播種的生物學(xué)機(jī)制與種子引發(fā)技術(shù)
種子是由受精胚珠發(fā)育而來的，是可脫離母體的延存器官。植物的生存周期嚴(yán)格的說是從受精卵分裂形成胚開始的，但目前習(xí)慣上認(rèn)為種子是植物生存周期的起始，因此播種自然成為人們進(jìn)行植物繁殖的主要手段。
種子到植物體，首先要經(jīng)過萌發(fā)（germination）階段。風(fēng)干的種子的生理活性極其微弱，基本上處于靜止?fàn)顟B(tài)，即所謂休眠狀態(tài)。當(dāng)種子吸收了充足的水分，在適宜的條件下，有活性的種子就可以萌發(fā)。所謂萌發(fā)，可以從三個(gè)學(xué)科角度去描述和定義：
形態(tài)學(xué)角度：萌發(fā)是具有生命力的種子吸水后，胚生長突破種皮界限并形成幼苗的過程。通常認(rèn)為胚根突破種皮是萌發(fā)的標(biāo)志。
生理學(xué)角度：萌發(fā)是無休眠或者已解除休眠的種子吸水后又相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為生理活動(dòng)狀態(tài)，呼吸作用增強(qiáng)，儲(chǔ)藏物質(zhì)被分解并轉(zhuǎn)化為可供胚利用的物質(zhì)，引起胚生長的過程。
生物化學(xué)與分子生物學(xué)角度：萌發(fā)的本質(zhì)是水分、溫度等因子使種子的某些基因表達(dá)和酶的活化，引起的一系列與胚生長有關(guān)的生化反應(yīng)。
種子萌發(fā)需要經(jīng)過三個(gè)階段，他們是：
第一階段——吸脹吸水期：此階段主要依賴種子內(nèi)膠體成分吸收水分，是原來的凝膠狀態(tài)的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿苣z狀態(tài)的物質(zhì)，此時(shí)諸多大分子的鏈得以舒展，種子細(xì)胞恢復(fù)原有的結(jié)構(gòu)和功能。值得指出的是，此時(shí)期的吸水與種子是否有活性無關(guān)，也就是說死種子也可以經(jīng)歷吸脹吸水期，表現(xiàn)為種子膨大。
第二階段——緩慢吸水期：經(jīng)過了第一期的吸水作用，種子原生質(zhì)體的水合程度已經(jīng)趨于飽和；細(xì)胞膨壓增加和種皮的限制，阻礙了進(jìn)一步吸水。此時(shí)種子吸水呈現(xiàn)由快吸水轉(zhuǎn)向慢吸水階段，此時(shí)種子細(xì)胞內(nèi)多種酶蛋白恢復(fù)活性，休眠的DNA恢復(fù)活性，開始轉(zhuǎn)錄信使RNA。同時(shí)啟動(dòng)大量酶促反應(yīng)，表達(dá)多種蛋白。與此同時(shí)，種胚細(xì)胞開始合成、分泌赤霉素（GA），促進(jìn)胚乳的分解，以提供胚細(xì)胞生化反應(yīng)的原料。由于大量的胚乳分解物質(zhì)進(jìn)入胚細(xì)胞內(nèi)，胚細(xì)胞內(nèi)液滲透壓上升，又加快了吸水，所以細(xì)胞進(jìn)入萌發(fā)第三期。
第三階段——生長吸水期：由于細(xì)胞代謝的加快和胚細(xì)胞滲透壓上升，導(dǎo)致吸水速度由第二期的慢吸水進(jìn)行性加快。此時(shí)，胚根、胚芽中的核酸、蛋白質(zhì)等生命物質(zhì)代謝旺盛，胚細(xì)胞的生長引起了種皮外觀的可見萌動(dòng)。當(dāng)胚根突破種皮后，有氧呼吸加強(qiáng)，新生器官生長迅速，表現(xiàn)為種子滲透吸水和鮮重的持續(xù)增加。
在整個(gè)萌發(fā)過程中，有許多機(jī)制在調(diào)節(jié)，目前認(rèn)為是赤霉素水平在起主要作用：在萌發(fā)第二期，胚細(xì)胞開始分泌赤霉素，它促進(jìn)了胚乳的分解，并轉(zhuǎn)運(yùn)到胚細(xì)胞內(nèi)。這時(shí)胚乳就好像一個(gè)營養(yǎng)“源”，分解后的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到胚細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)內(nèi)形成“庫“，進(jìn)而提供原料給諸多的生化反應(yīng)利用。“源“內(nèi)物質(zhì)的分解決定“庫“內(nèi)小分子物質(zhì)的量；“庫“內(nèi)貯存物質(zhì)的量又影響赤霉素的合成，反作用于“源“內(nèi)物質(zhì)的分解。“源“與“庫“相互影響，相互協(xié)同，保證了營養(yǎng)物質(zhì)有效的被細(xì)胞所利用，這個(gè)就是著名的“源——庫“理論。該理論對(duì)胚乳的生物學(xué)利用和種子引發(fā)了有重要的指導(dǎo)意義。
