人工老化過程中玉米種子活力生理指標的變化

呂巨智　賀囡囡　石達金　唐國榮　李發橋　謝小東　鄒成林　程偉東　張述寬

摘要：通過測定不同老化程度玉米種子的發芽指標、幼苗形態指標和生理生化指標，研究玉米種子的生理生化、生命活力因人工老化而發生的變化，為玉米種子老化機制及種子活力修復研究奠定基礎。以桂081和桂單162 2個玉米品種為試驗材料，采用高溫高濕（48 ℃、相對濕度95%）的人工老化方法，研究人工老化對玉米種子發芽指標、幼苗形態指標、相對電導率、丙二醛含量和過氧化物酶活性等指標的影響。結果證實了逐步增加老化時長，除2個品種種子的丙二醛（MDA）含量、相對電導率同步上升之外，其余生理指標如過氧化物酶活性、發芽指數、發芽率、發芽勢、活力指數等均同步下降，老化10 d時，桂單0810和桂單162種子的發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數分別比對照降低6032%和62.54%、55.44%和62.68%、49.52%和54.33%、65.63%和70.00%，而MDA含量大幅升高90.91%和9320%，過氧化物酶活性分別降低60.16%和83.04%。相關性分析表明，MDA含量、過氧化物酶活性與種子活力的相關性達到極顯著水平。人工老化方式對玉米種子進行處理能夠顯著抑制其活力，影響幼苗的生長。相對電導率、MDA 含量和 POD 活性可用于衡量玉米種子的活力水平，而且種子耐老化能力存在品種間差異，桂單0810耐老化能力高于桂單162。

關鍵詞：玉米；種子活力；人工老化；生理特性

中圖分類號：S513.01文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2023）11-0068-05

種子發育成熟以后就會步入衰老階段，在此階段中的種子活力逐步降低而貯藏能力逐步增強，這一現象被稱作種子老化［1］。正如種子的貯藏功能是自然發生的一樣，種子老化現象也是不可逆的［2-3］。種子的活力指標待到其發育成熟時也變得最大，隨后逐步下降直至其至種子完全喪失活力［4-6］。前人研究指出，隨著種子老化的加劇，種子的結構成分以及生理功能都會發生變化，尤其種子活力、儲藏能力出現衰弱跡象，同時植株生產性能、田間健植率也會出現變化［7-9］。人們通常利用種子活力來評價種子的老化程度［10］，它直接關乎于種子萌發及出苗率。受到多種因素的干擾，老化嚴重的種子幾乎喪失了生理活性，栽種老化種子也會全面拉低出苗率、出苗整齊度以及幼苗質量等［11-12］。此外還可以根據種子萌發、幼苗生長性狀以及抗逆性等來衡量種子老化問題［13］。本研究旨在探究種子老化的機理，通過人工老化的方式來模擬種子自然老化的過程，觀察種子的生理指標變化來研究總結出種子老化的規律［14］，由此評估不同老化處理方式對于種子活力、種子田間出苗率的影響效果［15］。代小偉等指出，對玉米雜交種進行人工老化處理，其發芽勢、發芽率、脫氫酶活性以及活力指數均有所下降，而種子浸出液電導率和MDA含量有所升高［16］，此外，通過對比試驗證實了不同品種的玉米種子在耐老化方面存在顯著差別。陳鵬等試驗指出，甜玉米種子的含水量與其抗老化能力之間存在關聯性［17］。黃雪彥等通過試驗指出，相較于普通品種的玉米種子，高油玉米雜交種在人工老化處理過程中更加快速地喪失了活力［18］。喬燕祥等針對2個玉米自交系種子，劉明久等針對2個雜交種、1個玉米自交系種子進行試驗研究，發現這些玉米種子因人工老化處理而表現為活力下降、發芽率降低，而MDA含量、電導率有所上升［19-20］。

