李蒙 蘇世平 張正中 李超群 陳君嬋 李毅



摘 要 以室溫貯藏條件下0~4 a的紅砂(Reaumuria soongorica)種子為試驗材料,通過測定不同貯藏年限紅砂種子的萌發指標、生理指標及種胚顯微結構,探究紅砂種子在貯藏老化過程中種子活力及其生理和顯微結構的變化特征。結果表明:隨著貯藏年限的增加,紅砂種子芽長、萌發率、萌發勢、 發芽指數、活力指數和含水量逐漸降低,超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性、可溶性糖(soluble sugar,SS)和可溶性蛋白(soluble protein,SP)含量呈先升高后降低的趨勢,丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量逐漸上升。紅砂種子萌發指標與MDA含量呈顯著(P<0.05)負相關,與SS、SP呈正相關。當年采收的種子,胚部細胞排列緊密,貯藏3~4 a的種子胚部細胞排列散亂,木質化程度加深著色效果明顯,并伴隨子葉逐漸縮小的現象。綜上認為,紅砂種子含水量、MDA和SP含量可較為準確地反映其活力,且紅砂種子活力變化的節點在2~3 a之間。在實際生產中,建議選擇采收后室溫貯藏1 a的種子為播種材料。
關鍵詞 紅砂種子;貯藏年限;種子活力;生理指標;種胚顯微結構
種子是植物遺傳資源的有效保存體,其在貯藏過程中內部結構和內含物都會發生一系列的變化[1],主要表現在萌發特性、抗氧化酶活性、內部代謝物質含量(如可溶性蛋白、可溶性糖、丙二醛等)和細胞結構等方面[2]。貯藏時間是影響種子活力水平和萌發特性的主要因素之一,貯藏時間過長會導致種子種胚發育受到抑制、幼苗生長緩慢、植株發育不良[3],從而影響作物、飼草、林木等種質資源的保育和創新,給農林生產帶來嚴重的經濟損失[4]。如室溫貯藏10 a的沙蔥(Allium mongolicum)種子其萌發率和萌發勢隨貯藏年限的增加逐漸降低,呼吸速率和各類抗氧化酶活性隨貯藏年限的增加呈現出先升高后降低的趨勢,其有效的貯藏期限為3 a[5]。隨著貯藏年限的增加沙芥種子(Pugioniym cornutum)和斧形沙芥(Pugioniym dolabratum)種子可溶性糖和淀粉含量呈先上升后降低的趨勢,其平均壽命為4 a和6 a[6]。
紅砂(Reaumuria soongorica)是廣泛分布在中國西北干旱荒漠地區的多年生小灌木[7],具有較強的耐旱、耐鹽堿等特性,對荒漠地區的生態修復發揮著重要作用[8]。作為典型的荒漠植被,其多以種子為繁殖材料。關于貯藏條件對紅砂種子的影響,前人的研究主要集中在不同溫度及濕度方面。高茜[9]報道,隨著貯藏溫度的變化,紅砂種子SOD、POD活性逐漸降低,且在-8 ℃貯藏條件下能有效抑制種子衰老,保持種子活力。王鑫鑫等[10]研究發現,紅砂種子在高溫高濕環境條件下,其萌發指標和保護酶活性降低,內部代謝物質含量增加。然而目前,關于不同貯藏年限對紅砂種子活力、生理特征及種胚顯微結構影響等方面的研究尚未見報道。
本試驗以室溫貯藏0~4 a的紅砂種子作為試驗材料,研究紅砂種子活力、生理特性及內部顯微結構的變化,以期初步探索紅砂種子在貯藏過程中的生理生化變化機制。本研究結果將為紅砂種子采收、培育及種苗生產提供方法指導,并為紅砂種子老化機理探索提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
供試種子分別于2017-2021年每年11月采收于甘肅省武威市紅砂種源試驗基地相同母株。每個年限的種子采收后均用14目篩子凈種,室內陰干后置于自封袋中,室溫保存。
1.2 測定指標與方法
1.2.1 種子萌發指標的測定 選取2017-2021年5個年限均勻飽滿的紅砂種子各100粒,并設置3次重復,共1 500粒(約2.1 g)種子。用10%的84消毒液消毒20 min后,用蒸餾水沖洗3次,并在蒸餾水中浸種24 h后,將種子置于墊有潤濕紗布的發芽盒中。萌發試驗在溫度(25±1)? ℃,相對濕度35%的恒溫恒濕培養箱中進行。萌發過程中每日16:00-18:00觀察并統計種子發芽個數,同時稱量補充已損失水分。種子發芽以露白為標準,萌發總天數為種子置培養箱當天至連續3 d不發芽截止的天數。待發芽結束后(第11 天),選取5個年限的正常種苗(每個重復隨機選取10株幼苗進行測定)用方格紙測量芽長,并按以下公式計算萌發率、萌發勢、發芽指數、活力指數[11-14]。
