谷胱甘肽引發(fā)對老化燕麥種子發(fā)芽與幼苗生長特性的影響

關鍵詞：GSH 引發(fā);燕麥;種子活力;種子老化

在種子貯藏過程中，由于外界環(huán)境溫度和濕度的作用，種子很容易發(fā)生老化，導致種子內(nèi)部生理生化特性發(fā)生不可逆的變化，進而導致種子活力的下降[1]。種子引發(fā)是一種播種前預處理方式，將種子浸泡在特定溶液中一段時間，使種子充分吸水到一定程度，促進種子內(nèi)部酶的活化和物質(zhì)代謝，保證其有一定預發(fā)芽代謝能力，但不會出現(xiàn)胚根[2]。種子引發(fā)已被證明是提高植物抗脅迫能力的有效方法，通過在發(fā)芽前對種子進行預處理，可以幫助種子更快地激活防御系統(tǒng)[3]。研究表明，引發(fā)的種子在不利的萌發(fā)條件下可以更快地恢復新陳代謝潛力，縮短出苗時間，提高田間出苗率以及出苗整齊度，對大田生產(chǎn)具有重要意義[4]。在實際生產(chǎn)中，不同引發(fā)劑的效果在不同脅迫和不同作物種類中存在一定的差異[5]，因此尋找合適的引發(fā)劑對提高特定植物的抗逆能力具有重要意義。

谷胱甘肽（Glutathione，GSH）作為氧化還原系統(tǒng)中重要的還原劑和調(diào)節(jié)信號分子，在清除活性氧（Reactiveoxygenspecies，ROS）[6]和促進植物發(fā)育[7]等方面發(fā)揮著重要的功能。GSH 還可以提高植物對鹽[8]、溫度[9]、干旱[10]和重金屬[11]等非生物脅迫的耐受能力。研究表明，GSH 引發(fā)對無芒雀麥（Bromusinermis）老化種子活力的提升效果較好，但其對老化損傷的修復需要一定作用時間[12]。此外，外源GSH 預處理對老芒麥（Elymussibiricus）老化種子的萌發(fā)也具有明顯促進作用[13]。

作為世界八大糧食作物之一，燕麥（Avenasativa）含有豐富的蛋白質(zhì)和膳食纖維，脂肪含量相對于其他作物較高，具有良好的營養(yǎng)價值。燕麥還具有抗鹽堿、抗寒、抗旱等優(yōu)點，是一種優(yōu)質(zhì)的糧飼兼用作物。但由于燕麥種子中的油脂含量遠高于玉米（Zeamays）等其他谷物[14]，且組成燕麥油脂的高級脂肪酸中80%以上是不飽和脂肪酸[15]，燕麥種子相比于其他作物種子更容易酸敗，在貯藏過程中容易發(fā)生老化，不利于燕麥種質(zhì)資源的保存[16]。所以，研究老化對燕麥種子萌發(fā)以及生理生化特性的影響對其大面積種植推廣具有重要意義。因此，本研究以老化燕麥種子為試驗材料，分析不同濃度外源GSH 溶液引發(fā)不同時間后種子活力的變化規(guī)律，篩選出最佳濃度和引發(fā)時間，為研究老化種子活力的機理提供理論依據(jù)，也為種子的安全貯藏、種植管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料燕麥購買自北京陽光綠地生態(tài)科技有限公司，品種名為‘挑戰(zhàn)者（Challenger）’。該批種子于2020年在加拿大收獲，初始發(fā)芽率為100%，初始含水量為10.3%。篩選出大小均勻一致且飽滿的種子，保存至—20℃冰箱內(nèi)，供后續(xù)試驗使用。

1.2 種子處理

參照劉備等的方法[17]測定種子含水量并將含水量統(tǒng)一調(diào)整為10%。參照方法[18]并稍作修改，將已知質(zhì)量的10%含水量燕麥種子放置于含有飽和KCl溶液的干燥器中室溫平衡3d，再置于45℃的種子老化箱中，濕度為80%。老化結束后將種子放至干燥器中，等到種子重量回干到原重量后裝入鋁箔袋封口，放入4℃冰箱中備用。根據(jù)老化曲線，選取老化5d的種子（發(fā)芽率為60%～70%）為中等活力種子，記作DS。

用GSH 引發(fā)老化種子，GSH 的濃度分別為0.1，0.2，0.5和1.0mmol·L-1（記作G0.1，G0.2，G0.5和G1），分別于20℃下避光吸脹12h，24h和36h（記作P12，P24和P36），同時選用正常燕麥種子（記作CK）、DS和水引發(fā)處理（記作H2O）作為對照。每個處理設置4個重復。引發(fā)結束后，用蒸餾水沖洗種子，吸去表面水分，放于室溫下回干到原始重量，裝入鋁箔袋封口，放入4℃冰箱中用于后續(xù)試驗。

