人工老化處理對糯玉米種子生理生化特性的影響

陳　婧，李建平，李　榮

(寧夏大學 農學院，銀川　750021)

人工老化處理對糯玉米種子生理生化特性的影響

陳婧，李建平，李榮

(寧夏大學 農學院，銀川750021)

摘要以糯玉米品種‘中糯1號’種子為材料，研究在高溫(42 ℃)、高濕(相對濕度100%)條件下，人工老化處理過程中種子的活力、抗氧化酶活性、種子浸出液相對電導率、丙二醛(MDA)質量摩爾濃度、可溶性蛋白質以及浸出液可溶性糖質量分數的變化，以揭示其劣變機制。結果表明：人工老化處理糯玉米種子的芽長、根長、發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數均隨人工老化時間的延長逐漸降低；在糯玉米種子老化進程中，種子SOD、POD、CAT活性變化趨勢相似，均隨老化程度的加深而逐漸降低；隨著人工老化時間的延長，糯玉米種子的浸出液相對電導率顯著上升，浸出液可溶性糖質量分數逐漸升高，可溶性蛋白質質量分數表現顯著下降趨勢，而種子MDA質量摩爾濃度呈先升高后逐漸平穩的趨勢。研究發現，在糯玉米種子人工老化進程中，種子劣變機制與膜損傷、氧化損傷和營養物質過度消耗有關。

關鍵詞糯玉米；人工老化；生理生化特性

種子自成熟后即進入衰老過程，活力逐漸喪失，稱為種子的老化或劣變，是種子貯藏過程中普遍存在的一種現象[1]。種子老化受到自身遺傳特點影響，也受水分、氧氣、溫度、光等環境因素的影響。老化不但影響種子萌發和幼苗生長，也會影響后期植株生長、產量和品質。種子老化是農業生產中的一個嚴重問題，種子的老化及其調控研究一直受到廣泛關注，具有非常重要的生物學和生產實踐意義。

大量研究表明，利用人工老化使種子活力迅速下降，加速了種子內部的代謝過程，并無老化機理上的差別，因此，人工老化技術是完全可以模擬自然情況下種子老化和劣變過程[2]。國內外對種子的老化及劣變已有較多研究，Koostra等[3]最早提出膜的氧化是種子劣變的主要原因。但根據Kalpana等[4]和Lehner等[5]的研究，木豆和小麥種子的老化可能不涉及脂質過氧化作用。關于種子老化的生理生化特性在玉米[6-8]、小麥[9]、棉花[10]、白菜[11]、花生[12]、紅麻[13]、以及芝麻[14]種子上均有報道，研究表明種子老化均導致種子活力降低，活力下降速度因老化條件不同而異，且均伴隨種子超氧化物歧酶(SOD) 、過氧化氫酶(CAT) 、抗壞血酸過氧化物酶(APX) 等抗氧化酶活性的下降而降低。雖然人工老化在普通玉米及甜玉米種子上的應用研究較多，但人工老化在糯玉米種子上的研究報道較少。本研究以糯玉米種子‘中糯1號’為試驗材料，探討不同老化時間對種子活力及生理生化指標的影響，以揭示種子劣變的機制，為糯玉米種子儲藏應用提供一定的理論依據。

1材料與方法

1.1供試材料

供試糯玉米品種為‘中糯1號’，由中國農業科學院作物育種栽培研究所提供。

1.2種子處理

將干燥器下部裝水，放入恒溫培養箱內，調節箱內溫度，平衡2 d后，使干燥器內溫度、濕度恒定(溫度40 ℃，相對濕度100%)。稱取8包平衡24 h的糯玉米種子(每包200 g)，將種子放入干燥器內距水6～8 cm的尼龍框上，老化處理的時間為 0 ( CK)、2、4、6、8、10、12、14 d共8個水平。處理完畢后取出種子在室溫下晾1～2 d,使種子含水量降至原狀態后進行各項指標測定。