GP=n1/N×100%(1)
GE=n2/N×100%(2)
GI=∑(Gt/Dt)(3)
VI=GP×L(4)
其中:GP為萌發率,GE為萌發勢,GI為發芽指數,VI為活力指數,n1為正常發芽的種子數,n2為單日發芽種子數出現高峰前的所有發芽種子數,N為供試種子總數,L為芽長(cm),Gt為第t天的發芽數,Dt為相應的發芽時間(d)。
1.2.2 種子含水量測定 本試驗嚴格按照國際種子檢驗協會檢驗規程[15],對每個年限貯藏后的紅砂種子含水量進行測定。每個年限稱取約? 4.5 g(共67.5 g)籽粒飽滿均一、無蟲害的紅砂種子,放入鋁盒并進行稱量,并設置3次重復。將供試鋁盒蓋全部開啟后,迅速放入130 ℃的烘箱內,烘干2 h。到達預定時間后,蓋好鋁盒蓋,迅速放入干燥器里冷卻干燥后進行稱量。
種子含水量計算公式為:種子含水量=? (M2-M1)/(M2-M3)×100%
其中,M1為鋁盒及蓋子和樣品烘干后總質量(g),M2為鋁盒及蓋子和樣品烘干前總質量(g),M3為鋁盒及蓋子的總質量(g)。
1.2.3 生理指標的測定 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性:SOD活性采用氮藍四唑還原法[16]測定。稱0.20 g吸脹的紅砂種子放入預冷的研缽中,加入2 mL 0.05 μmol/L pH 7.8的磷酸緩沖液研磨成勻漿,再用緩沖液定容至10 mL,在4 ℃條件下12 000 r/min離心20 min,以0.1 mL上清液(粗酶液)為A液,加B液(1.5 mL 50 mmol/L磷酸緩沖液,0.3 mL 130 mmol/L甲硫氨酸溶液,0.3 mL 750 μmol/L氮藍四唑溶液,0.3 mL 20 μmol/L核黃素溶液,0.3 mL 100 μmol/L EDTA-Na2溶液,蒸餾水0.1 mL)測定SOD活性,2支對照管加樣只需將A液換為蒸餾水即可,1支遮光處理,1支同測試管一起在25 ℃ 4 000 lx光照度下光還原15 min。以暗處理管為對照,采用酶標儀(spectra MAX 190,美國)在560 nm波長處測定吸光度值用以計算酶活性,每個年限設置4次生物學重復(各生理指標重復數相同)。
可溶性糖(soluble sugar,SS)含量:SS含量采用蒽酮-乙酸乙酯比色法[17]測定。稱0.20 g吸脹的紅砂種子放入預冷的研缽中,加入蒸餾水研磨成勻漿,并定容至10 mL,于沸水中提取30 min(提取兩次),取0.5 mL于20 mL試管中,加蒸餾水1.5 mL,再加0.5 mL蒽酮-乙酸乙酯溶液以及5 mL濃硫酸,并設空白對照(不加樣液),采用酶標儀在630 nm波長處測定吸光度值。
可溶性蛋白(soluble protein,SP)含量:SP含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[18]。稱? 0.20 g吸脹的紅砂種子放入預冷的研缽中,加蒸餾水研磨并定容至10 mL,取3 mL勻漿離心,吸取0.5 mL上清液,加0.5 mL蒸餾水,5 mL考馬斯亮藍G-250試劑混勻,放置2 min后,采用酶標儀在595 nm波長處測定吸光度值。
丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量:MDA含量采用高俊鳳[19]的方法測定。稱0.20 g吸脹的紅砂種子放入預冷的研缽中,加入2 mL 10%三氯乙酸溶液,研磨并定容至5 mL,3 000?? r/min離心10 min,上清液即為樣品提取液。取上清液1 mL,對照管加1 mL蒸餾水,分別加2 mL?? 0.6%硫代巴比妥酸溶液,混勻后置于沸水浴中煮15 min,冷卻后離心取上清液,采用酶標儀分別在450 nm、532 nm和600 nm波長處測定吸光? 度值。
1.2.4 解剖結構的觀測 隨機選取不同貯藏年限的種子各20粒,共100粒種子(約0.14 g),經FAA[無水乙醇∶37%甲醛∶冰乙酸=18∶1∶1(體積比)]固定48 h冷藏后,制作石蠟切片,植物番紅染色液染色2 h,再將切片放入不同濃度梯度的酒精中脫色3~8 s,再用植物固綠染色液染色20 s后二次脫色,最后中性樹膠封片[20]。NIKON E100顯微鏡對各年限紅砂種子胚結構進行觀察,NIKON DS-U3成像系統拍照。
1.3 數據處理
