云南不同水稻种子发芽力、衰退率和贮藏寿命的比较

周国雁，隆文杰，汤翠凤，雷涌涛，蔡 青，伍少云

(云南省农业科学院生物技术与种质资源研究所/云南省农业生物技术重点实验室/农业部西南作物基因资源与种质创制重点实验室，云南昆明 650205)

种子是被子、裸子植物最主要的繁殖器官和遗传物质的载体[1]，其质量或发芽力的高低，决定了种子的贮藏寿命和需要重新繁殖的时间。影响种子发芽力的因素虽然有很多，如收获前的病虫害、降水，收获后的加工脱粒及运输方法，等等。但是，对种子发芽力影响最大的因素则是种子本身的构造、化学成分、休眠程度等遗传因素。种子的自然寿命是其从完全成熟到自然衰老直至死亡所经历的时间期限，而贮藏寿命则是其在干燥保藏后保持一定生存能力的时间[2]，是自然寿命的有限延长。

研究表明，休眠是影响种子发芽力最主要的遗传因素。有休眠性的种子，一般也都有较低的发芽力，在贮藏后，它们中活下来的部分虽然比高活力种子中活下来的部分更可能有正态或接近正态分布的特征[3]，但是，它们的贮藏寿命不能用生存力模型[4]预测。因为休眠种子实际维持一定生存能力的期限可能比生存力模型预测到的要长得多[4]。种子休眠对种子贮藏寿命的负作用已有报道，在拟南芥种子中，深休眠的种子有较短的贮藏寿命，浅休眠的种子则有较长的贮藏寿命[5]，即种子休眠程度与其贮藏寿命呈显著的负相关[2]。但这种负作用没有在普通小麦种(Triticumaestivum)普通小麦亚种(ssp.aestivum)的栽培品种中被发现，因为小麦种子的休眠和贮藏寿命是被独立控制的[6-7]。

不同品种甚至同一品种在不同地点或同一地点不同年份繁育的种子，其发芽力和贮藏寿命都可能不同。研究和比较不同种子贮藏寿命的2个重要指标，分别是衰退率和半活期[4]，前者是种子发芽率(y)和贮藏时间(x)线性回归方程的回归系数，也是回归直线的斜度和种子死亡时间分布的标准差[4-8]，后者是种子在贮藏过程中发芽率降至50%的贮藏时间[4-8]。本研究通过5份育成水稻品种种子的发芽试验和贮藏试验，比较不同种子的休眠性、在不同贮藏环境中的衰退率和贮藏寿命，为水稻种质资源的更新繁育和安全保藏提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料及干燥处理

由于每一个品种的种子都需要在每一个温度和种子含水量组成的贮藏试验环境条件下至少测得3对发芽率和对应贮藏时间的数据，即至少进行3次发芽试验，每次发芽重复3次，以每个重复50粒计，9个环境共需种子4 000多粒，以每千粒25 g计，相当于每一个品种至少需要100 g以上种子。因此，选用的参试水稻品种凤稻20号、合系22号、云恢188和沾粳9号等4份粳稻和1份籼稻云紫一号(表1)是在2013年7月入库后，剩余种子量大于200 g的品种。和同期入库的其他225个品种一样，这些种子都是2012年晚稻季节在云南省西双版纳傣族自治州景洪市繁殖，2013年5月中旬送交种质库，然后在25～35 ℃、相对湿度15%～25%干燥室条件下处理40 d(约8 h/d)。

1.2 种子贮藏及发芽试验

首先，采用农作物种子检验规程(GB/T3543—1995)测定参试品种的种子含水量(W1)和初始发芽率(IGP，表1)，然后分成3份。第1份再分成20～36份，每份300～400粒，分别密封在10 cm×15 cm的铝箔袋内，放在-5～-10 ℃的种质库内保存待用。第2份置于上述干燥室条件下继续脱水处理约15 d，使其含水量(W2)比W1低。第3份被装于牛皮纸袋，平铺于室内地面15 d，其间每2～3 d翻动1次，使其含水量(W3)比W1高。待第2、第3份种子处理结束并测定其含水量W2和W3后，也分成20～36份，分别密封在上述铝箔袋内待用。

