不同物理處理方法對新疆紫草種子萌發特性的影響

丁曉霞，馬生軍，楊建波，馬留純，李淑珍，范金蕾，宋婷婷

1.新疆農業大學食品科學與藥學學院，新疆烏魯木齊830052；2.中國食品藥品檢定研究院中藥民族藥檢定所，北京100050

新疆紫草［Arnebia euchroma（Royle） Johnst］是紫草科多年生草本植物，生長于海拔2000～4200 m 高山草甸或向陽坡地，集中分布于新疆天山山脈有限的區域[1]。雖然對新疆紫草的歷史記載甚少，但是因其資源豐富，品質最佳，現已成為商品紫草的主要來源。新疆紫草的根粗壯，外表紫紅色，作為中藥在《本草綱目》中以解表涼血、清熱解毒、活血化瘀等廣譜療效被列為上品[2]。由于新疆紫草色素的色價高、附著力強，并具有較強的吸收紫外輻射的功能，被譽為紅色素之王，具有廣泛的應用價值[3]。

目前尚未見關于新疆紫草種子及其萌發過程中酶類物質變化的報道[4-5]。在本研究中，我們比較了新疆紫草種子在不同物理處理條件下的發芽情況，并對其萌發過程中過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）酶活力的變化進行探討，以期為下一步人工大面積栽培提供理論依據和技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料

新疆紫草種子分別于2016、2017 年采自新疆巴音郭楞蒙古族自治州和靜縣成熟果實；供試基質河沙購自新疆烏魯木齊市明珠花卉市場。

1.2 方法

選取結構完整、均勻飽滿的新疆紫草種子，分別設置不同貯藏時間（1、2 年）、不同光照（白熾燈光照、半遮蔭、全遮蔭）、不同溫度［室溫，60℃、90℃、110℃短時高溫（5 min）］，然后在清水中浸泡24 h 后播種于河沙中，于光照培養箱中（25±1）℃全天光照培養。觀察每日發芽情況，記錄相關發芽指標[6-10]。同時，于種子置床后第11 d 開始發芽時測定CAT、POD、SOD 活力，直至種子停止發芽，共21 d。每個處理設3 個重復，每個重復30 粒種子。

1.3 指標測定

種子置于培養皿中，于恒溫培養箱中培養21 d，待培養皿中露第一個芽尖起（1～2 cm），記錄該培養皿中每天的發芽率。發芽率指在規定條件下（21 d 內）能正常發芽的種子數占提供檢測的種子總數量的百分數。每日發芽率是指在規定條件下（21 d）當日發芽的種子數占提供檢測的種子總數量的百分比。

試驗結束后，每個處理隨機選取8 株幼苗（不足8 株，則每株均測定），用毫米直尺測量幼苗根長，計算平均值，作為評價幼苗生長情況的依據。

1.4 酶活力測定方法

參考李合生等的方法，采用紫外吸收法、愈創木酚法、氮藍四唑光化還原（NBT）法，分別測定CAT、POD、SOD 活力，并做合理性修改[11]。

1.5 數據處理

采用WPS Excel 2019 和SPSS Statistics 17.0進行做圖和數據統計分析。

2 結果

2.1 不同貯藏時間對新疆紫草種子萌發特性的影響

不同貯藏時間新疆紫草種子萌發過程中生長指標的統計結果見表1，CAT、POD、SOD 活力變化見圖1。

由表1 可知，貯藏1 年和2 年的新疆紫草種子總發芽數、發芽率間存在顯著性差異（P＜0.05），而根長間差異不顯著。貯藏2 年的種子發芽率為63.33%，相比貯藏1 年的種子發芽率（74.11%）下降了10.78%。由此說明，貯藏年限對新疆紫草種子的萌發存在一定的影響，種子貯藏年限越短發芽率越高。

由圖1 可知，貯藏1 年的新疆紫草種子日均發芽率略高于貯藏2 年的種子，貯藏1 年和2 年的種子最大日均發芽率分別為5.33%、4.00%，二者相差1.33%。貯藏2 年的種子從第17 d 開始停止萌發，萌發持續時間7 d；而貯藏1 年的種子從第21 d 開始停止萌發，萌發持續時間11 d，其萌發持續天數也較前者更長。還可以看出，不同貯藏時間下新疆紫草種子萌發過程中CAT、POD、SOD活力整體呈現先上升后下降的趨勢，且在相同時間貯藏1 年的種子3 種酶的活力均高于貯藏2 年的種子。CAT、POD、SOD 活力除貯藏1 年的種子其SOD 活力最大值在發芽后第7 d 外，其余均出現在發芽后第5 d。貯藏1 年和2 年的新疆紫草種子的CAT 活力最大值分別為78.88、65.79 U/（g·min），貯藏1 年的種子比2 年的高13.09 U/（g·min）；POD 活力最大值分別為100.86、69.79 U/（g·min），貯藏1 年的種子比2 年的高31.07 U/（g·min）；SOD 活力最大值分別為78.67、65.79 U/g，貯藏1 年的種子比2 年的高12.88 U/g。

