全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2016, 52 (2): 225–233　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2015.0494 225
收稿 2015-09-21　　修定 2016-01-26
资助 重庆市科委科技项目(cstc2013jcyjA00002)、重庆市教
委科技项目(KJ1400504)和重庆师范大学校级科技项目
(2011SLX34)。
* 通讯作者(E-mail: tanganjun@mail.kib.ac.cn)。
苏铁种子的脱水敏感性及温湿条件对种子后熟的影响
田美华, 赵正武, 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: 本文分析了贮藏温度和介质水分对苏铁种子后熟的影响及种子的脱水耐性。结果表明, 种子是透水的, 新成熟的苏
铁种子的胚很小(3.45 mm), 胚的长度/种子长度之比值(E:S)约是0.089。在适宜的条件下, 胚能继续发育和生长, 其子叶胚
在萌发时的临界长度约16.38 mm。由此得知, 苏铁种子是形态休眠的。另外, 苏铁种子对干燥脱水十分敏感, 是顽拗性的,
一旦严重失水就会劣变, 甚至死亡。在冷层积(4°C)时, 75%的介质含水量比50%和25%的介质含水量更有利于胚的后熟。
而且, 在室温下, 长时间的干藏和水藏都容易导致种子死亡。所以, 保持湿润是保存苏铁种子的关键。此外, 施用GA3溶液
(500 mg·L-1)处理可以加速冷层积种子的胚的发育, 缩短解除休眠的时间。
关键词: 种子繁殖; 层积; 未成熟胚; 形态休眠; 顽拗性种子; 苏铁
苏铁俗称铁树, 隶属裸子植物苏铁科(Cycada-
ceae), 具有优良的观赏价值、重要的生态价值以
及科研价值, 是现存于地球上最原始的种子植物
之一。由于野生苏铁(广义的苏铁类植物)分布狭
窄, 资源量极少, 且遭受着多重因素的致危作用,
因此, 被称之为“活化石”的野生苏铁类植物被列为
国家一级重点保护植物(http://www.gov.cn/gong-
bao/content/2000/content_60072.htm), 拯救和保护
极度濒危的苏铁已刻不容缓。
在野外, 种子发育时的环境条件能深刻地影
响种子特性, 而且, 传播后的环境对种子内在的生
理生化变化和命运(死亡或萌发成幼苗)也起着至
关重要的作用(Shimono和Washitani 2004; Baskin和
Baskin 2014)。当种子脱落后, 非休眠的种子或在
适宜的环境中萌发, 或因逆境作用(如高温)而诱发
次级休眠, 或由于环境胁迫而劣变, 甚至死亡; 同
样, 成熟脱落的休眠的种子或进入土壤种子库, 逐
渐解除休眠, 然后在适宜的时空下萌发; 抑或被动
物取食; 抑或在环境胁迫中逐渐劣变而失去活力
(Haper 1977; Gutterman 2000)。大量的研究已经证
明, 种子采集后的贮藏环境对种子性能的维持或
改变有着极大的正(或负)作用(Roberts 1973; Hong
和Ellis 1996; Baskin和Baskin 2014)。譬如, 低温层
积(0~10°C)可以促进许多具有形态生理休眠的种
子的胚的发育(后熟) (Vandlook等2007; Baskin和
Baskin 2004)。然而, 在低温或干燥条件下, 许多顽
拗性种子由于低温伤害或干燥脱水而死亡(Berjak
和Pammenter 2008; 傅家瑞和宋松泉2004)。所以,
探究由温度和介质水分等因素构成的贮藏环境对
采后种子性状的影响, 不仅可以发现重要的理论
规律, 提高种质资源保存的效率, 也能为实生苗的
繁育提供依据, 提高物种保护的有效性。
迄今, 尽管已有一些关于苏铁种子解剖结构
(潘爱芳2012a, b; Dehgan和Yuen 1983)和播种育苗
(揭建勤和苏文兴1989)等方面的研究, 明确了苏铁
种子的形态和解剖结构, 发现种子萌发需要较长
的时间(6~7个月, 甚至9个月)。但是, 目前缺少关
于采后贮藏环境对苏铁种子的作用效应、种子的
脱水耐性及其萌发行为的相关研究报道。在连续
多年的观察中, 我们发现, 栽培的苏铁虽然结实量
