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非深度生理休眠的落地梅种子的萌发行为



全 文 :收稿日期:2016-04-17
基金项目:重庆师范大学校级基金项目(编号:2011SLX 34);重庆市科委自然科学基金项目(编号:cstc 2013jcyjA 00002);重庆市教委科技项目
(编号:KJ 1400504)。
作者简介:田美华(1981—),女(苗族),助理研究员,研究方向:种子生理与进化生态学。
通讯作者:唐安军,E-mail:tanganjun@mail.kib.ac.cn。
非深度生理休眠的落地梅种子的萌发行为
田美华, 张有义, 杨永清, 唐安军
(重庆师范大学生命科学学院植物环境适应分子生物学重庆市重点实验室, 重庆401331)
摘 要:休眠是许多植物种子的一种重要的功能性状,但对许多观赏植物的种苗培育是十分不利的。为了查明落地梅种子
的休眠原因及萌发行为,本研究以我国特有的观赏植物落地梅(Lysimachia paridiformis)的种子为材料,充分分析了低温
层积和赤霉素溶液在休眠解除中的效果,比较了光照和黑暗下的种子萌发行为。结果表明:落地梅种子的休眠是非深度生
理休眠,且是光中性。90d或120d的低温层积(4℃)能有效地打破休眠;在20℃/10℃且光照的条件下,其萌发率分别为
77%和75%。此外,赤霉素(GA3)溶液能促进种子萌发,其中500mg/L的GA3 能将种子的萌发率从20%提高到71%。无
论是在光照下,还是在黑暗中,非休眠的落地梅种子表现出非常明显的萌发温度偏好,以20℃/10℃为最佳。
关键词: 落地梅;冷层积;非深度生理休眠;光中性种子
DOI编码: 10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.09.032
中图分类号: S 567.23+9   文献标志码: A   文章编号: 1001-4705(2016)09-0032-05
Dormant Characteristics and Germination Behavior in Ornamental
Lysimachia paridiformis Seeds
TIAN Meihua,ZHANG Youyi,YANG Yongqing,TANG Anjun
(Chongqing Key Laboratory of Molecular Biology of Plant Environmental Adaptations,
Colege of Life Sciences,Chongqing Normal University,Chongqing 401331,China)
Abstract:Dormancy is an important functional trait for many plant species;however,it is unwelcome
for propagating seedling by seeds of ornamental species in practice.To reveal the reasons of seed
dormancy and germination behavior,we firstly used ornamental Lysimachia paridiformis seeds as
experimental materials,and fuly investigated effects of cold stratification(4℃)and application of
GA3solutions on dormancy release,and also compared seed germination behavior of non-dormant
seeds in both light and dark.The data indicated that the seeds of L.paridiformis were non-deep physi-
ologicaly dormant and non-photoblastic.Moreover,the non-deep physiological dormancy could be
broken by cold stratification at 4℃.After being cold stratified for 90dor 120d,the seeds that were
released from dormancy were able to germinate wel to 77%and 75%at 20℃/10℃in light,respec-
tively.Moreover,application of GA3solutions obviously promoted seed germination of this species.For
example,500mg/L GA3enhanced the final germination percentage from 20%to 71%.Also,the seeds
released from dormancy were highly temperature-dependent for germination whether light existed or
not.Among a few temperatures applied,20℃/10℃ was optimal to germination(77%)in light.