种子贮藏试验开始于2013年11月1日。首先，将事先密封好的含水量为W1、W2和W3的种子，以6～12小袋为1组，分别置入温度为30、40、50 ℃的恒温箱内保藏。然后，贮藏至第15天开始，依据不同温度和种子含水量组成的贮藏试验环境，分别从中取出1小袋种子，按照农作物种子检验规程(GB/T3543—1995)进行发芽试验，每重复100粒，共重复 3～4次，记录从贮藏试验开始至发芽试验当日的贮藏时间(d)。具体为贮藏在环境6～9的种子间隔7～15 d，环境3～5的种子间隔15～30 d，环境1和环境2的种子间隔 30～90 d，做1次发芽试验。当某个环境下的某品种种子在连续2次发芽试验中的平均发芽率都为0或者种子被耗尽时，该品种在这个环境下的贮藏试验便结束(2016年8月1日)。在所有种子的贮藏试验结束后，整理获得的种子发芽率及对应贮藏时间的数据发现，在环境6(温度40 ℃、种子含水量11.4%～11.6%)下，除获得云恢188和云紫一号的3对有效数据外，没有采集到另3个品种的有用数据，也没有在环境9(温度 50 ℃、种子含水量11.4%～12.3%)下获得任何参试材料的数据(表1)。

1.3 贮藏试验环境导致死亡的种子比率

一般而言，在新收获的种子中，不发芽的种子通常包括发育不全、破碎、霉变等以及有休眠的种子。因此，新收获的种子在一定环境条件下保存一段时间后，出现的死亡率应为贮藏后不发芽的种子比率减贮藏前不发芽的种子比率，也就是贮藏前的种子发芽率减贮藏后的种子发芽率。如果种子在贮藏后的发芽率比贮藏前的发芽率还要高，则将其死亡率记为0。因为，一些休眠的种子可能在贮藏后解除了休眠。

1.4 种子衰退率和贮藏寿命估算与其存活、死亡曲线绘制

对于每一个贮藏环境，用IBM SPSS statistics 19的线性回归分析模型拟合种子的发芽率、死亡率对贮藏时间的线性回归方程，得到种子的衰退率。然后，由方程估算出表示种子贮藏寿命的半活期和半死期，后者是种子死亡率达到50%的贮藏时间(d)。另外，用Origin Pro 8的Nonlinear Curve Fit绘制种子的发芽率对贮藏时间的存活曲线及死亡率对贮藏时间的死亡曲线。

2 结果与分析

2.1 不同品种种子的发芽率比较

贮藏试验开始前，凤稻20号、合系22号、沾粳9号、云恢188和云紫一号种子的初始发芽率依次为73%、74%、88%、94%和92%。按原国际植物遗传资源委员会推荐的种质资源更新繁殖的发芽率标准(低于80%)[4]和判断种子休眠性的发芽率标准(低于80%)，前2个品种的种子属于发芽力低且有休眠的种子，后3个则属于高发芽力无休眠的种子(表1)。

贮藏试验结束时，大多数环境下种子的发芽率都有明显下降，但处在环境1和环境2下的沾粳9号、云恢188和云紫一号仍保持着86%～92%的发芽率(表1)，与初始发芽率(IGP)相比，几乎没有降低。不仅如此，这些品种在一些环境中的最大发芽率比IGP还略有提高。例如，沾粳9号在环境1、环境2、环境4中的最大发芽率较IGP分别提高了6、5、3百分点；云恢188在环境1～5及环境7中的最大发芽率保持在96%以上，较94%的IGP提高了2～5百分点；云紫一号在环境1、环境2的最大发芽率也比IGP增加了2百分点。但是，较IGP增加最多的是2个具有休眠性的凤稻20号和合系22号的种子。凤稻20号在环境1中的最大发芽率为85%，较IPG增加了12百分点；合系22号在环境2中的最大发芽率也较IGP提高了13百分点。

