探討高效促進(jìn)種子萌發(fā)的新策略

孟繁茵，楊 振

(天津南開(kāi)中學(xué) 天津 300100)

活性氧，是指帶有一個(gè)不成對(duì)電子的氧自由基及其活性衍生物，它是一種既可以得電子又可以失電子的活性基團(tuán)，可以活躍地參加到體內(nèi)各類生化反應(yīng)中。[1]活性氧可以在成熟的植物體內(nèi)合成，是植物對(duì)外界環(huán)境的一種調(diào)節(jié)，但由于活性氧的活性極高，過(guò)多積累時(shí)會(huì)對(duì)植物本身產(chǎn)生極大的損傷。而瞬時(shí)活性氧會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)結(jié)合成不活躍的氧氣，減少對(duì)植物的損害。

種子休眠是植物在長(zhǎng)期系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中形成的抵抗不良環(huán)境條件的適應(yīng)性，是調(diào)節(jié)種子萌發(fā)的最佳時(shí)間和空間分布的有效方法，具有普遍的生物學(xué)意義。這種特性對(duì)種子本身有利，但對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)卻不一定有利，會(huì)引起出苗不齊等問(wèn)題。[2]打破種子休眠的方法有很多，家庭園藝播種常識(shí)性處理辦法是以一定濃度(通常為 0.5%)的高錳酸鉀溶液浸泡種子后進(jìn)行播種，可以有效提高萌發(fā)率和萌發(fā)速度。

在家庭萌發(fā)豆芽的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高錳酸鉀溶液浸泡反而不如高錳酸鉀迅速處理綠豆種子的發(fā)芽率高，筆者認(rèn)為這可能與含氧物質(zhì)處理時(shí)間以及某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)種子周圍氧濃度有關(guān)，有可能是由于具有瞬時(shí)性的高濃度活性氧在打破種子休眠方面更加具有優(yōu)勢(shì)。經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，H2O2(活性氧的一種)化學(xué)處理法已經(jīng)成為了一種常用的解除休眠的化學(xué)試劑，H2O2和低溫共同處理作為打破預(yù)先干燥的未成熟種子休眠的方法，已經(jīng)被用于小麥加代育種研究，已有報(bào)道稱 H2O2促進(jìn)種子萌發(fā)是通過(guò)其氧化性軟化種皮，但尚沒(méi)有對(duì)由 H2O2分解產(chǎn)生的瞬時(shí)高濃度活性氧促進(jìn)種子萌發(fā)的相關(guān)研究。故本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3種處理辦法，對(duì)比3種不同的活性氧的產(chǎn)生方法處理新鮮和陳舊種子，觀察它們對(duì)萌發(fā)率、萌發(fā)時(shí)間和萌發(fā)后種子狀態(tài)的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

新鮮綠豆(市購(gòu))，陳舊的綠豆種子(家中)，醫(yī)用H2O2(藥店)，醫(yī)用高錳酸鉀(藥店)，二氧化錳(學(xué)校實(shí)驗(yàn)室)，醫(yī)用棉花(藥店)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 種子預(yù)處理

將買來(lái)的綠豆種子用清水洗凈后用棉花吸干表面的水分，將其分為對(duì)照組(采用自來(lái)水浸泡4,min)，瞬時(shí)高濃度活性氧處理組(催化劑下處理H2O2，40,s內(nèi)取出)，過(guò) H2O2常態(tài)處理組(過(guò) H2O2直接處理，4,min)和高錳酸鉀溶液處理組(0.5%高錳酸鉀溶液浸泡4,min)，每個(gè)處理組平行分3組，每一組50粒，同樣方法處理陳舊綠豆種子，每組50粒。

1.2.2 H2O2處理種子(常態(tài)活性氧)

將處理好的種子浸入3%的H2O2中，盡量保證每粒種子與溶液的接觸面積相同，適度攪拌，計(jì)時(shí)4,min將種子取出，放入事先墊好飽和濕潤(rùn)衛(wèi)生紙的培養(yǎng)皿中，在室溫下培養(yǎng)。

1.2.3 H2O2瞬時(shí)處理種子(瞬時(shí)活性氧組)

將處理好的用同樣的方法浸入摻有二氧化錳的3%的 H2O2中，適度攪拌，40,s(瞬時(shí)活性氧能持續(xù)大約45,s)后取出放入培養(yǎng)皿，方法同上。

1.2.4 高錳酸鉀溶液處理種子(溶解活性氧)

將洗凈的種子放入溫水制備 0.5%的高錳酸鉀溶液，適度攪拌，4,min后將種子取出放入培養(yǎng)皿，方法同上。

1.2.5 對(duì)照組處理

將處理好的種子浸入自來(lái)水中，計(jì)時(shí)4,min將種子取出，放入事先墊好飽和濕潤(rùn)衛(wèi)生紙的培養(yǎng)皿中，在室溫下培養(yǎng)。

