作物種子的營養(yǎng)成分與其萌發(fā)特性關系的探討

單 瑩 王子勝

(1.遼寧省經(jīng)濟作物研究所， 遼寧 遼陽 111000； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院， 沈陽 110161)

1876年，Nobbe提出種子生長力即種子活力的概念，從而創(chuàng)立了種子學[1]。科學家圍繞種子的發(fā)生和發(fā)育、結構和成分[2-3]、生理生化特性[4-5]、對環(huán)境的應激反應[6-9]等開展了一系列的研究。近年來，有關種子的信號調(diào)控系統(tǒng)[10-12]和分子生物學研究[13-15]也在逐步深入，嘗試著從更深層次揭開種子的秘密。

種子發(fā)育和成熟的過程也是貯藏物質(zhì)逐漸累積增加的過程[13]，種子內(nèi)的貯藏物質(zhì)主要是蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、其他含氮物質(zhì)[16]。研究表明，糖類是種子的主要貯藏物質(zhì)，是種子生命活動的主要呼吸基質(zhì)[17]；脂類可以限制種子的透水性[18]，對細胞膜起到保護作用；蛋白質(zhì)幫助構成細胞結構，并為種子的正常代謝和發(fā)育提供氮素來源[19]。種子內(nèi)的貯藏物質(zhì)在不同種類、不同成熟度、不同貯藏年限的種子之間，甚至在同一作物的不同品種之間、同一品種不同產(chǎn)地之間都存在一定的差異。陳新軍等研究認為，不同植物種子所含成分的差異，對其活力有一定的影響[20]。陳素傳等通過對栓皮櫟的研究認為，不同種源間栓皮櫟種子的長度、寬度和種子千粒質(zhì)量以及可溶性糖、淀粉和蛋白質(zhì)含量差異極顯著[21]。張瑩等[22]對山白樹種子、烏璟等[23]對白木香種子、鄔忠康等[24]對不同品種荷蘭豆種子、呂曉梅等[25]對不同產(chǎn)地的長柱紅山茶種子、相微微等[26]對不同地區(qū)大明綠豆種子的營養(yǎng)成分進行了分析比較，也得到了相似的結論。

種子萌發(fā)是一個連續(xù)的過程，包括吸水膨脹，代謝恢復，胚根突破外圍包被組織，即完成萌發(fā)[10]。種子萌發(fā)過程中，會發(fā)生一系列生理生化變化，其中包括有毒有害物質(zhì)的積累、酶活性的變化、激素水平的變化等等。有關種子萌發(fā)期間酶活性和激素水平變化的研究較多，并取得了豐富的成果[27-28]。關于，種子萌發(fā)過程中的生理生化變化與種子的營養(yǎng)成分含量之間，相關性研究記載不多，相關研究較多以牧草、園藝作物或者樹木的種子為模板，針對大田作物種子開展的研究有限。因此，本試驗選擇具有代表性的8種大田農(nóng)作物種子，檢測其貯藏物質(zhì)含量和萌發(fā)期間生理生化變化等指標，研究分析了大田作物種子萌發(fā)的規(guī)律，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中種子生產(chǎn)、保存和應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選取了棉花、紅小豆、水稻、玉米、黃豆、黑豆、花生7種作物種子為材料。

1.2 方 法

1.2.1種子基本指標的測定

每份樣品取適量，檢測百粒重，并利用培養(yǎng)箱進行發(fā)芽試驗。

1) 種子百粒重。

選擇大小均勻、無破損的種子(棉花種子為脫絨后光籽)，測量百粒重，每樣品重復3次，取平均值。

2) 種子發(fā)芽試驗。

每樣品取100粒種子，使用發(fā)芽盒，溫度28 ℃、濕度40%，利用培養(yǎng)箱進行發(fā)芽試驗。發(fā)芽前利用95% 乙醇溶液對種子、發(fā)芽盒和培養(yǎng)箱進行表面消毒，在第4天測定發(fā)芽率。

1.2.2種子營養(yǎng)成分含量的測定

利用索氏提取法測定種子的粗脂肪含量，用蒽酮顯色法測定種子的可溶性糖和淀粉含量。操作方法參考張治安、陳展宇編寫的《植物生理學實驗技術》[29]。

1.2.3種子萌發(fā)期間酶活性的測定

每樣品種子稱取1 g，經(jīng)全面消毒后，使用發(fā)芽盒在溫度28 ℃、濕度40%的條件下，利用培養(yǎng)箱進行發(fā)芽。分別在發(fā)芽1、4、7 d，取發(fā)芽種子測定丙二醛(MDA)含量、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性和超氧化物歧化酶(SOD)活性。所有指標的測定均重復3次，最終結果取平均值。

