單 瑩 王子勝
(1.遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所, 遼寧 遼陽(yáng) 111000; 2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 沈陽(yáng) 110161)
1876年,Nobbe提出種子生長(zhǎng)力即種子活力的概念,從而創(chuàng)立了種子學(xué)[1]。科學(xué)家圍繞種子的發(fā)生和發(fā)育、結(jié)構(gòu)和成分[2-3]、生理生化特性[4-5]、對(duì)環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)[6-9]等開(kāi)展了一系列的研究。近年來(lái),有關(guān)種子的信號(hào)調(diào)控系統(tǒng)[10-12]和分子生物學(xué)研究[13-15]也在逐步深入,嘗試著從更深層次揭開(kāi)種子的秘密。
種子發(fā)育和成熟的過(guò)程也是貯藏物質(zhì)逐漸累積增加的過(guò)程[13],種子內(nèi)的貯藏物質(zhì)主要是蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、其他含氮物質(zhì)[16]。研究表明,糖類是種子的主要貯藏物質(zhì),是種子生命活動(dòng)的主要呼吸基質(zhì)[17];脂類可以限制種子的透水性[18],對(duì)細(xì)胞膜起到保護(hù)作用;蛋白質(zhì)幫助構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu),并為種子的正常代謝和發(fā)育提供氮素來(lái)源[19]。種子內(nèi)的貯藏物質(zhì)在不同種類、不同成熟度、不同貯藏年限的種子之間,甚至在同一作物的不同品種之間、同一品種不同產(chǎn)地之間都存在一定的差異。陳新軍等研究認(rèn)為,不同植物種子所含成分的差異,對(duì)其活力有一定的影響[20]。陳素傳等通過(guò)對(duì)栓皮櫟的研究認(rèn)為,不同種源間栓皮櫟種子的長(zhǎng)度、寬度和種子千粒質(zhì)量以及可溶性糖、淀粉和蛋白質(zhì)含量差異極顯著[21]。張瑩等[22]對(duì)山白樹(shù)種子、烏璟等[23]對(duì)白木香種子、鄔忠康等[24]對(duì)不同品種荷蘭豆種子、呂曉梅等[25]對(duì)不同產(chǎn)地的長(zhǎng)柱紅山茶種子、相微微等[26]對(duì)不同地區(qū)大明綠豆種子的營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行了分析比較,也得到了相似的結(jié)論。
種子萌發(fā)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程,包括吸水膨脹,代謝恢復(fù),胚根突破外圍包被組織,即完成萌發(fā)[10]。種子萌發(fā)過(guò)程中,會(huì)發(fā)生一系列生理生化變化,其中包括有毒有害物質(zhì)的積累、酶活性的變化、激素水平的變化等等。有關(guān)種子萌發(fā)期間酶活性和激素水平變化的研究較多,并取得了豐富的成果[27-28]。關(guān)于,種子萌發(fā)過(guò)程中的生理生化變化與種子的營(yíng)養(yǎng)成分含量之間,相關(guān)性研究記載不多,相關(guān)研究較多以牧草、園藝作物或者樹(shù)木的種子為模板,針對(duì)大田作物種子開(kāi)展的研究有限。因此,本試驗(yàn)選擇具有代表性的8種大田農(nóng)作物種子,檢測(cè)其貯藏物質(zhì)含量和萌發(fā)期間生理生化變化等指標(biāo),研究分析了大田作物種子萌發(fā)的規(guī)律,以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中種子生產(chǎn)、保存和應(yīng)用提供參考。
試驗(yàn)選取了棉花、紅小豆、水稻、玉米、黃豆、黑豆、花生7種作物種子為材料。
1.2.1種子基本指標(biāo)的測(cè)定
