基于雙向溫度梯度系統的檳榔萌發及生理響應

黃麗云 李東霞 陳君 劉立云 周煥起

摘 ?要 ?本研究以‘熱研1號檳榔種子為供試材料，借助雙向溫度梯度系統控制面板設置49個晝夜溫度處理（最高溫區48?℃，最低溫區20?℃），研究其對種子萌發率、生長狀況及生理響應的影響。結果表明：檳榔種子萌發最佳晝夜溫度組合為29/25?℃，萌發率100%，生長態勢最佳;20/20?℃條件下檳榔種子有萌發，但發芽率為80%，種子長勢一般;48/48?℃條件下種子不萌發。根據長勢狀況，以及酶活（SOD、POD、GR）測定，明確了最適于種子萌發及生長的溫度范圍為25/20～34/25?℃。另外種子萌發所需日積溫560～744?℃?h為宜，萌發總積溫不宜超過24 864?℃?h。實驗還證實了檳榔種子變溫處理比常溫萌發效果更好。

關鍵詞 ?雙向溫度梯度系統;檳榔;萌發;生理生化

中圖分類號 ?S543.2 ?????文獻標識碼 ?A

Abstract ?The effect of germination rate， growth conditions， physiological response of Arecanut was studied using the 2-way grants thermogradient plate which allows 49 temperature combinations （regimes） （20?℃ to 48?℃） of single temperature and alternating temperature combination over a time continuum. Under the best temperature combination 29/25?℃， the seed germination rate was 100% and the growth potential was the best. When temperature was 20/20?℃， the germination rate was 80%， and the growth was general. The 48/48?℃ treatment did not have any effect. According to the germination rate， growth conditions and physiological response （SOD， POD， GR）， the most suitable temperature range was 25/2034/25?℃. In addition， the optimum reaction accumulated temperature was 560744?℃?h， and the total germination temperature should not exceed 24?864?℃?h. The experiment also supported that the alternate temperature treatment was better than the normal temperature treatment for the seed germination rate and growth of Arecanut.

Keywords ?2-way grants thermogradient plate; areca; germination; physiological response

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.08.007

檳榔（Areca catechu L.）是棕櫚科檳榔屬多年生經濟作物，目前已成為海南第一大農業支柱產業。檳榔是我國四大南藥之一，種子、果皮、花等均可入藥，檳榔中含有的檳榔堿、兒茶素、多糖、膽堿等具有殺蟲、消積、下氣、行水等功效。另外，檳榔嫩果（授粉受精后140～160 d采摘的未成熟果）作為咀嚼嗜好品供不應求[1]，目前全球約有10億人咀嚼檳榔，是檳榔的主要消費方式。

不同種類植物種子的萌發溫度要求不同，這是由植物本身特性所決定，也是植物長期適應環境的結果。檳榔屬頑拗性種子，具有對溫度、干旱等外界環境較為敏感的特性。檳榔生長于熱帶及南北回歸線以內的亞熱帶邊緣地區，種果成熟月份集中在4—5月，恰逢海南高溫季節，如何控制合適的溫度進行種果萌發處理，避免因溫度過高造成大批量種果失活是最為關鍵的一步。由于種植的局域性與研究滯后的現狀，針對檳榔種果萌發的研究報道較少。董志國等[2]研究了不同濃度NaCl脅迫對檳榔種果發芽的影響;陳思婷等[3]實驗證明剝殼與切頭處理對檳榔種果發芽有顯著的促進作用。但探討種果最適宜發芽溫度研究尚未見報道，本文利用雙向溫度梯度系統，在廣泛的溫度范圍內對種果進行發芽測試，探討最佳發芽溫度及生長效應，比較不同溫度處理的生理生化差異，精準確定檳榔種果的最佳發芽溫度，界定發芽的極限溫度，為檳榔規模化育苗提供理論依據。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

試材為中國熱帶農業科學院椰子研究所國審品種‘熱研1號檳榔（熱品審2014011）[4]同串種果，種子均勻一致，無病蟲害。采回種果人工剝去果肉，用洗潔精將種子上附著的果肉清洗干凈，然后用2.5%次氯酸鈉溶液將種子滅菌5 min，再用滅菌純水將種子清洗3遍。實驗儀器為溫度梯度種子系統（GRD1 Gradient Plate 40674-A）。

