鄭 冉,呂 丹,羅紅兵, 2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,長沙 410128;2.湖南省玉米工程技術研究中心,長沙 410128)

【研究意義】玉米是一種珍貴的藥食兩用原材料[1-2],研究發(fā)現(xiàn)玉米食品具有抗氧化、抗衰老、抗動脈硬化和保護心血管等功效[3-4],廣受消費者喜愛,但玉米籽粒的蛋白質(zhì)中氨基酸構成不合理,大部分營養(yǎng)素攝入后需要被酶分解成小分子物質(zhì)后才可被人體利用,發(fā)揮其抗氧化活性[5]。研究表明,適當?shù)墓庹仗幚砜梢栽谝欢ǔ潭壬险{(diào)整玉米的營養(yǎng)結構[6],同時降低或消除其中有毒有害或抗營養(yǎng)物質(zhì)的含量[7],因此明確玉米萌發(fā)的最適光照,探索不同光照對玉米籽粒品質(zhì)指標與抗氧化酶活性的影響十分重要?！厩叭搜芯窟M展】光照作為影響植物生長代謝的重要因素,除了可以控制種子萌發(fā)外,還影響著植物中諸多物質(zhì)的積累[8]?？岛愕萚9]發(fā)現(xiàn),粗莖秦艽種子光照下的胚根長度顯著長于避光培育的芽苗,冉午玲等[10]通過對小麥進行光照處理,發(fā)現(xiàn)通過增加光照可以使小麥總淀粉含量提高,總蛋白質(zhì)含量降低,清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量隨著光照時間的增加而呈下降趨勢;劉博等[11]通過對水稻進行光照處理,發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)含量隨著光照的減少而顯著提高,直鏈淀粉含量則顯著降低;光照能夠誘導植物組織中抗氧化物質(zhì)的積累,姚英政等[12]研究發(fā)現(xiàn)適量光照處理的發(fā)芽甜玉米中抗氧化物質(zhì)含量均高于黑暗處理。以上研究表明,不同光照處理能影響谷物芽苗的功能活性物質(zhì)?！颈狙芯壳腥朦c】目前,關于發(fā)芽玉米的研究主要集中在營養(yǎng)成分的測定及活性成分的提取等方面,有關不同光照處理對玉米萌發(fā)過程中的生長狀態(tài)、品質(zhì)指標與抗氧化酶活性的研究鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】本試驗以普通玉米品種湘農(nóng)玉27號為材料,測定在3種不同的光照處理下(12 h光照/12 h黑暗、24 h光照和24 h黑暗)玉米萌發(fā)過程中的生長狀態(tài)、品質(zhì)指標與抗氧化酶活性的變化,并探索各項指標之間的相關性,以期確定玉米萌發(fā)的最適光照,揭示不同光照下種子萌發(fā)過程中的生長狀態(tài)、品質(zhì)指標與抗氧化酶活性變化規(guī)律,為玉米功能性食品的開發(fā)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為湘農(nóng)玉27號,由湖南省玉米工程技術研究中心提供,是湖南重點推薦高產(chǎn)玉米品種。

1.2 光照處理方法

玉米種子經(jīng)挑選后,在0.1% NaClO溶液中室溫浸泡10 min,并用去離子水洗滌2次,隨后在25 ℃條件下浸泡12 h,每4 h換水通氣1次。將浸泡后的種子移種到充滿土質(zhì)的育苗盤(20×10)中,放入智能人工氣候培養(yǎng)箱,于25 ℃、相對濕度為88%萌發(fā)5 d,每隔12 h進行澆水。按發(fā)芽12 h光照/12 h黑暗、24 h光照、24 h黑暗,設置3個處理,將玉米種子分別進行不同的處理,各處理種植100株,3次重復。

1.3 試驗方法

分別在發(fā)芽后的第1、3、5天后取樣,樣品用蒸餾水沖洗干凈,挑選20株長勢一致的玉米芽苗,測定胚芽和胚根長度。將樣品50 ℃下烘至恒重,磨粉至細度不大于80目,密封于塑料袋內(nèi),4 ℃保存待用。

考馬斯亮藍比色法測定樣品蛋白含量,具體參照石桃雄等[13]的方法。采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)法測定還原糖含量,硫酸蒽酮法測定可溶性總糖含量。采用紫外吸光光度法測定直鏈淀粉含量,硫酸蒽酮法測定總淀粉含量,支鏈淀粉含量(%)=總淀粉含量(%)-直鏈淀粉含量(%)。茚三酮比色法測定賴氨酸含量。紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性,氯化硝基四氮唑藍(NBT)光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各測定性狀的描述統(tǒng)計量采用Excel 2016進行分析;利用Origin軟件進行各性狀的相關性分析,SPSS 24.0進行多重比較(Duncan法)。

