-
种子是植物的主要繁殖器官,种子质量的优劣往往会对种苗的培育以及种质资源的安全贮藏造成影响;但种子在完成生理成熟之后,其活力会不断下降直至完全丧失活力,该过程被称为种子老化[1-2]。种子老化会直接影响种子的质量,田间出苗率、出苗整齐度和幼苗质量也会受到一定程度的影响[3-4]。目前,关于种子老化的研究对象大多为蔬菜类和农作物的种子,对林木种子的相关研究数量较少。综合相关文献发现,在种子老化的同时伴随着众多复杂的理化变化,包括膜透性、酶活性、贮藏物质含量、有毒有害物质积累等多个方面的变化[1, 5],但种子老化真正的机理目前尚无定论。
香椿(Toona sinensis (A. Juss.) Roem.)在我国种植广泛,具有材用、食用、药用和观赏等多种重要价值,在世界上享有“中国桃心木”的美称[6-7]。目前,香椿苗木的培育主要采用种子繁殖法[8],但香椿结实存在“大小年”现象,且种子在贮藏过程中极易丧失活力,常温贮藏半年后,种子发芽率由95%降至50%,贮藏1年后,种子完全失活[9-10],这严重限制了香椿种子在生产实际中的应用及香椿种质资源的保存。目前,对于香椿种子活力及种质资源保存的研究主要集中在种源[11]、贮藏温度和含水量[12]、植物生长调节剂[13]等方面,而对于香椿种子老化过程中生理生化的变化及其老化机理的探究相对较少。本文以香椿种子为试验材料,研究人工加速老化对于香椿种子萌发的影响以及生理生化的变化,分析各指标的变化规律及其与种子活力变化的关系,探究香椿种子老化的主要内因并筛选可用于衡量香椿种子活力水平的理化指标,以期为香椿种子活力修复及种质资源保存的相关研究提供理论依据。
-
表1表明:高温高湿(温度40℃,相对湿度95%)的环境条件下,香椿种子活力明显降低。发芽率、发芽指数和活力指数变化一致,3个发芽指标在种子老化过程中均表现为逐步下降的变化规律。在老化初期1~4 d发芽率的降速较缓慢,后期5~7 d发芽率快速下降;发芽指数和活力指数的快速下降期为老化初期1~2 d,后期下降变缓,这表明香椿种子在老化初期活力虽然有所下降,但种子在发芽试验过程中仍然可以萌发。由表1中数据可得,老化后的香椿种子活力显著下降,老化4 d的种子发芽率较对照下降36%,发芽指数和活力指数的降幅分别为52%和50%;老化8 d的种子发芽率较对照下降98%,发芽指数和活力指数的降幅分别为98%和99%,种子活力基本完全丧失。分析数据可得,香椿种子老化天数相同时,发芽指数和活力指数的降幅(与对照相比)高于发芽率的降幅(与对照相比),这说明发芽指数和活力指数可以更好的反映香椿种子的质量,对于香椿种子老化程度的变化更敏感。在人工加速老化的条件下,香椿种子发芽率在8 d内从88.50%降至1.50%,发芽指数和活力指数分别从3.99、48.50降至0.06、0.57,这表明老化会对香椿种子造成严重损害,种子活力降低,萌发能力减弱,整齐度下降。
表 1 人工老化对香椿种子萌发的影响
Table 1. Effect on seed germination of T. sinensis in artificial aging
老化时间
Artificial aging
time/d发芽率
Germination
rate/%发芽指数
Germination
index活力指数
Vigor
index0 88.50±2.06 a 3.99±0.04 a 48.50±0.69 a 1 78.00±0.82 b 3.32±0.08 b 38.48±0.41 b 2 71.50±1.50 c 2.45±0.10 c 26.77±1.35 c 3 61.00±1.29 d 2.38±0.05 c 26.71±1.30 c 4 56.50±1.71 d 1.91±0.10 d 24.46±0.26 d 5 37.00±2.52 e 1.45±0.13 e 17.36±0.50 e 6 16.50±2.06 f 0.43±0.07 f 4.05±0.41 f 7 4.00±0.82 g 0.20±0.02 g 2.02±0.20 fg 8 1.50±0.50 g 0.06±0.00 g 0.57±0.01 g 注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note: Data with different lowercase letters in the same column are highly significantly different (P<0.05). -
由图1可看出:在人工老化过程中,香椿幼苗根长呈先下降后上升再下降的趋势,苗高在老化初期保持稳定,后期呈逐渐下降趋势。在老化初期1~3 d,幼苗根长显著降低,根部的生长受到抑制,根长较对照显著降低17%;老化末期8 d时,幼苗根长较对照显著下降22%;在老化3~7 d过程中,相邻两天幼苗根长无显著变化。在老化5 d时,幼苗苗高显著降低,幼苗的高生长受到抑制,苗高较对照显著下降11%;随着老化程度的加深,幼苗高生长受抑制程度不断加深,在老化7 d时,幼苗苗高较对照显著下降29%。由此可见,随着香椿种子活力的下降,幼苗的高生长和根部的生长均受到抑制,在老化前期,受到影响的主要是幼苗根部,表现为幼苗根长变短,而苗高的变化相对滞后,在老化后期,幼苗苗高显著降低,幼苗的高生长受到抑制。
-
由图2可看出:经人工老化处理后的香椿种子浸出液相对电导率均高于对照,表明膜系统可能在人工老化过程中受损。随着老化处理时间的延长,香椿种子浸出液相对电导率逐渐升高,与种子活力的变化规律相反,说明种子浸出液相对电导率的变化可能与香椿种子的活力水平有关。老化1~2 d的种子相对电导率与对照相比无显著差异,说明在老化初期膜系统受损程度较轻的情况下,香椿种子内部可能存在修复机制。随着老化天数增加,相对电导率显著升高,老化3 d的香椿种子浸出液相对电导率为30%,显著高于对照,增幅为51%;老化6 d时,种子浸出液相对电导率为35%,增幅为76%;老化7 d时,种子浸出液相对电导率达到峰值40%,是对照的2倍。这可能是由于在老化过程中,膜系统持续受损,生物膜透性不断增大,内含物质外渗量增加所致。