较大, 但在母株周边极难见到种子萌发及其幼苗,
其植株数量的扩展极度依赖于分孽繁殖。基于已
有的知识和调查数据, 我们提出了如下假设: 苏铁
的种子休眠在自然条件下很难被打破, 因而限制
了其有性更新。本文以苏铁种子为材料, 研究温
度对种子发育(后熟)的影响、贮藏介质的含水量
对胚发育的作用效应以及干燥脱水对苏铁种子活
力的影响。通过上述3方面的研究, 旨在阐述苏铁
种子的胚的后熟动态及萌发行为, 从而更好地理
解苏铁种子的本质, 促进该资源的可持续利用。
材料与方法
1 种子材料的获得
2013年11月12日和16日, 在重庆师范大学虎
植物生理学报226
溪校区、重庆大学虎溪校区和重庆医科大学缙云
校区, 从栽培的苏铁(Cycas revoluta Thunb.)植株上
采集了大量的当年成熟的种子。在采集时, 种子
的外种皮呈红色, 个别种子的肉质外种皮已略显
皱缩。将采集的种子分为2组: 第一组保留红色肉
质的外种皮, 用于田间播种试验; 第二组去掉红色
肉质的外种皮, 通过浮选法去除空瘪的种子(健壮
的种子沉水), 将选择好的种子清洗干净, 平铺于实
验台上晾干, 然后将其装入塑料袋, 保存于恒温箱
(15°C, 相对湿度约45%)。
2 种子基本特征值的测量与活力评价
2.1 种子基本特征值的测量
随机取新采集的50粒种子, 用游标卡尺(精度
0.1 mm)测量种子的长度和宽度, 以及胚的纵向长
度, 各取平均值; 随机取10粒种子, 用电子天平(精
度为0.1 mg)称其重量, 4次重复, 以平均值表示种
子的单粒重(g)。
2.2 种子活力评价
参考国际种子检验规则(ISTA 2003), 用氯化
三苯基四氮唑(2,3,5-triphenyl tetrazolium chloride,
TTC)染色法检测苏铁新鲜种子或干燥脱水种子的
活力。在剥离胚之前, 先在室温下的蒸馏水中浸
泡种子96 h, 然后去除硬质的中种皮(mesotesta或
sclerotesta), 无损伤地剥取胚。将分离的60个胚均
分为3组, 然后将每一组分别放入一个玻璃缸中,
用1%的TTC溶液将完全胚淹没, 盖上玻璃盖, 静置
于30°C的黑暗的萌发箱, 24 h后观察胚的着色情
况。观察前, 先用蒸馏水冲洗3次, 然后评价。如
果整个胚被染成红色, 则被视为是高活力的; 胚仅
有一小部分被染成红色或完全呈白色, 被视为活
力低下或已死亡。
3 种皮透水性能的评价
首先, 随机取去除外种皮而中种皮完整的种
子60粒, 均分为3组, 分别称重(W0, g)。将这3组种
子分别放进容量为500 mL的烧杯中, 并加入蒸馏
水完全淹没种子。分别在2、4、8、12、24、
48、72、96、120、144、168、192、216和240 h
后, 将浸泡的3组种子分别称重(Wt, t表示称重时的
浸泡时间), 称重时用吸水纸吸干种子表面水分, 依
据种子质量的增加率(%) (平均值)评价骨质的中种
皮膜质内种皮的透水性能。按下述公式计算种子
质量增加率(%): 种子的质量增加率(%)=[(Wt–W0)/
W0]×100%。
其次, 随机取去除了外种皮的种子60粒, 然后
用解剖针将骨质中种皮的中部刺穿(种皮穿孔), 但
不损伤内部的胚乳组织。其他的操作(称重、浸泡
时间、计算种子质量的增加率)如上所述。
4 种子的干燥脱水处理
4.1 快速脱水处理
在种子采集后的第9天, 在带盖的玻璃干燥器
底部放一层硅胶(厚约5 cm), 然后将种子平铺于硅
胶上, 然后倒入硅胶(厚约4 cm), 又在硅胶上平铺
一层种子, 依此重复以上的操作, 共计放置4层种
子; 3个重复。在第12、24、48、96、120和144 h
时取样, 分别进行含水量测定和活力评价(TTC法);
以未脱水的种子作为对照组。
在进行含水量测定时, 每一次用15粒种子, 将
其等分3组, 用电子天平(精度为0.1 mg)称重(W0, g),
然后置于(103±1)°C的烘箱中, 烘17 h后取出再称
重(g), 以鲜重为基础计算种子的含水量(%)。
4.2 慢速脱水处理
在种子采集后的第9天, 将种子平铺于室内的
桌面上任其自然风干(室温), 取样时间分别为7、
28、60、80和90 d。每次取样75粒种子, 分别进行
含水量的测定(15粒) (操作程序如上所述)和活力
评价(60粒) (TTC法)。