種子萌發(fā)的條件主要是水分、溫度、氣體成分和光照：水分是萌發(fā)最主要的因素，種子吸水的程度和狀態(tài)直接導(dǎo)致萌發(fā)率和決定苗的健康狀況。溫度等因素對(duì)種子吸水也具有很大的影響，在一定范圍內(nèi)，溫度越高，吸水越快，萌發(fā)也就越快。但溫度過高也容易導(dǎo)致微生物的過度繁殖，影響萌發(fā)，所以溫度一般要控制在適中的范圍，大多數(shù)多肉植物喜歡在25~35度夏萌發(fā)；水中鹽物質(zhì)的量也決定吸水的效果，含鹽過高則不能使種子有效吸水，同時(shí)抑制抑制細(xì)胞呼吸，甚至導(dǎo)致種子腐爛。氧氣也是種子必不可少的萌發(fā)條件，低氧的氣體環(huán)境將會(huì)使種子細(xì)胞窒息死亡，所以提高氧的含量（大于10%）對(duì)種子萌發(fā)是有好處的。光照因素主要決定赤霉素的合成與分泌，從而決定胚乳的有效利用，最終決定苗子的健康狀態(tài)，所以適當(dāng)?shù)墓庹沼欣诜N子萌發(fā)和苗的健康。外源使用赤霉素，在一定程度上可以代替萌發(fā)第二、三階段的光照，即可以暗光萌發(fā)，但是萌發(fā)后的幼苗還是要見光的，這樣才能有效調(diào)動(dòng)光合作用的進(jìn)行。
種子引發(fā)（seed prming）技術(shù)是基于上述種子萌發(fā)的生物學(xué)機(jī)制提出的，目的是促進(jìn)種子萌發(fā)，并且提高萌發(fā)時(shí)間的穩(wěn)定率和萌發(fā)整齊率，減小萌發(fā)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差，提高苗的抗性和素質(zhì)、改善營養(yǎng)狀況。引發(fā)主要通過滲透調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)和激素調(diào)節(jié)等來達(dá)到目的。
基于滲透調(diào)節(jié)的液體引發(fā)是通過對(duì)細(xì)胞水分的供給速度和程度的調(diào)節(jié)來控制種子萌發(fā)的速度和整齊度的，它主要考慮使用高膠體滲透壓溶液或者適當(dāng)晶體滲透壓的鹽溶液來調(diào)控種子吸水。常用的化學(xué)物質(zhì)是PEG，PEG是一種高分子聚合物，化學(xué)穩(wěn)定性高，不透過細(xì)胞壁，因而不影響細(xì)胞的生化反應(yīng)，PEG溶液通過膠體滲透勢來調(diào)控細(xì)胞吸水的程度和狀態(tài)，能使種子的吸水趨于穩(wěn)定和同步化，最終提高萌發(fā)率和整齊率，比采用單一的水浸泡引發(fā)要有效的多。鹽溶液引發(fā)也是很常用的，例如氯化鈣、硝酸鉀等物質(zhì)可以改變?nèi)芤旱乃畡輥斫档图?xì)胞滲透勢，是細(xì)胞吸水趨于平穩(wěn)，同時(shí)這些鹽分子還可以進(jìn)入細(xì)胞，對(duì)代謝活動(dòng)產(chǎn)生積極影響。
固體基質(zhì)引發(fā)是比較常用的一種種子引發(fā)方法，它主要通過種子從固相載體中吸水達(dá)到平衡而起到引發(fā)作用。常用的基質(zhì)是蛭石、多孔粘土、合成硅酸鈣和濾紙等物質(zhì)。
抗菌物質(zhì)的使用：種子萌發(fā)過程中，微生物的影響是很顯著的，一些病原微生物對(duì)種子的萌發(fā)具有抑制作用，同時(shí)也危害剛剛萌出的幼苗，造成腐爛。同時(shí)微生物的繁殖也有利于害蟲的滋生，蠶食幼苗。所以抗菌處理是種子引發(fā)的關(guān)鍵，首要的措施就是對(duì)播種相關(guān)物品的消毒和種子消毒，一些氧化性化學(xué)物質(zhì)如：過氧化氫、高錳酸鉀、過氧醋酸都具有顯著的殺菌作用，還可以腐蝕種皮并提供一些氧氣共給種子萌發(fā)需要。過氧化氫是一種分解后無殘留的化學(xué)物質(zhì)，所以是一種種子引發(fā)的首選化學(xué)試劑，常用濃度是0.1~1%,浸泡種子作用1~24小時(shí)，可以大大促進(jìn)種子萌發(fā)。另外，近年來研究的“PEG聯(lián)合抗生素”引發(fā)種子也可以取得很好的效果，通常在一定濃度的PEG溶液加入廣譜抗生素，如四環(huán)素、青霉素+鏈霉素、磺胺類、大環(huán)內(nèi)酯類等抗生素。抗真菌物質(zhì)也是必不可少的，通常加入到萌發(fā)過程中的水中，首選多菌靈和甲基托不津等。多肉植物百歲蘭是典型的真菌敏感型的種子，他的種子富含脂質(zhì)，利于真菌生長，為了提高它的萌發(fā)率必須有效的使用抗真菌物質(zhì)。