每份樣品取適量,檢測(cè)百粒重,并利用培養(yǎng)箱進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。
1) 種子百粒重。
選擇大小均勻、無(wú)破損的種子(棉花種子為脫絨后光籽),測(cè)量百粒重,每樣品重復(fù)3次,取平均值。
2) 種子發(fā)芽試驗(yàn)。
每樣品取100粒種子,使用發(fā)芽盒,溫度28 ℃、濕度40%,利用培養(yǎng)箱進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。發(fā)芽前利用95% 乙醇溶液對(duì)種子、發(fā)芽盒和培養(yǎng)箱進(jìn)行表面消毒,在第4天測(cè)定發(fā)芽率。
1.2.2種子營(yíng)養(yǎng)成分含量的測(cè)定
利用索氏提取法測(cè)定種子的粗脂肪含量,用蒽酮顯色法測(cè)定種子的可溶性糖和淀粉含量。操作方法參考張治安、陳展宇編寫(xiě)的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[29]。
1.2.3種子萌發(fā)期間酶活性的測(cè)定
每樣品種子稱取1 g,經(jīng)全面消毒后,使用發(fā)芽盒在溫度28 ℃、濕度40%的條件下,利用培養(yǎng)箱進(jìn)行發(fā)芽。分別在發(fā)芽1、4、7 d,取發(fā)芽種子測(cè)定丙二醛(MDA)含量、過(guò)氧化物酶(POD)活性、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性和超氧化物歧化酶(SOD)活性。所有指標(biāo)的測(cè)定均重復(fù)3次,最終結(jié)果取平均值。
采用TBA比色法測(cè)定種子MDA含量,采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定種子POD活性,采用紫外吸收法測(cè)定種子CAT和SOD活性。操作方法參考李玲等編寫(xiě)的《植物生理學(xué)模塊實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[30]。
1.2.4數(shù)據(jù)處理
利用Excel軟件處理數(shù)據(jù)和作圖,利用DPS軟件分析。
由不同種類種子營(yíng)養(yǎng)成分含量差異(表1)可見(jiàn),各樣本間養(yǎng)分含量差別明顯。其中粗脂肪含量較低(0.51%~4.62%)的小豆、玉米和水稻種子中,淀粉含量明顯較高(38%~59%),即淀粉類種子;而其它樣本的粗脂肪含量高(16%~45%),淀粉含量明顯較低(3.1%~5.0%),即脂肪類種子(油料作物種子)。除棉花和花生的可溶性糖含量較低外,其它作物種子的可溶性糖含量基本接近,與其它2種成分之間并沒(méi)有表現(xiàn)出相關(guān)的趨勢(shì)。
表1 不同種類種子營(yíng)養(yǎng)成分含量
樣本 粗脂肪/%可溶性糖/%淀粉/%棉花18.94±0.16bB 5.24±0.13fE3.17±0.09cC紅小豆0.51±0.03gF14.29±0.54aA38.13±4.29bB水稻1.84±0.01fE11.27±0.72dC59.13±4.87aA玉米 4.62±0.18eD13.72±0.25abAB58.80±1.93aA黃豆16.82±0.08dC13.14±0.77bcAB5.04±0.58cC黑豆17.62±0.14cC14.16±0.65aA4.32±0.16cC花生45.24±0.21aA7.46±0.33eD3.66±0.13cc
注:表中大寫(xiě)字母表示在1%水平上差異顯著,小寫(xiě)字母表示在5%水平上差異顯著。下同。
2.2.1種子百粒重和發(fā)芽情況
由種子百粒重和發(fā)芽試驗(yàn)的結(jié)果(表2)可見(jiàn),樣本間的百粒重和4 d發(fā)芽率差別明顯。通過(guò)計(jì)算,種子的百粒重和4 d發(fā)芽率之間的相關(guān)系數(shù)為0.722 6,為中度正相關(guān);淀粉類種子和脂肪類種子的發(fā)芽率之間也沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的差異。