5 层积温度对胚生长的影响
首先将种子浸泡于蒸馏水中, 48 h后转移至装
有湿润珍珠岩(含水量约60%)的塑料盒(45 cm×35
cm×20 cm), 充分混匀, 进行层积处理。层积温度
分别是恒温4和20°C。在每个温度下层积420粒种
子, 放置于黑暗之下。在第3个月、第4个月和第6
个月, 分别取样100粒, 其中20粒用于胚的长度测
定, 余下的80粒进行萌发检测, 萌发温度为变温
28°C/20°C。这一萌发温度是基于相关研究而设定
的(Dehgan和Schutzman 1989)。在光照下(光周期为
12 h·d-1, 光照强度约40 µmol·m-2·s-1)进行萌发时, 将种
子放入直径为15 cm的玻璃培养皿中, 培养皿中盛有
灭菌的珍珠岩, 并加入蒸馏水使其充分湿润。将种
子平放且埋入珍珠岩中。在观测过程中, 及时喷洒
无菌水以确保介质湿润。当胚根突破种皮并生长至
2 mm, 则认为种子已萌发。萌发实验持续30 d。
田美华等: 苏铁种子的脱水敏感性及温湿条件对种子后熟的影响 227
6 层积介质含水量对胚生长的影响
首先, 配置不同含水量的介质。在2013年12
月1日, 用称重法将紫外线杀菌的珍珠岩配置成含
水量不同的层积介质。珍珠岩的含水量(W/W)分
别设定为25%、50%或75%。此外, 用2%的次氯酸
钠溶液消毒10 min。盛有同一含水量介质的塑料
盒有2个, 每一个塑料盒中含有100粒种子; 在将苏
铁种子和介质充分混匀后加盖(V/V, 种子/珍珠岩=
1:3), 且用2层铝箔纸包裹塑料盒(遮光和防止介质
水分散失), 将其保存于4°C。8个月后, 将种子取
出, 统计种子的发芽率和霉烂率; 解剖20粒种子,
测量未萌发种子的胚的长度(mm)。其余的种子用
于萌发检测, 其萌发温度为28°C/20°C, 周期性光照
(12 h·d-1); 持续时间为30 d。
7 种子的干藏、水藏和干湿交替保存
7.1 干藏处理
用牛皮纸袋装120粒种子, 将其存放于室温下
(实验室的月平均温度介于8.3~24.7°C之间), 24周
后, 解剖20粒种子, 查看胚和胚乳与种皮(中种皮和
内种皮)的离合情况, 并测量胚的长度。其余的100
粒用于萌发检测, 萌发温度是28°C/20°C, 周期性光
照(12 h·d-1), 以胚根突破种皮并长至2 mm为萌发
的标准; 持续时间为30 d。
7.2 水藏处理
在室温下的2个玻璃缸(35 cm×18 cm×12
cm)中放入120粒完整的种子, 然后加入蒸馏水将
其淹没(水面至最上部的种子约3 cm)。同时, 加
入1% (W/V)的百菌清以防止霉变。每7 d换水一
次。在换水时, 观察种皮的颜色变化及腐烂情况;
24周后, 将种子取出, 其中20粒用于解剖, 查看种
仁与种皮的离合情况, 并测量胚的长度; 其余的
100粒种子用于萌发检测(萌发的条件和标准如
上所述)。
7.3 干湿交替保存处理
在室温下的玻璃缸(35 cm×18 cm×12 cm)中放
入120粒种子, 然后加入蒸馏水将其淹没(水面至种
子的距离约3 cm); 同时, 加入1% (W/V)的百菌清。
每14 d换水一次, 在换水时, 将种子取出并平铺于
塑料板上; 48 h后又将这些种子放入水中保存。在
24周后, 随机解剖20粒种子, 查看种仁与种皮的离
合情况, 并测量胚的长度; 其余的100粒种子用于
萌发检测(萌发的条件与标准如上所述)。
8 GA3溶液对种子发育的影响
在4°C且黑暗的环境下层积300粒种子, 层积
介质珍珠岩的含水量为75%。在第16周后, 将种子
取出, 其中30粒用于测量胚的长度(mm)。将余下
的270粒种子均分为3组, 分别用蒸馏水(对照组)、
200和500 mg·L-1的GA3溶液将其浸泡96 h。之后,
取出种子, 用1%的次氯酸钠溶液灭菌10 min。在
用蒸馏水冲洗3次后进行低温(4°C)层积处理。在8
周后, 分别测量20粒种子的胚的长度和检测其余
70粒种子的萌发率, 2个重复, 每个重复35粒, 萌发
温度为变温28°C/20°C, 持续时间为30 d; 其他的萌
发条件和评价标准如上所述。
在实验结束时, 解剖所有的种子, 测量胚的长
度(mm), 以评价外源GA3的效应。而且, 对刚萌发
的种子, 先切除种皮外的胚根, 然后纵向地从种子
