徐 剑, 杨 帆,2, 孙正海
(1.云南省观赏草集成利用国际联合研发中心/云南省高效经济林培育示范型国际科技合作基地/云南省面向南亚东南亚经济林全产业链联合研发中心/西南林业大学园林园艺学院, 昆明 650224;2.云南省科学技术院, 昆明 650228)
喀西茄(Solanumaculeatissimum)为茄科(Solanaceae)茄属(Solanum)有刺小灌木,又名两面刺、紫花茄等,主要分布于我国西南、华南等中低海拔地区,常成片丛生于田边、荒地中[1-2]。喀西茄是一种重要的民族药,被彝族、傣族、哈尼族等民族认可,被多个药典收录(如《滇南本草》等),其主要药用功能为杀菌、消炎、止疼等[3]。喀西茄除本身具有较高的药用价值外,还具有一定的抗虫抗病性,亦是一种重要的抗病虫茄子资源[4-5]。此外,有研究证实,喀西茄对重金属有一定的富集能力[6]。
种子是高等植物繁殖更新的起点,种子萌发是植物的生长发育过程的关键一环[7-8]。种子预处理是提高种子萌发率的重要处理方式,对种子萌发和幼苗生长具有重要影响。在生产中往往根据植物种子特性对其进行不同方式的预处理,以期有效促进种子发芽成苗,提高种子抗性及产量。种子预处理技术经过悠久的发展历程,主要包括物理方法、化学方法和生物方法三大类,从传统的机械破壳、沙埋等方式发展成如今实践生产常用的超声波处理、外源激素处理、无机溶液处理等[9]。目前,多种预处理方法已被育种工作者在观赏花卉、林木和中草药等多种植物种子萌发的研究中应用。热击和微波处理可显著提高大豆种子可溶性糖含量,同时抑制电解质渗漏,进而有效促进种子萌发[10]。基于转录自组测序技术探究超声波预处理对小麦种子萌发和活力的影响,研究结果表明,超声波处理对小麦种子的氧化还原过程、碳水化合物代谢过程有着显著影响[11]。兰香草种子萌发的适宜温度为20～25 ℃,一定的低温和高温均会抑制种子萌发,通过赤霉素处理可有效缓解温度带来的抑制作用,发芽率可达70%～90%[12]。
喀西茄人工标准化种植,需要掌握其种子萌发情况以及不同预处理对其种子萌发的影响。但由于喀西茄多为野生种,种子成熟度不一致,导致种子发芽率不高,成为限制喀西茄人工培育的瓶颈,目前尚未见人工驯化及培育的相关报道,因此,本研究以喀西茄为研究对象,通过分析干湿处理、热击处理、硝酸钾溶液处理、氯化钙处理、超声波处理和赤霉素溶液处理共6种预处理对喀西茄种子萌发、种子形态和生理指标的影响,以及不同浓度S-诱抗素处理对喀西茄幼苗生长的促进作用,旨在筛选喀西茄种子萌发的最佳预处理方法及适宜喀西茄幼苗生长的最佳S-诱抗素浓度,为喀西茄引种驯化及人工高效培育提供理论依据和实践指导。
1.1 试验材料
喀西茄试验材料采集于云南省昆明市海口林场。成熟果实采集后晾干、去除果皮备用。
1.2 试验方法
1.2.1不同预处理对喀西茄种子萌发的影响
采取6种不同的预处理方式处理喀西茄种子,每处理30粒种子(表1),重复3次,全部预处理结束将种子置于垫有两层滤纸的培养皿中,置于培养箱中催芽,培养箱温度32 ℃,湿度85%。
表1 喀西茄种子6因子18处理设计
1.2.2不同浓度S-诱抗素处理对喀西茄幼苗生长的影响
本试验种子预处理方式为干湿处理2次,具体处理方式参照2.2.1方法与步骤,并设置3个水平的S-诱抗素进行试验,浓度分别为1.50 mL/L、2.0 mL/L和2.50 mL/L,分别标记为S150、S200和S250,以清水处理作对照。将试验种子用不同浓度S-诱抗素浸泡24 h,用清水冲洗20 min后置于温度32 ℃、湿度75%的恒温箱中催芽24 h。后采用32孔穴盘播种。每个处理30粒种子,3次重复。
1.3 统计学指标与生理指标测定
1.3.1种子萌发指标测定
每天观察发芽种子数量。计算发芽系数、发芽指数、活力指数、平均发芽天数和发芽率,统计时3个重复求平均值。参考孙学荣[13]的方法,测定POD(Peroxidase,POD)、CAT(Catalase,CAT)活性和根系活力,测定时,每个重复选取5粒,3个重复15粒测定结果的平均值作为该指标的最终测定值。