1.3測定指標及方法

1.3.1種子活力指標種子發芽采用國際標準室內發芽法，每個培養皿均勻擺放50粒種子，放入光照培養箱中(恒溫24 ℃)進行培養，每個水平各設3次重復。發芽第3天計算發芽勢，第7天計算芽長、根長、發芽率、發芽指數和活力指數，發芽指標測定結果取平均值。各指標按以下公式計算：

發芽勢=G3/N×100%；

發芽率(GR)=G7/N×100%；

發芽指數(GI)=Σ(Gt/Dt)；

活力指數(VI)=GI×S。

式中：G3為發芽3 d的總發芽數；G7為發芽7 d的總發芽數；N為供試種子總數：Gt為發芽開始后第t天的發芽數；Dt為相應的發芽天數；S為平均根長(cm)。

1.3.2種子生理生化指標分別在人工老化處理0、2、4、6、8、10、12、14 d后，取經老化處理并回干的種子用于生理生化指標的測定。

每個處理取種子50粒，重復3次。用自來水沖洗后再用去離子水沖洗2遍，用濾紙把浮水吸干，放入用去離子水洗凈后的燒杯中，加入去離子水250 mL，取另外一只燒杯加去離子水作對照。在20 ℃恒溫條件下放置24 h后用清潔的塑料網把種子取出，然后用DDS-307A型電導儀測定對照和浸出液的初電導率，最后將燒杯置于沸水中煮沸30 min后取出，待其冷卻至室溫測定終電導率，并計算相對電導率[15]。

將不同老化時間的糯玉米種子置于濕潤濾紙上吸脹24 h，胚乳剝下，稱取吸脹種子胚，參考文獻[16-17]的方法，測定相關指標，各樣品重復3次。SOD活性采用氮藍四唑法測定，POD活性測定用愈創木酚法，CAT活性測定用H2O2反應比色法，丙二醛(MDA)質量摩爾濃度測定用巴比妥酸色法，可溶性蛋白質質量分數測定采用考馬斯亮藍法，種子浸出液中可溶性糖的質量分數采用蒽酮比色法測定。

1.4數據處理

采用DPS 7.05和Excel 2007軟件對所有數據進行處理及方差分析。

2結果與分析

2.1人工老化處理對糯玉米種子活力的影響

隨著人工老化處理時間的延長，糯玉米種子芽長、根長、發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數則均逐漸降低，且大多與CK差異極顯著(表1)。隨著人工老化時間的延長，糯玉米種子的芽長和根長均呈減小趨勢，老化10 d時平均芽長和根長與CK相比減少5.24 和7.98 cm，老化12 d后糯玉米種子發芽率為0，因此可知，人工老化對糯玉米的芽和根有較大的影響。種子發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數在老化處理4 d至10 d后分別比CK顯著降低35.29%～62.35%、17.89%～38.95%、39.95%～61.64%、62.20%～86.84%。老化12 d后糯玉米種子發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數均降為0。相比較而言，糯玉米種子萌發指標中以活力指數的降幅最大、最快，發芽勢又比發芽率降低更快，如老化處理2 d 后種子的活力指數比CK降低37.43%，而此時發芽勢和發芽率僅降低14.11%和5.26%，活力指數是對老化處理最敏感的指標之一，說明種子劣變在經過老化2 d后開始加深，已對種子正常生長產生影響。以上結果表明，隨著人工老化時間的延長，種子劣變程度不斷加劇，人工老化處理顯著抑制種子的萌發，導致種子活力的下降，進而影響萌發后正常幼苗的形成。

表1　人工老化過程中糯玉米種子的活力指標±s)

注：不同大寫字母表示0.01水平上差異極顯著，下同。

Note:Different capital letters mean extremely significant difference at 0.01 level，the same as below.

