不同溫度下白穎苔草(Carex rigescens)種子發芽的生理特性研究

李 慧, 岳躍森, 滕 珂, 張全剛, 滕文軍, 張 輝, 溫海峰, 武菊英*, 范希峰*

(1.北京市農林科學院, 北京 100097； 2.北京市首發天人生態景觀有限公司, 北京 102600)

隨著我國城市建設的加快，城市園林綠地面積迅速增加。近30年來我國草坪業高速發展，其作為城鄉綠色空間，為增益人類福祉貢獻了重要的社會價值[1-2]。苔草(Carexspp.)具有適應性廣，抗逆性強等優點，是我國草坪研究一類理想的鄉土草種[3]。

白穎苔草(Carexrigescens)為莎草科(Cyperaceae)苔草屬(CarexLinn.)的一種多年生草坪草，全球約有1 966種，廣泛分布于南極洲以外的大陸，在我國集中分布于北部地區[4-5]。白穎苔草可以適應惡劣的土壤和環境條件，對非生物應激物具有較強的耐受性[6]；此外其草葉纖細、外形美觀，成坪后覆蓋程度好，耐踐踏且管理較為粗放，可作為我國北方開闊森林和休閑草坪草種[7-8]。然而白穎苔草種子具有一定程度的休眠，導致其發芽速度慢，這一問題限制了白穎苔草在園林景觀中的大面積應用。因此研究白穎苔草的種子發芽特性具有重要意義。

近年來，對白穎苔草的研究主要集中在耐鹽機制[9-10]上，其觀賞價值[7,11]、藥物應用[12]少有研究。種子發芽特性的研究主要集中于適宜的發芽環境以及提高發芽率的方法上[11,13]，例如孫彥等研究發現白穎苔草種子的最適發芽溫度為變溫30℃/20℃，25℃/15℃，發芽率達87.75%，而在恒溫20℃，30℃環境下其發芽率低于4.00%；變溫環境下，經10%或20%NaOH浸種40 min其發芽率高達93.50%～94.00%；通過層積處理90 d，發芽率也可達90.00%[14]。本文以恒溫和變溫環境下白穎苔草發芽的種子互為對照，探究不同溫度環境下白穎苔草種子發芽過程中營養物質和相關酶活性的變化情況，為研究苔草種子的發芽機制和實際應用提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗方法

供試白穎苔草種子于2020年5月在國家精準試驗基地采集，2020年9月進行發芽試驗及生理指標測定。

1.2 試驗方法

1.2.1發芽試驗種子處理方法 設置變溫：30℃/20℃，恒溫：20℃，30℃三個溫度環境。用10%次氯酸鈉將籽粒飽滿的種子震蕩浸種消毒30 min，消毒后用蒸餾水沖洗5～6次，瀝干水分待用。種子播種于內部墊有3層濾紙、12 cm×12 cm×5 cm的發芽盒中，每個處理50粒種子，3次重復。發芽盒置于光周期為光照8 h/黑暗16 h，濕度為80%，光照度為24 000 lx的光照培養箱中培養，每天定時定量補加蒸餾水，保持濾紙濕潤。當胚根突破種皮且超過種長1/2時開始計數[15]，每天統計一次發芽數，當發芽數連續3天保持不變時結束試驗[16]，測定不同溫度下種子的發芽指標。

1.2.2生理指標分析種子處理方法 種子前處理同1.2.1。每個發芽盒中播種0.1 g白穎苔草種子，蒸餾水培養。以不同發芽階段種子發芽率差異為取樣標準，在播種后的第3 d(S1-發芽率0)、7 d(S2-發芽率10%)、9 d(S3-發芽率30%)、10 d(S4-發芽率50%)、13 d(S5-發芽率80%)時取樣，每次每個溫度下隨機取3個發芽盒的種子(3個重復)，共計45個發芽盒。每15個發芽盒分別置于溫度為30℃/20℃，30℃，20℃的光照培養箱中培養，其余培養環境和方法與發芽試驗相同。每次取樣后用液氮冷凍15 min，然后放入-80℃保存，用于生理指標測定。

1.2.3發芽指標測定

種子發芽勢=初期(第7天)發芽種子數/供試種子數×100%；

種子發芽率=終期(第20天)發芽種子數/供試種子數×100%；

發芽指數=∑(Gt/Dt)，式中：Gt為當天的發芽種子數，Dt為相應發芽天數;