表1 不同貯藏時間對新疆紫草種子萌發的影響（x±s，n=3）

圖1 不同貯藏時間新疆紫草種子萌發過程中CAT（A）、POD（B）、SOD（C）活力的變化

2.2 不同光照處理對新疆紫草種子萌發特性的影響

不同光照處理貯藏1 年的新疆紫草種子萌發過程中生長指標的統計結果見表2，CAT、POD、SOD 酶活力變化結果見圖2。

由表2 可知，白熾燈光照、半遮蔭和全遮蔭處理的新疆紫草種子總發芽數、發芽率間存在顯著性差異（P＜0.05）；白熾燈光照和半遮蔭處理間根長不存在顯著性差異，但全遮蔭處理與前二者間差異顯著（P＜0.05）。白熾燈光照處理的種子發芽率最高為78.89%，其次為半遮蔭處理為53.33%，全遮蔭處理的種子發芽率最低僅為10.00%，相比白熾燈光照和半遮蔭處理的種子其發芽率分別下降了68.89%、43.33%；白熾燈光照和半遮蔭處理的種子根長分別為6.89、5.03 cm，是全遮蔭處理種子根長（1.93 cm）的3.57 倍和2.61 倍。由此說明，光照和適度的遮蔭處理（半遮蔭）對新疆紫草種子的發芽有利，而全遮蔭處理將嚴重阻礙其種子的萌發。

表2 不同光照處理對新疆紫草種子萌發的影響（x±s，n=3）

圖2 不同光照處理新疆紫草種子萌發過程中CAT（A）、POD（B）、SOD（C）活力的變化

由圖2 可知，全遮蔭處理的新疆紫草種子日均發芽率在剛開始發芽階段與白熾燈光照和半遮蔭處理基本相同，但隨著發芽時間的延長其日均發芽率持續下降，于發芽后第7 d 停止發芽不再有新的種子萌發；而白熾燈光照和半遮蔭處理的種子日均發芽率則是先隨發芽時間的延長持續增加，到第15 d 后才開始下降，且發芽持續天數也較全遮蔭處理更長。還可以看出，不同光照處理下新疆紫草種子萌發過程中CAT、POD、SOD活力整體亦呈現先上升后下降的趨勢，且在相同時間3 種酶活力依次為白熾燈光照＞半遮蔭＞全遮蔭處理。白熾燈光照和半遮蔭處理的CAT、POD、SOD 活力最大值均出現在發芽后第5 d，而全遮蔭處理的種子3 種酶活力最大值均出現在發芽后第3 d。各處理3 種酶活力最大值均為白熾燈光照＞半遮蔭＞全遮蔭處理，從大到小CAT 活力最大值分別為152.21、117.13、67.86 U/（g·min），白熾燈光照和半遮蔭處理的種子比全遮蔭處理的種子分別高84.35、49.27 U/（g·min）；POD 活力最大值分別為329.27、256.52、139.51 U/（g·min），前兩者比后者分別高189.76、117.01 U/（g·min）；SOD 活力最大值分別為117.43、57.94、28.44 U/g，前兩者比后者分別高88.99、29.50 U/g。

2.3 不同溫度處理對新疆紫草種子萌發特性的影響

不同溫度處理貯藏1 年的新疆紫草種子萌發過程中生長指標的統計結果見表3，CAT、POD、SOD 酶活力變化結果見圖3。

由表3 可知，60℃短時高溫和室溫、90℃短時高溫處理的新疆紫草種子間總發芽數不存在顯著性差異，但與110℃短時高溫間差異顯著（P＜0.05）；60℃短時高溫和其他3 個處理的種子發芽率間存在顯著性差異（P＜0.05）；60℃短時高溫處理的種子根長與室溫、90℃、100℃短時高溫3 個處理間存在顯著性差異（P＜0.05）。60℃短時高溫處理的種子發芽率最高為81.11%，其次室溫處理為76.49%，110℃短時高溫處理的種子發芽率最低為46.00%，相比60℃短時高溫和室溫處理的種子其發芽率分別下降了35.11%、30.49%；60℃短時高溫和室溫處理的種子根長分別為6.96、5.59cm，是110℃短時高溫處理種子根長（4.45 cm）的1.56 倍和1.26 倍。由此說明，適度的短時高溫處理（60℃）對新疆紫草種子的發芽有促進作用，而處理溫度過高則會抑制其種子的萌發。