2.2人工老化處理對糯玉米種子抗氧化酶活性的影響

由表2可知，在糯玉米種子老化進程中，CAT、POD、SOD 活性變化趨勢相似，其活性均隨老化時間的延長而逐漸降低，且大多在老化處理4 d后較CK達顯著差異。其中CAT活性在處理4～12 d變化迅速，分別較對照下降11.70%～78.48%，各處理間差異極顯著。POD活性在老化初期(0～2 d)和后期(10～14 d)下降較快，而在老化中期變化比較平緩，與CK相比，老化10、12、14 d種子的POD的活性分別下降22.58%、52.91%和70.22%。SOD活性在老化初期(2～4 d)和中期(8～10 d)下降較快，4 d和10 d較CK分別下降13.21%和37.65%，但老化10 d以后，SOD活性變化基本保持穩定，處理間差異不顯著。以上結果表明，糯玉米種子在老化進程中，因SOD活性下降，其對種子超氧陰離子的消除能力減弱，而POD、CAT等抗氧化酶活性也同時降低，種子對過氧化氫消除能力降低，從而致其過量積累，產生明顯的過氧化傷害，使種子發生劣變。

表2　人工老化過程中糯玉米種子的抗氧化酶活性±s)

2.3人工老化對糯玉米種子的膜損傷效應

植物組織的膜損傷也是植物組織劣變的重要原因之一。通過測定人工老化過程中糯玉米種子浸出液的相對電導率變化，可以反映老化對種子的膜損傷情況。老化過程中糯玉米種子的相對電導率變化見圖1。由圖1可知，隨著老化時間的延長，糯玉米種子相對電導率持續上升，0～8 d相對電導率變化平緩，老化2、4、6、8 d 時分別較CK上升1.47%、12.35%、35.33%、39.43%，10、12、14 d相對電導率上升迅速，分別較CK上升79.91%、107.13%和147.00%。說明隨著老化時間的延長，糯玉米種子細胞膜功能不斷受損，膜透性不斷增加，有更多的細胞內容物滲透，細胞的完整性受到破壞，從而導致種子浸出液電導率的升高。

圖1　人工老化過程中糯玉米的相對電導率

2.4人工老化對糯玉米種子MDA質量摩爾濃度、可溶性蛋白質和可溶性糖質量分數的影響

由表3可知，隨著老化時間的延長，糯玉米種子MDA質量摩爾濃度呈現先升高后逐漸下降的趨勢，老化0～8 d MDA質量摩爾濃度呈上升趨勢，且在8 d時達到最高峰,較CK增加62.20%，老化10 d時MDA質量摩爾濃度開始下降，但10、12、14 d MDA質量摩爾濃度仍較CK分別上升48.03%、53.54%和47.24%。這說明隨著老化處理時間延長，種子MDA質量摩爾濃度逐漸增加，但積累一定程度即不再大量增加。

糯玉米種子的可溶性蛋白質質量分數隨人工老化時間的延長表現出逐漸下降趨勢。且隨著老化時間的延長，下降速度加快，在老化10 d時其質量分數降低最快，與CK相比可溶性蛋白質質量分數下降26.68%，而當老化12 d時其下降幅度減少。這可能是由于過氧化作用使細胞溶酶體受到破壞，從而加劇種子貯藏物質的降解速度。

另外，隨著老化時間的延長，種子浸出液可溶性糖質量分數呈逐漸升高后降低再升高趨勢。老化0～4 d可溶性糖質量分數呈上升趨勢與CK相比，老化2、4 d時分別上升32.18%和79.31%；6～10 d呈下降趨勢，但10 d的浸出液可溶性糖質量分數仍較CK上升72.14%；之后可溶性糖質量分數逐漸升高，12 d和14 d后極顯著高于CK，浸出液可溶性糖質量分數分別與CK相比增加133.33%和336.78%。種子浸出液可溶性糖質量分數的增多說明劣變會對種子膜的透性造成損失，種子正常吸脹過程中，劣變種子會較正常種子由于膜透性的增加而損失更多的可溶性糖。

表3　人工老化過程中糯玉米種子中的MDA質量摩爾濃度、可溶性蛋白質和可溶性糖質量分數±s)

3討 論

從‘中糯1號’種子活力指標的測定結果可以看出，隨著種子老化程度的加深，促使糯玉米種子質量產生劣變，種子的萌發緩慢且健壯程度降低，芽長、根長、發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數均降低。這與前人在玉米[6-8]、小麥[9]、棉花[10]以及蔬菜種子老化研究中的結果一致。