表2 樣本百粒重和4 d發(fā)芽率
樣本百粒重/g4d發(fā)芽率/% 棉花9.89±0.06fE8.62±1.24dC小豆21.77±0.50dD70.67±3.21abA水稻2.40±0.06gF42.33±14.57cB玉米27.90±0.69bcBC70.00±8.00abA黃豆27.03±1.42cC57.67±4.51bcAB黑豆29.47±0.91bB55.67±8.74bcAB花生47.17±1.81aA76.67±2.08aA
2.2.2養(yǎng)分含量與種子百粒重和發(fā)芽率的相關(guān)分析
以種子的營(yíng)養(yǎng)成分含量為自變量,以種子百粒重和4 d發(fā)芽率為因變量,進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析,結(jié)果(表3)表明,樣本的百粒重主要受到粗脂肪和可溶性糖含量的影響,并與粗脂肪含量呈中度正相關(guān);3種成分含量都會(huì)影響到4 d發(fā)芽率,其與粗脂肪含量呈較弱的低度相關(guān)。由此可見(jiàn),粗脂肪含量對(duì)種子百粒重和發(fā)芽率的影響較大。
表3 養(yǎng)分含量與百粒重和發(fā)芽率的相關(guān)和逐步回歸分析
2.3.1MDA濃度變化情況
MDA濃度變化(圖1)表明,發(fā)芽期間,棉花種子的MDA濃度明顯高于其他作物,其次是花生、黑豆、黃豆,濃度最低的是水稻種子??傮w來(lái)說(shuō),,脂肪類種子的MDA濃度要高于淀粉類種子,隨著發(fā)芽時(shí)間的延長(zhǎng),淀粉類種子MDA濃度呈升高趨勢(shì),而脂肪類種子MDA濃度則呈先升再降趨勢(shì)。
圖1 種子發(fā)芽期間MDA濃度變化情況
2.3.2養(yǎng)分含量與MDA濃度的相關(guān)分析
以種子的營(yíng)養(yǎng)成分含量為自變量,以種子發(fā)芽第1天、第4天和第7天的MDA濃度為因變量,進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析,結(jié)果(表4)表明,種子發(fā)芽期間,MDA濃度主要受到可溶性糖含量的影響,并與其呈顯著負(fù)相關(guān);其次是淀粉含量;粗脂肪含量對(duì)MDA濃度的影響較小。
表4 養(yǎng)分含量與MDA濃度變化的相關(guān)和逐步回歸分析
發(fā)芽時(shí)間/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X31 0.1192-0.7028-0.3911Y=7.45-0.52×X240.1803-0.7765-0.3792Y=22.76-1.65×X27 0.1408-0.7701-0.3160Y=19.47-1.397×X2
2.4.1POD活性變化
POD活性的變化(圖2)表明,種子發(fā)芽期間,淀粉類種子的POD活性呈逐漸降低趨勢(shì),其中玉米和水稻種子發(fā)芽1 d時(shí)的POD活性明顯高于其他作物,其下降也較為明顯。脂肪類種子POD活性變化趨勢(shì)相對(duì)較復(fù)雜,但黑豆和花生POD活性一直保持在較高水平。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看,不同樣本間、不同的發(fā)芽時(shí)間之間,都沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。
2.4.2養(yǎng)分含量與POD含量的相關(guān)分析
以種子的營(yíng)養(yǎng)成分含量為自變量,以種子發(fā)芽第1天、第4天和第7天 POD活性為因變量,進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析,結(jié)果(表5)表明,發(fā)芽1 d時(shí), POD活性主要受到淀粉含量的影響,呈顯著正相關(guān),與粗脂肪含量呈顯著負(fù)相關(guān),與可溶性糖含量呈低度正相關(guān)。發(fā)芽4 d和7 d時(shí)表現(xiàn)出相同趨勢(shì):主要受到粗脂肪含量的影響,并與其呈顯著到極顯著正相關(guān),與可溶性糖和淀粉含量呈顯著負(fù)相關(guān),且其相關(guān)性逐步減弱。
