新型環(huán)保種衣劑促進刺槐種子生長的實驗研究*

曾德芳,王芳

刺槐是豆科蝶型花亞科刺槐屬的落葉喬木,原產(chǎn)美國[1],于20世紀(jì)初期引入我國。刺槐適應(yīng)性強、生長快、抗旱耐瘠薄,被作為水土保持樹種和造林當(dāng)家樹種[2-3],在我國黃土高原地區(qū)的植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。因此提高刺槐種子萌發(fā)活力,培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)苗木對我國實現(xiàn)可持續(xù)林業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義和理論意義。

種子包衣作為作物物化栽培的重要手段之一,是實現(xiàn)種子標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化的主要途徑[4]。目前已相繼研制開發(fā)出了包括大豆、玉米、小麥、水稻、煙草[5]、油菜等80余種作物的種衣劑。已有研究表明:環(huán)保種衣劑作為一種新型種衣劑不僅能顯著提高種子發(fā)芽能力,促進幼苗生長和減少病蟲害的發(fā)生,而且對環(huán)境不會產(chǎn)生任何污染和危害[6-7]。但此類研究多集中在草本植物,對木本植物的影響卻鮮有報道。為此,本文研究了自制環(huán)保型種衣劑對刺槐種子萌發(fā)和幼苗生長的影響,為刺槐種衣劑的發(fā)展及種子包衣技術(shù)更廣泛的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 主要實驗儀器及試劑

恒溫恒濕培養(yǎng)箱(WS01型,湖北黃石恒豐醫(yī)療器械有限公司),高壓蒸汽滅菌器妞XQ一S以6-48sA型,上海博迅實業(yè)有限公司),電子恒速攪拌器(GS28B型,上海安亭電子儀器廠),電子天平(FAZIX瞬型,上海悅豐儀器儀表有限公司),生物顯微鏡(BX41-12HO2型,日本OLYMPUS公司),培養(yǎng)皿(Ф90 mm,上海躍進醫(yī)療儀器廠)。

天然高分子多糖(簡稱NP,自制)、冰乙酸、氫氧化鈉、硫酸鋅、硼砂、工業(yè)乙二醇、微量元素、磷酸二氫鉀等(均為分析純,湖北大學(xué)化工廠),紫羅蘭天然色素(廣東省汕頭市明德食品添加劑有限公司)、刺槐種子(湖北省武漢市凱迪投資有限公司),傳統(tǒng)種衣劑(2.5%適樂時懸浮種衣劑,瑞士進口),健康成年大鼠(雄雌各半,華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院動物試驗中心)。

1.2 實驗方法

1.2.1 種衣劑的配制 將一定量的NP溶于稀酸中,在室溫下攪拌3～5 h直至完全溶解,得到其水溶液(NP水溶液)。將氫氧化鈉、硼砂、磷酸二氫鉀、硫酸鋅等助劑配成質(zhì)量比為1%的水溶液備用。然后將NP水溶液、助劑(包含防凍劑、成膜劑、滲透劑和微量元素溶液)和紫色素按一定的比例混合均勻,并在1200 r/min的電子恒速攪拌器下攪拌,即得到新型環(huán)保種衣劑成品。共配得6種新型環(huán)保種衣劑,編號為X1-X6。

1.2.2 對比試驗 用自制的環(huán)保型種衣劑與傳統(tǒng)種衣劑,對同批刺槐種子按比例進行包衣處理,然后置于恒溫恒濕培養(yǎng)箱中培養(yǎng),觀察不同處理種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率,并對實驗結(jié)果進行比較分析。

(1)種子包衣處理

將自制的種衣劑與傳統(tǒng)種衣劑均按1:40的藥種比,分別對同批刺槐種子進行混合拌種包衣,并在室溫下晾置約10～20 min,待包衣干固后備用。另設(shè)未包衣種子作為對照(CK)。