的中央切开, 用游标卡尺测量胚的长度, 以此确定
种子萌发时的胚的临界长度。
9 数据统计分析
种子萌发率、种子活力、种子含水量和胚的
长度以平均数±标准偏差(SD)表示。用软件SPSS
16.0分析相关处理后的胚长度的最小显著差异
(least significant difference, LSD)。
实验结果
1 苏铁种子的基本特征
当年成熟的苏铁种子呈倒卵形或卵圆形, 略
扁, 暗红色或橙红色。种子的平均大小(长×宽×厚)
为39.5 mm×31.4 mm×22.7 mm, 单粒重21.45 g。种
脐端有1个突起的种阜(图1-A)。种子由种皮和种
仁组成, 种皮可分为肉质化的外种皮(sarcotesta)、
骨质的中种皮[亦称之为硬质种皮(mesotesta或
sclerotesta)和褐色膜质的内种皮(endotesta, 亦称之
为膜质层(membranous jacket)] (图1-B)。外种皮肉
质化, 与中种皮结合紧密; 中种皮比较坚硬, 透水
性差; 内种皮棕(褐)色, 膜质化。
苏铁的种仁由胚(位于劲卵器之中)和胚乳组
成。在胚孔端, 有2个胚孔(图1-A); 沿中轴线纵切,
还能见到包藏于胚乳之中的2个劲卵器(图1-C); 胚
不明显, 位于劲卵器内, 在适宜的环境中能逐渐发
育完善。胚乳实为雌配子体组织(female gameto-
phyte tissue), 乳白色。幼胚的长度(3.45 mm)与种
子的长度之比值(E:S)约是0.089。
植物生理学报228
去除红色肉质的外种皮后, 单粒苏铁种子重
约12.32 g; 种子的平均大小(长×宽×厚)约为36.1
mm×24.2 mm×19.6 mm。
2 苏铁种子的吸水动态
在前24 h内, 中种皮完好的种子因吸水而增加
的质量很少, 仅有3.84% (相当于0.51 g水); 在96 h
时, 中种皮完好的种子质量增加率为25.28%, 中种
皮穿孔的种子质量增加率为28.26%, 两种类型的
种子的质量增加率无显著性差异(图2)。在240 h
时, 中种皮完好的种子和中种皮穿孔的种子的质
量增加率分别为29.57%和30.21%。由此可知, 苏
铁种子能较好地吸水, 这也暗示坚硬的中种皮不
能阻碍种仁吸收水分。
3 苏铁种子的活力及脱水耐性
经TTC染色后, 58个胚被染成深红色, 这说明
新采集的苏铁种子有很高的活力。新采集的苏铁
种子的初始含水量为53.9%。硅胶脱水(快速脱水)
能使种子含水量快速下降。当用硅胶干燥处理12
h后, 种子含水量下降至48.4%, 其活力减至78.3%;
干燥48 h后, 种子的含水量下降至30.2%, 种子活力
为56.7%。当种子脱水120 h后 , 含水量下降到
图1 苏铁种子及其胚的发育变化
Fig.1 The seed of C. revoluta and changes in embryo development
A: 种子和胚孔, 比例尺8 mm; B: 种皮结构, 比例尺6.4 mm; C: 去除了外种皮的种子及胚孔端的劲卵器, 比例尺4.8 mm; D~E: 暖层积下
的胚或局部的纵面观(纵切), 比例尺分别是2和1.1 mm; F: 发育完全的胚, 比例尺4.8 mm; G: 暖层积下已萌发的种子的胚(纵切), 比例尺4.8
mm; H: 已充分发育的幼苗, 比例尺8 mm。ar: 劲卵器; bl: 胚孔; ec: 具子叶的胚; em: 胚; end: 内种皮; efh: 伸长的丝状吸器; me: 中种皮; sa:
外种皮。
图2 没有肉质外种皮的苏铁种子的吸水动态
Fig.2 The water absorption of C. revoluta seeds
without fleshly sarcotesta
田美华等: 苏铁种子的脱水敏感性及温湿条件对种子后熟的影响 229
21.8%时, 种子已完全失活(图3)。在室温自然风干
(慢速脱水)过程中, 种子的活力亦随种子含水量的
减少而显著降低(图4)。在第28天, 种子的含水量
和活力分别是37.5%和53.3%。在第60天时, 种子
含水量为35.3%, 种子活力下降到25%; 在第90天
时, 种子含水量为27.4%, 种子活力降低至10%。
4 温度对苏铁胚生长及萌发力的影响
在4°C下, 胚的生长较慢, 但比较整齐; 在20°C