平均發芽時間=∑nt/∑n，式中：n為在時間t時，新發芽的種子數，t為發芽時間。

1.2.4營養物質含量及酶活性測定 按蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒及程序處理，用分光光度計分別測定3種溫度下5個發芽階段的白穎苔草種子的可溶性糖、可溶性蛋白和淀粉含量。3種溫度下5個發芽階段的白穎苔草種子的過氧化物酶活性按蘇州科銘生物技術有限公司提供的試劑盒及程序處理進行測定；采用3，5二硝基水楊酸(DNS)法[17]測定不同溫度下不同發芽階段白穎苔草種子的淀粉酶活性。

1.2.5數據分析 通過SPSS 18.0軟件對每一階段不同溫度下的生理數據采用Duncan法進行多重比較，運用Origin 2018進行數據可視化。

2 結果與分析

2.1 不同溫度下白穎苔草種子發芽狀況分析

由表1可知，白穎苔草種子的發芽對不同溫度環境響應有所不同。白穎苔草種子在變溫條件下的發芽勢、發芽率、發芽指數顯著高于恒溫條件下(P<0.05)，30℃/20℃下其發芽勢比兩恒溫下高12.00%，30℃/20℃下發芽率比20℃，30℃分別高出74.00%，86.00%，30℃/20℃下其發芽指數比20℃，30℃分別提高了3.94，4.48；變溫條件下其平均發芽時間可比恒溫條件下提前2 d左右，達到差異顯著水平(P<0.05)，表明適宜的溫度環境是白穎苔草種子發芽的關鍵。

表1 不同溫度下白穎苔草種子發芽指標Table 1 Germination indexes of C. rigescens seeds under different temperature

2.2 不同溫度下白穎苔草種子營養物質含量變化

不同溫度下白穎苔草種子發芽過程中淀粉含量總體呈下降趨勢(圖1A)。隨著種子的發芽，種子內存儲的淀粉逐漸分解轉化為糖類，在30℃/20℃，30℃，20℃環境下，種子內部淀粉含量的變化范圍分別為6.98～6.32，7.11～6.76，7.10～6.74 mg·g-1，其中，變溫環境下，白穎苔草種子發芽過程中分解的淀粉最多，此環境下種子內部的淀粉含量均低于恒溫環境下，30℃下的淀粉含量高于20℃下，說明種子發芽越多，淀粉的分解量越多。除S4時期外，30℃/20℃環境下淀粉含量與30℃環境下的淀粉含量均達到了差異顯著水平(P<0.05)。

白穎苔草種子發芽過程中，種子內部的可溶性糖含量也總體呈降低趨勢(圖1B)。僅S1時期30℃/20℃環境下種子內部可溶性糖含量顯著低于恒溫20℃環境下(P<0.05)，其余均未達到差異顯著水平。但除S2外，其余4個時期，變溫下白穎苔草種子內部的可溶性糖含量均低于恒溫下。在30℃/20℃，30℃，20℃環境下，種子發芽過程中可溶性糖消耗量分別為5.28，6.55，7.14 mg·g-1。

由圖1C可知，不同溫度下白穎苔草種子發芽過程中可溶性蛋白含量發生著不同變化。隨著種子發芽，變溫環境下可溶性蛋白含量由0.74 mg·g-1降低至0.14 mg·g-1；而恒溫環境下則先升高后降低，30℃，20℃環境下種子內部的可溶性蛋白含量分別在S2(0.53 mg·g-1)，S4(0.72 mg·g-1)達到最大值。S1時期變溫環境下種子內部的可溶性蛋白含量顯著高于恒溫環境(P<0.05)；而在S4，S5時期變溫環境下的蛋白含量則顯著低于恒溫環境下(P<0.05)；在S2，S3時期變溫和恒溫環境下的可溶性蛋白含量則均未達到差異顯著水平。不同溫度下白穎苔草種子發芽過程中可溶性蛋白含量的動態變化表明其對于種子的發芽至關重要。

2.3 不同溫度下白穎苔草種子相關酶活性變化

2.3.1淀粉酶活性變化 白穎苔草種子發芽過程中內部的淀粉酶活性受溫度影響(圖2)。變溫環境下酶活性先升高后降低，在S2達到最大為18.19 mg·(g·min)-1；恒溫處理下種子內部的酶活性整體呈降低趨勢，均在S5階段略微升高。除S5時期外，變溫環境下淀粉酶活性均高于恒溫環境下，且在S2，S3達到差異顯著水平(P<0.05)。這說明變溫環境下種子發芽過程中蔗糖和淀粉代謝途徑比恒溫環境下更為活躍，且隨著種子發芽的完成，該代謝途徑逐漸減弱。

