穗花牡荆(Vitex agnus-castus L.)是唇形科牡荆属落叶灌木,原产于温带以及亚热带地区。因其夏秋开蓝紫色花,花期长,气味芳香,且耐修剪造型,观赏价值极高。目前国内部分地区已有引种,作为灌木和小乔木应用于庭院、花境和道路两侧等精品景观中[1-5]。北方城市中夏秋季观花的木本植物种类较少,而开蓝紫色花的更是少之又少,因此穗花牡荆极具在北方园林绿化中推广应用的价值。
当前穗花牡荆多应用于南方的部分城市,多以扦插作为主要的繁殖方式。但种子繁殖的实生苗根系更加发达,对外界环境的适应性也更强,并且种子产量大,繁殖成本也相对较低。然而牡荆属植物普遍存在果壳较硬,自然萌发困难等问题[6-17],导致市面上穗花牡荆实生苗短缺,无法满足市场需求。目前国内外对于穗花牡荆的研究多集中在其药用价值方面[18-20],国外虽有通过酸蚀、赤霉素浸种、层积沙藏等方法提高种子发芽率的相关研究[21, 22],但年代相对久远;而国内学者仅在扦插繁育、组织培养[23, 24]以及物候方面[25]进行过少量探索,种子繁殖研究尚为空白。因此,了解穗花牡荆种实的结构特征,能够为明确其萌发困难的原因提供理论基础,进而探究最优的催芽方法,对牡荆属植物研究以及穗花牡荆繁殖生产具有重要意义。
本研究利用石蜡切片技术,观察穗花牡荆的种实结构以及种子萌发过程中的形态变化,同时应用多种催芽技术,以期获得最佳的种实处理方式,为实生苗培育以及生产工作的开展提供理论支持与科学依据。
穗花牡荆种实于2021年12月采自上海虹越公司,去除杂质后,取饱满、大小均匀的种实用于实验。
1.2 方法 1.2.1 种实形态结构观察随机取100粒穗花牡荆种实,使用千分尺测量种实直径和长度,并称量计算千粒重。用手术刀片在体式显微镜下对种实进行横向解剖,观察种胚发育状况,并分别记录每个种实中的发育心室数、种子数、非败育种子数、败育种子数,计算平均每粒种实中种子数和结种率,重复5次。
平均每粒种实中种子数(个)=非败育的种子数/实验种实数;" role="presentation">平均每粒种实中种子数(个)=非败育的种子数/实验种实数;
1.2.2 种实解剖结构观察采用常规石蜡切片方法并进行了改良[26]。随机选取适量未萌发、赤霉素浸种后露白和胚轴伸出3个阶段的种实,放入FAA固定液中,加入适量甘油软化,固定48 h以上,后乙醇逐级脱水,二甲苯透明,浸蜡包埋,于Leica RM2235手动切片机上进行切片,选择切片厚度为8~10 μm,展片烤片后,用1%番红溶液和0.5%固绿溶液进行染色,制成永久切片后,在SDPTOP CX40显微镜下观察。
1.2.3 种子催芽方法研究实验前,使用5%次氯酸钠溶液对所有穗花牡荆种实进行消毒处理15 min,后用清水冲洗数次,吸干水分后分组进行处理。
(1)单因素催芽处理
刻伤果皮:用刀片对种实表面进行刻伤处理,刮去外果皮和中果皮,后用流水洗净。
浓硫酸浸种:分别用98%浓硫酸浸种30、60、120、180 min,后用流水洗掉种实表面的炭化层。
温水浸种:将种实浸泡在装有蒸馏水的烧杯内,烧杯置于水浴锅中,分别在25 ℃、45 ℃、65 ℃下浸泡10 h。
赤霉素浸种:分别用200、400、600、800 mg/L的赤霉素水溶液浸种24 h,后用流水冲洗3次。
取直径9 mm的塑料培养皿,放入2层滤纸,加入适量蒸馏水,每个培养皿内放置30粒种实,重复3次,并设置1组空白对照组。
(2)多因素催芽处理
采用L9(33)正交实验,3因素和3水平设置见表1。
表 1 穗花牡荆催芽处理正交实验组合
Table 1. Orthogonal experimental combinations of sprouting treatments for Vitex agnus-castus fruit and seeds