1.3 收集數(shù)據(jù)

每12,h觀察一次結(jié)果，共觀察12,h。主要觀測(cè)萌發(fā)數(shù)量和發(fā)芽率，發(fā)芽率＝萌發(fā)種子數(shù)/種子總數(shù)，并觀察幼芽生長(zhǎng)情況，將結(jié)果記錄，后期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析(見(jiàn)圖1)。

圖1 實(shí)驗(yàn)操作(擺放種子)Fig.1 Experimental operation(placing seeds)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 綠豆種子處理結(jié)果

瞬時(shí)高濃度活性氧處理對(duì)綠豆種子萌發(fā)的影響明顯高于普通雙氧水制備的常態(tài)活性氧處理組和高錳酸鉀溶液處理組(兩者的處理時(shí)間均為 4,min)，3種處理方法的效果又明顯高于對(duì)照組?？梢?jiàn)活性氧物質(zhì)對(duì)種子萌發(fā)具有明顯的促進(jìn)作用，并且以瞬時(shí)活性氧最為突出(見(jiàn)圖2、表1)。

表1 不同處理方法處理新種子Tab.1 Treatment of fresh seeds

圖2 不同處理方法處理新鮮綠豆萌發(fā)率Fig.2 Germination rate of fresh mung bean seeds treated with different methods

圖3 不同處理方法促進(jìn)綠豆種子萌發(fā)趨勢(shì)關(guān)系圖Fig.3 Relational graph of fresh mung bean seed germination trend under different treatment methods

由圖3可以看出，瞬時(shí)高濃度活性氧誘導(dǎo)種子萌發(fā)明顯優(yōu)于其他組，拐點(diǎn)出現(xiàn)較早，其誘導(dǎo)種子萌發(fā)的時(shí)效性高于其他組。高錳酸鉀溶液處理和常態(tài)過(guò)氧化氫溶液提供的活性氧在相同時(shí)效內(nèi)其萌發(fā)率均高于對(duì)照組，且二者誘導(dǎo)種子萌發(fā)作用的趨勢(shì)相當(dāng)。未經(jīng)處理的種子，萌發(fā)趨勢(shì)呈現(xiàn)線性，切劣于經(jīng)過(guò)制氧劑激活后的種子，提示3種作用均可以有效誘導(dǎo)種子萌發(fā)，提高萌發(fā)率。

圖4 不同方法處理24 h后綠豆種子萌發(fā)情況Fig.4 Fresh mung bean seed germination status 24h after treatment

由圖 4可以看出，不同處理方法處理新種子后，瞬時(shí)高濃度活性氧組萌發(fā)率明顯高于其他組，且其生長(zhǎng)狀態(tài)較其他處理方法處理的綠豆更為成熟，生長(zhǎng)更為旺盛。另外兩種氧處理方法其萌發(fā)狀態(tài)與萌發(fā)數(shù)量均優(yōu)于未處理組。

2.2 對(duì)陳年綠豆種子的處理結(jié)果(見(jiàn)表2)

表2 不同處理方法處理陳年種子Tab.2 Treatment of old seeds

圖5 不同處理方法處理陳舊綠豆萌發(fā)率Fig.5 Germination rate of old mung bean seeds treated with different methods

高錳酸鉀處理組有效提高了陳年種子的萌發(fā)率，打破其休眠，萌發(fā)結(jié)果高于對(duì)照組。但兩組過(guò)氧化氫來(lái)源的活性氧并未起到促進(jìn)作用，相反，還從一定程度上抑制其萌發(fā)，其萌發(fā)率低于對(duì)照組(見(jiàn)圖5)。

圖6 不同處理方法處理陳舊種子萌發(fā)率趨勢(shì)Fig.6 Relational graph of old mung bean seed germination trend under different treatment methods

由圖6和圖7可以看出，高錳酸鉀溶液處理后，可以顯著促進(jìn)陳舊種子萌發(fā)，其生長(zhǎng)旺盛、狀態(tài)良好，而其他兩種處理方法均會(huì)對(duì)種子萌發(fā)起到某種抑制作用，萌發(fā)延遲。相同時(shí)間下，其萌發(fā)率和新生幼芽的生長(zhǎng)狀態(tài)均低于對(duì)照組。

圖7 不同處理方法處理24,h陳舊種子萌發(fā)情況Fig.7 Old mung bean seed germination status 24,h after treatment