下, 胚生长较快, 但个体差异较大(表1)。在4和
20°C层积6个月的种子E:S值分别为0.44和0.59; 在
28°C/20°C且光照处理30 d后, 种子的萌发率分别
是0和86.3%。在萌发2周后, 胚的长度是19.76 mm,
E:S值为0.77 (图1-G)。之后萌发的种子发育成幼
苗(图1-H)。
5 介质含水量对苏铁胚生长及萌发力的影响
在冷层积(4°C)且含水量不同的介质处理8个月
后, 种子存活率、胚的发育(以胚的长度表示)和种子
萌发率均表现出显著差异(P<0.05)。在介质含水量为
75%时, 种子的存活率是100%, 胚的长度达到15.13
mm; 当介质含水量为25%时, 其种子存活率仅有31%,
而且胚发育非常缓慢(表2)。可见, 在冷层积中, 介质
的含水量显著地影响胚的发育、种子活力及萌发力。
图3 硅胶干燥对苏铁种子含水量及种子活力的影响
Fig.3 Effect of drying in silica gel on seed moisture content and seed viability of C. revoluta
图4 室温自然干燥对苏铁种子含水量及种子活力的影响
Fig.4 Effect of natural drying at room temperature on the moisture content and seed viability of C. revoluta
表1 不同积层下苏铁的胚长度及种子萌发率的变化
Table 1 Changes in embryo length and germination percentages of C. revoluta seeds under different stratification
时间/月
低温层积(4°C) 暖层积(20°C)
胚的长度/mm 种子萌发率/% 胚的长度/mm 种子萌发率/%
0 3.45±0.39 0 3.45±0.39 0
3 5.91±0.67 0 8.67±1.83 0
4 7.73±0.61 0 11.62±2.47 0
6 12.18±0.86 0 15.50±1.91 86.3±1.5
植物生理学报230
可能是顽拗性的。类似地, Daws等(2006)指出, 热
带植物所产生的顽拗性种子的平均千粒重约为
3 383 g。就种子大小而言, 顽拗性种子的二维尺度
多数介于6 mm×5 mm(如黄兰Michelia champaca)
和43 mm×42 mm之间(如鳄梨Persea americana)
(傅家瑞和宋松泉2004)。比较而言, 苏铁种子极可
能是顽拗性的。
现在, 以种子的脱水耐性评价种子的贮藏生
理行为已被广大种子生物学家认可(Hong和Ellis
1996; Berjak和Pammenter 2008)。顽拗性种子不耐
脱水, 因而称之为脱水敏感性种子(Roberts 1973),
其安全含水量因物种而异, 如可可(Theobroma ca-
cao)种子的安全含水量是23% (Hor等1984), 海榄
雌(Avicennia marina) (Farrant等1986)种子的安全
含水量为61.5%。研究发现, 正常性种子可大量失
水, 甚至可脱水至5%而不发生明显的伤害, 中间性
种子可脱水至7%~12%, 顽拗性种子不能经受严重
的脱水, 这与正常性种子和中间性种子截然不同
(Kermode和Finch-Savage 2002; 唐安军2014)。苏
铁种子的中种皮虽然坚硬, 但是透水的(图2), 其初
始含水量约为56.7%, 无论是快速脱水(硅胶脱水),
还是慢速脱水(自然风干), 水分丧失直接导致种子
活力下降(图3和4)。这充分说明干燥脱水直接导
致苏铁种子劣变而降低了活力; 同时, 也表明慢速
脱水能使苏铁种子在较高含水量水平致死。鉴于
此, 我们认为脱水敏感的苏铁种子是顽拗性的。
除了对脱水敏感外, 顽拗性种子通常易受低
温伤害, 不同用常规方法加以保存。大多数顽拗
性种子对零上低温是敏感的, 易受伤害, 如橡胶
(Hevea brasiliensis)和红毛丹(Nephelium lappace-
um) (Chin 1975)。可可(T. cacao)种子在15°C时也
受到伤害(Hor等1984)。此外, 栎属(Quercus spp.)