编号取直径9 mm的塑料培养皿,放入2层滤纸,加入适量蒸馏水,每个培养皿内放置30粒种实,重复3次,并设置1组空白对照组。
将培养皿放入人工培育箱内(恒温 25℃,光照14 h),连续观察15 d,测定种子的发芽势、发芽率、发芽指数和开始萌发日。
发芽势(%)=(前7d内发芽粒数/供试种子总粒数)×100%" role="presentation">发芽势(%)=(前7d内发芽粒数/供试种子总粒数)×100%
发芽率(%)=(发芽粒数/供试种子总粒数)×100%" role="presentation">发芽率(%)=(发芽粒数/供试种子总粒数)×100%
开始萌发日为第1粒种子露白的天数。
1.3 数据分析采用Excel 2016软件进行数据处理,SPSS 26软件进行方差分析及显著性分析,Origin 2021软件制作图表。
本研究发现,穗花牡荆为核果,圆球形或卵圆形,千粒重为8.14 g,纵轴长为3.77~4.31 mm,横轴长为2.81~3.33 mm。下承托以扩大的宿萼,上有果脐(图1:A、B)。外果皮呈黑褐色,与肉质中果皮贴合;内果皮骨质,对种子起到保护作用(图1:C)。穗花牡荆发育子房0~2室,每室有胚珠1颗,胚珠侧生于中轴胎座上。种子长椭圆形,柔软易碎。种皮表面粗糙,乳白色,与种胚分界明显(图1:D、E)。种子无胚乳,种胚含有两片紧密贴合的子叶,白色,略呈透明状,大小相等,相互对称,占种子绝大部分体积。
图 1 穗花牡荆种实形态
A:果实正视图,宿萼扩大承托果实;B:果实顶视图,顶端有一凹陷孔;C:果实外中内果皮;D:果实纵剖图,内含败育种子;E:种子正视图。
Figure 1. Fruit and seed morphology of Vitex agnus-castus
A: Front view of fruit, with persistent calyx enlarged to support fruit; B: Top view of fruit, with a recessed hole at the top; C: Exocarp, mesocarp, and endocarp of fruit; D: Longitudinal section of fruit containing abortive seed; E: Front view of seed.
穗花牡荆多存在空室、种子败育情况。实验种实中,存在以下几种情况:(1)果实内部果肉充实,没有发育的心室及种子;(2)果实有1个发育心室,内有1个发育饱满的种子;(3)果实有1个发育心室,心室内的1个种子萎缩;(4)果实有2个发育心室,并各有1个非败育的种子;(5)果实有2个发育心室,1个发育心室中有1个非败育种子,另一个有1个败育种子;(6)果实有2个发育心室,内部种子均败育(图2)。
图 2 穗花牡荆种子发育情况
A:无发育心室无种子;B:1个发育心室1个非败育种子;C:1个发育心室1个败育种子;D:2个发育心室2个非败育种子;E:2个发育心室,1个非败育种子1个败育种子;F:2个发育心室2个败育种子。
Figure 2. Seed development type of Vitex agnus-castus.
A: No developed ventricle and seed; B: One developed ventricle and one seed; C: One developed ventricle and one abortive seed; D: Two developed ventricles and two seeds; E: Two developed ventricles, one seed and one abortive seed; F: Two developed ventricles and two abortive seeds.