用EXCEL 2019軟件進行萌發指標及生理指標的計算和制圖,圖表中數據均為“平均值±標準差”。利用SPSS 21.0軟件中的單因素(One-way ANOVA)和Duncans法進行萌發指標及生理指標的方差分析和多重比較(α=0.05),?? P<0.05代表差異顯著。采用Pearson相關分析方法分析萌發指標和生理指標之間的關系。
2 結果與分析
2.1 不同貯藏年限對紅砂種子萌發特性的影響
由圖1和表1可知,隨貯藏年限的增加,紅砂種子萌發指標均呈逐漸降低的趨勢。在0~2 a的貯藏期內,種子萌發指標下降趨勢較小,而在? 3~4 a的貯藏期內,種子萌發指標下降趨勢明顯。其中貯藏2 a和3 a的種子萌發指標變化最大,貯藏4 a的種子萌發指標顯著低于(P<0.05)0~3 a的種子。此外從萌發率曲線可以看出,貯藏0~2 a的種子萌發速率也大于3~4 a的種子??傮w來看,室溫貯藏1 a的紅砂種子,其萌發效果? 最佳。
2.2 不同貯藏年限對紅砂種子含水量的影響
由圖2可知,紅砂種子含水量隨貯藏年限的增加逐漸減小。當年采收的種子含水量最高,與貯藏1 a相比差異不顯著(P>0.05),與2~4 a相比差異顯著(P<0.05),貯藏2 a和3 a的種子含水量差異顯著(P<0.05)且降幅最大為? 21.76%。貯藏4 a的種子含水量最低,顯著低于貯藏0~2 a的種子(P<0.05)。
2.3 不同貯藏年限對紅砂種子超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響
由圖3可知,紅砂種子SOD活性隨貯藏年限的增加呈先增加后降低的趨勢,至第4 年降至最低,僅為44.31 U/g。其中貯藏1 a的種子SOD活性最高,達到170.67 U/g,與其他各貯藏年限相比差異顯著(P<0.05),貯藏1 a和2 a的種子SOD活性變化最大,降幅為37.35%。
2.4 不同貯藏年限對紅砂種子內部代謝物質含量的影響
紅砂種子可溶性糖(SS)和可溶性蛋白(SP)含量隨著貯藏年限的增加都呈先增加后降低的趨勢(圖4-A,4-B),且均在貯藏1 a時達到峰值,分別為5.15 mg/g、4.37 mg/g,在貯藏4 a時降至最低,分別為2.82 mg/g、2.38 mg/g,與其他年限相比差異顯著(P<0.05)。其中SS含量在貯藏3 a和4 a間降幅最大為31.88%,SP含量在貯藏1 a和2 a間降幅最大為24.54%。紅砂種子MDA含量隨著貯藏年限的增加呈逐漸升高的趨勢(圖4-C),當年采收的種子MDA含量最低,僅為3.97 μmol/g,顯著低于其他年限(P<0.05),貯藏4 a種子MDA含量最高,達到14.28?? μmol/g,顯著高于其他貯藏年限? (P<0.05)。其中貯藏1 a和2 a的種子MDA含量增幅最大,為? 96.30%。
2.5 貯藏年限對紅砂種子胚解剖結構的影響
由圖5可以看出,室溫貯藏條件下,各年限種子隨著貯藏年限的增加,種子胚與種皮之間的間隙逐漸增大。
貯藏2 a的種子胚表層薄壁細胞結構被破壞,種皮薄壁細胞出現破裂現象而且界限不明顯(圖5-C);貯藏3~4 a的種子胚,其子葉逐漸減?。▓D5-D),薄壁細胞排列散亂,種皮薄壁細胞厚度減小(圖5-E),染色劑著色效果較差,但種子胚的薄壁細胞染色程度卻進一步加深。
2.6 各貯藏年限紅砂種子生理指標與萌發指標的相關性
由表2可知,不同貯藏年限的紅砂種子MDA含量與各萌發指標呈極顯著負相關(P 0.05);可溶性糖含量與萌發勢呈負相關,與萌發率、發芽指數、芽長和活力指數呈正相關,相關性不顯著;可溶性蛋白含量與各發芽指標均呈正相關,相關性不顯著;各萌發指標(萌發勢除外)與SOD活性呈負相關,相關性不顯著;含水量與各萌發指標均呈極顯著正相關(P<0.05)。
3 討? 論
3.1 不同貯藏年限紅砂種子的萌發特性
種子壽命和活力反映了種子質量及其綜合特性,高活力種子擁有在惡劣環境條件下正常萌發和出苗的能力[21]。芽長、萌發率和萌發勢等是種子活力狀況評價的重要指標,種子活力越高則其抗逆能力越強[22]。本研究發現,紅砂種子萌發指標隨貯藏年限的增加逐漸降低,其在貯藏的0~? 2 a內均能正常萌發,萌發指標也都比較高。但在貯藏第3年時,由于種子內部營養物質的損失,其萌發指標均有大幅度的下降,這與老芒麥 (Elymus sibiricus) 和燕麥(Avena sativa) 種子的貯藏研究得出的結果一致[23-24]。試驗表明,室溫貯藏條件下,紅砂種子活力變化的節點在貯藏第? 2~3 年,考慮到維持種子高活力的因素,紅砂種子安全的貯藏年限應保持在2 a之內。