-
图3表明:香椿种子MDA含量总体表现出上升的变化趋势,这与种子浸出液相对电导率的变化规律相一致,与种子活力的变化规律相反,意味着MDA含量或许可以在一定程度上反应香椿种子的活力水平。老化后的香椿种子MDA含量均高于对照,老化2 d的香椿种子MDA含量显著高于对照25%,老化6 d时,MDA含量显著高于对照52%,老化8 d时,MDA含量达到顶峰,显著高于对照62%。图3的变化趋势显示,在种子老化的过程中,随着种子活力的下降,MDA含量升高,而MDA是脂质过氧化的主要产物,因此,推测伴随着种子的老化,种子内不饱和脂肪酸可能受到活性氧攻击,脂质过氧化程度逐渐加深,致使MDA含量升高。
-
从图4可看出:随着香椿种子老化程度的加深,种子SOD活性呈先上升后下降的变化趋势。老化1 d时,种子SOD活性显著升高,为对照的3倍;老化4 d时,种子SOD活性达到最大,为对照的6倍;在老化后期7~8 d时,SOD活性较老化4 d时显著下降;与老化4 d相比,老化7 d的种子SOD活性显著下降20%,老化8 d的种子SOD活性降低更多,显著下降53%,但老化后的香椿种子SOD活性均显著高于对照。这表明在高温高湿的环境条件下,香椿种子内的抗氧化酶系统可能产生了一定程度的应激反应,随着种子的老化,SOD活性显著升高,对超氧自由基的清除能力加强,同时产生大量过氧化氢。之后随着种子老化程度的加剧,SOD活性也随之降低,可能导致超氧自由基大量产生并发生积累,加重对种子的毒害。在香椿种子老化初期,SOD活性即出现显著升高,可见SOD对香椿种子老化反应灵敏,可能在香椿种子抗氧化酶系统中起主要作用。
图 4 人工老化过程中香椿种子SOD和POD活性的变化
Figure 4. Changes in SOD and POD activity of T. sinensis seeds during artificial aging
POD活性随着种子老化时间的延长,同样呈先上升后下降的变化趋势。老化2 d时,种子POD活性比对照显著升高27%;在种子老化3 d时POD活性达到顶峰,显著高于对照34%,随后开始下降;与老化3 d相比,老化4 d的种子POD活性显著下降28%,老化5 d时,种子POD活性显著下降44%;在老化后期5~8 d,种子POD活性存在略微波动,但差异不显著,与对照相比,老化5 d的种子POD活性显著下降25%。综上分析可得,在香椿种子轻度老化的 情况下,POD可能对其具有保护效应,表现为种子内POD活性在一定程度上有所上升,但随着种子老化时间的延长,POD活性显著下降,清除过氧化氢的能力降低,种子内过氧化氢可能大量积累,加速种子死亡。
-
表2表明:不同老化程度的香椿种子浸出液相对电导率和MDA含量与各发芽指标呈极显著负相关(α=0.01(双侧));相对电导率与发芽率的相关性最高,相关系数为−0.919,MDA含量与发芽指数的相关性最高,相关系数为−0.884;POD活性与各发芽指标呈极显著正相关(α=0.01),相关系数分别为0.599、0.546、0.508,SOD活性与发芽率呈显著负相关(α=0.05),相关系数为−0.393,与发芽指数和活力指数呈极显著负相关(α=0.01),相关系数分别为−0.485、−0.491。综合结果表明:相对电导率、MDA含量和POD活性这3个理化指标与香椿种子各发芽指标均呈极显著相关,适用于香椿种子活力评价。
表 2 香椿种子生理生化指标与发芽指标的相关性分析
Table 2. The correlation analysis on the vigor of T. sinensis seeds and physiological and biochemical indexes in artificial aging
发芽率
Germination
rate发芽指数
Germination
index活力指数
Vigor
index相对电导率Relative
electrical conductivity−0.919** −0.906** −0.888** MDA含量MDA content −0.840** −0.884** −0.877** SOD活性SOD activity −0.393* −0.485** −0.491** POD活性POD activity 0.599** 0.546** 0.508** 注:*和**分别表示在0.05水平(双侧)和0.01水平(双侧)上显著相关。
Note: * and ** mean that correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed), 0.01 level (2-tailed), respectively.
香椿种子人工老化过程中生理生化的变化
Physiological and Biochemical Changes of Toona sinensis Seeds During Artificial Aging
-
摘要:
目的 通过测定不同老化程度香椿种子的发芽指标、幼苗形态指标和生理生化指标,探究香椿种子人工老化过程中种子活力及其生理生化的变化,为香椿种子老化机制及种子活力修复研究奠定基础。 方法 采用高温高湿(40℃、相对湿度95%)的人工老化方法对供试种子处理1、2、3、4、5、6、7、8 d,测定各处理种子发芽指标、幼苗形态指标、相对电导率、MDA含量和抗氧化酶活性等指标。 结果 香椿种子经老化处理后,种子活力显著下降,相对电导率和MDA含量显著上升。在种子老化过程中,发芽率、发芽指数和活力指数逐渐降低,相对电导率和MDA含量总体呈上升趋势,SOD活性和POD活性表现为先升高后降低的趋势,且SOD对于香椿种子的老化更敏感。相关分析表明:相对电导率、MDA含量与种子发芽指标呈极显著负相关,POD活性与种子发芽指标呈极显著正相关,SOD活性与发芽率呈显著负相关,与发芽指数和活力指数呈极显著负相关。 结论 膜脂过氧化作用和抗氧化酶系统功能失调是香椿种子老化的主要原因,相对电导率、MDA含量和POD活性可用于衡量香椿种子的活力水平。 Abstract:Objective To investigate the seed vigor and physiological and biochemical changes of Toona sinensis seeds during artificial aging by measuring the germination indexes, seedling morphological indexes, physiological and biochemical indexes of T. sinensis seeds at different aging degrees. Method T. sinensis seeds were treated with artificial aging at high temperature (40℃) and high humidity (RH 95%) for 1 to 8 days respectively. The seed germination indexes, seedling morphological indexes, relative electrical conductivity, MDA content, and antioxidant enzyme activity were measured after treatment. Result After the aging treatment, the seed vigor of T. sinensis decreased significantly, the relative electrical conductivity and MDA content increased significantly. During the aging process of seeds, the germination rate, germination index, and vigor index gradually decreased, the relative electrical conductivity and MDA content showed an increasing tendency, the activity of SOD and POD went up at initial and then went down along the seeds aging, and SOD was more sensitive to the aging of T. sinensis seeds. The correlation analysis indicated the relative electrical conductivity and MDA content had extremely and significantly negative correlation with seed germination indexes, while the POD activity showed a extremely and significantly positive correlation with seed germination indexes, the SOD activity was significantly and negatively correlated with germination rate, and extremely and significantly positive correlated with germination index and vigor index. Conclusion The peroxidation of membrane lipids and the dysfunction of the antioxidant enzyme system are the main reasons causing the aging of T. sinensis seeds. The relative electrical conductivity, MDA content and POD activity can be used to measure the vigor level of T. sinensis seeds. -
Key words:
- Toona sinensis
- / artificial aging
- / seed vigor
- / antioxidant enzyme
-
表 1 人工老化对香椿种子萌发的影响
Table 1. Effect on seed germination of T. sinensis in artificial aging
老化时间
Artificial aging
time/d发芽率
Germination
rate/%发芽指数
Germination
index活力指数
Vigor