植物體內SOD、POD、CAT是植物體內活性氧的清除劑，稱之為抗氧化酶類，它們共同作用可使細胞內的活性氧維持在正常水平，從而防止活性氧對植物細胞造成的傷害。本研究中隨著種子老化程度加劇，抗氧化酶系統的破壞致其產生氧化損傷，3種酶含量逐漸降低，但降低的速率不同，表明三者在種子老化抗氧化防御中的貢獻不同。另外，MDA是機體內脂質過氧化的最終產物之一，其含量高低一定程度上可反映植物受氧化傷害的程度。本研究中的種子MDA質量摩爾濃度隨著老化時間的延長逐漸增加，但積累一定程度即不再大量增加。這與付藝峰等[18]、李春雷等[19]研究結果不一致，但與桔梗種子[20]和結球甘藍種子[21]人工老化中MDA含量變化相似。推測可能與物種間的差異及老化時間的長短有關。

老化及劣變種子都有不同程度的膜損傷，這種損傷又會反應到膜透性的增強，膜的永久性損傷造成大量可溶性營養物質與激素、酶蛋白等物質的滲漏，嚴重影響正常的新陳代謝過程。在糯玉米老化處理過程中，種子浸出液的電導率和可溶性糖質量分數升高，即隨著種子劣變程度的加深，引起種子細胞膜結構的變化，導致細胞膜透性的增大，使細胞內含物外滲，這與姚俠妹等[20]和孫春青等[21]研究結果一致。貯藏物質的變化對玉米種子萌發與胚的生長有著至關重要的作用。在本研究中，隨著貯藏時間的不斷延長，玉米種子的可溶性蛋白質質量分數呈現不斷下降的趨勢，這與姚入宇等[22]的研究結果一致。

綜上所述，在糯玉米種子老化進程中，酶活性、種子膜結構及儲藏營養物質均與對照有較大差異。由此可見，種子老化及劣變是一個非常復雜的過程，涉及到膜結構和功能的變化、抗氧化酶系統的變化及營養物質的過度消耗等，這一系列的生理生化變化又相互影響，加劇了種子老化及劣變。

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Received 2015-04-30Returned2015-07-28

First authorCHEN Jing,female,experimentalist.Research area:maize genetics and breeding. E-mail:tsnjglz@163.com

(責任編輯：史亞歌Responsible editor:SHI Yage)

Physiological and Biochemical Characteristics of Waxy Maize Seeds during Artificial Aging

CHEN Jing, LI Jianping and LI Rong

(School of Agriculture,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

AbstractUsing the seeds of waxy maize ‘Zhongnuo 1’ as material, we investigated seed vigor, antioxidase activity, relative conductivity,molality of MDA, soluble protein and soluble sugar mass fractions during artificial aging at 42 ℃ and RH 100%. The results showed that with the increase of artificial aging time, shoot length, root length, germination potential, germination rate, germination index and vigor index decreased. With the increase of the aging time, activities of SOD, POD and CAT decreased significantly. The relative conductivity and soluble sugar mass fraction increased and soluble protein mass fraction decreased. The molality of MDA firstly went up and then gradually stable trend. In conclusion, during artificial aging, membrane damage, the heavy oxidative injury and excessive consumption of nutrients are positively correlated with seed deterioration mechanisms.

Key wordsWaxy maize; Artificial aging; Physiological and biochemical characteristics

收稿日期：2015-04-30修回日期：2015-07-28

基金項目：寧夏大學科學研究基金(ZR1454)。

通信作者：李建平，男，講師，研究方向為作物栽培與耕作。E-mail: lijianpingsas@163.com

中圖分類號S513.01

文獻標志碼A

文章編號1004-1389(2016)06-0857-06

Foundation itemScientific Research Foundation of Ningxia University (No. ZR1454). LI Jianping,male,lecturer.Research area: crop cultivation and cultivation.E-mail: lijianpingsas@163.com

網絡出版日期：2016-06-01

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20160601.0914.018.html

第一作者：陳婧，女，實驗師，研究方向為玉米遺傳育種。E-mail:tsnjglz@163.com