宋 明，楊 博，沈永寶，尹中明

(1. 崇明區(qū)林業(yè)站，上海 崇明 202150； 2. 南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院， 江蘇 南京 210037； 3.上海市林業(yè)總站，上海 靜安 200072)

作為種子植物所特有的延存器官[1]，種子萌發(fā)是種子植物生活史的重要階段。 種子萌發(fā)時，呼吸代謝加強，其內(nèi)部會發(fā)生一系列的生理生化變化，為種子發(fā)芽和幼苗初期的生長提供必需的營養(yǎng)物質和能量[2]。人們對木本植物種子萌發(fā)的生理過程已廣泛研究[3]，如: 白皮松(Pinusbungdan)[4]種子在萌發(fā)過程粗脂肪含量前期變化幅度不大，種子突破種皮后才開始大量利用脂肪，并且脂肪降解生成大量的糖。 而阿月渾子(Pistaciavera)[5]、歐 洲 榛子(Corylusavellana)[6]等種子萌發(fā)過程也表現(xiàn)出相似的情況。油松(Pinustabulaeformis)[7]種子在萌發(fā)初始階段胚乳中的蛋白質和粗脂肪最先降解。除油松外，更多的研究是注重種子萌發(fā)過程后期，即胚根突破種殼之后的時期，而對種子萌發(fā)初始階段,即干燥種子吸水至胚根突破種殼階段的詳細代謝過程，罕有研究報道。 本文以香椿[Toonasinensis(A.Juss)Roem] 種子為試驗材料，通過探索種子萌發(fā)初始階段的物質代謝，進一步了解種子在萌發(fā)準備階段內(nèi)在復雜的生理生化機制。

1 材料與方法

1.1 種子來源

香椿種子由河南省欒川縣林業(yè)局提供，其千粒重為13.04 g，含水量為11.59%，發(fā)芽率為85%。

1.2 種子培養(yǎng)

用風選法挑選飽滿的香椿種子300 g，均勻置于有濕潤脫脂棉的發(fā)芽板中，用濕潤脫脂棉覆蓋，置于(25±1)℃培養(yǎng)箱中進行培養(yǎng)，并定期噴灑適量水，使種子充分吸水。以胚根突破種皮1 mm為露白標準，以此為取樣的結束時間。每9 h取樣品1次，測定種子含水量、呼吸速率以及淀粉、可溶性糖等生理、生化指標；用于生理、生化指標測定的樣品裝入密封袋，放入超低溫冰箱中保存。

1.3 測定方法

1.3.1 含水量的測定 在種子培養(yǎng)過程中，按照種子培養(yǎng)方法，每次隨機取出10 g種子(每次2個重復)，然后用吸水紙吸干其表面的水分，依據(jù)林木種子檢驗規(guī)程[8](GB2772-1999)，采用低恒溫烘干法立即進行種子含水量的測定。

1.3.2 呼吸速率的測定 在種子培養(yǎng)過程中，按照種子培養(yǎng)方法，每次隨機取出5 g種子(每次2個重復)，然后用吸水紙吸干其表面的水分，放入棉紗布中，用美國LI-COR 公司生產(chǎn)的Li-6400 光合作用呼吸儀來測定種子的呼吸強度。

1.3.3 內(nèi)含物的測定 以種胚為材料進行各種生理生化指標的測定?？扇苄蕴羌暗矸酆康臏y定采用蒽酮比色法[9];可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍G-250 染色法[9];粗脂肪含量的測定采用索氏提取法[9]。各指標測定均設3次重復，可溶性糖含量，計算其平均值。

本文數(shù)據(jù)的分析與處理通過Microsoft Excel軟件完成。

2 結果與分析

2.1 種子含水量和呼吸速率的變化

由圖1可以看出，香椿種子在前9 h內(nèi)，種子吸收的水分較多，處于快速吸水階段。9—27 h香椿種子的吸水速度較9 h前放慢，27 h以后香椿種子含水量逐步趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 香椿種子萌發(fā)初始階段含水量及呼吸速率的變化

