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STUDIES ON THE COLEORHIZA   OF CEREALS

Aizo NoDA   

Summary TheIe are皿any Studies on the embryo and seed germination of:cereals,but the  

morphological,physiological,and ecologicalstudies of the coleorhiza aIe Very few and the natuIe   Of the coleorhiza remains unexplained.   

The preser)t author examined the seed geImination of ce工ealsin boiled water with diminished  

OXygen SuPplyin1927−1928,found out that some cereals developed their coleorhizas exceedingly   and others did not at al1after their kinds,and pDinteiout the necessity of the studies of the  

COleoIhizain terns of seed germination.   

Since then,the studies of the coleorhiza had sti11beeninactive and he reopened those st11diesin   1952.By the restllts of the studies on the coleorhizas of15crops,thei工Oute工andinner morphological   nature was clearly reヤealed andalso their physiologicalfunction was made known 

Then the ecologicalaspects of the coleorhizain cade of unfair conditions for seed germination   Were Clearly found out,and the closeIelation between the drought resistance and salt resistance   p工Ope工ties of the rice plant,and the high soilmoisture tolerance of wheat plant,Which an   impo工tant prOperties of cer−eals varities,and the natu工e Of coleorhiza wasinvestigated 

And theIelationship of ecolgicalstate of the coleorhiza to the geographic distribution of a variety   OfIice plant was also examined,and thusit was broughtlight that the coleorhiza has animpoItant   bearing on the ge工mination of seed and unknown prope工ties ofa variety of cereals.   

Cllapterlい MorpI10log王ea18t11dies om仇e eoleorIliza.   

rhe coleorhizais a sheath shaped organ that covers the seminalrootin eznbryo,and the  

COleorhiza tissues consist of paIenChyma cells and contain no vascular bundle.When the seedsin dry   are given a good condition to germination,the coleorhiza cells elongate and appear first out o董 the   Seed coat.   

Up to the present,it has been repor−ted that what appears first at the time of germinationis  

COleoptile,Seminalroot,OICOleorhiza varying with the kind of crops.Butit has become evident that   in husked gIain the coleorhiza first breaks the seed coatin allcases at ger皿ination;in unhusked  

grain the coleorhiza can not be observed on account ofits husks,and when the huskis removed,the   COleorhizais found to break the seed out fiISt aSin the case of the h11Sked grain.  

1.The border tIetWeen the eoleol血iza amd tlle Other organs:・  

(l)The boundary between the coleorhiza and sc11tellum‖Acco工dingtoREEDER(58),in the Festucoid   type,the coleo工hiza agglutinateswith the scutellum andin the Panicoid typeit detachesitself from   thelower paIt Of scutell11m,b11t the boundary between the coleorhiza and the scutellumis not   observed 

And SuETSUGU(66)(67)stated thatin the case of the wheat and the rye,the coleorhiza branches   above thelower part of a scutellu皿butin the barley and the oat,it does not 

ThIOugh the experinents onIice,Wheat,ba工1ey,Oatand.ryeit was ascertained that thecoleorhiza   branched at about thelowest paIt Of the scutellumin allcases as faIaS the varieties of cereals the  

present wrieer used were conceIned 

The angles of the branches were small,the aIea Of boundary between the coleorhiza and scutellum   

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叫77→   

being very wide.In the Panicoid type,COleorhiza braJIChed at theユowe工PaIt Oithe scutellu皿,  

the coleorhiza diverged fIOm the scutelluminlarge area as both sides of tlle SCl】tellun overlapped   and covered the coleoIhiza.  

(2)The bo11ndaIy between the coleoIhizaand the epiblast:・   

In the case of rice the工e WaS nO distinct border between the coleoIhiza and the epiblastin dry   seed,b11tit became distinct at the geImination,because with the rate of the dilation of coleorhiza   ce11s wa$ greater・than that of the epiblast,and surface depression was observed between the   coleorhiza and the epiblast.   

In the case of wheat,Oat and finger mi11et,the bounda工y WaS disthlCtin dry seed beca11Se Of   the difference of shapein the cells of both organs 

(3)The boundaIy between the coleorhiza and the mesocotyl:−  

In the case of barley,Zye and pearlmi1let,the boundary between the coIeoIhiza and the mesocotyl   was easy to find becausein dry seed the cells of the董cImer WaS SmalleIandlcnger than those of   tIlelatte工 

In the case ofIndian corn andJob,s tears the distinct boIdeIbetⅥeen both organs was difficult   to find at both the state of the dry and germination,for the coIticaltissue cells of the mesocotyl   elongate at the sameIate aS the coleoIhiza ceils do at germination,aSit became distinct from the   experiments on the crops mentioned above that the boundaIy between the mesocotyls and the semiI】al   roots of these crops concuIS With that between the coleorhizas and the mesocotyls,that o壬Indian   corn andJob,s tears should be the_OutSide of the uppeIPart Of the seminalIOOt 