2.3.2POD活性變化 不同溫度下，白穎苔草種子各發芽階段過氧化物酶活性不同(圖3)。30℃/20℃變溫、20℃恒溫下，隨著種子的發芽，POD活性呈上升趨勢；30℃下種子內部的POD活性變化較小，在50～150 U·g-1范圍內波動。S2—S5時期，變溫下種子內部的POD活性均高于恒溫下，且變溫下種子POD活性至少與一個恒溫下種子POD活性達到差異顯著水平(P<0.05)。

圖1 不同溫度下白穎苔草種子發芽過程中營養物質含量Fig.1 Nutrient content during seed germination of C. rigescens at different temperature treatments注：不同小寫字母表示不同溫度間差異顯著(P<0.05)；下圖同Note:Different lowercase letters indicate significant differences at different temperature treatments at the 0.05 level;the same as below

圖2 不同溫度下白穎苔草種子發芽過程中淀粉酶活性Fig.2 Activities of amylase during seed germination of C. rigescens at different temperature treatments

圖3 不同溫度下白穎苔草種子發芽過程中POD活性Fig.3 Activities of POD during seed germination of C. rigescens at different temperature treatments

3 討論

3.1 白穎苔草種子發芽過程中營養物質含量變化

種子發芽期間發生了許多生理代謝變化，包含酶的活化、生成，細胞生理活性恢復，進而使種子內部營養成分和理化性質發生了重大改變[18]。發芽過程中種子內部淀粉、可溶性糖含量的變化能夠反映其可利用物質和能量的供應基礎水平[19]；部分可溶性蛋白是參與各種代謝的酶，因此其含量成為衡量植物代謝狀況的重要指標[20]，此外可溶性蛋白對于植物對氮素的吸收、運輸、同化及營養狀況等有著重要作用。本研究發現，隨著種子的發芽，其內部淀粉、可溶性蛋白等營養物質在相關酶的作用下逐步分解，為胚生長提供碳源、氮源和能量，營養物質及酶的變化反映了植物種子發芽階段營養物質的運轉情況，調控著種子的整個發芽階段[21]。

淀粉作為種子內部重要且分布廣泛的碳水化合物與營養物質，在發芽過程中可通過自身代謝、利用可溶性糖或其他營養物轉化而來。本研究中，恒溫下的淀粉含量高于變溫條件，且除S4時期外，30℃/20℃與30℃下的淀粉含量達到了顯著差異水平，說明在變溫下，淀粉被分解成小分子物質，作為構成新組織的成分和產生能量的原料被運轉到生長部位，為種子發芽所利用。變溫下白穎苔草種子發芽過程中淀粉含量持續降低，說明種子的發芽需要大量的淀粉轉化為可溶性糖來為其一系列代謝活動提供物質基礎及能量。這與龍葵(Solanumnigrum)[22]、光皮樹(Swidawilsoniana)[23]種子的研究結果基本一致。而恒溫環境下S5時期白穎苔草種子內部淀粉含量趨于穩定可能是少數發芽的種子對可溶性糖的需求減少，原本種子內部的可溶性糖能夠滿足發芽后種子生長所需，使得淀粉含量基本不變。

可溶性糖作為種子可吸收的小分子化合物，是種子發芽過程中重要的營養物質，既為種子發芽過程中呼吸代謝提供ATP，又為不斷合成新細胞所必需的蛋白質及纖維素等提供原料[24-26]。變溫下，可溶性糖含量持續降低，這與無患子(SapindusmukorossiGaertn)[27]的研究結果類似；馬琳等研究發現東北延胡索(Corydalisambigua)[28]種子發芽過程中可溶性糖含量逐漸降低。說明可溶性糖被作為呼吸底物而消耗，為發芽過程中新的蛋白質合成提供碳骨架以及ATP的合成提供底物。除S2時期，恒溫條件下種子的可溶性糖含量均高于變溫條件下，說明變溫環境下白穎苔草種子的發芽需要更多的可溶性糖來為器官建成提供物質基礎與能量，并供應各種生理活動的進行。

