玉米種子人工老化過程中超弱發光與生理代謝的關系

田茜 段乃彬 李群

摘要：以玉米品種“鄭單958”種子為材料，研究了種子人工老化過程中超弱發光（ultraweak luminescence，UWL）的變化及其與種子活力、相對電導率、ATP含量的關系。結果表明，隨著老化時間的延長，種子的發芽率、發芽勢和發芽指數、UWL強度、ATP含量均逐漸下降，相對電導率逐漸升高；UWL強度與發芽率、發芽勢、發芽指數和ATP含量顯著正相關，與相對電導率顯著負相關。表明，UWL與以ATP含量為標志的能量水平密切相關；UWL作為一種無損、靈敏、快速的物理檢測指標，可應用于種子活力無損檢測研究。

關鍵詞：玉米種子；人工老化；種子活力；超弱發光；ATP

中圖分類號：S513.01文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）08-0030-04

AbstractThe seeds of maize （Zea mays L.） variety Zhengdan 958 were used to study the change of ultraweak luminescence （UWL） intensity and its relationship with seed vigor， relative electric conductivity and ATP content during artificial aging. The results indicated that the germination percentage， germination potential， germination index， UWL intensity and ATP content decreased gradually， while the relative electric conductivity increased with the prolongation of artificial aging. The correlation analysis showed that UWL intensity was significantly positively correlated with germination percentage， germination potential， germination index and ATP content， while significantly negatively correlated with relative electric conductivity. It was concluded that UWL was closely related to the energy level symbolized by ATP content， and as a fast nondestructive physical indicator with better sensitivity， it could be applied into the study of seed vigor nondestructive testing.

KeywordsMaize seed； Artificial aging； Seed vigor； Ultraweak luminescence； ATP

超弱發光（ultraweak luminescence，UWL）是廣泛存在于動物、植物和微生物中自發輻射的一種極弱的光子流，其強度為每秒每平方厘米幾個到幾百個光子，波長范圍為200～800 nm[1]。與熒光素—熒光素酶體系的高效率生物發光不同，UWL是一種極其微弱的低水平發光[2]。研究表明，UWL與生物體許多重要的生命過程，如細胞分裂、氧化代謝、DNA合成、細胞凋亡、光合作用、細胞間的信息傳遞、生長調節以及能量轉換等密切相關[3-6]，能靈敏地反映出生物系統的生理狀態，因此可作為反映植物體內物質代謝和能量轉換活躍程度的一項靈敏指標[7，8]，已被應用于植物種子活力檢測研究中。

傳統的種子活力檢測方法——直接法和間接法（即發芽實驗法和生化法）屬有損檢測方法，不僅會破壞種子的組織結構，而且操作繁瑣、耗時長。種子在吸脹或萌發期間處于活躍的生長期，超弱發光強度較強，一般在250～700個光子·cm-2·s-1左右，相對容易探測。有研究表明，萌發的水稻、花生種子活力與UWL強度密切相關[9，10]。然而種子一旦萌發將無法繼續保存或使用，因此通過測定種子萌發期UWL來檢測其活力的方法也具有損傷性。

基于干種子UWL強度的種子活力檢測方法具有操作簡單、方便快捷、靈敏度高和無損傷的特點，已成為種子活力無損檢測研究中一個新的發展方向。干種子UWL強度與其活力關系的研究是種子無損檢測的理論依據。研究發現，小麥貯藏時間越長，UWL強度越低，UWL強度與小麥新陳度之間有良好的相關性[11，12]；張文蘭等[13]對中期庫保存的小麥、水稻、玉米、大豆研究發現，隨保存時間延長，UWL強度逐漸下降，UWL與發芽勢呈現極強的正相關；王春芳等[14]利用UWL技術檢測水稻和小麥的發芽率，并建立了基于UWL強度的發芽率預測模型，可很好地預測水稻和小麥種子貯藏期間的發芽率。本研究以人工老化的玉米種子為材料，探討了人工老化過程中超弱發光與種子活力、相對電導率、ATP含量的關系，以期為種子活力的快速無損檢測研究提供數據支持。

1材料與方法

1.1材料與處理

供試材料為玉米（Zea mays L.）品種“鄭單958”的種子。由山東省農作物種質資源中心提供，種子初始含水量為 11.7%，發芽率為99%。將玉米種子密封于鋁箔袋中，置于60℃人工老化箱中分別老化0、6、12、18、24 h，然后置于-20℃冰箱保存備用。

1.2測定項目及方法

1.2.1種子發芽指標的測定老化后的種子室溫平衡兩天后，參照《農作物種子檢驗規程》[15]（GB/T3543.3-1995）進行發芽試驗：隨機選取經老化處理的種子100粒放入發芽盒，重復4次，置于25℃恒溫培養箱中培養7 d，每天統計發芽種子數。萌發第3 d統計發芽勢，第7 d統計發芽率。