1.3 種子發(fā)芽和幼苗生長測定

挑選50粒均勻一致的燕麥種子，擺在放有3層濾紙的11.5cm×11.5cm 的培養(yǎng)皿中，放于光照培養(yǎng)箱（GXZ-380B）中，培養(yǎng)條件為溫度20℃、光照8h和黑暗16h，設3次重復。第5d初次計數(shù)，第10d末次計數(shù)，最后統(tǒng)計正常種苗數(shù)，每個重復選取10株種苗測定根長（Rootlength，RL）、苗長（Shootlength，SL）、根重（Rootweight，RW）和苗重（Shootweight，SW）。期間每隔24h統(tǒng)計胚根突破種皮2mm 的種子數(shù)量。參照方法[17]并按如下公式計算發(fā)芽率（GP）、平均發(fā)芽時間（MGT）、發(fā)芽指數(shù)（GI）和活力指數(shù)（VI）。GP （%）= （G10/N ）×100%;MGT（d）=Σ（n×t）/Σn;GI=Σ（Nt/t）;VI=Σ（Nt/t）×SW 。式中G10為第10d所有正常種苗數(shù);N 為供試種子數(shù);t 為發(fā)芽天數(shù);n 為第td胚根突破2mm 的種子數(shù);Nt 為第td的發(fā)芽數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)在MicrosoftExcel2019 和SPSS22.0中進行統(tǒng)計分析，使用Duncans法進行多重比較，結果以平均值± 標準誤表示，在GraphPadPrism8中作圖。

2 結果與分析

2.1 GSH 引發(fā)時間對老化燕麥種子發(fā)芽及幼苗生長的影響

為消除不同濃度產(chǎn)生的影響，以同一引發(fā)時間下4個濃度GSH 處理的發(fā)芽及幼苗生長指標的平均值作為該引發(fā)時間的指標數(shù)據(jù)。與CK 相比，燕麥種子老化后發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著降低（Plt;0.05），平均發(fā)芽時間顯著延長（Plt;0.05）。而與DS相比，GSH 引發(fā)處理12h后，老化種子的發(fā)芽率和平均發(fā)芽時間無顯著變化，而發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著降低（Plt;0.05）;GSH 引發(fā)處理24h后，老化種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)顯著升高（Plt;0.05），平均發(fā)芽時間顯著降低（Plt;0.05）;GSH 引發(fā)處理36h后，老化種子的發(fā)芽率、平均發(fā)芽時間和活力指數(shù)無顯著變化，而發(fā)芽指數(shù)顯著升高（Plt;0.05）（圖1A-D）。

與CK相比，燕麥種子在老化后苗長、苗重和根長均顯著降低（Plt;0.05），而根重無顯著變化。與DS相比，GSH引發(fā)處理12h后，老化種子的苗長、苗重、根長和根重均無顯著差異;GSH 引發(fā)處理24h后，老化種子的苗長無顯著差異，苗重和根長顯著升高（Plt;0.05），根重顯著降低（Plt;0.05）;GSH 引發(fā)處理36h后，老化種子的苗長無顯著差異，根長顯著升高（Plt;0.05），苗重和根重顯著降低（Plt;0.05）（圖2A-D）。

2.2 GSH 引發(fā)濃度對老化燕麥種子發(fā)芽及幼苗生長的影響

與DS相比，引發(fā)處理12h后，H2O和各種濃度的GSH 溶液對老化燕麥種子的發(fā)芽率和活力指數(shù)無顯著影響，1.0mmol·L-1的GSH 顯著增加了老化種子的平均發(fā)芽時間（Plt;0.05），各種濃度的GSH 都顯著降低了老化種子的發(fā)芽指數(shù)（Plt;0.05）;引發(fā)處理24h后，0.2mmol·L-1的GSH 顯著提高了老化種子的發(fā)芽率（Plt;0.05），H2O 和各種濃度的GSH都顯著降低了老化種子的平均發(fā)芽時間（Plt;0.05），各種濃度的GSH 都顯著提高了老化種子的發(fā)芽指數(shù)（Plt;0.05），0.2mmol·L-1，0.5mmol·L-1和1.0mmol·L-1的GSH 顯著提高了老化種子的活力指數(shù)（Plt;0.05）;引發(fā)處理36h后，H2O 和各種濃度的GSH 對老化種子的發(fā)芽率和活力指數(shù)無顯著影響，0.2mmol·L-1的GSH 顯著增加了平均發(fā)芽時間（Plt;0.05），0.1 mmol·L-1 和1.0 mmol·L-1 的GSH 顯著降低了老化種子的平均發(fā)芽時間（P lt;0.05），且顯著提高了老化種子的發(fā)芽指數(shù)（Plt;0.05）（圖3A-D）。