表3 不同溫度處理對新疆紫草種子萌發過程的影響（x±s，n=3）

圖3 不同溫度處理新疆紫草種子萌發過程中CAT（A）、POD（B）、SOD（C）活力的變化

由圖3 可知，室溫和60℃、90℃、110℃短時高溫處理的新疆紫草種子日均發芽率整體上呈先升高后下降的趨勢；室溫和60℃、90℃短時高溫處理的種子于開始發芽后第11 d 停止發芽不再有新的種子萌發，而110℃短時高溫處理的種子則于開始發芽后第9 d 停止萌發，其發芽持續時間與前3 者相比更短。還可以看出，不同溫度處理下新疆紫草種子萌發過程中CAT、POD、SOD 活力整體亦呈現先上升后下降的趨勢，且相同時間3種酶活力均為60℃短時高溫處理的種子最高，110℃短時高溫處理的種子最低。CAT、POD、SOD活力最大值出現時間變化不一，其中CAT 活力最大值為60℃短時高溫＞90℃短時高溫＞室溫＞110℃短時高溫處理，從大到小CAT 活力最大值分別為70.03、57.83、40.72、31.62 U/（g·min），60℃短時高溫處理的種子比110℃處理的種子高38.41 U/（g·min）。POD 和SOD 活力最大值則為60℃短時高溫＞室溫＞90℃短時高溫＞110℃短時高溫處理，從大到小POD 活力最大值分別為166.60、148.41、138.79、73.26 U/（g·min），60℃短時高溫處理的種子比110℃處理的種子高93.34 U/（g·min）；SOD活力最大值分別為156.23、146.42、140.25、64.87 U/g，60℃短時高溫處理的種子比110℃處理的種子高91.36 U/g。

3 討論

過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶一起被稱為酶保護系統[12]。CAT 是生物演化過程中建立起來的生物防御系統的關鍵酶之一，它可以催化細胞內過氧化氫的分解。POD 是一類以過氧化氫為底物，氧化其他化合物的氧化還原酶，它存在于植物從萌發到衰老的整個生長發育過程，參與植物的生長代謝，木質素、細胞壁的生物合成，對植物的生長起到促進作用[13]。SOD 是活性氧清除反應中的參與者，在抗氧化酶系統中處于核心地位，廣泛分布于植物細胞中[14]。因此，在種子萌發過程中普遍以這3 種酶活性的變化來衡量植物種子的發芽情況。

在種子萌發前期，酶活性普遍較低，表明種子內各種酶都在積蓄為種子的萌發做準備，隨著種子的持續萌發其活性逐漸提高，繼而促進種子的發芽[15]。本研究結果表明，新疆紫草種子萌發過程中CAT、POD、SOD 的活力整體呈先上升后下降的趨勢，在3 種酶活性增加過程中日均發芽率也逐漸增加，種子發芽率也相應增大。新疆紫草種子貯藏1 年時的發芽率明顯高于貯藏2 年的種子，其對應的3 種酶活力也相對更高，說明酶作為一類具有催化能力的蛋白質其催化作用具有一定的時效性，CAT、POD、SOD 促進種子發芽的作用會隨貯藏時間的延長而不斷下降。酶活力受多種因素的調節控制，有些酶的活性與輔助因子密切相關，光合作用、呼吸作用均離不開酶的參與，反之酶活性的大小亦受光照強弱的影響[16]。新疆紫草種子在白熾燈光照處理時其發芽率和3種酶的活性較半遮蔭和全遮蔭處理更高，說明白熾燈全天光照培養能更好地激活種子內3 種酶的活性，繼而促進其種子的萌發。酶具有易變性失活的特性，尤其在受到外界高溫、高壓、強酸等因素影響時其結構會發生改變，不同植物體內酶的最適溫度也不相同[16]。新疆紫草種子在60℃短時高溫處理時發芽率顯著高于室溫和90℃、110℃短時高溫處理便很好地證明了這一點，說明在該溫度范圍內其3 種酶的活性更強、酶促反應速度更大，對種子萌發的促進作用也更明顯。

綜上，貯藏1 年、白熾燈光照和60℃短時高溫處理的新疆紫草種子發芽率更高、酶活力更大、長勢也相對更好，綜合考慮可作為促進其種子萌發的最佳物理處理方法推廣應用。