溫度和干旱對小麥種子萌發過程中抗氧化物酶特性的影響

喬 健 吳廣俊 翟乃家 張 超 翟吉慶 路篤旭 王光明

（淄博市農業科學研究院 山東 淄博 255033）

小麥是我國主要的糧食作物之一，全世界1/3 以上的人口以小麥為主糧。 種子萌發在小麥生長發育進程中起著關鍵作用， 研究表明種子的萌發和萌發后幼苗的建成是內外因素相互作用的結果。 外因是指適宜的光照、溫度、水分和氧氣，內因是指種子自身是否具有足夠的儲備和是否具有利用這些儲備在接受外部信號后啟動各種生命活動的生物化學反應的能力[1]。 溫度是決定種子萌發的主要因素之一，溫度可以影響到種子萌發的一系列過程，如膜透性、膜結合蛋白的活力及水解酶的性質等[2-4]。 最適溫度才是種子萌發的理想條件，能提高種子發芽率，加快發芽速度[5]。 有研究表明，玉米種子萌發的下限溫度是8℃[6]，低于此下限溫度的環境均影響種子的萌發[7]。 水分也是影響種子萌發的重要因素。 干旱脅迫可能貫穿小麥播種至收獲的整個生育過程， 是影響小麥生產的主要限制因子， 作物抗旱性研究成為植物抗逆性研究的重中之重[8]。

種子在萌發或遇到不良環境時都會產生較多的活性氧， 而清除這些活性氧就需要抗氧化物酶的參與。SOD 和POD 是植物體內重要的抗氧化物酶，SOD是將超氧陰離子自由基歧化生成氧和過氧化氫，平衡機體氧化和抗氧化作用，CAT 是將過氧化氫分解成氧和水的酶，使細胞免受過氧化氫的毒害[9]。 本文作者通過研究小麥種子在不同的溫度和干旱條件下主要抗氧化物酶活性的變化， 進而反映種子萌發情況，為小麥生產管理、預防不良氣候條件變化對作物生長發育的影響提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

選用濟麥22 為試驗材料，所選種子均顆粒飽滿且完全成熟。 種子置床前在5%雙氧水中消毒種子3 min， 然后用去離子水沖洗2 遍后置于鋪有4 層濾紙的發芽盒中，根據試驗設計的條件，按標準發芽方法進行。 在萌發的不同時期取樣測定相關指標。

在種子萌發過程中，設置溫度和干旱2 個處理。其中設置20℃、23℃、26℃、29℃4 個溫度水平， 用恒溫箱控制溫度；采用20%聚乙二醇（PEG-6000）溶液模擬干旱處理。 分別在處理12 h、24 h、36 h、42 h、48 h、60 h 和72 h 取樣測定抗氧化物酶活性。

1.2 抗氧化酶活性的測定

采用聯合法測定。 其中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性測定方法在趙世杰[10]等方法的基礎上作了改進。

樣品酶提取液的制備。 稱取0.5 g 種胚放入研缽中，加5 mL pH 7.8 的磷酸緩沖液冰浴研磨，勻漿倒入離心管中，冷凍離心（7 000×g）20 min，離心后將上清液（酶提取液）倒入試管中，置于0~4℃下保存待用（短期5 d 之內）。

SOD、POD、CAT 活性測定按照趙世杰的方法進行。

1.3 統計方法

采用Microsoft Excel 2007 處理基礎數據，用Sigmaplot 10.0 作圖。

2 結果與分析

2.1 溫度和干旱對POD 活性的影響

POD 在植物體應對植物逆境脅迫的過程中發揮著重要的作用， 它能夠催化分解過氧化物及其他一些酶類， 對因為逆境脅迫引起的植物細胞膜氧化損傷有非常明顯的緩解作用，并且能與APX、CAT 等協同作用清除H2O2，保護細胞膜。 從圖1 可以看出，在20～30℃內POD 活性隨著萌發時間的延長而不斷升高。 小麥種子胚中POD 酶活性的這種變化趨勢說明隨著萌發的推進， 細胞內與代謝相關的清除膜脂過氧化物的能力不斷提高[7]。 在26℃下各階段POD 的活性均高于20℃、23℃、29℃下及20%的聚乙二醇處理時的POD 活性。