(2)種子發(fā)芽試驗

用高壓蒸汽滅菌器對培養(yǎng)皿(Φ90 mm)和砂土進行滅菌處理,在滅菌后的培養(yǎng)皿中墊兩層圓形濾紙,加入適量清水潤濕,取不同處理的刺槐種子各150粒均勻擺放在培養(yǎng)皿濾紙上(每組處理重復(fù)3次,每重復(fù)50粒),并覆蓋厚度約1cm的濕潤細(xì)砂,然后將培養(yǎng)皿置于溫度為(27±1)℃、濕度為85%的恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進行發(fā)芽試驗。

發(fā)芽測定按《林木種子檢驗方法》(GB 2772-99)進行。

發(fā)芽能力測定參照《國際種子檢驗規(guī)程》計算發(fā)芽率、平均發(fā)芽時間、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)[8]。具體計算公式如下:

發(fā)芽勢(GP)=發(fā)芽初期正常發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽率(G)發(fā)芽終期正常發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt

式中,Gt:時間t日的發(fā)芽數(shù);D t:相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)

1.2.3 盆栽試驗 將實驗室較好的配方與傳統(tǒng)種衣劑“適樂時”(商品名)在湖北隨州殷店林場試驗基地進行室外盆栽試驗。在直徑24 cm、高度30 cm花盆中分別置入15 kg經(jīng)消毒處理過的土壤,再將包衣處理和未包衣的刺槐種子(對照)播于花盆中,每盆播量20粒,每個處理重復(fù)5次。生長期間每天用自來水補充蒸發(fā)去的水量,每個處理隨機取3盆,用常規(guī)方法測量植株株高及干物質(zhì)量。

1.2.4 種衣劑安全性實驗 按《農(nóng)藥登記毒理學(xué)試驗方法》(GB15670-1995)對自制環(huán)保種衣劑和傳統(tǒng)種衣劑(“適樂時”)分別進行大鼠急性經(jīng)口毒性試驗和急性經(jīng)皮毒性試驗。大鼠急性經(jīng)口毒性試驗:設(shè)兩個劑量組,高劑量組(2 150 mg·kg-1)和低劑量組(215 mg·kg-1)。大鼠給藥前隔夜禁食,然后一次灌胃給藥,染毒后連續(xù)觀察14 d,記錄大鼠接觸受試物后體內(nèi)各系統(tǒng)所產(chǎn)生反應(yīng)、肢體活動和行為等改變,用統(tǒng)計方法計算LD50。

急性經(jīng)皮毒性實驗:給藥前24 h將大鼠背部去毛,然后將原液直接涂在動物背部皮膚上,涂藥面積占體表總面積10%,涂藥時間持續(xù)4 h,觀察兩周記錄大鼠中毒的臨床表現(xiàn),并計算LD50。

2 結(jié)果與討論

2.1 種衣劑對刺槐種子發(fā)芽的影響

自制環(huán)保種衣劑對刺槐種子發(fā)芽的影響結(jié)果見表1。結(jié)果顯示,所有處理與空白對照相比,其發(fā)芽指標(biāo)均呈上升趨勢。其中自制環(huán)保種衣劑X3效果最為明顯,其發(fā)芽率比傳統(tǒng)種衣劑“適樂時”和對照分別提高了6%和8%,發(fā)芽指數(shù)分別增加了2.41和3.17。表明種衣劑能提高刺槐種子的發(fā)芽能力,加快發(fā)芽進程。

2.2 種衣劑對刺槐幼苗生長的影響

經(jīng)種衣劑處理的刺槐種子發(fā)芽后的鮮質(zhì)量、幼根長、苗長較對照均有不同程度的提高(表2),該結(jié)果與種子發(fā)芽實驗結(jié)果趨勢保持一致,進一步說明種衣劑對刺槐種子萌發(fā)及幼苗生長影響的正效應(yīng)。其中 X3在所有指標(biāo)中均優(yōu)于其它處理,幼苗鮮質(zhì)量較“適樂時”和CK分別提高了0.032 g和0.046 g,苗高則分別增加了0.44 cm和0.59 cm。因此,初步篩選X3為最優(yōu)自制種衣劑配方,并作為優(yōu)化實驗的供試材料。