对实验种实的发育情况进行统计分析,发现穗花牡荆没有发育心室的种实占实验种实的78.6%,而种实内有1个发育心室的比例明显高于2个发育心室。含有败育种子的种实占13.2%,含有非败育种子的种实占8.8%,每粒种实中平均种子数低至0.09个,结种率仅有21.4%(表2)。
表 2 穗花牡荆种实种子发育情况
Table 2. Fruit and seed development type of Vitex agnus-castus
种子发育情况观察发现,外果皮由外侧角质层及3~5层排列致密的表皮细胞组成;中果皮是4~6层海绵组织,内有维管系统,环腕部存在对称的2根维管束垂直于胎座连到心室;内果皮由3~5层石细胞组成,细胞壁明显加厚,趋于木质化(图3:A、B);近果柄端的果皮向内膨大为果肉(图3:A、B);胎座存在纵向贯穿果实的主脉维管束(图3:B、C)。
图 3 穗花牡荆种实的解剖结构
A:3层果皮结构(1:外果皮;2:中果皮;3:内果皮);B:果实横剖图(1:中轴胎座维管束;2:中果皮维管束);C:果实横剖图(1:中轴胎座维管束;2:内果皮;3:透明胶质粘液层;4:种皮);D:种子局部横剖图(1:种皮;2:子叶);E:种子纵剖图(1:胚根;2:胚轴;3:胚芽;4:子叶;5:种皮);F:种子胚根处横剖图(1:表皮原;2:皮层原;3:中柱原);G:种子胚轴处横剖图(1:表皮原;2:皮层原;3:中柱原外侧;4:中柱原内侧);H:败育种子横剖图;I:败育种子纵剖图。
Figure 3. Anatomy of fruit and seed of Vitex agnus-castus
A: Three-layer pericarp structure (1: Exocarp; 2: Mesocarp; 3: Endocarp); B: Transection of fruit (1: Placental bundle of central axis; 2: Vascular bundle of mesocarp); C: Transection of fruit (1: Placental bundle of central axis; 2: Endocarp; 3: Hyaline colloid mucilaginous layer; 4: Testa); D: Partial transection of seed (1: Testa; 2: Cotyledon); E: Longitudinal section of seed (1: Radicle; 2: Hypocotyl; 3: Plumule; 4: Cotyledon; 5: Testa); F: Transection of seed radicle (1: Epidermogen; 2: Periblem; 3: Plerome); G: Transection of seed hypocotyl (1: Epidermogen; 2: Periblem; 3: Plerome outside; 4: Plerome inside); H: Transection of abortive seed; I: Longitudinal section of abortive seed.
种皮通过透明胶质粘液层与内果皮相连(图3:C)。种皮由3~4层规整的长方形薄壁细胞组成,核大质浓。种皮与胚存有间隙,子叶扁椭圆形,薄片状,胞内有拟晶体、糊粉粒和脂肪油,贮藏营养物质(图3:D)。
胚呈现鱼雷形,由子叶、胚芽、胚轴和胚根4部分构成。子叶已分化出维管组织,胚根顶端呈光滑圆锥形(图3:E)。胚轴和胚根已分化出表皮原、皮层原、中柱原。胚根尖端的1层细胞为根冠原,小且密,质较浓;表皮原为1层长方形细胞组成;内侧皮层原是体积略大的薄壁细胞;最中间为中柱原,内部细胞体积较大,将分生成髓,外部细胞较小,将发育成维管束(图3:F、G)。