圖2 種子發(fā)芽期間POD活性變化情況
表5 養(yǎng)分含量與POD活性變化的相關(guān)和逐步回歸分析
發(fā)芽時(shí)間/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X31 -0.54410.39410.7562Y=0.0497+0.007×X34 0.7845-0.5723-0.3181Y=0.0180+0.00538×X170.8314-0.3811-0.4192Y=-0.025+0.0072×X1
2.5.1CAT活性變化情況
CAT活性變化(圖3)表明,棉花種子發(fā)芽1 d和4 d 時(shí)CAT活性較高,而花生種子在發(fā)芽7 d時(shí)CAT活性較高。棉花和花生種子的CAT活性在整個(gè)試驗(yàn)期間都保持在相對(duì)較高水平,而水稻和小豆種子的CAT活性則相對(duì)較低。總體來(lái)說(shuō),除棉花外,其它樣本發(fā)芽期間CAT活性呈逐漸上升的趨勢(shì)。
圖3 種子發(fā)芽期間CAT活性變化情況
2.5.2養(yǎng)分含量與CAT活性的相關(guān)分析
以種子的營(yíng)養(yǎng)成分含量為自變量,以種子發(fā)芽第1、4、7天的CAT活性為因變量,進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析,結(jié)果(表6)表明,種子發(fā)芽期間,CAT活性與粗脂肪含量呈顯著正相關(guān),與可溶性糖含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān),與淀粉含量呈顯著到減弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系。逐步分析的結(jié)果也表明,種子發(fā)芽期間,CAT活性主要受到可溶性糖含量的影響。
表6 養(yǎng)分含量與CAT濃度變化的相關(guān)和逐步回歸分析
發(fā)芽時(shí)間/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X310.4098-0.8559-0.5332Y=770.9243-49.0648×X24 0.3933-0. 4801-0.0263Y=493.5094-7.7616×X1-3.4011×X270.5695-0.7847-0.4058Y=305.5121+8.7686×X2
2.6.1SOD活性變化情況
SOD的活性變化(圖4)表明,棉花種子的SOD活性在發(fā)芽1 d時(shí)較高,而花生種子SOD活性在發(fā)芽4 d和7 d時(shí)較高。比較之下,棉花和花生的SOD活性相對(duì)較高,而小豆和水稻SOD活性較低。總體來(lái)看,種子發(fā)芽期間SOD活性隨發(fā)芽時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低,并且脂肪類種子SOD活性高于淀粉類種子。
圖4 種子發(fā)芽期間SOD活性變化情況
2.6.2養(yǎng)分含量與SOD活性的相關(guān)分析
以種子的營(yíng)養(yǎng)成分含量為自變量,以種子發(fā)芽第1、4、7天的SOD活性為因變量,進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析,結(jié)果(表7)表明,發(fā)芽期間SOD活性與3種成分的含量都有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,其與粗脂肪含量為正相關(guān),與可溶性糖和淀粉含量呈負(fù)相關(guān)。逐步回歸分析表明,種子發(fā)芽期間,SOD活性主要受到可溶性糖含量的影響,隨可溶性糖含量的升高而降低。
表7 養(yǎng)分含量與SOD活性變化的相關(guān)和逐步回歸分析
