引發(fā)對青菜和甘藍(lán)陳年種子萌發(fā)、出苗以及幼苗生理生化指標(biāo)的影響

吳凌云,姜 武,姚東偉,李 明

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所,上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點實驗室,上海 201403;2鹽城源怡農(nóng)業(yè)科技有限公司,鹽城 224633)

種子達到生理成熟期時活力水平最高,此后隨著貯藏時間的增加,種子活力不斷下降。種子老化劣變過程十分復(fù)雜,包括貯藏物質(zhì)的變化、膜的損傷和修復(fù)、蛋白質(zhì)和核酸的變化等等[1]。有關(guān)修復(fù)和提高種子活力方法的研究有很多,種子引發(fā)技術(shù)是其中之一[2]。種子引發(fā)是控制種子緩慢吸收水分使其停留在吸脹的第二階段,讓種子進行預(yù)發(fā)芽的生理生化代謝和修復(fù)作用,促進細(xì)胞膜、細(xì)胞器、DNA的修復(fù)和酶的活化[3]。引發(fā)的種子處于“發(fā)芽狀態(tài)”,但是胚根沒有伸出,具有較高的發(fā)芽勢且發(fā)芽整齊[4]。

青菜(Brassica campestrisssp.chinensisMakino)和甘藍(lán)(Brassica oleraceaL.var.capitataL.)同屬十字花科蕓薹屬一、二年生蔬菜作物,營養(yǎng)豐富,栽培面積大,具有重要的經(jīng)濟和食用價值。青菜和甘藍(lán)種子從采收到播種一般會經(jīng)過一段時間貯藏,由于自然衰老或不適宜的貯藏環(huán)境,種子活力會逐年降低。隨著貯藏時間的增加,青菜和甘藍(lán)種子萌發(fā)速度減慢,田間出苗不整齊,出苗率降低,嚴(yán)重影響種子質(zhì)量。種子引發(fā)技術(shù)作為一種種子播前處理技術(shù),可以提高種子活力、發(fā)芽速度、幼苗質(zhì)量和出苗的整齊度,增加產(chǎn)量[5-9]。國內(nèi)研究報道,PEG滲透引發(fā)提高了人工老化小麥、辣椒的種子活力[10-11];PVA+KNO3引發(fā)提高了人工老化水稻種子活力,提高了種子的SOD、CAT、POD、脫氫酶活性和可溶性蛋白含量,降低了MDA含量[12]。固體基質(zhì)引發(fā)和滲透調(diào)節(jié)引發(fā)是目前廣泛應(yīng)用的兩種引發(fā)方法。固體基質(zhì)如蛭石引發(fā)可提高低溫下不結(jié)球白菜種子發(fā)芽特性和幼苗抗氧化特性[13];滲透調(diào)節(jié)如聚乙二醇、水楊酸、硝酸鈣、氯化鈉引發(fā)可提高甘藍(lán)種子萌發(fā)特性,增強抗氧化酶活性[14-16]。目前,關(guān)于引發(fā)對修復(fù)和提高青菜和甘藍(lán)老化種子活力以及不同引發(fā)方法的比較研究尚未見報道。

本試驗擬采取固體基質(zhì)蛭石、液體滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)硝酸鉀和亞精胺對青菜和甘藍(lán)陳年種子進行引發(fā)處理,研究引發(fā)對青菜和甘藍(lán)陳年種子萌發(fā)、出苗以及幼苗生理生化指標(biāo)的影響,旨在為利用種子引發(fā)技術(shù)修復(fù)和提高青菜和甘藍(lán)陳年種子活力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用一代交配青菜‘新夏青6號’和甘藍(lán)‘爭春’種子由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所提供?！孪那?號’于2014年收獲,‘爭春’于2016年收獲,種子收獲后常溫貯藏于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所;蛭石由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施園藝研究所提供;硝酸鉀由國藥集團化學(xué)試劑有限公司提供;亞精胺由上海源葉生物科技有限公司提供。