采用TBA比色法測定種子MDA含量，采用愈創(chuàng)木酚法測定種子POD活性，采用紫外吸收法測定種子CAT和SOD活性。操作方法參考李玲等編寫的《植物生理學模塊實驗技術》[30]。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

利用Excel軟件處理數(shù)據(jù)和作圖，利用DPS軟件分析。

2 結果與分析

2.1 種子主要營養(yǎng)成分含量

由不同種類種子營養(yǎng)成分含量差異(表1)可見，各樣本間養(yǎng)分含量差別明顯。其中粗脂肪含量較低(0.51%～4.62%)的小豆、玉米和水稻種子中，淀粉含量明顯較高(38%～59%)，即淀粉類種子；而其它樣本的粗脂肪含量高(16%～45%)，淀粉含量明顯較低(3.1%～5.0%)，即脂肪類種子(油料作物種子)。除棉花和花生的可溶性糖含量較低外，其它作物種子的可溶性糖含量基本接近，與其它2種成分之間并沒有表現(xiàn)出相關的趨勢。

表1 不同種類種子營養(yǎng)成分含量

樣本 粗脂肪/%可溶性糖/%淀粉/%棉花18.94±0.16bB 5.24±0.13fE3.17±0.09cC紅小豆0.51±0.03gF14.29±0.54aA38.13±4.29bB水稻1.84±0.01fE11.27±0.72dC59.13±4.87aA玉米 4.62±0.18eD13.72±0.25abAB58.80±1.93aA黃豆16.82±0.08dC13.14±0.77bcAB5.04±0.58cC黑豆17.62±0.14cC14.16±0.65aA4.32±0.16cC花生45.24±0.21aA7.46±0.33eD3.66±0.13cc

注：表中大寫字母表示在1%水平上差異顯著，小寫字母表示在5%水平上差異顯著。下同。

2.2 種子百粒重和發(fā)芽率及其與養(yǎng)分含量的相關分析

2.2.1種子百粒重和發(fā)芽情況

由種子百粒重和發(fā)芽試驗的結果(表2)可見，樣本間的百粒重和4 d發(fā)芽率差別明顯。通過計算，種子的百粒重和4 d發(fā)芽率之間的相關系數(shù)為0.722 6，為中度正相關；淀粉類種子和脂肪類種子的發(fā)芽率之間也沒有表現(xiàn)出明顯的差異。

表2 樣本百粒重和4 d發(fā)芽率

樣本百粒重/g4d發(fā)芽率/% 棉花9.89±0.06fE8.62±1.24dC小豆21.77±0.50dD70.67±3.21abA水稻2.40±0.06gF42.33±14.57cB玉米27.90±0.69bcBC70.00±8.00abA黃豆27.03±1.42cC57.67±4.51bcAB黑豆29.47±0.91bB55.67±8.74bcAB花生47.17±1.81aA76.67±2.08aA

2.2.2養(yǎng)分含量與種子百粒重和發(fā)芽率的相關分析

以種子的營養(yǎng)成分含量為自變量，以種子百粒重和4 d發(fā)芽率為因變量，進行相關分析和逐步回歸分析，結果(表3)表明，樣本的百粒重主要受到粗脂肪和可溶性糖含量的影響，并與粗脂肪含量呈中度正相關；3種成分含量都會影響到4 d發(fā)芽率，其與粗脂肪含量呈較弱的低度相關。由此可見，粗脂肪含量對種子百粒重和發(fā)芽率的影響較大。

表3 養(yǎng)分含量與百粒重和發(fā)芽率的相關和逐步回歸分析

2.3 種子發(fā)芽期間MDA濃度變化及其與養(yǎng)分含量的相關分析

2.3.1MDA濃度變化情況

MDA濃度變化(圖1)表明，發(fā)芽期間，棉花種子的MDA濃度明顯高于其他作物，其次是花生、黑豆、黃豆，濃度最低的是水稻種子?？傮w來說，，脂肪類種子的MDA濃度要高于淀粉類種子，隨著發(fā)芽時間的延長，淀粉類種子MDA濃度呈升高趨勢，而脂肪類種子MDA濃度則呈先升再降趨勢。