含有败育种子的发育心室中,近胎座端的心皮由排成栅栏状的组织层组成,存在分化成具有厚细胞壁的石细胞的趋势。种胚未完成分化,栅栏状组织层包裹着成团的薄壁细胞(图3:H、I)。
由此可知,种胚在形态上已经发育完全,结合体式解剖的观察,发现内果皮厚实坚硬,另外种胚败育情况较多。
种胚萌发时,胚根率先萌动,该部位的分生细胞开始增大伸长,使胚根从近果柄端突破种皮和果皮。随着胚根的生长,其根冠原、皮层原和中柱原开始分化。胚根前端的根冠雏形围绕保护分生组织(图4:A、B);染色较深且排列密集的细胞群为分生组织;后端为伸长区,细胞狭长,已有螺纹导管分化;成熟区表皮细胞排列紧密,外壁向外突起形成根毛(图4:C)。胚轴随后显著伸长,该处细胞小且多,分裂旺盛,已分化出表皮、皮层和维管柱。表皮细胞排列整齐,呈短柱形(图4:D)。最后胚芽开始分化,呈现初生叶的形态(图4:E)。
图 4 穗花牡荆种子的萌发动态解剖结构
A:根冠原横剖图;B:分生区纵剖图(1:根冠原;2:皮层原);C:伸长区纵剖图(1:根毛;2:维管束);D:胚轴横剖图(1:表皮;2:皮层;3:维管束);E:种子萌动露白时的横剖图(1:子叶;2:胚芽;3:胚轴;4:胚根;5:维管束);F:子叶解剖图。
Figure 4. Dynamic anatomy of Vitex agnus-castus seed germination
A: Transection of root cap; B: Longitudinal section of meristematic zone (1: Root cap; 2: Periblem) ; C: Longitudinal section of elongation zone (1: Root hair; 2: Vascular bundle); D: Transection of hypocotyl (1: Epidermis; 2: Cortex; 3: Vascular bundle); E: Transection of seedling establishment (1: Cotyledon; 2: Plumule; 3: Hypocotyl; 4: Radicle; 5: Vascular bundle); F: Transection of cotyledon.
2.3 种子催芽方法研究 2.3.1 单因素催芽处理由表3可知,相较于对照组,经过刻伤果皮处理的种子发芽率仅提高了1.11%,发芽指数提高了0.05,开始萌发日提早了5 d,整体促进作用不明显。
表 3 不同单因素催芽方式对穗花牡荆种子萌发的影响
Table 3. Effect of different single-factor germination methods on germination of Vitex agnus-castus seeds
处理方法浓硫酸浸泡后,种实的外果皮和中果皮被腐蚀碳化,坚硬的内果皮有破损孔隙(图5),吸水效率变高,种子突破果皮的机械阻力降低,从而提高种子的发芽率。不同于其他催芽方式,经过浓硫酸浸泡后,多数种子的胚根由形态学上端的远果柄处刺破果皮,后撑裂果实。
图 5 穗花牡荆种实酸蚀后形态
A:种实酸蚀后外部形态,外、中果皮腐蚀;B:种实酸蚀后横剖图。
Figure 5. Morphology of Vitex agnus-castus fruit and seed after acid erosion
A: External morphology of fruit and seed after acid erosion, with corroded exocarp and mesocarp; B: Transection of fruit and seed after acid erosion.
