全 文 ：第 17 卷 第 5 期
Vol. 17 No. 5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2009 年 9 月
Sep. 2009
野牛草种子休眠原因分析
孙 杰1, 2, 3 , 熊军波3 , 刘永志2 , 康俊梅3, 吕会刚3 , 云锦凤1 , 孙 彦4*
( 1.内蒙古农业大学, 呼和浩特 010018; 2.内蒙古农牧业科学院, 呼和浩特 010030;
3.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所, 北京 100193; 4.中国农业大学, 北京 100191)
摘要: 以 中坪一号野牛草( Buchloe dacty loide ( Nut t. ) Engelm)为实验材料,通过硝酸钾、赤霉素引发实验、种子
解剖、电镜扫描、能谱分析等手段,分析限制野牛草试验材料发芽率低下的原因。种子引发试验参照碱蓬( Suaeda
glauca Bge. )种子解除休眠的赤霉素 ( GA3 )和硝酸钾( KNO3 )浓度, 分设 0. 5%硝酸钾和 20 mg / kg、40 mg/ kg、60
mg/ kg、100 mg/ kg赤霉素等处理。结果表明: 野牛草种子休眠类型属机械休眠与生理休眠同时存在,且生理休眠
占主导地位的综合休眠;野牛草种球外部的颖苞对种子的强烈束缚引起了机械休眠, 而生理后熟是野牛草种子生
理休眠的直接原因;赤霉素对休眠程度较深的去颖苞种子引发效果最好,且以 60 mg / Kg 浓度为最佳。
关键词:野牛草种子; 机械休眠;生理休眠; 赤霉素引发
中图分类号: S330. 33 文献标识码: A 文章编号: 10070435( 2009) 05066505
Analysis on Factors Causing the Seed Dormancy of Buchloe
dacty loides ( Nutt. ) Engelm.
SUN Jie1. 2. 3 , XIONG Junbo3 , L IU Yongzhi2 , KANG Junmei3 , LV Huigang3 , YUN Jinfeng1 , SUN Yan4*
( 1. Inn er Mongolia Agricultural University, H ohh ot , Inner Mongolia Autonomous Region 010018, Chin a; 2. InnerM ongolia Academ y
of Agricultural and Animal Sciences, H ohhot , Inner M ongolia Autonomous Region 010030, C hina; 3. Inst itute of animal
Science, CAAS , Beijing 100193, Chin a; 4. China Ag ricultural University, Beijing 100193, Ch ina)
Abstract: The factors causing buf falo grass seed dormancy w er e studied using the seeds of Buchloe dac
ty loides ( Nut t. ) Engelm . cv. Zhongping No. 1 by KNO 3 and g ibber ell ic acid ( GA 3 ) priming t reatment,
seed dissect ion, elect ron microscope scanning, and energy spect rum analy sis, etc. Acco rding to studies on
relieving dormancy o f Suaeda glauca ( Bunge) Bunge seeds, the buf falo grass seeds w ere t reated by 0. 5%
KNO3 and GA 3 at 20, 40, 60, and 100 mg kg - 1 level. T he r esults show that the dormancy type o f buffa
lograss seeds w as composit ive of bo th mechanical and physiolog ical dormancy w ith the dominance o f lat ter.
The str ong bondage f rom glumes caused mechanical dormancy of seeds, w hile phy siolog ical af termature of
seeds w as the dir ect reason. The best w ay to pr omote seed germinat ion w as applicat ion of GA 3 to seeds
w ithout g lumes w ith the opt imal GA 3 concentrat ion at 60 mg kg- 1 .