1.2 ?方法

1.2.1 ?實驗設計 ?設置了7×7矩陣共49個溫度組合（20～48?℃），如表1所示，高溫端為48/48?℃（白天/黑夜溫度），低溫端20/20?℃，第1梯度在黑暗中由左向右移動，每8 h交替一次，第2次由前向后隨光而變（光照強度4000 lx），每16 h交替一次。每個實驗格放置15個種果（去皮洗凈），每個處理3次重復。

1.2.2 ?測定指標及方法 ?生長指標觀測：以觀察到種子胚根、胚芽伸出種皮并發育到一定程度視為發芽;定期觀測種子發芽率、胚芽、胚根及發

根數的生長動態;發芽率=n/N×100%（式中，n為實驗結束后發芽粒數;N為供試種子總數）;積溫T=TN?Nt+TD?Dt（式中，T為積溫值，TD、TN分別為晝周期和夜周期對應的平均溫度;Dt、Nt為種子萌發對應的晝夜小時數）。生理生化指標測定：取樣點為播種28 d后距離萌發孔基部0.8～1.5 cm的胚芽部位。蛋白（Pro）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽還原酶（GR）等按照南京建成生物工程研究所提供的試劑盒進行測定，SOD和POD酶活性按每毫克蛋白中的酶活力單位數計算（U/mg）。每個指標重復測定3次取平均值。

1.3 ?數據處理

采用SPSS 19.0軟件與office Excel軟件對數據進行統計分析。

2 ?結果與分析

2.1 ?溫度處理對種子萌發的影響

2018年4月20日將種子置于溫度板上，4月28日開始萌發，最早是B2、B3、B4、C2、C3等溫度組合出現萌發現象。種子發芽周期約28 d（5月18日）。結合表1，由圖1可見，交替溫度條件下，在25～43?℃（夜）和25～38?℃（日）范圍內種子萌發速度最快，效果好，發芽率達100%。另外，可萌發的邊緣區域溫度組合為D5、F4、G1、G2發芽率分別為93.3%、80%、33.3%、20%。恒溫條件下，A1（20/20?℃）、B2（25/25?℃）、C3（29/29?℃）、D4（34/34?℃）、E5（38/38?℃）、F6（43/43?℃）、G7（48/48?℃）處于面板中軸斜線的位置，發芽率分別為80%、100%、100%、66.7%、0、0、0，發芽率呈“低-高-低”的拋物線形。

2.2 ?積溫對種子萌發的影響

從表2可見，49個溫度組合中25個萌發率達80%以上，占比51%。其中A3、A4、B2、B3、B4、C1、D1、D2共8個溫度組合種子萌發率達80%僅需13 d，日積溫范圍為552～744?℃?h，總萌發積溫范圍為7176～9672?℃?h。17 d時種子萌發率達80%的有10個溫度組合，日積溫范圍為520～808?℃?h，總萌發積溫范圍為7 140～13 736?℃?h，涵蓋了13 d萌發率達80%的日積溫及總積溫范圍。在28 d方可達到80%發芽率的溫度組合20/20、34/43?℃中，日積溫分別為480、888?℃?h，是處理組合達80%以上的最低值和最高值。

2.3 ?溫度處理對種子生長勢的影響

從圖1可見，檳榔種子發芽溫度范圍較廣，25～38?℃均可正常發芽，但在相同發芽率情況下種子生長狀況差異較大。如圖2所示，檳榔長勢最佳溫區為A2～A4、B2～B4、C2～C3、D1～D3、E1～E2;其次為A1、B1、C1、E3、F1;A6～G6、A7～G7、G1～G7為不萌發狀態。根據種子萌發生長的表征，選取發芽率為100%的3個溫度處理B3（29/25?℃）、C1（20/29?℃）、D4（34/34?℃），在不同的發育時期（5月8日，5月18日，5月28日）進行測量。從圖3、圖4和圖5可見，無論是胚芽、胚根和發根數，B3處理均顯著高于C1和D4，生長態勢由高至低為B3（29/25?℃）>C1（20/29?℃）>D4（34/ 34?℃），由此可見，合適的積溫條件下，相同發芽率情況下，合適的積溫條件種子長勢有顯著差異。

2.4 ?種子萌發的生理生化響應

以B3、C1、D4代表3個不同生長勢區間材料，開展其生理生化研究。結果如圖6、圖7和圖8所示。不同溫度組合條件下對種子萌發過程中SOD、POD、GR活性影響不同，3種溫度組合種子萌發過程中3種酶活性規律一致，由高到低為B3（29/25?℃）>C1（20/29?℃）>D4（34/34?℃）。其中抗氧化物酶SOD、POD活性在三者之間差異達顯著水平（P<0.05）。B3處理的SOD值為80 U/mg，比C1和D4處理顯著高出40.79%和79.70%;POD的表現變化與SOD的較為一致，亦是B3處理POD值最大，比C1與D4分別高出60.04%和82.78%。

