木薯種莖活力的生理生化鑒評指標研究

陳晨,黃潔,劉子凡,*,魏云霞

1.海南大學熱帶作物學院,海口 570228

2.中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所,農業農村部木薯種質資源保護與利用重點實驗室,儋州 571737

0 前言

種子活力是指一批種子在不同環境條件下的萌發活性和各種性能的總和[1]。種子活力逐漸下降并表現出生理、生化乃至遺傳的綜合效應被稱為老化,種子老化不僅影響萌發與幼苗的生長,還影響著后期的產量和品質[2],因此,篩選、評價活力高的種子是農業生產急需解決的問題。采用人工加速老化獲取材料,于廣度條件下進行發芽與幼苗生長測評是目前公認的可靠活力測定方法[3],但該方法繁瑣、耗時長,難以高效快捷指導生產。為此,前人開始探索種子活力與生理生化指標間的關系。有研究表明:可溶性糖含量與不結球白菜種子活力極顯著相關[4];過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶 (CAT)活性與玉米種子活力達顯著或極顯著相關[5];淀粉含量可作為衡量不同成熟期小麥種子活力的重要指標[6];小麥種子蛋白質含量與其幼苗活力及產量呈正相關[7];丙二醛(MDA)含量與大白菜種子活力關系緊密[8];種子活力與其含水量密切相關[9-14],等。

木薯(Manihot esculentaCrantz)是我國熱帶、亞熱帶地區的重要經濟作物,主要以種莖種植,常因貯藏技術欠佳導致種莖質量差,種植時及苗期又易受高溫干旱等逆境影響,導致成活率低、植株長勢差,最終導致減產降質,選用優質種莖已是木薯增產的重要前提。為了保持或提高木薯種莖活力,前人研究了各種種莖處理[15-18]和種莖貯藏技術[19-21],但這些措施都需經田間試驗后方能確定效果,時間長、受環境影響大。生產上,常以種莖老熟程度和種莖切口乳汁多少來衡量木薯種莖質量,主觀經驗性大,容易誤判,且不適用于種莖處理措施優劣的判斷。若能找到一種或幾種簡易的生理生化指標評價種莖活力,便可快速知曉該措施的優劣。目前,雖然有性繁殖材料種子活力的快速評價方法有較多報道,而無性繁殖材料木薯種莖活力的生理生化評價指標的研究尚為空白。為此,本文采用人工加速老化方法處理木薯種莖,在較短時間內獲得不同活力的研究材料,于正常供水和干旱脅迫條件下,開展種莖發芽和幼苗生長試驗,對不同老化程度的種莖,先通過主成分分析獲得其綜合活力得分,再與其生理生化指標進行相關性分析,遴選可快速評價木薯種莖活力的生理生化指標,并為種莖貯藏及其處理技術提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 種莖的采集

試驗在中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所(品資所)六坡木薯基地進行。木薯品種為當地主推且親緣關系較遠的華南8 號(SC8)和南植199 (NZ199),由品資所提供;2017年3月24日種植,株行距80 cm × 80 cm,2018年2月25日收獲種莖。收獲時于離地10 cm處砍斷,去除20 cm頂梢及所有葉片;將種莖等長鋸為頂部、中部、基部3 類,進而鋸成長7.0 cm ± 0.5 cm 的莖段。

1.2 種莖的人工老化

把莖段分類放入人工老化箱,于40 ±2℃ ℃、相對濕度100%的條件下老化,共設老化0、2、4、6 d四個不同老化時間;當每個老化階段結束時,隨機取出部分種莖,于室溫下(22 ±3℃ )℃平衡一晚(晚20 時至翌晨10 時)后再參與相應試驗。

1.3 種莖發芽與幼苗生長試驗

試驗設正常和干旱脅迫2個處理,每個處理各3盤沙培(每盤30 段莖段)作為3 次重復。取洗凈烘干的河沙,正常處理按每1 kg干沙加200 mL去離子水的比例拌勻;干旱脅迫處理以等體積的15% PEG 6000 溶液替代去離子水。

在870 mm × 305 mm × 70 mm 塑料育苗盤底層鋪厚約4 cm 的上述拌勻河沙;取經老化的上、中、基部各10 段莖段,選留中間2 個芽眼后,用牙簽(針刺法)刺死其余芽眼;平放于育苗盤內;覆上沙子,以剛好覆蓋莖段為度;在25 ℃、75%濕度的24 h 光照培養箱內培養20 d。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 發芽與幼苗生長指標測定