Key words: Lysimachia paridiformis;cold stratification;Non-deep physiological dormancy;
Non-photoblastic seeds
  落地梅(Lysimachia paridiformis Franch.)是我
国特有的植物,又称重楼排草、四块瓦、四儿风,隶属报
春花科(Primulaceae),系多年生的矮小草本植物,主
要分布于四川、重庆、贵州、湖北和湖南等地的林下湿
润处,垂直分布的海拔为300~1 400m[1]。目前,除了
药用外,该植物亦具有良好的观赏价值,正被广泛栽植
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于公园和城市绿地。调查发现,在重庆、四川、湖南和
广东等省区,野生资源已难以满足市场日益增长的需
求,因而人工培育种苗已被提上日程。在野外,尽管该
植物能通过根蘖的方式产生无性系后代,但其效率十
分低下。但该植物可产生大量的种子。倘若能高效地
利用种子培育种苗,不仅可以深化理解自然种群的有
性更新特性,又能为景观建设提供大量的种苗。遗憾
的是,尚未查阅到有关落地梅种子育苗的研究报道。
所以,亟需研究落地梅的种子特性,为建立有效的人工
繁育种苗的方法和技术提供理论参考。
在重庆和四川对该植物种群进行野外调查时发
现,海拔为391~1 219m之间的落地梅主要以无性繁
殖的方式拓展种群;成熟的种子散落于7—9月份,而
出苗于翌年的3—4月份,而且野外的幼苗十分稀少。
由于资料的缺乏,至今亦不能客观地解释幼苗缺失的
情形。研究表明,诸多植物类群尤其是濒危植物缺失
幼苗的关键原因是种子转化为幼苗的过程受阻[2]。种
子难以转化为幼苗的原因实际上是复杂多样的,不仅
与种子的质量及生理特性相关(如休眠),也与环境因
子的作用有关(如干旱或高温胁迫)。在报春花科中,
分布于温带的一些种类所产生的种子是休眠的。例
如,Washitani和 Kabaya发现,新采集的 Primula
sieboldii种子在8~40℃之间的多个恒温下均不能萌
发,但经8~12周的冷层积(2℃)处理能打破其休
眠[4]。类似地,Shimono和 Washitani发现,Primula
modesta的种子是休眠的,1个月的冷层积(4℃)处理
能有效地解除其休眠[3]。此外,Rayburn等发现,长时
间(270d)的冷处理(1~2℃)能促进冷藏1~2年的
Primula cusickiana var.maguirei的种子达到55.8%
的萌发率,而且,冷处理过的种子的光敏性增强[5]。此
外,钟 花 报 春 (Primula sikkinensis)和 岩 生 报 春
(Primula saxatilis)的种子是休眠的,而且被低温解
除休眠的种子具有强烈的萌发温度偏好[6-7]。越来越多
的研究表明,亲缘关系较近的类群在种子更新方面常存
在一些相似的特性[8-10]。鉴于此,假设落地梅种子是休
眠的,且能被特定的冷层积打破。为了检验假设是否成
立以及建立有效的种苗培育方法,分析了落地梅种子的
休眠特性以及温度和光照对种子萌发的影响。
1 材料与方法
1.1 种子的采集与处理
2012年8月9—11日,在重庆缙云山采集了大量
成熟的落地梅种子。将采集的种子带回实验室,用浮
选法除去明显空瘪的种子;洗净后晾干,然后装入牛皮
纸袋,存放于10℃的恒温箱。
1.2 新鲜种子的萌发试验
将新采集的种子先用蒸馏水浸泡12h,然后用
1%的次氯酸钠溶液消毒10min。在直径为9cm的玻
璃培养皿内放置2层滤纸,然后加入10mL蒸馏水;
将表面消毒的25粒种子点播于滤纸上,4个重复。萌
发温度分别是5个恒温(10,15,20,25,30℃)和2个
变温(20℃/10℃与25℃/15℃),光周期为12h/d,光
照强度约40μmol/(m·s)。萌发持续时间30d。以胚
根突破种皮且伸长至少1mm 作为萌发的标准(下
同)。
1.3 种子的低温层积与干藏处理
在直径为15cm的玻璃培养皿中,铺2层滤纸,加
入16mL的灭菌水充分润湿滤纸,然后在滤纸上放置
200粒种子,8个重复。最后,将所有培养皿放于4℃
且黑暗的条件下进行低温层积。在层积过程中,每隔
30d将2个培养皿中的所有种子取出,按照1.2所述
的操作方法进行萌发检测,萌发温度分别为10℃、
20℃、20℃/10℃以及25℃/15℃。
种子的干藏实验,具体操作为:取6个容量为50
mL的塑料冻存管(直径约3cm),分别加入400粒种
子(含水量约9.2%),然后加盖,并在盖的中央打1小
孔(直径约2mm)以便透气。最后,将上述3个塑料管
分别保存于20℃、30℃和30℃/20℃(白天/黑夜)。
在保存过程中,分别于第60天、第90天、第120天和
第150天各取100粒,进行萌发检测,其操作方法如
1.2所述,其萌发温度分别为10℃、20℃、20℃/10℃
以及25℃/15℃。