發(fā)芽時(shí)間/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X310.5174-0.8356-0.5317Y=691.0671-41.0613×X240.9095-0.7531-0.5135Y=104.8730+4.7174×X1-9.8172×X270.6259-0.8343-0.2612Y=20.6640-1.1515×X2
試驗(yàn)中各樣本的養(yǎng)分含量差異明顯。3種營(yíng)養(yǎng)成分中,粗脂肪含量與淀粉含量呈負(fù)相關(guān),可溶性糖含量與其它2種成分之間沒(méi)有表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系。脂肪含量較高的種子被稱為脂肪類種子或油料作物種子(脂肪含量≥15%),是天然油脂的主要來(lái)源,本試驗(yàn)中包括花生、棉花和黃豆;而淀粉含量較高的種子被稱為淀粉類種子(淀粉含量≥35%),一般作為人畜的淀粉類食物來(lái)源,本試驗(yàn)中包括水稻、玉米和小豆。值得注意的是,黑豆作為雜豆類的一種,一直都被認(rèn)為是淀粉類種子,試驗(yàn)檢測(cè)的脂肪含量高達(dá)17.62%,基本與黃豆持平,而淀粉含量?jī)H有4.32%,因此應(yīng)將其作為油料作物,成為植物油脂的一個(gè)新來(lái)源。同時(shí),黑豆作為一種比較受歡迎的保健食品,建議對(duì)其油脂的組成成分進(jìn)行進(jìn)一步分析,充分開(kāi)發(fā)其藥食同源的新用途。
試驗(yàn)中樣本間的百粒重和第4天發(fā)芽率區(qū)別明顯,并且呈顯著正相關(guān)關(guān)系,即種子越大,發(fā)芽率越高;2個(gè)指標(biāo)在淀粉類種子和脂肪類種子之間沒(méi)有表現(xiàn)出區(qū)別。2個(gè)指標(biāo)更多受到粗脂肪含量的影響,可溶性糖含量和淀粉含量對(duì)其影響有限。然而,水稻種子由于種皮較堅(jiān)厚,發(fā)芽較慢,第4天發(fā)芽率僅為42%,棉花種子的4 d發(fā)芽率僅為8%,其原因有待進(jìn)一步探討。
本試驗(yàn)中,脂肪類種子MDA濃度要高于淀粉類種子。隨著發(fā)芽時(shí)間的延長(zhǎng),淀粉類種子MDA濃度呈升高的趨勢(shì),而脂肪類種子MDA濃度則呈先升再降趨勢(shì)??傮w來(lái)看,MDA濃度隨粗脂肪含量的增加而升高,隨可溶性糖和淀粉含量的增加而降低。
可溶性糖是種子發(fā)芽到轉(zhuǎn)入光合作用之前的主要呼吸底物[6],可溶性糖含量高,則種子的生命活動(dòng)相對(duì)旺盛,有害物質(zhì)積累隨之降低。本試驗(yàn)中,MDA含量與可溶性糖含量呈負(fù)相關(guān),這一點(diǎn)與前人的研究結(jié)果相符合。趙娟等研究認(rèn)為,種子中脂類物質(zhì)限制種子的透水性,對(duì)細(xì)胞膜起到保護(hù)作用;但是脂類容易變質(zhì),從而引起種子的劣變[18]。本試驗(yàn)中脂肪類種子MDA濃度要高于淀粉類種子,結(jié)合筆者的相關(guān)試驗(yàn)(數(shù)據(jù)整理中),可以推測(cè),脂類是種子發(fā)芽過(guò)程中MDA的重要來(lái)源之一。
發(fā)芽過(guò)程中,淀粉類種子的POD活性呈逐漸下降趨勢(shì),脂肪類種子POD活性變化較為復(fù)雜,該指標(biāo)與粗脂肪含量呈正相關(guān)關(guān)系。CAT活性呈逐漸上升趨勢(shì),SOD活性呈逐漸降低趨勢(shì),二者主要隨可溶性糖含量的增加而降低。脂肪類種子的SOD活性高于淀粉類種子,CAT活性在兩類種子中沒(méi)有表現(xiàn)出明顯趨勢(shì)。