激素的應(yīng)用：赤霉素可以促進(jìn)胚乳的分解，作用于種子萌發(fā)第二期到第三期，是種子萌發(fā)必不可少的一種激素。外源使用赤霉素，可以打破種子休眠，促進(jìn)萌發(fā)，并且提高種子抗性，通常使用濃度為10~100ppm噴施；生長素可以促進(jìn)細(xì)胞伸長和胚根發(fā)育，細(xì)胞分裂素可以促進(jìn)胚細(xì)胞分裂和胚芽的發(fā)育，這兩種激素也可以促進(jìn)種子萌發(fā)，也可以適當(dāng)使用，通常選用1-奈乙酸（NAA）10ppm、6-芐氨基嘌呤（6BA）或激動(dòng)素（KT）10~50ppm噴施。
細(xì)胞信號(hào)分子的應(yīng)用：這個(gè)領(lǐng)域是最近幾年開始深入研究并逐步應(yīng)用到實(shí)際上的，主要是水楊酸生物化學(xué)的研究。水楊酸是一種重要的生物信號(hào)分子，它和茉莉酸、脫落酸共同構(gòu)成植物細(xì)胞轉(zhuǎn)導(dǎo)體系的三大信號(hào)分子。它主要的作用是誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)抗性基因的表達(dá)，提高種苗的抗性和素質(zhì)，在萌發(fā)第三期適當(dāng)使用水楊酸鹽或乙酰水楊酸（阿司匹林）可以有效提高出苗的品質(zhì)，常用濃度：阿司匹林10~50ppm出苗期噴施。
細(xì)胞周期藥物的應(yīng)用：由于種子的本身和種皮的差異，往往導(dǎo)致種子萌發(fā)不整齊，這對(duì)統(tǒng)一控制和育苗是不利的。如何提高種子萌發(fā)的一致性，是種子引發(fā)要解決的重要問題之一。目前的各種引發(fā)技術(shù)都可以在一定程度上提高一致性，如果還要繼續(xù)提高一致性或整齊率，則可以采用化學(xué)藥物控制。首選的是細(xì)胞周期控制劑類物質(zhì)，常用的是“羥基脲“，這是一種醫(yī)學(xué)上治療慢性粒細(xì)胞白血病的常用藥物。通常使用100ppm浸泡種子就可以顯著提高萌發(fā)整齊率，遺憾的是這種物質(zhì)是一種化學(xué)誘變劑，如果濃度和時(shí)間掌握不好會(huì)造成染色體畸變或基因突變。
生物引發(fā)：這個(gè)領(lǐng)域是目前最為前沿的，它主要采用無害微生物作為包衣，包裹在種子表面。利用微生物之間的拮抗作用，來抑制病原微生物的危害。同時(shí)這些有益微生物可以提供給種子有效的營養(yǎng)和水分，促進(jìn)萌發(fā)，提高苗子的抗性。已經(jīng)成功的范例是采用含有熒光假單細(xì)菌的1.5%甲基纖維素溶液包裹種子，包裹后短暫回縮水分2小時(shí)，23度下吸水20分鐘即可播種，這樣引發(fā)的種子幾乎無病害和猝倒表現(xiàn)。
種子引發(fā)過程中存在諸多的生理學(xué)和生物化學(xué)的變化，這些生理生化變化共同起到了引發(fā)效果。值得指出的是，人工種子引發(fā)不僅僅可以提高萌發(fā)率，更可以提高整齊率和抗性，使得幼苗健壯，為后期的生長發(fā)育奠定良好的基礎(chǔ)。對(duì)于廣大愛好者，在正確播種的基礎(chǔ)上，適當(dāng)使用種子引發(fā)物質(zhì)對(duì)育種是有好處的。目前市場上種子引發(fā)商品還屬于空缺狀態(tài)，這就要求愛好者要了解一些種子萌發(fā)的知識(shí)，自己選擇和調(diào)配種子引發(fā)劑。誠然，種子引發(fā)是一把“雙刃劍“，更是一種經(jīng)驗(yàn)型的實(shí)踐，初學(xué)者還是要慎重使用種子引發(fā)物質(zhì)為宜。
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