1.2 種子引發(fā)處理

固體基質(zhì)(SM)引發(fā):將種子與蛭石按1∶1.5的質(zhì)量比混合,再加入兩者總質(zhì)量50%的蒸餾水,攪拌均勻置于燒杯中,于20℃恒溫箱中黑暗條件下引發(fā)(‘新夏青6號’引發(fā)66 h,‘爭春’引發(fā)36 h),引發(fā)結(jié)束后,用篩子將蛭石篩除,將種子回干。

亞精胺(Spd)引發(fā):用2.4 mmol∕L的亞精胺溶液引發(fā)‘新夏青6號’和‘爭春’種子,于20℃恒溫箱中黑暗條件下引發(fā)24 h,引發(fā)結(jié)束后,流水沖洗,均勻攤開,用吸水紙吸干表面水分將種子回干。

硝酸鉀(KNO3)引發(fā):用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的硝酸鉀溶液引發(fā)‘新夏青6號’和‘爭春’種子,于20℃恒溫箱中黑暗條件下引發(fā)24 h,引發(fā)結(jié)束后,流水沖洗,均勻攤開,用吸水紙吸干表面水分將種子回干。

最佳引發(fā)時間、溫度和引發(fā)劑濃度由預(yù)試驗篩選得到。

1.3 種子萌發(fā)試驗

以未處理的陳年種子為對照(CK),將引發(fā)和未引發(fā)的青菜和甘藍(lán)陳年種子分別放入裝有雙層發(fā)芽紙的發(fā)芽盒(13 cm×19 cm×16 cm)內(nèi),加入7 mL蒸餾水,置于20℃培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)芽。每個處理重復(fù)3次,每個重復(fù)70粒,發(fā)芽期內(nèi)每天兩次計數(shù),以胚根伸出1 mm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)。計算第2天發(fā)芽勢、第7天發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)以及平均發(fā)芽時間。

1.4 幼苗生長測定

將對照和引發(fā)處理的青菜和甘藍(lán)陳年種子分別播種于32孔穴盤中,置于20℃人工氣候室進行育苗,每處理重復(fù)3次,每個重復(fù)32粒,每天記錄出苗數(shù),出苗結(jié)束后,每盤隨機挑選8株幼苗用流水沖洗干凈,吸干表面水分,測量其根長、苗高和鮮重,計算出苗率、出苗指數(shù)和平均出苗時間。

1.5 生理生化指標(biāo)的測定

將對照和引發(fā)的青菜和甘藍(lán)陳年種子分別播于穴盤中,置于20℃人工氣候室進行育苗,播后9 d,取幼苗用液氮磨粉后測定以下生理指標(biāo),重復(fù)3次。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)活性以及丙二醛(MDA)、過氧化氫(H2O2)、可溶性蛋白含量均采用試劑盒(蘇州科銘生物技術(shù)有限公司)測定。

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理和顯著性分析(Duncan’s多重極差檢驗)。

2 結(jié)果與分析

2.1 引發(fā)對‘新夏青6號’和‘爭春’陳年種子萌發(fā)和出苗的影響

與對照(未引發(fā)種子)相比,引發(fā)處理的‘新夏青6號’和‘爭春’種子發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)均有一定提高,平均發(fā)芽時間顯著減少,發(fā)芽率與對照相當(dāng)(表1),其中固體基質(zhì)引發(fā)的效果最好。固體基質(zhì)引發(fā)處理、硝酸鉀引發(fā)處理、亞精胺引發(fā)處理的‘新夏青6號’發(fā)芽勢分別比對照提高了167.8%、112.5%和65.5%,發(fā)芽指數(shù)分別比對照提高了95.4%、28.5%和10.5%,平均發(fā)芽時間分別比對照提前了1.1 d、0.5 d和0.2 d;固體基質(zhì)引發(fā)處理、硝酸鉀引發(fā)處理、亞精胺引發(fā)處理的‘爭春’種子發(fā)芽勢分別比對照提高了13.4%、7.3%和6.7%,發(fā)芽指數(shù)分別比對照提高了104.0%、32.4%和31.3%,平均發(fā)芽時間分別比對照提前了1.0 d、0.5 d和0.5 d。