index0 88.50±2.06 a 3.99±0.04 a 48.50±0.69 a 1 78.00±0.82 b 3.32±0.08 b 38.48±0.41 b 2 71.50±1.50 c 2.45±0.10 c 26.77±1.35 c 3 61.00±1.29 d 2.38±0.05 c 26.71±1.30 c 4 56.50±1.71 d 1.91±0.10 d 24.46±0.26 d 5 37.00±2.52 e 1.45±0.13 e 17.36±0.50 e 6 16.50±2.06 f 0.43±0.07 f 4.05±0.41 f 7 4.00±0.82 g 0.20±0.02 g 2.02±0.20 fg 8 1.50±0.50 g 0.06±0.00 g 0.57±0.01 g 注:同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
Note: Data with different lowercase letters in the same column are highly significantly different (P<0.05).表 2 香椿种子生理生化指标与发芽指标的相关性分析
Table 2. The correlation analysis on the vigor of T. sinensis seeds and physiological and biochemical indexes in artificial aging
发芽率
Germination
rate发芽指数
Germination
index活力指数
Vigor
index相对电导率Relative
electrical conductivity−0.919** −0.906** −0.888** MDA含量MDA content −0.840** −0.884** −0.877** SOD活性SOD activity −0.393* −0.485** −0.491** POD活性POD activity 0.599** 0.546** 0.508** 注:*和**分别表示在0.05水平(双侧)和0.01水平(双侧)上显著相关。
Note: * and ** mean that correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed), 0.01 level (2-tailed), respectively. -
[1] 刘 娟, 归 静, 高 伟, 等. 种子老化的生理生化与分子机理研究进展[J]. 生态学报, 2016, 36(16):4997-5006. [2] 祝煜中, 夏黎明, 竺思仪, 等. 人工老化的甜玉米种子活力、生理特性和遗传多样性的变化[J]. 华南农业大学学报, 2018, 39(1):25-30. [3] Groot S P C, Surki A A, de Vos R C H, et al. Seed storage at elevated partial pressure of oxygen, a fast method for analysing seed ageing under dry conditions[J]. Annals of Botany, 2012, 110(6): 1149-1159. doi: 10.1093/aob/mcs198 [4] 薛梅真. 人工老化对玉米种子萌发初期可溶性糖类代谢关键酶及相关基因表达的影响[D]. 郑州: 河南农业大学, 2017. [5] Kaewnaree P, Vichitphan S, Klanrit P, et al. Effect of accelerated aging process on seed quality and biochemical changes in sweet pepper (Capsicum annuum Linn.) seeds[J]. Biotechnology, 2011, 10(2): 175-182. doi: 10.3923/biotech.2011.175.182 [6] 彭方仁, 梁有旺. 香椿的生物学特性及开发利用前景[J]. 林业科技开发, 2005, 19(3):3-6. doi: 10.3969/j.issn.1000-8101.2005.03.001 [7] 高鷃铭, 李凤玉, 肖祥希, 等. 香椿叶、花和种子的挥发性化学成分研究[J]. 福建师范大学学报(自然科学版), 2016, 32(5):59-65. [8] 朱世东, 斐孝伯, 张志伟. 香椿种子衰老机理[J]. 安徽农业科学, 1999, 27(1):62-63. [9] 金 波, 东惠茹. 香椿种子及贮藏过程中的生理变化[J]. 上海农业学报, 1991, 7(4):38-42. [10] 梁有旺, 彭方仁, 陈德平. 香椿不同种源和优良单株的种子品质差异性分析[J]. 植物资源与环境学报, 2006, 15(04):42-47. doi: 10.3969/j.issn.1674-7895.2006.04.008 [11] 郝明灼, 陈德根, 彭方仁, 等. 8个种源香椿种子性状及芽苗菜产量和品质比较[J]. 浙江农林大学学报, 2012, 29(2):180-184. doi: 10.3969/j.issn.2095-0756.2012.02.005 [12] 张海波, 杨桂娟, 高卫东, 等. 香椿种子特定贮藏条件下活力变化的研究[J]. 林业科学研究, 2019, 32(2):152-159. [13] 康 冰, 陈彦生, 张小红. GA3、6-BA及IAA对香椿种子发芽及幼苗生长的影响(简报)[J]. 