Key words: Buchloe dacty loide ( Nut t . ) Engelm. ; M echanical dormancy ; Phy siolog ical dormancy; Gibber
ellic acid ( GA 3 ) pr im ing
野牛草 ( Buchloe dacty loide ( Nut t. ) En
gelm) ,又名水牛草、牛毛草, 属禾本科画眉草亚科野
牛草属,起源于北美西部大草原, 为暖季型草坪草。
具根状茎或细长匍匐枝。秆高 5~ 25厘米,较细弱。
叶片线形, 长 10~ 20厘米,宽 1~ 2毫米, 两面均疏
生有细小柔毛, 叶色绿中透白,色泽美丽。花雌雄同
株或异株,雄花序 2~ 8 枚, 长 5~ 15 毫米, 排成总
状,雄小穗含 2花,无柄, 成两行覆瓦状排列于穗轴
的一侧;雌小穗含 1花,大部分为 4~ 5枚簇生, 呈头
状花序,通常种子成熟时,自梗上整个脱落 [ 1]。
野牛草于 20世纪 50年代引入北京, 因其较强
的抗旱、抗病特性以及低成本的管护投入,而在城市
收稿日期: 20090324;修回日期: 20090915
基金项目:国家科技支撑计划( 2006BAD01A193) ;科研院所基本科研业务部创新团队( 2009td2)
作者简介:孙杰( 1963 ) ,女,内蒙古海拉尔人,副研究员,主要从事牧草遗传育种及种质资源研究, Email : sun jienm g@ 126. com; * 通讯作
者 Authors for corresponden ce, Email : ct sof fice@ yahoo. com. cn; cs gras s@ vip. 163. com
草 地 学 报 第 17卷
绿化、水土保持、护路护坡等生态工程中得以普遍应
用。但野牛草种球和种子发芽率低,在草坪建植方
面存在直播草坪质量差, 分株无性繁殖草坪费工、费
时、生产成本增加等问题。
关于野牛草种子休眠机理与破眠技术方面的研
究报道较少。国内主要通过发芽试验, 种球颖苞的
形态解剖以及连种性种子的萌发反应获得结论。李
德颖[ 2] 在野牛草颖苞解剖结构观察以及吸胀测定的
基础上,采用低温、30 恒温、10 ~ 30 变温;以及
0. 2% KNO3、GA 3、乙烯利引发等方法处理种子, 测
定野牛草种子发芽率及淀粉酶活性,并确定其种子
为综合休眠型; 带颖苞种子吸胀速度慢;同一颖苞内
不同颖果间休眠与萌发相互独立; 150 mgL - 1的赤
霉素( GA 3 )外源激素处理可以代替硝酸钾( KNO3 )
冷冻预处理;种子萌发过程中淀粉酶与 淀粉酶
具有协同作用。Ahr ing[ 3] 研究结果表明, 在野牛草
颖苞中存在一种油性物质会抵制种子萌发和幼苗生
长。Fry 等 [ 4]研究报道, 经过浸泡的野牛草种子发
芽率明显高于未浸泡种子。
以中坪一号野牛草种子和种球为试验材料,
对 GA 3、KNO3 等试剂的发芽效果进行分析, 并利
用电子扫描电镜及俄歇电子能谱技术观察分析种球
颖苞表面结构与组成元素, 找出导致野牛草种子机
械休眠与生理休眠的直接原因, 为大规模生产破眠
方法的研究提供依据。
1 试验材料与方法
1. 1 试验材料
2006- 2008年中坪一号野牛草种球和种子,
由中国农业科学院北京畜牧兽医研究所提供;
KNO3、GA 3、2, 3, 5氯化三苯基四氮唑( TT C)、纤维
素酶等化学药品与生物制剂, 购于北大恒益生物制
剂公司。
1. 2 试验方法
1. 2. 1 野牛草种球颖苞对种子萌发的影响 分别
取 2006年、2007年、2008年野牛草种球及去颖苞种
子,分设 0. 5% KNO3 溶液浸种 [ 7]、去离子水浸种 2
个处理,浸种时间 24 h;未处理实验材料为对照; 以
D~ 9 cm 玻璃培养皿为发芽器械;双层滤纸床为发
芽床;每个处理 4次重复,种球每重复 50颗; 种子每
重复 100 粒。25~ 30 下发芽试验。每天8: 00和
20: 00分 2次观察记录。
1. 2. 2 种球内吸胀未发芽种子生活力检测 选取
上述发芽试验后未有胚根、胚芽突破的各年份种球
90颗,人工剖取吸胀未发芽种子各 90粒, 蒸馏水冲
洗,使用单面刀片沿种子腹面中间凹陷处纵向切开,
并用 1. 0%的 2, 3, 5氯化三苯基四氮唑( T TC)溶液
避光染色 18 h, 蒸馏水冲洗, 吸干种子表面水分。
NIKO SMZI500型解剖镜 20变倍下观察,拍照。