在快速吸水階段(前9 h)，種子迅速吸水，含水量達到51.94%，為干種子含水量的4.48倍。9—27 h期間，含水量由51.94%上升到59.86%，種子吸水幅度變小。培養(yǎng)最初9 h內(nèi)含水量的大幅度升高主要是靠膠體物質的吸脹作用。種子細胞在其原生質體和細胞壁中含有蛋白質、戊聚糖、淀粉和纖維素等，有很強的親水性；在培養(yǎng)9 h后，原生質的水合程度趨向飽和，液泡以及大量新的原生質又未形成，因而種子缺少吸水的動力，吸水速度放慢；在種子培養(yǎng)后期，種子胚部細胞開始分裂，胚迅速伸長，細胞體積加大，種子內(nèi)貯藏的有機物大規(guī)模地水解為滲透性很強的小分子物質，這時的吸水是與代謝作用相關的滲透性吸水。

呼吸是種子生命活動的基本過程，它為種子萌發(fā)提供必需的能量和物質。一般情況下，種子萌發(fā)過程中呼吸代謝是不斷加強的。由圖1可知，香椿種子也遵循這一規(guī)律，其呼吸速率的變化主要可分為3個階段：在0—27 h這段時期，香椿種子的呼吸速率迅速增加，由開始的0.549 μmol/(g·min)上升到10.645 μmol/(g·min)；隨后在27—45 h內(nèi)，香椿種子呼吸速率呈現(xiàn)平緩上升趨勢；45 h以后呼吸速率又再次迅速升高。

香椿干種子的氣體交換處于極低水平，其呼吸速率僅為0.549 μmol/(g·min)，但隨著種子含水量的增加，酶系統(tǒng)不斷修復、活化，原本“靜止狀態(tài)”的種子呼吸速率明顯加強。培養(yǎng)最初的27 h時間內(nèi)，呼吸速率上升較快，這可能是干種子吸水膨脹后，與線粒體內(nèi)檸檬酸循環(huán)和電子傳遞鏈有關的酶系統(tǒng)活化有關；在種子置床培養(yǎng)27—45 h期間，呼吸速率變化平緩，但在45 h之后，呼吸速率又大幅度升高，并于培養(yǎng)81 h達到最高值，表明胚萌發(fā)前期細胞不斷分裂增長，新線粒體的合成不斷增強，呼吸酶類的活化，致使呼吸作用劇增，呼吸速率也隨之迅速升高。從圖1還可以看出，香椿種子在萌發(fā)初始階段的含水量與呼吸速率的變化基本一致。

2.2 種胚可溶性糖含量的變化

可溶性糖具有合成纖維素、組成細胞壁、轉化并組成其他有機物等作用?？扇苄蕴堑姆纸猱a(chǎn)物是其他很多有機物合成的原料?？扇苄蕴穷愖鳛楹粑|，為各種合成過程和各種生命活動提供了所需的能量。

由圖2可知，隨著香椿種子培養(yǎng)時間的延長，種胚中可溶性糖含量呈現(xiàn)總體下降的趨勢。在培養(yǎng)最初9 h內(nèi)，可溶性糖含量大幅下降，從1.95%降至1.22%，其原因除了可溶性糖因細胞膜功能尚未恢復而外滲外，更多的是作為呼吸代謝的底物被利用。在9—36 h期間，可溶性糖含量下降較緩慢，從1.22%降至0.98%，一方面原因是細胞膜已逐漸修復，內(nèi)含物質外滲量減少；另一方面原因是細胞內(nèi)代謝趨于穩(wěn)定，糖代謝趨于平衡，可溶性糖降解較少。在36—45 h階段，可溶性糖含量又出現(xiàn)大幅下降，從0.98%降至0.51%，主要是由于該時期胚的代謝活動增強，需要消耗大量的糖類物質。在45 h以后，可溶性糖含量開始回升，這可能是由于淀粉、脂肪等高分子物質大量轉化為小分子糖，進而為種子萌發(fā)提供能量。香椿種胚的可溶性糖在萌發(fā)初期的這種變化規(guī)律表明：隨著培養(yǎng)時間的延長，種子內(nèi)部物質代謝逐漸旺盛，可溶性糖作為能量來源被降解或直接作為原料物質被胚利用。

