北烏頭種子休眠解除過程中營養物質的代謝變化研究

樊東昌， 穆贏通， 張曉明， 呂麗娟， 李曉杰， 王俊杰

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院， 呼和浩特 010019)

北烏頭(AconitumkusnezoffiiReichb.)毛茛科烏頭屬多年生草本植物[1]。北烏頭為重要中(蒙)藥材，中藥用北烏頭干燥塊根入藥，稱附子，具有祛風除濕、溫經止痛之功效。蒙藥使用北烏頭的干燥葉、幼芽、花和塊根等部位入藥，用于風寒濕痹、關節疼痛、心腹冷痛、寒疝作痛及麻醉止痛等[2]。目前北烏頭主要依賴于野生資源，近幾年野生資源的大量開采，導致野生資源越來越少。此外野生北烏頭烏頭堿含量差異較大，給臨床用藥帶來極大困難，因此進行北烏頭的引種栽培迫在眉睫。北烏頭種子具有形態生理雙休眠，萌發率較低，自然條件下從播種到出苗需要4～5個月，給北烏頭引種栽培生產帶來了巨大的困難[3]。薩如拉等[4]、張躍華[5]和樊亞妮[6]都對破除北烏頭種子休眠的方法進行了探討。北烏頭休眠解除過程中的生理學基礎研究較少。因此，本研究對北烏頭種子休眠解除過程中的生理指標進行測定，揭示北烏頭種子休眠解除的生理學基礎，為北烏頭種子休眠解除和萌發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為2020年9月在內蒙古自治區赤峰市巴林右旗的賽罕烏拉自然保護區收獲的野生草烏頭種子，凈度94.23%，千粒重1.524 7 g，含水量9.20%。

1.2 種子發芽培養

選取大小均一的種子，經0.5%高錳酸鉀溶液浸泡30 min消毒處理后蒸餾水沖洗干凈(Ⅰ階段)。在40 ℃恒溫箱中對預處理的種子進行吸脹，吸脹2 d后取樣(Ⅱ階段)；將吸脹完成的種子置于-5 ℃/4 ℃變溫條件下進行層積培養，在層積的28 d(Ⅲ階段)、42 d(Ⅳ階段，露白)取樣；待種子露白后，放置于15 ℃光照培養箱中催芽處理，7 d后取樣(Ⅴ階段，出苗)。

1.3 生理生化指標測定

采用蒽酮比色法進行可溶性糖含量、淀粉含量測定；采用考馬斯亮藍G-250法進行可溶性蛋白含量測定；采用比色法、Folin-酚法、氮藍四唑(NBT)光化還原法、愈創木酚比色法和紫外吸收法分別對α-淀粉酶和β-淀粉酶、蛋白酶活性、超氧化歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)進行測定[7-8]。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel軟件和SAS 9.1軟件進行整理與分析。

2 結果與分析

2.1 種子萌發過程中抗氧化酶活性變化

北烏頭種子SOD活性在休眠解除過程中呈先下降后上升再下降的趨勢(圖1)，從44.8 U/mg下降到33.8 U/mg，再上升到50.93 U/mg，最后下降到45.97 U/mg。草烏頭種子的SOD活性在露白過程中持續增強。說明種子在露白的過程中產出大量活性氧。北烏頭種子POD活性隨處理時間呈一直上升的趨勢，從10.58 U/(mg·min)上升到32.97 U/(mg·min)，說明POD在清除種子中的過氧化物，為種子的露白提供適宜條件。北烏頭種子CAT活性在休眠解除過程中呈先升后降的趨勢，從2.3 U/(mg·min)上升到8.27 U/(mg·min)，后下降至4.4 U/(mg·min)，說明草烏頭種子在休眠末期CAT活性最旺盛，清除種子中的H2O2，為種子的露白做準備。