與DS相比，引發(fā)處理12h后，H2O和各種濃度的GSH對老化燕麥種子的苗長、苗重、根長和根重均無顯著影響;引發(fā)處理24h后，0.2mmol·L-1的GSH可以顯著提高苗長和苗重（Plt;0.05），H2O和各種濃度的GSH都顯著提高了根長（Plt;0.05），且顯著降低了根重（Plt;0.05）;引發(fā)處理36h后，H2O顯著降低了苗長（Plt;0.05），H2O和0.1mmol·L-1的GSH 顯著降低了苗重（Plt;0.05），H2O和各種濃度的GSH 對根長都沒有顯著作用，H2O和0.1mmol·L-1，1.0mmol·L-1的GSH顯著降低了根重（Plt;0.05）（圖4A-D）。

3 討論

種子活力是種子最重要的性狀，決定著大田條件下種子能夠迅速出苗生長的潛能[19]。種子的壽命是種子活力的關鍵特征之一，它受到種子的生理和遺傳保護潛力以及貯藏期間的環(huán)境因素的共同影響[20]。對種子進行模擬自然老化的人工加速老化處理，例如提高種子的溫度和濕度等措施，可以讓種子內(nèi)部迅速受到損傷并發(fā)生老化，這種方法常用于快速評估種子質(zhì)量[18]。本研究中，在種子老化箱和飽和鹽溶液提供穩(wěn)定的溫度和濕度的條件下使燕麥種子老化，讓其活力在數(shù)天內(nèi)就迅速下降。老化5d后，與正常燕麥種子相比，老化種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)均顯著下降（Plt;0.05），平均發(fā)芽時間顯著增加（Plt;0.05）;發(fā)芽10d后老化種子幼苗的苗長、苗重、根長和根重均顯著降低（P lt;0.05）。前人的研究也表明種子老化可以引起種子生長指標的變化，包括發(fā)芽率降低和平均發(fā)芽時間增加等現(xiàn)象[21]，跟本研究結果相同。這些都說明老化會損傷種子，抑制其萌發(fā)和幼苗生長的能力，從而降低種子活力。

種子引發(fā)通過調(diào)節(jié)胚根出現(xiàn)前種子的代謝活動來影響種子發(fā)芽和幼苗發(fā)育，進而提高發(fā)芽率和促進植物生長[22]，因此可以通過種子引發(fā)處理技術來提高因外界因素而變低的種子活力。研究也證實引發(fā)處理可以影響種子萌發(fā)、幼苗生長和田間出苗，激發(fā)低活力種子的生理代謝過程[23]。本研究中，選用多個濃度的GSH 溶液引發(fā)處理老化燕麥種子，H2O引發(fā)處理是為了消除H2O 的影響，起到對照作用。通過試驗結果可以看出0.2 mmol·L-1GSH 引發(fā)24h可以較好地緩解老化對種子發(fā)芽以及幼苗生長造成的損傷，顯著提高了發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、苗長、苗重和根長（Plt;0.05），且顯著縮短了平均發(fā)芽時間（Plt;0.05）。同時，H2O 引發(fā)處理對老化種子的發(fā)芽生長也有一定促進作用，但比抗氧化劑GSH 的作用效果差。在此之前也有研究外源GSH 引發(fā)處理在老化燕麥種子修復中的作用，將種子在45℃下老化20d后，在20℃ 下用1mmol·L-1GSH 溶液浸泡種子0.5h，結果發(fā)現(xiàn)老化種子在經(jīng)過抗氧化劑預處理后，種子的發(fā)芽率顯著提高（Plt;0.05）[24]，但由于作者抗氧化劑處理時間過短并且沒有設置H2O引發(fā)處理作為對照，導致篩選的最佳濃度與本研究有所差異。前人研究[25]發(fā)現(xiàn)了抗氧化劑引發(fā)后對根長有一定的促進作用，但降低了幼苗的根重，本研究也有類似的現(xiàn)象，推測可能與側根數(shù)減少有關。有研究也表明抗氧化劑引發(fā)處理可以影響老化種子中與修復和發(fā)芽相關的通路，通過激活DNA 修復途徑和抗氧化機制來提高種子的發(fā)芽和幼苗的生長發(fā)育[26]。

4 結論

老化后燕麥種子的活力明顯下降，而外源GSH引發(fā)處理對緩解老化對種子的損傷具有一定作用。在本研究中，0.2mmol·L-1 外源GSH 引發(fā)處理24h對于有效提高老化種子活力和促進幼苗生長的效果最好，這將為燕麥種子生產(chǎn)與貯藏提供理論依據(jù)。