圖2 香椿種子萌發(fā)初始階段種胚可溶性糖含量的變化

2.3 種胚淀粉含量的變化

淀粉作為種子內(nèi)大分子營養(yǎng)物質之一，在種子發(fā)育過程中是通過種子本身的生理生化作用，利用可溶性糖轉化而成的，并作為貯存物質在種子中累積起來。種子萌發(fā)時，淀粉在淀粉酶的作用下降解為小分子的可溶性物質，同時釋放出大量的能量供胚吸收利用，其含量的變化是種子代謝狀況的重要指標。

由圖3可知，隨著香椿種子培養(yǎng)時間的延長，種胚中淀粉含量總體上呈現(xiàn)逐步減少的趨勢。在前27 h內(nèi)，淀粉含量呈下降趨勢，從48.96%降至41.98%，尤其是9 h內(nèi)下降幅度較大，從48.96%降至44.88%。培養(yǎng)27—45 h期間，淀粉含量又有所回升，可能是其他貯藏物質降解后轉化為淀粉的原因。在種子培養(yǎng)45 h后，淀粉含量再次大幅度下降，并于胚萌發(fā)時，含量降至最低28.01%，比干種子淀粉含量低20.95%。萌發(fā)初期的這種變化說明隨著置床時間的延長，種子中的代謝活動逐漸加強，生理生化反應加劇，種子對碳水化合物的需求也不斷增加，因此與此相對應，淀粉含量就不斷下降。

圖3 香椿種子萌發(fā)初始階段種胚淀粉含量的變化

2.4 種胚可溶性蛋白質含量的變化

蛋白質是構成生物大分子的一類重要物質，又是酶的基本組成成分。種子萌發(fā)時，種子中的貯藏蛋白質在各種酶的作用下降解為小分子氨基酸，供給新蛋白質和其他代謝物質合成之用。因此，蛋白質代謝是種子生命活動的基礎，其含量變化可以間接反映種子代謝的強弱。

由圖4可知，可溶性蛋白含量隨著置床時間的延長，降解生成小肽或氨基酸，含量總體降低。培養(yǎng)0—18 h期間，可溶性蛋白質含量迅速下降，從0.74%降至0.45%，這是由于種子吸水后，貯藏蛋白大量外滲所致。培養(yǎng)18—63 h期間，可溶性蛋白質含量呈現(xiàn)不斷下降趨勢，從0.45%降至0.32%，主要是由于此段時間種子內(nèi)的代謝較強，不斷生長的胚軸對可溶性蛋白質需求增加，促使貯藏蛋白不斷水解的緣故。隨后至胚根突破種皮，可溶性蛋白質含量又有所回升，主要是由于在這一時期子葉內(nèi)粗脂肪等物質降解轉化為蛋白質較多的緣故，且貯藏蛋白質之前分解成的氨基酸又重新構成蛋白質。

圖4 香椿種子萌發(fā)初始階段種胚可溶性蛋白質含量的變化

2.5 種胚粗脂肪含量的變化

粗脂肪是種子的重要貯藏物質，它在種子內(nèi)的轉化直接影響到種子萌發(fā)所需的能量供應和中間產(chǎn)物的來源。種子萌發(fā)過程中，脂肪在脂肪酶的作用下水解成脂肪酸和甘油，再進一步轉化為糖類，供胚利用。種胚內(nèi)的脂肪，是種子的重要能源，對種子的萌發(fā)有重要作用。

