种皮孔隙小,种子被包裹严实,种子吸水后,气体难以流通,不能与外界进行气体交换,限制种子的呼吸作用；后者是由于种皮结构致密,表皮沉积有角质或蜡质,使胚不能获得所需水分,影响种子代谢活动.而且种皮的机械阻碍作用也会限制胚突破种皮影响种子萌发.李勇刚等[22]发现黄精种皮细胞有部分为木质化的细胞而且胚乳结构致密,导致种子通透性较差,吸水速率慢,影响种子萌发,延长休眠期.张跃进等[23]观察黄精种子形态解剖图和吸水规律,发现黄精种子的胚乳细胞小、细胞质浓厚、胞间隙小、排列致密,影响物质的共质体运输,存在胚乳吸水障碍.也有研究表明被覆物产生吸水障碍是导致胚休眠的原因[24].王剑龙等[25]发现黄精种子的胚被厚厚的胚乳包被,这种结构使种子营养利用及吸水缓慢,导致黄精种子萌发缓慢.张玉翠[26]对黄精种子进行离体胚、切除种皮和大量胚乳,只带少量胚乳、纵向切除部分胚乳、切除胚乳基部未伤种胚、划伤种皮、完整种子的6 种处理,结果表明,离体胚、切除种皮和大量胚乳的萌发率较高,完整种子始终未萌发.说明黄精种子萌发除了受种皮阻碍作用,还有种皮、胚乳等共同影响.
1.2 内源抑制物与种子休眠的关系
种子某个部分存在萌发抑制物质,都可能阻碍种子某个代谢环节或生理活动的进行,从而导致种子休眠.需要时间去分解抑制萌发的化学物质后,种子才能萌发[27].张跃进等[28]用黄精种子胚、胚乳和种皮的甲醇粗提物处理白菜种子,均出现萌发和幼苗生长抑制现象,其中胚的抑制活性最强.说明黄精种子胚、胚乳、种皮都存在萌发抑制物质.并且发现黄精种子成熟后期内源激素ABA含量升高,ABA具有诱导发育种子的休眠和抑制胚萌发的作用,因此黄精种子充分成熟后ABA含量升高也是导致黄精种子休眠的原因之一.很多研究结果表明,植物种子内源促进物和抑制物的平衡决定着种子的休眠萌发,其中ABA和GA是其中起关键作用的内源信号分子,ABA诱导种胚细胞分裂停止、启动并维持种子休眠,而GA启动和促进种子萌发,两者在调节种子休眠和萌发过程中存在相互拮抗的关系[29-30].Amen[31]也认为种子是否休眠取决于内源促抑物之间的平衡,当平衡有利于抑制时就产生休眠.
1.3 种胚发育状况与种子休眠的关系
由于胚的发育情况而造成种子休眠包括3 种情况,即胚的形态休眠、生理休眠和2 种方式同时存在所引起的综合休眠[32-33].胚的形态休眠是指种子形态已成熟但胚发育不完全造成的休眠,休眠胚萌发需要完成形态后熟[34].胚的生理休眠是指胚已经发育完成,但种子内相关有机物和植物激素等未转化完成,等积累种子萌发所需要的物质后才能萌发[35-37].张玉翠[38]研究表明,黄精种子属于同时存在形态、生理后熟的综合休眠.成熟果实中种子胚发育不完全,需要一段时间,胚的结构才能发育完善,且不同环境下胚完成形态后熟的时间也不一样.黄精种子属于淀粉性种子,在层积贮藏过程中可溶性蛋白质含量增加,粗脂肪、淀粉、可溶性糖含量、淀粉酶活性下降,进行自身组织分化与形态构建,同时为种子萌发做好准备.刚采摘的黄精种子可以通过层积、激素处理完成形态生理后熟,解除休眠.
1.4 综合因素
要确定植物种子的休眠到底是由何种原因造成,需要经过一系列的实验进行证明.目前的研究表明,黄精种子休眠是由其结构、内源激素以及胚的发育情况综合因素造成的.张跃进认为黄精种子种胚存在形态、生理后熟,其中生理后熟是黄精种子产生深休眠的主要原因,种皮、胚乳结构及萌发抑制物也导致黄精种子休眠[23].
2 打破黄精种子休眠的方法及其机制
2.1 机械处理
一些植物种子通过划伤种皮、切除部分胚乳基部等机械处理改变种皮的物理性质,能提高种子萌发率.试验发现黄精种子去除种皮或砂擦处理,反而导致短时间内便全部发霉腐烂的情况.说明黄精不能通过划伤种皮的方法促进种子萌发,但同时切除种皮和大量胚乳有助于种子萌发[38].
2.2 温水浸种处理
清水浸泡可以加速物质代谢,分解抑制物质,而温水能提高酶的活性,从而提高萌发率.朱伍凤[39]研究发现,种子经过一段时间贮藏,再通过温水浸种可显著促进黄精种子萌发,随着浸种温度升高,发芽率逐渐升高,40℃时达到最高值,温度过高可能导致种子失活.浸种时间与黄精种子发芽率也显著相关,随着浸种时间增加,发芽率表现先升高后降低,在30 h 达到最高值.一般用40℃温水浸种24~30 h,对促进黄精种子的萌发较有效.
