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摘要 种子休眠是植物本身适应环境和延续生存的一种特性,是种子植物进化的一种稳定对策。根据国内外近年来对红豆杉属种子休眠的研究情况,从其种子的休眠以及萌发调控等方面作概述,旨在为红豆杉属植物的生产和保护提供帮助。
关键词 红豆杉属树种;种子休眠;萌发
中图分类号 Q945 文献标识码A文章编号1007-5739(2008)19-0008-04
红豆杉属(Taxus)属于红豆杉科(Taxaceae)植物,其树种均为常绿乔木或灌木,分布于北半球温带至中亚热带地区。目前,全世界红豆杉科红豆杉属植物仅存11种,即欧洲红豆杉(T.baccata L.)、短叶红豆杉(T.brevifolia Nutt)、加拿大红豆杉(T.Canadensis Marsh)、佛罗里达红豆杉(T.floridana Chapm.)、杂种紫杉(T.media Rehd)、球果红豆杉(T.globose)、西藏红豆杉(T.wallichiana Zucc.ChengetL.K.Fu)、东北红豆杉(T.cuspidata Sieb.etZucc)、云南红豆杉(T.yunnanensis ChengetL.K.Fu)、中国红豆杉(T.chinensis(Pilg)Rehd)及南方红豆杉(T.chinensis var.mairei(Lemeeetlevl.)S.Y.Hu)。后5种在中国有分布且都具有很高的经济价值,约占世界红豆杉植物种质资源的50%,主要以西喜马拉雅山区、长白-兴安岭区、南岭山地、横断山系和秦岭为中心呈团状分布,海拔变幅500~3 500m,具有明显的区域性[1]。由于红豆杉属植物的生物学特性而限制了自身种群的发展,如雌雄异株、异花授粉、种株间隔等导致受精受阻、种子数量减少。假种皮厚,自然条件下需两冬一夏才能萌芽,因而大量种子在漫长的休眠期间丧失了生命力,严重地威胁这一孑遗树种的种群生存和发展。虽偶有天然更新苗,但大多数种子于休眠期内腐烂或干燥失水失去活力,从而极大地限制了实生繁殖。因此,打破红豆杉属种子休眠和种苗快速规模繁育已是其建设的关键技术。
早在20世纪50年代,Mitiska[2]就对红豆杉属种子休眠进行了研究。之后国内外学者为了探讨红豆杉属植物种子的休眠、萌发机制和催芽技术,相继从果皮透性、胚的发育状况、抑制物质以及生理后熟等方面进行了大量的研究[2-5],结果表明,种子休眠在许多情况下表现为一种数量性状[6]。笔者就其种子休眠原因、休眠机制和催芽技术的研究进展作一简要概述。
1红豆杉属树种种子的休眠
种子休眠是指具有生活力的种子由于内在因素或外界条件的限制,在适宜的萌发条件下仍不萌发或发芽困难的现象[7]。林木种子休眠的原因很多,基本上是由种皮的通透性差以及种皮的机械约束、抑制物质、种胚未成熟和综合因素引起的休眠。学者们从不同的角度划分种子休眠的类型,目前公认的有4种类型:生理休眠、形态休眠(胚后发育)、形态生理休眠和强迫休眠[8]。
1.1被覆物与种子休眠和萌发
被覆物也就是种皮或果皮,它的存在使种子产生休眠。种子休眠是植物在复杂的自然环境中,经过长期的系统发育而形成的一种适应性。南方红豆杉属亚热带树种,其种子具有较长的休眠期,它的种皮坚硬致密,透性差,而且胚又需要一个阶段的生理后熟过程。它和红豆杉属其他树种一样,休眠种子属于综合型休眠或双重型休眠,而不是二次休眠[9]。我国学者史忠礼[10]认为南方红豆杉种子休眠是由于种皮坚硬透性差,以及胚需要生理后熟。谭一凡[11]和吴啸峰[12]就其休眠原因也进行分析,并认为南方红豆杉种子需要生理后熟。吴静[13]对南方红豆杉种子做了类似的研究,得出集中处理,采用堆沤,混以适量粗沙和水,用手着力搓洗,洗净种子的外衣、种壳,并清除空果和杂质,得出发芽率比正常催芽的高。程广有[14]以东北红豆杉种子为材料,探讨其休眠机理和解除休眠技术时得出种子种皮角质化、坚硬程度较深,在机械磨损种皮后,便可通气、透水和减少萌发障碍,并用生长激素混合处理种子和变温层积来促进种子萌发。