培養20 天后,以重復為觀測單元逐一統計發芽數,并測定所有幼苗的苗長SL、苗鮮重SFW、苗干重SDW。苗長為幼苗與莖段連接處至葉片最高點的長度,單位為cm;苗鮮重為各重復內所有幼苗的單株平均鮮重,單位為g;苗干重為各重復內所有幼苗于60 ℃下烘干的單株平均重量,單位為g。計算正常和干旱脅迫條件下的種莖發芽率、活力指數Ⅰ、活力指數Ⅱ和活力指數Ⅲ[22],計算公式如下:

1.4.2 生理生化指標的測定

從老化并平衡后的種莖段中隨機選取10 段,用打孔器去除髓部,經液氮冷凍后,再混合液氮于粉碎機中粉碎,把粉末裝于密封袋中,保存于-20℃的冰箱中備用測定。

硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA) 含量[23],茚三酮顯色法測定游離脯氨酸含量[24],蒽酮比色法測定可溶性糖含量[24],考馬斯亮藍G-250 染色法測定可溶性蛋白質含量[25],氯化鈣-旋光法測定淀粉含量,試劑盒法測定過氧化氫酶(CAT) 活性,愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[26]。

1.5 主成分分析與相關分析

主成分分析和相關性分析均采用DPS 7.55 軟件。其中主成分分析按照累積貢獻率大于85%的要求確定主因子數,活力綜合得分權重。其中:j＝1,2,…,n,;Fj表示第j個主因子,Pj表示第j個公因子的貢獻率[27]。

2 結果與分析

2.1 種莖發芽與幼苗生長指標的簡單相關分析

種子活力的強弱表現在發芽率、根長、苗長、鮮重、干重、逆境條件發芽能力、耐藏性、抗老化等諸多方面,是由多基因控制的數量性狀[28]。不同老化時間種莖于正常和干旱條件下的發芽與生長指標變化情況如表1、表2所示,隨著老化天數的增加,種莖的發芽率、苗長、苗鮮重、苗干重均快速下降。分別對2 品種的14 個發芽與幼苗生長指標進行簡單相關分析,相關系數見表3、表4。大多數指標間存在顯著或極顯著相關性。表明若使用單一的測定方法或指標來判斷2 個參試品種的種莖活力高低,可能會存在偏差,需要綜合評判。

2.2 種莖活力的主成分分析

主成分分析是一種常用的綜合評價方法,是利用降維的思維,將多個指標在不丟失其全部信息的前提下轉化為幾個較少的新指標,從而使多變量問題分析得到簡化,化繁為簡。主成分分析的公因子特征值及貢獻率結果表明:2 品種原來的14 個單項指標均可轉換為1 個新的相互獨立的綜合指標F1。華南8 號的F1累積貢獻率達93.95%,南植199 的F1累積貢獻率達91.65%(表5),說明此方法計算種莖活力攜帶有原始指標的絕大部分信息。

表1 華南8 號種莖發芽與幼苗生長指標變化情況 Table1 Changes of germination and growth indices of SC8 cassava stem

表2 南植199 種莖發芽與幼苗生長指標變化情況 Table2 Changes of germination and growth indices of NZ199 cassava stem

表3 華南8 號種莖發芽與幼苗生長指標間的簡單相關系數 Table3 Correlation coefficient of germination and growth indices of SC8 cassava stem

華南8 號及南植199 的F1中各指標特征向量值均為正,且大小相近,說明這些指標在F1中均為正貢獻且貢獻率相近(表6)。

表4 南植199 種莖發芽與幼苗生長指標間的簡單相關系數 Table4 Correlation coefficient of germination and growth indices of NZ199 cassava stem

由表4中F1的特征向量值及其貢獻率,可得種莖活力綜合得分。華南8 號和南植199 種莖活力隨老化時間的延長呈現出先慢后快的下降趨勢(表7),說明通過人工老化獲得了不同活力的種莖材料。

2.3 不同老化程度種莖生理生化指標變化

不同老化程度木薯種莖的生理生化指標變化見表8、表9。從表6可知,隨著老化程度的加深,2 個木薯品種的種莖CAT 活性、POD 活性、MDA 含量總體呈現先升后降的趨勢,種莖含水量總體先微降再上升至最大值。華南8 號種莖可溶性糖含量隨老化時間的延長顯著增加,而南植199 可溶性糖變化不明顯;南植199 種莖游離脯氨酸含量顯著增加,而華南8 號游離脯氨酸含量變化無一定規律;兩品種的可溶性蛋白含量總體表現為逐步上升的趨勢,而淀粉含量表現為顯著的下降趨勢。

