溫度和干旱對(duì)小麥種子萌發(fā)過(guò)程中抗氧化物酶特性的影響

喬 健 吳廣俊 翟乃家 張 超 翟吉慶 路篤旭 王光明

（淄博市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 山東 淄博 255033）

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的糧食作物之一，全世界1/3 以上的人口以小麥為主糧。 種子萌發(fā)在小麥生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程中起著關(guān)鍵作用， 研究表明種子的萌發(fā)和萌發(fā)后幼苗的建成是內(nèi)外因素相互作用的結(jié)果。 外因是指適宜的光照、溫度、水分和氧氣，內(nèi)因是指種子自身是否具有足夠的儲(chǔ)備和是否具有利用這些儲(chǔ)備在接受外部信號(hào)后啟動(dòng)各種生命活動(dòng)的生物化學(xué)反應(yīng)的能力[1]。 溫度是決定種子萌發(fā)的主要因素之一，溫度可以影響到種子萌發(fā)的一系列過(guò)程，如膜透性、膜結(jié)合蛋白的活力及水解酶的性質(zhì)等[2-4]。 最適溫度才是種子萌發(fā)的理想條件，能提高種子發(fā)芽率，加快發(fā)芽速度[5]。 有研究表明，玉米種子萌發(fā)的下限溫度是8℃[6]，低于此下限溫度的環(huán)境均影響種子的萌發(fā)[7]。 水分也是影響種子萌發(fā)的重要因素。 干旱脅迫可能貫穿小麥播種至收獲的整個(gè)生育過(guò)程， 是影響小麥生產(chǎn)的主要限制因子， 作物抗旱性研究成為植物抗逆性研究的重中之重[8]。

種子在萌發(fā)或遇到不良環(huán)境時(shí)都會(huì)產(chǎn)生較多的活性氧， 而清除這些活性氧就需要抗氧化物酶的參與。SOD 和POD 是植物體內(nèi)重要的抗氧化物酶，SOD是將超氧陰離子自由基歧化生成氧和過(guò)氧化氫，平衡機(jī)體氧化和抗氧化作用，CAT 是將過(guò)氧化氫分解成氧和水的酶，使細(xì)胞免受過(guò)氧化氫的毒害[9]。 本文作者通過(guò)研究小麥種子在不同的溫度和干旱條件下主要抗氧化物酶活性的變化， 進(jìn)而反映種子萌發(fā)情況，為小麥生產(chǎn)管理、預(yù)防不良?xì)夂驐l件變化對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

選用濟(jì)麥22 為試驗(yàn)材料，所選種子均顆粒飽滿且完全成熟。 種子置床前在5%雙氧水中消毒種子3 min， 然后用去離子水沖洗2 遍后置于鋪有4 層濾紙的發(fā)芽盒中，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件，按標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽方法進(jìn)行。 在萌發(fā)的不同時(shí)期取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

在種子萌發(fā)過(guò)程中，設(shè)置溫度和干旱2 個(gè)處理。其中設(shè)置20℃、23℃、26℃、29℃4 個(gè)溫度水平， 用恒溫箱控制溫度；采用20%聚乙二醇（PEG-6000）溶液模擬干旱處理。 分別在處理12 h、24 h、36 h、42 h、48 h、60 h 和72 h 取樣測(cè)定抗氧化物酶活性。

1.2 抗氧化酶活性的測(cè)定

采用聯(lián)合法測(cè)定。 其中超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和過(guò)氧化氫酶（CAT）活性測(cè)定方法在趙世杰[10]等方法的基礎(chǔ)上作了改進(jìn)。

樣品酶提取液的制備。 稱取0.5 g 種胚放入研缽中，加5 mL pH 7.8 的磷酸緩沖液冰浴研磨，勻漿倒入離心管中，冷凍離心（7 000×g）20 min，離心后將上清液（酶提取液）倒入試管中，置于0~4℃下保存待用（短期5 d 之內(nèi)）。

SOD、POD、CAT 活性測(cè)定按照趙世杰的方法進(jìn)行。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

采用Microsoft Excel 2007 處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用Sigmaplot 10.0 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度和干旱對(duì)POD 活性的影響

POD 在植物體應(yīng)對(duì)植物逆境脅迫的過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用， 它能夠催化分解過(guò)氧化物及其他一些酶類， 對(duì)因?yàn)槟婢趁{迫引起的植物細(xì)胞膜氧化損傷有非常明顯的緩解作用，并且能與APX、CAT 等協(xié)同作用清除H2O2，保護(hù)細(xì)胞膜。 從圖1 可以看出，在20～30℃內(nèi)POD 活性隨著萌發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷升高。 小麥種子胚中POD 酶活性的這種變化趨勢(shì)說(shuō)明隨著萌發(fā)的推進(jìn)， 細(xì)胞內(nèi)與代謝相關(guān)的清除膜脂過(guò)氧化物的能力不斷提高[7]。 在26℃下各階段POD 的活性均高于20℃、23℃、29℃下及20%的聚乙二醇處理時(shí)的POD 活性。