由圖5可知，香椿種胚內(nèi)的脂肪不斷降解，其含量總體上呈現(xiàn)下降的趨勢。在9 h之前，種胚內(nèi)物質代謝尚未啟動，粗脂肪含量的降低主要是外滲所致，從27.10%降至25.01%。在9—27 h期間，粗脂肪含量緩慢下降，從25.01%降至24.52%，該階段種子吸水膨脹，酶系統(tǒng)均已活化，但代謝活動很弱，粗脂肪含量變化不大。在27—54 h期間，香椿種子的生理活動已逐漸趨向旺盛，種胚需要更多的養(yǎng)料和能量來滿足生長的需要，脂肪既可以通過乙醛酸循環(huán)轉化為糖，作為呼吸基質被消耗掉，又可作為原料物質供胚利用，所以導致粗脂肪含量的繼續(xù)下降，從24.52%降至20.05%。而在54 h時出現(xiàn)短暫的回升，可能是種子代謝過程中的一些中間產(chǎn)物又生成脂肪的緣故，隨后粗脂肪含量繼續(xù)下降。

圖5 香椿種子萌發(fā)初始階段種胚粗脂肪含量的變化

3 結論與討論

3.1 種子含水量和呼吸速率變化

種子中的水分是種子生理代謝作用的介質和控制因子。在種子發(fā)育、成熟、發(fā)芽以及收獲以后的不同時期，種子的物理性質和生化變化都與水分的狀態(tài)及含量有密切的關系。傳統(tǒng)的理論把種子吸水分為3個階段[2]：急劇吸水階段、滯緩吸水階段和重新迅速吸水階段。

香椿種子萌發(fā)初期前9 h內(nèi)，種子吸收的水分較多，速度快，以后隨著時間的增加，吸水速度放慢，并逐漸趨于穩(wěn)定，可見香椿種子吸水過程與傳統(tǒng)理論不是完全一致的，只有前2個階段，或者說第2階段并不明顯。此外，傳統(tǒng)理論認為種子吸水的第1階段是由種子內(nèi)親水膠體的吸脹作用引起的，是一個純粹的物理過程，沒有化學變化。但本研究發(fā)現(xiàn)，盡管可溶性物質在吸脹階段并未有明顯的變化，但呼吸強度的快速增強可以說明化學變化的存在。由此可知，即使是在第1階段的水分吸脹期，種子已經(jīng)開始活化，已經(jīng)為準備萌發(fā)發(fā)生各種生化反應。

此外，香椿種子在前9 h內(nèi)迅速吸水，從11.59%到51.94%，吸水率為348.14%，說明香椿種子具有快速吸水的生物學特性。農(nóng)作物中吸水率最高的是豌豆，可以達到186%，香椿種子吸水率之高，也是香椿種子容易萌發(fā)的主要原因之一，也可能與香椿喜溫暖濕潤氣候有關。各類種子的吸脹速度和吸脹力有明顯差異，這與種子的結構和成分有關。

完熟的植物種子組織處于高度脫水狀態(tài)，因此種子在萌發(fā)的初級階段便是吸水階段，并伴有明顯的呼吸作用。呼吸作用包含著種子內(nèi)在貯藏物質如淀粉、脂肪、蛋白質等有機物質的氧化分解，同時產(chǎn)生大量ATP能量，用于分解和合成所需酶類的生理活動。因此呼吸作用越強，物質的分解和運轉速度越快，生長也就越旺盛。

