種子休眠的生理基礎(chǔ)

種子休眠的生理基礎(chǔ)

種子恢復(fù)是指在一定時期內(nèi)對種子（或發(fā)芽單位）產(chǎn)生的正常和有益種子萌發(fā)的物理環(huán)境因子（溫度、光、黑暗等）的組合下無法發(fā)芽的現(xiàn)象。種子休眠的原因有多種,本文主要從種殼、種皮的結(jié)構(gòu),種皮的透水性、透氣性,種胚發(fā)育結(jié)構(gòu)、形態(tài),種子的內(nèi)含物成分等方面對種子萌發(fā)的影響進(jìn)行綜述,以期尋找研究種子休眠生理機(jī)制的方法,解決植物生理問題的難題,打破種子休眠,提高種子在生產(chǎn)上的萌發(fā)率。1排外受精結(jié)構(gòu)的外皮最初人們考慮到影響種子休眠的原因是種子的種殼、種皮的結(jié)構(gòu)和厚度,主要從不同的處理下用顯微鏡觀察種子結(jié)構(gòu)的變化來說明種子休眠的機(jī)制。程廣有等人用顯微鏡對東北紅豆杉成熟后風(fēng)干種子、水浸1周種子、層積6個月種子的種皮表面和橫斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同處理下種皮結(jié)構(gòu)有很大的變化,風(fēng)干種子的種皮褐色、脆硬,厚度為0.6~0.9㎜,種皮由3部分組成,外種皮由一層厚壁細(xì)胞組成,表面角質(zhì)化,呈鱗片狀,凸凹不平,厚約0.1㎜。角質(zhì)層細(xì)胞較小而緊實,細(xì)胞壁加厚。中種皮為一層透水性很差的木栓層,淡黃色,厚約0.4㎜,內(nèi)種皮膜質(zhì),淺褐色半透明或白色半透明。這種結(jié)構(gòu)的種皮嚴(yán)重地阻止水分吸收和氣體交換,易導(dǎo)致種子休眠。水浸1周后的種皮表面鱗片開始模糊,出現(xiàn)橫向裂紋。剖開種皮橫斷面,細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,3個層次不再分明。層積6個月后種子的種皮結(jié)構(gòu),表面出現(xiàn)不規(guī)則塊狀破損、膜質(zhì)脫落、鱗片模糊、有裂紋,觀察種皮斷面發(fā)現(xiàn),表皮的角質(zhì)層細(xì)胞不全,柵欄細(xì)胞破裂。種皮各層細(xì)胞發(fā)生分離。這些變化有利于胚與外界的水、氣交換,為萌發(fā)創(chuàng)造條件。但種皮的厚度沒發(fā)生明顯的變化。劉曉冰等人觀察休眠期不同的春小麥種子種皮結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在細(xì)胞層次上沒有實質(zhì)性差異,而外表皮的細(xì)胞形狀排列明顯不同。休眠期長的品種,外表皮細(xì)胞排列整齊而緊湊,呈長方形;休眠期短的品種,外表皮細(xì)胞排列疏松,不整齊,多呈卵圓形,種皮的厚度與休眠無關(guān)。王艷華通過對大山櫻種子外種皮結(jié)構(gòu)的細(xì)胞學(xué)觀察,外種皮是由兩個部分組成:表皮層,它是由3~4層薄壁細(xì)胞組成;細(xì)胞壁上強烈增厚的石細(xì)胞。結(jié)果表明,種皮過硬,影響胚的正常生長。以上研究結(jié)果表明:不同的種皮結(jié)構(gòu)會使得種子的休眠期有所不同,通過對種子的處理,使得種皮結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,可以改變種子的休眠期。2種子的吸水性和透氣性種子的萌發(fā)需要各種充足的外在條件,如適宜的水分、充足的氧氣是種子萌發(fā)的重要因素,種子萌發(fā)所需要的水分、氧氣主要通過種皮進(jìn)入。種皮的透水性和透氣性是影響種子萌發(fā)的重要因素。萌發(fā)的種子將進(jìn)行各種生理作用,呼吸作用的增強有利于種子的萌發(fā),種子的呼吸作用可能因種皮的透水性、透氣性而受到抑制。人們從不同的角度來研究種殼、種皮的透水性和透氣性。種皮的透水性主要使用稱重法測量,種皮對種子吸水性的影響可以設(shè)置不同的處理來有效地打破種皮的抑制作用。王永春等研究種皮的透水性設(shè)置三種處理,取切片破除部分種皮的種子、濃H2SO4處理120min的種子與完整種子作為對照用稱重法進(jìn)行測量,結(jié)果表明馬藺種子種皮可以透過水分,但種皮對種子的吸水有限制作用,種皮的透水性較差,吸水較慢。陳昕等取完整種子和刺破種皮種子進(jìn)行吸水實驗,研究結(jié)果表明種皮對水分的吸收有一定的阻礙作用,但這種阻礙作用隨著浸種時間延長而逐漸消減。