3 討 論

傳統(tǒng)上破除種子休眠的方法有很多，其中針對(duì)種皮處理的較多，因?yàn)榉N皮會(huì)在萌發(fā)過(guò)程中起到抑制作用，它一方面會(huì)阻礙種子內(nèi)外的物質(zhì)交換，尤其是阻止內(nèi)部抑制物質(zhì)逸出，如脫落酸等；[1]另一方面，過(guò)硬的種皮會(huì)從物理萌發(fā)過(guò)程上抑制胚胎發(fā)育生長(zhǎng)，軟化種皮成為了打破休眠的突破口。本實(shí)驗(yàn)涉及的促進(jìn)種子萌發(fā)的藥物為二氧化錳、高錳酸鉀以及雙氧水，其化學(xué)活性相對(duì)于植物激素半衰期短，易于清除，尤其是雙氧水，其分解產(chǎn)物為氧氣和水，具有更高的安全性，對(duì)于提升我國(guó)的食品安全具有很大的積極意義。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，催化劑條件下的雙氧水獲得的瞬時(shí)高濃度活性氧處理組在促進(jìn)綠豆種子萌發(fā)的幾組比較中都有明顯優(yōu)勢(shì)。提高環(huán)境中氧氣的濃度可以打破休眠，雙氧水本身的氧化性可以軟化種皮，促進(jìn)活性氧進(jìn)入，同時(shí)活性氧能夠更加活躍地參與到種子的各種生化反應(yīng)，打破種子休眠。其效果要好于片面提高環(huán)境中的氧含量，這就是2組活性氧處理組能有效提高萌發(fā)數(shù)的原因。催化劑條件下制得的瞬時(shí)高濃度活性氧的瞬時(shí)性和高濃度更擴(kuò)大了這個(gè)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)了這一過(guò)程，雖然雙氧水一直在分解，但其對(duì)種皮的氧化性依然存在，也就是說(shuō)在軟化種皮的同時(shí)又快速注入大量的活性氧。

值得注意的是，針對(duì)陳年種子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同處理方法中萌發(fā)率最高的是高錳酸鉀溶液組，雙氧水釋放的常態(tài)活性氧組略高于催化劑條件下的瞬時(shí)高濃度活性氧組，兩者都不如對(duì)照組萌發(fā)率高。從這個(gè)現(xiàn)象可以推斷出由于過(guò)氧化氫所釋放的活性氧類物質(zhì)具有很強(qiáng)的化學(xué)活性，而陳年種子的耐受能力偏差，活性氧產(chǎn)生的這種強(qiáng)氧化過(guò)程造成內(nèi)部傷害致使種子的萌發(fā)率下降。瞬時(shí)活性氧對(duì)種子的傷害較大，可能也是因?yàn)槠溲踽尫诺母邼舛?，有可能加?qiáng)了活性氧對(duì)于種子的損傷，但這一現(xiàn)象并不明顯。而高錳酸鉀溶液獲得活性氧由于化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，且其具有一定的緩釋作用，故其對(duì)于種子作用較為溫和，對(duì)陳舊種子而言，這些微量活性氧可能有助于陳舊種胚細(xì)胞的激活。

有趣的是，在新綠豆種子的萌發(fā)過(guò)程中，催化劑條件下的瞬時(shí)高濃度活性氧組和過(guò)氧化氫組發(fā)芽的種子在一開(kāi)始的生長(zhǎng)速度明顯高于高錳酸鉀組，說(shuō)明雙氧水電離出的含氧類物質(zhì)不只在促進(jìn)種子萌發(fā)還對(duì)幼苗的生長(zhǎng)有一定的影響，但其作用方式及時(shí)效、量效關(guān)系還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

活性氧物質(zhì)可以積極地參加到種子內(nèi)的代謝中，打破休眠，對(duì)新鮮種子的作用明顯。同時(shí)，雙氧水產(chǎn)生的含氧活性物質(zhì)有對(duì)種子本身有傷害，在陳年種子上體現(xiàn)明顯。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的種子處理方法?；谶@一實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以提出一種促進(jìn)種子萌發(fā)的優(yōu)化方法，即利用雙氧水尤其是催化劑誘導(dǎo)下的瞬時(shí)高濃度活性氧處理植物種子來(lái)打破植物種子休眠。該方法可以有效提高種子發(fā)芽率以及縮短植物發(fā)芽周期，使植物同步化生長(zhǎng)，從而避免出苗不齊等由種子休眠這一現(xiàn)象引起的不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和園藝欣賞的現(xiàn)象發(fā)生。

［1］ 孫果忠，張秀英，肖世和. 活性氧對(duì) ABA 和水分脅迫抑制的小麥萌發(fā)胚內(nèi)淀粉酶表達(dá)的影響[J]，麥類作物學(xué)報(bào)：2005，25(4)：50-53.

［2］ 邢勇，武月琴. 種子休眠與致休眠因子[J]，生物學(xué)教學(xué)，2003，28(5)：

［3］ 顏啟傳. 種子學(xué)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2005.