2 結果與分析

2.1 不同光照處理下玉米種子的生長狀態(tài)

發(fā)芽率隨著萌發(fā)天數(shù)的增加呈升高趨勢,發(fā)芽率在第5天達到最大值,分別為100%、98.61%和90.08%;種子的發(fā)芽率隨著光照的增加呈上升趨勢,其中24 h光照處理下發(fā)芽率最大,在萌發(fā)的第1天顯著高于其他2個光照處理,在萌發(fā)的第3、5天顯著高于24 h黑暗處理。胚根、胚芽長隨種子的萌發(fā)不斷伸長,萌發(fā)的第5天,胚根長和胚芽長達到最大值;胚根長在不同光照處理下存在顯著差異,24 h光照的胚根長顯著高于其他兩個處理;胚芽長隨光照時間的延長不斷伸長,但僅在萌發(fā)的第5天,24 h光照下的胚芽長顯著高于其他2個處理(圖1)。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.01),下同。Different lowercase letters above bars indicate significant differences(P<0.05), the same as below.圖1 不同光照下玉米種子的生長狀態(tài)Fig.1 Growth state of seeds at different light

2.2 玉米種子萌發(fā)過程中蛋白組分的變化

由圖2可知,玉米種子清蛋白含量在光照處理相同時隨萌發(fā)天數(shù)的增加不斷上升。相同萌發(fā)天數(shù)下在不同光照處理中測定玉米芽苗的清蛋白含量,結果表明除第5天外,隨著光照時間的延長清蛋白含量呈現(xiàn)升高趨勢。在玉米種子萌發(fā)的第1、3天,24 h光照處理下清蛋白含量的最大,其次是12 h光照/12 h黑暗,24 h黑暗。在萌發(fā)的第5天,清蛋白含量的最大值也出現(xiàn)在24 h光照,不同光照處理處理下的清蛋白含量未表現(xiàn)出顯著差異。

圖2 玉米種子萌發(fā)過程中蛋白組分的變化Fig.2 Changes of protein components in maize seeds during germination

同一光照處理下的球蛋白含量總體上表現(xiàn)為隨著萌發(fā)天數(shù)的增加呈升高趨勢,玉米種子萌發(fā)的第5天,球蛋白含量最大,球蛋白含量在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗處理下分別為2.00%±0.09%、1.72%±0.09%和1.65%±0.10%,相比未萌發(fā)種子(0.40%±0.02%)分別上升1.60%、1.32%和1.25%,并與其他2個階段間存在顯著差異。在玉米種子萌發(fā)的第1、3和5天,球蛋白含量隨著光照時間的減少呈下降趨勢,球蛋白含量在24h光照下出現(xiàn)最大值,顯著高于其他2個光照處理(P<0.05)。

相同光照處理下,玉米種子谷蛋白含量隨著萌發(fā)天數(shù)的增加而降低,在萌發(fā)的第5天,降到最低值,玉米種子谷蛋白含量在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分別為4.58%±0.01%、6.59%±0.42%和6.83%±0.31%。谷蛋白含量在萌發(fā)天數(shù)一致時,隨著光照時間的減少呈現(xiàn)上升的趨勢,12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗處理時谷蛋白含量顯著高于24 h光照。

同一光照時間玉米種子內(nèi)的醇溶蛋白含量隨著萌發(fā)天數(shù)的增加呈下降趨勢,在萌發(fā)的第5天,醇溶蛋白含量降到最低值,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分別為3.05%±0.20%、4.31%±0.06%和4.52%±0.06%。醇溶蛋白含量在同一天的不同光照處理下表現(xiàn)出一定的差異,醇溶白含量隨著光照時間的減少呈現(xiàn)上升趨勢,12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下的醇溶蛋白含量不存在顯著差異(P>0.05),但顯著高于24 h光照。

總蛋白含量在同一光照處理下,隨著萌發(fā)天數(shù)的增加呈降低趨勢,在萌發(fā)第5天,總蛋白含量最低,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分別為14.81%±0.62%、17.71%±0.38%、18.14%±0.48%。在萌發(fā)天數(shù)一致時,總蛋白含量在24 h黑暗處理下出現(xiàn)最大值,萌發(fā)的第1、3天,3個光照處理有顯著差異;萌發(fā)的第5天,24 h黑暗和12 h光照/12 h黑暗處理下無顯著差異,但均顯著高于24 h光照。

