引發對青菜和甘藍陳年種子萌發、出苗以及幼苗生理生化指標的影響

吳凌云,姜 武,姚東偉,李 明

(1上海市農業科學院設施園藝研究所,上海市設施園藝技術重點實驗室,上海 201403;2鹽城源怡農業科技有限公司,鹽城 224633)

種子達到生理成熟期時活力水平最高,此后隨著貯藏時間的增加,種子活力不斷下降。種子老化劣變過程十分復雜,包括貯藏物質的變化、膜的損傷和修復、蛋白質和核酸的變化等等[1]。有關修復和提高種子活力方法的研究有很多,種子引發技術是其中之一[2]。種子引發是控制種子緩慢吸收水分使其停留在吸脹的第二階段,讓種子進行預發芽的生理生化代謝和修復作用,促進細胞膜、細胞器、DNA的修復和酶的活化[3]。引發的種子處于“發芽狀態”,但是胚根沒有伸出,具有較高的發芽勢且發芽整齊[4]。

青菜(Brassica campestrisssp.chinensisMakino)和甘藍(Brassica oleraceaL.var.capitataL.)同屬十字花科蕓薹屬一、二年生蔬菜作物,營養豐富,栽培面積大,具有重要的經濟和食用價值。青菜和甘藍種子從采收到播種一般會經過一段時間貯藏,由于自然衰老或不適宜的貯藏環境,種子活力會逐年降低。隨著貯藏時間的增加,青菜和甘藍種子萌發速度減慢,田間出苗不整齊,出苗率降低,嚴重影響種子質量。種子引發技術作為一種種子播前處理技術,可以提高種子活力、發芽速度、幼苗質量和出苗的整齊度,增加產量[5-9]。國內研究報道,PEG滲透引發提高了人工老化小麥、辣椒的種子活力[10-11];PVA+KNO3引發提高了人工老化水稻種子活力,提高了種子的SOD、CAT、POD、脫氫酶活性和可溶性蛋白含量,降低了MDA含量[12]。固體基質引發和滲透調節引發是目前廣泛應用的兩種引發方法。固體基質如蛭石引發可提高低溫下不結球白菜種子發芽特性和幼苗抗氧化特性[13];滲透調節如聚乙二醇、水楊酸、硝酸鈣、氯化鈉引發可提高甘藍種子萌發特性,增強抗氧化酶活性[14-16]。目前,關于引發對修復和提高青菜和甘藍老化種子活力以及不同引發方法的比較研究尚未見報道。

本試驗擬采取固體基質蛭石、液體滲透調節物質硝酸鉀和亞精胺對青菜和甘藍陳年種子進行引發處理,研究引發對青菜和甘藍陳年種子萌發、出苗以及幼苗生理生化指標的影響,旨在為利用種子引發技術修復和提高青菜和甘藍陳年種子活力提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用一代交配青菜‘新夏青6號’和甘藍‘爭春’種子由上海市農業科學院設施園藝研究所提供。‘新夏青6號’于2014年收獲,‘爭春’于2016年收獲,種子收獲后常溫貯藏于上海市農業科學院設施園藝研究所;蛭石由上海市農業科學院設施園藝研究所提供;硝酸鉀由國藥集團化學試劑有限公司提供;亞精胺由上海源葉生物科技有限公司提供。

1.2 種子引發處理

固體基質(SM)引發:將種子與蛭石按1∶1.5的質量比混合,再加入兩者總質量50%的蒸餾水,攪拌均勻置于燒杯中,于20℃恒溫箱中黑暗條件下引發(‘新夏青6號’引發66 h,‘爭春’引發36 h),引發結束后,用篩子將蛭石篩除,將種子回干。

亞精胺(Spd)引發:用2.4 mmol∕L的亞精胺溶液引發‘新夏青6號’和‘爭春’種子,于20℃恒溫箱中黑暗條件下引發24 h,引發結束后,流水沖洗,均勻攤開,用吸水紙吸干表面水分將種子回干。

硝酸鉀(KNO3)引發:用質量分數為1%的硝酸鉀溶液引發‘新夏青6號’和‘爭春’種子,于20℃恒溫箱中黑暗條件下引發24 h,引發結束后,流水沖洗,均勻攤開,用吸水紙吸干表面水分將種子回干。