因此，不只是有休眠的种子才在相对低的贮藏温度和种子含水量形成的贮藏试验环境下有发芽率较IGP更高的现象，无休眠的种子也有类似现象发生。当然，休眠种子的发芽率上升的空间或幅度比无休眠种子的更大。

表1 参试材料的初始发芽率、贮藏环境和采集到的发芽率与对应的贮藏时间

2.2 不同品种种子在贮藏过程中的衰退率差异

已有研究表明，种子生活力的衰退不是等速下降的，是呈现前慢中快后慢的反“S”形。分析由IBM SPSS statistics 19拟合的种子发芽率(y)对贮藏时间(x)具有统计学意义(P<0.05或P<0.01)的线性回归方程(表2)，发现表示种子衰退率的回归系数在不同品种及贮藏环境之间有明显的差异。在环境3(贮藏温度30 ℃和种子含水量11.4%～12.3%，下同)下，除沾粳9号外，凤稻20号、合系22号种子的衰退率是云恢188和云紫一号种子的2.5倍以上。在环境4和环境5(40 ℃和7.8%～8.7%)下，凤稻20号种子的衰退率是云恢188和云紫一号的1.4～4倍。在环境7(50 ℃和7.6%～8.5%)中，凤稻20号和合系22号种子的衰退率是云恢188和云紫一号的1.3倍。

在种子死亡率(y)对贮藏时间(x)有统计学意义的方程中，种子衰退率也有上述类似的变化。在环境3中，凤稻20号、合系22号种子的衰退率是云恢188、云紫一号的2.7～2.9倍。在环境4和环境5中，凤稻20号种子的衰退率是云恢188、云紫一号的2～4倍。在环境7中，凤稻20号和合系22号种子的衰退率是云恢188、云紫一号的1.3倍以上。

另外，比较曲线图(图1)发现，凤稻20号、合系22号种子的曲线，比沾粳9号、云恢188和云紫一号种子的曲线少了一段发芽率缓慢下降或者死亡率缓慢上升的过程。前二者种子发芽率或死亡率几乎是从贮藏试验一开始就呈直线下降或上升的过程。所以，IGP低或种子具有休眠性的凤稻20号、合系22号的种子比无休眠而IGP高的种子生活力衰减更快。

2.3 不同品种种子的贮藏寿命差异

由表2可知，由具有统计学意义的回归方程估算出的表示种子寿命的半活期(xgp50)和半死期(xdp50)，在相同贮藏环境的不同品种和不同环境的相同品种之间也很大的差异。

半活期：在环境3中，凤稻20号种子的半活期最短，为38 d，合系22号75 d，沾粳9号94 d，云恢188和云紫一号的最长，分别为209 d和226 d。在环境4和环境5中，凤稻20号最短，为96 d和66 d，合系22号为200 d和143 d，沾粳9号为176 d和55 d，云恢188为438 d和332 d，云紫一号为253 d和261 d。在环境7下，凤稻20号最短，为17 d，合系22号和沾粳9号分别为40 d和58 d，云恢188和云紫一号都是96 d。

表2 参试品种在不同贮藏环境下的衰退率和贮藏寿命

半死期：在环境3中，凤稻20号种子的半死期最短，为72 d，合系22号和沾粳9号为108 d和110 d，云恢188和紫一号的最长，分别是229 d和255 d。在环境4和环境5下，凤稻20号最短，为185 d和101 d；合系22号为253 d，云恢188最长，为481 d和365 d；云紫一号为284 d和296 d。在环境7中，凤稻20号最短，为50 d，合系22号和沾粳9号为 65 d，云恢188和云紫一号最长，为104 d和107 d。