表1 引發(fā)對‘新夏青6號’和‘爭春’陳年種子萌發(fā)的影響Table 1 Effects of priming on germination of aged‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’seeds

由表2可見,固體基質(zhì)引發(fā)、硝酸鉀引發(fā)、亞精胺引發(fā)的‘新夏青6號’種子出苗率分別比對照增加56.9%、21.8%、43.4%;出苗指數(shù)分別比對照增加95.6%、33.5%、58.9%;平均出苗時間比對照分別減少2.0 d、0.9 d、0.9 d,幼苗株高分別比對照增加29.4%、44.8%、86.4%,鮮重分別比對照增加82.6%、16.1%、42.2%。固體基質(zhì)引發(fā)、硝酸鉀引發(fā)、亞精胺引發(fā)的‘爭春’種子出苗率分別比對照增加11.0%、1.4%、6.9%;出苗指數(shù)分別比對照顯著增加53.0%、13.8%、19.5%;平均出苗時間分別比對照顯著減少1.2 d、0.4 d、0.4 d,幼苗鮮重分別比對照增加11.6%、13.6%、19.3%。其中,固體基質(zhì)引發(fā)處理的‘新夏青6號’和‘爭春’種子出苗率、出苗指數(shù)、平均出苗時間等指標(biāo)均顯著好于對照。

表2 引發(fā)對‘新夏青6號’和‘爭春’陳年種子出苗的影響Table 2 Effects of priming on emergence of aged‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’seeds

以上結(jié)果表明,固體基質(zhì)引發(fā)、硝酸鉀引發(fā)、亞精胺引發(fā)均不同程度提高了‘新夏青6號’和‘爭春’陳年種子的萌發(fā)和出苗特性,其中固體基質(zhì)蛭石引發(fā)效果最好。

2.2 引發(fā)對‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗抗氧化酶活性和脂質(zhì)過氧化的影響

與對照相比,固體基質(zhì)引發(fā)、硝酸鉀引發(fā)、亞精胺引發(fā)的‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗SOD、CAT、APX、GR、GPX活性均顯著提高,MDA含量均顯著降低(圖1)?？梢?3種引發(fā)處理均顯著增加了青菜和甘藍(lán)幼苗的抗氧化酶活性,提高了抗氧化酶系統(tǒng)的防御能力,降低了膜脂過氧化水平。其中,固體基質(zhì)引發(fā)的‘爭春’和‘新夏青6號’幼苗GR、GPX活性最高,MDA含量最小。固體基質(zhì)引發(fā)的‘新夏青6號’幼苗SOD活性最高。

圖1 引發(fā)對‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗抗氧化酶活性和脂質(zhì)過氧化的影響Fig.1 Effects of priming on the antioxidant enzyme activity and lipid peroxidation in seedlings of‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’

2.3 引發(fā)對‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗可溶性蛋白和H2O2含量的影響

與對照相比,固體基質(zhì)引發(fā)、硝酸鉀引發(fā)、亞精胺引發(fā)的‘新夏青6號’幼苗可溶性蛋白含量分別顯著提高了40.7%、30.6%、13.0%,H2O2含量分別顯著降低了54.0%、38.0%、18.0%;固體基質(zhì)引發(fā)、硝酸鉀引發(fā)、亞精胺引發(fā)的‘爭春’幼苗可溶性蛋白含量分別顯著提高了49.5%、32.0%、18.6%,H2O2含量分別顯著降低了38.2%、17.6%、23.5%。其中,固體基質(zhì)引發(fā)的‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗可溶性蛋白含量最高,H2O2含量最低(圖2)。試驗表明,種子引發(fā)可促進幼苗可溶性蛋白的積累,減少ROS積累,從而促進滲透調(diào)節(jié),減少氧化脅迫。