植物生理学通讯, 2001, 37(5):399-400. [14] GB 2772-1999 林木种子检验规程[S]. 北京, 2000. [15] 刘子凡. 种子学实验指南[M]. 北京: 化学工业出版社, 2011. [16] 蔡春菊, 范少辉, 刘 凤, 等. 毛竹种子人工老化过程中生理生化变化[J]. 林业科学, 2013, 49(8):29-34. [17] 乔燕祥, 周建萍, 田齐建, 等. 大豆种子老化过程中生理特性变化的研究[J]. 植物遗传资源学报, 2010, 11(5):616-620. [18] 王玉娇, 吴 薇, 郭忠军, 等. 小麦种子老化处理对发芽指标及根系的影响[J]. 核农学报, 2018, 32(12):2423-2430. doi: 10.11869/j.issn.100-8551.2018.12.2423 [19] 何学青, 陶奇波, 亚•海拉提, 等. 柳枝稷种子活力及幼苗生长对人工老化处理的响应[J]. 草地学报, 2016, 24(4):834-840. [20] 刘旭欢, 贾永红, 阿里别里根•哈孜太, 等. 人工老化对春小麦种子萌发及根尖超微结构的影响[J]. 西北植物学报, 2015, 35(4):761-765. [21] 武彦芳, 张 建, 祈 茜, 等. 不同老化处理对蒲公英种子以及幼苗质量的影响[J]. 种子, 2017, 36(4):32-35. [22] 韩 瑞. 人工老化水稻种子生理生化变化、DNA损伤及活力恢复的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012. [23] 周国栋. 种子老化对老芒麦种质生理特性及遗传完整性变化的影响[D]. 北京: 中国农业科学院, 2012. [24] 孔治有, 刘叶菊, 覃 鹏. 40℃加速老化处理对小麦种子生理生化特性的影响[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(12):6155-6157. doi: 10.3969/j.issn.0517-6611.2010.12.030 [25] 张永娟, 韩 蕊, 原 烨, 等. 罗布麻种子老化过程中的生理生化特性[J]. 草业科学, 2011, 28(12):2130-2135. [26] Parkhey S, Naithani S C, Keshavkant S. ROS production and lipid catabolism in desiccating Shorea robusta seeds during aging[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2012, 57: 261-267. doi: 10.1016/j.plaphy.2012.06.008 [27] Roach T, Beckett R P, Minibayeva F V, et al. Extracellular superoxide production, viability and redox poise in response to desiccation in recalcitrant Castanea sativa seeds[J]. Plant, Cell & Environment, 2010, 33(1): 59-75. [28] Yin H, Xu L, Porter N A. Free radical lipid peroxidation: mechanisms and analysis[J]. Chemical Reviews, 2011, 111(10): 5944-5972. doi: 10.1021/cr200084z [29] Niki E, Yoshida Y, Saito Y, et al. Lipid peroxidation: Mechanisms, inhibition, and biological effects[J]. Biochemical and Biophysical Research Communications, 2005, 338(1): 668-676. doi: 10.1016/j.bbrc.2005.08.072 [30] Goel A, Goel A K, Sheoran I S. Changes in oxidative stress enzymes during artificial ageing in cotton (Gossypium hirsutum L.) seeds[J]. Journal of Plant Physiology, 2003, 160(9): 1093-1100. doi: 10.1078/0176-1617-00881 [31] Balaban R S, Nemoto S, Finkel T. Mitochondria, oxidants, and aging[J]. Cell, 2005, 120(4): 483-495. doi: 10.1016/j.cell.2005.02.001 [32] 梁艳荣, 胡晓红, 张颍力, 等. 植物过氧化物酶生理功能研究进展[J]. 内蒙古农业大学学报(自然科学版), 2003, 24(2):110-113. [33] 孙春青, 杨 伟, 戴忠良, 等. 人工老化处理对结球甘蓝种子生理生化特性的影响[J]. 西北植物学报, 2012, 32(8):1615-1620. doi: 10.3969/j.issn.1000-4025.2012.08.017 [34] 杨淑慎, 高俊凤. 活性氧、自由基与植物的衰老[J]. 西北植物学报, 2001, 21(2):215-220.