所以，有休眠的凤稻20号、合系22号的种子贮藏寿命，相对于无休眠的云恢188、云紫一号的种子贮藏寿命要短很多。

3 讨论与结论

3.1 发芽率与种子休眠

正常成熟并收获一定时间的种子，除机械损伤、病虫侵蚀等外，表现出的低发芽现象大多与种子本身的休眠有关。而具有休眠特性的水稻[9-10]、小麦[11-12]和裸大麦[13]等作物，对收获前的穗发芽(pre-harvest sprouting，PHS)抗性是有利的。本研究对5个水稻品种种子在贮藏试验开始前的初始发芽率(IGP)进行比较，发现凤稻20号、合系22号种子的IGP都在80%以下。但在一定贮藏环境下保存一段时间后，其发芽率又可高达80%以上，证明这些种子中存在相当部分的休眠种子。所以，这2个品种可能是研究和选育穗发芽抗性品种的有用基因资源。另外，贮藏后的种子发芽率比贮藏前的更高，这种现象在IGP更高的沾粳9号、云恢188、云紫一号及普通小麦[14]的种子中也有发现。所以，种子的休眠现象不仅存在于发芽力低的品种，也出现在发芽力高的品种当中，是普遍存在的[15-17]。

3.2 种子的衰退模型、衰退率和贮藏寿命

据研究，经过(45±1) ℃老化的水稻种子[18]，含水量为4%、5%、6%、7%、8%和10.6%，在哈尔滨(年均温 5.3 ℃，>0 ℃的年有效积温3 202.5 ℃)、西宁(年均温6 ℃，>0 ℃年有效积温2 745.9 ℃)、乌鲁木齐(年均温7.8 ℃，>0 ℃年有效积温3 540.2 ℃)、北京(年均温13.2 ℃，>0 ℃年有效积温4 118.1 ℃)、南昌(年均温18.5 ℃，>0 ℃年有效积温 6 410.2 ℃)和三亚(年均温26.2 ℃，>0 ℃年有效积温 8 074.3 ℃)等地区室温下贮藏14年后的水稻种子[19]；含水量为10.6%、5%和3%在三亚和南昌2地贮藏后的水稻种子[20]，其存活曲线都是呈反“S”形的。本研究在30、40、50 ℃及种子含水量为7.6%～12.3%的贮藏环境条件下，获得的种子存活曲线也同样呈反“S”形，而种子死亡曲线因种子的死亡率是发芽率的反函数而呈“S”形。

凤稻20号和合系22号的种子比云恢188和云紫一号种子的生活力衰退快、贮藏寿命短，与这2个品种种子的低发芽力和休眠性有关。研究表明，发芽力高的种子，其生命力开始衰减是从1个发芽率缓慢下降的第一阶段或平台期[21]开始的，而发芽力低的种子则是从发芽率快速下降的第2阶段开始的。因此，凤稻20号和合系22号种子的发芽率从贮藏试验一开始几乎就是直线下降的，而没有沾粳9号、云恢188和云紫一号那样的缓慢下降阶段。这可能是休眠或低发芽种子比无休眠、高发芽种子的生活力衰退更快、贮藏寿命更短的主要原因。

3.3 种子的半活期和半死期

半活期是种子发芽率下降至50%的贮藏时间，适合用于预测和评价高生活力而不是低生活力的种子的贮藏寿命[4]。因此，Mead等对Ellis等建立的生存力模型[4]进行了修改[22]，提出了-1(%viability/100)=A+Bt的模型。在该模型中，-1(%viability/100)是有生存能力的种子比率的反函数，t为贮藏时间。本研究定义和计算的种子死亡率，实际上是发芽率的反函数，相当于-1(%viability/100)。

表2中，半死期总比半活期大，其差值(xdp50-xgp50)也是凤稻20号和合系22号的较大，沾粳9号、云恢188和云紫一号的较小。例如，在环境3中凤稻20号为33.7 d，合系22号为32.6 d，沾粳9号为16.2 d，云恢188为19.7 d，云紫一号为 29 d；在环境7中凤稻20号为33 d，合系22号为25 d，沾粳9号为7.4 d，云恢188为7.3 d，云紫一号为10.2 d。因此，有种子的初始发率低，差值大，初始发芽率高，差值小的趋势。说明对半活期的估算受休眠种子的影响较大，对于有休眠的种子，用半死期比用半活期表示其寿命更准确一些，而对于无休眠或者高发芽力的种子，半死期或半活期均可较好地表示其寿命。