臨界脅迫貯藏條件對(duì)水稻種子活力的影響

蔣 薇 ，李 瑤 ，李 娜 ，趙 飛 ，，亓 娜 ，蔡 卓 ，曹高燚 ，，華澤田

（1.天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘薯研究所，江蘇徐州 221000；3.國(guó)家粳稻工程技術(shù)研究中心，天津 300357）

種子是農(nóng)業(yè)的根本，種子質(zhì)量的高低與農(nóng)業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。種子活力（Seed vigor）是衡量種子在田間出苗情況的重要指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室可以通過監(jiān)測(cè)種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)種子活力狀態(tài)。種子萌發(fā)由遺傳和環(huán)境條件等多種因素調(diào)節(jié)，環(huán)境條件是制約水稻種子活力的重要因素，其中包括收獲時(shí)期、溫度、種子含水量等［1］。張玉蘭等［2］以粳稻和秈稻種子為試驗(yàn)材料，研究5年后種子不同含水量對(duì)貯藏壽命的影響，表明水稻種子適度超干的含水量對(duì)種子活力的影響最小，最利于種子儲(chǔ)藏。 在此基礎(chǔ)上，胡群文等［3，4］進(jìn)一步研究得出，若含水量保持在5.5%左右，種子保存最為得當(dāng)，即此時(shí)的種子活力相較其他含水量種子最高。陳新紅等［5］以當(dāng)?shù)厮酒贩N為試材，研究得出逆境不利于種子的保存，且逆境條件對(duì)種子的損害越大，種子活力下降得越明顯。與此同時(shí)，種子發(fā)育得越完整，結(jié)構(gòu)越齊全，種子萌發(fā)得越好。徐軍等［6］的研究表明在種子完熟期之后收獲，對(duì)種子活力越有利。關(guān)于貯藏溫度對(duì)種子活力的影響，繆麗霞等［7］采用8個(gè)水稻品種探討得出貯藏溫度越低，對(duì)種子發(fā)芽力影響越小。低溫和適宜含水量能較好地降低種子貯藏過程中活力的損耗。

水稻是產(chǎn)業(yè)化程度較高的作物，每年都面臨較大的貯藏?fù)p失，影響種子質(zhì)量。種子貯藏時(shí)間的長(zhǎng)短往往受內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面的因素影響，外部因素主要是儲(chǔ)藏環(huán)境和儲(chǔ)藏時(shí)間，內(nèi)部因素常以含水量衡量。

本研究設(shè)置了不同的儲(chǔ)藏條件對(duì)不同品種水稻種子進(jìn)行整體活力研究，探求水稻保存的極限條件，了解水稻種子耐貯性生理生化機(jī)制，明確不同含水量、貯藏溫度與種子活力的關(guān)系，對(duì)不同品種水稻種子的耐貯性做出客觀評(píng)價(jià)，確定最優(yōu)的雜交粳稻種子貯藏環(huán)境，為水稻種子耐貯性生理生化機(jī)制提供理論依據(jù)，對(duì)降低企業(yè)的貯藏成本和生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2個(gè)常規(guī)粳稻品種津原E5和津原11。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子貯藏水分設(shè)置 將水稻種子吸水晾干，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種子含水量，再配合硅膠干燥劑，將符合試驗(yàn)要求的種子塑封后放入不同溫度的冰箱貯藏。津原 E5設(shè)低含水量（9.6%）、中含水量（14.8%）、高含水量（25.1%）3個(gè)處理；津原11設(shè)低含水量（9.6%）、中含水量（14.3%）、高含水量（22.7%）3個(gè)處理。

1.2.2 種子貯藏溫度設(shè)置 試驗(yàn)設(shè)置3種不同貯藏溫度，分別為4、-10和-20℃ 3個(gè)處理，分別在貯藏1個(gè)月（4月份）、6個(gè)月（9月份）及9個(gè)月（12月份）時(shí)測(cè)定其種子活力指標(biāo)。

1.2.3 鑒定水稻種子活力相關(guān)參數(shù) 水稻種子可溶性蛋白含量、丙二醛含量、過氧化物酶活性參照成廣雷等［8］的方法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子發(fā)芽指數(shù)的變化