2.The morphologIicalclassification of the coleorh重zas of cereals   

F工Om the precedi王1g reS11王ts of studies,the bol】ndaries between the coleorhiza and the other  

OrganS became distinct。.And the morphologicalclassification o董15cIOpS O董 ceIeals was made,the   following points especially being main attention to:   

The position of the coleorhiza separating from the scuteI王um and the expansion of both ends ofit    COVe工ing the coleoIhiza,the epiblast present oIabsent,the cavity between the coleoIhiza and the    Seminalroot,and branches of the coleorhiza tip oInOt 

Chapt創r】Ⅰ.TheI】bysiolog王ぐalstl之dies on蝕e coleoIもiza.   

The coleorhiza breaks the seed coat first and seems to be helpful to the progIess of seed  geImination 

As the main physiologlCalfunctions of the coleorhiza,SuCtion o董 water and absoIption ofmineIal   substance we工e eXamined 

1SⅦCtion of ⅥateT・○董 tlle eOleol血i2:a:−   

When the coleorhiza of rice and wheat appea工S OutOf the seed coat and produces coleorhiza haiI,  

if we soakitinち・畠oooo solution of neutralred at neut工alreaction,Ied co】or was suckedin coleo工hiza   hair very soonAnd the degree of plasmoly苧1S Of the coleorhiza epideImis ofIndian corn was   equivalent to that of O44moIsucrose solution,and the mean suction of water o董 coleorhiza tissue   Of barnyard miiiet was tantamount to O.4moIsucrose solution 

By:mean Of micropyrometer(needle method)the osmotic pressure o董 the rice coleorhiza tissue   COuld not be dete工mined but the osmotic pressuIe Of the coleoIhiza tissue was similar to that of   seminalroot 

This p工OVed that the osmotic pressure of the coleorhiza waspretty bighin degree,Theincrease   in the osmotic pIeSSure Of the coleorhiza tissue with that of the artificialcultl】re SOlution was  

similar to the case of the seminalIOOt 

These facts showed that the osmotic pressure of the coleorhiza was pretty highin degree 

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ー78−  

The detection of components of sugarin coleorhiza at fullgrowth was held onIndian corn,by  

paperchromatography,and sucrose was found to belargerin amount than glucose and fructose.One   COleorhiza contains17γof totalsugar,From the above・mentioned experimentsit was made clear   that the coleorhiza abso【bed water at germination 

2.The fllmetion of at〉SOrbimg・minerals by仙e eoleorhiz孔:・   

When geIminated rice g工ain p工Oduced the coleoIhiza hairin distilled water were placedin O.5%  

NaCIsolution,Clenteredinto coleoIhiza hair onlyin aminute,and especially short hair was found   to contain much Cl And Clmoved toward theinteIior of the coleorhiza an hourlater and about 5   hourslater,aCCumulation CIwas foundin the vascular bundles of scutellum,plimule and radicle.   

After 6 hours,CIwas foundin the epitheriumlayer and endosperm too 

When82p was painted on the surface of the wheat coleorhiza,11.5−15。5% ofit was translocated   into the plimule,andlO.5−24.5%into the radicle after 24hou工S 

In the case of theIndian corn,the percentage of translocated82p wasless thanin the case of  

Wheat,but82p was clearly tIanSlocated‖ Above expeIiments showed that the coleorhiza had the   absorbing:mineralsubstance 

5い TIlimfl11enee Of euttimg off the coleorIliza upom tIle grOWtllOf g・ermima.七重mg・org・anS:−   

The experiments were done on later growth of the seedling when the coleorhiza had been cut off  immediately after the appeaIanCe Ofits tip out of the seed coat ofIice and wheat,a harmfulef董ect   WaS p工Oduced on the growth of seminalIOOtS,but none on that of the coleoptile 

The coleorhiza seems to promote the growth of the工00t throughits physiologlCalfunctions  Chapteヱ・Ⅱ.The e¢Olog・iealsttldies on tlle COleorhiza.   

To clarify the ecologicalnatures of coleorhiza,abnormalbad conditions weze given  And the followlng reSults were obtained.   

1 Ecolog・icalnature of the coleorhiza under diminished water supply:・   

Whenthe concent工ation of solutionis gradually raised,absorption of wateIinhibited,and thereis   One phase between normalgermination and non germination that only the coleo工hiza breaks the seed  

COat and does not promote growth.   