独军[15]发现红豆杉种子种壳坚硬、致密,以及抑制物质ABA及其棕红色物质的存在,使得种子吸水透气性差,对种子的萌发起禁锢作用,致使种子休眠期长。Bewley和Black[16]提出,被覆物引起种子休眠的原因主要有胚萌发的机械阻碍、透性差以及存在萌发抑制物质并阻止胚中抑制物质的排出等3种。朱念德[17]认为由于果皮(或种皮)厚角组织细胞形成大量的果胶质和石细胞,细胞壁上的微团在轴面上的方向是有规律的鱼鳞块状结构,会阻碍气体交换,降低氧气的透过率,但这方面的研究尚需深入。总之,红豆杉属树种被覆物对种子休眠有一定作用的,但对休眠作用的机理意见众说纷纭。
1.2内源抑制物与种子休眠和萌发
Albertus Magus(1206~1280)最早提出种子推迟发芽与抑制物质有关。抑制物质是指可以推迟或抑制同种或异种植物种子发芽的物质。按抑制物质的作用方式主要有阻碍种子透性、抑制酶活性、改变渗透压以及阻碍胚的生长。就其来源而论,Evenari(1949)认为,既可以是内源的即植物体内生成的,如有机酸、生物碱;也可以是外源的即其他植物体或种子产生的。之后学者Handricks(1977)提出了代谢途径调控假说,他认为抑制物质如KCN、NH4OH等抑制过氧化氢酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶系、NAD磷酸化激酶等酶的活性,进而抑制DNA、RNA的合成,阻碍细胞分裂的进程,最终导致胚的各部分不能生长。Khan[18]提出了激素调控假说,他认为抑制物质可抵消促进细胞分裂和生长发育的物质-激素的作用,而且还提出导致种子休眠不仅是由于抑制物质的存在,也可能是由于缺乏赤霉素和细胞分裂素。此外,还有呼吸途径调控学说(Roberts[19])、光敏素调控学说(Smith[20])、能量调控学说(Khan和Zeng[21])、基因调控学说(Jacob和Monod[22])等。Taylorson(1979)、Bewley[23]、Raven(1982)也提出抑制物质影响膜透性及抑制膜上存在的酶的活性的观点。但上述几种学说或观点均不具普遍使用性,对抑制物质的作用机理还有待深入研究和探索。目前认为最重要的抑制物质是内源的,且分布非常广泛,就有性繁殖器官果实和种子而言,其分布主要是果实的果皮、果汁和果肉以及种子的胚、胚乳和种皮。由于内源抑制物使得种子的萌发受到很大的影响,因此各国学者对此研究一直异常活跃。
由于红豆杉属植物种子休眠机理比较复杂,其中种子内生长抑制剂含量过高是造成生理休眠的重要原因。众所周知,高浓度ABA是造成植物种子生理休眠的重要原因,而ABA是五大类植物激素之一,具有促进植物体眠和衰老的功能。有关IAA与植物种子休眠关系的研究报道不多,且结论不同。程广有[14]认为,东北红豆杉种子具有深休眠特性,不经任何处理的种子,播种后翌春发芽率才能提高。其主要原因除胚不成熟之外,种子特别是种皮中含有大量ABA也是一个重要原因。Page Degivry[24]对欧洲红豆杉和高红兵[25]对东北红豆杉种子种胚内源酸性物质变化研究时得出类似的结果。但通过层积方法可以降低种子中ABA的含量,不过层积时间要求较长,有研究结果认为1年左右。随层积时间的延长,内源ABA含量下降到一定水平之后,种子才能萌发。由于IAA含量较低,并且在层积过程中变化不太。因此,IAA与东北红豆杉种子休眠与萌发关系不大。史忠礼[10]等人对南方红豆杉种子休眠的研究结果发现,种子在采收时含有ABA为主,GA含量极微,在埋藏处理的后熟期中,种子内ABA含量虽然仍很高,但GA的含量却明显的增加,矮化苗不多。赵盛军[26]认为云南红豆杉种子休眠的主要原因是由于种子内含有抑制物、胶及皂碱等,混沙搓洗后再进行层积处理是消除种子抑制物,打破(解除)休眠,提高种子发芽率的有效方法之一。
2.3萌发温度