2.2 種子萌發過程中營養物質及相應酶活性

2.2.1種子萌發過程中營養物質的變化

淀粉是植物種子萌發過程中重要的營養物質，北烏頭種子的淀粉含量在休眠解除過程中呈不斷下降的趨勢(圖2)，從12.5 mg/g下降到4.93 mg/g，下降60.5%；在種子露白的過程中，淀粉含量顯著下降，從7.3 mg/g下降到4.9 mg/g，下降32.4%，在出苗過程下降幅度較小，因為此時一部分種子可以進行光合作用積累淀粉。北烏頭種子的粗脂肪含量為15.73%，在北烏頭種子休眠解除過程中從15.73%下降到8%。粗脂肪的含量在吸脹過程中下降較快，后期下降比較平緩。北烏頭種子可溶性糖含量在休眠解除過程中呈先上升后下降的趨勢，北烏頭種子可溶性糖含量在露白之前從13.47 mg/g升高到26.37 mg/g，升高了95.8%；從露白開始北烏頭種子可溶性糖含量下降到14.63 mg/g，下降44.5%；說明北烏頭種子在露白以前大量的大分子物質分解成可溶性糖，為北烏頭種子的露白和出苗積累能量。北烏頭種子可溶性蛋白含量呈下降趨勢，從40.94 mg/g下降到22.92 mg/g。在種子發育過程中大量的可溶性蛋白被消耗，給種子發育提供能量和氨基酸。

圖2 休眠不同階段北烏頭種子營養物質含量

2.2.2種子萌發過程中酶活性的變化

α-淀粉酶和β-淀粉酶在淀粉分解過程中起重要的作用。北烏頭種子α-淀粉酶和β-淀粉酶活性隨處理時間呈先升后降的趨勢，在露白以前α-淀粉酶從361 μg/(g·min)(FW)上升到500 μg/(g·min)(FW)，β-淀粉酶活性從513 μg/(g·min)(FW)上升到749 μg/(g·min)(FW)。出苗階段北烏頭種子兩種淀粉酶活性均輕微下降。北烏頭種子蛋白酶活性在休眠解除過程中呈一直上升的趨勢(圖3)，從1.25 μmol/(g·h)上升到1.7 μmol/(g·h)，升高36%。酸性磷酸酶在種子分解脂肪的過程中起重要的作用。北烏頭種子的酸性磷酸酶活性在休眠解除過程中一直上升，從1.67 nmol/(min·mg)上升到4.13 nmol/(min·mg)，此外在露白階段酸性磷酸酶活性上升最大，這是因為在露白階段種子需要大量的能量。

圖3 休眠不同階段北烏頭種子酶活性

3 結論與討論

種子休眠和萌發是靜態胚向動態胚的轉化，在休眠解除的過程中種子中的大分子營養物質被各種酶轉化成可被吸收的小分子營養物質[9]。本研究測定北烏頭種子脂肪含量為15.73%，不屬于油性種子，粗脂肪含量在吸脹過程中下降較快，這與孫海燕等[10]的研究結果一致。在休眠解除過程中北烏頭粗脂肪含量從15.73%下降到8%，說明粗脂肪的分解在北烏頭種子休眠解除過程中起重要的作用。北烏頭種子淀粉含量為12.5 mg/g，在休眠解除過程中下降到4.93 mg/g。在露白階段下降較出苗階段快，因為出苗后一部分北烏頭可以進行光合作用，北烏頭淀粉得到了補充，這與趙婕等[11]、居萍等[12]的研究結果一致。可溶性糖是為種子提供能量的直接底物[13]，在本研究中露白以前可溶性糖含量一直增加，這是因為隨著休眠的解除，粗脂肪和淀粉被分解成可溶性糖，北烏頭種子可溶性糖的利用速率小于生產速率。在露白階段和出苗階段可溶性糖又開始下降，這是因為胚根和子葉的生長消耗了大量的可溶性糖。可溶性蛋白為種子的萌發提供氮源和能量，本研究中可溶性蛋白含量一直平緩下降。在北烏頭種子休眠解除過程中營養物質的含量雖然下降趨勢不同，但都為種子休眠的解除提供能量。

種子休眠的解除除了依靠營養物質的變化，還需要酶的作用。北烏頭休眠解除過程中雖然3種抗氧化酶活性變化趨勢不同，但在種子露白和出苗產生大量氧自由基的過程中三者都增加，清除自由基保護種子。這與孫曉梅等[14]研究結果一致。淀粉酶在淀粉的分解中起重要的作用，本研究中淀粉酶活性在露白階段一直上升，在出苗階段略微下降。蛋白酶和酸性磷酸酶在北烏頭種子休眠解除過程中一直上升，這與可溶性蛋白和粗脂肪的變化相對應，與戴萍[13]研究結果一致。