由香椿種子呼吸速率的變化趨勢，可以看出其符合呼吸作用一般理論的3段式規(guī)律，即：呼吸速率急劇升高、呼吸作用滯緩期、再次迅速升高。這3個階段的時間長度因不同物種種子的吸脹速率、種皮對氧氣的通透性和代謝速率等因素而異；而且，也因外界條件特別是溫度不同而發(fā)生顯著的變化。香椿種子呼吸速率的變化呈現(xiàn)“S”形曲線，而且出現(xiàn)了從27—45 h的呼吸滯緩期。在少數(shù)種子如野燕麥(Avenafatua)、蓖麻 (Ricinuscommunis)[10]等中，氧氣的吸收沒有明顯的滯緩期(第2階段)，其原因尚不清楚，但可能是由于種子伴隨著吸脹，較早地建立了有效的呼吸系統(tǒng)，從而確保O2持續(xù)利用的增加；而且，在萌發(fā)完成之前，種皮的不可透性可能不限制O2的吸收。由此也可以看出，香椿種子含水量的變化與呼吸強度的變化步調并不完全一致。

3.2 種胚貯藏物質的變化

胚乳或子葉中貯藏有豐富的營養(yǎng)物質，主要為糖類、蛋白質和脂肪。不同植物種子中，這3類有機物的含量有很大差異。據(jù)此，將種子區(qū)分為淀粉種子(淀粉含量多)、油料種子(脂肪含量多)和豆類種子(蛋白質含量多)。這些貯藏物質在種子萌發(fā)時分解為簡單的有機物，以可利用的形式運輸?shù)脚咧?，作為幼胚生長的營養(yǎng)物質。

香椿種子屬小粒種子，胚相對較小，貯藏營養(yǎng)物質的器官主要為子葉。香椿干種子胚中各貯藏物質成分如下：可溶性糖1.95%，淀粉48.96%，可溶性蛋白0.74%，粗脂肪27.1%?？梢姡愦环N子主要營養(yǎng)物質為淀粉、粗脂肪和可溶性糖，屬于淀粉種子。

隨著培養(yǎng)時間的延長，香椿種子中可溶性糖、淀粉、可溶性蛋白、粗脂肪的含量均呈現(xiàn)出總體下降的趨勢。在種子培養(yǎng)初期，由于細胞膜功能尚未修復，種胚內(nèi)含物都有不同程度的外滲現(xiàn)象，這在種子中是普遍現(xiàn)象。這些營養(yǎng)物質在培養(yǎng)最初9 h均有不同程度的外滲。隨后伴隨著種子含水量和呼吸速率的升高，胚中的物質和能量代謝逐漸活躍，貯藏的營養(yǎng)物質迅速被利用，為胚軸的伸長生長提供了充足的物質和能量。

香椿種胚的貯藏物質含量變化的總趨勢基本相同，但是它們的降解進程卻呈現(xiàn)出一定的差異性。其中可溶性蛋白質動員和粗脂肪最先降解較快，它們在置床27 h后，含量即迅速下降；而淀粉和可溶性糖于培養(yǎng) 36 h后代謝趨向旺盛?？扇苄缘鞍踪|和粗脂肪動員較快，是香椿種子萌發(fā)初始階段首先利用的貯藏物質。但在北美黃杉種子萌發(fā)過程中，脂類物質最先動員，其次為淀粉和可溶性糖，蛋白質降解最遲[10]。

在種子萌發(fā)初始階段，胚中貯藏的營養(yǎng)物質彼此之間會發(fā)生相互轉化。如香椿種子在培養(yǎng)45—81 h期間，可溶性糖含量的升高，就可能是淀粉、可溶性蛋白質和粗脂肪轉化為糖類物質所致。蛋白質可以通過脫氨基作用轉化為糖類[11]；粗脂肪則通過乙醛酸循環(huán)轉變?yōu)榭扇苄蕴腔蛘咂渌猱a(chǎn)物甘油逆轉為己糖。粗脂肪在降解過程中不但可以轉化為糖類，在一定情況下還可轉化為蛋白質；香椿種子在培養(yǎng)63—81 h期間可溶性蛋白質含量的增加，可能與粗脂肪的降解轉化有關。