解除休眠种子需要适宜的萌发环境条件,特别是温度条件对种子能否顺利萌发至关重要。H T哈特曼[43]和马小军[44]对东北红豆杉种子在不同温度下萌发进行了研究,发现15℃处理的种子萌发率比4℃处理的萌发率要高,其原因是4℃处理缺少暖温层积。温度过高(30℃)过低(10℃)均不利于种子发芽。因此,在实际生产中,15~25℃可作为催芽的参考温度,以20℃最适宜。C E Heit[4]曾提出红豆杉属种子需2~6个月冷湿沙藏作为发芽前的最低条件,其发芽温度对20℃敏感。周洪英[45]就温度对南方红豆杉种子萌发的影响进行了报道,他采用先在20℃或25℃层积种子5个月,然后再在5℃层积种子5个月,即有种子萌发,提早出苗率为30%左右,比自然温度(室内)的出苗率高12个百分点。陈登雄[35]在对南方红豆杉种子催芽试验时得出低—高—低温度交替2次变温处理的成苗率高,催芽时间短,催芽后幼苗出土早且整齐,其主要原因可能是解除了抑制物对种胚,尤其是对胚根的抑制作用,使胚轴生长、胚芽生长点成熟、子叶分化生长(变绿)、胚根突破种皮萌发出土。但是,如果层积催芽温度不当,则无法解除抑制物对胚根的抑制作用。
红豆杉属树种种子萌发温度的研究不多,其结论都是根据室内条件下的结果作出的,这只能大致反映出种子对萌发温度要求的趋势。对于温度过高会产生二次休眠现象的原因、机制以及如何解除尚缺少深入的研究。今后应进一步将室内和室外试验结合起来,对种子萌发的适宜温度以及如何避免和解除二次休眠作深入探讨。
3结语
尽管国内外学者对红豆杉属树种种子的休眠进行了大量的研究,在理解和解释控制种子休眠及其解除的机理方面,已经取得一定的进展,但问题还并没有得到解决,仍需进一步研究,对于种子萌发的调控技术也没有达到尽善尽美的地步。因此,今后应加强以下几个方面的研究:①种子休眠和萌发的生理、生化和分子机制;②个体和种源间种子休眠的差异;③实用和高效的催芽技术的建立;④种子最佳萌发条件。
4参考文献
[1] 梁海珍,刘根林,徐锋.红豆杉属植物组织培养及其快速繁殖研究综述[J].江苏林业科技,2001,28(3):45-47.
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[3] 斋藤晶.イチイの发芽促进发光[J].珠内季报,1975(25):1-4.
[4] HEIT,CE.Propagation trom seed part 18:Testing and growing seed of Popular Taxus forms[J]. American Nurseryman,1969(129):10-11,118-128.
[5] SCHOPMEYER C S.Seeds of Woody Plants in the United States,Agriculture Handbook[M].Washington D C,1974.
[6] 比尤利JD,布莱克M.种子萌发的生理生化(第2卷):生活力、休眠与环境控制[M].何泽瑛,袁以苇,金传嘉,等译.南京:东南大学出版社,1989.
[7] 潘瑞炽.植物生理学(第5版)[M].北京:高等教育出版社,2004.
[8] ZHAO K F,FENG L T,FAN H.Characteristics of seed dormancy:dormancy breaking and germination in halophytes[J].Chinese Bulletin ofBotay,1999,16(6):677-685.
[9] 中山仓.发芽生理学[M].马云彬,译.北京:中国农业出版社,1988.
[10] 史忠礼,周菊华,王子卿.南方红豆杉种子体眠的研究[J].浙江林业科技,1991,11(5):1-6.
[11] 谭一凡.南方红豆杉种子后熟生理的研究[J].中南林学院学报,1991,11(2):200-206.
[12] 吴啸峰.红豆杉种子抑制物质的初步研究[J].植物生理学通讯,1985,5(4):23-26.
[13] 吴静.打破南方红豆杉种子休眠期的育苗技术实验[J].中学生物学,2003(5):37-38.