圖1 濟(jì)麥22 種子萌發(fā)過(guò)程中POD 活性的變化

2.2 溫度和干旱對(duì)CAT 活性的影響

H2O2的清除是細(xì)胞徹底消除活性氧的關(guān)鍵，CAT 可以將SOD 等產(chǎn)生的H2O2轉(zhuǎn)化為H2O，與SOD協(xié)同反應(yīng)，使活性氧維持在較低水平上[11]。 由圖2 可知，26℃溫度下在前40 h 左右CAT 活性逐漸升高，20℃和23℃溫度下均在48 h 達(dá)到最高值而后下降，這是因?yàn)榧?xì)胞吸漲活化后水溶性蛋白質(zhì)的增加造成CAT 活性增加，CAT 使得H2O2含量受到抑制。29℃時(shí)在42 h 達(dá)到最高值后迅速下降。 而20%的聚乙二醇處理在前40 h 酶活基本不變，此后一直上升。

圖2 濟(jì)麥22 種子萌發(fā)過(guò)程中CAT 活性的變化

2.3 溫度和干旱對(duì)SOD 活性的影響

SOD 活性的高低是衡量植物抗旱性的重要指標(biāo)之一，它的主要功能是清除活性氧，是防護(hù)氧自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)傷害的一種重要的保護(hù)酶[8]。 由圖3 可知，不同溫度處理下SOD 活性先升高，隨后緩慢上升或趨于平衡。26℃和29℃下SOD 活性變化均較小，在20℃和23℃溫度處理下活性氧含量大量增加，SOD活性一直處于上升狀態(tài)。20%的聚乙二醇處理的SOD活性一直處于相對(duì)較高的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 濟(jì)麥22 種子萌發(fā)過(guò)程中SOD 活性的變化

3 討論和結(jié)論

在自然條件下， 解除初休眠的種子如遇到不適宜的萌發(fā)條件經(jīng)常會(huì)進(jìn)入次生休眠， 這些不適宜的條件包括溫度、光周期、水勢(shì)和氧氣條件，其中溫度和水分條件是重要的因子[12-13]。 在小麥種子的萌發(fā)過(guò)程中抗氧化物酶活性在不同的溫度和干旱脅迫下發(fā)生著變化并反映著種子萌發(fā)的情況。

種子從開(kāi)始吸水膨脹起抗氧化物酶活性逐步升高用以清除超氧自由基和抵御活性氧， 對(duì)修復(fù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、形成健壯幼苗起著重要作用。

SOD、CAT、POD 是植物抗氧化酶系統(tǒng)中3 種重要的酶，它們?cè)诨钚匝踝杂苫那宄⑦^(guò)氧化物的清除、 抑制膜脂過(guò)氧化等植物抗逆生理方面發(fā)揮重要作用[14]。 尤其是SOD,它能夠催化超氧化物發(fā)生歧化反應(yīng)，減輕自由基對(duì)植物細(xì)胞的毒害作用[15]。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在小麥種子萌發(fā)過(guò)程中不同溫度下POD 活性都呈上升趨勢(shì)，因?yàn)镻OD 活性的增長(zhǎng)有利于促進(jìn)種子萌發(fā)生長(zhǎng)， 但在不同溫度下相同時(shí)間內(nèi)23℃和26℃下POD 活性較大， 經(jīng)干旱處理的種子POD 活性相對(duì)較小。 SOD 能催化植物體內(nèi)的超氧陰離子自由基發(fā)生歧化反應(yīng)生成雙氧水和氧氣，SOD活性在較低溫度和較高溫度下會(huì)失活，29℃的較高溫度可能使SOD 抵御能力下降。 在26℃下種子萌發(fā)相對(duì)較為適宜， 種子萌發(fā)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生少量活性氧，SOD 活性變化較小。在20℃時(shí)活性氧含量大量增加，為了使種子萌發(fā)需要提高SOD 的活性。 干旱脅迫也使種子內(nèi)部產(chǎn)生大量的活性氧， 需要較高的SOD 活性來(lái)清除這些活性氧自由基。 在23℃和26℃時(shí)CAT活性升高較快且峰值相對(duì)較高而后下降， 這時(shí)種子收到需要萌發(fā)的信號(hào)產(chǎn)生大量過(guò)氧化物， 隨著萌發(fā)的進(jìn)行過(guò)氧化物含量減少。 而在干旱脅迫下，種子為緩解受到的氧化損傷， 提高植物對(duì)逆境的抗性，SOD活性先處于平穩(wěn)狀態(tài)，而后開(kāi)始上升。

綜上所述，小麥種子萌發(fā)的相對(duì)適宜溫度為23～26℃，既要協(xié)調(diào)好溫度又要做好水分的調(diào)控，促使小麥正常萌發(fā)。