1.3.2幼苗生长指标测定
苗高、茎粗、主根长和主根粗均选取每一重复里长势最好的一株测定,播种后20 d、30 d和40 d分别测一次;POD和CAT活性,均采用第2片真叶,测定时间亦是在播种后40 d;根系活力测定在播种后40 d,测定标准同上。
1.4 试验数据处理
利用Office软件(2013版)和SPSS17.0软件统计试验数据并进行相关分析。
2.1 喀西茄不同预处理方式统计学分析
试验结果如表2所示。基于6种不同预处理方式,喀西茄种子各项萌发指标均优于对照组,不同预处理方式之间存在较显著差异。其中A2处理(干湿处理2次)效果最佳,除平均发芽天数外,其他指标均为最优值,发芽率为97%、发芽指数为6.43、发芽系数为33.42、平均发芽天数为4 d、活力指数为14.18,且可最大限度地缩短喀西茄平均发芽天数,其次为D1处理。即干湿处理和1%氯化钙溶液处理可有效打破喀西茄种子休眠特性,提高其发芽率。此外,从各项指标来看,在超声波预处理中,E2处理(10 min)虽优于对照组处理,但在所有预处理中效果最差,发芽指数仅为5.98,且平均发芽天数最长。由此表明,合理的处理时间对喀西茄种子的萌发具有一定的促进作用。
表2 喀西茄种子6因子18处理统计学结果
2.2 6种预处理对喀西茄种子生理指标的影响
POD活性、CAT活性和根系活力在种子萌发过程中起着至关重要的作用,也是评价种子萌发效果的重要生理指标。喀西茄6种不同预处理方式生理指标测定结果见表3。不同处理后喀西茄种子POD活性、CAT活性和根系活力差异显著且全部高于对照组。其中,经A2处理后,喀西茄各项生理指标最高,POD活性、CAT活性和根系活力分别为82.52 U/(g·min)、182.39 U/(g·min)和84.78 μg/(g·h),其次为D1处理。在根系活力测定上,E3处理的促进作用仅次于A2处理和D1处理,根系活力可达82.78 μg/(g·h)。此外,C3处理可显著提高种子的POD活性,为82.07 U/(g·min),而B3处理则提高了种子的CAT活性,有效促进种子的萌发。
表3 喀西茄种子6因子18处理生理指标结果
3.1 S-诱抗素对喀西茄幼苗形态指标的影响
在探索和优化了喀西茄种子萌发最佳预处理方式之后,本研究选用不同浓度的S-诱抗素处理,探究其对喀西茄幼苗生长的影响。如表4和表5所示,不同浓度S-诱抗素处理对喀西茄幼苗各项形态指标产生不同的影响结果,与对照组相比,各处理组幼苗的苗高、茎粗、主根长等形态指标均显著高于对照组。分析数据后显示,在20 d、30 d和40 d时,3个水平浓度处理中,S200处理效果最优,喀西茄幼苗的苗高、茎粗、主根长和主根粗均为最大值,S250处理组次之,S150处理组最低。如喀西茄幼苗种植40 d时,S200处理的苗高、茎粗、主根长和主根粗分别为93.54 mm、2.01 mm、42.31 mm和1.01 mm,显著高于对照组和S150处理组。随着S-诱抗素浓度的增加,喀西茄幼苗生长形态指标也随之增大,当处理为S250时,各项形态指标有所下降,但也显著优于对照组和S150处理组。由此可知,一定浓度的S-诱抗素处理对喀西茄幼苗生长具有显著促进作用,而高浓度的S-诱抗素则在一定程度上抑制了其幼苗的生长发育。
表4 不同浓度S-诱抗素处理对喀西茄幼苗苗高和茎粗的影响
表5 不同浓度S-诱抗素处理对喀西茄幼苗主根长和主根粗的影响
3.2 S-诱抗素对喀西茄幼苗生理指标的影响