[14] 程广有.东北红豆杉种子休眠机理与解除技术探讨[J].北京林业大学学报, 2004,26(1):5-10.
[15] 朱念德,刘尉秋,伍建军,等.影响南方红豆杉种子萌发因素的研究[J].中山大学学报(自然科学版),1999,38(2):75-79.
[16] BEWLEY JD,BLACK M.Seeds:Physiology of Development and Germ ination[M].New York:Plenum Press,1994.
[17] 独军,冯晓琴,李平英.红豆杉种子休眠原因与育苗试验的研究[J].林业科技,2003,28(5):9-12.
[18] KHAN AA.Cytokinins-permissive role in seed germination[J].Science,1971(171):853-859.
[19] ROBERTS EH.Seed dormancy and oxidation processes[J].Symp Soc Exp Biol,1969(23):161-192.
[20] SMITH H.Phytochrome and Photomorphogenesis:An Introduction to the Photocotrol of Plant Development Maidenhead[M].UK:McGraw-Hill,1975.
[21] KHAN AA,ZENG GW.Compensatory energy processes controlling dormancy and germination[J].Plant Physiol,1984,75(1):68.
[22] JACOB F,MONOD J.Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins[J]. J Mol Biol,1961(3):318-356.
[23] BEWLEY JD,BLACK M.Seeds:Physiology of Development and Germ ination[M]. New York:Plenum Press,1994.
[24] PAGE DEGIVRY M T.An embryo culture study of embryo dormancy in Taxus baccala[J]. BiologyPlantarum,1973,15(4):264-269.
[25] 高红兵.东北红豆杉种子层积过程中内源生长素和脱落酸含量的变化[J].吉林林学院学报,1998,14(4):187-189.
关键词 红豆杉属树种;种子休眠;萌发
中图分类号 Q945 文献标识码A文章编号1007-5739(2008)19-0008-04
红豆杉属(Taxus)属于红豆杉科(Taxaceae)植物,其树种均为常绿乔木或灌木,分布于北半球温带至中亚热带地区。目前,全世界红豆杉科红豆杉属植物仅存11种,即欧洲红豆杉(T.baccata L.)、短叶红豆杉(T.brevifolia Nutt)、加拿大红豆杉(T.Canadensis Marsh)、佛罗里达红豆杉(T.floridana Chapm.)、杂种紫杉(T.media Rehd)、球果红豆杉(T.globose)、西藏红豆杉(T.wallichiana Zucc.ChengetL.K.Fu)、东北红豆杉(T.cuspidata Sieb.etZucc)、云南红豆杉(T.yunnanensis ChengetL.K.Fu)、中国红豆杉(T.chinensis(Pilg)Rehd)及南方红豆杉(T.chinensis var.mairei(Lemeeetlevl.)S.Y.Hu)。后5种在中国有分布且都具有很高的经济价值,约占世界红豆杉植物种质资源的50%,主要以西喜马拉雅山区、长白-兴安岭区、南岭山地、横断山系和秦岭为中心呈团状分布,海拔变幅500~3 500m,具有明显的区域性[1]。由于红豆杉属植物的生物学特性而限制了自身种群的发展,如雌雄异株、异花授粉、种株间隔等导致受精受阻、种子数量减少。假种皮厚,自然条件下需两冬一夏才能萌芽,因而大量种子在漫长的休眠期间丧失了生命力,严重地威胁这一孑遗树种的种群生存和发展。虽偶有天然更新苗,但大多数种子于休眠期内腐烂或干燥失水失去活力,从而极大地限制了实生繁殖。因此,打破红豆杉属种子休眠和种苗快速规模繁育已是其建设的关键技术。