2.3 玉米種子萌發(fā)過程中還原糖和總糖的變化

從圖3可見,還原糖含量隨萌發(fā)天數(shù)增加呈升高趨勢。種子萌發(fā)天數(shù)一致時,玉米種子的還原糖含量隨著光照時間減少呈下降趨勢,24 h光照處理時還原糖含量最高,除第3天外,24 h光照下的還原糖含量顯著高于其他2個處理。

圖3 玉米種子萌發(fā)過程中還原糖和總糖的變化Fig.3 Changes of reducing sugar and total sugar in maize seeds during germination

在3種光照處理下,總糖含量均表現(xiàn)出隨著萌發(fā)天數(shù)增加呈降低趨勢,萌發(fā)第5天,總糖含量達到最低,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分別為2.90%±0.04%、4.19%±0.03%和4.26%±0.04%。在萌發(fā)天數(shù)一致時,總糖含量隨著光照時間減少呈上升趨勢,24 h黑暗處理下總糖含量最高,與12 h光照/12 h黑暗無顯著差異,顯著高于24 h光照。

2.4 玉米種子萌發(fā)過程中淀粉組分的變化

從圖4可知,相同光照處理下,與未發(fā)芽玉米種子相比,發(fā)芽玉米種子中的支鏈淀粉含量隨著萌發(fā)天數(shù)增加呈降低趨勢。玉米種子萌發(fā)第1、3、5天時,發(fā)芽玉米種子中的支鏈淀粉含量與光照時間的延長未呈現(xiàn)明顯規(guī)律,玉米種子萌發(fā)第1、3天時,12 h光照/12 h黑暗處理下支鏈淀粉含量最高,24 h光照下支鏈淀粉含量最低;萌發(fā)第5天時,24 h黑暗處理下支鏈淀粉含量最高,且顯著高于其他2個光照處理。

圖4 玉米種子萌發(fā)過程中淀粉組分的變化Fig.4 Changes of starch components in maize seeds during germination

相同光照處理下,與未發(fā)芽玉米種子相比,直鏈淀粉含量隨著萌發(fā)天數(shù)增加逐漸降低,各處理間的差異達顯著水平。種子萌發(fā)第1、3、5天時,玉米種子的直鏈淀粉含量隨著光照時間減少呈上升趨勢,24 h黑暗處理下直鏈淀粉含量最高,除種子萌發(fā)的第1天外,另外兩個處理中24 h黑暗的直鏈淀粉含量顯著高于24 h光照和12 h光照/12 h黑暗。

相同光照處理下,隨著萌發(fā)天數(shù)增加,總淀粉含量呈降低趨勢,不同萌發(fā)天數(shù)間的差異達顯著水平。在同一天中玉米種子的總淀粉含量隨著光照時間的減少呈上升趨勢,玉米種子萌發(fā)的第1、3天,24 h黑暗處理下總淀粉含量最高,與12 h光照/12 h黑暗無顯著差異,顯著高于24 h光照處理下總淀粉含量;玉米種子萌發(fā)的第5天,24 h黑暗處理下總淀粉含量最高,顯著高于其他2個處理。

2.5 玉米種子萌發(fā)過程中賴氨酸含量的變化

由圖5可知,相同光照處理下,賴氨酸含量隨萌發(fā)天數(shù)增加呈升高趨勢,各處理之間差異顯著,種子萌發(fā)的第5天,賴氨酸含量最高,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分別為0.29%±0.01%、0.19%±0.00%、0.18%±0.01%。種子萌發(fā)第1、3、5天時,玉米芽苗的賴氨酸含量隨著光照時間減少呈下降趨勢,24 h光照處理時賴氨酸含量最高,除種子萌發(fā)的第1天,顯著高于其他2個處理。

圖5 玉米種子萌發(fā)過程中賴氨酸含量的變化Fig.5 Changes of lysine content in maize seeds during germination

2.6 玉米種子萌發(fā)過程中酶活的變化

光照處理一致時,CAT活性隨著萌發(fā)天數(shù)增加呈降低趨勢,種子萌發(fā)第5天,CAT活性最低,在24 h光照、12 h光照/12 h黑暗和24 h黑暗下分別為(1.20±0.10)、(0.73±0.06)和(0.73±0.05)[U/(g·min)FW],各萌發(fā)天數(shù)處理間的差異均達到顯著水平。在種子萌發(fā)的第1、3天,隨著光照時間的減少,CAT活性表現(xiàn)出降低的趨勢,在24 h光照處理下CAT活性最高,24 h黑暗處理下CAT活性最低,3個光照處理間差異顯著;在種子萌發(fā)的第5天,24 h光照處理下CAT活性最高,且顯著高于其他2個光照處理(圖6)。