本試驗(yàn)中,粗脂肪含量與POD活性、CAT活性和SOD活性均表現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系,由此可以推測(cè),發(fā)芽過(guò)程中的氧自由基主要來(lái)自于脂類物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化,氧自由基的增加反而提高了酶的活性。樣本中, POD活性較高的花生和黑豆,其發(fā)芽和生長(zhǎng)情況良好;同為脂肪類種子的棉花其POD活性明顯低于花生,發(fā)芽率也低于花生;可以認(rèn)為,POD對(duì)種子起到了直接的保護(hù)作用。同時(shí),棉花和花生的CAT和SOD活性一直較高,但花生的發(fā)芽率較高,而棉花的發(fā)芽率卻偏低,說(shuō)明CAT和SOD對(duì)種子的保護(hù)作用并沒(méi)有直接體現(xiàn)在種子活力上。關(guān)于其作用機(jī)制,有待進(jìn)一步探討。
本試驗(yàn)中,MDA、POD 、CAT、SOD 4個(gè)指標(biāo)在發(fā)芽第1天時(shí),起伏較大,在發(fā)芽第4天和第7天時(shí),各指標(biāo)都表現(xiàn)出一定的趨勢(shì)。由此認(rèn)為,種子在發(fā)芽第1天時(shí),還處在吸脹階段,基本的生理和代謝功能還沒(méi)有恢復(fù)。發(fā)芽第4天和第7天時(shí),種子的活性已經(jīng)被充分調(diào)動(dòng)起來(lái),代謝過(guò)程基本恢復(fù),此時(shí)的檢測(cè)結(jié)果反映的才是種子本身的活力水平,也更值得信賴。
本試驗(yàn)中種子發(fā)芽率與酶活性水平的關(guān)系,由于部分樣本出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象,發(fā)芽率數(shù)據(jù)不具有代表性,因此沒(méi)有進(jìn)行比較。關(guān)于這方面的工作,計(jì)劃在新一輪的試驗(yàn)中,通過(guò)不同溫濕度條件下,種子的發(fā)芽率和酶活性水平之間的關(guān)系研究來(lái)進(jìn)一步確定。
本試驗(yàn)中,為防止雜菌污染,對(duì)發(fā)芽盒、發(fā)芽箱及種子進(jìn)行了表面消毒,但種子發(fā)芽率一直偏低,第4天開(kāi)始出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象,第7天時(shí)腐爛現(xiàn)象已經(jīng)很嚴(yán)重,同時(shí)黃豆樣品也出現(xiàn)較嚴(yán)重的腐爛現(xiàn)象。樣品中順利發(fā)芽且發(fā)育良好,基本沒(méi)有腐爛的是水稻和花生。
Loic研究認(rèn)為,種皮是種子抵御外界不良環(huán)境的第一層保護(hù)機(jī)制,種皮中的黃酮類物質(zhì)不僅能為種子提供一個(gè)抵御病害的天然屏障,還能清除氧自由基[31]。結(jié)合本試驗(yàn)的實(shí)際,認(rèn)為棉花種子在脫絨過(guò)程中,種皮受到損傷,對(duì)種子的保護(hù)能力下降。徐敏等[9]曾經(jīng)利用棉花脫絨和未脫絨的種子進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn),也發(fā)現(xiàn)脫絨棉籽并未如預(yù)期在發(fā)芽方面占有優(yōu)勢(shì),推測(cè)應(yīng)該是同樣的原因。水稻的種皮較厚,保護(hù)性較強(qiáng),因而水稻發(fā)芽雖然稍慢,但發(fā)芽率較高,發(fā)芽后長(zhǎng)勢(shì)良好且沒(méi)有腐爛現(xiàn)象。黃豆的種皮相對(duì)較薄,保護(hù)能力有限,因此黃豆也出現(xiàn)了較嚴(yán)重的腐爛現(xiàn)象。但是花生同樣作為脂肪類種子且種皮較薄,卻能夠順利發(fā)芽并保持良好的生長(zhǎng)狀態(tài)。可見(jiàn),種皮的薄與厚并不代表其保護(hù)能力,種皮對(duì)種子的保護(hù)機(jī)制值得進(jìn)一步探討。
種子只有正常萌發(fā)和生長(zhǎng)才能真正體現(xiàn)其價(jià)值,綜合本試驗(yàn)研究結(jié)論,淀粉類種子在萌發(fā)方面具有一定優(yōu)勢(shì),生產(chǎn)中可以適當(dāng)降低播種量,脂肪類種子對(duì)于萌發(fā)期間的環(huán)境條件要求較高,種皮較厚的種子出苗率較高但發(fā)芽速度慢,生產(chǎn)中最好采取一定的催芽引發(fā)措施,以促進(jìn)其出苗。