The e MitteIe Saugkraft Maxima of h11SkedIice grain was equivalent to that of O小7,0り8 molof   SuCrOSe SOlution and that of baInya工dmi11et Oh9〝1.O mol 

The coleorhiza had the ecologlCalcharacter to continueits elongationin such a highconcentration   of sucrose solution 

2‖ The ecologicalnattlre Of the coleorhi2;a11nder diminished oxygen飢Ipply:−   

In the case of ge工minationin boiled water with greatly diminished oxygen supply,both the   COleorhiza and the coleoptile of rice and barnyaId whose orlgln SeemS tO bein a moorland,Showed   abnor皿alelongation but the forageleaves and seminal root stopped their gIOWth.   

In the other cIOpS the coleorhiza and coleoptile appeared fIOm the seed or only coleorhiza came out   little.And there was a group whose seed germination was not seen atalL   

As mentionedin the above results,the coleorhiza elongationis diffe工ent after the sort of cereals,  

and crops were divided according to the nature of their coleorhizas.But when the restriction of the   OXygen Supplyin the wate工 Seed germination was seenin the crops such as barley,Oat and rye,  

though they djd not germinatein boiled water,and the coleorhiza appeared and showed abnorznal   elongation一Such abnormalelongation was caused by the gIeat SWelling of the cells o董the coleorhiza 

In the case of the rice,thelowestlimit of oxygen supply necessary for the develop皿ent Of the   

Seminalroot seemed tolie near2..5%aiIOf normalcondition,but the coleorhiza grew remarkably    even undeIthe condition of O%air.   

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Fron the results of experiments,it became evident that thelowestlimit of oxygen supply   necessary for the coleorhiza breaking the seed coat varies with sort of crops,but evenin the   diminished ofit that makesitimpossible foIthe seminalroot to develop,COleorhiza can growu   

る。The ecolog・icalnature of the coleorhiza at the maximtlm and mhtimum temperat,11reS:−   

When the rice varieties(Honshd,Japan)were beded at42OC,a gOOd dealof the coleor hiza appears   from the seeds but the coleoptile showslittle elongation aftefWards and the seminalroot does not  

appear at all,And alsolOOC,the type of germination was the same with the germination at the  

maximum temperatuIe,and even after 5 weeks the seminalro〇t WaS nOt Seen atal1,thoughthe   coleorhiza appears from the seed pretty much 

When barley and wheat were bedded at theminimum temperature OOC,the coleorhiza breaks seed   COat,but even afte工 2 weeks the seminalroots were not seen at all.The coleorhiza has the ecological   nat11re Of capacity of emeIgenCe both at the maximum and minimum temperatures董or germinationl 

4… The eeologiealnatllre Of the eoleor‡lizain thiek NaCIsollltiom 

In the case ofunhusked grain,the emergence of the coleorhiza was not perceived fIOm the outside  

Of the seed when salinity exceds2.0%,butin the case of husked riceit was visiblein such a high   Salinity as5.0%or4.0%,andin some grains the coleoptile showed alittle growth afterwaIds,but   the seminalroot was not pe工Ceived atall 

Thus the process′Of germination was hindered when the outward condition of ger皿inationis   abnormal,and someindividuals could develop their・COleoptiles only alittle but neither forageleaves   nor seminal roots 

It was moreover newly perceived from the point o王the organ of the embIyO,the coleo工hiza has an   ecologicalnature of breaking the seed under such an abnormalcondition that neither the forageleaf   nor the seminalroot does not grow 

CIlapterⅣ.The relation betweerL the nature of the coleorhiza and varietal characteristics of  

eX■OpS 

From theinvestigationinto the relation between the nature of the coleorhiza and drought resistance   and salt resistance of rice and next that betweenit and the degree of soilmoisture tolerance of   Wlleat Va工ieties andlast the relationit and the geogr aphic distribution of rice,the fo1lowlng   COnClusions weIe Obtained小  

1.The relation betweem the nat11re Of the eoleorhi2:a and drought resistance of rice varieties: 

As for a germination rate,On the dry soil(50% wateICaPaCity)amoreIeSistant va工iety Sensh6  

SprOutS faster thanin the case of aless resistant N6rin No.10。The embryo of SeTISh6,after having   been removed from the seed bededin the dry soilfor12 hours,prOVed strongerinits absorption  

O董 0Ⅹygen than that of N6工in No 10   

StaICh was translocated to the coleorhiza and tip of the seminalroot appeared faster and morein   quantity thanin N6rin No…10.1t was ascertained therefore that such a stIOnge工absorption of oxygen   O董the embryo and such a faster staICh translocation on the dr・y SOilquicken geImination 

2  The relation between the nature of the cole・Orhiza and salt resistamce of rice varieties  A more salt resistant vaIiety of rice ge工minated faster than aless resistant one when they were   keptin 5%−4%NaCIsolution of highconcentration,but at such a highconcentr ation of NaClthe   forageleaf and the seminalroot did not gIOWin allvarieties 

5.TIle relatiom between the nature of the coleorhiza and high soilmoisture toleramce of wheat  

Varieti(!S.   