早在20世纪50年代,Mitiska[2]就对红豆杉属种子休眠进行了研究。之后国内外学者为了探讨红豆杉属植物种子的休眠、萌发机制和催芽技术,相继从果皮透性、胚的发育状况、抑制物质以及生理后熟等方面进行了大量的研究[2-5],结果表明,种子休眠在许多情况下表现为一种数量性状[6]。笔者就其种子休眠原因、休眠机制和催芽技术的研究进展作一简要概述。
1红豆杉属树种种子的休眠
种子休眠是指具有生活力的种子由于内在因素或外界条件的限制,在适宜的萌发条件下仍不萌发或发芽困难的现象[7]。林木种子休眠的原因很多,基本上是由种皮的通透性差以及种皮的机械约束、抑制物质、种胚未成熟和综合因素引起的休眠。学者们从不同的角度划分种子休眠的类型,目前公认的有4种类型:生理休眠、形态休眠(胚后发育)、形态生理休眠和强迫休眠[8]。
1.1被覆物与种子休眠和萌发
被覆物也就是种皮或果皮,它的存在使种子产生休眠。种子休眠是植物在复杂的自然环境中,经过长期的系统发育而形成的一种适应性。南方红豆杉属亚热带树种,其种子具有较长的休眠期,它的种皮坚硬致密,透性差,而且胚又需要一个阶段的生理后熟过程。它和红豆杉属其他树种一样,休眠种子属于综合型休眠或双重型休眠,而不是二次休眠[9]。我国学者史忠礼[10]认为南方红豆杉种子休眠是由于种皮坚硬透性差,以及胚需要生理后熟。谭一凡[11]和吴啸峰[12]就其休眠原因也进行分析,并认为南方红豆杉种子需要生理后熟。吴静[13]对南方红豆杉种子做了类似的研究,得出集中处理,采用堆沤,混以适量粗沙和水,用手着力搓洗,洗净种子的外衣、种壳,并清除空果和杂质,得出发芽率比正常催芽的高。程广有[14]以东北红豆杉种子为材料,探讨其休眠机理和解除休眠技术时得出种子种皮角质化、坚硬程度较深,在机械磨损种皮后,便可通气、透水和减少萌发障碍,并用生长激素混合处理种子和变温层积来促进种子萌发。独军[15]发现红豆杉种子种壳坚硬、致密,以及抑制物质ABA及其棕红色物质的存在,使得种子吸水透气性差,对种子的萌发起禁锢作用,致使种子休眠期长。Bewley和Black[16]提出,被覆物引起种子休眠的原因主要有胚萌发的机械阻碍、透性差以及存在萌发抑制物质并阻止胚中抑制物质的排出等3种。朱念德[17]认为由于果皮(或种皮)厚角组织细胞形成大量的果胶质和石细胞,细胞壁上的微团在轴面上的方向是有规律的鱼鳞块状结构,会阻碍气体交换,降低氧气的透过率,但这方面的研究尚需深入。总之,红豆杉属树种被覆物对种子休眠有一定作用的,但对休眠作用的机理意见众说纷纭。
1.2内源抑制物与种子休眠和萌发
Albertus Magus(1206~1280)最早提出种子推迟发芽与抑制物质有关。抑制物质是指可以推迟或抑制同种或异种植物种子发芽的物质。按抑制物质的作用方式主要有阻碍种子透性、抑制酶活性、改变渗透压以及阻碍胚的生长。就其来源而论,Evenari(1949)认为,既可以是内源的即植物体内生成的,如有机酸、生物碱;也可以是外源的即其他植物体或种子产生的。之后学者Handricks(1977)提出了代谢途径调控假说,他认为抑制物质如KCN、NH4OH等抑制过氧化氢酶、6-磷酸葡萄糖脱氢酶系、NAD磷酸化激酶等酶的活性,进而抑制DNA、RNA的合成,阻碍细胞分裂的进程,最终导致胚的各部分不能生长。Khan[18]提出了激素调控假说,他认为抑制物质可抵消促进细胞分裂和生长发育的物质-激素的作用,而且还提出导致种子休眠不仅是由于抑制物质的存在,也可能是由于缺乏赤霉素和细胞分裂素。此外,还有呼吸途径调控学说(Roberts[19])、光敏素调控学说(Smith[20])、能量调控学说(Khan和Zeng[21])、基因调控学说(Jacob和Monod[22])等。Taylorson(1979)、Bewley[23]、Raven(1982)也提出抑制物质影响膜透性及抑制膜上存在的酶的活性的观点。但上述几种学说或观点均不具普遍使用性,对抑制物质的作用机理还有待深入研究和探索。目前认为最重要的抑制物质是内源的,且分布非常广泛,就有性繁殖器官果实和种子而言,其分布主要是果实的果皮、果汁和果肉以及种子的胚、胚乳和种皮。由于内源抑制物使得种子的萌发受到很大的影响,因此各国学者对此研究一直异常活跃。