可溶性蛋白作為生物體的主要組成成分之一，其含量間接反映著植物體內物質代謝的強弱，為種子發芽提供氮素營養及能量[29]。可溶性蛋白在種子發芽過程中處于一個循環過程，它在水解酶的作用下水解為氨基酸等其他小分子化合物，水解后的氨基酸在脫氨、轉氨、脫羧等生理過程下同其他有機物質合成新的氨基酸，用于新結構蛋白和功能蛋白的合成，為呼吸氧化提供碳架[30]，以參與種子后期的一系列生命活動[31-32]。本研究中，變溫及恒溫30℃下白穎苔草種子內部可溶性蛋白質含量逐漸下降，這與川續斷(Dipsacusasperoides)[33]、紅花瘤果茶(Camelliarubituberculata)[34]、珙桐(Davidiainvolucrata)[35]種子發芽過程中可溶性蛋白含量的變化趨勢基本一致，說明蛋白質的降解大于合成，分解成溶解狀態的氨基酸被運轉到胚軸部分后合成新蛋白質，參與了胚根的生長。變溫下可溶性蛋白含量下降趨勢極為明顯，表明此時種子內部代謝活動更活躍，需更多酶促反應為種胚提供營養。20℃下后期可溶性蛋白含量增加，可能是因為貯藏蛋白降解過程中產生了過度蛋白[36]，同時代謝旺盛的組織中多余的N3H以游離以外的形式貯存起來使得新蛋白質合成[37]，由于少量種子發芽及其幼苗生長所需養料和能量較少，新合成的蛋白質數量多于生命活動所需降解的蛋白質數量，導致后期含量增加。30℃下可溶性蛋白含量降低緩慢且后期沒有增加，可能是因為種子發芽數量較少，體內代謝活動較弱。

3.2 白穎苔草種子發芽過程中相關酶活性活性變化

種子解除休眠、開始發芽過程中，各種酶開始一系列變化，調節著種子貯藏物質的代謝和轉化[38]。種子發芽時，淀粉在淀粉酶的作用下分解為可溶性物質，并釋放出大量ATP供胚吸收利用。本研究發現，變溫下，S2時期白穎苔草種子內部淀粉酶活性迅速增加，表明此時淀粉酶催化的水解活動非常活躍，白穎苔草種子開始發芽，隨后，淀粉酶活性開始降低，可能是種子內部淀粉含量減少，淀粉水解活動減弱。恒溫下，淀粉酶活性整體呈下降趨勢，可能是因為此條件下，大多數種子沒有萌動，種子的代謝活動較弱，呼吸作用所需的能量較少，對可溶性糖的需求不大使得淀粉酶水解淀粉這一過程較弱，因此淀粉酶活性減弱且較低。

在種子發芽過程中呼吸強度升高，POD活性增強，影響一系列生理活性分子的合成與分解[39]；在惡劣環境下種子內部會積累活性氧，對細胞膜造成破壞，POD作為抗氧化系統的主體之一，可直接體現種子的抗氧化能力，有效清除活性氧，進而利于種子發芽。本研究中發現，變溫下白穎苔草種子發芽過程中，POD活性升高，迷人杜鵑(Rhododendronagastum)[40]、青蒿(Artemisiacarvifolia)[41]、掌葉木(Handeliodendronbodinieri)[42]種子發芽過程中POD活性也在升高。變溫下POD活性升高時，吲哚乙酸氧化酶活性可能會降低，有助于細胞中IAA積累[43]，累積的IAA可通過促進細胞的伸長而使種胚伸長；李莉[44]研究發現POD與萵苣種子發芽中的細胞壁松弛相關，LsPOD1基因的抑制表達，降低了POD酶活，羥基自由基減少，細胞壁無法松弛，細胞難以伸長生長[45]，從而抑制了種子的發芽；此外，三羧酸循環是種子進行呼吸作用主要的方式之一[46]，POD可參與NADH、草酰乙酸的氧化[47]，所以POD活性的提高可能會使草酰乙酸和NADH的量減少，從而加快蘋果酸生成更多的NADH、草酰乙酸，刺激三羧酸循環的正向進行，進而利于種子發芽。本研究中恒溫下，POD活性低于變溫下，使得白穎苔草種子的發芽狀況較差，30℃下POD活性又低于下20℃下POD活性，說明種子發芽與POD活性息息相關。因此，在白穎苔草種子的發芽過程中POD活性升高可能有助于細胞分裂與生長、呼吸作用等過程，進而利于發芽。

4 結論

本研究通過對不同溫度下白穎苔草種子發芽特性的研究，發現30℃/20℃能顯著促進白穎苔草種子的發芽。變溫下白穎苔草種子發芽過程中，種子內部的淀粉、可溶性糖含量及可溶性蛋白含量逐漸降低；淀粉酶活性呈先升高后下降的趨勢，POD活性逐漸升高。變溫下淀粉、可溶性糖含量低于恒溫下，總體來說，變溫與恒溫下白穎苔草種子的淀粉、可溶性蛋白含量存在顯著差異；變溫下種子內部淀粉酶和POD活性顯著高于恒溫下淀粉酶和POD活性。本研究為白穎苔草種子發芽生理特性的研究奠定了基礎。