3 ?討論

本研究所用儀器雙向溫度梯度系統是高效性的溫度循環系統，是在鋁板平面一側加熱同時另一側制冷，從而在板面形成溫度梯度，通過梯度板再次旋轉90°，即可形成多孔溫差條件。該系統可同時模擬196個不同的溫差條件，可快速模擬和摸索培養最佳溫度條件，一次性得出大量實驗數據，替代了光照培養箱溫度條件單一的缺陷。特別是用于探索種植地域優化篩選、種子最佳溫度條件、種子活性鑒定等效果顯著，可在保證準確性的條件下節省大量時間和實驗測試，Joseph 等[5]和Asomaning等[6]均運用該儀器進行了艷麗欖仁、白卡雅楝種子的變溫處理實驗。

種子萌發溫度具有最高溫與最低溫的范圍需求，超出范圍都會使酶失去催化能力，從而使種子失去萌發力。種子萌發是植物生長周期的重要階段，此期間萌發生長極易受溫度等環境的影 ?響[7]。理想條件下，種子生長勢旺盛，酶活力強，催化能力亦強。本研究中最低溫設置為20?℃，是因為檳榔為忌低溫的敏感性種子，加之檳榔發芽季平均溫度為25～30?℃;最高溫設置為48?℃，筆者在種果檳榔采摘后進行裝袋堆漚（一般海南農戶的種子處理方法），測定袋內溫度，可高達50?℃左右。溫度高的原因主要是種子的呼吸作用、氣候因素以及微生物發酵升溫等，當種子貯藏置放不當極易引起高溫損傷[8]。

在種子萌發方面，20?℃常溫處理檳榔種子有萌發，但發芽率為80%，種子長勢一般;50?℃處理種子萌發率為0;極限高溫處理組合為34/43?℃（日均溫為37?℃），發芽率為66.7%，種子長勢差;最適于種子萌發及生長的溫度范圍為25/20～34/25?℃（日均溫為23.3～31?℃），最佳的溫度組合為29/25?℃，這與棕櫚種子萌發溫度（30/20?℃）較為接近[9]。由此計算出最佳萌發日積溫范圍為560～744?℃?h，總萌發積溫為7280～9672?℃?h。

另外本研究還發現，檳榔種子溫度交替變化處理比常溫條件發芽效果好。實驗中29/29和34/34?℃日積溫與25/34和38/25?℃相似，但80%種子萌發率時間與生長勢明顯差別。類似的研究多見報道，恒溫不利于羊草種子發芽[10]，變溫能顯著提高種子萌發率[11-14]，這可能是棕櫚科大多數植物長期適應原生境的結果。關于變溫促進種子發芽的機理目前尚未認識清楚，據分析可能與不同溫度滿足種子萌發不同生理過程有關。

POD、SOD和GR是植物體內清除自由基的重要保護酶。通常情況下，正常植株體內保護酶都具有較高的活性，可有效地清除細胞內的各種活性氧自由基。本研究中，SOD、POD、GR等酶協調一致，維持在一個相對高的穩定水平，從而防止生物自由基對細胞的毒害。本研究中種子萌發長勢越好，酶活越強，反映了長勢旺盛的種苗具有良好的防御系統。另外溫梯度板的種子培養屬于微逆境環境，無濕度控制，靠人為手動控濕，種子萌發相關酶活性也會隨著環境條件而變化，曹紅星等[15]、孫程旭等[16]、黃麗云等[17]和李佳等[18]以檳榔幼苗為試材開展低溫、干旱、耐旱等抗逆性研究，表明在逆境條件下，隨著脅迫程度的增加，抗氧化物酶活性均有不同程度的提高。本研究種子萌發過程會受濕度變化的影響，導致酶活變化，反映出不同溫度處理種子自身生長調控的能力。

本研究探討了溫度對檳榔種子萌發的影響，明確了檳榔種子的最佳晝夜溫度組合為29/25?℃，最佳萌發恒溫為23.3～31.0?℃，日積溫560～744?℃?h，萌發積溫不宜超過24 864?℃?h。另外證實了檳榔種子變溫交替處理比常溫處理萌發效果好。

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