3.2 不同貯藏年限紅砂種子SOD活性的變化
SOD是抗氧化系統中重要的保護酶,可以通過歧化作用清除種子細胞內積累的活性氧自由基,種子SOD活性越高則其抗氧化能力越強,種子活力也越高[25]。本研究發現,貯藏0~1 a的紅砂種子SOD活性較高,說明種子活力較高,抗逆能力強。貯藏第3年活性氧自由基迅速積累,SOD活性急劇下降,種子活力隨之減弱,這與常海文[26]對貯藏3 a的沙蔥(Allium mongolicum)種子SOD活性的研究得出的結果一致。筆者推測,種子貯藏初期,活性氧自由基增加,為清除活性氧自由基維持代謝平衡SOD活性升高,但隨著貯藏年限的延長,活性氧自由基進一步積累,代謝平衡被破壞,SOD活性持續降低。
3.3 不同貯藏年限紅砂種子內部相關物質含量的變化
首先,種子含水量與其貯藏時間密切相關,種子貯藏過程中含水量的變化會對其活力及耐貯性產生較大影響[27]。本研究發現,隨著貯藏年限的增加紅砂種子的水分逐漸減少,種子含水量與其萌發指標呈正相關,這與辛慧慧[28]對不同貯藏年限紅豆草(Onobrychis viciaefolia)種子含水量對萌發指標的研究結果類似。由此得出,室溫貯藏條件下,紅砂種子在0~2 a的貯藏期內含水量不會影響其生活力,種用價值未受影響。
其次,貯藏1 a的種子其呼吸速率加快,種子內各類大分子物質轉化為可溶性糖[29],其含量較當年采收有所增加,但隨著貯藏年限的延長,種子內部生理生化反應持續消耗可溶性糖,其含量開始下降,這與披堿草(Elymus nutans)和藍莖冰草(Agropyrom smithii)種子可溶性糖含量隨貯藏時間的增加先升高后降低的情況一致[30-31]。可溶性蛋白為植物的生長發育提供了氮素營養,在老化種子內蛋白質發生羰基化作用使蛋白質功能特性消失,影響正常的糖酵解、三羧酸循環等生化過程[32]。有研究表明,苜蓿(Medicago sative)種子、沙芥(Pugionium cornutum)種子和沙蔥(Allium mongolicum)種子在貯藏過程中,其可溶性糖含量均呈現出先升高后降低的趨勢[33-35]。本研究發現,貯藏1 a的紅砂種子可溶性蛋白含量最高,但從第3年起其含量開始下降,貯藏第4年時降至最低。由此推測紅砂種子在貯藏后期,其內部物質能量代謝受到影響,薄壁細胞逐漸被破壞,導致細胞無法合成新的蛋白質,造成可溶性蛋白含量降低,種子活力下降。
再次,MDA是植物膜脂過氧化的最主要產物之一,可以反映種子生物膜系統受毒害的程度[36]。方驕陽等[37]研究得出,隨著貯藏時間的變化香椿[Toona sinensis (A.Juss)Rem]種子內MDA含量逐漸增加,這與本試驗結果一致。筆者發現室溫貯藏條件下,隨著貯藏年限的增加MDA含量逐漸增加。尤其在貯藏2 a和貯藏3 a間的增加幅度最為明顯。因此推測,貯藏第3年時種子老化程度加劇,脂膜過氧化物增加,種子內環境進一步惡化,MDA迅速增加。
3.4 不同貯藏年限紅砂種子種胚顯微結構特征
種子胚細胞結構的完整性與其貯藏時間密切相關[38],種胚細胞的畸變和細胞膜結構的損傷將導致種子活力下降[39]。本研究發現,各貯藏年限的紅砂種子,在種子胚的薄壁細胞結構及染色液著色情況上均有較大差異。在貯藏0~1 a時,種子胚與種皮間的間隙較小,二者薄壁細胞排列緊密,膜結構比較完整,但隨著貯藏年限的增加,胚外層薄壁細胞被損害,染色程度加深,這些現象與紅砂種子的SOD活性、MDA含量密切相關。在貯藏初期,種子內部抗氧化酶活性較高,胚部細胞受損傷程度小,細胞膜結構完整。貯藏后期, MDA含量增高,細胞受毒害程度加劇,細胞膜結構遭到破壞,薄壁細胞破裂,種子活力降低。胚的薄壁細胞染色逐漸加深的原因則是,隨著種子貯藏年限的增加,其木質化程度越來越高[40],因為番紅能將細胞內的木質素染成紅色,故胚的薄壁細胞呈現出了著色逐漸加深的現象。同時筆者也發現貯藏年限為3~4 a的紅砂種子,其含水量已經達到超干狀態,種子因吸脹損傷嚴重而出現了子葉逐漸縮小的情況。
4 結? 論
在室溫貯藏條件下,紅砂種子活力變化的節點在2~3 a之間,貯藏4 a以上的種子已基本喪失種用價值。采收后貯藏1 a的種子可溶性糖和蛋白含量最高,細胞膜及細胞器結構完整。在紅砂的育種和栽培過程中,建議以貯藏1 a的種子為播種材料。
