香椿種子萌發初始階段物質代謝的研究

宋 明，楊 博，沈永寶，尹中明

(1. 崇明區林業站，上海 崇明 202150； 2. 南京林業大學生物與環境學院， 江蘇 南京 210037； 3.上海市林業總站，上海 靜安 200072)

作為種子植物所特有的延存器官[1]，種子萌發是種子植物生活史的重要階段。 種子萌發時，呼吸代謝加強，其內部會發生一系列的生理生化變化，為種子發芽和幼苗初期的生長提供必需的營養物質和能量[2]。人們對木本植物種子萌發的生理過程已廣泛研究[3]，如: 白皮松(Pinusbungdan)[4]種子在萌發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]等種子萌發過程也表現出相似的情況。油松(Pinustabulaeformis)[7]種子在萌發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過程后期，即胚根突破種殼之后的時期，而對種子萌發初始階段,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，通過探索種子萌發初始階段的物質代謝，進一步了解種子在萌發準備階段內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局提供，其千粒重為13.04 g，含水量為11.59%，發芽率為85%。

1.2 種子培養

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芽板中，用濕潤脫脂棉覆蓋，置于(25±1)℃培養箱中進行培養，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 在種子培養過程中，按照種子培養方法，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，依據林木種子檢驗規程[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 在種子培養過程中，按照種子培養方法，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 公司生產的Li-6400 光合作用呼吸儀來測定種子的呼吸強度。

1.3.3 內含物的測定 以種胚為材料進行各種生理生化指標的測定。可溶性糖及淀粉含量的測定采用蒽酮比色法[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。

本文數據的分析與處理通過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，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定狀態。

圖1 香椿種子萌發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。培養最初9 h內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，種子內貯藏的有機物大規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，它為種子萌發提供必需的能量和物質。一般情況下，種子萌發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，香椿種子呼吸速率呈現平緩上升趨勢；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，酶系統不斷修復、活化，原本“靜止狀態”的種子呼吸速率明顯加強。培養最初的27 h時間內，呼吸速率上升較快，這可能是干種子吸水膨脹后，與線粒體內檸檬酸循環和電子傳遞鏈有關的酶系統活化有關；在種子置床培養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81 h達到最高值，表明胚萌發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。可溶性糖的分解產物是其他很多有機物合成的原料。可溶性糖類作為呼吸基質，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，隨著香椿種子培養時間的延長，種胚中可溶性糖含量呈現總體下降的趨勢。在培養最初9 h內，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，內含物質外滲量減少；另一方面原因是細胞內代謝趨于穩定，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，進而為種子萌發提供能量。香椿種胚的可溶性糖在萌發初期的這種變化規律表明：隨著培養時間的延長，種子內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

淀粉作為種子內大分子營養物質之一，在種子發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，隨著香椿種子培養時間的延長，種胚中淀粉含量總體上呈現逐步減少的趨勢。在前27 h內，淀粉含量呈下降趨勢，從48.96%降至41.98%，尤其是9 h內下降幅度較大，從48.96%降至44.88%。培養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45 h后，淀粉含量再次大幅度下降，并于胚萌發時，含量降至最低28.01%，比干種子淀粉含量低20.95%。萌發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18—63 h期間，可溶性蛋白質含量呈現不斷下降趨勢，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，它在種子內的轉化直接影響到種子萌發所需的能量供應和中間產物的來源。種子萌發過程中，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。種胚內的脂肪，是種子的重要能源，對種子的萌發有重要作用。

由圖5可知，香椿種胚內的脂肪不斷降解，其含量總體上呈現下降的趨勢。在9 h之前，種胚內物質代謝尚未啟動，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，種胚需要更多的養料和能量來滿足生長的需要，脂肪既可以通過乙醛酸循環轉化為糖，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下降，從24.52%降至20.05%。而在54 h時出現短暫的回升，可能是種子代謝過程中的一些中間產物又生成脂肪的緣故，隨后粗脂肪含量繼續下降。

圖5 香椿種子萌發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。在種子發育、成熟、發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及含量有密切的關系。傳統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。

香椿種子萌發初期前9 h內，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，并逐漸趨于穩定，可見香椿種子吸水過程與傳統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，傳統理論認為種子吸水的第1階段是由種子內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。但本研究發現，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，種子已經開始活化，已經為準備萌發發生各種生化反應。

此外，香椿種子在前9 h內迅速吸水，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，因此種子在萌發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生顯著的變化。香椿種子呼吸速率的變化呈現“S”形曲線，而且出現了從27—45 h的呼吸滯緩期。在少數種子如野燕麥(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，從而確保O2持續利用的增加；而且，在萌發完成之前，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。據此，將種子區分為淀粉種子(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時分解為簡單的有機物，以可利用的形式運輸到胚中，作為幼胚生長的營養物質。

香椿種子屬小粒種子，胚相對較小，貯藏營養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%。可見，香椿種子主要營養物質為淀粉、粗脂肪和可溶性糖，屬于淀粉種子。

隨著培養時間的延長，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出總體下降的趨勢。在種子培養初期，由于細胞膜功能尚未修復，種胚內含物都有不同程度的外滲現象，這在種子中是普遍現象。這些營養物質在培養最初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 36 h后代謝趨向旺盛。可溶性蛋白質和粗脂肪動員較快，是香椿種子萌發初始階段首先利用的貯藏物質。但在北美黃杉種子萌發過程中，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]。

在種子萌發初始階段，胚中貯藏的營養物質彼此之間會發生相互轉化。如香椿種子在培養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轉變為可溶性糖或者其水解產物甘油逆轉為己糖。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。