最佳引發時間、溫度和引發劑濃度由預試驗篩選得到。

1.3 種子萌發試驗

以未處理的陳年種子為對照(CK),將引發和未引發的青菜和甘藍陳年種子分別放入裝有雙層發芽紙的發芽盒(13 cm×19 cm×16 cm)內,加入7 mL蒸餾水,置于20℃培養箱內發芽。每個處理重復3次,每個重復70粒,發芽期內每天兩次計數,以胚根伸出1 mm為發芽標準。計算第2天發芽勢、第7天發芽率、發芽指數以及平均發芽時間。

1.4 幼苗生長測定

將對照和引發處理的青菜和甘藍陳年種子分別播種于32孔穴盤中,置于20℃人工氣候室進行育苗,每處理重復3次,每個重復32粒,每天記錄出苗數,出苗結束后,每盤隨機挑選8株幼苗用流水沖洗干凈,吸干表面水分,測量其根長、苗高和鮮重,計算出苗率、出苗指數和平均出苗時間。

1.5 生理生化指標的測定

將對照和引發的青菜和甘藍陳年種子分別播于穴盤中,置于20℃人工氣候室進行育苗,播后9 d,取幼苗用液氮磨粉后測定以下生理指標,重復3次。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)活性以及丙二醛(MDA)、過氧化氫(H2O2)、可溶性蛋白含量均采用試劑盒(蘇州科銘生物技術有限公司)測定。

1.6 數據分析

試驗數據采用Excel 2010和SPSS 21.0軟件對數據進行處理和顯著性分析(Duncan’s多重極差檢驗)。

2 結果與分析

2.1 引發對‘新夏青6號’和‘爭春’陳年種子萌發和出苗的影響

與對照(未引發種子)相比,引發處理的‘新夏青6號’和‘爭春’種子發芽勢、發芽指數均有一定提高,平均發芽時間顯著減少,發芽率與對照相當(表1),其中固體基質引發的效果最好。固體基質引發處理、硝酸鉀引發處理、亞精胺引發處理的‘新夏青6號’發芽勢分別比對照提高了167.8%、112.5%和65.5%,發芽指數分別比對照提高了95.4%、28.5%和10.5%,平均發芽時間分別比對照提前了1.1 d、0.5 d和0.2 d;固體基質引發處理、硝酸鉀引發處理、亞精胺引發處理的‘爭春’種子發芽勢分別比對照提高了13.4%、7.3%和6.7%,發芽指數分別比對照提高了104.0%、32.4%和31.3%,平均發芽時間分別比對照提前了1.0 d、0.5 d和0.5 d。

表1 引發對‘新夏青6號’和‘爭春’陳年種子萌發的影響Table 1 Effects of priming on germination of aged‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’seeds

由表2可見,固體基質引發、硝酸鉀引發、亞精胺引發的‘新夏青6號’種子出苗率分別比對照增加56.9%、21.8%、43.4%;出苗指數分別比對照增加95.6%、33.5%、58.9%;平均出苗時間比對照分別減少2.0 d、0.9 d、0.9 d,幼苗株高分別比對照增加29.4%、44.8%、86.4%,鮮重分別比對照增加82.6%、16.1%、42.2%。固體基質引發、硝酸鉀引發、亞精胺引發的‘爭春’種子出苗率分別比對照增加11.0%、1.4%、6.9%;出苗指數分別比對照顯著增加53.0%、13.8%、19.5%;平均出苗時間分別比對照顯著減少1.2 d、0.4 d、0.4 d,幼苗鮮重分別比對照增加11.6%、13.6%、19.3%。其中,固體基質引發處理的‘新夏青6號’和‘爭春’種子出苗率、出苗指數、平均出苗時間等指標均顯著好于對照。

表2 引發對‘新夏青6號’和‘爭春’陳年種子出苗的影響Table 2 Effects of priming on emergence of aged‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’seeds

以上結果表明,固體基質引發、硝酸鉀引發、亞精胺引發均不同程度提高了‘新夏青6號’和‘爭春’陳年種子的萌發和出苗特性,其中固體基質蛭石引發效果最好。

2.2 引發對‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗抗氧化酶活性和脂質過氧化的影響

與對照相比,固體基質引發、硝酸鉀引發、亞精胺引發的‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗SOD、CAT、APX、GR、GPX活性均顯著提高,MDA含量均顯著降低(圖1)。可見,3種引發處理均顯著增加了青菜和甘藍幼苗的抗氧化酶活性,提高了抗氧化酶系統的防御能力,降低了膜脂過氧化水平。其中,固體基質引發的‘爭春’和‘新夏青6號’幼苗GR、GPX活性最高,MDA含量最小。固體基質引發的‘新夏青6號’幼苗SOD活性最高。