1.2.2種子自身超弱發光的測量采用中國科學院生物物理研究所研制的微弱發光測量儀（BPCL）進行測量。整個檢測過程在暗室及恒溫[（25±1）℃]恒濕（RH 75%±2%）下進行。選取大小一致的種子10粒，先置于暗室中30 min消除干擾，隨后平鋪于測量杯中測量其發光強度，測量時間為100 s，測量時間間隔1 s，重復3次，取平均值，減去本底值即為種子的自身發光強度。發光強度以單位時間單粒種子所發射光子數（counts·s-1·粒-1）表示。

1.2.3電導率測定隨機選取10粒凈種子，重復3次，用蒸餾水沖洗3次，再用濾紙吸干浮水，置于三角瓶中，加入25 mL蒸餾水，置于25℃恒溫培養箱中浸泡24 h。用電導率儀（Mettler-Toledo Delta 326）測定浸出液電導率，測完后將三角瓶置于100℃水浴中煮沸15 min，取出冷卻至室溫，測定煮沸后浸出液的電導率，計算種子相對電導率，公式如下：

相對電導率（%）=煮沸前浸出液電導率/煮沸后浸出液電導率×100。

1.2.4種子ATP含量測定采用熒光素酶—熒光素生物發光法，參照王維光等[16]的方法進行測定。

1.3數據統計分析

采用SPSS 17.0和Microsoft Excel 2007進行數據統計分析與作圖。

2結果與分析

2.1人工老化過程中種子活力的變化

表1顯示，隨著人工老化處理進程，種子發芽率、發芽勢和發芽指數逐漸下降。與對照相比，人工老化處理12 h后，種子發芽率和發芽勢均顯著降低，老化24 h后，發芽率和發芽勢分別降至83.00%、70.00%；而發芽指數在老化6 h后就顯著下降，且各處理間差異顯著。表明，隨著老化時間的延長，種子老化程度逐漸加深，種子活力下降。

2.2人工老化過程中種子超弱發光的變化

由圖1可知，老化種子的UWL強度隨老化時間的延長呈逐漸降低的趨勢。老化6 h和12 h的種子UWL強度與對照相比差異不顯著，而老化18、24 h后，玉米種子的UWL強度與對照相比分別下降25.53%、41.69%，差異顯著。表明，隨著老化進程的加深，種子內部生理代謝速率降低。

2.3人工老化過程中種子相對電導率的變化

由圖2可知，玉米種子的相對電導率隨老化處理時間的延長呈逐漸升高的趨勢。老化18、24 h后的相對電導率與對照相比差異顯著，分別比對照升高13.07%、14.99%。說明隨著老化程度的加深，細胞膜的完整性遭到破壞，膜透性增大，內含物大量外滲。

2.4人工老化過程中種子ATP含量的變化

ATP是維持生命活動最重要的能量物質，可反映細胞的代謝狀況和能量水平，在種子萌發過程中具有十分重要的作用。圖3顯示，種子ATP含量隨著老化時間的延長逐漸降低，除老化6 h的ATP含量與對照差異不顯著外，其它老化處理均與對照差異顯著。人工老化12、18、24 h后，ATP含量分別比對照降低2.63%、3.76%、5.16%。老化種子中ATP含量與UWL的變化趨勢相一致，ATP含量的降低可能是導致UWL強度降低的原因之一。

2.5相關性分析

由表2可以看出， UWL強度與發芽率、發芽勢、發芽指數顯著正相關，相對電導率與發芽率、發芽勢、發芽指數極顯著負相關，ATP含量與發芽率、發芽勢、發芽指數極顯著正相關，UWL強度與ATP含量顯著正相關，與相對電導率顯著負相關。說明UWL強度受種子內部能量代謝和脂質過氧化程度的影響。

3討論與結論

超弱發光與許多基本生命過程關系密切，是反映有機體生理生化反應狀態的特征性指標。本研究發現，隨著老化程度的加深，種子生活力下降，UWL強度也隨之下降，且UWL強度與種子發芽率、發芽勢、發芽指數及ATP含量呈顯著正相關，說明UWL強度能在一定程度上反映種子的生命活動狀態。這與張文蘭[13]、王春芳[14]等的研究結果相一致，進一步說明了UWL可應用于種子活力無損檢測研究，為種子活力檢測提供一種無損、快速、準確和客觀的方法。

植物UWL是與植物能量代謝相聯系的低水平光子輻射[17]。ATP含量能夠反映植物本身的能量狀況，維持一定水平的ATP對于種子萌發至關重要。任何生成或消耗ATP、NAD（H2）、FMN（H2）的反應均可導致一部分代謝能以光子的形式釋放出來，而出現UWL[18，19]。本研究發現，在種子老化過程中， ATP含量逐漸降低，UWL也呈現相同的趨勢，二者呈顯著正相關，相關系數達0.954。這說明在種子老化過程中，以ATP含量為標志的能量水平降低可能是導致UWL降低的主要原因。這與張新華[20]、林桂玉[21]等的研究結果一致。

綜上所述，在種子老化過程中，UWL強度與發芽率、發芽勢、相對電導率和ATP含量等生理指標的變化密切相關，可用于種子活力的無損檢測，但對于其他作物種子或相同種子其他脅迫條件下是否可用還需進一步研究。

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