圖2 引發(fā)對‘新夏青6號’和‘爭春’幼苗可溶性蛋白和H2O2含量的影響Fig.2 Effects of priming on the content of soluble protein and H2O2 in seedlings of‘Xinxiaqing No.6’and‘Zhengchun’

3 討論

種子引發(fā)可以促進種子快速且整齊地萌發(fā)以及幼苗生長,不同引發(fā)方法的有效性隨著作物種類及其品種的不同而不同[8]。種子引發(fā)可以修復(fù)和提高老化種子的活力。本試驗表明,固體基質(zhì)引發(fā)、硝酸鉀引發(fā)和亞精胺引發(fā)能顯著提高青菜和甘藍(lán)陳年種子活力,減少平均出苗時間,提高幼苗素質(zhì)。這與前人研究結(jié)果相似[17-20]。

種子在貯藏過程中活力不斷下降。種子的老化是一個循序漸進的過程,通常是先發(fā)生生化變化,生化變化包括膜脂過氧化、抗氧化系統(tǒng)平衡被打破,劣變產(chǎn)物積累和酶活性的變化等[21]。McDonald[22]認(rèn)為,活性氧的累積是造成種子老化的主要因素,ROS可以損傷蛋白質(zhì)和核酸并啟動不飽和脂肪酸的脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。種子在自然老化過程中,活力下降與H2O2和丙二醛含量增加密切相關(guān),抗氧化酶SOD、CAT、POD、APX、GR活性隨著種子老化而降低[23]。本試驗中,經(jīng)固體基質(zhì)、硝酸鉀和亞精胺引發(fā)處理后,青菜和甘藍(lán)幼苗抗氧化酶(SOD、CAT、APX、GR、GPX)活性和可溶性蛋白含量顯著增加,H2O2和MDA含量顯著下降,說明3種不同引發(fā)處理均能不同程度地減緩幼苗抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)下降的幅度,緩解脂質(zhì)過氧化,有利于消除體內(nèi)有毒物質(zhì)的積累,對細(xì)胞起保護作用。這與前人研究結(jié)果相一致[24]。

本試驗表明,固體基質(zhì)、硝酸鉀和亞精胺引發(fā)均顯著提高了青菜和甘藍(lán)幼苗抗氧化酶SOD、CAT、APX、GR、GPX活性和可溶性蛋白含量,顯著降低了MDA含量和H2O2積累,說明3種引發(fā)處理均顯著提高了青菜和甘藍(lán)幼苗抗氧化酶的活性,清除ROS的積累,減少幼苗脂質(zhì)過氧化,保持較高的細(xì)胞膜相對完整性,提高滲透調(diào)節(jié)能力,從而提高了種子萌發(fā)和出苗特性。

在3種引發(fā)方法中,固體基質(zhì)引發(fā)的幼苗在GR、GPX活性、MDA、可溶性蛋白和H2O2含量等多項指標(biāo)方面優(yōu)于硝酸鉀引發(fā)和亞精胺引發(fā),因此,固體基質(zhì)引發(fā)的種子萌發(fā)和出苗特性均好于硝酸鉀引發(fā)和亞精胺引發(fā)。

綜上所述,固體基質(zhì)(SM)、硝酸鉀(KNO3)和亞精胺(Spd)引發(fā)均顯著增加了青菜和甘藍(lán)幼苗抗氧化酶活性,提高了抗氧化酶系統(tǒng)的防御能力,減少了H2O2的積累,降低了膜透性和膜脂過氧化水平,增加了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累,從而提高了種子的萌發(fā)和出苗特性,一定程度上修復(fù)了老化種子的活力。其中,固體基質(zhì)引發(fā)對青菜和甘藍(lán)陳年種子活力和幼苗生理生化指標(biāo)的有益影響優(yōu)于硝酸鉀引發(fā)和亞精胺引發(fā)。