Under the diminished oxygen supply that only permited the e皿ergenCe Of the coleorhiza a more   highresistant vaIiety proved to appear and belargeIin quantity than aless moisture resistant one 

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ー8ロ ー 

Itis wellknown a vaIiety of wheat high moisture toleIanCe One neededless cons−1mption of  

oxygenat no工malseed germinationthanthatof a variety withalow one・From the experiment,in   the diminished oxygen s11pplyunderwaterthat only permited thecoleorhizato eme工ge・−abnormalseed  

ger皿inationNit was found the consumptionof oxygenofavariety ofwheatwi払hightoleranceof  

moistureless than that of a variety with alow one 

4い The relation between 蝕e nature of the coleorhiza and the geograpllic distribution of rice  

Variet重es.   

When the unhulled grains were germinated at the maximum tempe王atuIe42OC・Varieties of cool  

regions wasinhibitedin the emergence of the coleorhiza,While varieties of thetIOPicalones   showed good geImination rate as with the case of500C 

The respiration rate of the embryo of N6Iin No.10(Honsh頁)proved higher than that of Eiko  

(Hokkaido),eaCh being removedfromthe dry seed and where taken12hoursafter seeding at420C   respectively.   

Thus the fact that the respiration rate of the embryo of the vaIiety of cool工eglOnSislower than   that of HonsI沌 Variety may willbe considered as a facto工 Of retarding the emergence of the   coleoIhiza at a hightemperature.By the above experiments,a Close relation was fo11nd to exist  

between the coleorhiza and vaI・ietalcharacteristics of crops 

And so,the studies of the ecologicalnatuIe Of the coleorhiza have animportanceon the study of  

crops,and afteIfurtheIeXPeri皿entS bea工ing many varieties the studies of the coleorhiza under  

abnormal condition willserve as a method whereby to examine varietalcharacteristicsin plant   breeding 

Cllapter V.でbeinvestigationimto tIle VaI王ol丑S如昭eS Ofseed germina七iom 

The definition of seed geImination has been different with eachinvestigator,and an abnormal  

geImination that only the coleorhiza emerges and does not grow seminalIOOt has beenassorted小   Therefo工e the pIeSent authoIis golng tO divide the seed germination processinto four stages・  

1..The prevjoⅦS Stag・e O董seed g・erm玉na七重on:・   

At the first stage of seed germination,the seed swells by water by physicalsuction and then  

beginsits active suction of water 

Large enlargement of the seedis considered as the first step of germination 

The previous stage of germination is the period from the marked swelling of the seed until  appeaIance of the coleorhiza out of the seed coat 

2小 甘he early stage of seed g■erminatiom:−   

The coleorhiza breaks the seed coat and continuesits gIOWth,While the other ozgans can not be   seen.This stagelS Ca11ed the early stage of seed germination 

5.The middle stage of seed酢rmimatiom:−   

After the early stage of seed germination,the coleoptile or the seminalroot appears out of the  

seed coat,but allthe elnbryonic organs aIe nOt COmPleted・This stageis called the middle stage o董  

seed germination 

4.The finalstage Of seed germimation:−   

Allthe oIganS Of the seedling such as coleorhiza,COleoptile,meSOCOtyland seminalroot appear out   Of the seed,Seed germinationis now completed,and thisis the finalstage of seed germination・・   

In accordance with the various stagles of seed germination the changes of activities of amylases  during seed germination was examined and following results were obtained.In the early stage of   germination the activitiesof amylasesinIice and wheatgrains werealmost simi1ar to thosein the  

dry seeds 

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−81一−  

Butin the final stage of seed germination,the activity ofα一amylasein rice andα・amylase and   β−amylasein wheat grains became moIeintense than thatin dry seed.The activity ofβ・amylasein   rice grain,however,became powerfulin24ho11IS after the finalstage of seed geImination 

The conclusion o董this study of the coleorhi2;a Of ceralsis summarized as follows:一   

By the morphologicalstudies,indistinct boundaries between the coleorhiza and the other organs of   Seedling was made clear,and the morphologicalclassification of coleorhiza of crops was done 

Andit was also brought tolight that the coleorhiza had the function of suction of water and   absorption,and had a capacity of a geIminating organ 

It was proved even under the unfavourable conditions of seed germination,Only the coleorhiza   COntinuedits growth,and theIe WaS a Close relation between the diffe工enCe O董natu工e Of coleorhiza   among crops and the characteristics of crop varieties 

Lastly,by the studies of the coleorhiza,author suggested the advisibility o董 dividing seed   geIminationinto 董our stages 

Further studies on the coleorhiza are earnestly hoped for to be promoted hereafter.   

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