圖6 玉米種子萌發(fā)過程中CAT活性的變化Fig.6 Changes of CAT in maize seeds during germination

光照處理相同時,POD含量隨著萌發(fā)天數(shù)增加呈上升趨勢,POD活性在各萌發(fā)天數(shù)下均存在顯著性差異。萌發(fā)天數(shù)一致時,玉米種子的POD活性隨著光照時間的縮減不斷增加,POD活性的最大值出現(xiàn)在24 h黑暗,其次是12 h光照/12 h黑暗,24 h光照,三者間差異達到顯著水平(圖7)。

圖7 玉米種子萌發(fā)過程中POD活性的變化Fig.7 Changes of POD in maize seeds during germination

相同光照處理下,SOD活性隨著萌發(fā)天數(shù)增加呈降低趨勢,不同萌發(fā)天數(shù)處理間的差異均達到顯著水平。在萌發(fā)的第1、5天,隨著光照時間的減少,SOD活性表現(xiàn)出降低的趨勢,在24 h光照處理下SOD活性最高,24 h黑暗處理下SOD活性最低,3個光照處理間差異顯著,種子萌發(fā)的第3天,24 h黑暗處理下SOD活性最低,顯著低于其他2個光照處理(圖8)。

圖8 玉米種子萌發(fā)過程中SOD活性的變化Fig.8 Changes of SOD in maize seeds during germination

2.7 不同光照時間處理下玉米生長狀態(tài)、品質(zhì)指標與酶活性的相關性分析

由表1可知,POD與支鏈淀粉、總淀粉呈顯著負相關;CAT與清蛋白、POD呈顯著/極顯著負相關,與支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉呈顯著正相關;SOD與清蛋白、球蛋白、POD呈顯著/極顯著負相關,與支鏈淀粉、直鏈淀粉、總淀粉和CAT呈顯著/極顯著正相關,各酶活雖與部分品質(zhì)指標存在顯著相關,但均與生長特性無顯著相關性。生長特性與品質(zhì)指標存在密切聯(lián)系,其中發(fā)芽率與胚根長、胚芽長、清蛋白、球蛋白、還原糖、賴氨酸呈顯著/極顯著正相關,與谷蛋白、醇溶蛋白、總糖、支鏈淀粉、直鏈淀粉、總淀粉呈極顯著負相關;胚根長與胚芽長、清蛋白、球蛋白、還原糖、賴氨酸呈顯著/極顯著正相關,與谷蛋白、醇溶蛋白、總糖、支鏈淀粉、直鏈淀粉、總淀粉呈顯著/極顯著負相關;胚芽長與清蛋白、球蛋白和賴氨酸呈顯著/極顯著正相關,與谷蛋白、醇溶蛋白、總糖、直鏈淀粉呈顯著/極顯著負相關。

表1 不同光照處理下玉米生長狀態(tài)、品質(zhì)與酶活的相關性分析Table 1 Correlation analysis between growth indicator and quality and enzyme activity of maize under different light time

3 討 論

萌發(fā)是植物生長發(fā)育的必需階段,能夠改變種子內(nèi)一些營養(yǎng)物質(zhì)的含量。蘇艷玲等[14]研究發(fā)現(xiàn),藜麥種子在整個萌發(fā)過程中,蛋白質(zhì)含量最高可達21.88%,還原糖含量最高達到12.21%,淀粉酶活力也提高數(shù)倍;呂丹等[15]以發(fā)芽(0～3 d)的玉米為研究對象,研究表明玉米發(fā)芽后清蛋白、球蛋白含量均呈上升變化趨勢;Tsai等[16]報道玉米種子的萌發(fā)提高了賴氨酸含量;也有研究發(fā)現(xiàn),萌發(fā)后會降低種子內(nèi)的粗脂肪和淀粉含量[17],以上研究結果表明,萌發(fā)處理對于營養(yǎng)物質(zhì)的積累有雙向效應。本研究通過對不同萌發(fā)時間玉米的營養(yǎng)指標進行測定,發(fā)現(xiàn)不同萌發(fā)時間下的品質(zhì)指標存在顯著差異,其中清蛋白、球蛋白、還原糖和賴氨酸含量隨著萌發(fā)時間的增加而顯著升高,醇溶蛋白、谷蛋白、總蛋白、總糖和淀粉組分含量則呈下降趨勢?？寡趸傅幕钚耘c種子的萌發(fā)密切相關,抗氧化酶系統(tǒng)中的重要成員包括SOD、POD和CAT,3個酶相互協(xié)同作用可以使植物內(nèi)的活性氧維持在較低濃度,進而抵御外界的不良環(huán)境因素[18]。本研究發(fā)現(xiàn),POD活性隨著種子的萌發(fā)呈上升趨勢,與長豇豆[19]和大豆[20]中的研究一致,其原因可能是POD不僅僅參與活性氧代謝過程,還參與其它物質(zhì)代謝過程。CAT與SOD活性呈下降趨勢,推測二者主要與休眠和逆境有關,在種子正常萌發(fā)的條件下體內(nèi)活性氧含量低,因此二者含量也較低。