圖1 種子發(fā)芽期間MDA濃度變化情況

2.3.2養(yǎng)分含量與MDA濃度的相關分析

以種子的營養(yǎng)成分含量為自變量，以種子發(fā)芽第1天、第4天和第7天的MDA濃度為因變量，進行相關分析和逐步回歸分析，結果(表4)表明，種子發(fā)芽期間，MDA濃度主要受到可溶性糖含量的影響，并與其呈顯著負相關；其次是淀粉含量；粗脂肪含量對MDA濃度的影響較小。

表4 養(yǎng)分含量與MDA濃度變化的相關和逐步回歸分析

發(fā)芽時間/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X31 0.1192-0.7028-0.3911Y=7.45-0.52×X240.1803-0.7765-0.3792Y=22.76-1.65×X27 0.1408-0.7701-0.3160Y=19.47-1.397×X2

2.4 種子發(fā)芽期間POD活性變化及其與養(yǎng)分含量的相關分析

2.4.1POD活性變化

POD活性的變化(圖2)表明，種子發(fā)芽期間，淀粉類種子的POD活性呈逐漸降低趨勢，其中玉米和水稻種子發(fā)芽1 d時的POD活性明顯高于其他作物，其下降也較為明顯。脂肪類種子POD活性變化趨勢相對較復雜，但黑豆和花生POD活性一直保持在較高水平。從現(xiàn)有數(shù)據(jù)看，不同樣本間、不同的發(fā)芽時間之間，都沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

2.4.2養(yǎng)分含量與POD含量的相關分析

以種子的營養(yǎng)成分含量為自變量，以種子發(fā)芽第1天、第4天和第7天 POD活性為因變量，進行相關分析和逐步回歸分析，結果(表5)表明，發(fā)芽1 d時， POD活性主要受到淀粉含量的影響，呈顯著正相關，與粗脂肪含量呈顯著負相關，與可溶性糖含量呈低度正相關。發(fā)芽4 d和7 d時表現(xiàn)出相同趨勢：主要受到粗脂肪含量的影響，并與其呈顯著到極顯著正相關，與可溶性糖和淀粉含量呈顯著負相關，且其相關性逐步減弱。

圖2 種子發(fā)芽期間POD活性變化情況

表5 養(yǎng)分含量與POD活性變化的相關和逐步回歸分析

發(fā)芽時間/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X31 -0.54410.39410.7562Y=0.0497+0.007×X34 0.7845-0.5723-0.3181Y=0.0180+0.00538×X170.8314-0.3811-0.4192Y=-0.025+0.0072×X1

2.5 種子發(fā)芽期間CAT活性變化及其與養(yǎng)分含量的相關分析

2.5.1CAT活性變化情況

CAT活性變化(圖3)表明，棉花種子發(fā)芽1 d和4 d 時CAT活性較高，而花生種子在發(fā)芽7 d時CAT活性較高。棉花和花生種子的CAT活性在整個試驗期間都保持在相對較高水平，而水稻和小豆種子的CAT活性則相對較低。總體來說，除棉花外，其它樣本發(fā)芽期間CAT活性呈逐漸上升的趨勢。

圖3 種子發(fā)芽期間CAT活性變化情況

2.5.2養(yǎng)分含量與CAT活性的相關分析

以種子的營養(yǎng)成分含量為自變量，以種子發(fā)芽第1、4、7天的CAT活性為因變量，進行相關分析和逐步回歸分析，結果(表6)表明，種子發(fā)芽期間，CAT活性與粗脂肪含量呈顯著正相關，與可溶性糖含量呈顯著或極顯著負相關，與淀粉含量呈顯著到減弱的負相關關系。逐步分析的結果也表明，種子發(fā)芽期間，CAT活性主要受到可溶性糖含量的影響。

表6 養(yǎng)分含量與CAT濃度變化的相關和逐步回歸分析

發(fā)芽時間/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X310.4098-0.8559-0.5332Y=770.9243-49.0648×X24 0.3933-0. 4801-0.0263Y=493.5094-7.7616×X1-3.4011×X270.5695-0.7847-0.4058Y=305.5121+8.7686×X2