由于红豆杉属植物种子休眠机理比较复杂,其中种子内生长抑制剂含量过高是造成生理休眠的重要原因。众所周知,高浓度ABA是造成植物种子生理休眠的重要原因,而ABA是五大类植物激素之一,具有促进植物体眠和衰老的功能。有关IAA与植物种子休眠关系的研究报道不多,且结论不同。程广有[14]认为,东北红豆杉种子具有深休眠特性,不经任何处理的种子,播种后翌春发芽率才能提高。其主要原因除胚不成熟之外,种子特别是种皮中含有大量ABA也是一个重要原因。Page Degivry[24]对欧洲红豆杉和高红兵[25]对东北红豆杉种子种胚内源酸性物质变化研究时得出类似的结果。但通过层积方法可以降低种子中ABA的含量,不过层积时间要求较长,有研究结果认为1年左右。随层积时间的延长,内源ABA含量下降到一定水平之后,种子才能萌发。由于IAA含量较低,并且在层积过程中变化不太。因此,IAA与东北红豆杉种子休眠与萌发关系不大。史忠礼[10]等人对南方红豆杉种子休眠的研究结果发现,种子在采收时含有ABA为主,GA含量极微,在埋藏处理的后熟期中,种子内ABA含量虽然仍很高,但GA的含量却明显的增加,矮化苗不多。赵盛军[26]认为云南红豆杉种子休眠的主要原因是由于种子内含有抑制物、胶及皂碱等,混沙搓洗后再进行层积处理是消除种子抑制物,打破(解除)休眠,提高种子发芽率的有效方法之一。
2.3萌发温度
解除休眠种子需要适宜的萌发环境条件,特别是温度条件对种子能否顺利萌发至关重要。H T哈特曼[43]和马小军[44]对东北红豆杉种子在不同温度下萌发进行了研究,发现15℃处理的种子萌发率比4℃处理的萌发率要高,其原因是4℃处理缺少暖温层积。温度过高(30℃)过低(10℃)均不利于种子发芽。因此,在实际生产中,15~25℃可作为催芽的参考温度,以20℃最适宜。C E Heit[4]曾提出红豆杉属种子需2~6个月冷湿沙藏作为发芽前的最低条件,其发芽温度对20℃敏感。周洪英[45]就温度对南方红豆杉种子萌发的影响进行了报道,他采用先在20℃或25℃层积种子5个月,然后再在5℃层积种子5个月,即有种子萌发,提早出苗率为30%左右,比自然温度(室内)的出苗率高12个百分点。陈登雄[35]在对南方红豆杉种子催芽试验时得出低—高—低温度交替2次变温处理的成苗率高,催芽时间短,催芽后幼苗出土早且整齐,其主要原因可能是解除了抑制物对种胚,尤其是对胚根的抑制作用,使胚轴生长、胚芽生长点成熟、子叶分化生长(变绿)、胚根突破种皮萌发出土。但是,如果层积催芽温度不当,则无法解除抑制物对胚根的抑制作用。
红豆杉属树种种子萌发温度的研究不多,其结论都是根据室内条件下的结果作出的,这只能大致反映出种子对萌发温度要求的趋势。对于温度过高会产生二次休眠现象的原因、机制以及如何解除尚缺少深入的研究。今后应进一步将室内和室外试验结合起来,对种子萌发的适宜温度以及如何避免和解除二次休眠作深入探讨。
3结语
尽管国内外学者对红豆杉属树种种子的休眠进行了大量的研究,在理解和解释控制种子休眠及其解除的机理方面,已经取得一定的进展,但问题还并没有得到解决,仍需进一步研究,对于种子萌发的调控技术也没有达到尽善尽美的地步。因此,今后应加强以下几个方面的研究:①种子休眠和萌发的生理、生化和分子机制;②个体和种源间种子休眠的差异;③实用和高效的催芽技术的建立;④种子最佳萌发条件。
4参考文献
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[9] 中山仓.发芽生理学[M].马云彬,译.北京:中国农业出版社,1988.
[10] 史忠礼,周菊华,王子卿.南方红豆杉种子体眠的研究[J].浙江林业科技,1991,11(5):1-6.
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[12] 吴啸峰.红豆杉种子抑制物质的初步研究[J].植物生理学通讯,1985,5(4):23-26.
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