浓硫酸浸种30、60、120和180 min后,种子的发芽势和发芽指数均有所提高,萌发所需的时间也大幅缩短,但是发芽率没有提升。催芽效果最好的是浓硫酸浸种120 min,较对照能够分别将发芽势和发芽指数显著地提升至7.78%和0.97(P < 0.05),极其显著地缩短萌发所需的时间(P < 0.01),同时发芽率能够达到7.78%。随着浓硫酸浸种时间的增加,发芽势、发芽率和发芽指数呈先增加后降低的趋势,开始萌发日呈先降低后增加的趋势。
在25 ℃、45 ℃、65 ℃温水浸泡的处理下,仅有45℃浸种处理后的种子在15 d内萌发,其发芽势达到1.11%,发芽率达到4.44%,发芽指数达到0.18,平均在第8 d开始萌发,其余处理均未萌发,催芽效果并不理想。
经不同浓度的赤霉素浸种催芽处理后,穗花牡荆种子萌发所需的时间极其显著地缩短到4 d(P < 0.01)。种子的发芽势、发芽率和发芽指数较对照相比有不同程度的提高,但并非所有浓度都与对照存在显著差异,400、600、800 mg/L赤霉素浸种处理与对照具有显著差异(P < 0.05),而200 mg/L的处理无显著差异(P > 0.05)。600 mg/L赤霉素浸泡的种子发芽势、发芽率和发芽指数提升最大,分别达到11.11%、11.11%和0.71。不同浓度的赤霉素处理与种子的发芽势、发芽率和发芽指数之间并非呈直线正相关,当赤霉素浓度小于600 mg/L时,随着浓度的增加,种子的各发芽指标呈逐渐增加的趋势,而浓度达到800 mg/L后,各项发芽指标有所降低,而开始萌芽日不受影响。
2.3.2 多因素催芽处理经单因素实验发现,浓硫酸浸种和赤霉素浸种的催芽效果较好,然而由于穗花牡荆果皮较硬较厚,可能影响内部种子对赤霉素的吸收,所以单一处理后的种子萌发效果一般,因此探究两种处理组合对穗花牡荆种子萌发的促进。
由表4可知,在各组处理中,处理5和处理8均能够极其显著地提高发芽势(P < 0.01),而仅有处理8能够显著提高发芽率和发芽指数(P < 0.05),因此最佳的催芽组合为处理8,即将穗花牡荆种实酸蚀120 min后再用600 mg/L的赤霉素浸种24 h,该处理可以使种子的发芽势达到10%,发芽率达到14.44%,发芽指数达到1.09。
表 4 浓硫酸和赤霉素浸种的组合处理对穗花牡荆种子萌发的影响
Table 4. Effect of combined concentrated sulfuric acid and gibberellin immersion treatment on Vitex agnus-castus seed germination
处理主体间效应分析发现浓硫酸浸种时间和赤霉素浸种浓度两个因素对发芽势起着主要影响,两者的主效应达到显著性水平(P < 0.05),而赤霉素浸种时间的主效应不显著(P > 0.05)。另外,3个因素对发芽率、发芽指数和开始萌发日的主效应均不显著(P > 0.05)。
种子的形态是物种遗传的重要特征之一,不仅决定其扩散能力,也影响种子萌发、幼苗存活和定植,对种群更新有重要意义。通过观察穗花牡荆的种实可以发现,虽然种实外部发育饱满,但是其内部空室情况严重,且种子多败育。这与 Shah 和 Bridgen[22]的发现相符,该研究认为穗花牡荆可能存在种子败育的情况,无法产生大量具有萌发能力的种子。此外同科属的单叶蔓荆(Vitex rotundifolia L. f.)同样具有空室现象[14]。另外,由于种子粒小质轻,难以用常规方法进行筛选,这造成了利用整粒种实播种后多数种子无法发芽的问题,极大地影响了种实繁殖的应用难度。
穗花牡荆种实的解剖结构观察结果与单叶蔓荆种实的解剖结果[14]相同,穗花牡荆的种胚发育完全,不存在形态休眠,但是种子被一层坚硬厚实的骨质内果皮所包裹,《中国木本植物种子》[27]中也有记载:越南牡荆(Vitex tripinnata (Lour.) Merr.)的内果皮发育成的核壳木质或骨质。这种情况极大阻碍了种子吸水萌发的过程,导致种子在未经任何催芽处理下,需要经过较长的一段时间,胚根才能够突破果皮。