不同浓度S-诱抗素处理对喀西茄幼苗POD、CAT和根系活力的影响见表6。在S200处理组中,喀西茄幼苗的各项生理指标最优,POD、CAT和根系活力分别达到139.46 U/(g·min)、265.49 U/(g·min)、140.98 U/(g·min);S250处理组效果其次,各项生理指标略低于S200处理组,但上述两个处理组在POD、CAT和根系活力方面均显著优于S150处理组和对照组。综上,本研究中,不同浓度S-诱抗素处理喀西茄幼苗生长发育情况为:S200>S250>S150>ck,科学合理的S-诱抗素浓度处理对培育健壮、无病虫害的喀西茄幼苗具有一定的促进作用。
表6 S-诱抗素处理对喀西茄幼苗POD、CAT和根系活力的影响
随着喀西茄的优质的抗病虫特性和药用价值的挖掘,野生种质资源的保有量难以满足市场需求,人工播种育苗是最简单科学的途径之一。然而,野生的喀西茄种子通常成熟度不一致,且种皮坚硬厚实,透水透气性不佳,表明光滑具蜡质特性,成为限制喀西茄人工培育的瓶颈问题[14]。因此,本研究采用不同方法对喀西茄种子进行预处理试验,发现不同的预处理方式处理效果不一致,同一种预处理方式不同的处理条件,效果亦不同。研究结果显示,干湿处理、氯化钙溶液处理等方法均可有效促进喀西茄种子的萌发,如发芽指数、发芽率等系数均显著优于对照组处理,其中干湿处理效果最佳。郝海坤等[15]研究表明,干湿处理不仅可以有效增加植物种子中束缚水的含量,同时提高胶体亲水性和蛋白质的凝固温度,改善种子的活力和衰老程度,从而促进种子的萌发。刺玫蔷薇种子也具有深度休眠的特性,因此,相关研究者基于干湿预处理方法,探究高效便捷的解除刺玫蔷薇种子休眠的方法,研究结果表明,干湿处理有助于打破种子的休眠,提高发芽率。目前,干湿预处理方法已被应用于其他植物,如油松[13]、白皮松[17]和烟草[18]等种子播前预处理工作中。
种子的萌发不仅受各种环境因素的影响,还与多种内在生理活性物质有关,如过氧化物酶、过氧化氢酶、根系活力等均对种子的萌发及幼苗的生长有很大影响[19-20]。通过喀西茄种子萌发和幼苗生长的试验可知,除干湿处理外,氯化钙溶液处理和S-诱抗素(过氧化氢)处理均可显著提高种子及幼苗体内的POD、CAT等活性。绿色植物体内的POD和CAT作为抗氧化组织的重要组成部分,可有效抑制活性氧在体内积累,消灭超氧阴离子自由基,降低细胞膜系统手上等[21-22]。有相关研究指出,植物体内POD和CAT活性越高,植物种子及幼苗的活力越高,抗逆性得到显著提高[23-24]。在其他植物的研究中,如赵东兴等[25]以马槟榔种子为材料,用过氧化氢浸种,发芽率可达93%,且出苗整齐健壮,该处理方法可显著促进马槟榔种子萌发和幼苗生长。在探究不同温度对油樟种子生理及萌发的研究中,赵鑫等[26]发现,经低温处理后,油樟种子体内POD和CAT活性显著增高,抑制了O2-·和H2O2积累,能够有效保持种子的活性。结合分析本研究结果可知,POD、CAT和根系活力越高的处理组(干湿处理2次和1%氯化钙溶液处理12 h),该组的种子萌发率、发芽指数、活力指数等系数及幼苗的形态指标越高,这与上述多项研究论点相符。由此可知,喀西茄种子及幼苗体内的POD和CAT活性指数越高,其自身的生长发育情况越优。
本试验分别采用干湿处理、热击处理、硝酸钾溶液处理和氯化钙处理等6种方式对促进喀西茄种子萌发进行预处理及采用不同浓度的S-诱抗素浸泡后培育幼苗,通过分析种子和幼苗的发芽率、发芽指数、形态和生理等指标,试验结果表明,在种子萌发预处理试验中,干湿处理2次(D2)能够显著提高喀西茄种子的萌发力和活力,提高种子萌发过程中各项形态及生理指标;经浓度为2.0 mL/L的S-诱抗素(S200)处理后的喀西茄幼苗,在苗高、茎粗、主根长、主根粗、POD活性、CAT活性和根系活力方面均达到最大值,该处理方法可有效促进喀西茄幼苗的生长发育。综上所述,本研究通过分析不同预处理对喀西茄种子萌发及幼苗生长的影响,探索喀西茄种子萌发及培育幼苗的最佳处理方法。研究结果可为喀西茄标准化人工育苗及高效培育提供了一定的理论依据和科学指导,为进一步喀西茄商品化开发利用奠定基础。
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