通過人工老化的方式對種子進行處理使其快速喪失活力，從而為種子貯藏創造條件，這一手段受到國外學者的關注并且在種子貯藏領域得以實踐應用。在最近2年間，國際種子市場出現了產出量超過消耗量的現象，因此必須考慮如何妥善地進行種子貯藏，雖然人們已經知道將種子儲存在低溫、低濕環境中有利于維持種子活力以及延長種子壽命，但仍不能遏制住種子老化過程，一旦種子因老化嚴重而發生劣變以后，其市場價值就會大打折扣［10］。早期研究已經證實了種子耐老化能力存在品種差異性，這也加重了種子長期儲存的難度。本研究以廣西主推的2個玉米雜交種——桂單162和桂單0810作為試驗材料，采用高溫高濕（48 ℃、相對濕度95%）的人工老化方法，研究人工老化對種子活力和生理特性的影響機理，以期為延緩種子的劣變提供科學依據，從而滿足現實場景中的種子貯藏、調撥及經營所需。

1材料與方法

1.1供試材料

本次試驗所用的2種材料是：桂單162和桂單0810（試驗種子的采收時間一致，均是2020年12月）。本次試驗的起止時間是2021年1—3月。試驗地點在廣西農業科學院玉米所栽培生理實驗室。

1.2試驗方法

1.2.1老化處理分別取用桂單162和桂單0810各300粒種子，將種子放入尼龍網袋內，然后將袋子轉移到老化箱（LH-150S型號），設定溫度48 ℃、相對濕度95%開始人工老化。在試驗期內，每隔 2 d，分別取出1個處理樣，并進行自然風干至原質量。

1.2.2發芽試驗依據GB/T 3543.4—1995《農作物種子檢驗規程發芽試驗》進行發芽試驗。第3天測定發芽勢，第7天測定發芽率。7 d后將根取出，烘干，稱量干質量。按照如下公式確定試驗種子的發芽指數、發芽勢、發芽率以及活力指數等指標，具體如下：

發芽勢=第3天正常發芽種子數/供試種子數×100%；（1）

發芽率=第7天正常發芽種子數/供試種子總數×100%；（2）

發芽指數=∑第n天正常發芽種子數/相應發芽天數；（3）

活力指數=發芽指數×根質量。（4）

1.2.3生理指標測定本次試驗選定的是POD活性、MDA含量以及電導率3項生理指標，參照《植物生理實驗》［21］中的方法測定。具體來說，本次試驗利用揚州嘉華生物科技有限公司銷售的試劑盒來測定POD含量、MDA含量，每處理3個重復；利用電導率儀測定電導率，測定結果采用相對電導率的形式進行表示，每處理3個重復。

1.3統計分析

結合試驗數據特點，利用DPS 19.05、Excel 2010軟件開展數據整理及分析，用GraphPad Prism8 畫圖。

2材料與方法

2.1玉米種子人工老化過程中發芽情況和種子活力的變化

據表1分析，隨著人工老化的時長增加，桂單0810和桂單162種子的發芽率、發芽勢及活力指數均出現不同程度的下降。其中，桂單0810種子在經歷了2 d的人工老化處理以后，其發芽勢處于高水平狀態，在經歷了4 d的人工老化處理以后，其發芽指數、發芽率及活力指數處于高水平狀態，但是在進一步延長人工老化時長以后，在經歷了10 d的人工老化處理以后，種子的各項生理指標都出現明顯降幅。以對照組種子的活力指標作為對比，其發芽勢下降了60.32%，發芽率下降了55.44%，發芽指數下降了49.52%以及活力指數下降了65.63%。在人工老化處理前4 d，桂單162種子的各項指標處于高水平，但是在人工老化處理8 d后，其發芽率、發芽指數及活力指數均出現較大降幅，以人工老化處理10 d的試驗數據來看，以對照組種子的活力指標作為對比，其發芽勢、發芽率、發芽指數及活力指數等多項指標相較于對照組都出現了顯著下降，降幅分別達到了62.54%、62.68%、54.33%及7000%。據以上結果，不同品種的玉米種子在耐老化方面存在異質性，與桂單162相比，桂單0810種子的耐老化能力更強，其耐貯性亦更強。