1.4 赤霉素溶液处理
先配置浓度分别为50,100,200,500mg/L 和
1 000mg/L的GA3 溶液,然后分别取上述溶液20mL
浸泡100粒种子,48h后用灭菌的蒸馏水冲洗种子3
次。随后进行常规的萌发检测(见上述1.2),其萌发温
度为20℃/10℃。
1.5 光照对种子萌发的影响
将低温层积90d的种子分别放在光照和黑暗下
进行萌发检测。周期性光照(12h/d)的强度约40
μmol/(m·s)。同时,进行如下黑暗处理:将萌发的培
养皿用2层锡箔纸包裹,遮光,然后与其他照光组一同
放入光照培养箱。在培养皿内0.8%的琼脂糖表面,均
一地放置经消毒的种子25粒,4个重复。萌发温度分
别是15℃、20℃/10℃和25℃/15℃。在30d后结
束此实验时,解开包裹的锡箔纸,计数萌发的种子。
1.6 数据统计分析
种子最终萌发率(%)均为4个重复的平均值±标
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研究报告  田美华 等:非深度生理休眠的落地梅种子的萌发行为
准误(SD);对不同温度或赤霉素溶液处理后的萌发
率,进行单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小
显著差异法比较(p=0.05),以此评价处理因子的作用
效应。
2 结果与分析
2.1 新鲜落地梅种子的萌发率
在7个温度(10、15、20、25、30、20℃/10℃和25
℃/15℃)下,新采集的落地梅种子的萌发率≤20%,
以25℃/15℃的萌发率为最高(20%),其次是20℃/
10℃(19%)(图1)。这些结果表明,新鲜的落地梅种
子在给定的检测条件下难以萌发。
图1 新鲜的落地梅种子在不同温度下的萌发率
2.2 赤霉素溶液(GA3)处理对种子萌发的影响
低浓度的赤霉素(GA3)溶液(50、100mg/L和
200mg/L)对种子萌发的促进作用较小(≤39%),而
500mg/L的GA3 溶液能显著地促进种子萌发(71%)
(图2)。但是,当浓度进一步增加到1 000mg/L时,
落地梅种子的萌发率为64%,这说明 GA3 溶液对落
地梅种子的促进作用具有明显的剂量效应,而且存在
作用最大化的适宜浓度。
图2 赤霉素溶液对落地梅种子萌发的影响
2.3 低温层积和干藏对种子萌发的影响
经过低温层积(4℃)处理的种子,在4个萌发温
度下,表现出非常明显的差异(p<0.05)(图3)。由图
3可知,在20℃/10℃下,种子的萌发率最高,而10℃
能强烈抑制萌发。当低温处理90d后,种子能达到较
高的萌发率(77%)(图3)。随着冷处理时间的进一步
延长(如120d),种子萌发率未发生明显变化(p>
0.05)。这意味着适当的低温层积非常有利于后续的
种子萌发,且具有明显的萌发温度偏好。
  相反,干藏的种子经过30、60、90d和120d后,在
试验的温度下都不能顺利萌发(<20%)(图4)。这意
味着,在干藏中种子未能获得较高的萌发力。
图3 经低温层积(4℃)不同时间后的落地梅
种子在不同温度下的萌发率(%)
图4 室温贮藏不同时间的落地梅种子
在不同温度下的萌发率(%)
2.4 光照对种子萌发的影响
图5 低温层积90d的落地梅种子在光照与黑暗下的萌发率
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  在相同的温度下,低温层积90d的种子在光照和
黑暗中的萌发率之间没有明显的差异(p>0.05)。无
论是在光照下,还是在黑暗下,20℃/10℃最有利于萌
发,其次是25℃/15℃(图5)。这说明落地梅种子在
缺乏光的条件下仍能较好地萌发,而且光照对种子萌
发没有明显的促进作用。
3 讨 论
在实验条件下,新成熟的落地梅种子在多个温度
下的萌发率都非常低(图1)。而且,在干藏过程中,即
使干藏120d,种子的萌发力也未明显提升(图4)。然
而,外施500mg/L的赤霉素溶液(GA3)能有效地促
进其萌发(图2)。而且,在冷层积(4℃)90d和120d
后,种子的萌发率分别达到了77%和75%(图3)。
Vleeshouwers认为,种子休眠是种子的一种特性,而
且其休眠程度对其萌发条件的需求进行了内在界
定[8]。后来,Baskin和Baskin重新定义了种子休眠的
概念———成熟有活力的种子在适宜的环境中不萌发的
现象,称之为休眠;同时,将种子休眠分为物理休眠、形
态休眠、生理休眠、形态生理休眠和复合休眠五大类,
并依据胚的发育程度和打破休眠的条件,包括种子对
GA3 溶液的敏感性和冷(暖)层积解除休眠的时间长
度,构建了一个休眠分类的等级系统[9]。在这里,依据
种子休眠的划分依据和落地梅的萌发特性,我们认为
落地梅种子是非深度生理休眠的。
毋庸置疑,落地梅种子的休眠是在成熟脱落时就
已存在,而不是环境诱导产生的(次级休眠或诱导休
眠)。也就是说,落地梅的种子休眠是初生性的,是在
种子发育过程形成的。然而,落地梅种子的非深度生