圖1 引發對‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗抗氧化酶活性和脂質過氧化的影響Fig.1 Effects of priming on the antioxidant enzyme activity and lipid peroxidation in seedlings of‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’

2.3 引發對‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗可溶性蛋白和H2O2含量的影響

與對照相比,固體基質引發、硝酸鉀引發、亞精胺引發的‘新夏青6號’幼苗可溶性蛋白含量分別顯著提高了40.7%、30.6%、13.0%,H2O2含量分別顯著降低了54.0%、38.0%、18.0%;固體基質引發、硝酸鉀引發、亞精胺引發的‘爭春’幼苗可溶性蛋白含量分別顯著提高了49.5%、32.0%、18.6%,H2O2含量分別顯著降低了38.2%、17.6%、23.5%。其中,固體基質引發的‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗可溶性蛋白含量最高,H2O2含量最低(圖2)。試驗表明,種子引發可促進幼苗可溶性蛋白的積累,減少ROS積累,從而促進滲透調節,減少氧化脅迫。

圖2 引發對‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗可溶性蛋白和H2O2含量的影響Fig.2 Effects of priming on the content of soluble protein and H2O2 in seedlings of‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’

3 討論

種子引發可以促進種子快速且整齊地萌發以及幼苗生長,不同引發方法的有效性隨著作物種類及其品種的不同而不同[8]。種子引發可以修復和提高老化種子的活力。本試驗表明,固體基質引發、硝酸鉀引發和亞精胺引發能顯著提高青菜和甘藍陳年種子活力,減少平均出苗時間,提高幼苗素質。這與前人研究結果相似[17-20]。

種子在貯藏過程中活力不斷下降。種子的老化是一個循序漸進的過程,通常是先發生生化變化,生化變化包括膜脂過氧化、抗氧化系統平衡被打破,劣變產物積累和酶活性的變化等[21]。McDonald[22]認為,活性氧的累積是造成種子老化的主要因素,ROS可以損傷蛋白質和核酸并啟動不飽和脂肪酸的脂質過氧化反應。種子在自然老化過程中,活力下降與H2O2和丙二醛含量增加密切相關,抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX、GR活性隨著種子老化而降低[23]。本試驗中,經固體基質、硝酸鉀和亞精胺引發處理后,青菜和甘藍幼苗抗氧化酶(SOD、CAT、APX、GR、GPX)活性和可溶性蛋白含量顯著增加,H2O2和MDA含量顯著下降,說明3種不同引發處理均能不同程度地減緩幼苗抗氧化酶活性和滲透調節物質下降的幅度,緩解脂質過氧化,有利于消除體內有毒物質的積累,對細胞起保護作用。這與前人研究結果相一致[24]。

本試驗表明,固體基質、硝酸鉀和亞精胺引發均顯著提高了青菜和甘藍幼苗抗氧化酶SOD、CAT、APX、GR、GPX活性和可溶性蛋白含量,顯著降低了MDA含量和H2O2積累,說明3種引發處理均顯著提高了青菜和甘藍幼苗抗氧化酶的活性,清除ROS的積累,減少幼苗脂質過氧化,保持較高的細胞膜相對完整性,提高滲透調節能力,從而提高了種子萌發和出苗特性。

在3種引發方法中,固體基質引發的幼苗在GR、GPX活性、MDA、可溶性蛋白和H2O2含量等多項指標方面優于硝酸鉀引發和亞精胺引發,因此,固體基質引發的種子萌發和出苗特性均好于硝酸鉀引發和亞精胺引發。

綜上所述,固體基質(SM)、硝酸鉀(KNO3)和亞精胺(Spd)引發均顯著增加了青菜和甘藍幼苗抗氧化酶活性,提高了抗氧化酶系統的防御能力,減少了H2O2的積累,降低了膜透性和膜脂過氧化水平,增加了滲透調節物質積累,從而提高了種子的萌發和出苗特性,一定程度上修復了老化種子的活力。其中,固體基質引發對青菜和甘藍陳年種子活力和幼苗生理生化指標的有益影響優于硝酸鉀引發和亞精胺引發。