2.6 種子發(fā)芽期間SOD活性變化及其與養(yǎng)分含量的相關分析

2.6.1SOD活性變化情況

SOD的活性變化(圖4)表明，棉花種子的SOD活性在發(fā)芽1 d時較高，而花生種子SOD活性在發(fā)芽4 d和7 d時較高。比較之下，棉花和花生的SOD活性相對較高，而小豆和水稻SOD活性較低?？傮w來看，種子發(fā)芽期間SOD活性隨發(fā)芽時間的延長而逐漸降低，并且脂肪類種子SOD活性高于淀粉類種子。

圖4 種子發(fā)芽期間SOD活性變化情況

2.6.2養(yǎng)分含量與SOD活性的相關分析

以種子的營養(yǎng)成分含量為自變量，以種子發(fā)芽第1、4、7天的SOD活性為因變量，進行相關分析和逐步回歸分析，結果(表7)表明，發(fā)芽期間SOD活性與3種成分的含量都有較強的相關關系，其與粗脂肪含量為正相關，與可溶性糖和淀粉含量呈負相關。逐步回歸分析表明，種子發(fā)芽期間，SOD活性主要受到可溶性糖含量的影響，隨可溶性糖含量的升高而降低。

表7 養(yǎng)分含量與SOD活性變化的相關和逐步回歸分析

發(fā)芽時間/d粗脂肪/%X1可溶性糖/%X2淀粉/%X310.5174-0.8356-0.5317Y=691.0671-41.0613×X240.9095-0.7531-0.5135Y=104.8730+4.7174×X1-9.8172×X270.6259-0.8343-0.2612Y=20.6640-1.1515×X2

3 結論與討論

3.1 不同種子養(yǎng)分含量表現(xiàn)不同的特性

試驗中各樣本的養(yǎng)分含量差異明顯。3種營養(yǎng)成分中，粗脂肪含量與淀粉含量呈負相關，可溶性糖含量與其它2種成分之間沒有表現(xiàn)出相關關系。脂肪含量較高的種子被稱為脂肪類種子或油料作物種子(脂肪含量≥15%)，是天然油脂的主要來源，本試驗中包括花生、棉花和黃豆；而淀粉含量較高的種子被稱為淀粉類種子(淀粉含量≥35%)，一般作為人畜的淀粉類食物來源，本試驗中包括水稻、玉米和小豆。值得注意的是，黑豆作為雜豆類的一種，一直都被認為是淀粉類種子，試驗檢測的脂肪含量高達17.62%，基本與黃豆持平，而淀粉含量僅有4.32%，因此應將其作為油料作物，成為植物油脂的一個新來源。同時，黑豆作為一種比較受歡迎的保健食品，建議對其油脂的組成成分進行進一步分析，充分開發(fā)其藥食同源的新用途。

3.2 種子百粒重和4 d發(fā)芽率受到營養(yǎng)成分含量的影響

試驗中樣本間的百粒重和第4天發(fā)芽率區(qū)別明顯，并且呈顯著正相關關系，即種子越大，發(fā)芽率越高；2個指標在淀粉類種子和脂肪類種子之間沒有表現(xiàn)出區(qū)別。2個指標更多受到粗脂肪含量的影響，可溶性糖含量和淀粉含量對其影響有限。然而，水稻種子由于種皮較堅厚，發(fā)芽較慢，第4天發(fā)芽率僅為42%,棉花種子的4 d發(fā)芽率僅為8%，其原因有待進一步探討。

3.3 種子萌發(fā)期間MDA主要來自于脂類物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化

本試驗中，脂肪類種子MDA濃度要高于淀粉類種子。隨著發(fā)芽時間的延長，淀粉類種子MDA濃度呈升高的趨勢，而脂肪類種子MDA濃度則呈先升再降趨勢?？傮w來看，MDA濃度隨粗脂肪含量的增加而升高，隨可溶性糖和淀粉含量的增加而降低。

可溶性糖是種子發(fā)芽到轉(zhuǎn)入光合作用之前的主要呼吸底物[6]，可溶性糖含量高，則種子的生命活動相對旺盛，有害物質(zhì)積累隨之降低。本試驗中，MDA含量與可溶性糖含量呈負相關，這一點與前人的研究結果相符合。趙娟等研究認為，種子中脂類物質(zhì)限制種子的透水性，對細胞膜起到保護作用；但是脂類容易變質(zhì)，從而引起種子的劣變[18]。本試驗中脂肪類種子MDA濃度要高于淀粉類種子，結合筆者的相關試驗(數(shù)據(jù)整理中)，可以推測，脂類是種子發(fā)芽過程中MDA的重要來源之一。