3.2 穗花牡荆催芽方式研究牡荆属植物大多具有坚硬内果皮,为种实生产与选育带来诸多的困难和不便,影响了正常的育苗工作,因此穗花牡荆的种子催芽研究具有重要的实际意义。
3.2.1 刻伤果皮和温水浸种对穗花牡荆种子萌发的影响针对种皮坚硬的种子,刻伤种皮和温水浸种都是相对有效的催芽方法,前者通过破坏种皮,增加种子透气透水性,后者可以软化种皮[28]。但是本实验中,刻伤果皮和温水浸种对穗花牡荆的催芽效果并不理想。原因可能是刻伤时人力无法均匀作用在硬厚果皮上,导致果皮各部位的破损状态不统一,关键部位的机械阻力没有消除,因此种子难以萌发。而温水浸泡并没有软化骨质的内果皮,没有起到破除机械阻力的作用,同时对加速酶的作用较小,促进物质转化的能力较差,因此对种子发芽率提升作用不大。这与孙秀琴和田树霞[6]温水浸种实验的结果相似,温水浸种对荆条(Vitex negundo var. Heterophylla (Franch.) Rehder)种子萌发并无促进作用,过高的水温还会使种子无法萌发。
3.2.2 浓硫酸浸种对穗花牡荆种子萌发的影响前人研究中,常使用酸蚀消除硬壳种子的机械阻碍,Belhadj等[21]以及Shah 和Bridgen[22]均通过浓硫酸浸种提高了穗花牡荆的种子萌发率。本研究发现,穗花牡荆种实经过98%的浓硫酸浸泡120 min后,第2 d便有种子开始萌发,且发芽势和发芽指数显著提高,发芽势可达7.78%,发芽指数可达0.97,而发芽率达到7.78%。从外部照片与石蜡切片中可以看出浓硫酸浸种适当时间后,外中果皮碳化脱落,内果皮破裂,珠孔等部位的堵塞物得以消除,胚的透性增强,种子萌发迅速。而浓硫酸浸泡时间过短或过长,对于催芽效果均不明显,时间过短浓硫酸无法完全腐蚀内果皮,时间过长浓硫酸则会穿透坚硬的内果皮,侵蚀种胚,进而影响种子萌发。
3.2.3 赤霉素浸种对穗花牡荆种子萌发的影响植物激素能够对种子内部的酶或重要代谢过程产生直接或间接的影响,从而影响种子活力[29, 30]。本研究中,经过24 h的不同浓度赤霉素溶液浸泡后,穗花牡荆种子的发芽势、发芽率和发芽指数均得到不同程度的提升。研究发现,蓝花棘豆(Oxytropis coerulea (Pall.) DC.)[31]、杜仲(Eucommia ulmoides Oliv.)[32]及牡荆(Vitex negundo L. var. cannabifolia)[10]种子的发芽率在经过适宜浓度的赤霉素浸种后均有所提高,本研究结果与这些报道一致。处理后的种子发芽速度得到极大地提升,开始萌发日极显著地缩短到4 d。在各个组处理中,600 mg/L的赤霉素溶液浸泡的效果最好,获得最高发芽率的同时,实现较其他水平处理更高的发芽势和发芽指数,其中发芽势为11.11%,发芽率为11.11%,发芽指数为0.71。
3.2.4 浓硫酸和赤霉素组合浸种对穗花牡荆种子萌发的影响为了实现更好的催芽效果,前人常将多种催芽方式结合起来进行实验,魏灵敏等[33]及孙荣进和罗光明[14]将浓硫酸和赤霉素浸种两种效果较好的处理方式结合起来进行实验,均取得显著效果。本研究发现,在各组合处理下,各项发芽指标均具有显著提高,种子萌发的机械阻力破除的同时,内部代谢活动也得到促进,催芽效果明显。其中,浓硫酸溶液酸蚀穗花牡荆种实120 min后,用600 mg/L的赤霉素浸泡24 h的催芽效果最好,能够显著将发芽势、发芽率和发芽指数提高到10%、14.44%和1.09。
本研究利用石蜡切片技术观察了穗花牡荆种实的形态特征、解剖结构以及萌发过程中的动态变化,发现穗花牡荆种实空粒严重且内果皮骨质,是其种子发芽率较低的主要原因。通过多种组合研究发现,最佳的催芽方式为种实在浓硫酸溶液中酸蚀120 min后用600 mg/L的赤霉素浸泡24 h。在探究了穗花牡荆种实结构的基础上,还对赤霉素浸种、浓硫酸浸种等催芽方式进行了探讨,但是种实败育的原因以及其他更为理想的催芽方式还需进行系统研究。
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