等温带性植物所产生的顽拗性种子在2°C下冷藏8
个月后仍能萌发(傅家瑞和宋松泉2004)。就苏铁
种子而言, 在4°C中层积6个月或24周后依然能保
持很高的活力, 这说明苏铁种子有较强的耐受零
上低温的能力。这一特性为保存苏铁种子提供了
便利。
在贮藏或层积过程中, 种子休眠程度的变化
是一定的环境信号启动内在的生理生化变化后的
结果(Finch-Savage和Leubner-Metzger 2006; Footitt
表2 冷层积下介质含水量对苏铁种子的影响
Table 2 Effects of the moisture content of substrate on
C. revoluta seeds under cold stratification
介质含水量/% 种子存活率/% 胚的长度/mm 种子的萌发率/%
25 31c 5.42±0.67c 0c
50 77b 11.08±1.02b 63.3b
75 100a 15.13±0.91a 96.3a
　　同一列中的不同小写字母表示数据间差异显著。下表同此。
6 干藏、水藏和干湿交替保存对种子活力的影响
在干藏8个月后, 种子的存活率为23%, 胚的
长度为5.57 mm, 种子的发芽率22%; 当摇动死亡的
种子时, 能听到种仁撞击种皮的响声, 这表明种仁
已大量失水而与种皮分离。在水中保存8个月后,
所有种子的胚已腐烂。然而, 通过干湿交替的方
式保存8个月后, 种子存活率是100%, 胚的长度是
15.06 mm, 而且, 在28°C/20°C能顺利萌发(96.3%)。
可见, 干湿交替保存的效果最好, 显著优于其他两
种方式(P<0.05)。
7 GA3对种子发育的作用
GA3溶液处理能促进冷层积16周的种子的胚
的生长, 且具有明显的浓度依赖性(表3)。在冷层
积16周后, 用500 mg·L-1 GA3溶液处理96 h, 种子的
胚长度从(7.91±0.61) mm增加至(16.38±1.42) mm。
这表明种子萌发时胚的临界长度约是16.38 mm。
表3 GA3处理对冷层积种子的胚生长及种子萌发率的影响
Table 3 Effects of GA3 on embryo length and germination
percentages of cold stratified seeds
GA3浓度/mg·L
-1 胚的长度/mm 种子萌发率/%
0 12.02±0.91b 0
200 13.87±0.56b 0
500 16.38±1.42a 66.7±3.4
讨　　论
苏铁种子的种皮由外种皮、中种皮和内种皮
组成。去除红色肉质外种皮后, 苏铁种子的单粒
重约是12.32 g, 其平均大小(长×宽)约为36.1 mm×
24.2 mm。由此推算, 无外种皮的苏铁种子的千粒
重可达12 320 g。Chin等(1984)指出, 顽拗性种子
的千粒重常超过500 g, 比正常性种子重。Hong和
Ellis (1996)认为种子千粒重超过1 300 g的种子极
田美华等: 苏铁种子的脱水敏感性及温湿条件对种子后熟的影响 231
等2011; Obrouchea 2012)。许多植物种子休眠状态
的变化直接与胚的形态结构及其生理变化有关。
例如, Vandelook等(2007)发现低温层积(5°C)比暖
层积(23°C)能更有效地促进Angelica sylvestris
(Apiaceae)形态生理休眠种子的胚的发育, 而且单
一的冷层积不如先暖层积然后冷层积的“复合层
积”的效果。类似地, Nagano等(2008)发现紫芭蕉
(Musa velutina)的胚是未成熟的, 其休眠解除的前
提是胚发育成熟; 在25°C和20°C, 紫芭蕉的胚发育
较迅速 , 而在1 0 ° C / 1 5 ° C以及2 0 ° C / 1 0 ° C和
30°C/20°C下胚发育十分缓慢。不仅如此, Baskin
和Baskin (2003)通过“移步”实验(move-along exper-
iments), 既揭示了温度对Viburnum formosanum
(Caprifoliaceae)的幼胚发育的促进作用, 又明确了
温度作用的时序性(与季节性温度变化相似)。当
然, “幼胚现象”也存在于在其他苏铁类种子。譬
如, 骆文华等(2013)发现濒危植物德保苏铁(Cycas
debaoensis)的胚在种子成熟时也是未发育完全的,
种子尚未真正成熟; 低温层积(5°C)能促进胚的发
育(亦称之为后熟), 临界发芽种子的E:S值为0.53。
就苏铁而言, 本文发现暖层积(20°C)中的胚发育比
较迅速。在20°C下经过6个月后, 苏铁种子的胚已
真正成熟, 充分具备了发芽能力(图1)。但是, 在低
温层积(4°C)下, 苏铁种子的胚发育较缓慢, 尽管比
较整齐(表1)。基于胚的形态结构阶段性变化特性,
我们清楚地发现, 在当年成熟时, 苏铁种子的胚是