種子發(fā)芽指數(shù)是種子發(fā)芽率的細(xì)化和深入，是種子活力指標(biāo)的重要參數(shù)。津原E5和津原11兩個(gè)品種從4—12月貯藏期間發(fā)芽指數(shù)見圖1，并未達(dá)到顯著性變化。津原E5在12月時(shí)，不同貯藏條件下發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)一定的趨勢(shì)（圖1A），在4℃時(shí)，隨著種子含水量的下降，發(fā)芽指數(shù)略微上升。在-10℃時(shí)，種子發(fā)芽指數(shù)與種子含水量的關(guān)系更為密切。在-20℃時(shí)，可明顯地觀察到隨著種子含水量的下降，發(fā)芽指數(shù)大幅度上升。在-20℃時(shí)，貯藏至12月時(shí)津原E5（含水量25.1%）和津原11（含水量22.7%）的高含水量種子較貯藏初期（4月）種子發(fā)芽指數(shù)呈明顯下降趨勢(shì)。在低溫（4℃）及超低溫（-10、-20℃）貯藏條件下，較低的種子含水量能在一定程度上保護(hù)種子，有助于種子的萌發(fā)。

圖1 種子貯藏過程中發(fā)芽指數(shù)變化

2.2 種子活力指數(shù)的變化

種子活力指數(shù)是種子發(fā)芽速率和生長(zhǎng)量的綜合反應(yīng)，可以更準(zhǔn)確地反映種子活力。津原E5和津原11兩個(gè)品種的活力指數(shù)，在貯藏過程中無(wú)顯著性變化。低含水量處理的種子在-20℃相較于其他含水量種子有較高的活力指數(shù)（圖2）。由此可見，在較短的貯藏時(shí)間內(nèi)，種子活力指數(shù)基本不變，同時(shí)，在超低溫（-20℃）貯藏條件下，較低的種子含水量有助于種子的萌發(fā)，且溫度越低（-20℃）效果越顯著。

圖2 種子貯藏過程中活力指數(shù)變化

2.3 可溶性蛋白含量的變化

種子可溶性蛋白參與各種代謝，可以反映種子的代謝狀況。經(jīng)過9個(gè)月的臨界貯藏，兩個(gè)品種的可溶性蛋白含量均有所下降。種子在-20℃貯藏期間，中含水量和低含水量種子可溶性蛋白變化不顯著，但并不改變整體的下降趨勢(shì)。可溶性蛋白含量與貯藏時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，且高含水量種子下降最顯著（圖3）。

圖3 種子貯藏過程中可溶性蛋白含量變化

2.4 丙二醛含量的變化

丙二醛是植物體內(nèi)脂質(zhì)過氧化的有害代謝物，它能與細(xì)胞各成分發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)的過氧化產(chǎn)物，會(huì)損傷多種酶和膜系統(tǒng)。測(cè)定丙二醛（MDA）含量可以反映種子脂質(zhì)過氧化的程度。隨著貯藏時(shí)間的增加，MDA含量不斷積累，津原E5在貯藏期間，中含水量和低含水量處理的種子MDA含量均顯著上升，且在不同貯藏溫度下，隨含水量的下降，MDA含量上升（圖4）。津原11在貯藏期間，4℃和-10℃處理的種子MDA含量隨種子含水量下降而逐漸上升。臨界貯藏條件下種子MDA含量隨含水量下降而上升。

圖4 種子貯藏過程中丙二醛含量變化

3 小結(jié)與討論

種子萌發(fā)是個(gè)多因素作用的復(fù)雜過程，始于吸脹止于胚根萌發(fā)，是植物生長(zhǎng)的第一步［1］。種子萌發(fā)受到內(nèi)部因素和外界環(huán)境的共同調(diào)控，是胚胎生長(zhǎng)發(fā)育的必要條件［9-11］。種子成功的發(fā)芽不僅對(duì)成苗至關(guān)重要，而且對(duì)作物產(chǎn)量也很重要。比較擬南芥、水稻和玉米等不同植物種子萌發(fā)的作用機(jī)制，其在形態(tài)學(xué)變化、細(xì)胞及其相關(guān)結(jié)構(gòu)恢復(fù)、代謝激活、激素行為、轉(zhuǎn)錄和翻譯激活等都存在異同［12］。控制種子萌發(fā)和休眠的因素很多，包括由植物和土壤細(xì)菌產(chǎn)生的植物激素［13］。植物激素與植物基因的相互作用影響種子萌發(fā)。雖然植物激素的活性受不同水平基因表達(dá)的控制，但有一些植物基因在特定植物激素存在時(shí)被激活［14，15］。因此，調(diào)節(jié)基因表達(dá)可能是促進(jìn)種子萌發(fā)的有效途徑。