3.4 種子發(fā)芽期間酶活性的變化特點

發(fā)芽過程中，淀粉類種子的POD活性呈逐漸下降趨勢，脂肪類種子POD活性變化較為復雜，該指標與粗脂肪含量呈正相關關系。CAT活性呈逐漸上升趨勢，SOD活性呈逐漸降低趨勢，二者主要隨可溶性糖含量的增加而降低。脂肪類種子的SOD活性高于淀粉類種子，CAT活性在兩類種子中沒有表現(xiàn)出明顯趨勢。

本試驗中，粗脂肪含量與POD活性、CAT活性和SOD活性均表現(xiàn)較強的正相關關系，由此可以推測，發(fā)芽過程中的氧自由基主要來自于脂類物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化，氧自由基的增加反而提高了酶的活性。樣本中， POD活性較高的花生和黑豆，其發(fā)芽和生長情況良好；同為脂肪類種子的棉花其POD活性明顯低于花生，發(fā)芽率也低于花生；可以認為，POD對種子起到了直接的保護作用。同時，棉花和花生的CAT和SOD活性一直較高，但花生的發(fā)芽率較高，而棉花的發(fā)芽率卻偏低，說明CAT和SOD對種子的保護作用并沒有直接體現(xiàn)在種子活力上。關于其作用機制，有待進一步探討。

3.5 種子發(fā)芽期間生理指標的測定應在吸水完成后進行

本試驗中，MDA、POD 、CAT、SOD 4個指標在發(fā)芽第1天時，起伏較大，在發(fā)芽第4天和第7天時，各指標都表現(xiàn)出一定的趨勢。由此認為，種子在發(fā)芽第1天時，還處在吸脹階段，基本的生理和代謝功能還沒有恢復。發(fā)芽第4天和第7天時，種子的活性已經(jīng)被充分調(diào)動起來，代謝過程基本恢復，此時的檢測結果反映的才是種子本身的活力水平，也更值得信賴。

本試驗中種子發(fā)芽率與酶活性水平的關系，由于部分樣本出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，發(fā)芽率數(shù)據(jù)不具有代表性，因此沒有進行比較。關于這方面的工作，計劃在新一輪的試驗中，通過不同溫濕度條件下，種子的發(fā)芽率和酶活性水平之間的關系研究來進一步確定。

3.6 種皮對種子起到明顯的保護作用

本試驗中，為防止雜菌污染，對發(fā)芽盒、發(fā)芽箱及種子進行了表面消毒，但種子發(fā)芽率一直偏低，第4天開始出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，第7天時腐爛現(xiàn)象已經(jīng)很嚴重，同時黃豆樣品也出現(xiàn)較嚴重的腐爛現(xiàn)象。樣品中順利發(fā)芽且發(fā)育良好，基本沒有腐爛的是水稻和花生。

Loic研究認為，種皮是種子抵御外界不良環(huán)境的第一層保護機制，種皮中的黃酮類物質(zhì)不僅能為種子提供一個抵御病害的天然屏障，還能清除氧自由基[31]。結合本試驗的實際，認為棉花種子在脫絨過程中，種皮受到損傷，對種子的保護能力下降。徐敏等[9]曾經(jīng)利用棉花脫絨和未脫絨的種子進行發(fā)芽試驗，也發(fā)現(xiàn)脫絨棉籽并未如預期在發(fā)芽方面占有優(yōu)勢，推測應該是同樣的原因。水稻的種皮較厚，保護性較強，因而水稻發(fā)芽雖然稍慢，但發(fā)芽率較高，發(fā)芽后長勢良好且沒有腐爛現(xiàn)象。黃豆的種皮相對較薄，保護能力有限，因此黃豆也出現(xiàn)了較嚴重的腐爛現(xiàn)象。但是花生同樣作為脂肪類種子且種皮較薄，卻能夠順利發(fā)芽并保持良好的生長狀態(tài)?？梢?，種皮的薄與厚并不代表其保護能力，種皮對種子的保護機制值得進一步探討。

種子只有正常萌發(fā)和生長才能真正體現(xiàn)其價值，綜合本試驗研究結論，淀粉類種子在萌發(fā)方面具有一定優(yōu)勢，生產(chǎn)中可以適當降低播種量，脂肪類種子對于萌發(fā)期間的環(huán)境條件要求較高，種皮較厚的種子出苗率較高但發(fā)芽速度慢，生產(chǎn)中最好采取一定的催芽引發(fā)措施，以促進其出苗。