2.3 层积处理
黄精种子休眠与其胚存在生理后熟有关.有研究表明通过低温层积处理可以促进种子胚的形态发育成熟,抑制物质被分解,脱落酸及赤霉素等激素含量平衡发生改变,相关酶的活力提高,淀粉等大分子物质发生转化等[40-42].所以通过低温层积储藏的方法有利于打破黄精种子的休眠,能够提高种子萌发率.朱伍凤[43]研究发现,在0~10℃沙藏条件下,黄精种子都能萌发,但处理温度与发芽率有相关性,在0℃沙藏处理下发芽率最高,达到67.78%,与其他处理比较高11.1%~20.0%.赵致等[44]研究认为,低温沙藏和冷冻沙藏处理能够帮助种子保留内部水分,有利于种胚后熟发育,提高种子活力,发芽快且整齐.而室内种子水分散失较快,导致后熟停滞,萌发率降低.试验表明低温沙藏更有利于黄精种子的萌发.王占红等[45]研究发现,黄精种子沙藏方式的不同将会影响黄精种子萌发率和发芽势,一是将采收的果实直接户外沙藏；二是通过发酵后清洗得到种子进行室外沙藏；三是把第一处理育苗前一个月拿出清水漂洗去皮获得种子再次沙藏；四是采收的果实在塑料袋内发酵10 天后于12 目筛子上揉搓后清水冲洗获得干净种子4℃沙藏,4 种处理均可打破休眠,其中发酵获得的种子户外沙藏发芽率最高.4个处理下都表现为可溶性糖和可溶性蛋白含量增加,淀粉与脂肪含量降低,说明贮藏物质在沙藏过程中不断地分解代谢,为黄精种子的萌发提供物质基础和能量准备.刘保才等[46]对多花黄精进行常温干燥贮藏、常温沙藏和4℃低温沙藏3 种处理,发现低温沙藏下发芽率最高达86.67%,且差异显著.
2.4 化学试剂处理
用化学溶液浸泡种子能改变种皮的结构,提高种皮透气性、透水性,使其软化、破裂,并提高氧气参与能力,对种皮较厚的种子效果明显[47-48].黄精宜用弱酸弱碱,如0.1% KMnO4、0.1% H2O2和1% CuSO4等化学试剂处理,促进种子萌发效果明显,而一些强酸强碱,不但不会促进黄精种子萌发,反而破坏其种子表皮结构,使种子发霉腐烂.水杨酸浸种对于提高种子的发芽势、发芽率及发芽的整齐度效果较好,尤其浓度为13.8 mg/L时,效果更明显.且壳聚糖浸种对黄精种子萌发具有促进作用[39].
2.5 激素处理
激素是植物内部微量信号分子,对植物的发育进程具有影响,其中GA3 是重要的植物生长调节激素,对种子萌发影响很大[49].GA3 处理能够替代低温后熟、干藏后熟作用,提高种子发芽率[50-51].黄精种子休眠与激素平衡有关,GA3、6-BA、乙烯等都对打破黄精种子休眠有效,其中GA3 和6-BA效果较好,促进种子萌发以及拮抗ABA的抑制效应.朱伍凤等[39]用GA3浸种处理黄精种子,浓度150 mg/L的GA3 浸种24 h 效果最好.与GA3 相比,6-BA提高发芽率效果较差,其中处理浓度100 mg/L 的6-BA能缩短出苗时间.张巧媚等[52].焦劼等[53] 使用100 mg/L 的IAA,300 mg/LETH、500 mg/L 的SNP处理24 h 也能提高黄精种子的发芽率、发芽势等.
2.6 萌发温度及光照条件
一般情况下种子不管在黑暗或是光照条件下都能萌发,但少数植物种子需要在有光的条件下才能萌发良好[54],而有些植物种子光则会抑制其萌发[55-56].黄精种子属于后者,更适合无光条件下进行萌发,这可能与种子自身生理及黄精种子喜阴凉的生物学特性相关[39].植物种子感受外界温度的变化并调节种子萌发的现象非常普遍,温度太高或太低都会抑制种子的萌发,只有处在长期进化适应的适合温度条件下种子萌发率才能提高.吴维春[57]认为黄精种子是中温型种子,目前的相关萌发实验中多采用25℃条件下萌发.
2.7 综合处理
在各种打破黄精种子休眠的方法中,单一的处理法在一定程度上提高了种子萌发率,其中层积处理对种子萌发最好.但实际的生产实践中,常结合多种处理方法来达到提高种子萌发率的目的.刘保财等[46]将4℃低温沙藏的多花黄精种子避光浸泡在不同浓度GA3 中3 h,结果表明发芽率都有提高,赤霉素浓度50 mg/L效果最好,发芽率从88.86%提高到了93.33%,并且种子层积后通过温水浸种发芽率也能得到提高.
3 展望
综上所述,黄精种子具有不同的休眠原因,主要有形态生理后熟、萌发抑制物质的存在等.关于黄精种子的休眠机制有了很多研究,并用相应的技术方法进行了处理.但黄精种子的休眠现象是一个比较复杂的生物学特性,需要研究者们付出更多的精力,找出种子休眠原因,探索出不同的合适的打破种子休眠的措施,促进中药材黄精得到更好的开发利用.未来的研究方向可以包括以下方面：（1）研究不同温度层积对打破黄精种子休眠的效果,找出打破休眠及种子贮藏的最适温度.（2）研究不同采收时期、不同采收部位的黄精种子休眠特性及萌发的差异,在实际生产中加以区分.（3）黄精种子是高含水量种子,水分影响种子内部代谢.研究不同含水量对种子休眠及萌发的影响,对种子采后处理及保存提供参考.
研究进展论文范文结:
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