表5 主成分的公因子特征值及貢獻率 Table5 Common factor eigenvalues and contribution rates of principal components

表6 種莖的14 個活力指標特征向量 Table6 Characteristic vector of 14 vigor indicators of stem

表7 種莖活力綜合得分 Table7 Comprehensive score of cassava stem vigor

表8 華南8 號種莖不同老化時間生理生化指標的變化 Table8 Physiological and biochemical indices within different aging times of SC8 cassava stem

表9 南植199 種莖不同老化時間生理生化指標的變化 Table9 Physiological and biochemical indices within different aging times of NZ199 cassava stem

2.4 種莖活力綜合得分與其生理生化指標相關性分析

經不同老化時間獲得了不同活力的種莖材料,故可由種莖活力綜合得分與生理生化指標進行相關性分析,結果見表10。由表10 可知,華南8 號和南植199 種莖活力綜合得分與種莖的可溶性蛋白含量呈顯著負相關,與種莖淀粉含量呈顯著正相關,另外,南植199 種莖活力綜合得分還與其種莖脯氨酸含量呈極顯著負相關。

3 討論與結論

種子活力受其貯藏物質數量的制約[29],隨著種 子內淀粉、蛋白質、脂肪等貯藏物質含量的提高而逐漸提高[30]。木薯種莖中大量積累的淀粉可為腋芽活力提供必需的能量和結構物質[31]。本研究表明:種莖活力綜合得分與種莖淀粉含量呈顯著正相關,這與玉米種子的出苗率與種子淀粉含量成正相關[32]和老化白菜種子淀粉含量與種子活力呈正相關[33]的結果一致。因此,可推薦木薯種莖淀粉含量作為種莖貯藏劣變過程中活力強弱的評價指標。

本研究還表明,木薯種莖可溶性蛋白含量隨著老化程度的加深而不斷升高,且與種莖活力綜合得分呈顯著負相關。本研究的蛋白質含量隨老化程度加深而升高的變化規律,與薄麗萍的不結球白菜種子研究結果相一致[33],但與前人在小麥[7]、白菜[4]種子的研究結果不一致。本研究所揭示的種莖活力與蛋白質相關規律,契合張倩霞在粳稻種子上的研究結果[34]。Srivastava 發現,衰老組織中蛋白質含量在某個階段表現出忽然上升的現象,他認為是由于合成了新蛋白質的緣故[35];此外,水稻種子老化時會產生一種老化響應熱激蛋白OsHSP18.2,并通過限制ROS 積累,保護細胞蛋白在種子成熟脫水、干燥和種子老化過程中的損傷,改善種子活力和種子壽命[36]。據此推測,隨著木薯種莖老化程度的加深,其可溶性蛋白含量不斷上升的現象,可能是由于種莖不斷產生新的逆境蛋白,且大于劣變所消耗可溶性蛋白的速率。因此,可推薦木薯種莖可溶性蛋白含量作為種莖貯藏劣變過程中活力強弱的評價指標。

表10 種莖活力綜合得分與生理生化指標的相關性分析 Table10 Correlation analysis between comprehensive vigor scores with physiological and biochemical indices of the stem

植物體內積累大量的脯氨酸,除作為植物細胞質內滲透調節物質外,還在穩定生物大分子結構、降低細胞酸性、解除氨毒以及作為能量庫調節細胞氧化還原等方面起重要作用,常被用來評價種子活力[37]。玉米種子脯氨酸含量在老化過程中呈現上升趨勢并與種子活力指標負相關[5],5.55%含水量的樸樹種子在常溫和4 ℃下貯藏時,種子活力與脯氨酸含量呈負相關[38]。本研究表明,脯氨酸含量與南植199 種莖活力綜合得分呈極顯著負相關,與華南8號種莖活力綜合得分相關系數達-0.899,但未達顯著水平。這說明脯氨酸在衡量木薯種莖活力時存在品種差異,不適用于所有品種。

綜上,2 個木薯品種的種莖淀粉含量、可溶性蛋白含量與其種莖活力之間,均呈現一致的顯著相關關系,因此,可作為木薯種莖貯藏劣變過程中活力強弱的評價指標,并可為篩選木薯種莖貯藏及處理技術提供一定的理論依據。