1. 2. 3 种球颖苞表面组成元素能谱分析 取 2006
年种球若干,使用纤维素酶 [ 8] 和去离子水浸种。纤
维素酶液分设 3000 mg / kg、5000 mg/ kg、7000
mg/ kg 共 3 个浓度梯度( pH4~ 5) , 并在 50 水浴
条件下浸泡 3 h; 未处理种球为对照, 制备观测材
料。各处理样品取 1颗, 用导电胶带将种球固定在
金属板上,放入 Giko IB3 Ion Coater 离子溅射仪喷
金 10 m in, H itachi S530扫描电子显微镜下观察野
牛草种球颖苞表面结构; OXFORD Link ISIS300能
谱仪检测野牛草颖苞元素成分, 绘制能谱图[ 9; 10]。
1. 2. 4 不同贮存年限野牛草去颖苞种子发芽率检
测 与种球颖苞对种子萌发的影响同步完成。
1. 2. 5 深度休眠野牛草种子对赤霉素诱发反应检
测 以休眠程度较深的野牛草去颖苞种子为检测对
象;不同浓度 GA 3 溶液和去离子水为引发剂并设成
处理;未处理种子为对照( CK) ; GA3 溶液浓度分设
20 mg/ kg、40 mg/ kg、60 mg/ kg、100 mg/ kg 共4个
浓度;浸种时间 24 h;每个处理 4 次重复, 每个重复
100粒种子; 25~ 30 下发芽试验。每天 8: 00 和
20: 00分 2次观察记录。
1. 3 数据分析处理
采用 SA S 8. 1统计软件分析处理。
2 结果与分析
2. 1 野牛草种球颖苞对种子萌发的影响
在带颖苞种球和去颖苞种子 2类试验材料中,
0. 5% KNO3、去离子水和对照 3种处理, 并未引起
同类同年份试验材料发芽率的显著性差异,而发芽
率的极显著差异突出体现在供试材料的颖苞有无
(表 1)。带颖苞种球最高发芽率为 8%;去颖苞种子
最高芽率达 88%, 2 类试验材料的对应处理间平均
芽率差异水平极显著( P< 0. 01)。去颖苞种子相同
年份不同处理间, 供试材料的发芽表现比较稳定,而
带颖苞种球同年份不同处理间, 供试材料的发芽表
现极不稳定,甚至出现发芽率为 0的情况,其显著性
差异也主要是体现在发芽与不发芽材料间。这说明
供试材料间平均芽率差异的显著水平是由颖苞的有
无引起的,并非因处理不同产生的。
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第 5期 孙杰等:野牛草种子休眠原因分析
表 1 不同条件下野牛草果实发芽结果分析( %)
Table 1 Buffalog rass seed germination r at e under different treatments, %
供试材料
Material
带颖苞种球 Seed w ith glume
0. 5% KNO3 去离子水 Deioniz ed water 对照 CK
去颖苞种子 Seed w ith out glum e
0. 5% KNO3 去离子水 Deionized w ater 对照 CK
2006 4. 67bB 0. 00cB 3. 33bB 87. 33aA 86. 00aA 88. 00aA
2007 4. 67bB 8. 00aB 7. 33aB 42. 67bA 43. 33bA 36. 00bcA
2008 0. 00cB 0. 00cB 0. 67cB 33. 33bcA 26. 00cA 5. 00dA
注:同一列不同小写字母表示在 0. 05水平上显著差异,同一行不同大写字母表示在 0. 01水平上极显著差异,下同
Notes: Means w ith dif f erent sm al l let ters in the same column are s ignificant ly dif feren t at the 0. 05 level ; mean s w ith dif ferent capital let
t ers in th e same row are ext reme signif icant ly dif f erent at th e 0. 01 level, th e same as b elow
2. 2 种球内吸胀未发芽种子生活力检测
通过解剖未发芽野牛草种球发现, 种球内种子
全部吸胀, 经过 1% TT C 18 h 染色, 2006、2007、
2008年的中坪一号野牛草种子活力均在 90%以
上,特别是 2006 年试验材料, 种子活力达到 93.