從表2可以看出，老化處理對桂丹0810和桂丹162的發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數影響差異顯著或極顯著，但是不同品種之間除發芽指數差異極顯著外，其余指標差異不顯著。因此老化會明顯降低玉米的發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數，但是不同品種之間除發芽指數外，差異并不明顯。

2.2玉米種子人工老化過程中幼苗苗高和根長的變化

從圖1可以看出，老化處理2 d的玉米種子所長出的幼苗根長明顯更短，這證實了人工老化能夠抑制幼苗根系發育，與對照相比，桂單162、桂單0810的根長分別縮短了11.85%、15.05%；由老化處理4～6 d的玉米種子所長出的幼苗根長并無明顯變化；及至老化10 d以后，桂單162、桂單0810的根長分別縮短了。此外，老化處理6 d的桂單162、桂單0810玉米種子所長出的幼苗苗高相較于對照組分別降低了25.58%、31.37%，而經過10 d老化處理，兩品種幼苗苗高相較于對照組分別降低了56.68%、50.01%。可見，人工老化處理能夠降低幼苗苗高，并且人工老化時間越長對幼苗苗高的抑制程度越深。

2.3人工老化處理對種子浸出液電導率、過氧化物酶（POD）活性MDA含量的影響

2.3.1人工老化處理對種子浸出液電導率的影響據圖2分析，隨著人工老化時長的增加，桂單0810和桂單162浸出液電導率均呈現升幅，尤其老化嚴重種子的浸出液電導率相對更高，這一結果與種子活力的變化規律相反。在本次試驗中，老化2 d的玉米種子與對照組的浸出液相對電導率相近，這主要得益于種子膜系統在老化初期并未受到嚴重侵害。老化6 d的桂單0810、桂單162的相對電導率相較于對照組水平超出了6.61%、11.61%。老化10 d的桂單0810、桂單162的相對電導率相較于對照組水平超出了21.04%、20.61%。相關性分析表明，人工老化處理后的桂單0810和桂單162的相對電導率與其發芽率、活力指數、發芽勢、發芽指數之間具有顯著或極顯著負相關性（表3）。

2.3.2人工老化處理對過氧化物酶活性的影響據圖3分析，在逐步增加人工老化時長的過程中，桂單0810和桂單162的過氧化酶活性同步下降。在本次試驗中，老化2 d后的種子過氧化酶活性降低緩慢；僅需老化4 d，種子中過氧化物酶活性就開始大幅下降；老化10 d時，2個品種過氧化物酶活性的降幅分別擴大至60.16%、83.04%。相關性分析表明，過氧化酶活性與各種子發芽勢、發芽率、發芽指數和活力指數呈正相關（表3）。

2.3.3人工老化處理對MDA含量的影響據圖4分析，在逐步增加人工老化時長的過程中，桂單0810和桂單162的MDA含量隨之上升，與對照組做比較，人工老化10 d的桂單0810、桂單162的MDA含量大幅升高了9091%、93.20%，這與發芽勢等生理指標的變化規律是相反的（表3），其內因在于人工老化會造成種膜損傷，使其質膜透性增大。

3討論

3.1人工老化對種子萌發的影響

利用種子萌發結果來評估種子活力是一種可取辦法。前文已述，種子發芽率、發芽指數以及活

力指數均隨著玉米種子的老化加深而出現下降趨勢，這與祝煜中等多名學者的研究結論是一致的［22］。對玉米種子進行人工老化處理以后，其萌發能力隨之減弱，這說明人工老化抑制了玉米種子的發芽活力。針對于老化時長相同的玉米種子來說，其活力指數、發芽指數的降幅都超過了發芽率的降幅，這一結果與毛竹、大豆等試驗材料是一致的［23-24］。根據各項指標的相關性分析結果，證實了各理化指標與活力指數、發芽指數之間存在強關聯性，這也說明活力指數、發芽指數能夠更加準確地表征出玉米種子的活力水平。