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Effects of Different Storage Years on Physiological Characteristics and Embryo Structure of Reaumuria soongorica Seeds
Abstract
In this study, Reaumuria soongorica seeds stored at room temperature for 0-4 a were used as experimental materials, the germination index, physiological index and embryo microstructure of Reaumuria soongorica seeds with different storage years were measured to explore the changes in seed vigor, physiology and microstructure during storage and aging. The results showed that the bud length, germination rate, germination potential, germination index, vigor index and water content of Reaumuria songarica seeds decreased gradually with the increasing storage years. The activity of superoxide dismutase (SOD), the contents of soluble sugar (SS) and soluble protein (SP) increased and then decreased, while the content of malondialdehyde (MDA) increased gradually. The germination index of Reaumuria songarica seeds was negatively correlated with MDA content (P<0.05), and positively correlated with SS and SP. Seeds harvested in the current year, had closely arranged embryo cells, whereas seeds stored of 3-4 years exhibited disordered embryo cell arrangement, the degree of lignification deepened and the colouring effect was obvious, and the phenomenon of gradual shrinkage with cotyledons was also observed. In conclusion, the water content, MDA and SP content of Reaumuria songarica seeds can accurately reflect their viability, and the node of seeds vigor change were between 2-3 a. In the production, it is recommended to select seeds stored at room temperature for 1 year post-harvest as sowing materials. The results of this experiment provide a theoretical for the vigor repair and safe storage of Reaumuria songarica seeds in the future.
Key words Reaumuria soongorica seeds; Storage life; Seed vigor; Physiological indicators; Microstructure of seed embryo