理休眠在干藏过程中没有被解除,即种子没有完成后
熟。种子后熟是指在干燥的条件下由于其生理生化的
变化而导致种子休眠解除的现象[11]。譬如,非深度生
理休 眠 的 拟 南 芥 (Arabidopsis thaliana)和 水 稻
(Oryza sativa)的种子在室温干藏过程中就能迅速脱
离休眠的状态[12-13]。这暗示落地梅种子与拟南芥和水
稻等种子在休眠特性方面存在较大的差异。这意味
着,在实践中,不能用干藏的方式打破落地梅种子的非
深度生理休眠。当然,在本研究中,落地梅种子在特定
的条件下未能完成后熟的现象可能受实验使用的温
度、干藏时间、种子含水量以及光照条件等因素的制
约,这尚需进一步分析才能揭示其本质。
经冷层积(4℃)或GA3 溶液处理后,落地梅种子
能在20℃/10℃下顺利萌发,但不能在10℃和20℃
等温度下顺利萌发(图2,图3)。这表明非休眠的落地
梅种子具有明显的萌发温度偏好。事实上,温度不仅
能调控种子休眠状态的变化,也直接影响种子的萌发
行为[14]。譬如,岩生报春(P.saxatilis)种子的适宜萌
发温度为20~25℃[7];在光照下,小花报春(Primula
forbesii)种子在15℃时的萌发率为58%,在25℃和
28℃时的萌发率分别为69%和70%[15]。在黑暗中,
胭脂花(Primula maximowiofi)种子在20℃时的萌
发率(98.3%)显著地高于其他温度(15℃,41.9%;25
℃,57.1%)下的萌发率[6]。在光下或黑暗中,四季报
春(Primula obconica)种子适宜的萌发温度范围为
15~28℃[16]。在光照中,岩生报春(Primula saxatilis)
种子的萌发适宜温度为20~25℃[7]。不仅报春花科
植物的种子有着特定的适宜的萌发温度或萌发温度范
围,其他种子植物亦如此[14,17-18]。从生态学的观点看,
萌发行为的温度偏好性可能是植物长期适应其生境而
进化的结果[19]。事实上,在解除休眠后,种子在适宜
的环境中萌发,能确保幼苗免受高温或低温等逆境伤
害。而且,这样的温度选择性常与降雨发生的时间密
切相关[11,14]。在本研究中,落地梅种子萌发的最适温
度是20℃/10℃,其次是25℃/15℃,而20℃和10℃
对种子萌发有明显的抑制效应(图1,图3,图4)。比
较而言,变温更有利于非休眠的落地梅种子的萌发。
这种特殊的萌发温度生态位在一定程度上反映了该物
种的生态适应性。在重庆缙云山,我们发现有少量的
落地梅幼苗出现于3月中旬至4月初,此时段生境的
平均温度约18.3℃。在秋季或冬季,虽然某一时段的
温度适于萌发,但由于种子处于休眠状态而难以转化
成幼苗。
除了温度之外,光在种子萌发和植物形态建成中
也起着重要作用。光对种子休眠的影响因植物种类而
异。具有正常活力的种子因光照条件的限制而不萌发
的现象,称之为光休眠(photodormancy)。由于光的
存在而缩短或解除休眠的种子,称为喜光性种子或需
光性种子(light-favored seeds),如水浮莲(Pistias
tratiotes)的种子[20]和拟南芥(A.thaliana)的种子[21]。
相反,因为光的存在而诱导休眠的种子,称为光抑制性
种子(light-inhibited seeds);还有一些种子不会因为
光照条件的变化而改变萌发行为,这些称之为光中性
种子(non-photoblastic seeds)[22]。据报道,报春花科
的种子对光照的反应是多样的,例如,光照对P.mode-
sta[4]、岩生报春(P.saxatilis)[7]等植物种子的萌发有
促进作用,而小报春(Primula forbesii)[15]、四季报
春[16]以及钟花报春(Primula sikkinesis)[23]等种类的
种子对光照不敏感。在本研究中,一旦温度适宜,低温
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研究报告  田美华 等:非深度生理休眠的落地梅种子的萌发行为
层积90d的落地梅种子在光下和黑暗中就能较好地
萌发(图5)。这表明非休眠的落地梅种子是光中性
的。由此推知,只要水热条件适宜,非休眠的落地梅种
子将会萌发。当然,在野外复杂的环境条件下,影响非
休眠种子萌发的因素是多样的,一旦种子错过了最佳
的萌发窗口,则难以萌发;即使能够萌发,其幼苗也会
因逆境胁迫而难以建成。
综上所述,观赏植物落地梅所产生的种子是非深
度生理休眠的,且是光中性的。在实践中,可以通过低
温层积或外施500mg/L的 GA3 溶液打破休眠。此
外,变温20℃/10℃非常适合落地梅种子萌发。因
此,在育苗过程中,施加GA3 溶液处理已经冷层积处
理一段时间(如90d)的种子,将能更有效地加速种苗
的培育。
参考文献:
[1]陈封怀,胡启明.报春花科(《中国植物志》第59卷第1分册)
[M].北京:科学出版社,1989:76-77.