郝龍飛等以3份用解剖針撬開外種皮的種子作為研究對象,另3份沒有處理的種子作為對照。設(shè)置不同的吸水時段,結(jié)果表明種皮對種子吸脹的影響,山桃稠李種子吸脹過程主要集中在浸水前l(fā)2h,刺破種皮的種子比完整種皮的種子吸水速度快。12h時兩種處理種子吸水后質(zhì)量存在顯著差異。12h后兩種處理的種子均吸水緩慢,在60h后達(dá)到恒定,此時刺破種皮和完整種皮的山桃稠李種子分別吸水32.97%、27.79%。這與張浩等的研究相一致。張浩等人研究結(jié)果表明:虉草種子種皮透水性差是引起虉草種子休眠的一個原因。測定種子的透氣性,主要通過測定種子的呼吸強度,利用呼吸測定儀來測定種皮透氣性。楊曉玲等研究山楂種子的種殼、種皮透氣性,主要從裂殼、與不鉗裂殼的種子進(jìn)行處理,在不同采收期的種子,變溫層積處理下與室溫陰涼干燥處貯藏的種子進(jìn)行處理測量呼吸強度,種子的透氣性主要通過cY-2型測氧儀測定一定時間的耗氧量。結(jié)果表明,山楂種殼透氣性差,能顯著地抑制種子的呼吸。采收越晚,種殼的透氣性越差,對呼吸的抑制越強,解除休眠越難。種皮對呼吸也有抑制作用。層積后,種殼、種皮對呼吸的抑制減弱,有利于種子打破休眠促進(jìn)萌發(fā)。王艷華等研究大山櫻種子透水性和透氣性,結(jié)果表明完整種子與夾裂種子沒有明顯差異,夾裂種子比完整種子透水性和透氣性略強,但是最終它們都達(dá)到一個峰值。張桂蓮等研究水稻種子休眠生理特性以強休眠品4628和休眠性差品種996抽穗后30天的種子為材料,結(jié)果表明,強休眠品種4628種子的透水性、透氣性較差。3種胚的催芽作用休眠過程的部分種子要具有一定的萌發(fā)能力,還必須經(jīng)過種子的形態(tài)后熟及生理后熟過程才能達(dá)到萌發(fā)。主要在一定的溫度條件下,且要持續(xù)一定的時間。胚體由原胚達(dá)到充滿胚腔程度,需要一定的空氣、溫度(積溫1300℃~2200℃)和濕度條件。如果溫度、濕度或氣體狀況的任何一個因素不能滿足,種胚就停止發(fā)育,進(jìn)入休眠狀態(tài)。研究種胚發(fā)育結(jié)構(gòu)、形態(tài)對種子休眠的影響,主要提供一定的空氣、溫度(積溫1300℃~2200℃)和濕度,通過不同溫度、持續(xù)天數(shù)的處理下觀察胚的形態(tài)和大小,采用徒手切片解剖鏡下觀察。測量種胚及胚乳的長度,計算胚率。胚率=(種胚長/種乳長)×100%。劉潤妮等通過帶果翅低溫沙藏種子每隔30d觀察一次胚的發(fā)育狀況,結(jié)果表明,大葉白蠟種子為帶胚乳種子,胚分化完全,其體積是隨低溫沙藏時間的延長不斷增大的,沙藏一段時間后才會萌發(fā),說明胚發(fā)育不完全(體積未長足和物質(zhì)化未完成)是其休眠的一個原因。郝龍飛等采用低溫層積和變溫層積處理,于層積前、層積90d和層積220d,解剖觀察種胚的形態(tài)和大小。結(jié)果表明,低溫和變溫層積處理90d時,種子胚率均顯著高于對照(處理前);處理90d時變溫層積種子胚率高于低溫層積;胚率變化主要發(fā)生在層積處理的前期(90d),變溫層積的暖溫處理對種胚生理后熟有明顯的促進(jìn)作用,胚率達(dá)到35.08%,與層積前種子胚率相比提高4.73%;與低溫層積90d山桃稠李種子的胚率相比,胚率顯著增加。變溫層積處理90d后,種子胚率基本不變,低溫層積處理90d后,胚率繼續(xù)顯著增加。催芽結(jié)束后,兩種層積處理的種子胚率差異不顯著。黃瑋等研究滇重樓種胚休眠,滇重樓種子的形態(tài)后熟及生理后熟過程中,滇重樓種胚的生長與層積時間的關(guān)系極為密切,隨著時間的推移,胚率逐漸增加。結(jié)合層積過程中的形態(tài)學(xué)觀察發(fā)現(xiàn),變溫層積180d后,種子即以完成形態(tài)學(xué)后熟,但種子仍需進(jìn)行一次低溫層積,通過生理后熟,才能促進(jìn)胚軸的生長,由此表明滇重樓種子萌發(fā)前期受形態(tài)學(xué)后熟限制,形態(tài)學(xué)成熟后種子萌發(fā)受生理學(xué)后熟限制。張恩和等觀察發(fā)現(xiàn)脫落時種子幾乎完全被胚乳充滿,胚很小甚至看不到胚。經(jīng)測定胚率只有6%。經(jīng)過一段時間的后熟,幼胚才發(fā)育成具有胚根、胚軸和子葉的胚。只有當(dāng)胚體充滿胚腔時,胚乳吸脹,種皮裂開,種子才能萌發(fā)。