圖1 濟麥22 種子萌發過程中POD 活性的變化

2.2 溫度和干旱對CAT 活性的影響

H2O2的清除是細胞徹底消除活性氧的關鍵，CAT 可以將SOD 等產生的H2O2轉化為H2O，與SOD協同反應，使活性氧維持在較低水平上[11]。 由圖2 可知，26℃溫度下在前40 h 左右CAT 活性逐漸升高，20℃和23℃溫度下均在48 h 達到最高值而后下降，這是因為細胞吸漲活化后水溶性蛋白質的增加造成CAT 活性增加，CAT 使得H2O2含量受到抑制。29℃時在42 h 達到最高值后迅速下降。 而20%的聚乙二醇處理在前40 h 酶活基本不變，此后一直上升。

圖2 濟麥22 種子萌發過程中CAT 活性的變化

2.3 溫度和干旱對SOD 活性的影響

SOD 活性的高低是衡量植物抗旱性的重要指標之一，它的主要功能是清除活性氧，是防護氧自由基對細胞膜系統傷害的一種重要的保護酶[8]。 由圖3 可知，不同溫度處理下SOD 活性先升高，隨后緩慢上升或趨于平衡。26℃和29℃下SOD 活性變化均較小，在20℃和23℃溫度處理下活性氧含量大量增加，SOD活性一直處于上升狀態。20%的聚乙二醇處理的SOD活性一直處于相對較高的穩定狀態。

圖3 濟麥22 種子萌發過程中SOD 活性的變化

3 討論和結論

在自然條件下， 解除初休眠的種子如遇到不適宜的萌發條件經常會進入次生休眠， 這些不適宜的條件包括溫度、光周期、水勢和氧氣條件，其中溫度和水分條件是重要的因子[12-13]。 在小麥種子的萌發過程中抗氧化物酶活性在不同的溫度和干旱脅迫下發生著變化并反映著種子萌發的情況。

種子從開始吸水膨脹起抗氧化物酶活性逐步升高用以清除超氧自由基和抵御活性氧， 對修復細胞結構、形成健壯幼苗起著重要作用。

SOD、CAT、POD 是植物抗氧化酶系統中3 種重要的酶，它們在活性氧自由基的清除、過氧化物的清除、 抑制膜脂過氧化等植物抗逆生理方面發揮重要作用[14]。 尤其是SOD,它能夠催化超氧化物發生歧化反應，減輕自由基對植物細胞的毒害作用[15]。

本試驗發現在小麥種子萌發過程中不同溫度下POD 活性都呈上升趨勢，因為POD 活性的增長有利于促進種子萌發生長， 但在不同溫度下相同時間內23℃和26℃下POD 活性較大， 經干旱處理的種子POD 活性相對較小。 SOD 能催化植物體內的超氧陰離子自由基發生歧化反應生成雙氧水和氧氣，SOD活性在較低溫度和較高溫度下會失活，29℃的較高溫度可能使SOD 抵御能力下降。 在26℃下種子萌發相對較為適宜， 種子萌發過程中會產生少量活性氧，SOD 活性變化較小。在20℃時活性氧含量大量增加，為了使種子萌發需要提高SOD 的活性。 干旱脅迫也使種子內部產生大量的活性氧， 需要較高的SOD 活性來清除這些活性氧自由基。 在23℃和26℃時CAT活性升高較快且峰值相對較高而后下降， 這時種子收到需要萌發的信號產生大量過氧化物， 隨著萌發的進行過氧化物含量減少。 而在干旱脅迫下，種子為緩解受到的氧化損傷， 提高植物對逆境的抗性，SOD活性先處于平穩狀態，而后開始上升。

綜上所述，小麥種子萌發的相對適宜溫度為23～26℃，既要協調好溫度又要做好水分的調控，促使小麥正常萌發。