幼小的, 未发育完全, 在脱落后还须继续发育才能
真正成熟(图1、表1和2)。因此, 我们认为苏铁种
子是形态休眠的, 胚的后熟过程需要较长的时间,
而且其成熟过程是温度、水分和时间等因素的复
合函数。在自然条件下, 如果水热条件不适宜, 种
子后熟则会中断, 甚至被胁迫致死。即使苏铁种
子处于安全的环境中, 长时间的后熟过程也会延
迟种子萌发, 使其错过最佳的萌发窗口。由此推
知, 胚的未完全发育(即“幼胚现象”)可能是苏铁种
子难以自然转化为幼苗的关键原因。
事实上, 贮藏环境或种子传播后的“落脚点”
是一个由多因子组成的系统, 其中的任意一个因
子的变化都会影响种子的发育或萌发。在分析层
积介质水分状态对苏铁种子的胚的发育时, 我们
发现介质的水分状况对胚发育的影响非常明显。
尽管苏铁种子的骨质化中种皮对种仁有一定的保
护作用, 但不能阻断种子的吸水过程(图2)。Baskin
和Baskin (2004)认为种子的物理休眠是由于种皮
不透水引起的。由此可知, 苏铁种子没有物理休
眠, 在育苗时, 无需人为磨破或划破种皮。在吸胀
过程中, 水分抵达种子的胚与胚乳部分, 就能激活
内在的生理机制, 如脱落酸的合成与分解、赤霉
素的合成, 从而刺激胚的分化与生长(Bewley 1997;
Ali-Rachedi等2004; Obroucheva 2012)。在实验中,
苏铁种子在低温(4°C)下层积16 周后, 赤霉素(GA3)
溶液处理能加速胚的生长(表3), 这说明外源GA3能
促进胚的发育; 同时, 这种现象也暗示在层积的后
期, 苏铁种子的胚生长加速可能与激素的变化有
关。不仅如此, 介质含水量为75%时能有效地促进
苏铁的胚的发育(表1)。在含水量为50%或25%时,
胚发育不但受阻, 而且种子的死亡率也很高。这
可能与介质含水量低而导致种子失水劣变有关。
就介质的水分状况而言, 含水量为75%的介质(珍
珠岩)是比较适宜于苏铁种子层积的。此外, 干藏8
个月后, 苏铁种子的存活率仅有23%, 这与干藏诱
导种子失水劣变有关, 因为这些种子的种仁已皱
缩, 与种皮已完全分离。水藏8个月后, 种子已全
部死亡, 这可能是种子长期处于无氧呼吸状态进
而诱发细胞衰亡的产物。相反, 干湿交替能收到
非常好的效果, 种子的存活率为100%, 且胚也能充
分发育。所以, 长时间干燥贮藏或水淹都不利于
苏铁的胚发育, 也不能有效地维持种子活力。
本文实验用种采自于重庆市西部城区3所大
学校园的栽培苏铁。重庆市位于长江上游, 其气
候属亚热带湿润季风气候, 夏热冬暖, 雨热同季且
丰富; 在1960~2005年间, 年平均温度约17.5°C; 年
降雨量约1 140.1 mm, 主要集中在5~9月(占全年总
雨量的70%~80%) (周浩等2008)。调查发现, 在重
庆主城区, 苏铁种子成熟于少雨的秋季(9月~11
月)。秋季成熟的种子能在大孢子叶柄上留存时间
可超过1年。从所获得的实验数据看, 尽管苏铁种
子对干燥脱水十分敏感, 但是其肉质的外种皮和
骨质的中种皮能起到良好的屏障作用, 使种子不
至于因自然风干而在短时间内死亡。也就是说,
挂树的苏铁种子有可能完成后熟过程。这一推测
可以从潘爱芳(2012b)的研究中得到有力的佐证。
植物生理学报232
潘爱芳(2012b)研究了次年挂树苏铁种子(采自福
州城区, 种子在树上留存了大约1年时间)的胚与胚
乳结构, 结果发现有的种子具有子叶胚, 胚与胚乳
的长度比值可达1/3至2/3, 甚至个别种子已萌发。
这就证实了福州城区某种微环境下的水热条件能
满足苏铁种子后熟及其萌发的需要。然而, 地区
间的气候与环境是不同的, 甚至差异极大。所以,
只有具体分析苏铁种群所处的生境特点与气候格
局, 才能客观地揭示不同苏铁种群有性更新受阻
的真正原因。诚然, 尚有诸多方面需要进一步的
研究, 譬如, 温度和水分对种子后熟的综合效应;
在贮藏(层积)过程中, 胚的生理调控机制; 苏铁种
子在野外的季节性萌发模式; 气候变暖对苏铁有
性繁殖的影响等等。阐释这些问题对于全面理解
苏铁种子的本质及其变化趋势是非常重要的。
综上所述, 当年成熟的苏铁种子的胚是幼小
的, 未真正发育成熟, 在适宜的(贮藏)环境中可继
续发育成熟; 严重失水会导致种子活力急剧降低
或丧失。换而言之, 苏铁种子是形态休眠的, 且是
顽拗性的。在层积过程中, 温度和介质的含水量
强烈地影响胚的后熟过程。当温度适宜时, 保持
种子湿润是贮藏苏铁种子的关键, 也是胚后熟的
基础。此外, 施加GA3溶液处理能加速胚的发育,
提高苏铁种子转化为幼苗的效率。毋庸置疑, 这
些信息对研究苏铁类植物的种子保存、有性更新
过程及物种保护是非常有价值的。
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Desiccation sensitivity and effects of temperature and moisture content of the