本研究通過記錄不同光照條件下玉米種子的生長狀態(tài),發(fā)現(xiàn)其在任何光照處理下均會發(fā)芽,但光照的延長會增加其發(fā)芽率,因此說明玉米種子的萌發(fā)對光照條件不敏感,這與周海宇等[21]研究出玉米對光的敏感度較低的結論一致。本研究發(fā)現(xiàn)玉米種子的胚根長和胚芽長均在24 h光照條件下最長,表現(xiàn)出光照時間的延長促胚根和胚芽的生長,這一結果與秦愛麗等[22]、閆興富等[23]的研究一致。

光照會影響萌發(fā)種子中營養(yǎng)物質(zhì)的含量。研究表明,萌發(fā)后的玉米在適當?shù)墓庹仗幚硐?淀粉酶活力升高[24],馬超等[25]認為延長光照可以促進大豆萌發(fā)過程中可溶性蛋白和可溶性糖的積累;呂兵兵等[26]研究發(fā)現(xiàn),苦蕎芽苗的蘆丁含量會隨著光照的延長不斷增加;張毅華等[27]研究發(fā)現(xiàn),與避光萌發(fā)的黑豆相比,長期光照處理的黑豆萌發(fā)后的生長狀況和部分營養(yǎng)品質(zhì)都得到提升。本研究結果表明,不同光照時間下各營養(yǎng)物質(zhì)含量含量差異明顯,光照改變了發(fā)芽玉米種子中各營養(yǎng)品質(zhì)的比例,隨著光照時間的延長,清蛋白、球蛋白、還原糖和賴氨酸的含量呈上升趨勢,谷蛋白、醇溶蛋白、總蛋白、總糖、直鏈淀粉和總淀粉的含量呈下降趨勢,這可能是因為長時間的光照處理下,種子除了進行正常呼吸外還需要進行光呼吸,會分解更多的總蛋白、總糖和總淀粉等大分子物質(zhì),生成容易利用的蛋白組分、還原糖和氨基酸。光照時間的變化可以直接影響種子植物細胞內(nèi)的酶活和代謝,當光照過長或過短時,會使種子細胞不能進行正常的生理代謝,導致酶失活[28]。本研究發(fā)現(xiàn)24 h光照的SOD、CAT活性要顯著高于其他光照處理,推測長時間光照可能是影響玉米生長的脅迫因子,SOD和CAT活性增強可能與活性氧的清除有關,但過量的積累會導致生理生化代謝異常,因此POD的降低,減弱了SOD和CAT對細胞造成的氧化作用,使抗氧化酶活達到平衡。

不同光照處理下玉米的生長狀態(tài)、品質(zhì)指標與酶活性的相關性分析表明:酶活性均與淀粉組分存在密切關系,其中CAT和SOD均與支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉呈顯著/極顯著正相關,這與周紫陽[29]研究表明高粱籽粒淀粉與CAT和SOD呈顯著正相關的結論相似,而POD與支鏈淀粉、總淀粉呈顯著負相關,這與秦丹[30]研究粉葛中的淀粉含量與POD活性呈顯著負相關的結論一致,這表明玉米種子在光照處理萌發(fā)中淀粉組分代謝與抗氧化酶的作用有很大關系。此外,本研究發(fā)現(xiàn)發(fā)芽率、胚根長、胚芽長均與清蛋白、球蛋白、還原糖和賴氨酸呈顯著或極顯著正相關,發(fā)芽率與以上幾個指標的相關系數(shù)較高,因此可以根據(jù)發(fā)芽率來間接衡量上述指標含量的高低。

4 結 論

光照不是玉米種子萌發(fā)的必要條件,但是光照的延長可以促進玉米種子萌發(fā);24 h光照處理能提高玉米芽苗清蛋白、球蛋白、還原糖和賴氨酸含量,增加芽苗CAT和SOD活性;不同光照處理下,酶活與淀粉組分呈顯著相關性,發(fā)芽率可以作為衡量清蛋白、球蛋白、還原糖和賴氨酸含量的一個指標。