33%。解剖镜下观察,各年份没发芽的种子, 实际上
已有部分萌动, 胚根、胚芽完整且全部背向种皮向胚
乳内生长,与正常种子胚根、胚芽生长方向相反(图1)。
图 1 示颖苞包被向内生长的野牛草种胚
Fig . 1 Buffalo g rass seed wit h an ing row n embryo
2. 3 种球颖苞表面组成元素能谱分析
野牛草种球颖苞纤维化程度较高, 为达到破坏
颖苞的目的,采用不同浓度纤维素酶溶液对其浸泡,
然后在电镜下观察表面结构变化,检测颖苞组成成
分。结果表明, 野牛草颖苞表面光亮、质地坚硬、结
构紧实,其上均匀镶嵌鳞片状富硅类晶体物质。实
验中所用纤维素酶液, 并未引起颖苞表面结构的变
化。经能谱分析, 颖苞表面 (基质)主要成分为碳、
氧、硅,各元素重量百分比分别为 49. 10%、30. 99%
和 9. 18%(图 2)。颖苞表面镶嵌物主要成分与表面
(基质)部分相同,其中碳元素含量为 30. 96%; 氧为
33. 06%; 硅元素 26. 92%。二者主要区别在于颖苞
表面镶嵌物硅元素含量远远高于颖苞表面基质含硅
量。在鳞片状物质脱落后的疤痕处,未见颖孔, 而是
与颖苞表面镶嵌物成分相同的实体组织(图3、图 4)。
图 2 示颖苞表面组成元素检测部位及能谱分析结果(基质)
F ig . 2 Element composition o f glume surface and the result
of energ y spectrum analysis ( substr ate)
注: K、M 分别代表不同的原子壳层,下同
Note: K, M represent dif f erent atom ic shells, th e sam e as b elow
2. 4 野牛草种子生理性休眠检测
在相同处理条件下,不同年份的野牛草去颖苞
种子发芽结果不同,经统计分析,不同年份野牛草裸
种子平均发芽率差异显著( P< 0. 05) ,尤以 2006年
裸种子发芽率最高, 在 86. 0% ~ 88. 0%之间(包括
KNO 3、去离子水和 CK) ,与 2007年、2008年种子相
比较,平均芽率差异显著( P< 0. 05) ; 但 2007年与
2008年相比较,种子平均芽率显著性差异重点体现
在个别处理(去离子水和 CK)间,不具有普遍性。
667
草 地 学 报 第 17卷
图 3 示颖苞表面组成元素检测部位
及能谱分析结果(镶嵌物)
Fig. 3 Element composit ion of g lume sur face and the r esult
o f ener gy spectrum analy sis ( tessera)
图 4 示颖苞表面组成元素检测部位及
能谱分析结果(镶嵌物疤痕)
F ig . 4 Element composition o f glume surface and the result
of energ y spectrum analysis ( tessera scar)
同一年份不同处理间,如 2006、2007年种子, 平
均芽率差异不显著; 2008 年种子平均芽率在 0. 5%
KNO3、去离子水 2个处理间差异不显著,但这 2个
处理分别与 CK 间存在显著性差异( P< 0. 05)。这
表明种子贮藏时间短和缺少种子引发处理, 都会严
重影响野牛草种子发芽率的提高(表 1)。
以 GA 3 和去离子水为种子萌发促进剂,引发休
眠程度较深的 2008 年野牛草试验材料 (表 2)。统
计结果显示:无论是引发处理还是 CK 处理对颖苞
种球都没有实际意义。在引发期间,所有处理的种
球均未有胚根、胚芽突破。对于去颖苞种子在各种
处理间, 以对照组平均芽率最低, 仅为 19. 33%, 与
其他处理间均存在显著性差异( P< 0. 05) ;去离子
水做为引发剂的效果明显高于 CK, 与 GA 3 处理组
相比较,除 20 mg/ Kg CA 3 溶液处理外,种子发芽率
均表现出显著性差异( P< 0. 05)。4 个不同浓度赤
霉素处理间,以 60 mg / Kg 赤霉素处理发芽率最高,
为 85. 33% ,与相临 2个浓度处理间无显著性差异,
但与 20 mg/ Kg 浓度赤霉素处理间存在显著性差异
( P< 0. 05)。
表 2 不同浓度赤霉素( GA3 )引发野牛草果实发芽结果分析
Table 2 Buffalo gr ass seed germination rate under differ ent GA3 concentrations
供试材料
Material
20 mg kg- 1
GA 3
40 mg k g- 1
GA 3
60 mg kg- 1
GA 3
100 mg kg- 1
GA 3
去离子水
Deionized w ater
对照( CK)