[2]王迎春,杨持.物种生活史策略的研究现状[J].内蒙古大学
学报(自然科学版),2001,32(1):112-118.
[3]Shimono A,Washitani I.Seedling emergence patterns and
dormancy/germination physiology of Primula modesta in a
subalpine region[J].Ecological Research,2004,19:541-551.
[4]Washitani I,Kabaya H.Germination responses to tempera-
ture responsible for the seedling emergence seasonality of
Primula sieboldi E[J].Morren in its nature habitat.Ecologi-
cal Research,1988,3:9-20.
[5]Rayburn A,Davidson JB,Schupp EW.Effects of storage
time,site and floral morph on seed germination of the
threatened distylous primrose Primula cusickiana var.
maguirei[J].Plant Species Biology,2013,28:101-108.
[6]薄伟,杨晓盆.胭脂花种子发芽生物学特性研究[J].山西农
业大学学报(自然科学版),2009,29(5):415-418.
[7]董玲玲,潘会堂,张启翔,等.岩生报春种子萌发特性研究
[J].种子,2010,29(5):75-77.
[8]Vleeshouwers LM,Bouwmeester HJ,Karssen CM.Redefin-
ing seed dormancy:an attempt to integrate physiology and
ecology[J].Journal of Ecology,1995,83:1 031-1 037.
[9]Baskin JM,Baskin CC.A classification system for seed
dormancy[J].Seed Science Research,14:1-16.
[10]Baskin CC,Chen SY,Chien CT,et al.Overview of seed dor-
mancy in Viburnum (Caprifoliaceae)[J].Propagation of
Ornamental Plants,2009,9(3):115-121.
[11]Probert RJ.The role of temperature in seed dormancy and
germination.Seeds:The Ecology of Regeneration in Plant
Communities(Fenner M,eds.,2nd edition)[M].Uk,Wal-
ingford,CAB International,2000,261-292.
[12]Footitt S,Douterelo-Soler,Clay H,et al.Dormancy cycling
in Arabidopsis seeds is controled by seasonaly distinct
hormone-signaling pathways[J].PNAS,2011,108(50):
20 236-20 241.
[13]Itoh J,Nonomura KI,Ikeda K,et al.Rice plant develop-
ment:from zygote to spikelet[J].Plant and Cel Physiolo-
gy,2005,46(1),23-47.
[14]Baskin CC,Baskin JM.Seeds:Ecology,Biogeography,and
Evolution of Dormancy and Germination(second edition).
London,Academic Press/Elsevier,2014.
[15]张晓曼,孙晓光,张启翔.小报春种子萌芽生物学特性的研
究[J].河北农业大学学报,2005,28(4):58-60.
[16]张晓曼,孙晓光,杜绍华,等.四季报春花萌芽生物学特喜
性研究[J].西北林学院学报,2009,24(5):85-87.
[17]Bewley JD,Black M.Seeds:Physiology of Development and
Germination (2nd edition).New York,Plenum Press,
1994.
[18]唐安军.中国特有植物凹叶木兰种子的休眠与贮藏行为
[J].植物生理学报,2014,50(1):105-110.
[19]Kitajima K,Fenner M.Ecology of seedling regeneration.
Seeds:The Ecology of Regeneration in Plant Communities
(Fenner M,eds.,2nd edition).Uk,Walingford,CAB In-
ternational,2000,331-359.
[20]傅家瑞.大薸种子中依稀和喜光休眠间的关系[J].植物生
理学报,1985,11:58-65.
[21]Baskin JM,Baskin CC.Ecological life-cycle and physiolog-
ical ecology of seed germination of Arabidopsis thaliana
[J].Canadian Journal of Botany,1972,50:353-360.
[22]唐安军,龙春林.种子的休眠及其控制[M]//宋松泉,程红
焱,姜孝成,等.种子生物学.北京:科学出版社,2008:224-
242.
[23]蔡艳飞,李世锋,李树发,等.钟花报春种子萌发生物学特
性研究[J].西南农业学报,2010,23(1):280-281.

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