白柯君等種胚形態(tài)觀察表明種胚發(fā)育不成熟是板栗種子休眠的主要原因,隨著沙藏時間的延長,板栗種胚長度逐漸增長,子葉與胚軸和胚根長度的比值也逐漸增大。4種子抑制物的影響處于休眠狀況的種子,可能是種子本身含有內(nèi)含物抑制種子萌發(fā),研究內(nèi)含物的抑制程度主要通過生物鑒定,以白菜種子為指示作物,提取種子的內(nèi)含物的水、有機(jī)溶液來做發(fā)芽實驗。王勤禮等研究祖師麻果實抑制物質(zhì)存在的主要部位。稱取果肉(外果皮+中果皮)、內(nèi)果皮(膜質(zhì))、種皮、種仁的磨碎物各5g,各組分提取液浸泡白菜種子8h后分別進(jìn)行白菜種子標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗,研究結(jié)果表明祖師麻果實各組分中所含抑制物不同,果肉中抑制物含量最高,對白菜種子發(fā)芽抑制作用最為明顯,其他部位含量較少,對白菜種子發(fā)芽沒有明顯的抑制作用。謝永玉等研究紅松種子抑制物質(zhì)的測定,利用具有酸性、堿性的物質(zhì)溶于不同pH緩沖溶液中的原理,應(yīng)用液相分配的方法,將抑制物分離出來,用80%甲醇提取,用乙醚分離,用白菜種子作生物鑒定。抑制物質(zhì)的提取和鑒定隨著處理期的延長,抑制物質(zhì)減少,發(fā)芽率增高,胚根增長加快。張靜靜等研究樟樹種子休眠機(jī)制,種仁浸提液抑制強度順序均為:種仁乙醚浸提液>種仁甲醇浸提液>種仁水浸提液,抑制物主要成分為非極性物質(zhì)。樟樹種子中的萌發(fā)抑制物是樟樹休眠的原因。同樣根據(jù)種仁各種浸提液對白菜種子萌發(fā)的抑制表現(xiàn),可以確定其含有的主要抑制物質(zhì)為非極性物質(zhì)。另外,種殼與種仁的水浸提液對白菜種子的萌發(fā)抑制作用不明顯,說明樟樹種子中主要的萌發(fā)抑制物質(zhì)不是水溶性的。另外,可以直接測定影響種子休眠的內(nèi)含物,如植物激素、蛋白、酶、淀粉、糖、脂肪等物質(zhì)。采用不同的測定方法:種子內(nèi)源激素含量的測定采用ELISA方法、高效液相色譜法測定;可溶性蛋白質(zhì)含量的測定采用考馬斯亮藍(lán)法;種子酶活性的測定進(jìn)行過氧化物酶、過氧化氫酶、脫氫酶和淀粉酶活性的測定。過氧化物酶活性的測定采用愈創(chuàng)木酚比色法;過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法;脫氫酶活性的測定采用TTC定量法;淀粉酶活性的測定采用3,5-二硝基水水楊酸法。α-淀粉酶、β-淀粉酶活性的測定采用水楊酸法。淀粉含量的測定采用蒽酮比色法;可溶糖含量的測定采用蒽酮比色法;總脂肪含量的測定采用索氏抽提法。張桂蓮等以強休眠品種4628和休眠性差品種996抽穗后30天的種子為材料,對酶活性、可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量、內(nèi)源激素含量進(jìn)行測定。結(jié)果表明,過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、脫氫酶、淀粉酶活性、可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量顯著低于休眠性差品種996。強休眠品種4628種子內(nèi)源激素赤霉素(GA)、吲哚乙酸(IAA)、玉米素核苷(ZR)含量低于休眠性差品種996,而脫落酸(ABA)含量則顯著高于休眠性差品種996。郭繼元等采用高效液相色譜法測定分析伏毛鐵棒錘種子層積過程內(nèi)源激素赤霉素(GA)、吲哚乙酸(IAA)、脫落酸(ABA)和玉米素(z)含量。結(jié)果表明在層積過程中,ABA含量總的趨勢下降,GA含量總的趨勢是升高;這與王永春等的研究一致。不同的層積處理隨著時間的延長對種子萌發(fā)都有一定的作用。GA對打破休眠和促進(jìn)萌發(fā)起重要作用;ABA則是抑制萌發(fā)的重要因素;IAA對伏毛鐵棒錘種子萌發(fā)起促進(jìn)作用:z含量與伏毛鐵棒錘種子發(fā)芽率之間相關(guān)性不明顯。李秋琦等研究南方紅豆杉種子用300mg/L的赤霉素浸泡2d,濃硫酸處理1min后與濕沙混勻,先在4℃下低溫層積3個月,然后轉(zhuǎn)入25℃暖溫層積3個月,最后轉(zhuǎn)入4℃低溫層積150d。取各個層積階段(90d,180d,330d)的種子