substrate during storage on after-ripening in seeds of Cycas revoluta
TIAN Mei-Hua, ZHAO Zheng-Wu, TANG An-Jun*
Chongqing Key Laboratory of Molecular Biology of Plant Environmental Adaptations, College of Life Sciences, Chongqing Nor-
mal University, Chongqing 401331, China
Abstract: This article fully compared effects of both temperature and moisture content of substrate during stor-
age on the embryo development in seeds of Cycas reveloluta as well as desiccation tolerance. The results
showed that the seed with the mesotesta (or sclerotesta) and endotesta was water permeable, and the embryo
was highly small and immature (ca. 3.45 mm) with the low ratio of the embryo length to the seed length (E:S),
namely, E:S=0.089. The seeds must continue developing and growing to a proper size prior to germination. And
the critical length of embryo with cotyledon was near 16.38 mm for germination. Thus, the data confirmed that
there existed morphological dormancy in the seeds of C. revoluta. Also, the seeds were sensitive to drying be-
cause serious water loss induced sharp decrease in seed vigor, even resulted in total death. So the seeds of this
species should be considered recalcitrant. In addition, 75% of the moisture content of the substrate was better
than 50% and 25% for embryo after-ripening. Moreover, both long-term dry storage in air and wet storage in
water were destructive. Therefore, we thought that keeping seeds moist enough not wet was the key to effec-
tively conserve seeds ex situ. Notably, application of GA3 solutions (500 mg·L
-1) could accelerate the embryo
development of cold stratified seeds.
Key words: regeneration from seed; stratification; immature embryo; morphological dormancy; recalcitrant
seeds; Cycas revolute
Received 2015-09-21 Accepted 2016-01-26
This work was supported by Chongqing Science and Technology Committee (Grant No. cstc2013jcyjA00002), Chongqing Educational Committee
(Grant No. KJ1400504), and Chongqing Normal University (Grant No. 2011SLX34).
*Corresponding author (E-mail: an_20070710@163.com).