除了分子機(jī)制和激素，外部環(huán)境因素如溫度光照亦影響著種子萌發(fā)［16］。在19世紀(jì)早期，人們就發(fā)現(xiàn)紅光能促進(jìn)某些種子（如萵苣種子）萌發(fā)，而遠(yuǎn)紅光抑制其萌發(fā)［17-19］。同樣，溫度對(duì)種子萌發(fā)和休眠也起著重要的調(diào)控作用［20］。不同植物的萌發(fā)對(duì)溫度的要求不同，低溫往往適于種子萌發(fā)，因?yàn)榉N子打破休眠往往需要低溫。有些植物萌發(fā)則需要一個(gè)變溫的過程［21，22］。

貯藏條件如溫度、時(shí)間、種子含水量等均對(duì)種子活力及其壽命有重要影響。張苗苗等［23］通過加拿大披堿草貯藏試驗(yàn)指出，隨貯藏時(shí)間延長(zhǎng)，種子發(fā)芽指數(shù)呈拋物線狀變化，剛收獲的種子在貯藏1～2年時(shí)利用價(jià)值較佳。由于每個(gè)品種收獲時(shí)期不甚相同，貯藏時(shí)間存在差異，導(dǎo)致種子休眠期存在一定程度的差異，同時(shí)不同品種水稻種子的休眠期也會(huì)存在差異，這就導(dǎo)致每個(gè)品種間的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)存在一定差異。同時(shí)也不排除在超低溫貯藏過程中種子發(fā)生遺傳變異而導(dǎo)致生理出現(xiàn)差異。周建明等［24］通過雜交粳稻常優(yōu)3號(hào)貯藏試驗(yàn)表明，種子在低溫貯藏8個(gè)月時(shí)活力指數(shù)開始下降，12個(gè)月達(dá)到極顯著。

隨著貯藏時(shí)間的延長(zhǎng)，種子活力開始下降，導(dǎo)致蛋白含量下降［25-27］。丙二醛產(chǎn)生的根源是膜脂過氧化，主要指脂肪的過氧化，即脂肪酸在不飽和脂肪酸雙鍵上發(fā)生過氧化作用，從而使細(xì)胞膜功能衰竭。種子內(nèi)油脂在酸敗過程中易產(chǎn)生多種有害物質(zhì)，即包括丙二醛，對(duì)種子活力的降低有很大影響［28，29］。活性氧（ROS）相關(guān)線粒體功能障礙在種子退化中起著重要作用。ROS的大量產(chǎn)生誘導(dǎo)線粒體特異蛋白的改變和修飾，這些蛋白可能參與線粒體退化的過程，最終導(dǎo)致種子活力喪失［30，31］。 種子能否成功萌發(fā)在很大程度上取決于種子的氧化穩(wěn)態(tài)。過氧化氫還原酶（APX6）在種子萌發(fā)控制和種子抗逆性方面具有新的作用。APX6替代APX1作為干種子中的主要APX，其功能喪失導(dǎo)致種子萌發(fā)因活性氧過度積累和氧化損傷而降低。由此可以看出種子通常會(huì)通過保護(hù)酶來(lái)降低ROS對(duì)細(xì)胞的損傷，從而在一定程度上維持種子活力［32］。本研究中丙二醛在貯藏過程中呈上升趨勢(shì)，而過氧化物酶（POD）活性呈下降趨勢(shì)，與前人研究結(jié)果相一致。

研究發(fā)現(xiàn)，相關(guān)活力指標(biāo)如發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與貯藏時(shí)間無(wú)明顯線性關(guān)系，同時(shí)可溶性蛋白、丙二醛含量與貯藏時(shí)間呈線性關(guān)系；其中，可溶性蛋白含量與貯藏時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，丙二醛則反之。

種子貯藏時(shí)的溫度和含水量與種子活力存在一定關(guān)聯(lián)。當(dāng)溫度一定時(shí)，發(fā)芽指數(shù)隨種子含水量的降低而增加。可溶性蛋白在超低溫高含水量情況下受到明顯破壞，含量最低。在不同貯藏溫度下，隨含水量下降，丙二醛含量上升。POD活性在超低溫高水分條件下最低。