表1 種衣劑對刺槐種子發(fā)芽影響的結(jié)果

表2 種衣劑對刺槐幼苗生長影響的結(jié)果

2.3 不同藥種比對刺槐種子發(fā)芽的影響

用種衣劑X3和刺槐種子分別按1:30～1:80的比例進行藥種比試驗,共6個處理,每個處理重復(fù)3次。試驗結(jié)果如圖1,可以看出,當(dāng)X3以1:50的藥種比對刺槐種子包衣,發(fā)芽率最高。當(dāng)藥種比濃度大于1:50時,種子發(fā)芽率較低,這是因為包衣過厚,雖然能吸附更多的水,但對種子的呼吸作用和發(fā)芽“露白”有阻礙,負(fù)面效應(yīng)隨包衣厚度的增大而增大[9]。同樣當(dāng)藥種比濃度過小,過薄的包衣層在種子周圍不能形成理想的蓄水效果,反而一定程度阻礙種子對水分和氧氣的吸收。故以1:50作為自制種衣劑與種子的最優(yōu)包衣比例。

2.4 不同NP濃度對刺槐種子的影響

X3配方中其他組分及其含量不變,不同NP濃度對刺槐種子主要性能指標(biāo)的影響結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?NP濃度對刺槐種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率也有明顯的影響。其中,NP濃度在1.0%～3.5%時,刺槐種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率均隨NP濃度的增加而增加,NP濃度為3.5%時的發(fā)芽能力最好,NP濃度大于3.5%后種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率開始下降。因此NP最適濃度為3.5%。這是因為用NP制備的高分子溶液,其粘度隨溶液濃度增大而增加,當(dāng)濃度大于3.5%,溶液的流動性下降,影響NP的成膜性能,導(dǎo)致成膜孔結(jié)構(gòu)疏松,從而抑制種子生長。

圖1 種衣劑X3最佳藥種比試驗結(jié)果

圖2 NP濃度對刺槐種子發(fā)芽的影響

2.5 種衣劑優(yōu)化實驗結(jié)果

優(yōu)化后的X3配方與未包衣(CK)及傳統(tǒng)種衣劑對刺槐種子的處理結(jié)果如表3?？梢钥闯?經(jīng)優(yōu)化的種衣劑X3處理的種子,其發(fā)芽指標(biāo)明顯優(yōu)于“適樂時”和對照,其發(fā)芽勢、發(fā)芽率較對照分別增長了8%和10%,較“適樂時”分別增加了4%和6%,平均發(fā)芽時間比“適樂時”和對照分別提前0.26 d和0.49 d。

2.6 優(yōu)化種衣劑X3對盆栽刺槐苗木生長的影響

優(yōu)化環(huán)保型種衣劑X3和傳統(tǒng)種衣劑“適樂時”對刺槐苗木生長的影響結(jié)果如表4所示。可以看出,X3種衣劑對刺槐苗木高度、根系長度和干物質(zhì)量等的促進作用均超過傳統(tǒng)種衣劑和對照。“適樂時”和對照處理的根系長度分別為X3種衣劑處理的95.1%和78.3%;苗高分別為X3處理的96.0%和93.7%;地徑分別為X3處理的95.9%和90.1%。進一步說明該環(huán)保型種衣劑對刺槐苗木的生長具有明顯的促進作用。