3.2人工老化對幼苗生長的影響

選取不同方式對玉米種子進行老化處理，玉米種子的幼苗發育出現顯著差異。王玉嬌等觀察了人工老化對于春小麥種子發芽指標、幼苗根系的影響結果，證實了經高溫高濕處理后的春小麥種子所長出的幼苗發育遲緩，且幼苗根系不發達［25］。何學青指出，對柳枝稷種子進行人工老化處理，其幼苗發育并未受到顯著干擾，而且幼苗根冠比有所升高［26］。還有以香椿作為對象，對種子老化與幼苗根長、苗高的相關性進行研究，證實了種子人工老化能夠抑幼苗發育，具體來說，老化前期的種子所長出的幼苗根部更短，但苗高并未出現顯著變化；老化后期的種子所長出的幼苗苗高明顯更小，且根系發育遲緩［27］；老化4 d的種子所長出的幼苗根長有所上升，此時的人工老化發揮出種子篩選的功能，存活下來的種子具備更強的適應能力和發育能力［28-29］；老化7 d的種子所長出幼苗根長并未繼續上升，這是因為幼苗的抗氧化酶活性升高。另有一些學者針對老芒麥進行試驗研究，證實了對種子進行人工快速老化能夠顯著影響幼苗根長，但卻不會顯著影響幼苗苗高［30-31］。由于本次試驗沒有測驗幼苗的理化指標，因此無從探究種子老化是否會造成幼苗形態指標發生顯著改變。

3.3人工老化對種子膜系統的影響

人工快速老化造成玉米種子的生物膜結構發生質變，因細胞內含物質外滲到浸出液中，使得浸出液電導率升高［32-33］。膜脂過氧化會生成MDA，所以MDA含量是衡量細胞膜脂質過氧化程度的重要指標［34］。張海艷的研究證實了玉米種子浸出液電導率和MDA含量受到種子老化程度的顯著影響［35］。在本次試驗中，種子人工老化能夠提高浸出液電導率、MDA含量，且此2項指標與其他各發芽指標之間存在負相關性。隨著人工老化的加劇，種子內部生成了更多的活性氧，激發不飽和脂肪酸氧化反應，活性氧攻擊細胞膜出現脂質過氧化現象，最終造成細胞膜損傷。同時在此過程中還生成了更多的脂質自由基、MDA，尤其MDA降低了抗氧化酶的活性，由此聚集的自由基加重了生物膜的損害程度，更多的細胞內質向外滲透，表現為種子浸出液電導率上升［36-37］。

過氧化物酶（POD）能夠消除細胞膜的活性氧，從而保護細胞膜的完整和穩定，這對于維持種子活性是有利的［38］，因此，有活力的種子其過氧化物酶活性也較高。本試驗中過氧化物酶的活性與與種子活力指標具有正相關性，它們的變化趨勢基本保持一致。

4結論

利用高溫高濕（溫度48 ℃、相對濕度95%）的人工老化方式對玉米種子進行處理能夠顯著抑制其活力，繼而影響幼苗生長過程，但老化后種子浸出液的相對電導率、MDA含量有所上升。在本次試驗中，不斷延長人工老化時間，種子的活力指數、發芽指數、發芽率、POD活性均出現降低趨勢，而相對電導率、MDA含量則出現升高趨勢。從機理上來講，對玉米種子進行人工老化處理，種子內部的抗氧化酶系統功能失調以及膜脂過氧化作用侵害了種子膜系統，由此造成種子活力降低，我們可以通過觀察POD活性、相對電導率、MDA含量等指標變化來評估玉米種子的老化程度及活力水平。

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