Cont rol ( CK)
带颖苞种球
Seed w ith glume
0. 00aB 0. 00aB 0. 00aB 0. 00aB 0. 00aB 0. 00aB
去颖苞种子
Seed w ithout glume
56. 67bcA 68. 00abA 85. 33aA 73. 67abA 43. 33cA 19. 33dA
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第 5期 孙杰等:野牛草种子休眠原因分析
因此证明, 影响野牛草种子休眠的主要因素为
种子自身的、内在的生理条件。剥除颖苞后的野牛
草种子发芽率有所提高, 但最高未超过 20% ; 经过
去离子水和不同浓度 GA 3 溶液引发处理, 种子发芽
率明显提高,且以60 mg/ Kg GA 3 处理效果最显著。
即当野牛草种子去除机械阻隔后,未使种子发芽率
达到最高水平, 而需经过生物激素引发才能打破其
自身的生理性萌发障碍,使种子平均发芽率显著提高。
3 讨论
3. 1 野牛草颖苞的特殊结构导致种子的机械休眠
野牛草起源于北美西部大草原,因生态适应性,
形成了抗旱、抗病等生理特性以及相应的形态特征。
如 4~ 5粒种子合生, 并被稃片和颖片包被, 其中合
生的半全生颖片构成种球。种球吸水主要靠基部与
上部没有完全闭合的颖片形成的孔道实现。野牛草
颖苞质地坚实、木质化、蜡质化程度极高的颖苞组
织,经电镜观察,在颖苞表面还附着了许多富硅类鳞
片状镶嵌物。所有被覆组织的共同作用就是防止种
子水分的散失及病虫危害, 保护种子活力的长期存
在[ 11]。但被覆组织因干旱气候条件的长期驯化诱
导, 越来越趋于木质化、蜡质化、硅质化。蜡质与硅
质均属疏水物质,很难与木质化组织同步吸胀,限制
颖苞木质成分的松懈。颖苞组织在成分与结构上的
极性化发展,一方面强化了其保护功能,另一方面则
严重束缚了萌动种子的自由突破,从而出现试验中
观测到的现象, 已经萌动的种子,由于颖苞的机械束
缚,胚根、胚芽不得不改变自然生长方向, 被动地背
向种皮朝种子内部生长。相同处理的试验材料, 去
除颖苞种子的发芽率明显提高, 进一步证明野牛草
种子机械休眠的存在以及影响程度。
3. 2 后熟是产生种子生理休眠的主要原因
生理休眠是指因种子本身结构或生理原因造成
的生长停顿的现象。主要表现形式有胚发育不完
全、种子后熟或种子内源激素不平衡等[ 12]。试验中
所用材料虽然贮藏年限不同, 但种子千粒重并没有
显著性差异, 因此, 种子胚发育不完全的可能性较
小。因此野牛草种子贮藏时间短其发芽率低的现
象,可能并不是由种子胚发育不完全引起的。试验
中出现的野牛草种子贮藏时间不同而发芽率不同,
可能与种子后熟有关。种子后熟是一个生物化学转
化的过程,其中种子主要完成内部营养物质以及种
皮透性的转化。随着野牛草种子贮藏时间的延长,
种子进一步干燥的机率增加, 导致种皮细胞壁胶体
成分发生变化, 从而增强种皮的通透性,便于水分渗
透、气体交换,种子内营养物质由不可摄取状态转化
为可被种胚吸收的水溶性物质, 种胚发育速度和机
率增强;种皮细胞壁成分与结构变化,还可促进胚根
胚芽的突破。CK 组野牛草种子平均发芽率, 随着
贮藏年限的增加, 由 2008年的 5%提高到 2007年
的 36%,直至 2006年的 88%,亦可能与上述原因有关。
植物种子的生理性休眠还可能与其内部 CA 3、
脱落酸等物质含量和比例有关, 属激素休眠,即休眠
的起始、控制和终止均与种子内生长抑制剂和生长
促进剂间的平衡调节相关。GA 3 是植物体内重要
的生长促进剂之一, 参与植物体内 淀粉酶的合
成、生长素前体色氨酸的合成、促进组织细胞伸长、
刺激钙离子从细胞壁释放,对于特殊休眠种子可以
取代其对光、温度等萌发条件的需求,使种子进入活
化状态。试验中 GA 3 的引发效果进一步说明: 野牛
草种子存在生理休眠; 在 60 mg / kg 浓度下, 引发效
果最好,种子平均发芽率达到 85. 33% ,可以代替贮
藏时间对种子休眠深度的影响。
4 结论
4. 1 野牛草种子休眠类型属机械休眠与生理性休
眠,且生理休眠占主导地位的综合休眠。野牛草种
子机械休眠是由种球外部颖苞的强烈束缚所致; 而
生理休眠是因种子未完成生理后熟造成的。
4. 2 剥除野牛草颖苞是打破种子休眠的前提, 但对
于贮藏时间短、未完成生理后熟的种子来讲,需配合
引发剂,才能大幅度提高种子发芽率。
4. 3 GA 3 对休眠程度较深的去颖苞种子引发效果
最好,且以 60 mg / Kg 浓度为最佳。
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(责任编辑 李 扬)
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