表3 優(yōu)化實驗結(jié)果

表4 刺槐室外盆栽實驗結(jié)果

表5 安全性實驗結(jié)果

2.7 種衣劑安全性實驗結(jié)果

2.7.1 急性經(jīng)口毒性試驗 大鼠口染高劑量(2150 mg·kg-1)“適樂時”3～6 min后,開始出現(xiàn)全身肌肉震顫、流涎、四肢癱瘓、呼吸抑制等中毒癥狀,死亡前有抽搐,鼻及眼中流出較黏稠的血性分泌物等癥狀出現(xiàn),死亡時間大多在12 h內(nèi);低劑量(215 mg·kg-1)“適樂時”口毒處理后,大鼠也出現(xiàn)輕微肌肉震顫癥狀。而給大鼠口服同劑量種衣劑X3卻沒有上述中毒癥狀。

2.7.2 急性經(jīng)皮毒性試驗 高劑量(2150 mg·kg-1)“適樂時”處理后,大鼠出現(xiàn)嚴(yán)重皮膚紅斑和隆起及嚴(yán)重水腫等癥狀;經(jīng)低劑量(215 mg·kg-1)處理的大鼠皮膚有輕微紅斑和輕度水腫癥狀;種衣劑X 3處理的大鼠沒有上述癥狀出現(xiàn)。

急性經(jīng)口毒性試驗和經(jīng)皮毒性試驗結(jié)果(表5)表明,X 3毒性遠低于傳統(tǒng)種衣劑“適樂時”,安全性好,屬于一種新型環(huán)保型種衣劑。

2.8 種衣劑作用機理及其分析

(1)自制種衣劑采用的天然高分子多糖NP具有良好的成膜性,對種子包衣后能形成一層致密的保護膜,使種子內(nèi)部的營養(yǎng)物質(zhì)消耗降到最低。而當(dāng)包衣種子植入土壤并吸水膨脹后,這種高分子膜卻又表現(xiàn)出良好的通透性,使種子充分吸收土壤中的溶解氧,較快釋放呼吸作用產(chǎn)生的CO2。

(2)NP處理能有效提高刺槐種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和幼苗的生長量,這與NP能夠打破種子休眠、提高種子活力有關(guān)[10]。種子的活力指數(shù)不僅能反映出苗速度和出苗整齊度,更能反映出苗勢。已有研究表明,經(jīng)NP處理的種子能夠促進mRNA重新合成,大大提高體內(nèi)酶活性,從而有利于種子發(fā)芽,并使幼苗茁壯[11]。這為幼苗后期生長及各項生理活動提供了有利基礎(chǔ)。

(3)NP處理可以增加刺槐幼苗對無機氮素的同化吸收,促進幼苗葉片蛋白質(zhì)合成;增強碳素同化能力,改善幼苗光合性能,從而增加葉綠素含量和可溶性蛋白質(zhì)含量。這對幼苗的生長發(fā)育以及最終的產(chǎn)量形成和品質(zhì)的改善都有重要的影響。有研究認(rèn)為,NP作為一種含氮高分子化合物能作為緩慢釋放的“固氮”基質(zhì),可被植物直接吸收,或者通過微生物的作用氧化成硝酸鹽而被植物吸收[12]。

3 結(jié)論

(1)不同種衣劑處理對刺槐種子生長的影響存在明顯差別。以天然高分子多糖NP為主要成份制備的新型環(huán)保種衣劑通過促進種子呼吸、激發(fā)酶活性等因素,可以提高刺槐種子活力和發(fā)芽率,加快發(fā)芽進程,促進幼苗生長。與傳統(tǒng)種衣劑和對照相比,種子發(fā)芽率分別提高6%和10%。

(2)自制種衣劑X 3主要成分含量控制在NP濃度3.5%、藥種比為1:50時,其對刺槐種子萌發(fā)的促進能力最高。包衣過程中適當(dāng)控制藥種比和NP濃度,能有效提高環(huán)保型種衣劑的作用效果。

(3)與傳統(tǒng)有毒種衣劑相比,自制環(huán)保種衣劑安全、無污染,符合可持續(xù)林業(yè)發(fā)展要求,在生產(chǎn)中具有一定的實踐意義和環(huán)境效益。

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